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【技術(shù) 】DCS冗余問題簡介
冗余技術(shù)就是增加多余的設(shè)備，以保證系統(tǒng)更加可靠、安全地工作。冗余的分類方法多種多樣，按照在系統(tǒng)中所處的位置，冗余可分為元件級、部件級和系統(tǒng)級;按照冗余的程度可分為1:1冗余、 1:2冗余、1:n冗余等多種。在當前元器件可靠性不斷提高的情況下，和其它形式的冗余方式相比，1:1的部件級熱冗余是一種有效而又相對簡單、配置靈活的冗余技術(shù)實現(xiàn)方式，如I/O卡件冗余、電源冗余、主控制器冗余等。因此，目前國內(nèi)外主流的過程控制系統(tǒng)中大多采用了這種方式。當然，在某些局部設(shè)計中也有采用元件級或多種冗余方式組合的成功范例。二個部件組成的并聯(lián)系統(tǒng)(互為冗余)與單部件相比，平均無故障時間是原來的1.5倍。
但它并不是兩個部件簡單的并聯(lián)運行，而是需要硬件、軟件、通訊等協(xié)同工作來實現(xiàn)。將互為冗余的兩個部件構(gòu)成一個有機的整體，通常包括以下多個技術(shù)要點：
1)信息同步技術(shù)
它是工作、備用部件之間實現(xiàn)無擾動(Bumpless)切換技術(shù)的前提，只有按控制實時性要求進行高速有效的信息同步，保證工作、備用部件步調(diào)一致地工作，才能實現(xiàn)冗余部件之間的無擾動切換。
在熱備用工作方式下，其中一塊處于工作狀態(tài)(工作卡)，實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、運算、控制輸出、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能;而另一塊處于備用狀態(tài)(備用卡)，它實時跟蹤工作卡的內(nèi)部控制狀態(tài)(即狀態(tài)同步)。工作/備用卡件之間的正/負邏輯是互斥的，即一個為工作卡，另一個必定是備用卡;而且它們之間有冗余控制電路(又稱工作/備用控制電路)和信息通訊電路，以協(xié)調(diào)兩塊卡件同時而且有序地運行，保證對外輸入輸出特性的同一性，即對于用戶使用而言，可以認為只有一個部件。一般在設(shè)計中，工作、備用部件之間通過高速的冗余通訊通道(串行或并行)實現(xiàn)運行狀態(tài)互檢和控制狀態(tài)的同步(如組態(tài)信息、輸出閥位、控制參數(shù)等)。
2)故障檢測技術(shù)
為了保證系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時及時將冗余部分投入工作，必須有高精確的在線故障檢測技術(shù)，實現(xiàn)故障發(fā)現(xiàn)、故障定位、故障隔離和故障報警。故障檢測包括電源、微處理器、數(shù)據(jù)通訊鏈路、數(shù)據(jù)總線及I/O狀態(tài)等。其中故障診斷包括故障自診斷和故障互檢(工作、備用卡件之間的相互檢查)
3) 故障仲裁技術(shù)和切換技術(shù)
精確及時地發(fā)現(xiàn)故障后，還需要及時確定故障的部位、分析故障的嚴重性，依賴前文提到的冗余控制電路，對工作、備用故障狀態(tài)進行分析、比較和仲裁，以判定是否需要進行工作/備用之間的狀態(tài)切換?？刂茩?quán)切換到冗余備用部件還必須保證快速、安全、無擾動。當處于工作狀態(tài)的部件出現(xiàn)故障(斷電、復(fù)位、軟件故障、硬件故障等)或者工作部件的故障較備用部件嚴重時，備用部件必須快速地無擾動地接替工作部件的所有控制任務(wù)，對現(xiàn)場控制不造成任何影響。同時要求切換時間應(yīng)為毫秒級，甚至是微秒級，這樣就不會因為該部件的故障而造成外部控制對象的失控或檢測信息失效等等。另外，還需要盡快通過網(wǎng)絡(luò)通訊或就地LED顯示進行報警，通知用戶出現(xiàn)故障的部件和故障情況，以便進行及時維護。
4)熱插拔技術(shù)
為了保證容錯系統(tǒng)具有高可靠性，必須盡量減少系統(tǒng)的平均修復(fù)時間MTBR。要做到這一點，在設(shè)計上應(yīng)努力提高單元的獨立性、可修復(fù)性、故障可維護性。實現(xiàn)故障部件的在線維護和更換也是冗余技術(shù)的重要組成部分，它是實現(xiàn)控制系統(tǒng)故障部件快速修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵。部件的熱插拔功能可以在不中斷系統(tǒng)正?？刂乒δ艿那闆r下增加或更換組件，使系統(tǒng)平穩(wěn)地運行。
5)故障隔離技術(shù)
冗余設(shè)計時，必須考慮工作、備用部件之間的故障應(yīng)該做到盡可能互不影響或影響的概率相當小(0.01%)，即可認為故障是隔離的。這樣可以保證：處于備用狀態(tài)的部件發(fā)生故障時，不會影響冗余工作部件或其他關(guān)聯(lián)部件的正常運行，保證冗余的有效性。
1)主控制卡/器即CPU的冗余
2) 電源系統(tǒng)冗余
3) 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)冗余。
采用冗余網(wǎng)卡和冗余網(wǎng)絡(luò)接口。正常工作時，冗余的兩條數(shù)據(jù)高速通路同時并行運行，自動分攤網(wǎng)絡(luò)流量，并考慮了負載均衡的冗余設(shè)計，使系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信帶寬提高。當其中一路故障(網(wǎng)卡損壞或出現(xiàn)線路故障)時，另一路自動地承擔全部通信負載，保證通信的正常進行。
4)冷卻系統(tǒng)冗余。
利用控制柜內(nèi)可自動切換的冗余風扇，對風扇和機柜內(nèi)溫度進行實時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)工作風扇故障或柜內(nèi)溫度過高時都會自動報警，并自動啟動備用風扇。
5) 信息冗余。