دلایل و اثرات نویز ارت بین سیستمی در مرکزداده (Inter-system Ground Noise) ـ[1]
مقدمه
UPS بخش ضروری و همیشگی از سیستم کامپیوترهای تجاری است؛ ولی به‌تنهایی نمی‌تواند از تجهیزات فاوا در برابر همهٔ مشکلات برق مرکزداده محافظت کند. اشنایدر الکتریک در تجربهٔ سال‌ها کارکردن با نصب‌کنندگان سیستم‌های فاوا، پیکربندی‌های اجرایی دارای ریسک‌های مشخص را شناسایی کرده است. طراحی بیشتر تجهیزات حفاظت برق فاوا به‌شکلی است که از تجهیزات در برابر آسیب‌های ناشی از اتصال به شبکهٔ برق حفاظت میکند. شکل مطلوب این است که در کامپیوترها، غیر از دوشاخهٔ برق AC، هیچ نقطهٔ اتصال دیگری وجود نداشته باشد. بدین ترتیب تجهیزات حفاظت برق خواهند توانست نویز‌ها یا نوسانات ولتاژ اعمال‌شده بر تجهیزات را به‌خوبی مهار کنند.
با این‌همه کامپیوترها در بیشتر مواقع با کابل شبکه، کابل دیتای پرینتر، همچنین کابل دیتای مودم به دستگاه‌های دیگر متصل شده‌اند. تجهیزات حفاظت برق AC نمی‌توانند جلوی ورود نوساناتی را بگیرند که از طریق این اتصالات وارد می‌شوند. در واقع چنین اتصالاتی می‌توانند مشکلات خطرناک متداول در برق AC را به‌وجود آورند و به سخت‌افزار یا اطلاعات ذخیره‌شده آسیب بزنند. «نویز ارت بین سیستمی» (Inter-system Ground Noise) یکی از همین مشکلات است که تجهیزات حفاظتی ویژهٔ برق AC نمی‌توانند آن را اصلاح کنند.
اتصال‌به‌زمین برای ایمنی (Safety Grounding)
همگی تجهیزات فاوای مرکزداده به اتصال جداشدنی سه‌کابلی برق AC (سه‌شاخه) مجهز هستند که اتصال‌به‌زمین را نیز دارد. چندین نوع از تجهیزات همچون لامپ‌ها نیز اتصال جداشدنی دو سیمی (دوشاخه) دارند؛ زیرا برای تغذیهٔ برق AC تنها به دو کابل نیاز هست. کابل سوم کابل اتصال‌به‌زمین است که به همهٔ قطعات فلزی خارجی تجهیزات فاوا اتصال دارد. این کابل از پریز‌های روی دیوارهای ساختمان به لوله‌های مسی آب و قطعات فلزی درون سازه متصل می‌شود. هدف از این سامان‌دهی آن است که هرگاه در تجهیزات فاوا اتصالی روی دهد، کاربران هنگام لمس‌کردن بخش بدون پوششِ قطعات فلزی کامپیوترها و سازهٔ ساختمان، از آسیب شوک الکتریکی در امان باشند. به‌دلایل ایمنی، قطعاتی همچون اتصالات RS-232 و پورت‌های پرینتر نیز همچون قطعات فلزی در معرض خطر به‌شمار می‌روند. ازاین‌رو است که ولتاژ هریک از اتصال‌ها می‌باید زمین شده باشد، یا اختلاف پتانسیل آن با زمین ناچیز باشد. به همین دلیل است که کابل مشترک CPU ـ(CPU Common Wire) یا مرجع زمین کمابیش در تمامی تجهیزات فاوا به کابل اتصال‌به‌زمین تجهیزات (و رک) اتصال دارد.
اگر تجهیزات در یک سیستم با کابل داده به هم متصل شده باشند، اجرای سامان‌دهی اتصال‌به‌زمین نوعی تضاد پدید می‌آورد. بدین معنی که هر دستگاه با اتصالات داخلی، دارای دو اتصال می‌شود که تلاش میکند برای ارتباطات داده، ولتاژ مرجع مشترک تعیین کند: یکی کابل مشترک اتصال داده که دستگاه را به دیگر دستگاه‌ها متصل می‌سازد، دیگری کابل اتصال‌به‌زمین دستگاه.
گاهی چنین سیستمی را «چرخهٔ ارت» (Ground Loop) می‌نامند. در ادامه نشان می‌دهیم که چگونه این چرخه به اختلاف ولتاژ مرجع مشترک میان دستگاه‌های متصل می‌انجامد و به تجهیزات و دادهٔ ذخیره‌شده آسیب می‌زند. اختلاف ولتاژ با زمین را که در میان دستگاه‌های متصل وجود دارد، نباید با دیگر مشکلات برق همچون نویز مد مشترک (Common Mode Noise) یا نویز مد نرمال یا EMI یا RFI اشتباه گرفت. اختلاف ولتاژ با زمین را به نام «نویز ارت بین سیستمی» می‌شناسند.
«نویز ارت بین سیستمی» با «نویز مد مشترک» فرق دارد
یکی از سوء تعبیرهای رایج در حفاظت برق فاوای مرکزداده، مسئلهٔ تفاوت میان نویز ارت بین سیستمی و نویز مد مشترک است. «نویز مد مشترک» نویزی است که در هادی برق، چه برق‌دار چه خنثی، نسبت به هادی زمین ایجاد می‌شود. از سوی دیگر «نویز ارت بین سیستمی» در آن کابل زمین به‌وجود می‌آید که تجهیزات فاوای متصل‌به‌هم را تغذیه میکند. بدین ترتیب اگر تجهیزات فاوا مستقل باشند و با کابل داده به جایی متصل نباشند، نویز ارت بین سیستمی نخواهند داشت. یعنی ممکن است کامپیوتر در حالی که نویز مد مشترک بسیار شدید دارد، هیچ نویز ارت بین سیستمی نداشته باشند، یا برعکس. در نتیجه این دو مورد در واقع مشکلات متفاوت و جدای از هم هستند.
یک دلیل مهمی که موجب پدید آمدن چنین سوء تعبیر و سردرگمی شده این نکته است که تجهیزات حفاظت برق موجب کاهش نویز مد مشترک می‌شوند؛ ولی در اصلاح نویز ارت بین سیستمی هیچ نقشی ندارند. با این حال سازندگان تجهیزات حفاظت برق چون محصولات آنان می‌توانند نویز مد مشترک را اصلاح کنند، می‌خواهند به کاربران بباورانند که نویز ارت بین سیستمی همان نویز مد مشترک است. ادبیات موضوع و باور عمومی به‌اشتباه بر نویز مد مشترک تاکید دارند و نسبت به نویز ارت بین سیستمی بی‌توجه هستند؛ چون منبع اصلی مطالعات فنی و تجاری در این زمینه همان چیزهایی است که سازندگان تجهیزات حفاظت برق انتشار می‌دهند.
منبع و تاثیر نویز ارت بین سیستمی
شکل ۱ نمودار ساده‌شده‌ای است که سیستم مطلوب با اتصالات داخلی را نمایش می‌دهد. کابل‌های اتصال‌به‌زمین از همهٔ تجهیزات به یک منبع وصل شده‌اند تا از کار با ولتاژ یکسان اطمینان حاصل شود. در این کابل‌های زمین هیچ نوع جریانی برقرار نیست و از هیچ میدان مغناطیسی تاثیر نمی‌پذیرند. ازاین‌رو می‌توان مطمئن بود که ولتاژ کابل‌های ارت کاهش نمی‌یابد. بدین ترتیب ولتاژ در همهٔ نقاط کابل‌های ارت یکسان است و هیچ نویز ارت بین سیستمی میان دستگاه‌های متصل در سرتاسر سیستم اتصال‌به‌زمین وجود ندارد. دستگاه نوسان‌سنج (Oscillograph) در نمونهٔ شکل ۱ هیچ نویز جریانی را نشان نمی‌دهد.
شکل ۱: نمودار ساده‌شدهٔ سیستم اتصال‌به‌زمین مرکزداده در حالت مطلوب و بدون نویز ارت بین سیستمی
متاسفانه نویز ارت آثار چشمگیری دارد که جلوی دست‌یافتن به این وضعیت مطلوب را می‌گیرد. در بعضی موارد فراهم‌نبودن شرایط مطلوب به ازدست‌رفتن دادهٔ ذخیره‌شده یا حتی آسیب سخت‌افزاری می‌انجامد. شکل ۲ نمونهٔ سیستمی است که در معرض نویز ارت بین سیستمی قرار دارد. این سیستم با ولتاژ‌های گوناگونی از نویز ارت درگیر است که جریان نویز ارت را در کابل اتصال دادهٔ میان دو سیستم تولید می‌کنند. در چنین وضعیتی نویز ارت مزاحم و مخرب از جریان نویزی ناشی می‌شود که توسط دیگر تجهیزات بر سیستم ارت یکی از کامپیوترها وارد شده است. رخ‌دادن نویز ارت بین سیستمی به‌دلیل مشکلات گوناگونی است که در ادامه بیان خواهیم کرد.
شکل ۲: نمونهٔ سیستم اتصال‌به‌زمین مرکزدادهٔ واقعی که در معرض نویز ارت بین سیستمی است
اعمال نویز ارت
کابل اتصال‌به‌زمین در همهٔ رک‌های فاوای مرکزداده نصب می‌شود؛ ولی تجهیزات از این کابل برای کار دیگری استفاده می‌کنند: فراهم‌ساختن نقطهٔ مرجع، برای فیلتر‌کردن تداخل نامطلوب فرکانس‌های رادیویی در تجهیزات فاوا. نویز مد نرمال و نویز مد مشترک که در کابل‌های برق وجود دارند، توسط فیلترهای موجود در منابع تغذیهٔ هریک از دستگاه‌های فاوا یا منبع تغذیهٔ فضای کاری (Workstation) به کابل ارت وارد می‌شود. صاعقه‌گیرهایی که طراحی نامناسب دارند نیز ممکن است بر این مشکل بیفزایند. چنین وضعیتی موجب می‌شود جریان نویز واردشده بین مرجع مشترک‌های تجهیزات متصل‌به‌هم، ایجاد ولتاژ نویز کند. از آنجا که هرچه فاصلهٔ میان تجهیزات بیشتر باشد ولتاژ نویز نیز افزایش می‌یابد، این مسئله در بعضی وضعیت‌ها ممکن است انتقال داده را با دشواری روبه‌رو کند.
اتصالی [2] در سیستم اتصال‌به‌زمین (Ground Faults)
هرگاه دستگاه‌های متصل‌به‌هم در ساختمان بر مدارهای مختلف قرار داشته باشند، اگر یکی از این مدارها با تجهیزات غیر مرتبطی که مشکل عایق‌بندی دارند مشترک باشد، آنگاه پیش از باز شدن یکی از کلیدهای قدرت و قطع مدار ممکن است به کابل اتصال‌به‌زمین جریان اتصالی شدید وارد آید. چنین جریانی به افزایش ناگهانی ولتاژ ارت در تجهیزات فاوایی می‌انجامد که کلید آن‌ها را تغذیه میکند. افزایش ولتاژ بسته به کیفیت سیستم اتصال‌به‌زمین، ممکن است به‌اندازهٔ چند ولت تا بیش از نصف ولتاژ نامی باشد (۱۲۰ یا ۲۳۰ ولت AC). این وضعیت موجب می‌شود بین نقاط مرجع مشترک تجهیزات متصل‌به‌هم اختلاف ولتاژ رخ دهد که به‌آسانی از مقدار ولتاژ ایمن سیگنال داده بیشتر می‌شود. نتیجهٔ این رخداد آسیب‌دیدن درایورهای ورودی و خروجی و مادربرد CPU است.
جریان‌های ارت
مسئلهٔ جریان ارت رایج‌ترین مشکل شناخته‌شده است. اگر قطعات تجهیزات متصل‌به‌هم با تابلوهای فرعی گوناگون (جعبهٔ شاخه‌مدار) در همان ساختمان یا ساختمان دیگر تغذیه بشوند، آنگاه مشکلات بسیاری پیش می‌آید که موجب می‌شود تغذیهٔ دستگاه‌های متصل‌به‌هم با ولتاژ ارتِ مختلف انجام شود. بسته به قوانین برق منطقه‌ای و ملی ممکن است کابل‌کشی میان تابلوهای فرعی که جداازهم هستند به‌روش‌های متفاوتی اجرا بشوند. بیشتر این سیستم‌های کابل‌کشیِ ارتباط قدرتِ بین‌تابلویی، هیچ تضمین نمی‌کنند که تمامی تابلوهای فرعی با ولتاژ ارت یکسان تغذیه بشوند. اتصالات داخل تابلو در بسیاری از موارد، بخشی از چرخهٔ ارت دیگر هستند (مانند اجزای قاب ساختمان) که به چرخه‌های ارت ایجادشده با اتصالات دادهٔ دستگاه‌ها مرتبط نیست. وضعیت مختلف ممکن است میان تابلوهای فرعی اختلاف ولتاژ ارت خطرناکی به‌وجود آورد. برخورد صاعقه در نزدیکی تاسیسات یکی از این شرایط است که در پی آن جریان‌های القایی صاعقه از چرخهٔ ارت ساختمان به چرخهٔ ارت اتصالات دادهٔ دستگاه‌ها منتقل می‌شود. چاه اتصال‌به‌زمین بی‌کیفیت (با خاک ماسه‌ای)، اتصال کوتاه (باز شدن کلید قدرت) در ساختمان‌های به‌ظاهر نامرتبط یا مدارها، همچنین عملیات تعمیر و نگهداری برق در نزدیکی محل مرکزداده، نمونه‌های دیگر از شرایط آسیب‌رسان هستند. چنین مشکلاتی موجب به‌وجودآمدن اختلاف ولتاژ در میان نقاط مرجع مشترک دستگاه‌ها می‌شود. مقدار آن به‌آسانی ممکن است از مقدار ولتاژ ایمن کابل داده بیشتر بشود و به کارت شبکه و مادربرد CPU آسیب وارد آورد. تاثیر فرعی دیگر آن است که در کابل داده گرما تولید می‌شود؛ چندان داغ که نمی‌توان به آن دست زد.
ولتاژ القایی صاعقه
ولتاژ القایی صاعقه نوع متداول و مخربی از نویز ولتاژ ارت است. در این حالت چرخهٔ ارت مانند آنتن عمل میکند. نویز الکترومغناطیسی ناگهانی و شدیدی پس از برخورد صاعقه به زمین‌های اطراف ایجاد می‌شود که آنتن آن را جذب میکند. این وضعیت ممکن است جریان گردشی شدیدی در چرخهٔ ارت تولید کند که در اثر آن میان نقاط مرجع مشترک دستگاه‌های متصل‌به‌هم اختلاف ولتاژ ایجاد شود. این اختلاف ولتاژ از مقدار ولتاژ ایمنی بیشتر می‌شود که اغلب به کارت شبکه و سپس به مادربرد CPU آسیب می‌رساند. گستردگی این مشکل را ناحیهٔ چرخهٔ ارت تعیین میکند. در موارد نادر انواع دیگری از تجهیزات نیز ممکن است پالس‌های الکترومغناطیسی ایجاد کنند که توسط چرخهٔ ارت جذب شود. مانند دستگاه‌های تصویربرداری NMR/MRI.
قطع کردن چرخه‌های ارت با بریدن کابل
مشخص است که منشأ تمامی این مشکلات چرخهٔ ارتی است که در اتصال‌به‌زمین برای ایمنی ایجاد شده است. در بسیاری از مواقع با قطع اتصال این چرخه در یک قسمت از تجهیزات می‌توان از بروز مشکل پیش‌گیری کرد. البته هرگز نباید کابل زمین را قطع کرد؛ زیرا این کار غیرقانونی است و سیستم را در معرض شوک شدید قرار می‌دهد. گاهی پیشنهاد می‌شود این مشکل با به‌کارگیری ترانسفورماتور ایزولاسیون برطرف گردد که روش موثری نیست. همهٔ سازمان‌های ایمنی تاکید دارند که کابل ارت ترانسفورماتور ایزولاسیون می‌باید از بین ورودی و خروجی بگذرد؛ فقط کابل برق را می‌توان ایزوله کرد.
بعضی از تجهیزات در برابر نویز ارت بین سیستمی نسبتا ایمن هستند
بعضی از کابل‌های شبکه به‌خوبی ایزوله شده‌اند و هنگام به‌کاررفتن در میان تجهیزات یا اتصالات داخلی چرخهٔ ارت ایجاد نمی‌کنند. در اینجا ممکن است که ولتاژ نویز ارت بین سیستمی به‌وجود آید؛ ولی تاثیری نخواهد داشت. کابل‌های فیبر نوری و اترنت از نوع ایمن هستند. [به مقالهٔ اتصال‌به‌زمین (Grounding) و استفاده از سیستم SRG در مرکزداده، جدول ۱ مراجعه کنید. [3]]
بعضی تجهیزات در برابر نویز ارت بین سیستمی بسیار آسیب‌پذیر هستند
اتصالات RS-232، کابل پرینتر طولانی (دیتا)، کابل UPS، کابل AUI شبکه همگی نمونه‌هایی از اتصالات داخلی هستند که در معرض نویز ارت بین سیستمی قرار دارند. دربارهٔ روش‌های پیش‌گیری از مشکلات در کار با اتصالات RS-232 به مقالهٔ «حفاظت از اتصالات سری RS-232» ـ[4] مراجعه کنید. در این مقاله همچنین پیشنهادهایی برای کابل‌کشی برق ارائه شده که نویز ارت بین سیستمی را کاهش می‌دهد. برای درک تاثیر مشکلات برق بر کابل‌کشی شبکه، مقالهٔ «آسیب‌پذیری تجهیزات فاوا نسبت به نویز مد مشترک» [5] را مطالعه کنید.
نتیجه‌گیری
نویز ارت بین سیستمی نوعی از مشکلات برق است که به‌خوبی درک نمی‌شود. این مشکل تجهیزات را به کارکرد نادرست وامی‌دارد و به آن‌ها آسیب می‌رساند. این مشکل به‌مرور زمان با فراگیر شدن استفاده از اتصالات شبکهٔ اترنت و فیبر نوری که به‌لحاظ الکتریکی ایزوله هستند، کاهش یافته است. به‌کاربردن اتصالات ایزوله‌نشده همچون RS-232، اتصال موازی، همچنین USB، کارکرد تجهیزات را در معرض ریسک نویز ارت بین سیستمی قرار می‌دهد. طول چنین اتصالاتی باید کوتاه باشد و تجهیزات به‌هم‌متصل از یک شاخه‌مدار تغذیه بشوند.
پانویس
[1] این مطلب بخشی از کتاب «آئین‌نامهٔ مهندسی مرکزداده» و ترجمهٔ فارسی مقالهٔ زیر است:
APC White Paper 8: “Inter-system Ground Noise: Causes and Effects” (Revision 2)
نویسنده نیل راسموسن (Neil Rasmussen) [آشنایی با نویسنده و مطالعه‌ی مقالات فارسی او]، مترجم نازلی مجیدی، بازنویسی و ویراستاری پرهام غدیری‌پور، به‌کوشش دکتر بابک نیکفام، تهیه‌شده در باشگاه مراکزداده
[2] اتصال کوتاه
[3] APC White Paper 87: Grounding and the Use of the Signal Reference Grid in Data Centers
[4] APC White Paper 16: Protection of RS-232 Serial Connections
[5] APC White Paper 9: Common Mode Susceptibility of Computers
درج دیدگاه