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28.08.2017

Modulare Stromversorgungssysteme in industriellen Anwendungen

Die Bedeutung der Begriffe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit im Zusammenhang mit modularer Technologie.

ENERTRONIC modular SE, 40 kW Modul
ENERTRONIC modular SE, 40 kW Modul

Modulare Stromversorgungs- und Wandlertechnologien werden bereits seit vielen Jahren erfolgreich in verschiedenen Marktsegmenten (z. B. Medizin oder Telekommunikation) eingesetzt. Auch im Bereich der Computertechnik und Softwareentwicklung ist das Prinzip der Modularität schon lange Zeit ein wichtiger Bestandteil, da die Verwendung vorgefertigter Softwarebausteine bei der Erstellung eines neuen Systems erhebliche Zeiteinsparungen ermöglicht. In industriellen Anwendungen hingegen hat sich die Modularität bisher nur sehr langsam verbreitet. Eine Entwicklung, die zum Teil auf ein begrenztes Wissen über die Bedeutung und Funktion sogenannter „ilities“ zurückzuführen ist.

USV-System in modularer Einschubtechnik mit voneinander unabhängigen und eigenständigen USV-Modulen / Unterbrechungsfreier und einfacher Modultausch durch Hot-Plug-Technologie
USV-System in modularer Einschubtechnik mit voneinander unabhängigen und eigenständigen USV-Modulen / Unterbrechungsfreier und einfacher Modultausch durch Hot-Plug-Technologie

Der Begriff „ilities“ findet vor allem im englischen Sprachraum häufige Verwendung und beschreibt die an ein System gestellten Qualitätsmerkmale wie Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit, Skalierbarkeit, Flexibilität und Wartbarkeit.
Im zweiten von fünf Artikeln stehen die „ilities“ Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit im Fokus. Wir betrachten dazu im Detail die technischen und mathematischen Hintergründe und erläutern, wie beide Begriffe im Zusammenhang mit der zunehmend verbreiteten modularen Technologie stehen.
Bevor auf die Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit eingegangen wird, definieren wir sie zunächst wie folgt: Zuverlässigkeit ist eine Eigenschaft, die angibt, wie verlässlich die Funktion eines technischen Produktes oder Systems in einem bestimmten Zeitraum erfüllt wird.
Die Verfügbarkeit bezieht sich auf die Wahrscheinlichkeit, dass ein technisches Produkt oder System bestimmte Anforderungen in einem bestimmten Zeitraum erfüllt.
Beide Definitionen scheinen sehr ähnlich zu sein und daher in einer engen Beziehung zueinander zu stehen. Bei genauerer Betrachtung fällt jedoch auf, dass sie einige feine Unterschiede aufweisen – und eben diese Unterschiede zwischen den Begriffen führen zu Missverständnissen, wenn diese nicht bekannt sind.

Auch wenn es zunächst so scheint, ist die Zuverlässigkeit nicht der wichtigste Faktor beim Design und Betrieb von USV-Systemen. Letztere müssen Tag für Tag jede Sekunde verfügbar sein, weswegen eine maximale Systemverfügbarkeit das übergeordnete Ziel darstellt. Sowohl die verwendete Technologie als auch die Konfiguration können die Verfügbarkeit erheblich beeinträchtigen.

Bedeutung der Zuverlässigkeit

Jedes mechanische oder elektrische System, das jemals erfunden wurde, wird nach längerem Betrieb irgendwann versagen.
Diese Wahrscheinlichkeit ist bekannt als Ausfallrate eines Systems und wird in der Zuverlässigkeitstechnik mit λ (Lambda) ausgedrückt. Wenn λ die Wahrscheinlichkeit angibt, dass ein System ausfällt, so beschreibt 1/λ die Wahrscheinlichkeit, dass ein System nicht ausfällt. Da jedes System zu irgendeinem Zeitpunkt ausfällt, kann λ niemals 0 % sein und die Zuverlässigkeit des Systems kann niemals 100 % betragen.

Prozentuale Wahrscheinlichkeiten sind für die meisten von uns schwieriger zu verstehen als konkrete Zeitangaben. Aus diesem Grund ist es einfacher, die Zuverlässigkeit eines Systems als die durchschnittliche Anzahl von Stunden zu betrachten, die bis zum Zeitpunkt eines Ausfalls vergehen. Dieses Maß an Zuverlässigkeit wird auch als Mean Time Between Failures (MTBF) bezeichnet. Es gilt also:

MTBF = 1/λ

Die ausschließliche Verwendung der MTBF-Zahlen zur Abschätzung der ausfallfreien Systemlaufzeit kann jedoch irreführend sein. Zum Beispiel wurde 2013 im Rahmen einer Versicherungsstudie ermittelt, dass ein 30-jähriger Mann mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,1467 % innerhalb eines Jahres sterben würde.
Wendet man diesen Prozentsatz auf die obige MTBF-Gleichung an, so ergibt sich folgende Lebenserwartung:

MTBF = 1/λ = 1/0,1467 = 681 Jahre

Die Tatsache, dass in der heutigen Zeit kein 30-jähriger Mann eine Lebenserwartung von 681 Jahren hat, zeigt auf, wie irreführend die Zuverlässigkeitsstatistik sein kann, wenn sie isoliert verwendet wird.

Das USV-System ist skalierbar und kann mit Ihren Anforderungen wachsen
Das USV-System ist skalierbar und kann mit Ihren Anforderungen wachsen

Bedeutung der Verfügbarkeit

Wenn die Verfügbarkeit die Wahrscheinlichkeit meint, dass ein System dann arbeitet, wenn es erforderlich ist, müssen wir einen weiteren Faktor berücksichtigen – und zwar wie lange es dauert, bis das System nach vollständigem Ausfall in den vollen Betrieb zurückkehrt. Mit anderen Worten wie lange es dauert, ein System vollständig zu reparieren. Diese „Reparaturzeit“ wird typischerweise als Mean Time To Repair (MTTR) bezeichnet und ergibt zusammen mit der MTBF folgende Verfügbarkeitsgleichung:

Verfügbarkeit = MTBF/(MTBF + MTTR)

Anhand dieser Gleichung können wir erkennen, dass bei einer MTTR von 0 Stunden die Systemverfügbarkeit bei 100 % liegt und unabhängig von der MTBF des Systems zu betrachten ist. Daraus folgt, dass zur Maximierung der Verfügbarkeit eine Minimierung der MTTR des Systems erforderlich ist.

Wir können also festhalten, dass eine niedrige MTTR die Verfügbarkeit von zuverlässigen Systemen erhöht.
Generell gilt, dass bei gleicher MTTR zweier Systeme das System mit der höheren MTBF verfügbarer ist als das System mit der niedrigeren.

Beispiele: Zuverlässigkeit vs. Verfügbarkeit

Erinnern Sie sich noch an die drei modularen USV-Topologien, die im ersten Artikel „Modularität“ unserer Reihe diskutiert wurden? Dabei kam es zu einer Differenzierung zwischen den Systemtopologien „Traditionelle Monoblock-Systeme“, „Modulare Block-Architektur“ und „Modulare Einschubtechnik“.

Wir werden nun die jeweiligen MTBFs und MTTRs dieser Topologien untersuchen, um festzustellen, welche Auswirkungen die verschiedenen Topologien auf die Systemzuverlässigkeit und vor allem auf die Systemverfügbarkeit haben.
Um den Schutz kritischer Lasten zu maximieren, soll folgendes vorausgesetzt werden:

  1. Alle USV-Module besitzen ein hochqualitatives, industrielles Design.
  2. Die Systeme werden ordnungsgemäß, in Übereinstimmung mit den Herstellerempfehlungen gewartet und in Stand gehalten.
  3. In allen drei Beispielen beträgt die kritische Last 120 kVA.
  4. Alle drei Systeme sind parallel-redundante (n+1) USV-Anlagen.

Traditionelles Monoblock-System

In dieser Topologie umfasst das parallelredundante System zwei getrennte USVMonoblock- Systeme, die die kritische Last (n+1 = 1+1) versorgen. Die Anzahl der Systemkomponenten ist daher doppelt so groß wie die einer nicht-modularen USV-Lösung.

Eine steigende Anzahl von Systemkomponenten geht einher mit einer höheren Ausfallwahrscheinlichkeit. Da das System jedoch parallel-redundant ist, wird ein Komponentenfehler in einem der USV-Schränke die kritische Last nicht dem Stromversorgungsnetz aussetzen und führt daher nicht zu einem Systemfehler. Wir haben daher ein sehr zuverlässiges und nehmen für das folgende Beispiel an, dass eine MTBF von 800.000 Stunden vorliegt.

Da die Systemkomponenten (PCBs, IGBTs etc.) in dieser Topologie jedoch separat in den USV-Schränken untergebracht sind und daher gesondert aus dem USV-System entfernt und/oder hinzugefügt werden müssen, ist es erforderlich, alle Komponenten vor Ort einzeln zu ersetzen. Dies bedeutet, dass die MTTR dieser Topologie die höchste der drei Topologien ist. Nehmen wir für diese einen Wert von acht Stunden an, so ergibt sich für die Systemverfügbarkeit folgende Gleichung:

MTBF/(MTBF + MTTR)
= 800.000/(800.000 + 8)
= 800.000/(800.008)
= 99.999 % (oft auch als „fünf Neuner“ Zuverlässigkeit bezeichnet)

Modulare Block-Architektur

Wie bei der herkömmlichen Monoblock-Topologie besteht diese parallel-redundante Systemkonfiguration aus zwei getrennten USV-Anlagen (n+1 = 1+1), die die kritische Last versorgen und deren Anzahl an Systemkomponenten doppelt so hoch wie die einer einzigen USV-Lösung ist. Ebenso nehmen wir an, dass die MTBF des Systems wie im vorherigen Beispiel bei 800.000 Stunden liegt.

Da die Systemkomponenten (PCBs, IGBTs etc.) bei einem modularen Blocksystem in verschiedene Baugruppen aufgeteilt sind, die sich leichter austauschen lassen als einzelne Komponenten, ist die MTTR hier niedriger und liegt z. B. nur bei vier Stunden – nicht wie bei der Anlage vorher, wo die einzelnen Bauteile nach acht Stunden getauscht werden müssen. Also haben wir folgende Gleichung:

MTBF/(MTBF + MTTR)
= 800.000/(800.000 + 4)
= 800.000/(800.004)
= 99.9995 %

Dies zeigt, dass mit einer Reduzierung der MTTR eine signifikante Verbesserung der Systemverfügbarkeit einhergeht.

USV-System-Design als DPA (Decentralised Parallel Architecture) - ein Single Point of Failure ist aufgrund der vollständigen Redundanz nicht vorhanden.
USV-System-Design als DPA (Decentralised Parallel Architecture) - ein Single Point of Failure ist aufgrund der vollständigen Redundanz nicht vorhanden.

 

Zur Einstufung der Verfügbarkeit eines Rechenzentrums hat das US-amerikanische Uptime Institut die s.g. „Tier- Klassifizierung“ als weltweiten Standard eingeführt. Dieser ist Teil der TIA-942 (Telecommunications Infrastructure Standard for Data Centers) und kann sowohl auf einzelne Systeme wie z.B. Klimageräte oder USV/UPS als auch auf das gesamte Rechenzentrum angewendet werden.

Tier I steht für eine Verfügbarkeit von 99,67 % mit einer jährlichen Ausfallzeit von 28,8 Stunden, Tier II für eine Verfügbarkeit von 99,75 % mit einer jährlichen Ausfallzeit von 22 Stunden, Tier III für eine Verfügbarkeit von 99,982 % mit einer jährlichen Ausfallzeit von 1,6 Stunden – und Tier IV entspricht einer Verfügbarkeit von 99,995 %, was eine jährlichen Ausfallzeit von 0,8 Stunden bedeutet.

Während die Stufen Tier I und II bei herkömmlichen PC-Arbeitsplätzen und Office-Servern vorzufinden sind, ist eine Verfügbarkeit der Stufe Tier III für prozesskritische Anwendungen im Industriebereich nahezu unumgänglich. Voraussetzung hierfür ist die n+1 Redundanz. Das Optimum (Stufe IV) wird bei jenen Unternehmen benötigt, die an 365 Tagen im Jahr rund um die Uhr Dienstleistungen erbringen – z.B. Rechenzentren aus dem Finanzsektor. Hier sind alle Komponenten und Leitungswege 2n+1 redundant aufgebaut, damit Single Points of Failure voll und ganz vermieden werden.

ENERTRONIC modular SE, 40 kW Modul der IT-Serie
ENERTRONIC modular SE, 40 kW Modul der IT-Serie / USV-System der IT-Serie mit ENERTRONIC modular SE Modulen

Modulare Stromversorgungssysteme

Zur Einstufung der Verfügbarkeit eines Rechenzentrums hat das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (kurz: BSI) eine Einteilung in sechs Verfügbarkeitsklassen (VK) vorgenommen.

Ab VK 4 liegt eine Höchstverfügbarkeit von 99,999 % vor, wie wir sie mit der Gleichung zum traditionellen Monoblock-System berechnet haben. Diese Verfügbarkeitsklasse erlaubt nur noch ganz geringe Unterbrechungen, welche in der Nutzung kaum feststellbar sind.

Das Resultat eines parallel-redundanten Systems, wie es in vielen prozesskritischen Anwendungen des Industriebereiches vorzufinden ist. Selbiges empfiehlt sich aber vor allem für Finanzkonzerne, deren Rechenzentren an 365 Tagen im Jahr rund um die Uhr störungsfrei funktionieren müssen.

Modulare Einschubtechnik

In dieser Topologie haben wir aus Gründen, die in den Kapiteln „Skalierbarkeit“, „Flexibilität“ und „Wartbarkeit“ noch erläutert werden, vier parallel-redundante 40 kW Module ausgesucht, die eine kritische Last versorgen. Da die Anzahl der Systemkomponenten um ein vielfaches höher ist als die einer einzigen USV-Lösung, müssen wir davon ausgehen, dass die MTBF des Systems niedriger ist als die eines Monoblock- und Modulbausteinsystems. Wir wollen für unsere bevorstehende Gleichung von 500.000 Stunden ausgehen.

Da jedes USV-Modul in dieser Topologie ein vollständiges und voll funktionsfähiges Stromversorgungssystem darstellt, das in weniger als zehn Minuten im laufenden Betrieb des Gesamtsystems ausgetauscht werden kann („hot-swapped“, siehe Modularitätsartikel), liegt die MTTR bei einem sehr beeindruckenden Wert von 0,17 Stunden.

Für die Systemverfügbarkeit gilt also:
MTBF/(MTBF + MTTR)
= 500.000/(500.000 + 0.17)
= 500.000/(500.000,17)
= 99,99996% (häufig auch als „sechs Neuner“ Zuverlässigkeit bezeichnet)

Dieses beweist, dass eine Minimierung der MTTR eine signifikante Verbesserung der Systemverfügbarkeit zur Folge hat – unabhängig davon, ob die MTBF des Systems verringert wurde.

Fazit: Modulkonfiguration nutzen

Alles in allem lässt sich festhalten, dass die Verfügbarkeit das wichtigste Merkmal eines Stromversorgungssystems darstellt. Wie hoch diese ist, das hängt maßgeblich von der Zuverlässigkeit der verwendeten Module ab. Noch wichtiger ist jedoch deren Topologie und die Art und Weise, wie die Module konfiguriert sind.

Die parallel-redundante Modulkonfiguration erhöht die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der Stromversorgung für die kritische Last und sollte daher so weit wie möglich genutzt werden. Modulare Einschubtechnik hingegen maximiert die Systemverfügbarkeit. Im nächsten Artikel der fünfteiligen Reihe „ilities“ soll zum einen das Thema Skalierbarkeit diskutiert werden. Zum anderen werden wir uns der Fragestellung widmen, wie eine modulare Topologie die Investitionsausgaben für längerfristige Anlagegüter (CapEx) und die Betriebskosten eines Stromversorgungssystems (Opex) minimieren kann.

Weitere Informationen

Autor/Kontakt: Alexander Prömel
Telefon: +49 2871 93 238
E-mail: a.proemel@benning.de

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