Stromversorgung und Kühlung für VoIP- und IP ... · Nebenstellenanlagen (PABX) ersetzen zu können, muss die IP-Telefonie eine vergleichbare oder höhere Verfügbarkeit aufweisen

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Stromversorgung und Kühlung für VoIP- und IP-Telefonieanwendungen

Zusammenfassung

Mit der Einführung der IP-Telefonie mussten Verfahren entwickelt werden, die IP-Telefone über Ethernet LAN-Switches mit Strom versorgten. IP-Telefone waren die ersten Geräte, bei denen die Strom-versorgung per Ethernet (Power over Ethernet, PoE) genutzt wurde. Mittlerweile sind viele Geräte hinzu-gekommen, beispielsweise Wireless Hubs und IP-fähige Überwachungs-kameras. Federführend bei der Entwicklung von Power over Ether-net war Cisco Systems. Mit der Einführung des Standards IEEE 802.3af für die Stromversor-gung über Datenkabel wurden neue und innovative Anwendungen für dieses Konzept möglich. Das Spektrum reicht hier vom Magnet-kartenleser bis zur E-Gitarre.

Die Installation von PoE-Geräten wie IP-Telefonen kann unerwartete bzw. ungeplante Anforderungen an die Stromversorgung und Kühlung in Kabelschränken und Verteilerräu-men stellen. Viele Unternehmen fordern von der IP-Telefonie die gleiche Verfügbarkeit wie von den vorhandenen herkömmlichen PABX-Systemen. In den meisten Kabel-schränken stehen jedoch weder unterbrechungsfreie Stromversor-gungen noch Möglichkeiten zur

Lüftung oder Kühlung zum Schutz vor Überhitzung zur Verfügung, wodurch die Verfügbarkeit beein-flusst werden könnte. Kenntnisse der besonderen Anforderungen von PoE-Geräten an Kühlung und Stromversorgung ermöglichen die Planung einer erfolgreichen und kostengünstigen Installation.

Dieses Dokument beschreibt, welche Anforderungen der IP-Telefonie an Stromversorgung und Kühlung bei der Planung zu berück-sichtigen sind, und zeigt einfache, schnelle, zuverlässige und kosten-günstige Verfahren für die Aktuali-sierung älterer sowie den Bau neuer Anlagen auf.

Einführung

Um herkömmliche automatische Nebenstellenanlagen (PABX) ersetzen zu können, muss die IP-Telefonie eine vergleichbare oder höhere Verfügbarkeit aufweisen. Einer der Gründe für die hohe Verfügbarkeit eines herkömmlichen Telefonsystems ist die Tatsache, dass es auf Verfahren basiert, die auch in öffentlichen Fernsprechäm-tern Verwendung finden.

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Eine typische Nebenstellenanlage verfügt über eine eingebaute Siche-rungs batterie, die bei einem Strom-ausfall eine lange Laufzeit gewähr-leistet und zudem das Telefon mit Strom versorgt. Bei der Entwicklung von IP-Telefonen wurde das be-währte Prinzip übernommen, die Energie zusammen mit dem Signal auszuliefern, wobei IP-Telefone vom Ethernet-Switch mit Strom versorgt werden und somit lokale Stromver-sorgungen überflüssig werden. Damit die gleiche Verfügbarkeit wie bei herkömmlichen Nebenstellenan-lagen erreicht wird, müssen Ether-net-Switches gegen Stromausfälle geschützt werden.

Mit der Stromversorgung von IP-Telefonen über das Ethernet müs-sen im Kabelschrank, der bisher nur LAN-Switches und Hubs mit gerin-ger Leistungsaufnahme beinhaltete, jetzt leistungsabgebende Ethernet-Switches und USVen mit langer Laufzeit untergebracht werden, um die Netzwerkverfügbarkeit zu gewährleisten. Aufgrund der stei-genden Anforderungen an die Leistungsabgabe erweisen sich die Kühlung und Luftzirkulation in diesen Kabelschränken als wichtiger Aspekt für einen unterbrechungs-freien Betrieb.


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Ein typisches Campus LAN-Netzwerk ist aus Schichten aufgebaut, die jeweils aus den Komponenten in einer von vier möglichen Räumlichkeiten bestehen (Abb. 1). Die Anforderungen dieser vier Räumlichkeiten an die Stromversorgung und die Kühlung unterscheiden sich wie in den folgenden Abschnitten gezeigt.

Abbildung 1 Schichten und Räumlichkeiten eines typischen IP-Telefonienetzwerks

Kommunikationsgeräte

Typische PD-Geräte (Powered Devices) innerhalb von Campus LAN-Netzwerken sind IP-Telefone (Abb. 2), drahtlose Hubs (Abb. 3) sowie Laptops mit Softphone-Programmen, die IP-Telefoniefunktionen bieten. Obwohl IP-Telefone, wie das Cisco® IP Phone 7960G, in der Regel 6 bis 7 Watt an Leistung aufnehmen, kön-nen andere Geräte, wie Wireless Access Points, eine höhere Leistungsaufnahme aufweisen. Der IEEE 802.3af-Standard begrenzt den maximalen von einem PD-Gerät über CAT5-Kabel aufgenommenen Strom auf 350 mA, wodurch ein Leistung von ca. 13 Watt1 am PD-Gerät bis zu einer Entfernung von 100 Metern bereitgestellt wird. Bei Geräten, die eine höhere Leistungsaufnahme benötigen, kann das PD-Gerät nicht von einer IEEE 802.3af-kompatiblen Stromquelle versorgt werden, und muss auf lokale Stromquellen (Power Bricks) zurückgreifen.

1. Tatsächlich ermöglicht IEEE 802.3af eine Leistungsaufnahme von 15,4 Watt am PSE-Gerät und 12,95 Watt am PD-Gerät.


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Abbildung 2 IP-Telefon

Abbildung 3 Wireless Access Point

Umgebung

PD-Geräte sind gewöhnlich auf Schreibtischen platziert, manchmal auch an der Wand montiert, und werden in Büroumgebungen verwendet. Bei neu installierten PD-Geräten und aktualisierten Netzwerken erfolgt die Stromversorgung der PD-Geräte meistens über die Datenverbindungen, wenn auch in einigen Fällen lokale Netzsteckdosen verwendet werden können.

Probleme

PD-Geräte wie IP-Telefone müssen normalerweise ebenso verfügbar sein wie die von ihnen ersetzten her-kömmlichen Telefone. Das größte Problem, das es hierbei zu lösen gilt, besteht darin, ihren kontinuierlichen Betrieb selbst bei einem längeren Stromausfall sicherzustellen.

Empfohlene Vorgehensweisen

Den Strom über die Datenverbindung an die Telefone zu senden (Power over Ethernet) stellt die beste Mög-lichkeit zur Lösung dieses Problems dar, da dadurch einige der Schwierigkeiten einer wirtschaftlichen USV-Stromversorgung auf dem Schreibtisch umgangen werden können. Durch den Einsatz von PoE (Power over Ethernet) wird der Strom jetzt über einen Ethernet-Switch im Kabelschrank in das Telefon eingespeist, wobei der Switch eventuell durch ein USV-System mit langer Betriebszeit unterstützt wird. Dies ermöglicht eine ko-steneffiziente IP-Telefonie- und Netzwerkinfrastruktur mit hoher Verfügbarkeit. Für PD-Geräte ohne PoE-Unterstützung oder solche, die mehr als 15,4 Watt benötigen, kann die Stromversorgung über eine lokale Netzsteckdose mit einem kleinen akkugestützten USV-System erfolgen.


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IDF (Intermediate Distribution Frame)

Ein IDF (Intermediate Distribution Frame) oder Kabelschrank besteht in der Regel aus Zugriffs- und Vertei-lungs-LAN-Switches für das Ethernet, wie den Cisco® Catalyst Multiservice-Switches, Patchfeldern, USV-Systemen mit Batterie und verschiedenen anderen Telekommunikationsgeräten, die in einem zweistrebigen Rack montiert sind (Abb. 4 und 5). Für die Unterstützung von IP-Telefonen und anderen PD-Geräten müssen PSE-fähige LAN-Switches (PSE, Power Source Equipment), wie die Cisco Catalyst Multiservice LAN-Switches, die Strom über Datenverbindungen übertragen können (so genannte „End-Span“-Netzteile), eben-falls in den IDFs unterstützt werden. Für Switches ohne diese Fähigkeit beschreibt der IEEE 802.3af-Standard ein externes „Mid-Span“-PSE zur Einspeisung von In-Line-Strom.

Abbildung 4 IDF (Kabelschrank)


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Abbildung 5 Typisches IDF-Layout

Umgebung

Solche IDFs oder Kabelschränke sind gewöhnlich in einem abgelegenen Raum des Gebäudes mit wenig oder gar keiner Lüftung und Beleuchtung verborgen. Sofern der Kunde nicht in ein neues Gebäude umzieht, wird er diese Kabelschränke aufgrund von Kostenaspekten und dem mit einer Neuverkabelung verbundenen Personalaufwand wiederverwenden wollen. Traditionell wurden Kabelschränke für Kabelendverschlüsse, Patchfelder und kleine stapelbare Hubs oder modulare Switches verwendet. Obwohl PSE-fähige Ethernet-Switches in ein 19-Zoll-Standardgehäuse passen, ist die aufgenommene und abgegebene Leistung wesent-lich höher als bei nicht PSE-fähigen Ethernet-Switches. Darüber hinaus stellen PSE-fähige Ethernet-Switches höhere Anforderungen an Kühlung und Luftzirkulation und weisen je nach PSE LAN-Switch-Hersteller unter-schiedliche Luftzirkulationsmuster auf (z. B. von Seite zu Seite oder von vorne nach hinten usw.). Ein typi-sches IDF nimmt im Allgemeinen Geräte im Ausmaß von ein bis drei Racks auf und zieht 500 bis 6000 W einphasigen Wechselstrom pro PSE-fähigem Gerät.

Dies kann deutliche Auswirkungen haben, falls sich ein Benutzer dazu entschließt, die Netzteile und Lei-tungskarten eines vorhandenen Gehäuses für die Unterstützung von Power over Ethernet aufzurüsten, oder die Anzahl der PD-Geräte zu erhöhen, die ein Gehäuse aufnehmen kann. Wenn sich auch die Power over Ethernet-Unterstützung auf vorhandene Gehäuse relativ einfach mithilfe modularer Switch-Systeme wie den Cisco Catalyst 6500 und Catalyst 4500 Ethernet-Switches ausweiten lässt, so ist zu bedenken, dass die An-forderungen an die Stromversorgung und Kühlung des Kabelschranks eventuell ebenfalls nachgerüstet wer-den müssen.


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Probleme

Bei der Bereitstellung von Power over Ethernet erfordern die IDFs die meiste Aufmerksamkeit, was die Stromversorgung und die Kühlung angeht.

PSEs haben je nach Art des verwendeten Switches und der Anzahl der zu unterstützenden PD-Geräte eine Leistungsaufnahme im Bereich von 500 bis 6000 W einphasig bei entweder 120 oder 208 V Wechselstrom. Die zur Unterstützung aller PD-Geräte erforderliche Leistung, d. h. IP-Telefone, Wireless Access Points und der PSE-Hardware einschließlich Leitungskarten, Supervisor, Fabric-Module etc. (Abb. 6), muss berechnet werden, um die Größe des erforderlichen Netzteils zu ermitteln. Die Berechnung der erforderlichen maxima-len Gesamtlast ist relativ einfach, da sich diese aus der Summe der maximalen Leistungsaufnahme aller PD-Geräte plus der der Switch-Komponenten ergibt. Folgendes sollte beachtet werden: Obwohl die Energiever-waltung eventuell die maximale budgetierte Leistungsaufnahme der PD-Geräte zur Grundlage nimmt, wird dieser Höchstwert nur selten erreicht.

Abbildung 6 Komponenten bei der Leistungsaufnahme

Nach der Klärung des Leistungsbedarfs kann die strombezogene Infrastruktur des Kabelschranks ermittelt werden. Nach der Ermittlung des Leistungsbedarfs kann der richtige Steckdosentyp (z. B. L5-20, L5-30, L6-20, L6-30) und die richtige Leistung mit den entsprechenden Sicherungen für sämtliche Netzwerkgeräte zur Verfügung gestellt werden. Darüber hinaus lassen sich die USV- und PDU-Anforderungen für den Kabel-schrank ermitteln. Kühlung und Luftzirkulation in diesen Kabelschränken stellen häufig ein größeres Problem dar, das aber oftmals ignoriert wird.


Zum Schutz vor Stromausfällen und potenziell schädlichen Stromschwankungen sollten alle Geräte im IDF durch ein USV-System gesichert sein. Die Auswahl des USV-Systems beruht auf den folgenden Faktoren:

• Gesamte erforderliche Leistungsaufnahme in Watt • Erforderliche Betriebszeit in Minuten • Gewünschte Stufe der Redundanz oder Fehlertoleranz • Erforderliche Spannung und Steckdosen

Das USV-System sollte nach der Summe der Watt-Zahlen aller Lasten dimensioniert werden. Ein übliches USV-System für die Rackmontage, wie das APC Smart-UPS von American Power Conversion Corporation (Abb. 7), bietet eine Stromverfügbarkeit von ungefähr 99,99 Prozent, während ein N+1 redundantes USV-


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System mit integriertem Bybass, wie das APC Symmetra RM (Abb. 8), bei einer Stunde Betriebszeit einen Wert von 99,999 % erreicht, was für die meisten Anwendungen ausreichen sollte. Einzelheiten zur Verfügbar-keitsanalyse finden Sie im Anhang.

Abbildung 7 APC Smart-UPS

Abbildung 8 APC Symmetra RM

USV-Produkte sind mit Akkukapazitäten für verschiedene Betriebszeiten erhältlich. Die Produkte der in Abb. 7 und 8 gezeigten Typen weisen optionale Batterien auf, mit denen sich die Betriebszeit auf bis zu 24 Stunden verlängern lässt.

Höhere Verfügbarkeitswerte mit bis zu fünf Neunen hinter dem Komma können für einige lebenserhaltende Anwendungen wie Notrufdienste erforderlich sein. Solche Anforderungen können durch Netzwerk-Switches mit doppelten PSUs und Stromkabeln, doppelte USVen und parallel zu wartende elektrische Anlagen mit Not-stromgeneratoren erfüllt werden. Viele Unternehmen wie die American Power Conversion Corporation bieten eigens Beratungsdienste für Verfügbarkeitslösungen an, um Hochverfügbarkeits-Infrastrukturen für solche kri-tischen Netzwerke zu bewerten und zu empfehlen.

Schließlich müssen Sie die passenden Stecker und Steckdosen des Kabelschranks für sämtliche Geräte ein-schließlich der USV ermitteln. Im Idealfall sollten sämtliche Geräte direkt an der Rückseite der USV oder des Transformators angeschlossen werden. Vermeiden Sie die Verwendung von zusätzlichen Steckdosenleisten oder Rack-PDUs. Bei vielen Geräten ist dies jedoch nicht immer möglich, sodass in diesem Fall eine Rack-PDU-Leiste verwendet werden sollte. Verwenden Sie in diesem Fall eine ausdrücklich für diesen Zweck ent-worfene Rack-PDU hoher Qualität. Die PDU muss über genügend Steckdosen verfügen, um sämtliche vor-handenen Geräte anzuschließen, und zusätzlichen Platz für zukünftige Erweiterungen bieten. PDUs mit einer


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Anzeige der aktuellen Leistungsaufnahme sind zu bevorzugen, da sie Fehler durch menschliches Versagen, z. B. versehentliche Überlastung und daraus resultierenden Lastabfall, vermeiden helfen.

Um Sie bei der Auswahl des passenden USV-Modells für die gewünschte Leistung, Redundanz, Spannung und Betriebszeit zu unterstützen, hat die American Power Conversion Corporation einen webbasierten USV-Selektor entwickelt, der unter folgender Adresse verfügbar ist: http://www.apcc.com/template/size/apc/. Dieses System enthält Leistungsdaten für alle verbreiteten Switches, Server und Speichergeräte. So entfällt der Aufwand, diese Daten zusammenzutragen. In Systemen wie diesem erhalten Sie bei der Auswahl zur Konfiguration einer USV verschiedene Optionen für Steckdosen.

Um den kontinuierlichen Betrieb der Geräte im Kabelschrank rund um die Uhr zu gewährleisten, müssen Pro-bleme bei der Kühlung und Luftzirkulation erkannt und behoben werden. Der Energieverlust innerhalb des Kabelschranks muss berechnet werden, um eine kostengünstige Lösung für das Problem zu finden (siehe Tabelle 1). Besonders wichtig ist hierbei zu erkennen, dass viele Netzwerk-Switches eine Menge Strom zie-hen, was aber nicht bedeutet, dass sie ihn innerhalb des Kabelschrankes umsetzen. Ein Ethernet-Switch kann z. B. eine Leistung von 1800 W aufnehmen, davon aber nur 200 – 500 W innerhalb des Kabelschranks umsetzen. Der Rest der Energie wird über das Netzwerk in die verschiedenen im Büro verteilten IP-Telefone eingespeist.

Tabelle 1 Arbeitsblatt zur Berechnung der Abwärme in einem WLAN-Kabelschrank

Element Erforderliche Daten Berechnung der Abwärme

Zwischensumme der Abwärme

Cisco Catalyst Multiser-vice Switches ohne In-Line-Stromversorgung, andere IT-Geräte (außer Mid-Span-Netzteilen)

Summe der angegebe-nen Leistungsaufnahme in Watt

Identisch mit Leistungs-aufnahme in Watt

_____________ Watt

Cisco Catalyst Multiser-vice Switches mit In-Line-Stromversorgung

Angegebene Lei-stungsaufnahme in Watt

0,6 x Leistungsaufnahme _____________ Watt

Mid-Span-Netzteile Angegebene Lei-stungsaufnahme in Watt

0,4 x Leistungsaufnahme _____________ Watt

Beleuchtung Leistungsaufnahme aller permanent eingeschalteten Beleuchtungskörper in Watt

Leistungsaufnahme _____________ Watt

USV-System Leistungsaufnahme des USV-Systems (nicht die Last) in Watt

0,09 x USV-Leistungsaufnahme

_____________ Watt

Gesamt: Zwischensummen aller anderen Variablen

Summe aller Abwärme-Zwischensummen

_____________ Watt


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Nachdem Sie die im Kabelschrank umgewandelte Energie berechnet haben, folgen Sie den Hinweisen in Tabelle 2.

Tabelle 2 Arbeitsblatt zu Kühlungslösungen für VoIP-Kabelschränke

Gesamte Wärmelast im Schrank Zustand Analyse Vorgehen

< 100 W Gebäudegleichgewicht entspricht gewünschten Bedingungen.

Leitung durch Wände und Einsik-kerung sind ausreichend.

Keine

< 100 W Gebäudegleichgewicht entspricht nicht den ge-wünschten Bedingungen, kein Klima- und Lüftungssystem.

Frischluft von außerhalb des Raums ist aufgrund von Tempera-tur und Verunreinigungen nicht geeignet.

Installieren Sie eine in sich abgeschlossene Computerkli-maanlage in dem Schrank neben den Geräten.

100–500 W Klima- und Lüftungssystem in der abgehängten Decke, Gebäudegleichgewicht entspricht den gewünschten Bedingungen.

Frischluft von außerhalb des Schranks ist ausreichend, wenn sie ins Innere gelangen kann, wobei die Tür jedoch den Luftstrom hemmen kann. Lassen Sie die Luft durch die Tür ein, und saugen Sie sie über die Ablufteinrichtung der Klima- und Lüftungsanlage ab.

Bauen Sie ein Abluftgitter in das Lüftungssystem oben im Kabel-schrank ein und platzieren Sie einen Lüftungsschlitz in der unteren Hälfte der Tür.

100–500 W Es besteht kein Zugang zu einem Klima- und Lüftungs-system, das Gebäudegleich-gewicht entspricht den gewünschten Bedingungen.

Frischluft von außerhalb des Schranks ist ausreichend, wenn sie ins Innere gelangen kann, wobei die Tür jedoch den Luftstrom hemmen kann. Lassen Sie Luft im unteren Bereich der Tür herein, und sorgen Sie für eine Abluftlö-sung im oberen Bereich der Tür.

Bauen Sie ein Abluftgitter oben in der Tür und einen einwärts gerichteten Lüftungsschlitz in der unteren Hälfte der Tür ein.

500–1000 W Klima- und Lüftungssystem in der abgehängten Decke, Gebäudegleichgewicht entspricht den gewünschten Bedingungen.

Frischluft von außerhalb des Schranks ist ausreichend, wenn sie kontinuierlich ins Innere gelangen kann, wobei die Tür jedoch den Luftstrom hemmen kann und ein kontinuierlicher Lüfterbetrieb erforderlich, aber nicht gegeben ist.

Bauen Sie ein Abluftgitter mit Ventilator oben im Kabelschrank ein und platzieren Sie einen Lüftungsschlitz in der unteren Hälfte der Tür.

500–1000 W Es besteht kein Zugang zu einem Klima- und Lüftungs-system, das Gebäudegleich-gewicht entspricht den gewünschten Bedingungen.

Frischluft von außerhalb des Schranks ist ausreichend, wenn sie kontinuierlich ins Innere gelangen kann, wozu jedoch keine Möglich-keit besteht.

Bauen Sie ein Abluftgitter mit Ventilator im oberen Bereich der Tür ein und platzieren Sie ein Lüftungsgitter in der unteren Hälfte der Tür.

> 1000 W Zugängliches Klima- und Lüftungssystem in der abgehängten Decke, Gebäu-degleichgewicht entspricht den gewünschten Bedingungen.

Frischluft von außerhalb des Schranks ist ausreichend, wenn sie direkt an die Geräte gelangen und keine verbrauchte Luft von den Geräten wieder eingeführt werden kann.

Platzieren Sie die Geräte in einem abgeschlossenen Rack mit einem Reinigungssystem für heiße, verbrauchte Luft und bauen Sie ein Lüftungsgitter in der unteren Hälfte der Tür ein.

> 1000 W Es besteht kein Zugang zu einem Klima- und Lüftungs-system, das Gebäudegleich-gewicht entspricht den gewünschten Bedingungen.

Luft durch die Tür zu bewegen ist nicht ausreichend, eine lokale Kühlung der verbrauchten Luft ist erforderlich.

Installieren Sie eine in sich abgeschlossene Computerkli-maanlage in dem Schrank neben den Geräten.


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Schließlich ist eine Überwachung der Umgebungsbedingungen (z. B. Temperatur und Luftfeuchtigkeit) in sol-chen Kabelschränken unbedingt empfehlenswert, um abweichende Bedingungen rechtzeitig zu erkennen, ausreichend Zeit für vorbeugende Maßnahmen zu haben und Ausfallzeiten zu verringern.

MDF (Main Distribution Frame)

MDFs (Main Distribution Frames), auch als MERs (Main Equipment Rooms) oder POP (Point of Ping or Presence) bezeichnet, enthalten die wichtigsten Komponenten für die IP-Telefonie, wie Call Manager, Cisco-Router, Cisco Catalyst Multiservice-Switches (z. B. die Cisco Catalyst 6500 Series) verschiedene andere Netzwerk-, IT- und Telekommunikationsausstattung, wie die in Abbildung 9 gezeigten betriebskritischen Anwendungsserver.

Abbildung 9 Main Distribution Frame

Umgebung

MDFs befinden sich im Allgemeinen im Keller oder im Erdgeschoss. Ein typischer MDF hat ungefähr 4–12 Racks für Geräte und zieht 4 bis 40 kW ein- oder dreiphasigen Wechselstrom von 208 V. Er erfordert unter Umständen auch –48 V Gleichspannung. Die meisten Racks im MDF sind offene zweistrebige Modelle, in denen sich verschiedene IP-Telefonie- und IT-Geräte montieren lassen. Diese Geräte können unterschied-liche Luftzirkulationsmuster aufweisen, z. B. von einer Seite zur anderen oder von vorne nach hinten, und eignen sich für die Montage in 19- oder 23-Zoll-Racks. Der Großteil neuer EDV-Geräte lässt sich jedoch in 19-Zoll-Racks einbauen.

Probleme

Einige MDF-Räume enthalten keine USV, viele verfügen nicht über ausreichende Akkubetriebszeit, und oft-mals gibt es auch kein dediziertes, geregeltes Luftkühlungssystem.


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Da MDFs eine Vielzahl verschiedener kritischer Netzwerk-, IT- und Telefoniegeräte beherbergen, sollten sie wie kleine Datencenter oder Computerräume behandelt werden. Um eine Stromverfügbarkeit von ungefähr 99,999 % zu erreichen, sollte der MDF-Raum durch eine modulare, redundante USV mit internem Bypass und mindestens 30 Minuten Batteriezeit geschützt sein. Höhere Betriebszeiten mit höherer Verfügbarkeit (vier oder fünf Neunen hinter dem Komma) lassen sich durch Ethernet-Switches mit doppelten PSUs mit se-paraten Stromkabeln, doppelte Stromkabel, doppelte USVen und parallel zu wartende elektrische Anlagen mit Notstromgenerator erreichen. Unternehmen wie die American Power Conversion Corporation bieten speziali-sierte Beratungsdienste für Stromverfügbarkeitslösungen an, um Leistungs- und Kühlarchitekturen mit hoher Verfügbarkeit für solche kritischen Netzwerkinfrastrukturen zu bewerten und zu empfehlen.

MDFs sollten über eigene gute Luftkühlungseinheiten mit Überwachung der Umgebungsbedingungen verfü-gen. Für betriebskritische Anwendungen mit höherer Verfügbarkeit sollten redundante Luftkühleinheiten in Erwägung gezogen werden. Racks mit hoher Leistungsdichte (> 3 kW pro Rack) sollten zusätzliche Luftum-wälz- und -absaugeinheiten enthalten, um lokale Überhitzung (Hotspots) zu vermeiden. Anders als in Servern und Speichergeräten verläuft die Luftzirkulation in Switches quer, das heißt von einer Seite zur anderen. Dies führt bei der Installation in Umgebungen mit geschlossenen Racks zu besonderen Problemen. Mehr darüber erfahren Sie im APC White Paper Nr. 50, „Mögliche Kühlverfahren für Rackgeräte mit seitlicher Luftstromführung“.

Datencenter und Serverfarmen

Das Datencenter oder die Serverfarm (Abb. 10) beherbergt sämtliche betriebskritischen Anwendungsserver, einschließlich Anwendungsserver für die IP-Telefonie (z. B. Cisco Call Manager, Unified Messaging Systems etc.). Je nach Netzwerkarchitektur und Größe des Unternehmens sind hier eventuell auch Hochleistungs-Ethernet-Switches, wie die Cisco Catalyst 6500 Series Multiservice-Switches und Servicemodule, wie das Content-Servicemodul und das Firewall-Servicemodul, untergebracht. Je nach Größe (klein, mittel oder groß) kann ein typisches Datencenter oder eine Datenfarm Dutzende oder gar Hunderte von Racks umfassen, in denen wiederum Dutzende oder Hunderte von Servern montiert sind und verschiedene IT-, Netzwerk- und Rechnersysteme geschäftskritische Anwendungen, wie ERP (Enterprise Resource Planning), CRM (Customer Relationship Management) und andere Web-basierte Dienste ausführen.


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Abbildung 10 Typisches Datencenter oder typische Serverfarm

Umgebung

Datencenter nehmen in der Regel mindestens zwischen 10 kW ein- oder dreiphasigen Wechselstrom von 208 V auf. Die Werte können jedoch bis auf Hunderte von Kilowatt dreiphasigen Wechselstroms von 480 V ansteigen. Auch wenn einige herkömmliche Telekommunikationsgeräte vereinzelt einen Leistungsbedarf von -48 V Gleichspannung haben, sind hauptsächlich Wechselstromlasten erforderlich. Die Mehrzahl der Daten-center ist mit akkugepufferten USVen, Notstromgeneratoren und geregelten Luftkühlsystemen ausgerüstet.

Probleme

IP-Telefonie-Server und -Switches bilden im Grunde genommen zufällige, inkrementelle Lasten für das Datencenter, die unter Umständen höhere Betriebszeiten, Redundanz und Verfügbarkeit erfordern als andere IT- und Netzwerkgeräte.


Auch wenn viele Datencenter über ihre eigenen USV und Generatoren verfügen, kann es notwendig sein, ei-ne separate, redundante USV mit langer Batteriezeit für die IP-Telefoniegeräte zur Verfügung zu stellen. Die IP-Telefoniegeräte, die längere Betriebszeiten und eine höhere Verfügbarkeit benötigen, sollten ermittelt und in eigenen Racks innerhalb des Datencenters gruppiert werden, um die Kosteneffizienz dieses höheren Red-undanzgrads zu maximieren und die Auswirkungen von Ausfällen zu minimieren. Diese Racks können dann mit einer eigenen USV mit längerer Betriebszeit und je nach Bedarf mit N+1- oder N+2-Verfügbarkeit ausge-stattet werden. Dieses Prinzip der „gezielten Verfügbarkeit“ hilft die Verfügbarkeit von geschäftskritischen IP-Telefoniegeräten zu erhöhen, ohne große Investitionen für das gesamte Datencenter treffen zu müssen. Höhere Ebenen der Redundanz wie doppelte Einspeisung mit doppelten Generatoren und doppelten N+1-USVen mit doppelter Stromversorgung auf dem gesamten Weg vom Server und anderen wichtigen Geräten im Rack können wie hochgradig verfügbare Datencenter und Netzwerke eingesetzt werden.


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Es sollte im Rahmen einer sorgfältigen Planung überprüft und sichergestellt werden, dass das Kühlsystem im Datencenter ausreichend Kapazität für die zusätzlichen Power over Ethernet-Anforderungen aufweist, falls ei-ne große Anzahl von PSE-fähigen Ethernet-Switches, die PD-Geräte versorgen, innerhalb des Datencenters untergebracht werden sollen. Unter Umständen können redundante Kühleinheiten eingesetzt werden, um ei-ne höhere Verfügbarkeit zu erzielen. Racks mit hoher Leistungsdichte (> 3 kW pro Rack) sollten zusätzliche Luftumwälz- und -absaugeinheiten enthalten, um Hotspots zu vermeiden. Vermeidbare Fehler, die bei der In-stallation von Kühlsystemen und Racks in Datencentern oder Serverräumen regelmäßig gemacht werden, ge-fährden die Verfügbarkeit und erhöhen die Kosten. Weitere Informationen zu diesem Thema bietet das APC White Paper Nr. 49, „Avoidable Mistakes that Compromise Cooling Performance in Data Centers and Network Rooms“ (Vermeidbare Fehler, die die Kühlleistung in Datencentern und Netzwerkräumen beeinträchtigen).

Ergebnisse

Die Versorgung von IP-Telefonen mit Power over Ethernet ist kein neues Konzept. Seit 1999 hat Cisco Systems® über acht Millionen IP-Telefone ausgeliefert, und die Einführung der IP-Telefonie gewinnt immer mehr an Akzeptanz. Darüber hinaus führt die Standardisierung von Power over Ethernet durch IEEE 802.3af und die Akzeptanz von Power of Ethernet zu neuen und innovativen Anwendungen, wie z. B. PoE-fähige in-telligente Gebäudeverwaltungssysteme und IP-basierte Videoüberwachung.

Häufig werden jedoch Aspekte hinsichtlich der Leistungsabgabe sowie der Verfügbarkeit von Strom und Küh-lung außer Acht gelassen. Dieses Dokument erläutert die Probleme und Überlegungen, die bei einer PoE-Implementierung berücksichtigt werden müssen. Diese lassen sich kurz wie folgt zusammenfassen:

• Die Verwendung von PD-Geräten in Büroumgebungen ruft keine Probleme hervor. • Es gibt keine größeren Probleme in Datencentern oder Serverfarmen, da PoE-fähige Geräte nur gele-

gentliche inkrementelle Lasten hervorrufen. • Es kann für „gezielte Verfügbarkeit“ für PSE-fähige Ethernet-Switches gesorgt werden. • Innerhalb MDFs können begrenzt Probleme bezüglich der erforderlichen Betriebszeit auftreten, die sich

aber durch die Bereitstellung eines Generators oder eines größeren Pufferakkus in einer USV lösen lassen.

• Die größten Probleme bezüglich Stromversorgung und Kühlung treten in Kabelschränken auf. Kleine, dedizierte USVen mit verlängerter Betriebszeit bilden im Vergleich zu einer großen, zentralen USV, die alle Kabelschränke versorgt, eine kostengünstige Lösung. Die Kühlung ist in Kabelschränken ein beson-deres Problem, wobei in manchen Fällen jedoch eine einfache Lüftung ausreicht. In manchen Fällen ist eine gezielte Punktkühlung notwendig.

Die American Power Conversion Corporation bietet Beratungsdienste für Stromverfügbarkeitslösungen an, um Leistungs- und Kühlarchitekturen mit hoher Verfügbarkeit zur Unterstützung von kritischen Netzwerkinfra-strukturen zu bewerten und zu empfehlen. Dazu zählen Energieentwürfe für hohe Verfügbarkeit für Datencen-ter, Datennetzwerk- und IP-Telefonieimplementierungen, die die Hochverfügbarkeits-Entwurfsprinzipien von Cisco ergänzen.


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Bibliografie

1. APC White Paper Nr. 37: “Überdimensionierte Datencenter und Serverraum-Installationen: Kostenvermeidung”

2. APC White Paper Nr. 5: “Cooling Imperatives for Data Centers and Network Rooms” (Notwendige Kühlsy-stemanforderungen für Datencenter der nächsten Generation)

3. APC White Paper Nr. 24: “Effect of UPS on System Availability” (Einfluss einer USV auf die Systemverfügbarkeit)

4. APC White Paper Nr. 43: “Dynamic Power Variations in Data Centers and Network Rooms” (Dynamische Stromschwankungen in Datencentern und Netzwerkräumen)

5. APC White Paper Nr. 1: “Die verschiedenen Arten von USV-Systemen” 6. APC White Paper Nr. 50: „Mögliche Kühlverfahren für Rackgeräte mit seitlicher Luftstromführung“ 7. APC White Paper Nr. 49: „Avoidable Mistakes that Compromise Cooling Performance in Data Centers

and Network Rooms“ (Vermeidbare Fehler, die die Kühlleistung in Datencentern und Netzwerkräumen beeinträchtigen)

Quellen

1. American Power Conversion Corporation 2. Cisco Systems 3. IEEE 802.3af-2003 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and

Physical Layer Specification. Amendment: Data Terminal Equipment (DTE) Power via Media Dependent Interface

Anhang

Der Ansatz der Verfügbarkeitsanalyse

Das Availability Science Center von APC verwendet einen integrierten Ansatz zur Verfügbarkeitsanalyse, um die Ebene der Verfügbarkeit zu berechnen. Dieser Ansatz kombiniert die RDB- (Reliability Block Diagramm) und die Zustandsraum-Modellierung, um die Umgebung darzustellen. RBDs werden verwendet, um architek-tonische Teilsysteme darzustellen, während Zustandsraumdiagramme – auch Markov-Diagramme genannt – die verschiedenen Zustände anzeigen, in die eine elektrische Installation eintreten kann. Wenn die Stromver-sorgung ausfällt, schaltet die USV z. B. auf Batterie um. Alle Datenquellen für die Analyse beruhen auf Orga-nisationen wie der IEEE oder RAC (Tabelle A1), die in der Branche allgemein anerkannt sind. Die statisti-schen Verfügbarkeitsebenen gründen sich auf unabhängig überprüfte Voraussetzungen.

Professor Joanne Bechta Dugan, Ph.D.,von der University of Virginia sagt Folgendes:

„[Ich] schätze diese Analyse als glaubwürdig und methodologisch korrekt ein. Die Verwendung von RBDs und Markov-Modellen ist ein hervorragender Ansatz, der die Flexibilität und Genauigkeit der Markov-Modelle mit der Einfachheit der RBDs kombiniert.“

Eine Verfügbarkeitsanalyse wird durchgeführt, um den Einfluss verschiedener elektrotechnischer Architektu-ren zu quantifizieren. Die Verfügbarkeiten von 26 verschiedenen Architekturen wurden berechnet und mitein-


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ander verglichen. Sechs Architekturen wurden als die guten, besseren und optimalen Architekturen für Kabel-schränke und Datencenter ausgewählt. Die Auswahl erfolgte aufgrund der Kompromisse, die zwischen Ko-sten und Verfügbarkeit zu schließen sind. Diese sechs Architekturen und ihre Verfügbarkeitsergebnisse sind in den folgenen Abschnitten dargestellt.

Abbildung 11 Architekturen für Kabelschränke oder IDFs


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Abbildung 12 Architekturen für Datencenter oder MDFs


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Abbildung 13 Architekturen für Datencenter oder MDFs


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In der Analyse verwendete Daten

Die meisten Daten für die Modellierung der Architekturen stammen von Drittquellen. Die Daten für das ATS-Rack beruhen auf den Erfahrungswerten für dieses APC-Produkt, das seit ungefähr fünf Jahren auf dem Markt ist und eine bedeutende Verbreitung erfahren hat. In der Analyse wurden die folgenden Schlüsselkom-ponenten verwendet.

1. Abschlusswiderstände 2. Stromunterbrecher 3. USV-Systeme 4. Stromverteilungseinheit 5. Statischer Transfer-Switch (STS) 6. Rack-ATS 7. Generator 8. ATS

Die Stromverteilungseinheit wird in drei grundlegende he Unterkomponenten aufgeteilt: Stromunterbrecher, Abwärtstransformator und Abschlusswiderstände. Bei der Auswertung des Subpanels wird davon ausgegan-gen, dass dieses einen Hauptunterbrecher, einen Zweigstromunterbrecher und Abschlusswiderstände um-fasst, die sämtlich in Reihe geschaltet sind. Tabelle 4 enthält die Werte und Quellen der Fehlerrate (1/MTTF) und die Daten der Wiederherstellungsrate (1/MTTR) für jede Teilkomponente, wobei MTTF die durchschnittli-che Zeit bis zu einem Fehler (Mean Time To Failure) und MTTR die durchschnittliche Zeit zur Wiederherstel-lung (Mean Time To Recover) ist.

In der Analyse verwendete Annahmen

Um ein gültiges Modell zu erstellen, müssen wie bei jeder Verfügbarkeitsanalyse Annahmen gemacht werden. Sie sind in Tabelle 3 aufgelistet.

Table 3 Annahmen für die Analyse

Annahme Beschreibung

Zuverlässigkeitsdaten Die meisten Daten für die Modellierung der Architekturen stammen von Drittquellen. Wenn keine Daten zur Verfügung standen, wurden Branchenschät-zungen verwendet. Tabelle A2 enthält eine Zusammenfassung der Zuverlässigkeitsdaten.

Ausfallraten der Komponenten Alle Komponenten in der Analyse weisen eine konstante Ausfallrate auf. Dies ist die beste Annahme, vorausgesetzt, dass das Gerät nur während seiner geplan-ten Lebensdauer eingesetzt wird. Wenn Produkte über ihre voraussichtliche Lebensdauer hinaus eingesetzt werden, müsste eine nichtlineare Beziehung in die Ausfallrate integriert werden.

Wartungsteams Es wird vorausgesetzt, dass für n Komponenten in Reihe n Mitglieder des Wartungspersonals zur Verfügung stehen.

Systemkomponenten bleiben in Betrieb

Es wird vorausgesetzt, dass alle Komponenten des Systems in Betrieb bleiben, während ausgefallene Komponenten repariert werden.

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Table 3 Annahmen für die Analyse (Fortsetzung)

Annahme Beschreibung

Unabhängigkeit der Ausfälle Diese Modelle gehen von der Konstruktion der beschriebenen Architekturen nach den Richtlinien der Branche aus. Dies führt aufgrund der physischen und elektrischen Isolierung dazu, dass Ausfälle mit gemeinsamer Ursache und eine Fortpflanzung von Ausfällen sehr unwahrscheinlich sind.

Ausfallrate der Verkabelung Die Verkabelung zwischen den Komponenten der einzelnen Architekturen wurde nicht in die Berechnungen einbezogen, da ihre Ausfallrate so gering ist, dass sie nicht mit Sicherheit und statistischer Bedeutsamkeit vorausgesagt werden kann. Frühere Arbeiten haben außerdem bereits gezeigt, dass eine derart geringe Ausfallrate die Gesamtverfügbarkeit nur minimal beeinflusst. Allerdings wurden größere Abschlusswiderstände mit einbezogen.

Menschliches Versagen Ausfallzeiten aufgrund von menschlichem Versagen wurden in dieser Analyse nicht berücksichtigt. Obwohl dies eine bedeutende Ursache für Ausfallzeiten in Datencentern ist, besteht der Hauptzweck dieser Modelle darin, die Architektu-ren der Strominfrastruktur zu vergleichen und physische Schwächen innerhalb dieser Architekturen aufzuspüren. Außerdem fehlen Daten darüber, wie mensch-liches Versagen die Verfügbarkeit beeinflusst.

Verfügbarkeit des Stroms ist das Hauptmaß

Diese Analyse liefert Angaben zur Verfügbarkeit des Stroms. Die Verfügbarkeit des Geschäftsprozesses wird gewöhnlich geringer sein, da die Wiederherstel-lung der Stromversorgung nicht sofort zu einer Wiederaufnahme der Geschäfts-aktivitäten führt. IT-Systeme weisen gewöhnlich eine Neustartzeit auf, die eine in dieser Analyse nicht erfasste Nicht-Verfügbarkeit hervorruft.

Kein Nutzen aus Fehlerisolierung Ein Fehler bei einer kritischen Last wird als Fehler gewertet, der einem Fehler bei allen Lasten auf einmal gleichwertig ist. In manchen Anwendungen wirkt sich das Versagen einer einzelnen Last weniger stark auf das Geschäft aus als ein Ausfall aller kritischen Lasten. In dieser Analyse wurde nur eine Last berücksichtigt.

Tabelle 4 Komponenten und Werte

Komponente Ausfallrate Wiederherstel-lungsquote Datenquelle Kommentar

Notstromaggregat 3,887E-003 30,487 EPRI-Daten für Aggre-gatstrom wurden gesam-melt und der gewichtete Durchschnitt aller verteil-ten Stromdaten berechnet.

Diese Daten hängen sehr stark von der geographi-schen Lage ab.

Diesel-Generator 1,0274E-04 0,25641 IEEE Gold Book Std 493-1997, S. 406

Die Fehlerquote berechnet sich nach Betriebsstunden. 0,01350 Fehler pro Startver-such lt. Tabelle 3-4, S. 44.

Automatic Transfer Switch

9,7949E-06 0,17422 Untersuchung der Zuver-lässigkeit / Verfügbarkeit – ASHARE-Paper Nr. 4489.

Abschlusswider-stand, 0-600 V

1,4498E-08 0,26316 IEEE Gold Book Std 493-1997, S. 41

Sechs Abschlusswider-stände

8,6988E-08 0,26316 Berechnet aus den Werten des IEEE Gold Book Std 493-1997, S. 41

Stromaufwärts vom Trans-formator gibt es einen Abschlusswiderstand pro Leiter. Da es zwei Sätze von Abschlusswiderständen zwischen den Komponenten gibt, werden insgesamt sechs verwendet.

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Tabelle 4 Komponenten und Werte (Fortsetzung)

Komponente Ausfallrate

Wiederherstellungsquote

Datenquelle Kommentar

Acht Abschlusswider-stände

1,1598E-07 0,26316 Berechnet aus den Werten des IEEE Gold Book Std 493-1997, S. 41

Stromabwärts vom Transfor-mator gibt es einen Ab-schlusswiderstand pro Leiter zzgl. des neutralen. Da es zwei Sätze von Abschlusswi-derständen zwischen den Komponenten gibt, werden insgesamt acht verwendet.

Stromunterbrecher 3,9954E-07 0,45455 IEEE Gold Book Std 493-1997, S. 40

Fest (einschließlich gelötete Fassung), 0-600 A

PDU-Transformator, abwärts

7,0776E-07 0,01667 MTBF aus IEEE Gold Book Std 493-1997, S. 40, MTTR ein Durchschnitts-wert von Marcus Trans-former Data and Square D.

<100 kVA

Statischer Transfer-Switch

4,1600E-06 0,16667 Gordon Associates, Raleigh, NC

Die Fehlerquote enthält die Steuerung; die Wiederherstel-lungsquote wurde von ASHRAE für einen STS dieser Größe nicht angegeben, weshalb ein Wert vom STS für 600-1000 A verwendet wurde.

USV-Backplane 7,0000E-07 0,25000 Abschätzung auf der Grundlage der Symmetra-Felddaten

UPS mit Bypass 4,00E-06 3,00000 Fehlerquote aus Power Quality Magazine, Feb. 2001, Wiederherstellungs-quote aufgrund der Annahme, dass ein Ersatzteil vorhanden ist.

Diese Fehlerdaten setzen eine modulare USV mit Bypass voraus.

USV ohne Bypass 3,64E-05 3,00000 Fehlerquote aus Power Quality Magazine, Feb. 2001, Wiederherstellungs-quote aufgrund der Annahme, dass das Wartungsteam nach 4 Stunden eintrifft und 4 Stunden zur Reparatur benötigt.

Dies repräsentiert eine USV ohne Bypass. MTBF beträgt 27.440 h ohne Bypass nach MGE „Poser Systems Applica-tions Guide“

Rack ATS Switch 2,00E-06 3,00000 Felddaten des APC Redundant Switch

Die MTTF des APC Rack ATS wurde zu 2 Millionen Stunden berechnet. Es wird ein vorsichtiger Schätzwert von 500.000 Stunden zugrunde gelegt.

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Zustandsraummodelle

Sechs Zustandsraummodelle wurden verwendet, um die verschiedenen Zustände darzustellen, die die sechs Architekturen annehmen können. Zusätzlich zu den Zuverlässigkeitsdaten wurden andere Variablen für die Verwendung in den Zustandsraummodellen definiert (Tabelle 5).

Table 5 Variablen der Zustandsraummodelle

Variable Wert Datenquelle Kommentar

PbypassFailSwitch 0,001 Branchendurchschnitt Wahrscheinlichkeit dafür, dass der Bypass bei einem Versagen der USV nicht erfolgreich auf das Notstromag-gregat umschaltet.

Pbatfailed 0,001 Gordon Associates – Raleigh, NC Wahrscheinlichkeit, dass die USV-Last beim Umschalten auf die Batterie abfällt. Einschließlich Steuerung.

Pbatfailed (redundante USV)

0,000001 Quadrat des obigen Werts Pbatfailed

Geht davon aus, dass beide USV-Batteriesysteme vollständig unab-hängig voneinander sind.

Tbat 1 oder _ Stunde Batterielaufzeit hängt vom Szenario ab

Pgenfail_start 0,0135 IEEE Gold Book Std 493-1997, S. 44

Wahrscheinlichkeit dafür, dass der Generator nicht startet. Die Fehler-quote berechnet sich nach Betriebs-stunden. 0,01350 Fehler pro Start-versuch lt. Tabelle 3-4 S. 44. Diese Wahrscheinlichkeit gilt auch für ATS.

Pgenfail_start (redundante USV)

0,00911 50 x Quadrat des obigen Werts Pgenfail_start.

Pgenfailed wird um den Faktor 50 reduziert, um gemeinsame Fehler-quellen bei redundanten Generator-sätzen auszuschließen.

Tgen_start 0,05278 Branchendurchschnitt Zeitverzug des Generatorstarts aufgrund eines Stromausfalls. Entspricht 190 Sekunden.

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