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L'affidabilità dei singoli UPS Ancora un problema?
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L'affidabilità dei singoli UPS
Ancora un problema?
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Contenuto
1 Introduzione .......................................................................................................... 3
2 L'affidabilità dei singoli sistemi UPS ................................................................... 4
2.1 I termini MTBF e MTTR ........................................................................................... 4
2.2 La differenza tra MTBF e la disponibilità ................................................................. 5
2.3 Importanza dei grandi numeri .................................................................................. 6
2.4 Componenti e progettazione ................................................................................... 7
2.5 Manutenzione e durata dei componenti .................................................................. 7
2.6 Ridondanza ............................................................................................................. 9
2.7 L'importanza del monitoraggio dei componenti e delle funzioni ……..….. ......... 10
3 Affidabilità dei sistemi ………………………………………………………. .......... 11
3.1 Collegamento in parallelo dei sistemi UPS …………………………….…… .. …… 11
3.2 Strutture parallele nei sistemi UPS ………………..…………………………..... ….12
3.3 Calcolo dei valori di affidabilità con l'aiuto di diagrammi a blocchi ………………..13
3.4 Influenza dei componenti comuni …………………………………………………….16
3.5 Confronto tra le configurazioni di UPS ridondanti ……………………………………17
4 Conclusioni …………………………………………………………………………… 22
5 Riferimenti ……………………………………….…………………………….………23
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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.
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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.
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t
uptime downtime
downtime
reaction-time + repair-time
MTTRMTBF
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:
MTTRMTBF
MTBFA
+= (1)
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 0,9999 .... 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 = 0,99988.
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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.
Stessa Disponibilità A = 0.99998843 (4 nines)
MTBF = 10 anni MTTR = 1h
MTBF = 1 mese MTTR = 30s
MTBF = 1 giorno MTTR = 1s
�
☺
�
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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 down-
time. 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
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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.
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.
Tempo
Tasso di guasto
Mortalitàinfantile
Guasti random con untasso di guasto costante λ
Usura
Tasso di guasto accettabile/tollerabile
Manutenzione richiesta
Vita utile b
Start
Testing e Commissioning
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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.
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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 corto-
circuito 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.
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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.
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
Affidabilità del sistema con UPS in parallelo di potenza
(rispetto all’affidabilità di una singola unità)
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Numero di UPS in parallelo
Affidabilità
relativa
del sistema
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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.
MTBF del sistema con ridondanza n+1
0
5000
10000
15000
20000
25000
1+1 2+1 3+1 4+1 5+1 6+1 7+1
MTBF
millioni ore
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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.
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.
Figura 8 Effetto di guasti in una modalità di potenza- parallela
UPS 1
UPS 2
Sistema
BlockB
BlockAUPS 1
100 kVAUPS 2
100 kVA
Carico 200 kVA
Configurazione electrica Diagramma a blocchi affidabilità RBD
MTBF: mA = m B = 200.000 hMTTR: rA = rB = 24 h
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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:
hmm
mmm
BA
BAS 000.100=
+
⋅= (2)
hmm
rmrmr
BA
ABBAS 24=
+
⋅+⋅= (3)
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.
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.
Figura 10 Effetto dei guasti in una configurazione ridondante - parallela
UPS 1
UPS 2
Sistema
UPS 1100 kVA
UPS 2100 kVA
Carico 100 kVA
BlockB
Block
A
Configurazione elettrica Diagramma blocchi affidabilità RBD
MTBF: mA = mB = 200.000 hMTTR: rA = rB = 24 h
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In questo caso i valori di affidabilità del sistema sono:
( )h
rr
rmrmmmm
BA
ABBABASystem 000.000.833=
+
⋅+⋅+⋅= (4)
hrr
rrr
BA
BASystem 12=
+
⋅= (5)
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 ridondante-
parallela. Nella formula (4), l’espressione più piccola tra parentesi può essere ignorata e la
formula può essere ridotta a:
BA
BASystem
rr
mmm
+
⋅≈ (6)
Ipotizzando gli stessi dati di affidabilità BA mmm == and BA rrr == per entrambe le unità
A e B, la formula è semplificata:
r
mmSystem
⋅≈
2
2
(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.
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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.
Figura 12 Componenti comuni nel diagramma di affidabilità a blocchi (RBD)
UPS 1
UPS 2
Sbarra di
carico Comunicazione
MTBF del sistema in funzione dell’MTBF della singola unità in una configurazione ridondante 1+1
0
5000
10000
15000
20000
25000
100.000 300.000 500.000 700.000 900.000
MTBF singola unità in ore
MTBF
millioni h
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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 + 1 Bus di comunicazione,
sbarra di parallelo
2 Isolato-ridondante n + 1 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.
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.
1 2
1 3
2 3
Com.
1
Com .2
Com.
3Carichi
1 2 3
Sbarra di
parallelo
Comuni - cazione
Carichi
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1 2 3
STS
1.1
STS
1.2
STS
2.1
STS
2.2
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.
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.
1 2
1 3
2 3
D2
D1
C1 …C3 D3
1 2 3
carico 1 carico2 carico3
C1…C3
C1…C3
1 2 3
IP-Bus
Carico1
IP-Choke
C3 C2 C1
Carico 2 Carico 3
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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
200.000
1.000.000
h
h
Affidabilità del bus di comunicazione e misure di
shut-down MTBF
50 Mill.
h
Affidabilità dei commutatori STS statici di
trasferimento MTBF
150.000
h
Affidabilità della reattanza e misure di shut-down in
connessione isolata parallela
Reattanza (choke)
Misure di shut-down
MTBF
60 Mill.
60 Mill.
h
h
Tabella 2 Dati comuni per calcoli esemplificativi
1
3
2
4
Carico
(A o B)
1 2 3 4
Bus A Bus B
Carico
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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:
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 1.670 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
MTBF singola unità: 200,000 h 1,000,000 h
Configurazione ridondanza MTBF sistema MTBF sistema
1. ridondante parallelo 2+1 15.7 mill. h 16.6 mill. h
2. isolato ridondante 2+1 51 mill. h 118 mill. h
3. isolato parallelo 2+1 274 mill. h 6511 mill. h
4. ridondanza sist.+sist. 2+2 208 mill. h 5209 mill. h
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MTBF dei singoli UPS sono stati scelti come l'esempio precedente, vale a dire 200.000 ore
per l’ UPS statico e 1.000.000 di ore per l’UPS rotante.
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.
MTBF singola unità :
Configurazione Ridondanza MTBF sistema Ridondanza MTBF sistema
1. ridondante parallelo 6+1 6.1 mill. h 3+1 12.5 mill. h
2. isolato ridondante 6+1 7.3 mill. h 3+1 59.1 mill. h
3. isololato parallelo 6+1 39.4 mill. h 3+1 3290 mill. h
4. Ridondanza sist+sist 6+6 23.2 mill. h 3+3 2315 mill. h
200,000 h 1,000,000 h
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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.
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5 Riferimenti
� Birolini, Reliability Engineering – Theory and Practice, Springer, Berlin, 2007
� IEEE Gold Book, Design of Reliable Industrial and Commercial Power Systems, IEEE
Std 493-2007
� 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,
[email protected], Germany
White Paper No. 0054-0 issue 02/2010
