Guia Calidad 4-1 Adaptabilidad

AdaptabilidadAdaptabilidad, Fiabilidad

y Redundancia

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4.1

1 + 1 Redundancy 2 + 1 Redundancy

1 + 2 Redundancy N + 1 Redundancy

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Guía de Calidadde la Energía Eléctrica

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AdaptabilidadAdaptabilidad, Fiabilidad y Redundancia

Gary Marshall ,WSP Communications Ltd y David Chapman, Copper Development Association UK

Mayo 2002

Esta Guía ha sido publicada como parte de la Iniciativa Leonardo para la Calidad de la EnergíaEléctrica (LPQI), un programa europeo de formación y educación respaldado por la Comisión Eu-

ropea (dentro del Programa Leonardo da Vinci) y la International Copper Association. Para más información so-bre LPQI visite www.lpqi.org.

European Copper Institute (ECI)El European Copper Institute (ECI) es una joint venture formada por ICA (International Copper Association) y losmiembros del IWCC (International Wrought Copper Council). Por medio de sus socios, ECI actúa en nombre delos principales productores mundiales de cobre y fabricantes europeos promoviendo la utilización del cobre enEuropa. Fundado en Enero de 1996, ECI está respaldado por una red de diez Centros de Promoción del Cobreen Alemania, Benelux, Escandinavia, España, Francia, Grecia, Hungría, Italia, Polonia y Reino Unido. ECI con-tinúa los esfuerzos inicialmente emprendidos por la Copper Products Development Association, fundada en1959, e INCRA (International Copper Research Association) fundada en 1961.

Centro Español de Información del Cobre (CEDIC)CEDIC es una asociación privada sin fines de lucro que integra la práctica totalidad de las empresas fundidoras-refinadoras y semitransformadoras de cobre y de sus aleaciones en España. Su objetivo es promover el uso co-rrecto y eficaz del cobre y sus aleaciones en los distintos subsectores de aplicación, mediante la compilación,producción y difusión de información.

ResponsabilidadEl contenido de este proyecto no refleja necesariamente la posición de la Comunidad Europea, y no suponeninguna responsabilidad por parte de la Comunidad Europea.

El European Copper Institute, WSP Communications Ltd, la Copper Development Association UK y el Centro Es-pañol de Información del Cobre (CEDIC) rechazan toda responsabilidad por cualquier daño directo, indirecto,consecuente o incidental que pueda resultar del uso de la información, de la incapacidad para el uso de la infor-mación o de los datos contenidos en esta publicación.

Copyright© European Copper Institute, WSP Communications Ltd y Copper Development Association UK.

Se autoriza la reproducción siempre y cuando ésta sea íntegra y se mencione la fuente.

Adaptabilidad, Fiabilidad y Redundancia– Tres factores clave del diseño eléctrico

Introducción

Disponibilidad.- La proporción del tiempo en el que el sistema está realmente disponible para efectuar un tra-bajo efectivo, es uno de los parámetros clave a la hora de determinar la calidad de un suministro de energía. Losvalores absolutos de disponibilidad requeridos o esperados son muy elevados. Un usuario doméstico normal enEuropa Occidental espera una disponibilidad del 99,98%, mientras que un usuario comercial podría exigir algomejor que el 99,996%. Estos elevados niveles de disponibilidad no se presentan espontáneamente o por casua-lidad: son el resultado de un excelente procedimiento de diseño y mantenimiento y de una atención al detalle.

A no ser que el proyectista tome las medidas necesarias para evitarlo, la disponibilidad se reduce potencialmen-te en cada conexión, en cada dispositivo de protección, en cada cable, etc. a través de la instalación, de tal for-ma que será máxima en el punto de acoplamiento común (PCC) y mínimo en los terminales de los equipos. Ladisponibilidad en el PCC normalmente suele ser de alrededor del 99,98%, sobre todo porque la red de su-ministro es muy redundante, es decir, existen muchas rutas disponibles entre el consumidor y los puntosde generación, en donde cada ruta se supervisa y mantiene continuamente para garantizar la máxima dis-ponibilidad (económicamente justificable). Si se produce un fallo existe una probabilidad muy alta de queesté disponible una ruta alternativa, de tal forma que no exista una interrupción o, en el peor de los casos,sólo se produzca una breve interrupción de energía hacia la carga. El diseño de instalaciones receptoras sequeda muy retrasado con relación a esto, pues se siguen utilizando líneas singulares de alimentación radialcon alimentación en punta y transformadores separados sin conexiones de mantenimiento o de conmuta-ción cruzada. Dicho de otra manera, la red de distribución puede sobrevivir al fallo de uno o más compo-nentes o conexiones aislados —es adaptable— mientras que la instalación receptora presenta muchospuntos singulares en donde un fallo provocará la interrupción del suministro.

Desde mediados del siglo pasado se ha puesto un gran énfasis en la fiabilidad de los componentes y subsiste-mas. El interés se ha centrado en la reducción de la tasa de fallos, aumentando de este modo la vida útil opera-tiva de las instalaciones.

Durante la última década el enfoque ha cambiado; los diseñadores y los analistas de sistemas están ahora mu-cho más preocupados por la disponibilidad de sus sistemas. Una alta disponibilidad exige mucho más que unaalta fiabilidad. Dependiendo de la situación y de la importancia de los equipos, es posible que, para un correctofuncionamiento, también sea necesario prever ciertos periodos de tiempo para mantenimiento, cierto grado deredundancia en las líneas, la posibilidad de sustitución de “en caliente” de subsistemas críticos, buenas estrate-gias de diagnóstico y una reserva de piezas de repuesto apropiadas. Sea cual sea la situación, la conservación deuna elevada disponibilidad exige un cuidadoso planeamiento previo y una buena gestión de mantenimiento. Enrealidad se trata mucho más de gestión y planeamiento que de ingeniería.

Una elevada fiabilidad, aunque no es suficiente en sí misma, sigue siendo un requisito fundamental; el mante-nimiento de una alta disponibilidad en equipos no fiables no es posible, ya que requiere un esfuerzo excesivo yun gran stock de repuestos así como equipos redundantes. Un diseño adaptable requiere la disposición inteli-gente de equipos intrínsecamente fiables en una topología redundante, asociado a unos procedimientos demantenimiento bien definidos y aplicados con rigor.

Los requisitos básicos para lograr una elevada fiabilidad de las unidades aisladas se estudia en la siguiente sección.

Antecedentes

Fiabilidad

La fiabilidad se mide en términos del Tiempo Medio Sin Averías (MTTF). El MTTF se mide en horas y es eltiempo promedio que tarda en fallar un elemento aislado de una gran población de piezas de producción

Adaptabilidad

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estándar. La medición de la fiabilidad es difícil y consume tiempo; es un número estadístico obtenido a par-tir de una combinación de la experiencia histórica con componentes similares y de pruebas realizadas en unplazo relativamente corto sobre grandes cantidades de los componentes en cuestión. Conforme maduran losproductos, los datos a largo plazo se acumulan y aumenta la confianza en el factor MTTF. ¡Pero esto no es unagarantía!

El fallo puede aparecer como un fallo catastrófico, es decir, de una forma completa y repentina, como unabombilla que se funde, o bien como una degradación, es decir, de forma gradual o parcial, como una unidadelectrónica que se sale de sus especificaciones. En el caso de una fuente de alimentación, una pérdida com-pleta de energía sería un fallo catastrófico, mientras que una desviación de la tensión o de la frecuencia se con-sideraría una degradación. Un fallo es primario si no se debe al fallo en otra parte del sistema, y secundario sies el resultado del fallo en otra parte del sistema. Como ejemplo de esto, el fallo normal de una bombilla se-ría un fallo primario, pero el fallo causado por una sobretensión severa sería un fallo secundario, ya que es elresultado de un fallo en otra parte. Los datos de fiabilidad solo pueden dar información sobre fallos primarios.Algunos fallos pueden ser obvios, como la explosión de una bombilla, pero en otros casos puede ser muchomás difícil determinar si se ha producido un fallo. Por ejemplo, el fallo de un circuito electrónico complejo quedebe cumplir una detallada especificación cuando algún parámetro se ha salido de los límites especificados,aunque esto pueda no ser aparente para el usuario. Un circuito de interfaz electrónico puede tener que cum-plir el requisito de poseer cierta inmunidad a la tensión de fondo; el no mantenimiento de esta inmunidad nosería perceptible en condiciones de falta de ruido, pero los síntomas se presentarían en condiciones más ex-tremas. En estos casos los fallos y errores pueden parecer aleatorios y es posible que sea difícil localizar la cau-sa y efectuar una reparación con rapidez.

La Figura 1 muestra un gráfico con la tasa de fallos l(t), en un gráfico respecto al tiempo. Se conoce normal-mente como una “curva de bañera” y es una muestra típica de la que se obtiene en muchos componentes elec-trónicos. Tiene tres partes diferenciadas:

Primera vida o maduraciónSe trata del periodo de tiempo (hasta la unidad de tiempo 4 en esta ilustración) en el que �(t) decrece cuan-do fallan componentes débiles o que no cumplen las especificaciones. Se conoce por el nombre de prime-ra vida, fallo prematuro, mortandad infantil o periodo de maduración. Los motivos para los tres primerostérminos deberían ser obvios. La maduración, equivalente al rodaje de los automóviles, es un proceso quese utiliza a veces en las etapas finales de la fabricación de componentes con objeto de eliminar fallos pre-maturos. Esto comprende el funcionamiento de los componentes en condiciones normales (o en condi-ciones controladas algo más exigentes que las normales para acelerar el proceso) durante el tiempo sufi-ciente para que superen el periodo de primera vida.

Adaptabilidad, Fiabilidad y Redundancia

Figura 1 - Relación entre tasa de fallos y tiempo

Tasa

de

Fallo

s, �

(t)

Tiempo Transcurrido

Vida útilMaduración Vejez

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Periodo de vida útil o funcionamiento normalÉste es un periodo con un valor de �(t) prácticamente constante y relativamente bajo (de la unidad detiempo 5 a la unidad de tiempo 31 en la Figura 1), llamado vida útil o periodo de funcionamiento nor-mal. Durante este tiempo la tasa de fallos es independiente del tiempo durante el que se ha utilizado elcomponente. En otras palabras, la probabilidad de fallo de un componente es la misma durante todo es-te periodo.

Desgaste o vejezÉste es el periodo en el que la tasa de fallos aumenta drásticamente con el tiempo (a partir de la unidad detiempo 31 en esta ilustración), y recibe el nombre de periodo de desgaste o vejez.

La curva de bañera describe el comportamiento que muy bien puede esperarse para muchos tipos decomponentes, o incluso para sistemas complejos como una UPS. Si tomamos el ejemplo familiar de lasbombillas, los fallos durante la primera vida pueden deberse a filamentos que se han acoplado incorrec-tamente a sus soportes, que se han fabricados excesivamente finos en algún punto o que tienen doble-ces en su interior. Otra causa de fallo prematuro podría ser una envuelta de cristal con fugas, lo que pro-duciría la oxidación del filamento. Durante su vida útil los filamentos se evaporan gradualmente y sehacen más finos hasta que se rompen, normalmente en el momento del encendido por el choque térmi-co inducido por la mayor intensidad de corriente consecuencia de la menor resistencia óhmica del fila-mento frío. Si todas las bombillas fueran idénticas y se hicieran funcionar en la misma situación, todasfallarían al mismo tiempo. Sin embargo como ningún proceso de fabricación puede producir compo-nentes idénticos, algunas tendrán fallos graves que producirán averías en la primera vida. La tasa de fa-llos irá decreciendo conforme se eliminan los componentes más débiles. De forma similar es razonableesperar una serie de tiempos de fallos durante el periodo de desgaste. En el caso de las bombillas lacomposición de los filamentos, su grosor, longitud y forma, variarán ligeramente de bombilla en bom-billa, conduciendo así una dispersión en el tiempo en el que finalmente se funden. Según envejecen lasbombillas aumenta su probabilidad de fallo, lo que supone un aumento brusco en el lado derecho de lacurva de bañera.

Quizás es más difícil ver porqué debe producirse algún tipo de fallo durante el periodo de funcionamientonormal, una vez que se han eliminado los fallos prematuros y todavía no se ha producido un desgaste sig-nificativo. Un análisis detallado de las numerosas formas en las que puede fallar una bombilla sería extre-madamente complejo a causa de la variedad de procesos mecánicos, térmicos y químicos que pueden pre-sentarse. Con la amplia gama de posibilidades, cada una con su propia dependencia temporal, se obtieneun promedio de probabilidad de fallos que no depende efectivamente del tiempo. Este proceso se conocepor el nombre de “falta de memoria”, ya que la probabilidad de fallo se supone que es independiente de lahistoria previa. Estos fallos son llamados a veces catastróficos porque son inesperados. En realidad, en mu-chos casos los procesos de desgaste ya se están produciendo en un nivel muy profundo, de tal forma queeste proceso no es verdaderamente de “falta de memoria”.

La fabricación de componentes y conjuntos implica a menudo procesos de maduración, de tal forma quelos que sufren un fallo de primera vida pueden eliminarse de la cadena de suministro. En muchos casos loscomponentes electrónicos no alcanzan la vejez durante su vida operativa —pueden tener vidas útiles mu-cho más largas que la vida operativa del sistema en el que se utilizan. Es necesario diseñar procedimientosde mantenimiento rutinario para garantizar que los componentes que pueden envejecer— las baterías re-cargables, por ejemplo —se sustituyen mucho antes de que se alcance la vejez. Por esta causa normalmen-te es posible suponer que los componentes solo se utilizan durante su periodo de vida útil y que tienen unatasa de fallos constantes.

Tiempo medio sin averías (MTTF)El tiempo medio sin averías es una expresión que se aplica a aquellas piezas que no pueden repararse, talescomo bombillas, y es una medida del tiempo medio que transcurre hasta el fallo en un gran número de pie-zas similares que funcionan en condiciones específicas.

Las condiciones del ensayo son importantes, por ejemplo un aumento en la temperatura o en la tensión defuncionamiento de la mayoría de los componentes reducirá el MTTF.


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En la práctica, el MTTF se calcula a menudo a partir de los datos obtenidos durante un periodo de tiempo enel que no todos los componentes fallan. En este caso

Tiempo medio entre averías (MTBF)En el caso de componentes o elementos de un sistema que puedan repararse, las tasas de fallos se expresancon frecuencia en términos del tiempo medio entre averías (MTBF) en lugar del tiempo medio sin averías(MTTF). Ésta es una medida del tiempo medio en el que un equipo ejecuta su función sin necesidad de repa-ración (aunque puede requerir un mantenimiento programado rutinario).

Debido a que tanto el MTTF como el MTBF son cantidades estadísticas, es necesario registrar un gran núme-ro de fallos con objeto de que el resultado sea fiable. La comprobación de un equipo durante un tiempo muylargo es impracticable, por lo que es normal verificar una gran cantidad de muestras simultáneamente du-rante un periodo más corto, y determinar el número total de averías en el tiempo de funcionamiento globalde todas las muestras. Este método presupone que no se incluyen los tiempos de los modos de maduración yvejez.

Disponibilidad y tiempo medio para reparación (MTTR)

Los usuarios de sistemas están actualmente más preocupados por la disponibilidad que por la fiabili-dad. La disponibilidad de un sistema o de un componente del sistema es la proporción de tiempo du-rante el cual funciona correctamente y está disponible para su utilización. Es la relación existente entreel tiempo operacional y el tiempo total, que es la suma de los tiempos operativos y de reparación. Eltiempo medio requerido para efectuar las reparaciones recibe el nombre de tiempo medio para repara-ción (MTTR).

Los tiempos MTTR vienen indicados por los fabricantes de los equipos en condiciones normales, estoes, por ejemplo, suponiendo que el emplazamiento de la avería es obvio, que se dispone del nivel de co-nocimientos necesario para su identificación, que se tienen a mano los repuestos adecuados y las ins-trucciones de reparación y que, una vez reparado, el sistema puede comprobarse y volver a ponerse enmarcha. En la vida real las averías se producen en el peor momento posible. Un MTTR previsto de vein-te minutos es de poca utilidad si un técnico tiene que desplazarse a lugar de la instalación para identi-ficar el problema y después ir a recoger piezas al almacén o, lo que es peor, ir a comprarlas a un alma-cenista. Tras la reparación es necesario comprobar el equipo y volver a ponerlo en marcha antes depoder reiniciar el trabajo real. Cada una de estas etapas puede durar varias veces más que la reparaciónen sí. Algunos retrasos pueden evitarse: las piezas de repuesto críticas pueden almacenarse localmen-te, el personal de la empresa puede recibir formación para poder prestar los conocimientos técnicos ne-cesarios, etc., pero estos pasos deben darse con mucha anticipación y no carecen de sus propias impli-caciones de costes.

Si tomamos el sencillo ejemplo de la reparación de un televisor que requiere, digamos 30 minutos para sus-tituir una tarjeta impresa, el fabricante calcularía un MTTR de 0,5 horas. Pero el usuario lo ve de forma dis-tinta. El aparato se rompe cuando el taller está cerrado. Es necesario llevarlo al taller, identificar la avería eidentificar las piezas que hay que sustituir. Después de preparar y aprobar un presupuesto, se adquiere lapieza y, ahora empiezan a contar los 30 minutos, se repara y se prueba. Al día siguiente el aparato se de-vuelve al usuario, quien ha sufrido un MTTR de quizás una semana. Si el tiempo medio entre averías, MTBF,era suficientemente largo, el usuario podría estar bastante contento, pero si el MTBF es corto, ¡el usuariopodría muy bien considerar la posibilidad de disponer de un aparato de televisión de reserva!

A menudo la reparación se efectuará sustituyendo el componente averiado por un componente o subsistemanuevo o previamente reparado. Cuando se monta un subsistema reparado debe tenerse en cuenta que solo

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MTTF = Tiempo total de funcionamiento para todos los componentesNº de fallos en ese tiempo

Disponibilidad = MTBFMTBF + MTTR

algunos de sus componentes son nuevos mientras que el resto ya están usados. El MTTF será inferior al deuna unidad nueva.

Para ser totalmente precisos, el MTTR debería incluir también el tiempo de paro necesario para el manteni-miento preventivo normal durante la vida útil del equipo, tal como el mantenimiento del motor de un gene-rador, la sustitución de unas baterías o la limpieza de los filtros del ventilador de una UPS, etc. Por suerte lostiempos de paro para efectuar el mantenimiento preventivo pueden planificarse de forma que se minimicenlas interrupciones pero, a menudo, no pueden eliminarse totalmente.

Para optimizar la proporción del tiempo durante el que está disponible un sistema, es necesario considerar larelación que hay entre la fiabilidad del componente y el tiempo de reparación. Por ejemplo, los componentesmodulares son normalmente mucho menos fiables que los de cableado, a causa de las tasas de fallos relati-vamente elevadas en los contactos. Por otro lado, las reparaciones de los componentes modulares serán mu-cho más rápidas que las de las unidades cableadas, ya que fácilmente las pueden efectuar unos operarios conunos conocimientos técnicos relativamente reducidos. El equilibrio óptimo dependerá de los valores absolu-tos del MTBF y del MTTR verdadero, teniendo en cuenta los materiales y la experiencia del personal disponi-ble en la instalación.

La disponibilidad del sistema es sencillamente el MTBF dividido por el MTBF más el MTTR verdadero, inclu-yendo los elementos adicionales que se acaban de indicar. Los fríos datos de disponibilidad son a veces muysorprendentes, pero deben usarse con reservas. Una disponibilidad aparentemente excelente de 0,9999 (cua-tro nueves) se traduce en una falta de disponibilidad de aproximadamente una hora al año —un nivel total-mente inaceptable para muchas operaciones. La consecución, en la práctica, de algo mejor que esto —simple-mente aumentando la fiabilidad— es bastante difícil; los datos de MTBF, al ser estadísticos, no son fiables paracasos específicos y los datos de MTTR son a menudo optimistas, ya que se basan en presunciones realizadasen el tranquilo entorno de un sistema de trabajo. Aparte de esto, la complejidad de los sistemas modernos, talcomo las redes de ordenadores comerciales o el control de procesos de fabricación, significa que gran númerode subsistemas tienen que funcionar perfectamente coordinados para que pueda funcionar el sistema. Paraconseguir una disponibilidad mayor se requiere un proceso de diseño diferente, que se centre en tolerar y so-brevivir a los inevitables fallos en lugar de intentar reducirlos. En otras palabras, se requiere un diseño adaptable.

AdaptabilidadUn Sistema adaptable es el que puede resistir una serie de fallos en sus subsistemas o componentes, mientrassigue funcionando normalmente. Esto puede lograrse instalando equipos duplicados (redundancia), juntocon un cuidadoso diseño (eliminando los puntos específicos de posibles averías) y con un mantenimientopreventivo bien planificado.

Es esencial encontrar una solución equilibrada. La inclusión de equipos redundantes es algo inmediato, peroes caro, por lo que debe hacerse tras considerar adecuadamente los costes y los beneficios. La aplicación deunos procedimientos de mantenimiento adecuados es comparativamente más barata, ¡pero garantizar que sevan a cumplir adecuadamente no es fácil! Un cuidadoso equilibrio entre las soluciones técnicas, de gestión yde procedimiento aportará la mejor relación coste/beneficio.

Los elementos esenciales de una instalación flexible son:

� redundancia � eliminación de puntos específicos de averías� buena planificación del mantenimiento

Redundancia

La redundancia es un método directo de aumentar la disponibilidad de los equipos y optimizar el equilibrioentre la efectividad operativa y los gastos. Se instalan circuitos, equipos o componentes alternativos de forma


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tal que, en el caso de que se produzcan uno o varios fallos, se mantenga la funcionalidad. El nivel y ti-po de redundancia determina el nivel de funcionalidad conseguido y el número y los tipos de fallos per-mitidos.

Redundancia de esperaRedundancia de espera quiere decir que se ha previsto un medio alternativo para realizar la función de quese trate, pero que dicho medio está inactivo hasta que se requiere su actuación. Se activa cuando falla el me-dio primitivo para sustituirle en su función. Un departamento de informática puede disponer de varios mo-nitores de reserva y usarlos para sustituir a los que puedan averiarse. Éste es un ejemplo de redundancia deespera.

El inconveniente de la redundancia de espera es que existe un inevitable periodo de interrupción del servicioentre el momento en que se produce el fallo y aquel en que la unidad redundante entra en servicio. Estas so-luciones raramente son satisfactorias en los sistemas críticos de las situaciones comerciales e industriales ac-tuales.

Redundancia activa o paralelaEn la redundancia activa o paralela todas las unidades redundantes están funcionando simultáneamen-te, en lugar de esperar a activarse cuando sean requeridas a causa de una avería en el equipo principal(Figura 2).

La solución más obvia es el uso de dos componentes, cada uno de ellos capaz de soportar toda la carga,de tal forma que si uno falla el otro le sustituirá. A esto se le llama redundancia 1+1.

Una solución alternativa es repartir la carga entre varias unidades, siendo cada una capaz de soportar tan so-lo una fracción de la carga, y disponer únicamente de una unidad redundante adicional. Esto recibe el nom-bre de redundancia N+1.

Para cargas muy críticas puede disponerse de más de una unidad redundante totalmente operativa. Porejemplo, un sistema redundante de 1+2 tendría tres unidades totalmente operativas, cada una de las cua-les soporta la totalidad de la carga, lo que haría necesario que fallaran las tres unidades antes de fallar el sis-tema.

Debido a que no existe interrupción, la redundancia activa es adecuada para instalaciones de ordenadores. Eluso de dos discos parelelos en un ordenador de servidor es un ejemplo de redundancia 1+1.

Redundancia N+1Una alternativa de menor coste es usar un mayor número de unidades de menor potencia para soportar lacarga y disponer de una unidad redundante adicional. Por ejemplo, una carga de 800 kVA podría conectarsea cinco unidades UPS de 200 kVA, siendo suficientes cuatro de ellas para soportar la carga. A esto lo llamaría-mos redundancia 4+1, ya que se requieren cuatro unidades y una es redundante. La redundancia N+1 puedeser más barata de aplicar que la 1+1, y es más adaptable; si la carga aumenta basta con añadir otra unidad, detal forma que un sistema 2+1 se convierta en un sistema 3+1. Por otro lado deben evitarse los extremos; cadaunidad adicional supone una posibilidad adicional de avería, por lo que debe buscarse un equilibrio entre laadaptabilidad del sistema adicional y su coste y la mayor posibilidad de avería, no del sistema, sino de la uni-dad añadida.

Un sistema de discos RAID 5 en un ordenador de servidor es un ejemplo de redundancia N+1. A los datos ori-ginales se añaden datos adicionales de corrección de errores, que después se reparten entre los diversos dis-cos. Si falla un disco, todos los datos pueden recuperarse en tiempo real desde los discos restantes y puede re-construirse el contenido del disco que ha fallado.

Vale la pena observar que la previsión de una UPS es, en primer lugar, una aceptación de la necesidad de dis-poner de una fuente de alimentación redundante y la adición de redundancia a la propia UPS es una exten-sión lógica de ese concepto.

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Eliminación de puntos de avería específicos

La introducción de la redundancia es costosa, por lo que debe meditarse cuidadosamente cuánto y qué debehacerse.

Deberá realizarse una evaluación de riesgos, en donde se analice la posibilidad de cada avería en particu-lar y el efecto de esa avería sobre el funcionamiento del sistema. Deberán priorizarse las averías en las quela combinación de su probabilidad y efecto dañoso sobre el sistema sea máxima —posiblemente incluyen-do un caso muy raro de efecto catastrófico y un caso más frecuente que provoque menos perturbación. Es-te estudio debe identificar todos los puntos de posibles averías y aquellos fallos específicos aislados, quepueden hacer fracasar toda la operación. El estudio debe ser minucioso y exhaustivo, no sólo analizandolas piezas principales de los equipos, sino también los armarios de control y el cableado de señales que losconecta. Si el sistema de control o las interconexiones son la causa del fallo, ¡no servirá de nada el costosoequipo de reserva!.

La Figura 3 muestra un ejemplo de un sistema de alimentación de energía adaptable. Se observa que estediseño cuenta con dos alimentaciones independientes desde puntos diferentes de la red de distribución,reforzados por dos generadores de reserva independientes. La energía procedente de cada vía de entradapuede encaminarse hacia una o las dos salidas, directamente o a través de dos unidades UPS. Se utilizaninterruptores de transferencia estática (STS) para conectar y separar equipos y rutas según sea necesario.Este ejemplo es simétrico y presupone que las cargas en cada salida son igual de críticas; en otras circuns-tancias una salida puede usarse para abastecer a cargas muy críticas mientras la otra abastece a cargas nor-males. En funcionamiento normal la energía de una alimentación se encaminaría hacia las dos salidas através de una UPS. En el caso de un fallo de la alimentación, la conexión se realizaría a la alimentación al-ternativa y la UPS suministraría energía durante el corto periodo de conmutación. Si no estuviese disponi-ble la alimentación alternativa se arrancaría un generador de reserva y, una vez alcanzara éste la velocidadde régimen, se conectaría al sistema; de nuevo una UPS proporcionaría energía durante el tiempo de re-tardo del arranque. En el caso de que fallasen las dos alimentaciones y los dos generadores, o si estuvieranfuera de servicio para mantenimiento, se utilizarían las unidades UPS para alimentar las vías de salida in-dependientemente. En esta situación se debería proceder a una progresiva eliminación de la carga paraaumentar la duración de la alimentación.


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Figura 2 - Ejemplos de redundancia activa

Redundancia 1 + 1 Redundancia 2 + 1

Redundancia N + 1Redundancia 1 + 2

Se trata de un ejemplo extremo. Sería bastante caro llevarlo a la práctica pero se justificaría en situaciones endonde las averías pudieran producir pérdida de vidas o graves pérdidas económicas. Se ha utilizado aquí pa-ra ilustrar lo que puede lograrse, pero en la mayoría de ocasiones bastaría un subconjunto de este sistema ba-sado en un examen crítico de los posibles riesgos y del coste de la protección.

Buena planificación del mantenimiento

Una buena planificación del mantenimiento es la clave para conservar la adaptabilidad de un sistema y susprocedimientos deberán tenerse en cuenta durante la valoración de los riesgos. Si, por ejemplo, ha fallado unaUPS de entre cuatro y las tres restantes están soportando la carga, ¿cómo se reconoce esta situación para quepueda efectuarse una reparación? ¿Cuál es el riesgo de que se produzca un segundo fallo mientras las unida-des restantes están funcionando con esa carga más elevada? ¿Podría la carga haber aumentado por encima dela capacidad de las tres unidades restantes sin que lo perciba el personal de mantenimiento? Es necesario de-sarrollar unos procedimientos muy detallados para cubrir éstas y otras muchas situaciones posibles durantela fase de análisis de riesgos, de tal forma que puedan ser rigurosamente verificadas.

El hecho de que una instalación se haya diseñado para ser adaptable puede alentar la puesta en marcha deunas normas de mantenimiento relajadas. Después de todo no importa que falle una unidad en particular; lainstalación puede sobrevivir sin ella. Esta actitud tiene todas las posibilidades de llevar al desastre. En primerlugar, normalmente ya existen motivos más que suficientes para que se produzca una avería y no hay necesi-dad de aumentar las posibilidades. En segundo lugar, si una unidad se viene abajo por la falta de manteni-miento, es probable que sus compañeras estén en una situación similar y es muy posible que fallen tambiéncuando se enfrenten a una carga adicional.

También es importante la verificación del sistema. El personal de mantenimiento debe estar seguro de que elsistema podrá superar las averías, por lo que periódicamente deberá realizar pruebas, simulando la pérdida

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Generador

Fuentes dealimentación

UPS 1 UPS 2

Generador

Figura 3 - Un ejemplo de un sistema flexible

de ciertas partes del equipo. Se trata de una medida acertada, que lo más conveniente es que se realice en losprimeros momentos de la puesta en marcha de la instalación. Es lo que se conoce con el nombre de verifica-ción inicial. Una vez que se ha confirmado que la instalación es adaptable, las posteriores verificaciones pe-riódicas podrán efectuarse con una suficiente garantía de éxito. Como es natural, las pruebas deben realizar-se en aquellos momentos en que las consecuencias de un fallo sean mínimas, pero también deben serrepresentativas de las condiciones reales de la instalación.

ConclusiónLa disponibilidad es la primera preocupación del personal de diseño y mantenimiento de una instalación. Enla práctica, una elevada disponibilidad no puede conseguirse únicamente mediante una elevada fiabilidad;también son necesarios un buen diseño adaptable y unos programas de mantenimiento adecuados. El dise-ño y la aplicación de un sistema adaptable es tan solo el primer paso de un largo viaje.


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Un punto aislado de avería oculta

La Figura 4 muestra una instalación en la que una parte importante de la carga está formada por mo-tores con corrección del factor de potencia (PFC), proporcionada por una bancada de condensadoresconmutados. Unos circuitos de control facilitan la capacitancia adecuada para corregir el factor de po-tencia de la carga momentánea del motor, garantizando que se minimiza la corriente reactiva o “sin va-tios”. Esto reduce la carga de los transformadores, contactores y cables así como la tarifa que cobra elproveedor.

Debido a que se compensa el factor de la carga, la magnitud de la corriente es menor que la del valorno compensado. Ahora el transformador tiene capacidad de reserva y es capaz de soportar una cargaadicional; pero solamente mientras el sistema PFC está en funcionamiento. Si se añade una carga adi-cional y falla el sistema PFC, la corriente de carga superará la capacidad del transformador, con el re-sultado de una sobrecarga o una avería definitiva.

El sistema PFC, su sistema de medición y control, incluso el disyuntor del PFC son ahora todos ellos vi-tales para la supervivencia del transformador y la instalación. La fiabilidad de toda la instalación se re-duce a la del menos fiable de estos componentes.

Figura 4 - Corrección del factor de potencia usando una bancada de condensadores controlada

Enlace de control

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Notas

Notas

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Notas

Red de Colaboradores

Copper Benelux168 Avenue de TervuerenB-1150 BrusselsBelgium

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