Директор-Инфо №26'2003
Директор-Инфо №26'2003
Поиск в архиве изданий
Разделы
О нас
Свежий номер
Наша аудитория
Реклама в журнале
Архив
Предложить тему
Рубрикатор




.





 

Источники бесперебойного питания

Сергей Пахомов

Источники бесперебойного питания (ИБП) (UPS в английской аббревиатуре) — это устройства, предназначенные для защиты различного типа оборудования, требующего высокого качества электроснабжения. К такому оборудованию традиционно относятся компьютеры и серверы, коммуникационная техника типа маршрутизаторов, коммутаторов, телефонных станций и т.п., приборы автоматики, наблюдения и контроля, а также различное медицинское оборудование.

Однако наиболее часто ИБП применяются именно для защиты компьютерного оборудования, и тому есть веские причины. Прежде всего давайте разберемся, для чего вообще нужна защита компьютерного оборудования с помощью ИБП? Ведь стоят эти устройства отнюдь не дешево. Значит, и причины для их использования должны быть серьезные.

Чего нужно опасаться?

В России стандарт бытового электропитания допускает отклонение действующего значения напряжения на 10%, т.е. вместо стандартных 220 В в сети может быть от 198 до 242 В. Кроме того, частота переменного тока может не соответствовать значению 50 Гц на 1%, да и по своей форме напряжение может отклоняться от синусоидального (так называемый коэффициент нелинейных искажений) на 8% в течение длительного промежутка времени и на 12% кратковременно.

Для всех бытовых устройств такие изменения тока и напряжения вполне допустимы и не могут отрицательно сказаться на их работоспособности. Бытовая лампочка при понижении напряжения просто будет гореть более тускло. Даже компьютеры не выйдут из строя при таких колебаниях характеристик электропитания. Собственно блоки питания компьютеров рассчитаны на отклонения оговоренных показателей. Но если блоки питания компьютеров вполне могут справляться с различными «невзгодами», то зачем тогда нужна еще и дополнительная защита с помощью ИБП?

К сожалению, стандарт написан на бумаге, а в реальности все не столь оптимистично. Причем проблема качественного электропитания стоит остро не только в России (в противном случае иностранные компании не стали бы заниматься производством ИБП), но и в большинстве развитых стран. И если в крупных городах России, таких как Москва или Санкт-Петербург, ситуация более-менее удовлетворительная, то на периферии качество электроснабжения способно стать настоящей головной болью как для простых пользователей ПК, так и для системных администраторов.

Какие же помехи могут возникать в электропитании и как они отражаются на работоспособности компьютерного оборудования?

Одна из самых распространенных проблем питания — кратковременное падение напряжения. Оно составляет 87% всех сетевых помех (по данным компании Bell Labs). Причиной его возникновения может быть, например, запуск мощных электрических устройств (электродвигатели, лифты, сварочные аппараты и т.д.).

Другой тип помех электропитания — кратковременное повышение напряжения (всплеск), которое длится не более 1/20 секунды. Причинами таких всплесков также являются мощные электродвигатели или даже бытовые приборы, работающие поблизости. Кратковременное повышение напряжения возникает при их выключении.

Кроме всплесков напряжения существуют также высоковольтные импульсные помехи, определяемые как резкое и значительное увеличение напряжения, за которым следует восстановление до обычного уровня за время до 10 мс. Причинами таких импульсных перенапряжений становятся грозовые разряды молнии, лифты, сварка и т.д. Амплитуда импульсов может достигать 2000 В.

Еще одна проблема электропитания — высокочастотные шумы, нарушающие синусоидальную форму напряжения в сети. Не вникая в классификацию и причины возникновения различных типов шумов, отметим лишь, что они, как и рассмотренные выше помехи, могут негативно отражаться на функционировании компьютерного оборудования, приводя к неустойчивой работе, зависанию и даже к выходу из строя блоков питания компьютеров.

Кроме изменения величины напряжения в сети и его формы, возможно и отклонение частоты напряжения за пределы допустимых значений.

Ну и последний тип помех, с которым сталкивались практически все пользователи ПК, — пропадание напряжения в сети. Различают кратковременное и долговременное пропадание. При кратковременных пропаданиях напряжение исчезает на промежуток времени менее 20 мс. Такое явление практически незаметно, и современные блоки питания компьютеров могут успешно с ним справляться, не прерывая работы оборудования. При долговременных пропаданиях напряжение исчезает более чем на 20 мс, что приводит к внезапному выключению компьютеров и оборудования другого типа.

Если все остальные помехи в какой-то степени прозрачны для пользователей ПК (до тех пор, конечно, пока не зависнет компьютер (в лучшем случае) или не выйдет из строя блок питания), то внезапное отключение электропитания приводит, как правило, к частичной потере данных. Простейший пример: вы в течение трех часов готовили документ (забывая, как обычно, своевременно сохранять его на жестком диске) и вдруг на одну секунду отключилось электропитание в сети. Результат довольно плачевный — ваш несохраненный документ реанимировать невозможно, т.е. вся работа прошла впустую.

Если же обратиться к статистике, то, согласно исследованиям американской консалтинговой компании Contingency Planning, причиной потери данных в 45% случаев является именно некачественное электропитание.

Но так ли часто возникают помехи в электропитании, чтобы уделять им столь пристальное внимание? Согласно статистическим исследованиям компании IBM, проведенным на территории США, стандартный компьютер испытывает в месяц 120 проблем, связанных с электропитанием. То есть в день каждый ПК в среднем 4 раза работает во внештатном режиме именно по этой причине. А 87% всех проблем составляют кратковременные понижения напряжения, и 4,7% приходится на полное исчезновение электроэнергии. Ну что ж, цифры вполне красноречивые и не нуждаются в комментариях. Проблема не только существует, она более чем актуальна.

Последствия некачественного электропитания можно условно разделить на две группы: выход из строя оборудования и потеря данных. Впрочем, они тесно связаны друг с другом, ведь нередко выход из строя оборудования приводит к полной потере данных. Если же взглянуть на вопрос с точки зрения корпоративного пользователя, то проблемы, связанные с электропитанием, могут приводить к неизбежным простоям в работе организации. А это уже выливается в реальные убытки. И если выход из строя нескольких компьютеров из-за неполадок сети, возможно, и не нанесет крупной компании серьезного ущерба, то потеря ценных данных, чья стоимость может существенно превосходить цену самих ПК или серверов, на которых они хранились, вполне способна отразиться на дальнейшей судьбе фирмы.

Таким образом, потеря данных может иметь для компании фатальные последствия. Следовательно, необходимо принять все возможные меры, чтобы не допустить неоправданного риска. Конечно, обеспечение безопасности хранения данных — комплексная проблема, и нельзя все сводить только к поддержке качественного электропитания. Это лишь первый, но крайне важный этап решения поставленной задачи.

Для чего нужен ИБП?

Итак, вы твердо решили обеспечить безопасность электропитания, справедливо полагая, что неоправданный риск, связанный с возможностью выхода из строя оборудования, с простоем в работе компании или даже с невосстановимой утерей данных, не для вас. Но как практически справиться с этой проблемой? Понятно, что необходимы источники бесперебойного питания. Но какой ИБП нужен именно вам? Означает ли это, что каждый компьютер в локальной сети компании необходимо защищать с помощью ИБП?

Ответ на вопрос, необходим вам источник бесперебойного питания или нет, зависит от нескольких факторов. И самый важный из них — это тип оборудования, которое требуется защитить. Многие современные компьютеры неплохо переносят обычные импульсы и выбросы напряжения: все зависит от качества встроенного источника питания. В большинстве случаев обыкновенная рабочая станция обойдется и без ИБП, вполне достаточно использовать сетевые фильтры, которые позволяют успешно бороться как с высокочастотным шумом, так и с импульсными помехами, а также всплесками напряжений. Единственное, с чем не могут справиться сетевые фильтры — это долговременное пропадание напряжения. Именно для того, чтобы обеспечить работоспособность компьютерного оборудования при отключении электроэнергии, и используются источники бесперебойного питания.

Однако было бы неверно полагать, что ИБП гарантируют работу компьютерного оборудования без внешнего электропитания в течение продолжительного времени. Если электричество отключилось на несколько часов, то никакой ИБП вам не поможет — придется сделать вынужденный перерыв. Единственное, что вам гарантировано в данном случае — безаварийное, т.е. без потери данных, окончание работы.

Продолжительность работы от ИБП в автономном режиме подключенного к нему оборудования зависит от многих факторов. Но в любом случае нужно четко понимать, что ИБП — это не аккумуляторная батарея ноутбука, которая обеспечивает автономную работу до пяти часов. Потребляемая мощность компьютера или сервера несравнимо больше, и любой ИБП способен поддерживать работоспособность подключаемого к нему оборудования в течение всего лишь нескольких десятков минут.

Исходя из комплекса задач, решаемых ИБП, можно определить, какое именно оборудование подлежит защите с их помощью.

Если речь идет об отдельно взятом пользователе с одним ПК (домашний пользователь), то все просто. Защите подлежит компьютер и только компьютер. Подключение к ИБП таких устройств, как факсы, ксероксы или принтеры, не имеет смысла. В конечном счете, что страшного может произойти, если в процессе печати или отправки факса отключится электропитание? Ну испортится один лист бумаги, не более того. После восстановления электропитания процедуру несложно повторить.

Кроме того, что подключение принтеров к ИБП нецелесообразно, подключение лазерных принтеров к ИБП недопустимо. Эти устройства при работе периодически потребляют пиковую мощность порядка 1–2 кВА, и если ваш ИБП на это не рассчитан, то в моменты перегрузки хотя бы на пару секунд, он отключит всю нагрузку, в том числе и компьютер.

Если речь идет о корпоративных пользователях, т.е. потребителях, объединенных в локальную сеть для обеспечения совместной работы, то ситуация уже несколько сложнее. Подключение всех компьютеров локальной сети к ИБП нецелесообразно и невыгодно. В первую очередь защите с помощью ИБП подлежат критически важные элементы сети, такие как сервера и коммуникационные устройства. Дело в том, что кратковременное отключение одного сервера сети, даже если это и не привело к частичной потере данных, может иметь негативные последствия для всей сети. Пользователи лишатся доступа к сети, и для восстановления нормальной работы придется перегружать не только все компьютеры, но и все сервера локальной сети. Кроме того, необходимо учитывать, что современные операционные системы для ускорения работы и экономии ресурсов кэшируют данные в памяти перед записью их на диск. Отключение сервера с кэшированными данными из-за сбоя в электроснабжении можно расценивать как катастрофу.

Поэтому, чтобы быть уверенным в надежности хранения данных при работе в локальной сети, необходимо все серверы питать только от ИБП. Кроме того, защите подлежат внешние дисковые накопители, накопители на магнитных лентах и др. Может случиться, что провал напряжения не нарушит работу сервера, но вызовет сбой в работе ленточного накопителя во время резервного копирования, что приведет к порче данных.

Какими бывают ИБП?

Выбор ИБП для конкретной цели может оказаться весьма нетривиальной задачей. Существуют разные типы ИБП, в линейке которых имеются модели, отличающиеся друг от друга по мощности. Не последнюю роль играет и компания–производитель ИБП, возможность гарантийного и послегарантийного обслуживания, долговечность аккумуляторных батарей, используемых в ИБП, и простота их замены. Остановимся на этих деталях.

Сейчас существуют три основных типа источников бесперебойного питания:

  • резервного типа (Off-Line);
  • линейно-интерактивные (Line-Interactive);
  • с двойным преобразованием (On-Line).

ИБП резервного типа

ИБП резервного типа, называемые также Off-Line или Stand by, — это наиболее простые и, следовательно, дешевые источники бесперебойного питания. Они состоят из фильтра, инвертора, устройства контроля и аккумуляторной батареи.

Подобные ИБП устроены таким образом, что в нормальном режиме работы нагрузка подключена непосредственно к электросети, а при сбоях происходит переключение на питание от аккумуляторной батареи, которая до этого находилась «в резерве».

Фильтр в таких ИБП служит для очистки сетевого напряжения от высокочастотных помех. В недорогих ИБП он в лучшем случае защищает от выбросов напряжения выше 400 В, так что не стоит обольщаться надписью Filtered, нанесенной на одну или несколько розеток.

Инвертор в данных ИБП необходим для того, чтобы преобразовывать низкое постоянное напряжение аккумуляторной батареи в переменное напряжение с частотой 50 Гц, требуемое для питания компьютера. Однако форма напряжения, получаемая посредством инвертора, может быть далека от синусоидальной.

В большинстве случаев напряжение по форме напоминает трапециевидные импульсы.

Время, в течение которого происходит переход на питание от аккумуляторных батарей, — важная характеристика ИБП и, как правило, не превышает 20 мс.

ИБП резервного типа целесообразнее использовать для защиты отдельных компьютеров в регионах с хорошим качеством электропитания.

Линейно-интерактивные ИБП

Линейно-интерактивные источники питания, известные как ИБП с однократным преобразованием, включают в себя те же узлы, что и ИБП резервного типа, но к ним добавляется еще и стабилизатор входного напряжения (бустер).

Основное его преимущество в том, что он способен обеспечить нормальное питание нагрузки при повышенном или пониженном напряжении электросети без перехода в режим питания от аккумуляторной батареи. В итоге продлевается срок службы аккумуляторных батарей. Недостаток — ненулевое время переключения (до 10 мс) на питание от батареи.

Как правило, линейно-интерактивные ИБП применяют для обеспечения гарантированного питания персональных компьютеров, рабочих станций, файловых серверов, узлов локальных вычислительных сетей и офисного оборудования.

По эффективности такие ИБП занимают промежуточное положение между простыми и относительно дешевыми резервными источниками и высокоэффективными, но дорогостоящими ИБП с двойным преобразованием энергии.

Разновидностью линейно-интерактивных ИБП являются феррорезонансные ИБП.

ИБП с двойным преобразованием

ИБП с двойным преобразованием (On-Line или ИБП с активной батареей) представляют собой наиболее сложную и дорогостоящую аппаратуру. Она характеризуется нулевым временем переключения в аварийный режим без возникновения переходных процессов на выходе устройства.

К недостаткам схемы с двойным преобразованием энергии следует отнести ее сравнительную сложность, более высокую стоимость, а также снижение общего КПД системы из-за потерь при двукратном преобразовании напряжения. Кроме того, для поддержания имиджа ИБП высокого класса они, как правило, имеют выходное напряжение, близкое по форме к синусоидальному.

Разновидностью ИБП с двойным преобразованием являются источники с дельта-преобразованием.

Говоря об ИБП с двойным преобразованием, подчеркнем, что этот класс устройств предназначен для корпоративных пользователей. То есть подразумевается, что ИБП данного типа будут использоваться для защиты критически важных компонентов локальных сетей. Соответственно, в комплекте с ИБП с двойным преобразованием продается пакет удаленного управления и наблюдения. Он позволяет подключать источник питания к серверу через последовательный или USB порт и не только следить за состоянием ИБП с любой удаленной станции этого сервера, но и конфигурировать ИБП, останавливать, перезапускать, просматривать протокол аварийных сообщений и т.д. ИБП с утилитой управления способен автоматически останавливать все устройства, подключенные к нему при критическом разряде батареи без угрозы потери данных.

Когда используется корпоративная модель управления ЛВС, необходим ИБП, поддерживающий протокол SNMP. Это дорого, но оправданно, если вы собираетесь защищать много разнообразных устройств, разбросанных по большой площади или находящихся в разных зданиях, когда нецелесообразно устраивать обходы всех ИБП.

Другие характеристики ИБП

При выборе ИБП необходимо учитывать его выходную мощность, измеряемую в вольт-амперах. Чем больше устройств вы собираетесь подключать к одному ИБП, тем более высокая мощность потребуется. На практике не рекомендуется нагружать ИБП более чем на 70–75% его максимальной мощности.

Другая немаловажная характеристика ИБП — емкость аккумуляторной батареи, от которой в итоге зависит продолжительность работы в аварийном режиме подключенного оборудования. Однозначно ответить на вопрос, какое время может обеспечить ИБП в аварийном режиме, нельзя. Все зависит от подключенной нагрузки. Чем больше потребляемая мощность, тем меньше продолжительность работы от аккумуляторной батареи. Приблизительно время автономной работы можно определить, разделив емкость батареи на мощность, потребляемую нагрузкой.

Хотя между мощностью ИБП и продолжительностью работы в автономном режиме нет прямой зависимости, замечено, что чем более мощный ИБП, тем более емкие аккумуляторные батареи в нем используются.

В большинстве ИБП применяются свинцовые кислотные аккумуляторные батареи, очень похожие на самые обычные автомобильные аккумуляторы. Разница заключается в том, что в батареях ИБП содержащийся внутри электролит находится в гелеобразном состоянии и не разливается при повреждениях корпуса; батарея герметизирована, вследствие чего она не требует ухода, ее можно кантовать как угодно без опасения пролить наполнитель.

Несмотря на то, что в различных ИБП используется, казалось бы, одна и та же батарейная технология, наблюдаются широкие колебания срока эксплуатации батарей разных изготовителей. Это весьма важно для пользователей, поскольку замена батарей стоит дорого (до 30% первоначальной стоимости ИБП). Их выход из строя снижает эффективность системы, становится источником простоев и лишней головной болью.

На надежность батареи значительное влияние оказывает температура. Так, согласно данным испытаний изготовителей, срок эксплуатации батареи при повышении температуры на каждые 10°С снижается на 10%. Это означает, что конструкция ИБП должна предусматривать ее минимальный нагрев. Все ИБП с двойным преобразованием греются сильнее, нежели резервные или линейно-интерактивные. Это важнейшая причина, в силу которой ИБП последних типов реже нуждаются в замене батарей, чем дорогостоящие ИБП с двойным преобразованием.

В различных ИБП срок эксплуатации аккумуляторных батарей составляет от 1 года до 5 лет в зависимости от температурного режима, частоты циклов перезаряда батарей и, конечно же, технологии изготовления. При выборе ИБП следует учесть, что замена батареи на новую — дорогостоящая операция, и чем реже придется этим заниматься, тем дешевле обойдется эксплуатация ИБП. Вот здесь-то и необходимо учитывать еще один немаловажный аргумент при выборе ИБП — его производителя.

На сегодняшний день на рынке представлены ИБП различных фирм. Несмотря на кажущиеся одинаковыми технические характеристики ИБП, различия между ними могут быть весьма существенны.

Один из важнейших факторов, который уже упоминался, — срок эксплуатации батареи. Кроме того, крупные компании имеют развитую сеть сервисных центров, что в значительной степени облегчает процедуру обслуживания техники. К примеру, можно купить недорогой ИБП неизвестной фирмы, но велика вероятность, что после окончания срока службы батареи вы не сможете приобрести новую и вместе с батареей придется покупать и новый ИБП. Помните, скупой платит дважды. А потому не стоит ориентироваться лишь на цену и брать продукцию малоизвестной компании.

В России наиболее популярны следующие производители качественных ИБП, которые к тому же имеют в нашей стране развитую сеть сервисных центров: APC (www.apc.ru), Powercom (www.pcm.ru), Invensys Powerware (www.powerware.ru) и MGE UPS Systems (www.allups.ru). Эти фирмы разработали источники бесперебойного питания для дома или малого офиса, малого и среднего бизнеса, а также имеют решения, предназначенные для крупных предприятий.

В качестве примера рассмотрим модельный ряд источников бесперебойного питания компании APC. Для домашних пользователей и малых офисов предназначены ИБП серии Back-UPS, Back-UPS CS, Back-UPS AVR и Back-UPS Pro, относящиеся к классу ИБП резервного типа (Off-Line).

Back-UPS созданы специально для защиты персональных компьютеров и периферийного оборудования. Последняя модель этого семейства — Back-UPS 650MI — обладает большей мощностью и емкостью батарей, чем устройства предыдущего поколения.

Кроме подключения компьютеров, ИБП семейства Back-UPS позволяют подсоединять и оборудование, некритичное к потерям данных (принтеры, сканеры и др.), с целью фильтрации напряжения (функции сетевого фильтра). Для этого предусмотрена отдельная выходная розетка.

Для централизованного управления питанием и защиты групп ПК, сетевых рабочих станций, торговых терминалов, а также для широкого спектра телекоммуникационного оборудования и электронных систем управления подойдет ИБП с двойным преобразованием APC Smart-UPS DP (модели мощностью 6, 8 и 10 кВА).

Matrix-UPS — другое решение, предназначенное для крупных организаций (защита серверов, сетевого и телекоммуникационного оборудования и информационных центров).

Еще более высокий уровень безотказности в работе достигается при использовании ИБП семейства Symmetra (www.apcc.com/products/symmetra/figure2.cfm).