РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ДЛЯ СЕТЕВОГО КОММУТАТОРА

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к технике связи и может использоваться для минимизации несанкционированного отключения электропитания сетевого коммутатора, подключенного в распределитель электропитания в телекоммуникационных шкафах северных и ЦОД (центрах обработки данных).
Уровень техники
В патенте US 8635484 описана система, которая позволяет определять, в какой порт распределителя электропитания подключено оборудование. Это осуществляется сопоставлением времени изменения величины тока в розетке и соответствующему времени наступления события, связанного с единицей оборудования (например, включения), подключенного в порт электропитания.
Современные распределители электропитания (PDU - Power distribution unit), оборудованные сетевым интерфейсом для управления и/или получения информации об энергопотреблении, обладают точностью измерения тока на каждой выходной розетке ±1% или минимум 100 mA при токе PDU 10А и 160 mA для PDU 16А. Типичным представителем PDU 10 А может служить ATEN РЕ8108 (https://www.aten.com/global/en/products/energy-intelligence-pduupsracks/rack-pdu/pe8108/). Система, описанная в патенте US 8635484, прекрасно определит, к какой розетке подключен производительный сервер. Но помимо серверов в ЦОД и серверных применяются сетевые коммутаторы (network switch), которые тоже подключают в PDU, например, широко распространенный Ethernet коммутатор Cisco WS-C2960-24TC-S. Кроме того, в телекоммуникационной стойке (шкафу) может быть установлен и подключен к PDU коммутатор D-Link DES-1100-24.
Самые распространенные на рынке сетевые коммутаторы подключаются к электропитанию с помощью вилки на 100-220 В (стандарты IE С С14, NEMA 5-15, СЕЕ 7/4 и т.д.). Розетка соответствующего типа размещена на PDU. Производятся PDU, способные измерять ток на каждой своей розетке, но точность измерения соответствует классу 1 (IEC 62053-21). PDU с классом точности по стандарту IEC 62053-22 отсутствуют. При этом даже PDU класса точности 1 в случае с коммутатором D-Link DES-1100-24 будет недостаточно, чтобы понять, в какую розетку PDU включен этот коммутатор. И при осуществлении коммутации разъемов электропитания высока вероятность, что сетевой коммутатор может быть не санкционировано отключен.
Сущность полезной модели
Задачей настоящей полезной модели является разработка такого распределителя электропитания, который уменьшает вероятность несанкционированного отключения электропитания сетевого коммутатора от розетки упомянутого распределителя электропитания.
Для достижения указанного технического результата предлагается распределитель электропитания, содержащий ввод электропитания; розетки электропитания для подключения оборудования; микропроцессор; сетевой интерфейс, обеспечивающий передачу данных от микропроцессора; розетку с токовым датчиком, который изменяет свой выходной сигнал, воспринимаемый микропроцессором, при изменении силы тока, протекающего через эту розетку с токовым датчиком; отличающий тем, что упомянутый датчик изменяет сигнал в такой степени, что оцифрованный сигнал этого датчика, воспринимаемый микропроцессором, при токе через соответствующую ему розетку 20 миллиампер и выше отличается от оцифрованного сигнала этого датчика, воспринимаемого микропроцессором, при токе через упомянутую розетку ниже 20 миллиампер.
Для повышения помехоустойчивости и чувствительности токовый датчик розетки может содержать две катушки индуктивности, расположенные и соединенные последовательно таким образом, что модуль величины ЭДС, возникающей под действием магнитного поля от тока, протекающего через соответствующую датчику розетку, этих последовательно соединенных катушек, больше, чем модуль величины ЭДС от этого же тока на выводах любой из двух катушек в тот же момент времени.
С этой же целью датчик может содержать две катушки индуктивности, расположенные и соединенные последовательно таким образом, что модуль величины ЭДС, возникающей под действием магнитного поля электромагнитных помех, последовательно соединенных этих двух катушек, меньше, чем модуль величины ЭДС от этого же магнитного поля электромагнитных помех на выводах любой из упомянутых катушек в тот же момент времени.
Дополнительно распределитель электропитания может содержать дифференциальный усилитель, воспринимающий ЭДС, возникающую на последовательно соединенных упомянутых катушках.
И, наконец, распределитель электропитания может содержать световой индикатор, соответствующий упомянутой розетке с токовым датчиком, и микропроцессор изменяет мощность светового излучения этого индикатора на основании команд, воспринятых микропроцессором через сетевой интерфейс.
Подробное описание полезной модели
Ток Ethernet коммутатор Cisco WS-C2960-24TC-S при загрузке не превышает 78 мА. D-Link DES-1100-24 в момент загрузки и самотестирования потребляет 20 мА, а затем при отсутствии обмена данными и одном Ethernet соединении 16 мА.
Для реализации PDU по настоящей полезной модели требуется устройство, содержащее розетки электропитания для раздачи электропитания на оборудование от входящей линий электропитания, микропроцессор с «обвязкой», сетевой интерфейс передачи данных. При этом по крайней мере одна из розеток должна иметь датчик, который позволяет определить, что через данную розетку протекает ток меньший или равный 20 мА. Сигнал упомянутого датчика обрабатывается микропроцессором (MCU).
Если коммутатор D-Link DES-1100-24 включить в розетку с датчиком, то микропроцессор может определить, что через эту розетку протекает ток. MCU через сетевой интерфейс (Ethernet или RS485) может передать информацию о возникновении электрического тока (можно с меткой времени) на конкретной розетке в систему управления сетью (network managment system - NMS), например, Zabbix. В реальной работоспособной системе сетевой коммутатор (свитч) хотя одним портом (на самом деле минимум парой, чтобы осуществлять свою функцию коммутации сигналов передачи данных) соединен с корпоративной сетью. В момент времени, близкий к моменту подачи электропитания на коммутатор, сетевой интерфейс коммутатора установит сетевое соединение. При этом NMS станет доступен, по крайней мере, МАС-адрес коммутатора (обычно еще и IP-адрес), а по МАС-адресу легко идентифицировать сам коммутатор. Сопоставив время срабатывания датчика тока и время установки соединения коммутатором, можно получить промежуточный дополнительный технический результат, определив, в какую розетку PDU подключен коммутатор.
В другом варианте при запуске коммутатора NMS может получить SNMP сообщение «Cold start» (SNMP Trap) с IP-адресом коммутатора. Опять же можно сопоставить время в SNMP сообщении с временем срабатывания датчика тока. Кроме того, события поднятия портов или «Cold start» с меткой времени с точностью до миллисекунды можно почерпнуть из логов коммутатора.
Если PDU содержит только две розетки для подключения оборудования, то датчиком тока можно оснастить только одну розетку и отслеживать коммутацию оборудования во вторую розетку (если в телекоммуникационном шкафу только один PDU) методом исключения. И даже если розеток в PDU больше, то наличие датчика тока хотя бы у нескольких позволит уменьшить вероятность несанкционированного отключения коммутатора. Но оптимально, конечно, если все розетки PDU оснащены датчиками тока.
С одной стороны PDU должны обеспечивать достаточно большой ток, обычно 10 или 16 А. С другой стороны необходимо фиксировать наличие в розетке вплоть до 20 мА, а лучше и меньшие величины. Таким образом, даже применение в PDU измерительных устройств класса точности 0.2 не обеспечит для 16 А нужной разрешающей способности датчика тока. Но и для 10 А такая точность измерений будет неоправданно дорога, потому что требует или дорогих калиброванных тороидальных трансформаторов, или калиброванных шунтов с термокомпенсацией, или специализированных микросхем с датчиком Холла.
Следовательно, оптимальным будет применение специальных недорогих схемотехнических решений, что позволит обеспечить дополнительный технический результат: снижение себестоимости PDU, с помощью которого можно определить, в какую из его розеток подключен сетевой коммутатор.
Одним из вариантов может быть использование не калиброванного шунта без термокомпенсации или не калиброванной тороидальной катушки индуктивности без термокомпенсации. Их сигналы, обработанные недорогим усилителем напряжения на ОУ (операционном усилителе), например, LM358, и переданные на встроенный АЦП MCU не позволят точно измерить протекающий через розетку ток, но позволят качественно понять, что через розетку ток протекает.
Еще один вариант датчика может содержать катушку индуктивности с сердечником из ферромагнетика, припаиваемую на печатную плату так, что витки катушки были практически параллельны плоскости печатной платы. Пример такой катушки Sumida RCH895NP-473K (47 мГн). Если практически параллельный печатной плате проводник с током, идущий к соответствующей датчику розетке, разместить вплотную к виткам катушки, то даже ток в 20 мА вызовет в катушке ЭДС в несколько милливольт. Фактически, такую величину напряжения можно измерять непосредственно средствами АЦП MCU без усиления, например, с помощью 12-битного АЦП серии STM32. Проводник рядом с катушкой может быть медным или алюминиевым проводом, квадратной металлической шиной или многослойной печатной платой.
Следует понимать, что внутри PDU могут протекать достаточно большие токи, способные вызвать на описанной выше одиночной катушке большие помехи. Поэтому возможны ложные срабатывания датчика тока. Для их исключения на Фиг. представлен другой вариант датчика. Идентичные катушки индуктивности 1 и 2, например, RCH895NP-473K, расположены как можно ближе друг к другу, но так чтобы между ними можно было разместить проводник 3, через который идет ток соответствующей датчику розетки. Ток провода 3 наводит в катушках 1 и 2 ЭДС. Выводы катушки можно дорожками 4 печатной платы соединить так, чтобы возникающие в катушках ЭДС складывались. И так как магнитное поле тока проводника 3 для катушек 1 и 2 имеет разное направление, то при таком соединении выводов катушек магнитное поле от внешней помехи, имеющее для катушек одно направление, будет вызывать ЭДС, которое будет вычитаться. Таким образом, влияние помехи будет сильно уменьшено перед подачей сигнала на обработчик сигнала 5: усилитель или АЦП. Для согласования волнового сопротивления не соединенные между собой напрямую выводы катушек (на Фиг. 1 нижние для катушек 1 и 2) могут быть соединены через резистор или конденсатор.
Для еще большего уменьшения влияния помехи с описанным выше дифференциальным включением катушек можно применить классическую схему дифференциального усилителя на одном или трех ОУ. Таким образом синфазная помеха будет еще уменьшена. Для устранения нежелательного влияния высокочастотных дифференциальных помех (от ВЧ токов в проводнике 3) в схеме на ОУ можно использовать RC-фильтры.
Кривизна проводника 3 на Фиг. 1, охватывающего катушки, позволяет увеличить магнитный поток от проводника 3, проходящий через витки катушек 1 и 2.
Если к розетке PDU идут два отдельных провода (ноль и фаза), то одну из катушек можно установить возле одного провода, другую - у другого. Но важно их установить так, чтобы ЭДС в катушках от проводов розетки была дифференциальной, а помеха - синфазной. И катушки разместить близко друг от друга, чтобы магнитное поле помехи было почти одинаковым для обеих катушек.
Еще уменьшить вероятность несанкционированного отключения электропитания сетевого коммутатора от розетки PDU можно, если оснастить розетки PDU световыми индикаторами (лампочка накаливания или светодиод), которые изменяют мощность своего светового излучения, используя информацию, полученную через сетевой интерфейс PDU. Помимо NMS в корпоративных сетях используют системы технического учета (СТУ), например, «СДИ Базис», Patch Manager, Netbox. При осуществлении коммутаций разъемов в СТУ можно задавать карту заданий для персонала. Перед отключением электропитания коммутатора, зная, в какую розетку PDU он подключен, можно передать номер розетки в SMS или отобразить PDU на экране смартфона в браузере, обозначив нужную розетку. Но исполнитель может просто не правильно посчитать номер розетки, и выдернуть вилку не того устройства, которое может быть другим коммутатором. Лучшим вариантом будет передать из СТУ на PDU через сетевой интерфейс и MCU команду подсветить индикатором конкретную розетку прямо рядом с нужной вилкой. Вероятность ошибки уменьшится существенно, скорее всего в разы.
Хотя настоящая полезная модель описана со ссылками на конкретные варианты его осуществления, специалистам ясно, что эти иллюстративные примеры, в которых можно сделать различные модификации, не ограничивают объема полезной модели, определяемого только прилагаемой формулой полезной модели.