note1_2000_2.pdf

В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА

Владимир Беломытцев

Замена элементов

управляющей

вычислительной системы

без отключения питания

В ВЕДЕНИЕ

Безотказная работа электронной ап

паратуры — это качество, которое вы

соко оценит любой пользователь, неза

висимо от того, идет речь о простой

стиральной машине или о сложной си

стеме АСУ ТП. Традиционно вопросам

надежности уделяется повышенное

внимание там, где выход системы из

строя приводит к большим экономиче

ским потерям, возникает угроза здоро

вью людей, загрязняется окружающая

среда и т.п.

Как правило, на практике важно не

только то, чтобы отказы происходили

как можно реже, но и то, чтобы в слу

чае, если отказ всетаки произошел,

время простоя (время восстановления)

было минимальным.

Тривиальный метод повышения на

дежности всей системы — это исполь

зование при ее построении наиболее

надежных компонентов.

Для этого разработчики стараются

закладывать в систему узлы и устройст

ва, производимые компаниями с хоро

шей репутацией, применяют современ

ные технологии (например, заменяют

механические НЖМД на флэшдиски),

проводят входной контроль и испыта

ния применяемых изделий и т.п.

Другим популярным и в то же время

наиболее кардинальным способом по

вышения надежности на системном

уровне является резервирование. При

меняется двукратное или многократ

ное резервирование либо системы в це

лом, либо ее наиболее важных или на

иболее «слабых», с точки зрения на

дежности, частей. В случае «горячего»

резервирования отказ парируется

практически мгновенно, так как пере

ход на резервный комплект оборудова

ния происходит «незаметно» и не отра

жается на функциональных возможно

стях системы.

Однако во многих случаях примене

ние резервирования по разным при

чинам (чаще всего экономическим)

неоправданно. В этом случае прихо

дится мириться с последствиями отка

зов, но можно предпринять ряд мер,

чтобы время восстановления было ми

нимальным. В общем случае эти меры

должны быть комплексными органи

зационнотехническими. Технические

решения в этой области направлены

прежде всего на обеспечение возмож

ности замены отказавших элементов

системы без отключения питания

(«hot swap», «hot plug», «live insertion»,

или «горячая» замена).

Решение о применении какоголи

бо способа повышения надежности

или их комбинации следует прини

мать, исходя из анализа системы в це

лом, с учетом последствий отказов.

Например, функция «горячей» заме

ны может оказаться совершенно бес

полезной, если даже кратковремен

ный выход из строя какоголибо мо

дуля равносилен выходу из строя всей

системы. Такая ситуация приводит к

потере управления технологическим

объектом, когда в любом случае необ

ходим его аварийный останов. Также

«горячая» замена неоправданна там,

где модули не имеют развитых

средств самодиагностики, потому что

время, затрачиваемое персоналом на

поиск неисправного модуля, может в

результате «съесть» всю экономию,

достигаемую на операции собственно

замены модуля. Да и экономия эта

может оказаться не во всех случаях

существенной. На практике с учетом

человеческого фактора подготови

тельные действия по замене модуля

могут составить 1015 минут, в то вре

мя как сама замена занимает 12 ми

нуты. Как правило, современные

встраиваемые системы после включе

ния питания запускаются достаточно

быстро, поэтому добавление 12 ми

нут на выключение, а затем включе

ние питания увеличит длительность

ремонта всего на 510%. К тому же в

распределенных АСУ ТП система пи

тания также является распределен

ной и позволяет локально отключать

питание только в той части системы,

которая содержит отказавший мо

дуль. То есть в результате анализа мо

жет оказаться, что те или иные спосо

бы повышения надежности не стоят

тех денег, которые нужно вложить в

их реализацию.

Продолжая тему «горячей» замены,

необходимо отметить, что существу

ют приложения, где эта технология

успешно применяется и вполне уме

стна. Например, телекоммуникаци

онный узел, являясь территориально

централизованной системой, позво

ляет обеспечить достаточно быструю

доставку запасных модулей к месту

отказа.

В состав узла входит один или не

сколько телекоммуникационных сер

веров, содержащих процессорный мо

дуль и ряд однотипных периферийных

модулей, каждый из которых, в свою

очередь, обслуживает определенное

число каналов связи.

Конечно, в случае отказа процес

сорного модуля «горячая» замена —

все равно, что мертвому припарка.

Весь сервер выходит из строя и после

замены процессорного модуля надо

осуществлять «холодный» старт сис

темы. Так что в этой части более уме

стно резервирование. В то же время,

если происходит отказ одного из пе

риферийных модулей, то сервер не

выходит полностью из строя (если,

конечно, отказавший модуль не «под

весил» системную шину), а происхо

дит деградация его функциональных

www.cta.ru

СТА 2/2000

В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА

возможностей в части количества об

служиваемых каналов связи. Если на

время замены модуля мы выключим

питание сервера, то к недовольным

клиентам, подключенным к отказав

шему модулю, добавится множество

новых, подключенных ко всему сер

веру. При этом может прерваться как

несущественный разговор двух при

ятелей, так и доступ в Internet для

компании, которая ничем, кроме тор

говли через Internet, не занимается и

для которой даже кратковременная

потеря связи означает вполне кон

кретные убытки. В условиях конку

ренции телекоммуникационные ком

пании ценят своих клиентов и пред

почитают инвестировать определен

ные средства если уж не в полное ре

зервирование, то хотя бы в «горячую»

замену. В подобных приложениях «го

рячая» замена хотя и не парирует от

казы, подобно системам с резервиро

ванием, зато позволяет во время заме

ны неисправного модуля не отклю

чать функционирующую часть систе

мы, имеющую с этим модулем общий

источник питания.

Существует много стандартных и ча

стнофирменных подходов к вопросу

«горячей» замены, однако возникаю

щие проблемы и пути их решения в ос

новном созвучны. К основным пробле

мам, которые приходится решать при

разработке аппаратуры с функцией

«горячей» замены, можно отнести:

электростатический заряд, носите

лем которого может быть как под

ключаемый к системе элемент, так и

производящий подключение чело

век, может вызывать повреждение

электронных компонентов систе

мы;

некоторые электронные компонен

ты при включении выходят из строя,

если нарушается определенная по

следовательность подачи сигналов

на их входы;

изменение нагрузки при «горячем»

подключении элементов может вы

зывать скачкообразные изменения

питающего напряжения, влияющие

на функционирование системы;

«горячее» подключение элементов

к системной магистрали может вы

зывать нарушение транзакций на

ней;

система должна обладать способно

стью к динамической реконфигура

ции, т.е. вновь устанавливаемые

элементы должны автоматически

заноситься в список системных ре

Рис. 1. Субблоки в стандарте

«Евромеханика»

сурсов, а демонтируемые – удалять

ся из него.

Некорректное решение любой из

этих задач может стать причиной выда

чи ложного управляющего воздействия

на объект управления или выхода из

строя системы.

Далее рассматриваются некоторые

технические решения, позволяющие

разрабатывать типовые элементы за

мены (ТЭЗы), отвечающие требовани

ям систем с «горячей» заменой. Основ

ное внимание при этом уделено аппа

ратным аспектам проблемы. Рассмот

рение ведется на примере 19" конст

руктивов Евромеханика (МЭК 297)

фирмы Schroff, а также изделий фир

www.cta.ru

СТА 2/2000

В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА

мы Advantech. В качестве типового

элемента замены рассматривается мо

дуль, содержащий лицевую панель и

печатную плату с электронными ком

понентами и разъемами. Модули раз

мещаются в вертикальном положении

в субблоках (рис. 1), которые, в свою

очередь, располагаются в электротех

нических корпусах — шкафах или

стойках.

Защита от статического

электричества при извлечении

модуля из субблока

Для эффективного снятия заряда

при извлечении модуля должен быть

обеспечен надежный электрический

контакт:

между рукой оператора и лицевой

панелью модуля;

между лицевой панелью модуля и

металлическими деталями субблока;

между деталями субблока и точкой

подключения защитного заземления

к корпусу шкафа или стойки.

Необходимым условием обеспече

ния электрического контакта между

оператором и лицевой панелью модуля

является рациональный выбор ее ма

териала и покрытия. Фирма Schroff ис

пользует для изготовления лицевых

панелей анодированный алюминий –

материал, обладающий высокой элек

тропроводностью. На это следует об

ратить внимание тем разработчикам,

которые по тем или иным причинам

решают сами изготавливать лицевые

панели: часто изза того, что техноло

гические возможности не позволяют

придать алюминиевым изделиям при

влекательный внешний вид, лицевые

панели покрывают эмалью. Очевидно,

что в этом случае об эффективной эле

ктростатической защите говорить не

приходится.

Меры, принимаемые фирмой Schroff

для создания надежного контакта меж

ду лицевой панелью модуля и металли

ческими деталями субблока, иллюст

рирует рис. 2. Лицевая панель плотно

прижимается к переднему горизон

тальному рельсу субблока винтом, од

нако образованию надежного контакта

препятствует защитная оксидная плен

ка, которой покрыты эти детали. Более

качественное соединение создается

при помощи металлической втулки 7,

запрессованной в лицевую панель 1, и

стальной групповой гайки 5. Причем с

целью улучшения контакта групповой

гайки с корпусом субблока она фикси

руется при помощи заостренного винта

6. Иногда на лицевых панелях устанав

ливаются более дешевые и технологич

ные пластмассовые втулки. В этих слу

чаях для повышения качества контакта

используются пружинные планки с

выступающими заостренными зубца

ми (рис. 3). Электрическое сопротив

ление контакта при этом не превышает

10 2 Ом.

Для обеспечения электрического

контакта между корпусом субблока и

З АЩИТА ОТ СТАТИЧЕСКОГО

ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Одна из часто встречающихся при

чин выхода из строя электронного

оборудования — электростатический

пробой, возникающий в результате пе

редачи статического заряда между по

верхностями с различными потенциа

лами. Носителем статического заряда

может являться человек, производя

щий замену модулей (заряд, накапли

ваемый человеком, может достигать

20 кВ). Не случайно одним из пунктов

испытаний на электромагнитную сов

местимость, которым в обязательном

порядке подвергаются все вновь разра

батываемые приборы и системы, явля

ется испытание на устойчивость к воз

действию электростатического заряда.

В соответствии с ГОСТ Р 2919191

(МЭК 8012) разряд прилагается к сле

дующим испытательным точкам:

винтам крепления внутри и снаружи

электротехнического корпуса;

проводящим поверхностям органов

управления;

лицевым панелям блоков и модулей.

Амплитуда испытательных импуль

сов зависит от назначения и условий

применения изделия. Например, отка

зоустойчивая система, предназначен

ная для использования на железнодо

рожном транспорте и непосредственно

обеспечивающая безопасность движе

ния поездов, должна согласно ГОСТ

5065694 выдерживать без прекраще

ния функционирования воздействие

контактных электростатических заря

дов с амплитудой напряжения импуль

са 4 кВ.

Снятие электростатического заряда

происходит при прикосновении к за

земленной поверхности, в качестве ко

торой в данном случае выступает лице

вая панель модуля. Средства, исполь

зуемые для «сброса» статического заря

да в процессе извлечения модуля из

субблока и его установки в субблок, не

сколько отличаются. Поэтому удобно

рассматривать две стадии замены мо

дуля раздельно.

www.cta.ru

СТА 2/2000

В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА

ESDконтакт

Крепление

пружинного

контакта

Сечение

направляющей

Рис. 5. Направляющая

с ESDконтактом

С ОБЛЮДЕНИЕ НЕОБХОДИМОЙ

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ

ПОДАЧИ ПИТАЮЩИХ

НАПРЯЖЕНИЙ

Часто электронные компоненты, ис

пользуемые в модулях, требуют соблю

дения определенной последовательно

сти подачи сигналов. В частности, если

на информационных входах КМОП

ИС сигналы появятся раньше, чем бу

дет подано питающее напряжение, ми

кросхема может выйти из строя в ре

зультате «эффекта защелкивания» —

переключения в открытое состояние

паразитных биполярных структур, ко

торые образуются во входных и выход

ных КМОПкаскадах. Результатом «за

щелкивания» является появление низ

коимпедансной цепи между шинами

питания, резкое повышение темпера

туры микросхемы и выход ее из строя.

В процессе «горячего» подключения и

отключения платы с КМОП ИС возни

кает типичная ситуация, провоцирую

щая «защелкивание». Соедине

ние/разъединение сигнальных цепей и

цепей питания происходит в случай

ном порядке, зависящем от многих

факторов: от угла, под которым встав

ляется/извлекается плата, от наличия

микродефектов, степени загрязненно

сти контактов разъема и т.д. Очевид

ным решением проблемы предотвра

щения «защелкивания» является ис

пользование для подключения пита

ния отдельных разъемов с удлиненны

ми контактами.

Условные обозначения:

1 лицевая панель модуля;

2 – направляющая;

3 – ESDконтакт;

4 – пружинный контакт;

5 – групповая гайка;

6 – винт;

7 – втулка

Рис. 2. Обеспечение контакта между

лицевой панелью модуля и деталями

субблока

контуром заземления фирма Schroff

предлагает использовать специальные

шины и клеммы, показанные на рис. 4,

а также комплекты проводов

(GND/earthing kits).

Условные обозначения:

1 – медная шина;

2 – заземляющий проводник

субблока;

3 – клемма;

4 – монтажный блок;

5 – держатель 19” панелей

Рис. 4. Обеспечение контакта между

контуром заземления и корпусом

субблока

Защита от статического

электричества в процессе

установки модуля в субблок

В процессе установки в субблок но

вого модуля необходимо избавиться от

электростатического заряда раньше,

чем произойдет соединение ответных

частей разъемов. Для выполнения этого

требования описанных средств недо

статочно. В субблоках фирмы Schroff

задача решается за счет использования

антистатических пружинных контактов

4 (рис. 2) и скользящих ESDконтактов

(ESD — ElectroStatic Discharge con

tacts). ESDконтакты размещаются на

направляющих субблока и соединяют

ся с его заземленными металлическими

частями. Внешний вид ESDконтакта

показан на рис. 5, а принцип его рабо

ты ясен из рис. 6. Вдоль нижнего края

печатной платы модуля должна распо

лагаться металлизированная полоса,

состоящая из трех сегментов. Передний

сегмент должен быть электрически со

единен с лицевой панелью. В процессе

перемещения платы по направляющей

сегменты поочередно соприкасаются с

ESDконтактом. При этом происходит

раздельный сброс электростатического

заряда с передней панели (и, следова

тельно, держащего ее оператора) и це

пей питания модуля.

Расстояние между

сегментами должно

быть достаточным,

чтобы предотвратить

замыкание их между собой

через ESDконтакт. Резисторы

R1 и R2, сопротивление которых

должно быть в пределах 12 МОм, слу

жат для ограничения тока.

Рис. 3. Использование пружинных

планок

Рис. 6. Использование ESDконтакта

www.cta.ru

СТА 2/2000

В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА

Рис. 9. Использование контактов

предварительной зарядки

для цепей «GND» (0 В, «земля») и

«5V» (5 В).

Рис. 7. Вариант размещения

дополнительного разъема

П РЕДОТВРАЩЕНИЕ « БРОСКОВ »

ПИТАЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Удлиненные контакты обеспечивают

решение еще одной проблемы: в про

цессе «горячей» замены конденсаторы

подключаемого «холодного» модуля

заряжаются стремительно нарастаю

щим током, протекающим через кон

такты питания. Если в модуле нет спе

циальных схем для ограничения этого

тока, то его величина определяется ис

ключительно сопротивлением и ин

дуктивностью печатных проводников.

Наиболее простое решение, осно

ванное на использовании удлиненных

контактов разъема, показано на рис. 9.

Удлиненные контакты, или контакты

CPC (Card Precharge Connector —

предварительная зарядка платы) со

единены с контактами питания через

токоограничивающий резистор. В

процессе «горячей» замены контакты

СРС соединяются с противостоящими

им контактами субблока раньше, чем

замыкается цепь питания. В течение

того времени, когда замкнутыми ока

зываются только цепи CPC (это время

называют временем предварительной

зарядки платы), начальный всплеск

тока ограничивается сопротивлением

резистора R CPC . Этот резистор, сопро

тивление которого должно быть не

меньше 10 Ом, сводит к минимуму на

чальный бросок напряжения. После

того как заменяемая плата займет свое

место в субблоке и контакты питания

надежно соединятся со своими ответ

ными частями, резистор R CPC окажет

ся зашунтированным. В этот момент

конденсатор C L уже будет заряжен до

уровня, близкого к номиналу питаю

щего напряжения U СС .

Более корректный и вместе с тем бо

лее дорогой вариант этого решения ос

нован на использовании диодной раз

вязки. Контакты СРС запитываются от

дополнительного источника и соеди

Например конструкция субблоков

Schroff позволяет, как это показано на

рис. 7, разместить дополнительный

разъем между двумя основными, за

крепив его на среднем поперечном

рельсе (это относится к субблокам вы

сотой 6U и более). Однако данное ре

шение требует тщательной конструк

торской проработки и не всегда приме

нимо.

Другое, более технологичное реше

ние используется в системах с шиной

CompactPCI, в частности, в компью

терах MIC3000 фирмы Advantech.

Для подключения модулей к кросс

плате (backplane) применяются пяти

рядные разъемы IEC10764101, раз

работанные компанией Siemens для

телекоммуникационных приложений

(рис. 8). В блочной части разъема, раз

мещаемой на кроссплате, имеются

три типа контактов: нормальной дли

ны, удлиненные и укороченные, что

позволяет задавать необходимую по

следовательность подключения сигна

лов. В качестве другого примера ис

пользования удлиненных контактов

для «горячего» подключения можно

привести устройства с интерфейсом

PCMCIA (Personal Computer Memory

Card International Association), или PC

Card. Компьютеры, предназначенные

для подключения карточек с интер

фейсом PC Card, снабжаются 68кон

тактными разъемами (male) с шестью

удлиненными контактами – по три

Рис. 8. Кроссплата Compact PCI

www.cta.ru

СТА 2/2000

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: