今天，很多工程師對(duì)DCS和PLC的CPU冗余、電源冗余、輸入/輸出模塊冗余、甚至網(wǎng)絡(luò)冗余已經(jīng)有所了解了，它們位于自動(dòng)化系統(tǒng)的1層（Level 1），見(jiàn)下圖，現(xiàn)在我們來(lái)討論一下2層和以上部分的冗余問(wèn)題。這些部分包括：監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集（SCADA）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）等系統(tǒng)。

 

工業(yè)自動(dòng)化需要高等級(jí)的可靠性，這個(gè)需求擴(kuò)展到計(jì)算硬件和軟件--也具有高可用性。在低層系統(tǒng)，組件使用高可用性設(shè)計(jì)，諸如嵌入式控制器，已經(jīng)有多年的歷史。但今天的人們期望自動(dòng)化系統(tǒng)能執(zhí)行更多的任務(wù)－諸如與后端數(shù)據(jù)庫(kù)交換信息－成為不斷集成和智能架構(gòu)的一部分。

比如一家汽車(chē)生產(chǎn)商，在安裝安全氣囊時(shí)，需要記錄每個(gè)裝配螺釘?shù)霓D(zhuǎn)矩值，并把這個(gè)信息發(fā)送到公司的數(shù)據(jù)庫(kù)。如果這個(gè)數(shù)據(jù)在制造過(guò)程中變得不靠譜，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)引起失效，后果會(huì)非常嚴(yán)重。為了在制造過(guò)程中找出不能滿(mǎn)足規(guī)范的原因，工廠(chǎng)可能不得不停止生產(chǎn)線(xiàn)，請(qǐng)相關(guān)技術(shù)人員查找問(wèn)題所在。對(duì)于某些流程行業(yè)，諸如制藥行業(yè)，糟糕的數(shù)據(jù)可能意味著一整批已經(jīng)生產(chǎn)的產(chǎn)品必須廢棄。 

因?yàn)樽詣?dòng)化系統(tǒng)要做很多的事情，所以系統(tǒng)變得非常復(fù)雜。公司必須經(jīng)常對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在，找出提高效率方法，在計(jì)算架構(gòu)中建立高可靠性和高可用性的冗余是減少停機(jī)時(shí)間、提高整體生產(chǎn)率的方法之一。

建立高可用性

為了找到在一個(gè)系統(tǒng)中需要的冗余點(diǎn)，最好從有軟件環(huán)境的高層開(kāi)始。考查高層子系統(tǒng)，諸如數(shù)據(jù)庫(kù)和管控臺(tái)，對(duì)需要高可用性的地方進(jìn)行優(yōu)先排序。如果一個(gè)特定的子系統(tǒng)需要連續(xù)的信息更新，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)對(duì)這個(gè)子系統(tǒng)而言，應(yīng)該具有高可用屬性。相反，管控臺(tái)為操作員提供人機(jī)界面，能夠與現(xiàn)場(chǎng)信息互動(dòng)，反應(yīng)速度不是很快，所以不需要最高的可用性。

下一步是對(duì)多個(gè)子系統(tǒng)制定不同可用性等級(jí)的策略。如果某個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)必須要高可用性，并且由多個(gè)服務(wù)器支持，功能怎樣分布到各服務(wù)器－特別是如果其中的一臺(tái)失效了怎么辦？這些都是策略要考慮的問(wèn)題。對(duì)服務(wù)器實(shí)施高可用性有幾種可選方法，包括軟件和硬件的解決方案。 

在軟件領(lǐng)域，市場(chǎng)銷(xiāo)售的操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)很多都包含了群件功能，這意味著在集群機(jī)器中，能夠?qū)崿F(xiàn)從失效節(jié)點(diǎn)到不同節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)切換。很多虛擬化產(chǎn)品也具有這樣的切換能力，這個(gè)功能能使企業(yè)快速啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，執(zhí)行備份解決方案，自動(dòng)調(diào)出新的虛擬實(shí)例，這是在配置時(shí)事先要完成的特定角色。 

 

虛擬化允許不同類(lèi)型的軟件棧使用統(tǒng)一的方法管理，這在老子系統(tǒng)和新子系統(tǒng)需要共存的情況下，是非常適合的。當(dāng)失效發(fā)生時(shí)，同類(lèi)系統(tǒng)的單一應(yīng)用框架能夠把需要的預(yù)備應(yīng)用切到一個(gè)新服務(wù)器上。

這些解決方案的每個(gè)性能都不一樣，差別巨大。一個(gè)全部冗余的硬件集群方案僅需要1秒或2秒完成切換，而由一個(gè)應(yīng)用容器檢查到問(wèn)題，然后轉(zhuǎn)移至一個(gè)新服務(wù)器可能需要30秒。選擇方案是否能滿(mǎn)足響應(yīng)要求在設(shè)計(jì)階段是非常關(guān)鍵的，因?yàn)橐淖円粋€(gè)冗余的架構(gòu)層，可能需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)一次。

要注意的是，在集群的子系統(tǒng)內(nèi)操作時(shí)，需要堅(jiān)持一些原則，諸如最小化狀態(tài)和無(wú)擾動(dòng)切換。有可能的話(huà)，使服務(wù)中的狀態(tài)信息最小化，并存放在公共存儲(chǔ)器中。對(duì)于不能完全轉(zhuǎn)移到公共存儲(chǔ)器的信息，非易失性存儲(chǔ)結(jié)合一種復(fù)制策略，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)失效的影響最小化。

當(dāng)一個(gè)托管數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)例系統(tǒng)停機(jī)時(shí)，他可能處于最后交易的一半寫(xiě)狀態(tài)。當(dāng)新節(jié)點(diǎn)接入后，方案應(yīng)設(shè)計(jì)成能夠滾動(dòng)返回操作，已交易部分應(yīng)避免重復(fù)輸入，不然會(huì)使記錄的不正確率增高。錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的影響可能是災(zāi)難性的。如果不能找到制藥生產(chǎn)過(guò)程的正確歷史，制造商可能不得不召回一整批次產(chǎn)品，價(jià)值可能有幾百萬(wàn)美元。

配置硬件冗余

系統(tǒng)除了在軟件級(jí)上建立高可用性外，硬件應(yīng)確保不會(huì)因任意單點(diǎn)失效而使系統(tǒng)宕機(jī)。企業(yè)應(yīng)能通過(guò)硬件冗余防止系統(tǒng)失效，并能實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)可維護(hù)。在服務(wù)器級(jí)，冗余是確保運(yùn)行連續(xù)、可靠計(jì)算和數(shù)據(jù)安全的基礎(chǔ)。 

冗余硬件的組件應(yīng)該包括：

● 冗余服務(wù)器和熱插拔機(jī)架、冷卻風(fēng)扇；

● 冗余機(jī)架管理模塊；

● 標(biāo)準(zhǔn)N-1冗余，熱插拔電源；

● 可選冗余隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）；

● 帶熱插拔硬盤(pán)的冗余存儲(chǔ)；

● 電池支持的磁盤(pán)冗余陣列（RAID）緩存；

● 冗余網(wǎng)絡(luò)接口；

● 冗余熱插拔更換模塊。

 

決定在哪里投資

冗余是避免的中斷和宕機(jī)的基礎(chǔ)，特別在自動(dòng)化的制造和生產(chǎn)中。但很少有組織在每個(gè)運(yùn)行部分建立相同等級(jí)的冗余，這是因?yàn)橘Y金和資源都是有限的，另外對(duì)不同子系統(tǒng)可用性的要求也是不一樣的。由于基礎(chǔ)設(shè)施的不斷集成和智能化，公司有機(jī)會(huì)不斷改變系統(tǒng)的架構(gòu)，可用性不但依靠處理器和存儲(chǔ)器，也要依靠建立的數(shù)據(jù)庫(kù)、接口和應(yīng)用的冗余。

 

關(guān)鍵是選擇在哪里實(shí)施冗余。從整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)始，評(píng)估哪個(gè)子系統(tǒng)需要高可用性，結(jié)合考慮軟件環(huán)境和硬件域，企業(yè)能夠達(dá)到他們所需要的高可用性，同時(shí)降低停機(jī)造成的損失。