L'affidabilità dei singoli UPS Ancora un problema?

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1 L'affidabilità dei singoli UPS Ancora un problema?

2 Contenuto 1 Introduzione L'affidabilità dei singoli sistemi UPS I termini MTBF e MTTR La differenza tra MTBF e la disponibilità Importanza dei grandi numeri Componenti e progettazione Manutenzione e durata dei componenti Ridondanza L'importanza del monitoraggio dei componenti e delle funzioni Affidabilità dei sistemi Collegamento in parallelo dei sistemi UPS Strutture parallele nei sistemi UPS Calcolo dei valori di affidabilità con l'aiuto di diagrammi a blocchi Influenza dei componenti comuni Confronto tra le configurazioni di UPS ridondanti 17 4 Conclusioni 22 5 Riferimenti.. 23 Page 2 of 23

3 1 Introduzione L'affidabilità è una caratteristica di ogni dispositivo e descrive la probabilità di una parte di apparecchiatura o dell intero sistema di svolgere le funzioni richieste, in determinate condizioni e in un periodo di tempo determinato. Per un sistema di continuità (UPS), l affidabilità significa una alimentazione ininterrotta ai carichi ad una predeterminata qualità di tensione. Oggi, la composizione di diversi sistemi UPS raggiunge un grado di affidabilità molto elevato. Essi assicurano che un guasto in uno o talvolta più sistemi UPS non porti ad una interruzione della alimentazione sulle sbarre di uscita. Questo grazie ad una configurazione ridondante del sistema. La ridondanza può essere realizzata in modi diversi: con un collegamento in parallelo ad un sbarra comune o con una combinazione di unità indipendenti aventi ridondanza multipla. Si pone la domanda: l'affidabilità dei singoli sistemi UPS ha ancora un'influenza importante sull affidabilità del sistema, o questa è determinata soltanto dalla configurazione del sistema? Nel secondo caso, quindi, i sistemi altamente affidabili potrebbero tuttavia, essere costituiti da un numero adeguato di moduli UPS "inaffidabili" ed "economici"? Ciò non è vero, dimostreremo piuttosto che i singoli sistemi hanno un'influenza determinante sull affidabilità del sistema in tutte le sue configurazioni. Page 3 of 23

4 2 L'affidabilità dei singoli sistemi UPS L esame dell affidabilità dei singoli sistemi UPS presuppone l'esame delle possibilità individuali di guasto e la probabilità del loro verificarsi. I seguenti capitoli forniscono una panoramica dei vari termini e la loro importanza per il calcolo dell affidabilità. L esame dell affidabilità dei singoli sistemi UPS presuppone l'esame delle possibilità individuali di guasto e la probabilità del loro verificarsi. I seguenti capitoli forniscono una panoramica dei vari termini e la loro importanza per il calcolo dell affidabilità. 2.1 I termini MTBF e MTTR I termini MTBF e MTTR si riferiscono a sistemi riparabili, in cui un guasto può essere ripristinato e dopo la riparazione, l'unità è in grado di svolgere la sua funzione secondo le modalità indicate. Il tempo medio tra due guasti, viene definito "Mean Time Between Failure" (MTBF), mentre il tempo medio durante il quale l'unità è inoperante è il " Mean Down Time" (MDT). Questo tempo comprende il tempo medio di riparazione, indicato con il termine "Mean Time To Repair" (MTTR). Nella letteratura e nei calcoli il termine MTTR viene spesso usato al posto dell MDT. Il tempo dal verificarsi del guasto al verificarsi di un altro guasto è quindi dato dalla somma di MTBF più MTTR. L MTBF ha un ordine di grandezza molto superiore al MTTR. Se una parte o un modulo funzionale di un sistema è ridondante, può guastarsi senza che l intero sistema cessi di funzionare. Ma deve essere riparato o sostituito prima che anche la parte ridondante si guasti. Poiché MTBF è generalmente maggiore di MTTR, la probabilità di un doppio guasto è molto bassa. Di conseguenza, un sistema con ridondanza incorporata ha un affidabilità notevolmente superiore rispetto ad uno senza ridondanza. Le ridondanze possono essere incorporate nelle unità e realizzate anche in sistemi contenenti diverse unità. Page 4 of 23

5 uptime downtime t downtime reaction-time + repair-time MTBF MTTR t Figura 1 Termini dell affidabilità 2.2 La differenza tra MTBF e la disponibilità La disponibilità (A) è utilizzata in aggiunta all MTBF come uno dei valori caratteristici per valutare il grado di affidabilità. Essa è definita dal rapporto tra MTBF e il tempo totale MTBF + MTTR: MTBF A = (1) MTBF + MTTR Considerando che l'mtbf è direttamente correlato al tasso di guasto (tasso di guasto λ = 1/MTBF), e quindi indica qualcosa circa la frequenza assoluta del guasto, la disponibilità è una misura della fruibilità dell unità in relazione al tempo totale e non dice nulla del tasso di guasto assoluto. Si deve fare quindi una chiara distinzione tra queste variabili. La disponibilità è di solito rappresentata sotto forma di 0, Spesso, sono indicati solo i nove dopo il punto decimale, e un numero elevato di nove è generalmente associato ad un sistema altamente affidabile. Ma la disponibilità non dice ancora nulla sulla frequenza media del verificarsi dei guasti e le diverse coppie di MTBF e MTTR possono portare a valori di disponibilità identici. La figura 2 mostra alcuni esempi di tassi differenti di guasto in 10 anni, 1 mese e 1 giorno, che si traducono in tempi di guasto di conseguenza classificati di 1 ora, mezzo minuto e 1 secondo per la stessa disponibilità A = 0, Page 5 of 23

6 Stessa Disponibilità A = (4 nines) MTBF = 10 anni MTTR = 1h MTBF = 1 mese MTTR = 30s MTBF = 1 giorno MTTR = 1s Figura 2 Valori di MTBF diversi per la stessa disponibilità E ovvio che per un'applicazione IT l'ultimo caso potrebbe certamente portare a seri problemi, mentre il primo caso è decisamente più accettabile. 2.3 Importanza dei grandi numeri Il tempo necessario per la riparazione di un unità (MTTR) varia normalmente da ore a giorni. Questo tempo viene rilevato dal momento in cui il guasto si verifica fino a quando l'unità viene riportata allo stato di funzionamento e comprende la reazione e tempi di percorrenza del personale di servizio, così come la riparazione effettiva ed i tempi di prova. Il tempo utile (MTBF) varia tra alcune decine a centinaia di migliaia di ore, vale a dire diversi anni e per i sistemi ridondanti si può arrivare a valori di alcune centinaia di anni. Questi valori sono dati puramente statistici e l MTBF non deve quindi essere scambiato per la durata di un sistema. Un determinato sistema può non guastarsi durante la sua vita operativa, altri forse più volte. La dichiarazione di un valore MTBF di un milione di ore (= 114 anni) dovrebbe essere intesa nel senso, ad esempio, che, all'interno di un gruppo di 1000 unità equivalenti, ci si può aspettare che una unità possa fallire ogni 1000 ore (= 6 settimane). Da questo punto di vista un aumento del MTBF da un milione a 1,2 milioni di ore, per esempio, rappresenta certamente un miglioramento significativo. Nell'esempio di cui sopra, l'intervallo (statistico) tra due guasti potrebbe quindi essere esteso a 7 settimane. Page 6 of 23

7 2.4 Componenti e progettazione L'affidabilità di un sistema UPS si basa sull affidabilità dei suoi componenti, dove anche i loro compiti e l'importanza della loro funzione all'interno del modulo sono significativi. Uno dei problemi principali per il produttore di UPS è quindi quello di scegliere ed integrare componenti affidabili e in grado di assolvere alla propria funzione in modo permanente nel sistema UPS, dati i vincoli imposti. Qui il compito principale di chi sviluppa il sistema è quello di selezionare i componenti corretti dal punto di vista di idoneità funzionale e delle condizioni ambientali previste. Oltre ad un opportuno dimensionamento per il funzionamento nominale, è ragionevole consentire un maggior margine per i componenti chiave al fine di migliorare l'affidabilità, in modo che in condizioni di sovraccarico o di sovratensione, per esempio, i dati di affidabilità non debbano essere retrocessi o i componenti esposti ad invecchiamento precoce. Le condizioni ambientali per cui il sistema UPS è stato progettato sono descritte nel data sheet in forma di intervalli di tolleranza. Tuttavia, le condizioni per i singoli componenti all'interno dell'unità potrebbero eventualmente differire. Ciò vale, ad esempio, a temperature operative localizzate a cui i singoli componenti possono essere esposti in base alle loro condizioni di raffreddamento e l'influenza di componenti adiacenti. Oltre ad un attenta progettazione che si basa sull'esperienza del costruttore, devono essere considerate tutte le possibili applicazioni di un sistema UPS e testate a fondo al fine di garantire un funzionamento affidabile per il futuro. 2.5 Manutenzione e durata dei componenti I sistemi UPS ridondanti permettono guasti in singoli moduli, senza far perdere la funzionalità all intero sistema. La probabilità di un guasto doppio che potrebbe provocare l'interruzione dell'alimentazione del carico aumenta con l aumentare dell MTTR del modulo, cioè con il tempo medio necessario per la riparazione. Lo stesso vale anche durante il servizio di assistenza sui componenti che richiedono una manutenzione regolare, come ventole o condensatori, per esempio, poiché anche in questo periodo l'unità non è disponibile al sistema. La costruzione del sistema UPS dovrebbe consentire operazioni di riparazione e manutenzione da effettuare solo con brevi tempi morti. Gli intervalli di manutenzione determinano anche la frequenza degli arresti, che a loro volta influenzano la media dei downtime. L'estensione degli intervalli di manutenzione può essere ottenuta per esempio aumentando al massimo la durata dei relativi componenti. Ciò si ottiene, ad esempio, con un sotto utilizzo e basse temperature di esercizio. Idealmente, dovrebbero essere usati i Page 7 of 23

8 componenti che non richiedono manutenzione periodica, come per esempio le induttanze al posto di condensatori in circuiti filtranti, purché ciò sia consentito dal sistema. Per inciso, l'esperienza dimostra che i guasti in un sistema UPS si verificano spesso durante o dopo il lavoro sulle singole unità. Anche a questo proposito la selezione di componenti a bassa manutenzione comporta un aumento dell'affidabilità delle singole unità UPS e quindi anche del sistema. Si dice che un guasto è critico quando la funzione richiesta non è più soddisfatta, ossia nel caso di un sistema UPS quando non è più garantita l'alimentazione al carico. Per molte apparecchiature standard, il tasso di guasto (λ = 1/MTBF), è rappresentato da una cosiddetta curva a vasca da bagno. La figura 3 mostra la caratteristica di base. Tasso di guasto Mortalità infantile Guasti random con un tasso di guasto costante λ Usura Testing e Commissioning Tasso di guasto accettabile/tollerabile Tempo Start Vita utile b Manutenzione richiesta Figura 3 Curva caratteristica del tasso di guasto nei sistemi tecnici (Curva vasca da bagno) Dopo la messa in funzione di un apparecchio, il suo tasso di guasto è inizialmente relativamente elevato. Questo periodo è indicato "burn-in" (guasto infantile) ed esso deve trascorrere prima che il componente venga utilizzato per la funzione reale. Questo di solito accade durante i collaudi e la messa in servizio. Dopo la fase del "burn-in" segue un intervallo di tempo più lungo con tassi di guasto praticamente costanti e bassi nel corso della vita utile del prodotto. Al termine della vita utile il tasso di guasto aumenta nuovamente a causa degli effetti dell usura. Page 8 of 23

9 Il momento in cui avviene la manutenzione o la fine della vita utile dei componenti è determinato dal tasso di errore tollerabile o accettabile. Tutti i calcoli sulla affidabilità sono basati sul tasso di errore costante nella regione centrale della curva. Per il calcolo dell affidabilità dopo una riparazione o la sostituzione di componenti, si assume che il tasso di errore è nuovamente collocato nella parte inferiore della curva. Al tempo stesso, i pezzi di ricambio devono aver attraversato la fase di "burn-in". Inoltre, un funzionamento senza problemi della parte di ricambio all'interno dell'apparecchiatura deve essere garantita da prove appropriate, prima che il sistema UPS sia di nuovo finalmente messo in servizio. Le cosiddette soluzioni "plug-in", nelle quali singoli componenti sono tenuti ad essere immediatamente pienamente funzionali senza un test finale, sono discutibili per i sistemi con elevata affidabilità. 2.6 Ridondanza Per quanto riguarda l affidabilità, oltre ad un basso tasso di guasto di un componente, la funzionalità interna è la seconda caratteristica più importante di un sistema UPS ed è particolarmente riflessa nella sua reazione al guasto dei singoli componenti. La prestazione di tolleranza al guasto esiste se, in caso di guasto di un componente, sia possibile passare ad un componente di riserva o ad un gruppo di riserva, senza che al tempo stesso l'alimentazione al carico venga interrotta. Alla fine questo porta al termine ridondanza che descrive lo stato di prontezza dei rami paralleli. Nei sistemi UPS, specifici rami ridondanti o parzialmente ridondanti vengono solitamente forniti, come il percorso di bypass per esempio, che in caso di guasto di uno dei componenti principali rende possibile continuare l'operazione - anche se con funzionalità limitate. La modalità di funzionamento di una soluzione ridondante verrà ora spiegata mediante l'esempio della funzione diodo (Figura 4). Con un singolo diodo, un corto circuito o circuito aperto interno porta inevitabilmente ad un malfunzionamento. Un circuito in serie composto da due diodi controlla il guasto corto-circuito di un diodo senza compromettere la funzionalità complessiva verso l esterno, mentre un guasto circuito aperto porta al guasto. Un circuito in parallelo di due diodi controlla il guasto circuito aperto di un diodo, mentre ora il corto-circuito porta al guasto. La ridondanza completa per entrambi i casi di guasto è possibile solo per mezzo di un circuito avente quattro diodi, collegando due gruppi di due serie di diodi collegati in parallelo. Page 9 of 23

10 Figura 4 Tipi diversi di ridondanza Il prerequisito per un pratico funzionamento ridondante è un sistema che possa essere riparato. Inoltre, è imperativo che il componente guasto venga rilevato in modo affidabile dalle funzioni di controllo interno per facilitarne la sostituzione prima che si verifichi un guasto ulteriore. Questo principio può essere applicato al funzionamento ridondante dei sistemi UPS. In caso di guasto dell'inverter di un UPS, ossia la creazione di un circuito aperto, viene eliminato tramite un ramo collegato in parallelo, in questo caso un UPS ridondante, mentre un cortocircuito dovrà inizialmente essere trasferito verso un circuito aperto con l'aiuto di fusibili o interruttori elettronici rapidi. Un singolo sistema UPS di solito non contiene rami ridondanti di numerosi componenti identici. Dove disponibile, il ramo di bypass offre ridondanza con funzionalità limitate. Questo è definito pseudo ridondanza. Nei sistemi statici questo ramo è interno o esterno per l'alimentazione continua al carico in caso di sovraccarichi e cortocircuiti, in modo che i componenti aggiuntivi non sono ancora necessari per la ridondanza. Pertanto la ridondanza completa non si ottiene poiché, in modalità di bypass, la rete non-regolata è collegata al carico. In molti sistemi UPS il controllo dell alimentazione trae la sua energia da due o più fonti indipendenti, ad esempio dalla rete e dalla batteria, che, almeno durante il funzionamento con la rete, rappresenta una vera ridondanza. 2.7 L importanza del monitoraggio dei componenti delle funzioni Come già menzionato sopra, la ridondanza richiede un controllo degli elementi ridondanti. Da una parte ciò è necessario per spegnere rami difettosi e, se necessario, di attivare percorsi paralleli, dall altra facilita la riparazione della parte difettosa prima che un altra parte si guasti. Di conseguenza occorre una maggiore affidabilità, possibile solo per mezzo della ridondanza. Inoltre, tuttavia, questo controllo impedisce anche gravi danni ai component disattivandoli in tempo quando si trovano in uno stato operativo critico. Ciò aiuta ad evitare inutili tempi di riparazione ed i relative costi. Page 10 of 23

11 3 Affidabilità dei sistemi 3.1 Collegamento in parallelo dei sistemi UPS I sistemi UPS di solito possono essere collegati in parallelo per formare gruppi di grandi dimensioni. La ragione principale è quella di aumentare la Potenza di uscita. Se in un gruppo parallelo tutte le unità sono necessarie per alimentare il carico, è ovvio che con un numero crescente di UPS la probabilità di un guasto aumenta. Come si può vedere nella Figura 5, il valore MTBF dell intero gruppo scende secondo un curva f(n)=1 / n, dove n rappresenta il numero di UPS presenti. Con sei unità in parallelo, il sistema ha un valore residuo di MTBF del 16,7% rispetto al valore della singola unità e quindi un tasso di guasto che è sei volte maggiore. Affidabilità del sistema con UPS in parallelo di potenza (rispetto all affidabilità di una singola unità) Affidabilità relativa del sistema 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Numero di UPS in parallelo Figura 5 L affidabilità del sistema con UPS in parallelo di Potenza Invece del collegamento in parallelo di molte piccole unità, l'uso di moduli più grandi rappresenta quindi una soluzione migliore sia dal punto di vista tecnico che economico. La seconda ragione per il collegamento in parallelo è l'introduzione di un componente ridondante. Molto spesso entrambi i casi sono combinati e rappresentano un sistema di modulo n +1. L'unità ridondante aumenta notevolmente l'affidabilità attraverso un aumento del valore MTBF. Ma anche qui l'affidabilità scende con il crescere del numero n di unità parallele. La relazione è evidente per il fatto che l'unità ridondante (+1) deve restare disponibile per tutte le unità n rimanenti. La Figura 6 figura mostra un calcolo fino a n = 7 Page 11 of 23

12 25000 MTBF del sistema con ridondanza n MTBF millioni ore Figura 6 Affidabilità del sistema con unità ridondanti- parallele. E quindi vero che per sistemi UPS ridondanti, in materia di affidabilità i grandi moduli UPS sono la scelta preferita. 3.2 Strutture parallele nei sistemi UPS Nei sistemi UPS sono realizzate anche le connessioni parallele. Questo per aumentare la potenza. All'interno dei cosiddetti sistemi modulari UPS, questo metodo può essere utilizzato anche per ottenere la ridondanza in caso di sottoutilizzazione. Nei moduli di potenza si trovano frequentemente connessioni interne parallele non ridondanti per ottenere la potenza fissata in uscita. In confronto, altri componenti, quali trasformatori e induttanze, per esempio, possono essere progettati per alta potenza, senza la necessità di collegamenti in parallelo, che avrebbero un effetto positivo sull affidabilità. Lo stesso vale per le macchine elettriche che vengono usate nei sistemi rotanti UPS. Nei sistemi modulari UPS di cui sopra, diversi moduli singoli possono essere messi in parallelo in un unico alloggiamento usando il progetto dell'unità estraibile, per dare l'apparenza esterna di un sistema UPS. In questi sistemi le zone Input / Output sono usate in comune e in una certa misura anche il controllo e il bypass. La relazione illustrata sopra, in cui l'affidabilità dell'intero sistema cade bruscamente con il numero di unità collegate in parallelo, vale ugualmente anche per ogni tipo di collegamento interno parallelo. Page 12 of 23

13 3.3 Calcolo dei valori di affidabilità con l'aiuto dei diagrammi a blocchi I diagrammi a blocchi di affidabilità (RBD) sono un metodo adatto per calcolare l'affidabilità del sistema. Ogni blocco corrisponde ad una unità funzionale all'interno di un UPS o ad una unità completa. Devono essere inclusi reti, batterie, interruttori, dispositivi di comunicazione e, se necessario, commutatori di trasferimento. Sono assegnati ad ogni blocco i valori corrispondenti per l MTBF e MTTR, presi da calcoli precedenti, dai dati del produttore o dall esperienza nel settore. La struttura del diagramma a blocchi stabilisce quali blocchi devono essere integri per soddisfare la funzione globale. Le ridondanze sono rappresentate da strutture parallele. Di seguito sono descritti due esempi. Nel primo (Figura 7), il carico è condiviso tra due unità A e B, vale a dire entrambe le unità sono necessarie per l'alimentazione. Nel RBD associato, questo fatto è rappresentato da un collegamento in serie dei blocchi. Come una funzione AND, entrambi i blocchi devono essere integri in modo che l'uscita sia completamente integra. Configurazione electrica UPS kva UPS kva Carico 200 kva Diagramma a blocchi affidabilità RBD Block A Block B MTBF: m A = m B = h MTTR: r A = r B = 24 h Figura 7 Schema e diagramma a blocchi di affidabilità (RBD) di unità di potenza parallela Le interrelazioni del sistema diventano chiare se si guardano le sequenze temporali dei due UPS, come mostrato nella Figura 8. Ogni guasto di una singola unità fa bloccare l'intero sistema. UPS 1 UPS 2 Sistema Figura 8 Effetto di guasti in una modalità di potenza- parallela Page 13 of 23

14 I valori di affidabilità MTBF e MTTR derivanti dal collegamento in serie dei blocchi possono essere ottenuti utilizzando le seguenti formule, dove m sta per MTBF e r per MTTR: ma mb ms = = h (2) m + m A B ma rb + mb ra rs = = 24 h (3) m + m A B Questo esempio mostra che l MTBF risultante è la metà del valore MTBF del blocco singolo lasciando invariato l MTTR. Con la configurazione ridondante in parallelo nell esempio, illustrato in Figura 9, un unità è sufficiente ad alimentare il carico. Nell RBD questo è illustrato da una disposizione parallela dei blocchi, che rappresenta una funzione OR. Se A o B sono integri, anche l'uscita è integra. Configurazione elettrica UPS kva UPS kva Carico 100 kva Diagramma blocchi affidabilità RBD Block A Block B MTBF: m A = m B = h MTTR: r A = r B = 24 h Figura 9 Schema e diagramma a blocchi di affidabilità (RBD) di unità ridondanti- parallele Anche qui le interrelazioni tra le sequenze temporali sono chiare (Figura 10); i tempi di guasto delle unità A e B sono identici rispetto all esempio precedente, ma con risultati diversi. UPS 1 UPS 2 Sistema Figura 10 Effetto dei guasti in una configurazione ridondante - parallela Page 14 of 23

15 In questo caso i valori di affidabilità del sistema sono: m ( m r + m r ) ma mb + A B B A = = h (4) r + r System 000 A B r ra rb = = h (5) r + r System 12 A B Questo risultato mostra chiaramente l influenza delle ridondanze sul sistema complessivo. Se uno schema a blocchi contiene più di due blocchi, le regole di cui sopra possono essere opportunamente combinate per i blocchi paralleli e collegati in serie, in questo modo si può avere un risultato per l'intero sistema. I blocchi non possono essere combinati in caso complessi con strutture sovrapposte. In questi casi, il calcolo richiede un software speciale che determina la soluzione con l'aiuto di algebra booleana. La seguente interessante relazione può essere stabilita con la connessione ridondanteparallela. Nella formula (4), l espressione più piccola tra parentesi può essere ignorata e la formula può essere ridotta a: m m m A B System (6) ra + rb Ipotizzando gli stessi dati di affidabilità A e B, la formula è semplificata: m m A = m = B and B r = r A = r per entrambe le unità m System 2 m 2 r (7) Si può dedurre che il valore MTBF del sistema è il quadrato dell MTBF di un singolo UPS, cioè un valore doppio di MTBF per i singoli UPS significa un valore MTBF quattro volte superiore per il sistema ridondante-parallelo. La Figura 11 mostra il sistema MTBF rispetto al MTBF della singola unità per la configurazione 1+1. Page 15 of 23

16 MTBF del sistema in funzione dell MTBF della singola unità in una configurazione ridondante MTBF millioni h MTBF singola unità in ore Figura 11 Dipendenza del sistema MTBF rispetto all MTBF unitario Viceversa, i tempi di riparazione (MTTR) delle unità sono in una relazione lineare al sistema MTBF, così dimezzandoli si produce un raddoppio di MTBF. 3.4 Influenza dei componenti comuni Il calcolo dell affidabilità del sistema utilizzando i diagrammi a blocchi ipotizza un indipendenza totale dei singoli blocchi. Di conseguenza, non potrà verificarsi nessuna influenza reciproca di guasto. Ma nelle connessioni in parallelo dei sistemi UPS, come pure all'interno degli UPS modulari, si trovano elementi comuni, come il bus di comunicazione tra le unità UPS e la sbarra comune del carico. Questi elementi comuni sono descritti come " singolo punto di guasto". Essi sono presi in considerazione nel diagramma a blocchi per elementi collegati in serie, come mostrato nella Figura 12. UPS 1 UPS 2 Sbarra di carico Comunicazione Figura 12 Componenti comuni nel diagramma di affidabilità a blocchi (RBD) Page 16 of 23

17 3.5 Confronto tra le configurazioni di UPS ridondanti Qui di seguito, vengono confrontate le quattro più importanti configurazioni dei sistemi UPS ridondanti per mostrare come la loro affidabilità è influenzata dai valori MTBF delle singole unità. La tabella 1 fornisce una panoramica dei tipi di connessione in esame. Collegamento Ridondanza Elementi comuni 1 Ridondante-parallelo n Isolato-ridondante n + 1 Bus di comunicazione, sbarra di parallelo Commutatore di trasferimento Statico 3 Isolato-parallelo (IP system) n + 1 Interruttori e reattanze 4 Ridondanza sistema + sistema n + n Nessuno Tabella 1 Esame dei sistemi UPS ridondanti La connessione ridondante in parallelo (figura 13), utilizzando una sbarra comune in uscita è un metodo classico. Nel sistema ridondante n +1, vi è una unità in più di quanto sarebbe necessario per alimentare il carico. Elementi comuni sono la sbarra in parallelo e il bus di comunicazione Comuni - cazione 1 3 Com. 1 Com. 2 Com. 3 Carichi Sbarra di Carichi parallelo 2 3 Figura 13 Schema e RBD di un sistema UPS parallelo ridondante La connessione UPS isolata-ridondante (Figura 14) evita questi elementi comuni, ma richiede commutatori statici (STS) che, in caso di guasto in un sistema UPS, collegano il carico alla unità ridondante separata. Page 17 of 23

18 1 2 3 STS STS STS STS Load 1 Load 2 Figura 14 Schema e RBD di un sistema UPS isolato ridondante Il sistema isolato-parallelo è un layout relativamente nuovo (Figura 15) costituito da singole unità indipendenti ciascuna collegata al proprio carico assegnato. In questa configurazione le unità sono interconnesse tramite induttanze praticamente senza alcuna interazione. Tutte le unità sono dimensionate in modo che in caso di guasto in una di esse le restanti unità possano fornire il loro carico attraverso le induttanze (C) e il cosiddetto IP-Bus IP-Bus IP-Choke C1 C2 C C1 C3 1 3 C1 C3 D3 D2 carico 1 carico2 carico 3 Carico1 Carico 2 Carico C1 C3 D1 Figura 15 Schema e RBD di un sistema UPS isolato parallelo La quarta variante rappresenta due sistemi separati, ciascuno dei quali è costituito da un gruppo di unità di potenza in parallelo (Figura 16). I carichi sono alimentati da ciascun gruppo dalle rispettive sbarre. Non vi sono elementi comuni tra i due gruppi UPS, ma i carichi devono poter essere collegati da entrambe le linee di alimentazione, che producono quindi ingressi ridondanti. Un carico tipico per questo sistema di UPS sono i server, le cui unità di alimentazione sono dotate di due alimentatori indipendenti. Page 18 of 23

19 Bus A Bus B Carico (A o B) Carico Figura 16 Schema e RBD di un UPS ridondante sistema + sistema I calcoli che seguono mostrano l'effetto dell MTBF di ogni singola unità sul sistema MTBF nelle varie configurazioni. I valori ipotizzati nella tabella 2 servono come base per i calcoli dell affidabilità del sistema: Potenza modulo UPS S 100 kva Carico S 200 kva Tempo di riparazione per tutti gli elementi MTTR 24 h Affidabilità di ogni singola unità UPS tipico statico UPS tipico rotante MTBF h h Affidabilità del bus di comunicazione e misure di shut-down Affidabilità dei commutatori STS statici di trasferimento MTBF 50 Mill. h MTBF h Affidabilità della reattanza e misure di shut-down in connessione isolata parallela Reattanza (choke) MTBF 60 Mill. h Misure di shut-down 60 Mill. h Tabella 2 Dati comuni per calcoli esemplificativi Page 19 of 23

20 Dalla Figura 13 fino alla Figura 16 sono mostrati i layout delle configurazioni ridondanti e il relativo schema a blocchi di affidabilità. I risultati sono mostrati nella Tabella 3: MTBF singola unità: 200,000 h 1,000,000 h Configurazione ridondanza MTBF sistema MTBF sistema 1. ridondante parallelo mill. h 16.6 mill. h 2. isolato ridondante mill. h 118 mill. h 3. isolato parallelo mill. h 6511 mill. h 4. ridondanza sist.+sist mill. h 5209 mill. h Tabella 3 Dipendenza del sistema MTBF sulla singola unità MTBF. In tutte le configurazioni i risultati mostrano l'effetto evidente del MTBF della singola unità sul sistema MTBF globale. Grazie agli elementi comuni, nel sistema ridondante-parallelo (1) l'effetto risulta essere inferiore a quello dei sistemi (3) e (4), in cui vi sono elementi comuni altamente affidabili o addirittura nessuno. In queste configurazioni, può chiaramente essere vista la legge dei quadrati che si applica a singoli elementi indipendenti. L'affidabilità di un UPS rotante che è 5 volte superiore rispetto all UPS statico, garantisce un MTBF di sistema 25 volte superiore all MTBF dei sistemi statici. Confrontando le configurazioni, si può vedere che il minore numero di elementi comuni utilizzati in una configurazione o più affidabili, maggiore quindi è il sistema MTBF. Un altro modo per aumentare l'affidabilità di un sistema UPS è quello di ridurre il numero di unità UPS necessarie per alimentare un dato carico, come è descritto nel capitolo 3.1. L'esempio seguente mostra un confronto tra due sistemi UPS, entrambi progettati per fornire un carico di circa 5000 kva. Il primo sistema è stato progettato con unità UPS statiche da 800 kva ciascuno, il secondo utilizza UPS rotanti con una potenza di uscita individuale di kva. Entrambi i sistemi sono realizzati con una ridondanza N +1 che risulta in una configurazione ridondante 6+1 per la configurazione statica e una 3 +1 per il sistema rotante. I valori di Page 20 of 23

21 MTBF dei singoli UPS sono stati scelti come l'esempio precedente, vale a dire ore per l UPS statico e di ore per l UPS rotante. MTBF singola unità : 200,000 h 1,000,000 h Configurazione Ridondanza MTBF sistema Ridondanza MTBF sistema 1. ridondante parallelo mill. h mill. h 2. isolato ridondante mill. h mill. h 3. isololato parallelo mill. h mill. h 4. Ridondanza sist+sist mill. h mill. h Tabella 4 Dipendenza del MTBF del sistema sia sul numero di unità UPS che sulla unità singola MTBF I risultati nella Tabella 4 mostrano chiaramente l'influenza del numero di unità UPS sull MTBF di sistema. Per quanto riguarda le due configurazioni di sistema più affidabili 3 e 4, il sistema di affidabilità complessivo dell UPS rotante è da 84 a 100 volte superiore alla affidabilità di quelli statici. Rispetto alla Tabella 3 in questo esempio tutti i valori di MTBF sono diminuiti, per il maggior numero di unità UPS utilizzate in entrambe le configurazioni. I valori di MTBF significativamente più elevati dei sistemi rotanti UPS sono basati sul MTBF molto più elevato della singola unità nonché sul numero ridotto di unità necessarie per realizzare una data potenza richiesta. Page 21 of 23

22 4 Conclusioni L'affidabilità è la caratteristica fondamentale di un UPS e la sua importanza dovrebbe chiaramente essere prioritaria rispetto ai costi e all efficienza. L'affidabilità dei singoli sistemi UPS dipende dall'affidabilità di un elevato numero di componenti e la loro interazione. L'uso di componenti robusti ad alta prestazione e una tolleranza ai guasti garantisce un funzionamento con basse percentuali di guasto. Per la complessità dei sistemi UPS, l alta affidabilità non dovrebbe essere considerata ovvia, anzi impone una elevata spesa ed adeguata esperienza nello sviluppo e nella produzione dei sistemi. Un basso tasso di guasto si ottiene evitando connessioni interne parallele e minimizzando il numero di componenti. Le funzioni di monitoraggio per la segnalazione di guasti o stati critici di funzionamento riducono i down time e allargano gli intervalli di manutenzione. Allo stesso tempo, consentono l'utilizzo di ridondanze interne o facilitano il regolare arresto di un UPS difettoso, senza avere un effetto negativo sul gruppo parallelo associato. Nel valutare l'affidabilità di un sistema UPS, dovrebbe essere fatta una distinzione tra disponibilità (A) e la frequenza di guasto (MTBF). Una elevata disponibilità in combinazione con brevi tempi di riparazione può essere associata ad un tasso di guasto che non è adatto all applicazione e non è accettabile per il gestore del sistema UPS. L'affidabilità di un sistema UPS è influenzata tanto dall affidabilità dei singoli moduli, come dalla configurazione del sistema stesso. Il numero più basso possibile di unità parallele con potenza proporzionalmente elevata è da preferire ad un grande gruppo di unità più piccole. Ciò vale anche per tutte le configurazioni in parallelo o ridondanti. In base alla loro semplicità e la loro elevata potenza di uscita, gli UPS rotanti sono la soluzione da preferire per quanto riguarda l'affidabilità delle singole unità UPS, nonché l'affidabilità per i grandi sistemi UPS. Inoltre, occorre prestare attenzione in ogni caso ad una elevatissima affidabilità degli elementi comunemente utilizzati. La notevole influenza dei tassi di guasto dei singoli sistemi UPS sul tasso di guasto del sistema rende l'affidabilità del singolo modulo un fattore chiave per l'affidabilità dell'intero sistema. Page 22 of 23

23 5 Riferimenti Birolini, Reliability Engineering Theory and Practice, Springer, Berlin, 2007 IEEE Gold Book, Design of Reliable Industrial and Commercial Power Systems, IEEE Std DIN 40041, Reliability, terms, 1990 EN 50126, Railway applications The specification and demonstration of Reliability, Availability, Maintainability and Safety (RAMS), 1998 IEC 61703, Mathematical expressions for reliability, availability, maintainability and maintenance support terms, 2001 MIL-HDBK-217F, Reliability Prediction of Electronic Equipment, 1991 Piller Group GmbH, Germany White Paper No issue 02/2010 Page 23 of 23