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Operation am offenen Herz
Wie schließt man eine USV im laufenden Betrieb an?
Hubert Feyrer, Marius Strobl
November 2001

Abschalten der Stromversorgung führt zur Unterbrechung des Betriebs. Mit Hilfe einer Unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) kann dies verhindert werden, doch wie schließt man sie nachträglich an? Der vorliegende Artikel zeigt eine Hardware-Schaltung, die es erlaubt einen Rechner nachträglich, im laufenden Betrieb und ohne Betriebsausfall, mit einer USV zu versorgen, und dokumentiert die Realisierung der Umsetzung an der Fachhochschule Regensburg.

* Problem

Am Fachbereich der FH Regensburg wird ein Unix-Rechner betrieben, der Studenten via Netzwerk 24x7 zur Verfügung steht. Er wird für Programmierübungen in diversen Vorlesungen sowie für EMail, News und sonstige Online-Kommunikation benutzt. Durch die hohe Verfügbarkeit der Hardware, Software und nicht zuletzt der Stabilität des Betriebssystems (Sun Solaris/x86) hat der Rechner momentan - Stand 18.11.2001 - eine Laufzeit von knapp 600 Tagen ohne Neustart!

Für die frühen Morgenstunden des 19.11.2001 ist eine Abschaltung des Stromnetzes im gesamten Gebäude zwecks Messungen des TÜV anberaumt. Diese Abschaltung ist ein Problem für das Vorhaben, die Stabilität des Rechners anhand einer möglichst großen Uptime zu demonstrieren, da der Rechner ohne Unterbrechungsfreier Stromversorgung (USV) bzw. Notstromaggregat betrieben wird, wie in Bild 1 gezeigt. Ein Herunterfahren/Neustarten des Systems würde die 600 Tage Uptime zerstören, ist also keine Option!

Bild 1: (Klicken für Vergrößerung!)

Der Rechner wird ohne USV betrieben

Leihweise ließ sich eine USV auftreiben, so daß der Betrieb des Rechners auch während der Abschaltung des Stromnetzes gesichert werden konnte, wie in Bild 2 gezeigt.

Bild 2: (Klicken für Vergrößerung!)

Der Rechner soll am Ende mit einer USV versorgt sein

Daß die USV in der Stromversorgung des Rechners zwischengeschaltet werden mußte war ein Problem, da ein Öffnen des Stromkreises ebenfalls gleichbedeutend mit dem Verlust der Laufzeit ist. Es galt eine Lösung zu finden, dies zu verhindern, und dennoch die USV anzuschließen!

* Idee

Die ersonnene Lösung nutzt die Tatsache aus, dass man verlustfrei eine Verbindung überbrücken kann, wie in Bild 3 gezeigt:

Bild 3: (Klicken für Vergrößerung!)

Verlustfreie überbrückung

Bild 3a) zeigt die Ausgangslage: Die Verbindung zwischen zwei Mehrfachsteckdosen ist durch das "normale" Kabel (blau) überbrückt. Man kann problemlos ein zweites Kabel (magenta) einstecken, und dann parallel zum ersten schalten, wie in Bild 3b) gezeigt. Anschließend kann man die ursprüngliche Verbindung trennen (Bild 3c).

* Über USVs

Bei USVs wird zwischen zwei Typen unterschieden, "offline" und "online". Für das Vorhaben eignen sich Geräte mit "offline" Technologie besser, da man beim Einbau garantiert keine Phasenverschiebung zwischen Netz und USV-Out hat. Im vorliegenden Fall wurde eine "offline" USV vom Typ APC Smart-UPS verwendet.

In aller Kürze:

"Online" USV:

Permantente Wandlung, keine Umschaltzeit, bei Netzversorgung wesentlich höhere Verlustleistung, teurer (höhere Qualitätsanforderungen)

"Offline" USV:

Wandlung nur im Bedarfsfall, Umschaltzeit, praktisch keine Verlustleistung bei Netzversorgung, billiger (Wandler-Hardware braucht keiner Dauerbelastung standhalten), keine Phasenverschiebung bei Netzversorgung

* Realisierung

Die Realisierung dieser Idee umfasst nicht ein Überbrückungskabel, sondern zwei: Das erste das die bestehende Verbindung "normal" überbrückt wie oben gezeigt, und das zweite daß die USV zwischengeschaltet hat. Um später nicht mehrere Verbindungen parallel zu haben und einfach und schnell von einer Überbrückung auf die andere Umschalten zu können wurde ein Schalter (2 x UM) benutzt, der jeweils Nulleiter und Phase umschaltet. Die drei Schutzleiter wurden direkt miteinander verbunden. Diese beiden Überbrückungen sind im Schaltplan (Bild 4) vereinfacht dargestellt: die magentafarbene Brücke stellt die Verbindung zwischen den beiden Mehrfachsteckleisten ohne USV dar, der Umschalter in der Mitte ist dabei in der Stellung "N" (Netzversorgung). Die Versorgung über die USV ist grün eingezeichnet, die Schalterstellung dazu ist mit "U" (USV) gekennzeichnet. Wichtig dabei ist, dass die USV dabei weiterhin aus dem Netz gespeist wird, und sich automatisch einschaltet wenn die Spannung am Eingang (grüne Leitung ganz rechts im Bild 4) abfällt.

Bild 4 zeigt den gesamten Aufbau:

Bild 4: (Klicken für Vergrößerung!)

Die für das Zwischenschalten der USV benutzte Schaltung

Achtung! Die gezeigten Verbindungen laufen allesamt mit 230 Volt Wechselspannung! Neben den üblichen Sicherheitsmaßnahmen ist hier darauf zu achten, dass jede Leitung aus Nulleiter, Phase (-> Strom!) und Schutzleiter besteht. Beim Aufbau der Schaltung, d.h. sowohl beim Einstecken der SchuKo-Stecker in die Steckerleiste als auch beim Einstecken der Kaltgeräte-Anschlüsse an der USV ist darauf zu achten, dass immer Phase auf Phase, und Nulleiter auf Nulleiter gesteckt wird! Kurzschlußgefahr! Neben der Gefahr von Kabelbrand können dabei sowohl Rechner als auch USV Schaden nehmen. Ein Phasenprüfer ist hier hilfreich, im Optimalfall wird ein Multimeter zum bestimmen der Potentialdifferenz benutzt.

Bild 5 zeigt eine Detailansicht des Umschalters mitsamt der Kabel:

Bild 5: (Klicken für Vergrößerung!)

Vergrößerung des Schalters

Das grün/magentafarbene Kabel #1 geht hierbei zur linken Verteilerdose, die auch den abzusichernden Rechner speist. Es leitet Strom je nach Schalterstellung aus dem Netz- oder dem USV-Schaltkreis an die linke Steckerleiste. Das magentafarbene Kabel #2 liefert direkt Strom aus der Netzversorgung der rechten Steckerleiste, ohne USV. Die Schalterstellung ist mit "N" bezeichnet. Das dritte, grüne Kabel #3 geht zur USV, und anschließend ebenfalls zur rechten Steckerleiste. Evtl. müssen hier Phase und Nulleiter im Kabel vertauscht werden (vergleichbar einem Crossover-Twisted-Pair Kabel :-), um die Phase des Kabels an den Phasen-Ausgang der USV zu koppeln. (NIEMALS Phase auf Nulleiter - Kurzschluß!). Die rechte Hälfte von Bild 5 zeigt auch die beiden SchuKo-Stecker an Kabel #1 und #2, die jeweils an die Mehrfachsteckdosen angeschlossen werden, sowie den Kaltgerätestecker der an die USV angeschlossen wird. Das Kaltgerätekabel das die USV dann an die rechte Steckdose anschließt ist hier nicht gezeigt.

* Ablauf Aufbau

Bevor im Folgenden stichpunktartig der zeitliche Ablauf erläutert wird, in dem die einzelnen Kontakte herzustellen bzw. zu lösen sind folgen hier nochmals die allgemeinen Regeln:

Immer Phase auf Phase, Nulleiter auf Nulleiter!
Stecker #1 und #2 nicht vertauschen!
Die üblichen Vorsichtsmaßnahmen beim Umgang mit Strom beachten!

Hier nun der Ablauf:

USV einschalten und Selbsttest abwarten
USV-Eingang an rechte Mehrfachdose anschließen
Schalter auf "U" stellen
Stecker #1 in linke Mehrfachdose einstecken. Vorsicht, es liegt nun Spannung an Kabel(stecker) #3 an!
Phase des USV-Ausgangs bestimmen (ist Phase links oder rechts?)
Phase von Kabel #3 messen
Schalter auf "N" stellen. Vorsicht, es liegt nun Spannung am Kabel(stecker) #2 an!
Kabel #3 an USV-Ausgang anschließen, darauf achten dass Phase auf Phase geschlossen wird. Ggf. "gekreuztes" Verlängerungskabel verwenden.
Mit diesem Schritt ist der "grüne" Stromkreis geschlossen, es fließt jedoch momentan noch kein Strom!
Phase von Kabel #2 bestimmen
Phase der rechten Steckdosenleiste bestimmen
Kabel #2 so anschließen, dass die Phasenleitung des Kabels in die Phasen-Buchse der Dose kommt
Ab dieser Stelle fließt parallel Strom über den "magentafarbenen" und den ursprünglichen Stromkreis (blau)!
Die ursprüngliche Verbindung zwischen den beiden Mehrfachsteckdosen (blau) kann nun entfernt (ausgesteckt) werden. Vorsicht, das Kabel steht unter Strom und muß gegen Berührung gesichert werden, z.B. mit einer "leeren" SchuKo-Buchse!
Nun kann der Schalter von "N" auf "U" umgelegt werden, um den Stromfluß vom "magentafarbenen" auf den "grünen" Stromkreis (parallel zum immer noch bestehenden, ursprünglichen blauen Kreis!) umzuschalten.
Die Verbindung der beiden Mehrfachsteckdosen läuft nun über die USV, und das gesteckte Ziel ist erreicht

* Ablauf Abbau

Um die gemachten Schritte rückgängig zu machen ist folgendes Vorgehen anzuwenden:

Schalter auf "N" legen
Anschluß der "linken" Steckdosenleiste PHASENGLEICH in "rechte" Steckdosenleiste stecke.
Rest in beliebiger Reihenfolge abbauen

* Photosession

	Zusammenlöten des Umschalters an die beiden SchuKo- und einen Kaltgeräteanschluß. Materialbedarf: 1 Schalter 2 x UM ohne Mittelstellung, 2 Kaltgerätekabel mit SchuKo Stecker (zu den Mehrfachsteckdosen, 1 Kaltgerätekabel mit Kaltgerätestecker (zur USV), Isolierband
	Der Test-Setup, Ausgangszustand. Die linke Dreifachsteckdose ist mit einem Test-Rechner, die rechte mit dem Stromnetz verbunden. Momentan sind rechts ein Lötkolben und die USV eingesteckt.
	Der fertige Umschalter
	Testen der Schaltung - an den Steckdosen werden Phase und Nulleiter angeschrieben, damit nichts verdreht wird.
	Der Phasen-Ausgang der USV passt nicht zur Phase die über die linke Verteilerdose und den Schalter kommt. Ein Kaltgeräte-Verlängerungskabel mit gekreuzter Phase und Nulleiter schafft hier Abhilfe.
	Das Zielobjekt, Ausgangssituation
	tabaluga.fh-regensburg.de
	Die "linke" Steckdosenleiste, an der der Rechner (und momentan noch ein Monitor) angeschlossen ist.
	Die "rechte" Steckdosenleiste, hier bereits mit umgesteckten Monitor (grau) und v.a. dem Kabel #2 (schwarz) zum Umschalter. Der graue Stecker links speist die USV.
	Der Große Moment: Umschaltung von Netzversorgung (Schalterstellung "N", magentafarbene Leitung) auf USV-Versorgung ("U", grüne Leitung).
	Nach erfolgreicher Umschaltung: Die Position des Schalters wir mit Hilfe eines Bleistifts und Klebeband gesichert.
	Das mittlerweile abgesteckte Verbindungskabel zwischen den beiden Mehrfachsteckdosen (Schaltbild: blaues Kabel in der Mitte) wird vor Berührung der Kontakte geschützt.
	Geschafft - das Tabaluga-Rettungs-Team nach erfolgreicher Arbeit. Von links nach rechts: Daniel Ettle, Christian Krauss, Hubert Feyrer, Marius Strobl. Zeitaufwand insgesamt: ca. 2 Stunden.

* Mögliche Optimierung

Der zweite "magentafarbene" Stromkreis ist relativ überflüssig und wurde nur zu Testzwecken eingebaut, und weil durch den Schalter ein schnelleres, rausch/wackelfreies Umschalten möglich ist. Da außerdem damit zu keinem Zeitpunkt der Ausgang der USV mit der Netzversorgung verbunden ist ist diese Lösung etwas sicherer.

Bei offline USV's, bei denen im Netz-Betrieb der Eingang direkt auf den Ausgang durchgeschleift wird (messen!) ist das Vorhaben auch ohne Schalter realisierbar, was zudem den Vorteil hat, dass die Umschaltzeit nicht vom Computer-Netzteil überbrückt werden muss. Vorsicht: USV's mittlerer bis guter Qualität, z.B. APC Smart-UPS, schalten sich bereits bei Spannungsschwankungen ein, die meistens Netzversorger-bedingten Stromausfällen vorausgehen. Tritt dieser Fall während des zwischenschaltens der USV ein, so liegt Spannung aus dem Versorgungs-Netz am USV-Ausgang an, was mit hoher Wahrscheinlichkeit zur Zerstörung der USV führt!

Die Möglichkeit, die USV direkt parallel zu schalten (siehe Bild 6) ist für künftige Vorhaben dieser Art zu eruieren. Bei der Durchführung ist darauf zu achten, daß der Eingang der USV (im Bild 6: rechts) zuerst angeschlossen wird, damit die USV hochfahren und den Selbsttest durchführen kann, bevor der Ausgang verbunden wird. (Achtung: Wenn man erst "links" einsteckt liegt nach dem Einstecken "rechts" Netzspannung am Ausgang der USV an, was zu deren Zerstörung führen kann!)

Möglicher Ablauf:

Eingang der USV mit "rechter" Leiste verbinden
USV einschalten, Selbsttest abwarten
Ausgang der USV Phasengleich mit "linker" Leiste verbinden
"Linke" Leiste aus "rechter" Leiste ausstecken
Stecker der "linken" Leiste vor Berührung der Kontakte sichern!

Bild 6: (Klicken für Vergrößerung!)

Die für das Zwischenschalten der USV benutzte Schaltung

* Disclaimer

Wer nicht GENAU weiss was er beim Experimentieren mit Strom macht sollte dabei besser die Finger lassen (oder einen Experten hinzuziehen)!

Die Folgen können von Stromausfall mit verbundener Downtime und Betriebsausfall über Hardware-Schäden bis hin zu tödlichen Stromschlägen führen. You have been warned!

Weder der Autor dieser Webseite noch sonst irgend jemand übernehmen irgendeine Haftung für die gemachten Angaben!

* Links

Hier zum Abschluß noch ein paar interessante Links zum Thema USVs:

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