Часть 3 публикации 654-5 содержит требования к допускаемой восприимчивости изделий по отношению к повторяющимся кратковременным импульсным помехам из сети питания и информационных линий связи.
Указывается, что данный вид испытательных сигналов позволяет оценить помехозащищенность изделий от таких источников помех, как реле, контакторы, индуктивные нагрузки и др.
Испытательные сигналы представляют собой периодически следующие пачки импульсов. Период следования пачек 300 мс, длительность пачки 15 мс, частота следования импульсов в пачке 2,5—5 кГц. Импульсы имеют экспоненциальную форму. Длительность импульсов на уровне 0,5 равна 50 нс±30 %, длительность фронта—5 нс±30 %. В зависимости от условий эксплуатации и назначения проводных линий, на которые подаются помехи, предусмотрены четыре допустимых значения амплитуд напряжения импульсов, измеряемых на согласующем резисторе сопротивлением 50 Ом: 0,5; 1; 2 и 4 кВ.
Комплексы ТТ по обеспечению ЭМС ЦТС имеют и некоторые ведущие зарубежные фирмы, разрабатывающие и выпускающие ЦТС. Так, например, фирма IBM (International Business Machines) гарантирует устойчивую работу управляющих ЭВМ при следующих видах возмущений напряжения в сети питания:
- перенапряжениях амплитудой до 15 % номинального значения в течение 1 с;
- перенапряжениях амплитудой 150 % номинального значения в течение 50 мкс;
- провалах глубиной до 20 % номинального значения в течение 2 с;
- провалах глубиной до 30% в течение 0,5 с, если спад и восстановление напряжения происходят более чем за 2 периода частоты сети. При этом допускается появление программно-восстанавливаемых ошибок;
- полных отключениях питания в течение 0,5 периода частоты сети, но не чаще 1 раза/с. При этом допускается появление программно-восстанавливаемых ошибок;
- затухающих колебаниях с начальной амплитудой, равной 200% номинального напряжения сети, и временем снижения огибающей до половины начальной амплитуды, равным 5—6 периодов частоты колебаний, составляющей 350—450 Гц.
Кроме того, регламентируется и допустимое влияние изделия на сеть питания при его включении. Оговариваются допускаемые значения скачков пускового тока и указывается, что при этом линии питания должны быть такими, чтобы обеспечивался провал напряжения глубиной не более 40 % номинального значения в течение полупериода частоты сети после включения и не более 30% в течение 10 периодов.
Меры по выполнению требований к помехозащищенности носят в основном схемно-конструктивный характер и сводятся к правильной разработке конструкций ЭВМ, а также к корректному выполнению внешних связей, заземления, фильтрации, экранирования. Все эти меры должны быть обеспечены в комплексе.
Системы земель
Под общим термином «земля» понимают различные по назначению и физическому исполнению системы проводящих поверхностей и электрических соединений. Их можно разделить на четыре основные группы:
1. Проводящая система, по отношению к которой производится отсчет напряжений сигналов. Эти системы земель называются базовыми.
2. Образование путей протекания обратных сигнальных и питающих токов. Пример – нейтраль или нулевой провод первичного питания, сигнальная земля системы передачи данных.
3. Экранирующие земли.
4. Защитное заземление.
Перечисленные земли редко удается выполнить обособленными. Обычно совмещаются экранирующие и защитные земли. Нулевой провод и защитная земля, базовая и обратный провод системы передачи данных. Однако совмещение земель влечет за собой ухудшение свойств изделий.
Основное требование к любой базовой системе земель – эквипотенциальность поверхности. Уменьшить влияние неэквипотенциальности можно соответствующей конструкцией заземляющей поверхности (рис.23.1). Здесь разные типы заземляющих поверхностей приведены по мере ухудшения свойств эквипотенциальности.
При создании заземления следует избегать замкнутых контуров. Другое важное требование – различные системы земель должны соединяться не более чем в одной точке, называемой опорным узлом.
Рис.23.1. Типы заземляющих систем
Если компонентов много, то опорных узлов также может быть много. Топологически они должны соединяться в виде разветвленного дерева без контуров. Часто источником контуров является защитное заземление. В этой связи полезно знать условия, при которых можно обходиться без него:
– если устройство питается от сети напряжением не выше 500В, находится в помещении, в котором нет условий повышенной или особой опасности, с относительной влажностью не более 60%, температурой не более +30 С, при отсутствии токопроводящих полов, пыли, агрессивных сред и где исключена возможность одновременного прикосновения к заземленным конструкциям и металлическим корпусам незаземленных устройств;
– если устройство питается от разделяющего или понижающего трансформатора, выполняющего одновременно роль разделяющего; вторичное напряжение не должно превышать 380В, корпус трансформатора должен быть заземлен;
– если устройство питается от напряжения переменного тока 36В и ниже или постоянного тока 110В и ниже;
– если система обслуживается с защитных площадок, установленных таким образом, что прикосновение к представляющим опасность незаземленным частям может быть только с площадки;
– если система содержит устройства защитного отключения, которые обеспечивают отключение всех фаз питания с полным временем отключения не более 0,2 с.
Рекомендации по выполнению внешних соединений
Под внешними соединениями понимаются:
– линии первичного электропитания (питание от сети);
– линии связи между устройствами;
– соединения между корпусами и общими шинами вторичных источников питания;
– цепи подключения сетевых фильтров;
– металлизирующие и заземляющие цепи.
Внешние соединения и способы их выполнения существенно влияют на такие свойства цифровых вычислительных систем, как излучение радиопомех и восприимчивость к помехам.
Правильность и оптимальность внешних соединений обеспечиваются как на этапе разработки, так и при пуско-наладочных работах комплексов. Пример внешних соединений, обеспечиваемых при проектировании – соединения внутри блока. Однако в ряде случаев при монтаже возникают вопросы, поэтому необходимо описать и этот вид соединений.
Под автономным устройством понимается устройство, выполненное в виде отдельной конструктивной единицы и не имеющее электрических связей с другими конструктивными единицами. Рекомендуемая схема внешних и внутренних соединений автономного устройства приведена на рис.23.2.
Рис.23.2. Внешние соединения автономного устройства:
РЩ – распределительный щит; К – контактор (автомат); устанавливается на фазы электропитания, «0» не обрывается; возможно однофазное питание; A, B, C – фазы электропитания; Ф – фидер – питающий кабель , помещенный в металлорукав или экранирующую оплетку; СФ – сетевой фильтр; ИВП – вторичный источник питания; ЛБ – логический блок; УЗ – узел заземления, расположенный непосредственно на проводящем корпусе распределительного щита.
Для снижения уровня помех на корпусе РЩ узел заземления может выполняться в виде металлического листа, вмонтированного в кирпичную кладку стены, при условии, что последняя имеет непосредственный контакт со сварным стальным каркасом здания или физической землей. Площадь листа, контактирующего с кладкой, должна быть не менее 1 кв. м.
В качестве электрода заземления для ЭВМ целесообразно иметь штырь диаметром не менее 15 мм, забитый на глубину 3-4 метра, или металлический лист площадью от 1,5 до 2 кв. м. Длина провода, соединяющего УЗ с ЭЗ не должна превышать 15 м. Сопротивление заземляющих цепей должно быть менее 3 Ом. К узлу заземления можно подсоединить нуль питающей сети.
Фидер – четырехпроводный (двухпроводный) кабель, заключенный в экранирующую броню, либо в жесткую стальную трубу. С одной стороны броня соединяется с узлом заземления, с другой – с узлом заземления ЭВМ.
Если кабель не имеет брони, то целесообразно иметь пяти- (трех)жильный кабель, одна из жил которого соединяется с УЗ. К УЗ ЭВМ подсоединяются клеммы заземления блоков ЭВМ.
Питание можно подавать через разъемы, а заземление должно быть неразъемным (винт, гайка). При монтаже заземление подключают первым, при демонтаже отключают последним.
Все металлизирующие соединения должны иметь возможно меньшее активное сопротивление. Неэкранированные отрезки кабеля должны быть возможно более короткими.
Под сосредоточенным комплексом понимается совокупность устройств, связанных линиями и отстоящих друг от друга на расстоянии не более 10-15 м. Это могут быть устройства, компонуемые в пределах одной стойки. При этом линии связи между устройствами не выходят за пределы общего корпуса стоек (рис.23.3). Это одна из возможных схем соединений для случая, когда комплекс состоит из нескольких обособленных стоек.
Рис.23.3. Внешние соединения сосредоточенного комплекса
Следует обратить внимание на то, что общая шина системы сигнальных земель соединяется с корпусом только в одном месте, например, в одном из вторичных источников питания.
Шины питания должны быть помещены в отсек шин питания. Сигнальные шины – в отсек информационных кабелей. Сигнальные кабели рекомендуется выполнять в виде скруток, в идеальном случае – экранированных. Экран при этом соединяется с заземлением в одной точке. Отсеки представляют собой короб. Он должен быть соединен со стойками, что превращает комплекс в единое устройство.
Одна из возможных схем соединений для случая, когда комплекс состоит из нескольких обособленных стоек.
Распределенным комплексом называются устройства, связанные по информационным линиям и удаленные настолько, что их питание осуществляется от разных распределительных щитов, а заземление не приведено к одной точке. Решающее влияние на работоспособность комплекса оказывает неэквипотенциальность поверхности. Комплекс рассматривается как совокупность автономных или сосредоточенных систем с обязательной гальванической развязкой линий связи.
Борьба с внешними помехами
В основном борьба с внешними наводками обеспечивается конструкцией ЭВМ. Однако имеется участок, где влияние внешних помех проявляется более значительно. Это линии связи.
Основной метод борьбы – экранирование линий. Экранирование способствует также уменьшению излучения из линии связи в пространство. Экран представляет собой оплетку или фольгу, заземленную в одном месте. Если кабель имеет длину более 10 метров, то допускается второе заземление. Экран не следует использовать в качестве общего провода для возвратных сигнальных токов.
Если источник не заземлен, а приемник заземлен, то экран подсоединяют к точке заземления приемника. Если источник заземлен, то экран подсоединяют к точке заземления источника. Если линия является двунаправленной, то точка заземления выбирается произвольно.
Для защиты линии от магнитных наводок уменьшают площадь контура (витая пара, коаксиал, шинный кабель с чередованием сигнальных и земляных проводов).
Резервирование питания ЭВМ
Одним из способов борьбы с длительными помехами является резервирование источника питания. В системах управления техпроцессами резервирование должно обеспечивать поддержку ЭВМ в течение кратковременного выхода из строя основного источника питания. В других случаях за счет резервирования питания достаточно разгрузить и сохранить содержимое ОЗУ, РОНов, PSW, CSW (регистров состояния и управления процессора). Резервируются как первичные, так и вторичные источники.
Вторичные источники – за счет емкостей (время - до 100 мс).
Возмущения первичного питания за счет КЗ длятся 1-2 сек. Резервирование в течение такого времени обеспечивают электромашинными преобразователями. Например, мотор-генератор с маховиком представляет собой совокупность двух электрических машин, соединенных механической связью (рис.23.4).
Рис.23.4. Схема мотор-генератора
КПД преобразователей высок лишь при достаточной мощности установки. Выше 100 кВт – до 90%. Ниже 1 кВт – до 60%. В зависимости от инерции вращающихся частей преобразователи могут сохранять энергию до десятков секунд.
В настоящее время широкое распространение получили источники бесперебойного питания (ИБП) – UPS (Uninterruptаble Power Supply). Диапазон их параметров весьма широк – от наиболее дешевых, способных поддерживать работоспособность типичного настольного персонального компьютера в течении нескольких минут, до дорогостоящих, обеспечивающих питание компьютерных центров до получаса и более. Существует несколько подходов к построению ИБП.
В соответствии с действующим стандартом IEC 60146-4 они разделяются на три класса.
К первому относятся резервные или автономные ИБП (off-line\back-up UPS\Stand-By). Обеспечивают минимальную защиту ЭВМ на случай отключения питания. Исчезновение напряжения приводит к активизации батарей автономного ИБП, тем самым, обеспечивая работу оборудования до исчерпания заряда аккумуляторов (рис.23.5). Интервал, в течение которого происходит переключение, может достигать от 4 до 15 мс. Как правило, практически все современные компьютеры способны компенсировать подобные сбои за счет внутренних средств (могут проходить незамеченными провалы до 10…20 мс).
Рис.23.5. Автономный ИБП
Основное достоинство подобных ИБП – низкая стоимость (наиболее известные производители APC, Best Power, MGE).
Основные недостатки:
-неудовлетворительная работа таких ИБП в сетях с низким качеством;
-невозможность своевременного восстановления заряда АКБ при частых переходах на резервный источник;
-несинусоидальное напряжение на выходе инвертора.
Второй класс - активные или интерактивные (on-line) ИБП непрерывного действия, которые представляют собой устройства с двойным преобразованием, которые используют батареи в качестве буфера, обеспечивающего сглаживание выбросов и провалов напряжения первичной сети, а также длительных помех. Напряжение первичной сети в таких источниках преобразуется в низковольтное постоянное напряжение, подзаряжающее батарею, которое затем повторно преобразуется переменное с параметрами, требуемыми для нормального функционирования ЭВМ (рис.23.6). Причем первый преобразователь напряжения преобразует постоянное напряжение высокого уровня в низкое, а второй (инвертор) – питается параллельно от сети и от аккумуляторной батареи (АкБ). При таком подходе батарея всегда находится в подключенном состоянии, так что при возникновении сбоев первичных источников напряжение во вторичных цепях не прерывается даже на время переключения. Погрешность отклонения не превышает 1..3% номинала, а наличие цепи Bypass позволяет подключать нагрузку непосредственно к сети.
Модификациями ИБП этого типа являются типы: Bypass, triple-convertion (с коррекцией коэффициента мощности), ferrups (c высоконадежным феррорезонансным трансформатором). Основные производители: Power Ware (Prestige), Best Power 610 и т.д.
Рис.23.6. ИБП непрерывного действия
Основные недостатки;
-сравнительно низкий КПД из-за двойного преобразования;
-системы этого типа достаточно дорогостоящие и предназначены для защиты высококритичных сетевых компонент с большими потребляемыми мощностями..
Третий класс - линейно-интерактивные (line-interactive) ИБП, которые представляет собою гибрид интерактивных и автономных ИБП, сочетая надежность первых и эффективность вторых. В прямой цепи таких устройств содержится ступенчатый автоматический регулятор напряжения на базе автотрансформатора. При нормальной работе инвертор питает нагрузку параллельно стабилизированному сетевому напряжению. Выпрямитель (зарядное устройство) фильтрует ток в цепи, подаваемый на вход защищаемого устройства, и поддерживает батареи в полностью заряженном состоянии. Если напряжение пропадает, инвертор выполняет обратную операцию, преобразовывая постоянный ток батареи в переменный. Инвертор и зарядное устройство конструктивно объединены (рис.23.7).
Рис.23.7. Линейно-интерактивный ИБП
Для передачи информации о текущем состоянии ИБП в компьютер, как правило, используется последовательный порт RS-232C. Обработка этой информации осуществляется специальным программным обеспечением, основной задачей которого является корректное завершение всех активных процессов и отключение компьютера в случае возникновения серьезных сбоев в работе первичной сети, а также последующее восстановление исходного состояния компьютера при восстановлении работоспособности питающей сети. Время перехода на резервное питание не превышает 2 мс. Преимущества данной схемы:
-широкий диапазон допустимых входных напряжений;
-более редкий переход на батарейное питание при скачках напряжения.
Наиболее известны линейно-интерактивные ИБП производителей Power Ware (Net UPS), APC (Smart), IMV (Match).
Поскольку схема со статическим преобразователем не обеспечивает достаточно длительного периода работы ЭВМ, в случае отключения питания можно генерировать прерывания по нарушению питания (рис.23.8).
Рис.23.8. Действия прерывания при нарушении питания
Кроме того, программное обеспечение управления питанием должно осуществлять контроль качества питания и характеристики ИБП, а также вести журнал событий и систематизировать накапливаемую информацию. Если сеть охватывает большую территорию, то программное обеспечение должно автоматически подавать предупреждения о необходимости замены батарей. Для поддержки этой функции ИБП должны иметь средства контроля температуры и влажности, чтобы более точно прогнозировать срок службы батарей.
Основные параметры ИБП:
– величина нагрузки (мощность), измеряемая в киловольт-амперах (kVA). Представляет собой количество энергии, необходимое защищаемому устройству для нормальной работы.
– время работы батареи – период времени, в течение которого ИБП обеспечивает электропитание (при определенной величине нагрузки) защищаемого устройства. В общем случае время работы батареи должно быть не менее 15 минут.
– требования к качеству питания. ИБП должен содержать сетевой фильтр для подавления шума, обеспечивать регулировку напряжения и иметь защиту от перенапряжений.
– контроль и управление ИБП.
совместимость с сетями. ИБП может иметь возможность управления с помощью протокола SNMP. Кроме того, он может поддерживать управление посредством модема.
Для непрерывных технологических процессов, там, где необходимо бесперебойное питание в течение неограниченного времени без зависимости от внешних источников применяют резервные дизель-генераторы.
Система резервирования питания с помощью резервного дизель-генератора отражена на схеме (рис.23.9).
Рис.23.9. Резервирование питания с дизель-генератором
Покажем сравнительную характеристику наиболее частых решений гарантированного питания (рис.23.10).
Рис.23.10. Области применения различных систем резервного питания
Лекция 24
Эксплуатационная надежность магнитной записи
План лекции:
Физические основы магнитной записи
Проблемы эксплуатационной надежности магнитной записи
Правила эксплуатации магнитных носителей
|
