今天，很多工程師對DCS和PLC的CPU冗余、電源冗余、輸入/輸出模塊冗余、甚至網絡冗余已經有所了解了，它們位于自動化系統的1層（Level 1），見下圖，現在我們來討論一下2層和以上部分的冗余問題。這些部分包括：監控與數據采集（SCADA）、制造執行系統（MES）和企業資源計劃（ERP）等系統。

 

工業自動化需要高等級的可靠性，這個需求擴展到計算硬件和軟件--也具有高可用性。在低層系統，組件使用高可用性設計，諸如嵌入式控制器，已經有多年的歷史。但今天的人們期望自動化系統能執行更多的任務－諸如與后端數據庫交換信息－成為不斷集成和智能架構的一部分。

比如一家汽車生產商，在安裝安全氣囊時，需要記錄每個裝配螺釘的轉矩值，并把這個信息發送到公司的數據庫。如果這個數據在制造過程中變得不靠譜，在系統運行時引起失效，后果會非常嚴重。為了在制造過程中找出不能滿足規范的原因，工廠可能不得不停止生產線，請相關技術人員查找問題所在。對于某些流程行業，諸如制藥行業，糟糕的數據可能意味著一整批已經生產的產品必須廢棄。 

因為自動化系統要做很多的事情，所以系統變得非常復雜。公司必須經常對系統進行評估，發現問題所在，找出提高效率方法，在計算架構中建立高可靠性和高可用性的冗余是減少停機時間、提高整體生產率的方法之一。

建立高可用性

為了找到在一個系統中需要的冗余點，最好從有軟件環境的高層開始。考查高層子系統，諸如數據庫和管控臺，對需要高可用性的地方進行優先排序。如果一個特定的子系統需要連續的信息更新，數據存儲對這個子系統而言，應該具有高可用屬性。相反，管控臺為操作員提供人機界面，能夠與現場信息互動，反應速度不是很快，所以不需要最高的可用性。

下一步是對多個子系統制定不同可用性等級的策略。如果某個數據庫必須要高可用性，并且由多個服務器支持，功能怎樣分布到各服務器－特別是如果其中的一臺失效了怎么辦？這些都是策略要考慮的問題。對服務器實施高可用性有幾種可選方法，包括軟件和硬件的解決方案。 

在軟件領域，市場銷售的操作系統和數據庫很多都包含了群件功能，這意味著在集群機器中，能夠實現從失效節點到不同節點的自動切換。很多虛擬化產品也具有這樣的切換能力，這個功能能使企業快速啟動應急預案，執行備份解決方案，自動調出新的虛擬實例，這是在配置時事先要完成的特定角色。 

 

虛擬化允許不同類型的軟件棧使用統一的方法管理，這在老子系統和新子系統需要共存的情況下，是非常適合的。當失效發生時，同類系統的單一應用框架能夠把需要的預備應用切到一個新服務器上。

這些解決方案的每個性能都不一樣，差別巨大。一個全部冗余的硬件集群方案僅需要1秒或2秒完成切換，而由一個應用容器檢查到問題，然后轉移至一個新服務器可能需要30秒。選擇方案是否能滿足響應要求在設計階段是非常關鍵的，因為要改變一個冗余的架構層，可能需要對整個系統重新設計一次。

要注意的是，在集群的子系統內操作時，需要堅持一些原則，諸如最小化狀態和無擾動切換。有可能的話，使服務中的狀態信息最小化，并存放在公共存儲器中。對于不能完全轉移到公共存儲器的信息，非易失性存儲結合一種復制策略，可以實現節點失效的影響最小化。

當一個托管數據庫實例系統停機時，他可能處于最后交易的一半寫狀態。當新節點接入后，方案應設計成能夠滾動返回操作，已交易部分應避免重復輸入，不然會使記錄的不正確率增高。錯誤數據的影響可能是災難性的。如果不能找到制藥生產過程的正確歷史，制造商可能不得不召回一整批次產品，價值可能有幾百萬美元。

配置硬件冗余

系統除了在軟件級上建立高可用性外，硬件應確保不會因任意單點失效而使系統宕機。企業應能通過硬件冗余防止系統失效，并能實現在線可維護。在服務器級，冗余是確保運行連續、可靠計算和數據安全的基礎。 

冗余硬件的組件應該包括：

● 冗余服務器和熱插拔機架、冷卻風扇；

● 冗余機架管理模塊；

● 標準N-1冗余，熱插拔電源；

● 可選冗余隨機存儲器（RAM）；

● 帶熱插拔硬盤的冗余存儲；

● 電池支持的磁盤冗余陣列（RAID）緩存；

● 冗余網絡接口；

● 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的基礎，特別在自動化的制造和生產中。但很少有組織在每個運行部分建立相同等級的冗余，這是因為資金和資源都是有限的，另外對不同子系統可用性的要求也是不一樣的。由于基礎設施的不斷集成和智能化，公司有機會不斷改變系統的架構，可用性不但依靠處理器和存儲器，也要依靠建立的數據庫、接口和應用的冗余。

 

關鍵是選擇在哪里實施冗余。從整個系統的開始，評估哪個子系統需要高可用性，結合考慮軟件環境和硬件域，企業能夠達到他們所需要的高可用性，同時降低停機造成的損失。