Організація резервного живлення активних елементів мережі

Надійність комп’ютерної мережі оператора зв’язку – одне із основних завдань його діяльності. Від цього залежить основні економічні показники його діяльності: рівень рентабельності, ціна за підключення, розмір місячного абонементу (тарифні плани), кількість абонентів (абонентська база). Останнє – основна складова вартості всієї мережі, бо саме від кількості абонентів вона і розраховується. Слід нагадати також за технологію, згідно з якою побудована ця мережа, адже це своєрідний індекс її вартості.

Кількість абонентів в першу чергу залежить від надійності її роботи, а якщо на конкретному об’єкті є наявність п’яти конкурентів, то такий фактор дуже стимулює підтримувати надійність роботи основного засобу виробництва на найвищому рівні.

Якщо поверхнево заглибитись в теорію, актуальність надійності, як системи в цілому, так і її елементів та методики її забезпечення, можна пригадавши декілька аспектів цього питання. Так, надійність – властивість об’єкта зберігати в часі у встановлених межах значення всіх параметрів, які характеризують здатність виконувати потрібні функції в заданих режимах та умовах застосування, технічного обслуговування, зберігання і транспортування. Надійність системи залежить від надійності всіх її елементів або, якщо підійти з іншого боку – від ймовірності їх відмови. Відмова – подія, яка полягає у втраті функційним модулем (системою) здатності виконувати потрібну функцію. Щоб краще зрозуміти ситуацію, слід вдатись до розгляду відповідних формул:

де, Pc – надійність всієї системи (в цьому випадку комп’ютерної мережі, зокрема, тієї її частини, що працює за комутаційним вузлом, надійність якого слід підвищувати);

Р ел – надійність елементу мережі (комутаційного вузла);

N – кількість елементів в мережі;

Q – ймовірність відмови елементу.        

До прикладу, якщо взяти мінімальну ймовірність відмови елементу – Q = 0,01, то надійність такого елементу буде із коефіцієнтом 0,99. Вважається, що елемент або система може експлуатуватись якщо коефіцієнт їх готовності не менше 0,5. Тоді їх кількість в системі не повинна перевищувати 68. Якщо така потреба є, тоді застосовується резервування.

Отже, одним із методів підвищення надійності є резервування. Резервування, зокрема, яке притаманне саме джерелу живлення, слід розглянути саме спосіб загального резервування. Ідеться саме про загальне резервування елементу системи – комутаційного вузла.

За способом включення резерву виокремлюють постійне резервування і резервування заміщенням.

Постійне резервування полягає у включенні резервної апаратури протягом усього часу функціонування основної.

Метод резервування заміщенням є найефективнішим. Він полягає в залученні (включенні) резервного елемента системи замість елемента, який вийшов з ладу. Своєю чергою такий вид методики резервування заміщенням поділяють ще на типи: ненавантажене, полегшене, навантажене та варіант, при якому резервні елементи знаходяться в пасивному стані. В останньому випадку, елементи, як правило, знеструмлені та вмикаються тільки за необхідності резервування, що дає можливість зберегти їх технічний ресурс та заощадити ресурс енергоносіїв.

В цій статті розглянемо варіанти із постійним резервуванням та резервуванням заміщенням. Постійне резервування – онлайн інвертор, резервування заміщенням – звичайний. При застосуванні звичайного інвертора, тип резервування заміщенням буде ненавантажений.

Для унаочнення дієвості методики в плані підвищення надійності треба розглянути схему найпростішої структури резервування комп’ютерної системи: 

У випадку, із застосування інверторних пристроїв, основним елементом, який підлягає резервуванню буде електрична мережа – Ао.

Резервним елементом тоді буде Ар на схемі. Перемикальний елемент, який знаходиться безпосередньо у вищезгаданому пристрої, позначено на схемі літерою «П».

Отже, заміщення здійснює оператор або, для цього випадку, перемикач «П». Ймовірність безвідмовної роботи основного і резервного елементів – Р. Система залишатиметься працездатною в таких випадках:

• Обидва елементи (основний і резервний) – працездатні, ймовірність такої події – р²;
• Основний елемент справний, резервний вийшов з ладу, відповідна ймовірність р(1-р);  
• Резервний елемент справний, основний відмовив, відповідна ймовірність (1-р)р.

Таким чином, ймовірність безвідмовної роботи системи можна записати як суму:

Слід також врахувати сюди і реальну надійність перемикача:

Абсолютно зрозуміло, що перемикач це є звичайний інвертор, який повинен виконати функцію перемикання з основного елементу (електричної мережі) на резервний елемент (інвертор в комплексі з акумулятором).

Припустивши, що перемикач абсолютно надійний і ймовірність його безвідмовної роботи р_п = 1, можна розрахувати ефект підвищення надійності наведеної схеми резервування. Нехай р = 0,9, тоді Рс = 0,99, тобто ймовірність відмови зменшилася на порядок – з q=0,1 до q=0,01. Але, на жаль, в реальних умовах Р_п < 1. Таким чином, при застосуванні ненадійного перемикача, який модульно-інтегрований в інвертор, надійність системи в цілому можна навіть погіршити.

Тому, обираючи інвертор в комплексі з акумуляторною батареєю, слід приділяти увагу якості цих елементів та ні в якому разі не замінювати ці властивості економією.

Принципи розрахунку потужності інвертора та ємності акумулятора        

Відповідно до особливостей технологічного об’єкта (комутаційного вузла, базової станції, ретранслятора, повторювача тощо), необхідно визначитись із часом, протягом якого повинен працювати елемент, який ми резервуємо у випадку відмови основного. Визначаємось і ставимо за мету для роботи технологічного об’єкта на резервному живленні відповідно до певних особливостей. Ними можуть бути: рівень комутаційного вузла, базової станції, ретранслятора тощо. Це залежить від того, якого масштабу сегмент мережі за ним працює, наявність там VIP-клієнтів, наявність резерву каналу зв’язку і т.ін.

   Якщо умовний сегмент мережі є важливим в стратегічному плані, то слід передбачати час роботи його обладнання на резервному живленні протягом однієї доби. Нехай сумарна потужність обладнання досліджуваного технологічного об’єкта 48Вт. Акумулятор, який встановлено для резервування із параметрами 12В, 60А·год. Інвертор 12В – 220В із заявленим ККД 0,9. Таким чином, щоб розрахувати час, протягом якого буде працювати КВ на резерві треба виконати декілька дій:

1)    12В · 60А·год = 720Вт·год – кількість енергії в акумуляторі (АКБ може видати 720Вт протягом 1 години);

2)   720Вт·год / 220В = 2,95А·год – це кількість енергії, яка буде видаватись з розетки ББЖ з напругою 220В протягом години (при цьому слід зробити акцент, що це умовно, бо відбудеться глибокий розряд акумулятора, а цього допускати не можна);

3)    220В * 2,95А·год = 649Вт·год – кількість енергії, яку можна отримати від акумулятора з урахуванням втрат в інверторі

4)    649Вт·г / 48Вт = 13,52год – час, протягом якого буде працювати обладнання;

5)    13,52год · 0,9 = 12год – час роботи із врахуванням ККД інвертора. 

Разом із цим, слід врахувати ще інші вимоги:

• Акумулятор не повинен розряджатись менше ніж 10В, бо це може суттєво зменшити його експлуатаційний термін. За цим треба слідкувати, організувавши віддалений контроль.
• Також необхідно забезпечити суттєвий запас потужності акумулятора.
• Встановити якісний інвертор, оскільки, саме в ньому знаходиться перемикач і через нього увімкнений весь технологічний об’єкт і ККД повинен бути наближений до 0,9.

Вибір та улаштування резервного елементу комутаційного вузла        

Як уже було з’ясовано в ході статті, перемикач повинен бути надійним, тобто із високим коефіцієнтом готовності (Кг). Тому до вибору бренду виробника, моделі, потужності та інших параметрів інверторів 12В-220В необхідно підходити з особливою увагою. Протягом 2000-х років популярністю користувались інверторні пристрої Tripp Lite. Вони відзначались надійністю, високою силою струму, що дозволяло швидко заряджати акумулятор, можливістю віддаленого контролю через Ethernet порт, якісним виконанням усіх його елементів (клемні затискачі, корпус, охолодження, запобіжники на вхід та на вихід тощо) та потужністю (сумарна потужність обладнання, що повинна підключатись до виходу інвертора).

На зміну цьому обладнанню прийшов пристрій нового покоління EXA-Power. На відміну від попередника, в лінійки інверторів є версія з Онлайн-режимом. Цей режим дуже актуальний в місцях, де нестабільна та/або низька напруга. Суть роботи Онлайн-інвертора полягає в тому, що все обладнання, яке включене на технологічному об’єкті постійно працює від акумулятора, що заряджається по мірі поступлення напруги. Таким чином вирішується проблема із нестабільною та/або низькою напругою, але ресурс акумулятора і самого пристрою, із зрозумілих причин, є менший.

Щодо улаштування резервного живлення, то першочергово треба наголосити, що при застосуванні кислотного акумулятора (ті, що зазвичай використовують на автотранспорті), акумулятор слід розміщувати в окремому ящику (боксі). Це робиться для того, щоб уникнути пошкодження всього обладнання в цьому комутаційному вузлі кислотними випарами. Адже при зарядці акумулятора електроліт кипить і утворюються випаровування кислоти. Вразливими є плати пристроїв із радіоелектронними елементами: інвертор, комутатор(и), блоки живлення, в т.ч. типу «РОЕ», пристрої для віддаленого контролю тощо.        

Якщо це комутаційний вузол типу «сайт», то для модуля резервного живлення проектують окреме приміщення. Оператори мобільного зв’язку застосовують таку методику навіть при використанні гелевих акумуляторів. Ця норма виникла також із міркувань пожежної безпеки, тому її можна класифікувати як вимогу і нехтувати нею не можна. Треба наголосити й на тому, що вартість комутаційного обладнання є досить високою. 

Віддалений контроль 

Віддалений контроль за наявністю основного живлення, зарядом акумулятора під час відмови цього живлення та температурою в боксі є вкрай важливий. Такі види контролю може забезпечити додатковий модуль «PING 3». 

Підключення цього датчика необхідно виконати безпосередньо до електричної мережі (кабель і вилка), за інвертором (блок живлення), кручена пара із будь-якого комутатора, що в цьому комутаційному вузлі, клеми «+» та «-» до акумуляторної батареї та кабель від датчика температури, який слід розмістити в ящику, наблизивши до його центру. 

Принцип роботи цього пристрою базується на утиліті (команді) PING, яка призначена для перевірки цілісності та якості з'єднань у мережах на основі TCP/IP.

Утиліта надсилає запити (ICMP Echo-Request) протоколу ICMP вказаному вузлу мережі і фіксує відповіді, що надходять (ICMP Echo-Reply). Час між відправкою запиту та отриманням відповіді (RTT від англ. Round Trip Time) дозволяє визначати двосторонні затримки за маршрутом і частоту втрати пакетів, тобто побічно визначати завантаженість на каналах передачі даних і проміжних пристроях.

Коли трапляється відмова основного джерела живлення на технологічному об’єкті, один із модулів цього пристрою, який увімкнено кабелем і вилкою безпосередньо до мережі перестає відповідати комутатору цього вузла. Моніторингова система видає сигнал тривоги «Alarm» черговому оператору. Такий же сигнал оператор отримує, коли температура або напруга від акумулятора або основної електричної мережі виходить за встановлені межі. Ці межі визначають інженери технічного відділення компанії. 

У моніторинговій системі, до прикладу «NetXMS», можна налаштувати весь цей функціонал. Також є можливість налаштування Alarm-параметрів, автоматичної побудови графіку параметрів напруги акумуляторної батареї протягом різних часових проміжків. Ці параметри дають краще представлення про стан резервного живлення і дають можливість оптимально скласти графік черговості профілактичного обслуговування цих об’єктів.

Коли трапляється відмова постачання електричної енергії від основного джерела, все комутаційне обладнання повинно залишатись на зв’язку, що й відразу перевіряє черговий оператор. Датчик «PING 3» також залишається на зв’язку, живлення він отримує від АКБ та ББЖ. Оператор протягом всього часу, доки не відновиться електропостачання, спостерігає за температурою в ящику та напругою на клемах акумулятора. При перетворенні 12В – 220В температура буде збільшуватись, адже навантаження на інверторний пристрій зростає, оскільки він з режиму очікування переходить в режим роботи. При цьому паралельно на блоці безперебійного живлення вмикається вентилятор. Практика показує, що якщо на акумуляторі напруга переходить нижче позначки 11В, він повідомляє чергову монтажну бригаду, яка повинна вирушати до комутаційного вузла для заміни акумулятора. Розрядження акумуляторної батареї нижче 10В негативно впливає на її подальший термін експлуатації.

Альтернативний спосіб контролю живлення можна організувати із будь-яким пристроєм, де можна налаштувати ІР-адресу і запустити на неї пінг від сервера із встановленою моніторинговою системою. Таким пристроєм може бути навіть звичайний роутер. 

Профілактичні заходи та обслуговування резервних елементів мережі

До заходів профілактичного обслуговування модуля резервного живлення технологічного об’єкту можна віднести: зачищення акумуляторних клем, видалення пилу з ящика, забезпечення його охолодженням, в разі потреби (переміщення для уникнення потрапляння сонячних променів, встановлення кулера, фарбування дзеркальною фарбою тощо), перевірка рівня електроліту і додавання дистильованої води, повне обслуговування АКБ у підрозділі компанії або підрядній спеціалізованій організації.

Отже, якісна організація резервного живлення всіх активних елементів мережі, а також якісне та своєчасне профілактичне обслуговування стане запорукою надійної роботи всіх клієнтських терміналів.