服务器系统双电源自动切换的保护与监控系统设计

袁 霏,蒋天翔,李继松,芮彬词

(1.南通职业大学 电子信息工程学院,江苏 南通 226000;2.科德宝宝翎衬布(南通)有限公司,江苏 南通 226000)

印染工厂车间正常生产的过程中,物料的信息由一套完备的SAP服务系统控制,物料的代码、数量以及在制品的货号等都录入系统中,这些对于生产、销售等部门至关重要。但是服务器的运行需要持续稳定的供电系统,遇到电压波动或者雷电断电,服务器就会宕机,需要很长的时间重启恢复。同时再次送电后需要总服务器系统重启命令,这里存在6 h的时差。因此服务器故障就会持续很长时间,生产车间不能正常使用SAP系统,会给整个工厂运行带来较大损失。现在急需一种能够过滤这种电压的波动且成本低的装置,能让服务器最大限度稳定运行。

目前国内外对于工厂供电系统主要依据负载的重要性程度考虑方案,一般工厂的双电源供电系统还只能在现场的配电间进行操作与状态观察。当发生一路电源紧急故障时,另一路电源还需要现场人员手动操作完成,这样很不利于管理。随着工厂内电源稳定性要求的提高,部分服务器系统关系到生产的正常运行。因此需要对重要的负载设备进行双路电源供应,同时在两路电源均故障时,能够及时响应并发送通知给维护人员,做到人为缓冲关闭服务器或及时恢复电源供电[1]。

1 总体设计

服务器需要一直保持持续不间断供电状态,不可出现1 s的电压波动或丢失。如果给服务器供应双电源系统,在A电源向B电源切换的时候会出现瞬间停电状态,大约2 s的间隙。双电源自动切换开关无法做到不间断切换模式,否则成本代价很高。因此在双电源开关输出回路上考虑增加一个UPS供应模块作为过渡桥,来解决切换时2 s断电间隙问题。

如图1所示,为服务器设计的电源控制柜采用两个独立电源进入方式,一用一备。当正常使用电源丢失时,双电源开关将自动切换至另一路备用电源。双电源开关具备简单的控制输出和液晶显示状态功能,同时搭载485通信功能。电柜里还增加了远程监控模块,其具备网关功能,可以连接现场无线WiFi信号,发送双电源开关数据给手机客户端[2]。管理员通过手机APP软件可以查看当前双电源开关电柜的运行状态,即服务器的运行电流、电压以及开关位置状态。如果主电源发生电源故障,手机将会收到监控模块推送的电源报警信息,同时搭载的UPS电源自动向服务器供电,直到主开关切换至备用电源。如果当两路电源同时发生故障时,UPS也会向服务器提供至少2 h的工作电源,从而保证工作人员在接到报警信息后,有充足的时间对服务器系统进行正常关机准备或恢复至少一路的供电能力。

2 硬件设计

2.1 双电源自动切换开关

电源控制柜使用CAP3-125/4IN II型自动切换开关组件,它主要用于50/60 Hz,额定工作电压在AC230/400 V的电源系统,当一路电源发生异常而进行电源之间的切换,保证其供电的连续性和可靠性。

图1 服务器双电源供应架构

如图2所示,双电源开关分为执行结构和液晶显示单元。开关的上端分别有主电源和备用电源的三项四线接入端子,下方为一路三相四线的负载输出端子。左侧的旋转箭头状态指示此时开关在常用主电源位置,右侧的旋转拨动开关指示在自动位置[3]。

图2 双电源切换开关

液晶显示屏中,操作按钮选择工作模式为“自投自复”模式,即当备用电源正常时,如果常用主电源发生故障,则经过设定的转换动作延时时间t1自动换接至备用电源。而当常用电源恢复正常后,则经过设定的返回转换延时时间t2从备用电源自动切换至常用电源。在切换的过程中,随着指示灯闪烁和箭头的旋转可以很明显看出开关的状态变化。操作人员也可以将旋转拨动开关切换到手动模式,且无关人力操作,仅是按钮选择,保证操作者的安全。通过电磁兼容,可应对频繁转换及各种恶劣环境的使用[4]。

2.2 远程监控报警设备

为了能够及时发现双电源开关的动作情况,在系统中增加了网关报警模块。采用MNGate301模块,它具备4G和WiFi以太网等网络接入功能,自适应端口强。同时自带RS485和RS232串口接入功能,满足不同的硬件模块通信口连接,可支持数据采集功能和PLC远程上下载程序[5]。

如图3所示,双电源开关自带有RS485通信接口,通过两线制连接至网关模块的485接口,采用MODBUS协议通信获取双电源模块的实时状态数据。为了保证无线网关模块在没有备用电源的情况下仍然能够发送报警信息,在双电源开关的负载电源上设计增加小型UPS电源并供给至开关电源,再由开关电源输出直流24VDC供应工作电压给网关模块。这样网关模块再经过软件组态,就可以读取主开关的状态信息,如常用/备用位置的检查,欠压和过压保护数据[6]。

图3 远程监控报警设计

3 软件设计

远程监控报警设备采用明牛云组态软件编写程序。如图4所示,双电源开关的通信模块中将会给定每个数据变量的地址和读写标准。在硬件通信正常的基础上,设定好网关模块为主站,双电源开关为从站地址1,统一设置波特率19200,偶校验以及数据位值即可。如反应主开关模式的地址位数据403074.2,表示读写方式为只读,数据类型为16位,该数据的第2位置的二进制数值为0代表自动模式,1代表手动模式。双电源常用主电源合闸,数据地址为403073.1的数值为1,而双电源备用合闸数据地址403073.2的数值为0。主开关还提供了三相电压值的状态,如欠压报警和过压报警,以及双电源开关整体系统的故障报警,以上数据均可以实时读取[7]。

为了达到100%服务器状态监控,如服务器被误操作关闭,这时双电源系统无法监测到故障信息,网关模块也不会主动发送报警信息给管理者。因此,设备还需要监控负载服务器的工作状态。通过数据收集,可以了解到服务器正常工作时,负载电流值稳定在5 A左右,因此可以设定主电源开关负载线路上电流值低于1 A左右值即可认定服务器负载断开或关闭,此时需要及时查找服务器的故障原因。

图4 远程监控模块的组态界面

如图5所示,电控柜上安装的电能表具备485通信采集功能,由它实时采集负载电流值,然后网关模块增加从站2号读取电能表内寄存器电流值,并设定了双电源负载电流值小于1.0 A即认定服务器故障,发送报警内容给管理员,从而实现闭环反馈监控,使服务器的运行更加稳定可靠。

图5 服务器的电流监控

4 应用效果

登录云平台账号后得到的实时在线数据电脑网页界面如图6所示。管理员也可以随时使用手机APP软件远程连接云平台,获取网关模块的数据信息。从图6中可以看出,双电源开关为自投自复模式,备用和常用相电压均是正常电压水平。

如图7所示,管理员通过手机APP软件显示实时状态数据,组态相应的报警条件。从图7中可看到当发生电源开关切换时,双电源开关将状态数据通信传输给网关模块,网关模块内部程序组态了报警发送功能,然后发送至云平台,最后云平台将报警信息以短信形式发送至管理员手机。整个过程的延迟不超过5 s,足够管理人员接收到报警信息进行快速响应。不论备用电源是否正常,服务器的UPS电源会在切换过程自动进入工作模式,无间隙供应服务器电源,直到现场电源在2 h内修复即可[8]。

图6 电脑网页监控结果

图7 手机APP监控画面及短信报警消息

5 结束语

通过增加主开关的双电源进线,保证了一用一备的电源回路,服务器同时挂载大容量UPS电源,保证在电源切换时或电源产生故障时,能够短时间供应服务器不间断电源且不受外部干扰。增加的网关监控模块不仅能监测到主开关的动作位置,及时告知管理员检查电源回路,还能够监测负载的通断状态,实现负载的反馈运行机制,百分百监控服务器运行稳定。