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　　摘要：在不少現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，冗余的想法已經(jīng)被淡化了。但我們?cè)谶@里要討論的是，當(dāng)控制系統(tǒng)環(huán)境確實(shí)有冗余I/O需求時(shí)，工程師是否按要求做到了？而這種冗余方案的實(shí)施又是不是真正足夠有效呢？
　　
　　“冗余”在控制領(lǐng)域是個(gè)很常見的話題，因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)需要保持足夠的穩(wěn)定性，工程設(shè)計(jì)方案中經(jīng)常會(huì)在PLC/PAC上做電源冗余，CPU冗余，當(dāng)然還有I/O冗余。在關(guān)鍵性系統(tǒng)的拓?fù)渲?，甚至需要整套系統(tǒng)的全冗余方案。當(dāng)然，隨著自動(dòng)化控制技術(shù)的成熟、相關(guān)控制系統(tǒng)產(chǎn)品的品質(zhì)日趨完善，在冗余的必要性上，不同類型的終端用戶也開始有不同的做法。在不少現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，冗余的想法已經(jīng)被淡化了。但我們?cè)谶@里要討論的是，當(dāng)控制系統(tǒng)環(huán)境確實(shí)有冗余I/O需求時(shí)，工程師是否按要求做到了？而這種冗余方案的實(shí)施又是不是真正足夠有效呢？
　　
　　做到真正的冗余I/O
　　
　　羅克韋爾自動(dòng)化公司的集成架構(gòu)產(chǎn)品王廣野，在冗余I/O方面有著豐富的知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在他介紹羅克韋爾自動(dòng)化1715系列冗余I/O產(chǎn)品(此產(chǎn)品榮獲CEC2011年度*產(chǎn)品獎(jiǎng))的時(shí)候有一個(gè)提法，那就是“真正意義上的冗余I/O”。
　　
　　這個(gè)提法的背景是在搭建I/O冗余環(huán)境時(shí)，我們通常只是將兩塊相同的I/0模塊都連在通路上。理論上一旦一個(gè)模塊停止工作，另一個(gè)將擔(dān)負(fù)起它的全部工作。這樣的方式看似簡(jiǎn)單、明確，但實(shí)際上它仍有缺陷。我們舉一個(gè)例子：一個(gè)PLC控制信號(hào)輸出，從相互冗余的兩塊I/O輸出模塊共同進(jìn)入到遠(yuǎn)端的一個(gè)端子上，這個(gè)端子信號(hào)再出去，zui終到達(dá)需要控制的一個(gè)閥門上。如果這個(gè)一個(gè)10毫安(4-20毫安之間)的控制信號(hào)，在輸出控制時(shí)，兩個(gè)I/O模塊同時(shí)開始工作，每個(gè)模塊輸出5毫安，兩者之和就是10毫安了。但問題的關(guān)鍵就出于此處，就是任意模塊的理論輸出是5毫安，但是實(shí)際上它輸出的究竟是不是5毫安？沒人知道！這是冗余，但算不上的冗余。
　　
　　造成這種冗余缺陷的根本原因在于它的自診斷功能不夠完備。對(duì)此，真正的冗余I/O是如何做到的呢？羅克韋爾自動(dòng)化公司的集成架構(gòu)產(chǎn)品王廣野說：“我們這個(gè)冗余系統(tǒng)可以診斷I/O通道本身，假設(shè)我要求I/O模塊輸出5毫安電流信號(hào)，它沒有輸出，自診斷過程很快，系統(tǒng)立刻就會(huì)了解到這個(gè)模塊有問題，并馬上將這個(gè)模塊的狀態(tài)設(shè)定為故障狀態(tài)。而且，這個(gè)故障模塊仍能輸出什么樣的信號(hào)，系統(tǒng)自己也很清楚。比如此時(shí)故障模塊只能輸出4毫安電流信號(hào)，那么系統(tǒng)就要求冗余的另一塊I/O模塊的信號(hào)從5毫安變?yōu)?毫安；如果故障模塊*沒有任何信號(hào)輸出了，那么，其互為冗余的I/O模塊就實(shí)時(shí)地調(diào)整為輸出10毫安。這樣，在末端的輸出信號(hào)就能始終保持正常的10毫安了。”
　　
　　至于故障模塊如何處理修復(fù)？王廣野回答說：“這很方便，把故障模塊的卡拔掉，換一個(gè)新的上去，一切又恢復(fù)如新。關(guān)鍵是在熱插拔的過程中，系統(tǒng)能始終保持控制末端信號(hào)實(shí)時(shí)維持高準(zhǔn)確性和高穩(wěn)定性。”
　　
　　冗余強(qiáng)調(diào)對(duì)可用性的保障
　　
　　這種所謂真正的冗余有什么實(shí)際效果上的好處嗎？或者給用戶帶來什么樣的效果？據(jù)王的介紹：一個(gè)煉化廠的煉油過程需要通過對(duì)煉油溫度的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)油品的分類，操作者在控制溫度這一過程變量時(shí)，一旦突發(fā)I/*，而且此故障I/O仍能部分地維持工作狀態(tài)，由于其仍處于正常工作狀態(tài)，操作者對(duì)故障問題并不知情，這就會(huì)在工藝上產(chǎn)生擾動(dòng)。比如I/O輸出本來需要10毫安電流信號(hào)，但是故障輸出突變?yōu)?毫安了。這5毫安的控制效果，和10毫安的控制效果會(huì)有明顯差異：假設(shè)現(xiàn)場(chǎng)I/O輸出信號(hào)是用來控制蒸汽閥門的，模擬量的控制信號(hào)因強(qiáng)度下降，造成蒸汽閥門打開，但打開程度卻比預(yù)想小，因此造成蒸汽注入不足，隨之工藝溫度會(huì)有瞬間下降。因此影響油品煉化的質(zhì)量。
　　
　　即使系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)問題，但如果在修正方式上只是簡(jiǎn)單地采取不斷增加對(duì)回路的控制信號(hào)強(qiáng)度值，從而維持輸出末端的信號(hào)的準(zhǔn)確性。這樣一來，在一個(gè)緩慢地積累過程后，在生產(chǎn)中就會(huì)造成某個(gè)波動(dòng)的影響，從而對(duì)油品的質(zhì)量造成長(zhǎng)期性的影響。
　　
　　另一個(gè)例子是壓縮機(jī)，它在很多場(chǎng)合需要冗余I/O的控制，出現(xiàn)的問題也是一樣的。壓縮機(jī)中的壓力建立起來需要一個(gè)過程。由于冗余I/O輸出控制信號(hào)不穩(wěn)定，很可能在瞬間迅速失去壓力。然而，要想重新回到原壓力要求指標(biāo)，這需要較長(zhǎng)的蓄能過程，生產(chǎn)也將因此造成損失。
　　
　　所以，真正意義上的冗余I/O的核心優(yōu)勢(shì)是體現(xiàn)在工藝中的可用性上的，當(dāng)然作為冗余，其安全上自然也應(yīng)該是保障之一。雖然整體控制系統(tǒng)中設(shè)有多種安全保護(hù)措施，使得真正發(fā)生安全事故的幾率極低，但據(jù)王廣野的了解，因冗余I/*問題發(fā)生的安全事故雖屬極個(gè)別，但還是存在的。
　　
　　易用性
　　
　　業(yè)界強(qiáng)調(diào)冗余I/O的自診斷功能，但實(shí)現(xiàn)起來，方式也不盡相同。工程師可自行編程實(shí)現(xiàn)I/O的自診斷，此法的弱點(diǎn)在于它要占用CPU資源；其次，自診斷根據(jù)什么判斷也是難點(diǎn)之一，因?yàn)樽粉櫼粋€(gè)過程變量的改變因素需要考慮到各種細(xì)節(jié)變化的相互疊加或影響。王廣野指出：羅克韋爾的做法是硬件級(jí)的，它讓冗余I/O自己獨(dú)立診斷，這樣就避免了對(duì)CPU資源的占用。而且不用任何附加編程和初始設(shè)置，這樣的就在用戶端呈現(xiàn)了良好的易用性效果。至于羅克韋爾的冗余I/O自診斷原理，王廣野補(bǔ)充說。“我們具體的實(shí)現(xiàn)思路的關(guān)鍵是將冗余I/O自身的功能變得更強(qiáng)大，任何表面上的信號(hào)輸入或輸出，其實(shí)在I/O模塊內(nèi)部都是雙向的。因?yàn)橛幸宦窌?huì)被I/O自行讀回，從而實(shí)現(xiàn)自診斷。”
　　
　　集成架構(gòu)
　　
　　冗余I/O的應(yīng)用在流程工業(yè)的DCS系統(tǒng)中使用得非常廣泛，然而，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和自動(dòng)化技術(shù)的不斷演進(jìn)，流程自動(dòng)化和工廠自動(dòng)化的交叉領(lǐng)域越來越大，在很多行業(yè)中，工廠都是有FA/PA雙向自動(dòng)化需求的，這種條件下的所謂集成架構(gòu)的自動(dòng)化系統(tǒng)就顯得非常有效率了。它不僅可以將FA/PA兩種形式和側(cè)重的自動(dòng)化系統(tǒng)無縫的統(tǒng)一管理起來，而且在控制設(shè)備投入上，也節(jié)約了原先需要一分為二的雙系統(tǒng)成本。想必基于集成架構(gòu)的整體策略上，正是羅克韋爾自動(dòng)化公司冗余I/O技術(shù)發(fā)揮其zui大效能的核心優(yōu)勢(shì)所在。這一點(diǎn)得到了羅克韋爾自動(dòng)化公司的集成架構(gòu)產(chǎn)品王廣野的認(rèn)同。
　　
　　在確保系統(tǒng)魯棒性上，冗余設(shè)計(jì)是基本的解決之道。而今為了確保特定的生產(chǎn)工藝需求，以控制信號(hào)確保實(shí)現(xiàn)高可用性的領(lǐng)域，冗余I/O的設(shè)計(jì)扮演了更為關(guān)鍵的角色。而集成架構(gòu)之下帶來的自動(dòng)化系統(tǒng)的融合，為這一應(yīng)用亮點(diǎn)提供的更為豐富的市場(chǎng)空間。