冗余在控制領域是個很常見的話題，因為控制系統需要保持足夠的穩定性，工程設計方案中經常會在PLC/PAC上做電源冗余，CPU冗余，當然還有I/O冗余。在關鍵性系統的拓撲中，甚至需要整套系統的全冗余方案。當然，隨著自動化控制技術的成熟、相關控制系統產品的品質日趨完善，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。在不少現場環境中，冗余的想法已經被淡化了。但我們在這里要討論的是，當控制系統環境確實有冗余I/O需求時，工程師是否按要求做到了？而這種冗余方案的實施又是不是真正足夠有效呢？

真正意義上的冗余I/O

羅克韋爾自動化公司的集成架構產品經理王廣野先生，在冗余I/O方面有著豐富的知識和實踐經驗。在他介紹羅克韋爾自動化1715系列冗余I/O產品（此產品榮獲CEC2011年度最佳產品獎）的時候有一個提法，那就是真正意義上的冗余I/O。

這個提法的背景是在搭建I/O冗余環境時，我們通常只是將兩塊相同的I/0模塊都連在通路上。理論上一旦一個模塊停止工作，另一個將擔負起它的全部工作。這樣的方式看似簡單、明確，但實際上它仍有缺陷。我們舉一個例子：一個PLC控制信號輸出，從相互冗余的兩塊I/O輸出模塊共同進入到遠端的一個端子上，這個端子信號再出去，最終到達需要控制的一個閥門上。如果這個一個10毫安（4-20毫安之間）的控制信號，在輸出控制時，兩個I/O模塊同時開始工作，每個模塊輸出5毫安，兩者之和就是10毫安了。但問題的關鍵就出于此處，就是任意模塊的理論輸出是5毫安，但是實際上它輸出的究竟是不是5毫安？沒人知道！這是冗余，但算不上完美的冗余。

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。對此，真正的冗余I/O是如何做到的呢？羅克韋爾自動化公司的集成架構產品經理王廣野說：我們這個冗余系統可以診斷I/O通道本身，假設我要求I/O模塊輸出5毫安電流信號，它沒有輸出，自診斷過程很快，系統立刻就會了解到這個模塊有問題，并馬上將這個模塊的狀態設定為故障狀態。而且，這個故障模塊仍能輸出什么樣的信號，系統自己也很清楚。比如此時故障模塊只能輸出4毫安電流信號，那么系統就要求冗余的另一塊I/O模塊的信號從5毫安變為6毫安；如果故障模塊徹底沒有任何信號輸出了，那么，其互為冗余的I/O模塊就實時地調整為輸出10毫安。這樣，在末端的輸出信號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？王廣野回答說：這很方便，把故障模塊的卡拔掉，換一個新的上去，一切又恢復如新。關鍵是在熱插拔的過程中，系統能始終保持控制末端信號實時維持高準確性和高穩定性。

冗余強調對可用性的保障

這種所謂真正的冗余有什么實際效果上的好處嗎？或者給用戶帶來什么樣的效果？據王經理的介紹：一個煉化廠的煉油過程需要通過對煉油溫度的控制實現對油品的分類，操作者在控制溫度這一過程變量時，一旦突發I/O故障，而且此故障I/O仍能部分地維持工作狀態，由于其仍處于正常工作狀態，操作者對故障問題并不知情，這就會在工藝上產生擾動。比如I/O輸出本來需要10毫安電流信號，但是故障輸出突變為5毫安了。這5毫安的控制效果，和10毫安的控制效果會有明顯差異：假設現場I/O輸出信號是用來控制蒸汽閥門的，模擬量的控制信號因強度下降，造成蒸汽閥門打開，但打開程度卻比預想小，因此造成蒸汽注入不足，隨之工藝溫度會有瞬間下降。因此影響油品煉化的質量。

即使系統發現問題，但如果在修正方式上只是簡單地采取不斷增加對回路的控制信號強度值，從而維持輸出末端的信號的準確性。這樣一來，在一個緩慢地積累過程后，在生產中就會造成某個波動的影響，從而對油品的質量造成長期性的影響。

另一個例子是壓縮機，它在很多場合需要冗余I/O的控制，出現的問題也是一樣的。壓縮機中的壓力建立起來需要一個過程。由于冗余I/O輸出控制信號不穩定，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，這需要較長的蓄能過程，生產也將因此造成損失。

所以，真正意義上的冗余I/O的核心優勢是體現在工藝中的可用性上的，當然作為冗余，其安全上自然也應該是保障之一。雖然整體控制系統中設有多種安全保護措施，使得真正發生安全事故的幾率極低，但據王廣野經理的了解，因冗余I/O故障問題發生的安全事故雖屬極個別，但還是存在的。

自診斷功能

業界強調冗余I/O的自診斷功能，但實現起來，方式也不盡相同。工程師可自行編程實現I/O的自診斷，此法的弱點在于它要占用CPU資源；其次，自診斷根據什么判斷也是難點之一，因為追蹤一個過程變量的改變因素需要考慮到各種細節變化的相互疊加或影響。王廣野經理指出：羅克韋爾的做法是硬件級的，它讓冗余I/O自己獨立診斷，這樣就避免了對CPU資源的占用。而且不用任何附加編程和初始設置，這樣的就在用戶端呈現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，王廣野補充說。我們具體的實現思路的關鍵是將冗余I/O自身的功能變得更強大，任何表面上的信號輸入或輸出，其實在I/O模塊內部都是雙向的。因為有一路會被I/O自行讀回，從而實現自診斷。

集成架構策略

冗余I/O的應用在流程工業的DCS系統中使用得非常廣泛，然而，隨著工業技術的發展和自動化技術的不斷演進，流程自動化和工廠自動化的交叉領域越來越大，在很多行業中，工廠都是有FA/PA雙向自動化需求的，這種條件下的所謂集成架構的自動化系統就顯得非常有效率了。它不僅可以將FA/PA兩種形式和側重的自動化系統無縫的統一管理起來，而且在控制設備投入上，也節約了原先需要一分為二的雙系統成本。想必基于集成架構的整體策略上，正是羅克韋爾自動化公司冗余I/O技術發揮其最大效能的核心優勢所在。這一點得到了羅克韋爾自動化公司的集成架構產品經理王廣野先生的認同。

在確保系統魯棒性上，冗余設計是基本的解決之道。而今為了確保特定的生產工藝需求，以精確控制信號確保實現高可用性的高端領域，冗余I/O的設計扮演了更為關鍵的角色。而集成架構之下帶來的自動化系統的融合，為這一應用亮點提供的更為豐富的市場空間。