Вряд ли у кого-нибудь вызывает сомнение необходимость использования источников бесперебойного питания (ИБП, английская аббревиатура UPS – Uninterruptible Power Supply). Однако большинство пользователей склонно недооценивать значение этих устройств, относясь к ним порой как к коврику для мыши. Между тем на деле ИБП являются едва ли не основным элементом, обеспечивающим безопасность компьютерных систем.

Развитие рынка ИБП

Поколение программистов, заставшее на своем веку большие ЭВМ типа ЕС, СМ, помнит, насколько чувствительны были эти машины к малейшим колебаниям напряжения. Для поддержания ЭВМ в рабочем состоянии требовались ИБП большой мощности, мгновенно реагирующие на сбои питания.

Появление в массовом количестве персональных компьютеров изменило как сами ИБП, так и структуру рынка.

Во-первых, расширился ассортимент изделий, предназначенных для защиты компьютеров от сбоев электропитания. Линейка продуктов весьма внушительна: от простейших сетевых фильтров, единственная задача которых – сглаживать кратковременные импульсы напряжения, до сложных "интеллектуальных" источников бесперебойного питания, способных без участия оператора не только корректно и безаварийно завершить работу всех приложений в сети, но и послать уведомление об этом администратору.

Во-вторых, ввиду постоянного снижения цен на вычислительную технику потребовался переход к более дешевым технологиям, что отразилось на топологии ИБП.

В-третьих, усложнение операционных систем потребовало ответных шагов со стороны производителей ИБП – возникла необходимость в специальном программном обеспечении, взаимодействующем с ОС и управляющем работой компьютера.

Наконец, массовость рынка персональных компьютеров стимулировала развитие рынка ИБП, на котором в настоящее время работает не один десяток фирм. Наиболее крупные и известные представители этого бизнеса – ARC, Tripplite, Fiskars, Emerson, Exide Electronics, Hewlett-Packard, Best.

Фильтры

Сетевые фильтры сглаживают кратковременные перенапряжения в сети, вызванные электрическими разрядами, электромагнитными наводками и шумами другого оборудования. В результате на вход компьютера поступает более-менее чистая синусоида.

Принцип действия и конструкция сетевого фильтра просты. Попавший на вход фильтра пик напряжения не пропускается на выход, к компьютеру, а отводится в землю. Для этого используются варисторы – устройства, проводимость которых зависит от напряжения. Варисторы соединяют две фазы тока (попросту говоря, два провода) друг с другом и с заземлением. При нормальном напряжении ток через варисторы не течет. А при резких скачках напряжения ток уходит в землю. (Разумеется, без надежного заземления фильтр просто не сможет выполнять свои обязанности.)

Импульсы напряжения в сети, вызванные грозовыми разрядами, могут достигать 10 киловольт. Именно на такую величину рассчитаны сетевые фильтры. Разумеется, полностью устранить импульс невозможно. На выходе могут быть импульсы до 360 вольт. Но они в силу малой длительности не представляют опасности для компьютера.

Многие модели сетевых фильтров оснащены помимо варисторов газоразрядными трубками. Как и варисторы, они служат для отвода большого тока в землю. В отличие от варисторов, трубки в меньшей степени подвержены старению и могут отводить гораздо большие токи. Правда, срабатывают они не очень быстро. Поэтому их используют только в паре с варисторами -те принимают на себя первый удар, затем подключаются газоразрядные трубки.

Под влиянием многочисленного электронного оборудования в сетевом переменном токе возникают высокочастотные составляющие. Для их подавления некоторые модели сетевых фильтров имеют фильтр высоких частот, состоящий из конденсаторов и катушек индуктивности. Как правило, с его помощью подавляются колебания частотой от 10 кГц до 1 ГГц. Функциональная схема сетевого фильтра приведена на рис. 1.

Стабилизаторы

Сетевые фильтры бессильны противостоять плавному или длительному повышению или понижению напряжения. Чтобы справиться с этой проблемой, существуют источники питания другого класса – так называемые стабилизаторы. Они удерживают выходное напряжение в пределах 195-245 вольт при колебаниях входного напряжения 160-311 вольт.

Стабилизаторы оснащены системой подавления электрических разрядов и шумов, которая по своим характеристикам эквивалентна или превосходит упомянутые выше сетевые фильтры. Главный же элемент стабилизатора – собственно система поддержания напряжения.

Простейшая из таких систем – знакомые нам по бытовым стабилизаторам феррорезонансные трансформаторы. Сердечник такого трансформатора намагничен до насыщения, поэтому магнитное поле во вторичной обмотке мало зависит от поля, создаваемого обмоткой первичной. Соответственно, выходное напряжение почти не связано со входным.

Но из-за насыщения часть магнитного поля первичной обмотки теряется впустую. Поэтому КПД выше у систем стабилизации, использующих обычные трансформаторы с переменным числом витков в обмотках. Нужное количество витков подключается быстродействующими электронными ключами.

Источники

Теперь мы подобрались непосредственно к источникам бесперебойного питания. Название этих устройств свидетельствует о том, что внутри должен быть аккумулятор. Иначе откуда взяться электричеству, если оно пропало в сети? На вход компьютера должен подаваться переменный ток, а аккумулятор выдает постоянный. Значит, нужен выпрямитель, чтобы подпитывать аккумулятор, и инвертор, преобразующий постоянный ток обратно в переменный.

В зависимости от режима работы аккумулятора различают следующие топологии ИБП: on-line, stand-by и line-interactive.

В ИБП-топологии on-line (рис. 2) переменный ток преобразуется в постоянный, который питает аккумулятор. В свою очередь постоянный ток аккумулятора с помощью инвертора преобразуется в переменный ток. Достоинство такой топологии очевидно – в случае исчезновения напряжения в сети компьютер этого никак не почувствует. К недостаткам же следует отнести высокую стоимость таких ИБП, низкий КПД (порядка 70-80%) из-за непрерывно работающей системы двойного преобразования электроэнергии. Оставшиеся 20-30% мощности она рассеивает в виде тепла, вызывая быстрый износ и старение узлов ИБП, особенно аккумуляторов.

ИБП на основе топологии standby имеют два контура. Первый -основной – работает как обычный сетевой фильтр. Второй – резервный – представляет собой ИБП online (рис. 3). При сбоях питания происходит автоматическое переключение на резервный контур. Время переключения – от 2 до 8 мс. Это чуть меньше, чем длительность полуволны переменного тока. Такое время переключения надежно предохраняет "железо" и программы. Исследования, проведенные в лабораториях журналов "PC Week" и "PC Magazine", показали, что компьютер сохраняет работоспособность при перерывах в электропитании от 65 до 300 мс.

Удачный компромисс между простотой и надежностью stand-by и скоростью реагирования on-line – топология line-interactive (рис. 4). До тех пор, пока напряжение в сети не упало ниже определенного уровня, питание компьютера обеспечивает цепь "стабилизатор-фильтр". Одновременно происходит подзарядка аккумулятора, точнее, поддержание его в заряженном состоянии. При падении напряжения в сети ниже нормы переключатель размыкает основную цепь, и с этого же момента питание компьютера осуществляется от аккумулятора.

Обсудим теперь конкретные изделия, их отличительные особенности, достоинства и недостатки. В качестве основных примеров возьмем изделия фирмы АРС (American Power Conversion – американское преобразование мощности), наиболее популярной на нашем рынке.(Это не значит, конечно, что продукция других компаний хуже.)

Одна из популярных моделей фирмы АРС – ИБП Back-UPS, имеющий топологию stand-by. Он предназначен для защиты отдельных ПК и рабочих станций. Отличительные черты источника: звуковая сигнализация о необходимости замены батареи в случае ее неисправности или истечения срока службы, запуск самотестирования нажатием одной кнопки на лицевой панели.

Более совершенная модель – ИБП Back-UPS Pro, основанный на топологии line-interactive. Встроенный автоматический регулятор компенсирует повышение и понижение напряжения в пределах 24% от номинала без перехода на батареи. Микропроцессорная система управления батареей обеспечивает ее защиту от переразряда и чрезмерного заряда и своевременно, не позднее чем за месяц до предполагаемого истечения срока службы, выдает световое и звуковое предупреждение пользователю. Пользователь может заменять батареи в "горячем режиме", т. е. без отключения ИБП и компьютера от сети. Время заряда батареи – 2-4 часа. Самотестирование производится при каждом включении ИБП, по желанию пользователя (нажатием одной кнопки на передней панели), а также автоматически каждые две недели. Но главное – в комплект поставки Back-UPS Pro входит программное обеспечение PowerChute Pro для Windows 95, Windows 3.x, Windows NT, OS/2. Back-UPS Pro поддерживает стандарт Plug&Play, реализованный в операционной среде Windows 95, и является единственным ИБП, сертифицированным фирмой Microsoft для работы с Windows 95.

 Защита серверов возлагается на ИБП Smart-UPS v/s и Smart-UPS. Первый представляет собой облегченный вариант Smart-UPS и предназначен для защиты небольших серверов. В комплект поставки входят программное обеспечение PowerChute v/s для Novell NetWare, Windows NT, UnixWare, SCO Unix, OS/2, система для компенсации повышения или понижения напряжения без перехода на батареи. Smart-UPS v/s обеспечивает защиту серверов небольших локальных сетей (до 10 компьютеров).

Для полного управления электропитанием серверов используется Smart-UPS. Особенности данного ИБП: чисто синусоидальная (приемлемая для особо чувствительной нагрузки) форма выходного напряжения, быстрое время восстановления батарей после разряда (1-2 часа), развитая микропроцессорная система управления и самодиагностики, гнездо SmartSlot для подключения сменных управляющих модулей, возможность увеличения времени работы благодаря подключению дополнительных батарей.

Замыкает линейку продуктов модульный ИБП Matrix-UPS, предназначенный для защиты крупных, особо важных серверов и центров обработки данных. Модульность конструкции этого источника питания позволяет заменять вышедшие из строя элементы без отключения нагрузки. Отличительные черты Matrix-UPS: возможность практически неограниченного наращивания времени работы, нулевое время переключения на батареи, возможность настройки параметров работы непосредственно с пульта, расположенного на передней панели, а также более широкие возможности управления, чем у ИБП Smart-UPS, благодаря программному обеспечению PowerChute plus.

Не менее широкий спектр ИБП предлагают другие производители. Так, например, компания Fiskars выпускает серию ИБП PowerServer топологий on-line и line-interactive. Это источники питания с диапазоном мощностей от 400 ВА до 12,5 кВА^*. Стандартное время автономной работы – от 8 до 30 минут, при установке дополнительных аккумуляторов время работы может быть увеличено до 6 часов. Другой ИБП этой фирмы – PowerRitePlus, использующий топологию stand-by – рассчитан на время работы 5 минут и диапазон мощностей 400-600 ВА. Для защиты мощных серверов и больших сетей компания Fiskars предлагает on-line UPS U9000 -диапазон мощностей от 7,5 до 60 кВА, время резервного питания 6-

240 минут. Все перечисленные ИБП взаимодействуют с ОС Novell, DOS, Windows, Windows NT, OS/2, LanServer, UNIX с помощью программного обеспечения LaneSafe III и FailSafe III, которое обеспечивает: автоматическое отключение участков сети, предупреждение потребителя о потере питания, контроль мощности батарей, автоматический возврат в рабочее состояние, контроль, тестирование, самотестирование UPS, регистрацию событий питания.

 Защита информационных цепей

Итак, скачкам, шумам и падению напряжения поставлен надежный заслон. Но успокаиваться на этом рано. Существует еще и "черный ход", по которому означенные электрические неприятности могут попасть в компьютер и натворить немало бед – через соединения компьютера с модемом, телефоном, принтером и сетевым оборудованием. Грозовые разряды и скачки напряжения – источник губительных импульсов в электросети -могут вызвать такие же импульсы в кабелях передачи данных и способны вывести из строя сетевую или модемную плату компьютера.

Для полной защиты компьютерных сетей и коммуникационного оборудования АРС, к примеру, предлагает набор средств ProtectNet. Изделия ProtectNet представляют собой переходники, включаемые между коммуникационным кабелем и компьютером. Они не оказывают ощутимого воздействия на потоки данных, но надежно отсекают любые всплески и шумы в коммуникационных линиях.

Изделия ProtectNet выпускаются в различных модификациях для защиты последовательных портов, плат Ethernet 10 Base-T, Thinnet 10 Base 2, Token Ring, прочего сетевого оборудования, а также телефонных/модемных линий.

ИБП становятся умнее

Привередливо к питанию не только "железо", но и "софт". Риск потери данных при сбоях в питании значительно возрастает, когда открыто одновременно несколько файлов – типичная ситуация для серверов и современных многозадачных ОС. Еще опаснее ситуация, когда данные не пропадают, а искажаются.

Очевидно, что недостаточно защитить серверы от помех по цепям электропитания и коммуникаций, а также обеспечить батарейной поддержкой на время отсутствия напряжения. Главное, что должна обеспечивать защита – корректное завершение работы, сохранение и закрытие всех файлов, выгрузку операционной системы.

В принципе, с этим может справиться администратор сети, но тогда он должен быть буквально привязан к своему рабочему месту. А если речь идет о сложной иерархической сети, в которой серверов много, и у каждого свое время "сворачивания"? Если, прежде чем "закрывать" серверы, необходимо выгрузить из сети все рабочие станции, предварительно закрыв на них все приложения и файлы? В общем, без "интеллектуальной" системы не обойтись.

Программа PowerChute plus, используемая вместе с ИБП фирмы АРС, выпускается для ОС Windows 95, Windows NT, Novell NetWare, OS/2, LAN Server, SCO Unix, Solaris и др. Программа предупреждает пользователя о возникающих проблемах с питанием, а затем автоматически отключает систему, полностью сохраняя всю информацию, вне зависимости от того, находился ли администратор сети в этот момент на рабочем месте или нет.

PowerChute обеспечивает мониторинг электросети и окружающей среды, выдавая всю информацию администратору системы в реальном масштабе времени. Автоматическое отключение и сворачивание системы может осуществляться не только при перебоях электропитания, но и при обнаружении таких внешних факторов, как огонь, вода, дым, несанкционированный доступ. PowerChute plus распознает эти факторы как события, требующие вмешательства системы, и выбирает ответные действия прежде, чем произойдет потеря данных или повреждение аппаратных средств.

При необходимости закрытия системы PowerChute plus может запустить любой исполняемый файл, что гарантирует корректное закрытие таких программ, как базы данных, а следовательно – их готовность к работе после запуска системы. При восстановлении напряжения в ceти пpoграмма может выполнить автоматическую загрузку системы без участия администратора. Вдобавок администратор, даже если он в данный момент находится вне офиса, получит сообщение на пейджер о том, что произошло, и о реакции системы на случившееся.

Все те функции обеспечения полного контроля и управления электроэнергией, которые PowerChute plus выполняет по отношению к индивидуальному ИБП, семейство продуктов PowerNet обеспечивает в масштабах ЛВС предприятия по SNMP-протоколу.

Еще один уникальный прибор Call-UPS II предоставляет полный доступ ко всем параметрам и органам управления ИБП Smart-UPS и Matrix-UPS по модемной линии. Например, с помощью Call-UPS II можно произвести удаленную перезагрузку зависшего сервера. Call-UPS II может также самостоятельно отправить сообщение о любом из произошедших событий по двум пейджерным номерам.

Заключение. Стоит ли овчинка выделки?

Компания IBM установила: средний компьютер в США 120 раз в месяц испытывает проблемы, связанные с электропитанием.

По данным лаборатории корпорации Bell, из всех происшествий в электросети 87% составляет кратковременное понижение напряжения и 4,7% – полное исчезновение напряжения. Таким образом, компьютер гораздо чаще испытывает недостаток питания, чем подвергается воздействию грозовых разрядов, от которых легко и дешево защищает сетевой фильтр.

По результатам исследования Yankee Group, более половины американских компаний теряют за час простоя 1000 долларов, а 9% компаний за тот же час теряют более 50 тыс. долларов.

Согласно исследованиям американской консалтинговой компании Contingency Planning, причина потери данных в 45% случаев – некачественное электропитание, в 8,2% – неисправность оборудования или ПО, в 3,2% – ошибка оператора.

По данным университета Миннесоты, 30% американских компаний, потерявших все свои данные, так и не смогли восстановить свой бизнес.

____________________________

^* Из-за индуктивного характера нагрузки произведение подаваемых в компьютер напряжения и тока оказывается больше, чем реально потребляемая им мощность. Поэтому мощность источников питания указывают не в ваттах, а в вольт-амперах – ВА.

{НАЧАЛО ВРЕЗКИ}

"Внимание: не следует выходить из Windows NT, выключая питание, так как можно потерять данные. При выходе необходимо корректное закрытие, чтобы Windows NT сохранила изменения во всех рабочих файлах и надлежащим образом закрыла приложения и служебные файлы".

Системное руководство по Microsoft Windows NT

"Перед отключением машины всегда следует закрывать систему, иначе можно потерять данные".

Руководство по OS/2

"Если система останавливается из-за аварии питания, такое закрытие считается некорректным... Поскольку файловые системы перед этим небыли надлежащим образом закрыты, их повреждение может быть достаточно сильным. При разрушении корневого каталога система не будет работать правильно".

Руководство по UNIX

"Если Вы делаете серьезную работу без UPS, Вам следует глубоко задуматься о происходящем...

Если Вы работаете под UNIX без UPS, Вам необходимо обратиться к психиатру!"

Журнал "Byte"

{КОНЕЦ ВРЕЗКИ}