Ứng dụng DSC 16 bit trong hệ thống điều khiển tự động tòa nhà

Hệ thống kiểm tra an ninh hiện đại và hoàn toàn tự động với sự sử dụng nhân lực tối thiểu, hệ thống camera quan sát, kiểm soát ra vào bằng thẻ từ, hệ thống báo cháy và cảnh báo tự động,

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Phạm Đình Tuân

ỨNG DỤNG DSC 16 BIT TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TOÀ NHÀ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2010

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC CÁC BẢNG 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5

MỞ ĐẦU 7

Chương 1 8

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BMS 8

1.1 Hệ thống quản lý tòa nhà BMS 8

1.2 Kiến trúc hệ thống BMS 9

1.2.1 Cấp xử lý hiện trường 11

1.2.2 Cấp xử lý, điều khiển hệ thống 11

1.2.3 Cấp quản lý (điều khiển trung tâm) 11

1.3 Các phân hệ 12

1.3.1 Phân hệ điều khiển điều hòa không khí HVAC 12

1.3.2 Phân hệ điều khiển điều hành chiếu sáng 13

1.3.3 Phân hệ quản lý tiêu thụ điện năng và cấp điện 13

Chương 2 15

CÁC VI XỬ LÝ 16 BIT VÀ TRUYỀN THÔNG 15

TRONG HỆ THỐNG QUẢN LÝ TÒA NHÀ 15

2.1 Vi xử lý 16 bit dsPIC30F6010 15

2.1.1 Đặc điểm ghép nối ngoại vi 15

2.1.2 Sơ đồ chân tín hiệu, sơ đồ khối và bảng chức năng của các chân tín hiệu 15

2.2 Vi xử lý 16 bit dsPIC30F4011 19

2.2.1 Các tính năng chính của dsPIC30F4011 20

2.2.2 Các thiết bị ngoại vi trên chip 20

2.2.3 Các module tín hiệu tương tự 20

2.2.4 Các tính năng khác của vi điều khiển 20

2.2.5 Chế tạo theo công nghệ CMOS 21

2.3 Truyền thông và kết nối hệ thống 21

2.4 Truyền thông theo chuẩn RS-485 21

2.5 Giao thức Modbus/RTU 23

2.5.1 Cơ chế giao tiếp 24

2.5.2 Chế độ truyền 26

2.5.3 Cấu trúc bức điện 27

2.5.4 Bảo toàn dữ liệu 28

2.5.5 Sơ đồ trạng thái của Modbus 28

Chương 3 31

CÁC PHÂN HỆ 31

ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA TÒA NHÀ 31

3.1 Hệ thống điều khiển điều hòa không khí HVAC 31

3.1.1 Giám sát điều khiển nhiệt độ 32

3.1.2 Giám sát điều khiển độ ẩm 33

3.1.3 Giám sát điều khiển thông gió 35

3.1.4 Thiết kế chế tạo hệ thống 35

3.2 Hệ thống điều khiển điều hành chiếu sáng 57

3.2.1 Khái niệm cơ bản về chiếu sáng 57

3.2.2 Điều khiển chiếu sáng tòa nhà 58

3.2.3 Thiết kế chế tạo hệ thống 59

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

PHỤ LỤC 71

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ƒ ADC: Analog-to-digital converter

ƒ AHU: Air Handing Unit

ƒ API: Application Programmers Interface

ƒ BACnet: Building Automation and Control Network Protocol: Giao thức mạng điều khiển và tự động hóa tòa nhà (BACnet)

ƒ BMCS: Building Management and Control System

ƒ CPU: Central Processing Unit

ƒ CRC: Cyclical Redundancy Check

ƒ CSMA/CA: Carrier Sense Media Access, Collision Avoidance

ƒ HVAC: Heating, Ventilating, and Air-conditioning

ƒ ISO: International Organization for Standardization

ƒ LLC: Logical Link Control

ƒ MAC: Media Access Control

ƒ MIPs: Million instructions per second

ƒ Modbus ASCII: American Standard Code for Information Interchange

ƒ Modbus RTU: Remote Terminal Unit

ƒ NRZ: Non-return-to-zero

ƒ OSI: Open Systems Interconnection

ƒ PWM: Pusle width modulation

ƒ RH: Relative Humidity

ƒ RTU: Remote Terminal Unit

ƒ RX: Receive

ƒ SCADA: Supervisory Control And Data Acquisition (hiểu theo nghĩa truyền thống

là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu)

ƒ SFR: Special functions register

ƒ SPI: Serial Peripheral Interface

ƒ SRAM: Static Random Access Memory

ƒ TX: Transmit

ƒ UART: Universal asynchronous receiver/transmitter

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 Chức năng của các chân tín hiệu 19

Bảng 2 Bảng các thông số chuẩn RS-485 22

Bảng 3 Bảng các thông số kỹ thuật của cảm biến kép SHT-11 38

Bảng 4 Bảng các chân tín hiệu của PIC16F886 49

Bảng 5 Chỉ tiêu kỹ thuật của bộ chấp hành 53

Bảng 6 Chỉ tiêu kỹ thuật đạt được của mô-đun điều khiển 66

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 Ba nhóm đặc trưng của hệ thống BMS 9

Hình 2 Kiến trúc phân cấp theo mô hình thứ bậc của hệ thống BMS 10

Hình 3 Sơ đồ chân tín hiệu của dsPIC30F6010 16

Hình 4 Sơ đồ chân tín hiệu của dsPIC30F6010 17

Hình 5 Chuẩn RS-485 22

Hình 6 Phạm vi định nghĩa của MODBUS trong mô hình OSI 23

Hình 7 Cơ chế giao tiếp Master/Slave ở chế độ Unicast mode 24

Hình 8 Cơ chế giao tiếp Master/Slave ở chế độ Broadcast mode 24

Hình 9 Chu trình yêu cầu - đáp ứng của Modbus 25

Hình 10 Cấu trúc bức điện của Modbus RTU 28

Hình 11 Sơ đồ trạng thái của Master 29

Hình 12 Sơ đồ trạng thái của Slave 29

Hình 13 Sơ đồ trạng thái của Modbus RTU 30

Hình 14 Sơ đồ điều khiển tập trung-phân tán hệ thống HVAC 36

Hình 15 Hình dạng và kích thước cảm biến bán dẫn SHT-11 37

Hình 16 Ghép nối với vi điều khiển 37

Hình 17 Độ chính xác của các phép đo phụ thuộc lẫn nhau 38

Hình 18 Xung khởi phát thông tin 38

Hình 19 Cấu tạo và hình dạng của cảm biến FS5 40

Hình 20 Mạch điện cơ bản FS5 41

Hình 21 Đường cong sự phụ thuộc của điện áp ra theo tốc độ gió 41

Hình 22 Sơ đồ khối các mô-đun tham gia điều khiển HVAC tại tòa nhà 42

Hình 23 Hình ảnh mạch điện tử của bộ đo và đặt các thống số môi trường được thiết kế với các đầu nối truyền thông RS-485 44

Hình 24 Sơ đồ khối các mô-đun tham gia điều khiển HVAC tại tòa nhà 44

Hình 25 Sơ đồ khối các mô-đun tham gia điều khiển HVAC tại tòa nhà 45

Hình 26 Sơ đồ khối các mô-đun tham gia điều khiển HVAC tại tòa nhà 45

Hình 27 Sơ đồ lắp ráp PCB của bản mạch chính bộ đo và đặt thông số 46

Hình 28 Sơ đồ lắp ráp PCB của mạch cầu đo tốc độ gió trong phòng 46

Hình 29 Vi điều khiển PIC16F886 47

Hình 30 Sơ đồ khối PIC16F886 48

Hình 31 Ký hiệu và sơ đồ lôgic của SN 75176 50

Hình 32 Các mạch tương đương lối vào và lối ra 50

Hình 33 Mạch ứng dụng điển hình của SN 75176 51

Hình 34 Chân vi mạch LM2576 51

Hình 35 Sơ đồ khối LM2576 51

Hình 36 Ứng dụng ổn áp LM2576 52

Hình 37 Hình ảnh bộ chấp hành đóng/ngắt thiết bị từ xa 53

Hình 38 Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi USB/485 54

Hình 39 Bản mạch PCB của bộ chuyển đổi USB/485 55

Hình 40 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển điều hành chiếu sáng trong tòa nhà 60

Hình 41 Sơ đồ khối mô-đun điều khiển 61

Hình 42 Các mô-đun điều khiển chiếu sáng hiện trường 62

Hình 43 Mạch điều khiển vi xử lý 63

Hình 44 Phần điều khiển công suất 64

Hình 45 Bản mạch vi xử lý và hiển thị; bản mạch công suất 65

Hình 46 Lưu đồ chương trình điều khiển chiếu sáng nhúng trong vi điều khiển 67

MỞ ĐẦU

Ngày nay, khoa học kỹ thuật phát triển vượt bậc đã mang đến nhiều ứng dụng thiết thực trong cuộc sống kể cả trong xây dựng dân dụng Đặc biệt sự phát triển của

hệ thống mạng và các thiết bị truyền thông hiện đại cho phép tích hợp các thành phần

hệ thống khác nhau của toà nhà thành một hệ thống tổng thể dễ điều khiển hơn Tòa nhà thông minh (Intelligent Building) là một mô hình mới nhưng đã nhanh chóng trở thành xu hướng tất yếu cho tất cả các toà nhà hiện đại trên thế giới và ở Việt Nam Tòa nhà thông minh được trang bị hệ thống mạng, hệ thống viễn thông tiên tiến nhất Hệ thống kiểm tra an ninh hiện đại và hoàn toàn tự động với sự sử dụng nhân lực tối thiểu, hệ thống camera quan sát, kiểm soát ra vào bằng thẻ từ, hệ thống báo cháy và cảnh báo tự động, hệ thống điều khiển thang máy khẩn cấp khi có sự cố, định vị người đeo thẻ và tài sản… Đặc biệt là hệ thống điều khiển và điều chỉnh khí hậu bên trong tòa nhà, hệ thống ánh sáng có thể thay đổi tự động theo mục đích sử dụng Ngoài ra một hệ thống như vậy còn hỗ trợ công tác bảo trì tòa nhà, khả năng phát hiện ra lỗi vận hành thiết bị, thông báo và tự điều chỉnh

Tại Việt Nam, nhiều cao ốc văn phòng, trung tâm thương mại, trường học, sân bay, bệnh viện đã và đang được xây dựng, nhưng chưa sử dụng các hệ thống tự động hoá trong quản lý toà nhà, nếu có cũng chỉ là các hệ thống riêng biệt như: báo cháy, điều hoà không khí Điều này cũng rất dễ hiểu vì để sở hữu tòa nhà thông minh thì chúng ta nhập công nghệ từ nước ngoài với chi phí rất cao Vì thế việc nghiên cứu, chế tạo công nghệ quản lý tòa nhà thông minh đang là một hướng đi khả thi và hứa hẹn đem lại hiệu quả kinh tế, ứng dụng cao [1]

Trên các phân tích kể trên, chủ đề “Ứng dụng DSC 16 bit trong hệ thống điều khiển tự động tòa nhà” đã được thực hiện trong nội dung của bản báo cáo này Luận văn được chia thành 3 chương mục Chương 1 trình bày báo cáo tổng quan nghiên cứu

về hệ thống quản lý điều khiển tự động tòa nhà thông minh BMS Chương 2 trình bày nghiên cứu về các vi điều khiển 16 bit và cơ sở truyền thông trong hệ thống quản lý tòa nhà Chương 3 trình bày về việc triển khai phần cứng và phát triển các chương trình phần mềm cho 2 phân hệ điều khiển tự động tòa nhà: phân hệ điều khiển điều hòa không khí HVAC và phân hệ điều khiển điều hành chiếu sáng

1 Hệ thống điều khiển vào ra (Access)

2 Hệ thống báo động xâm nhập (Security)

3 Hệ thống thông tin nội bộ và mạng thông tin (Communication)

4 Hệ thống báo và chống cháy (Fire)

5 Hệ thống điều khiển thông gió và điều hòa không khí (HVAC)

6 Hệ thống điều khiển ánh sáng (Lighting)

7 Hệ thống quản lý năng lượng (Energy)

8 Hệ thống tự động hóa tòa nhà (Automation),

Tùy theo mục đích sử dụng của tòa nhà mà các tiêu chí trên đây được yêu cầu bắt buộc hay là tiêu chí phụ Theo các tiêu chí trên thì tất cả các nhà cao tầng bắt buộc phải thỏa mãn tiêu chí 4, 5 và 6

Các hệ thống kể trên có thể được chia làm ba nhóm chính:

• Hệ thống giám sát và báo động,

• Hệ thống quản lý năng lượng,

• Hệ thống thông tin

Ba nhóm này đặc trưng cho hệ thống tự động hóa giám sát, điều khiển tòa nhà

mà có thể nói gọn theo thuật ngữ viết tắt từ tiếng Anh là BMS (Building Management

System) có nghĩa là “Hệ thống quản lý tòa nhà” Tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà

ba nhóm hệ thống trên được trang bị cho các tòa nhà hay không Trên cơ sở các hệ thống này mà người ta đánh giá chất lượng của các tòa nhà đạt tiêu chuẩn hay không đạt tiêu chuẩn của hệ thống BMS [6]

Hình 1 Ba nhóm đặc trưng của hệ thống BMS

Tóm lại, hệ thống tự động hóa giám sát, điều khiển tòa nhà hay còn gọi là hệ

thống quản lý tòa nhà BMS là một hệ thống điều khiển và quản lý cho các phân hệ kỹ

thuật trong toà nhà như hệ thống điện, hệ thống cung cấp nước sinh hoạt, hệ thống điều hoà thông gió, hệ thống cảnh báo môi trường, hệ thống an ninh, hệ thống báo cháy, v.v… giúp cho việc vận hành một toà nhà trở nên hiệu quả, kịp thời Với các yêu cầu như vậy hệ thống BMS có các tính năng chính, cụ thể như:

• Quản lý tín hiệu cảnh báo

• Giám sát, điều khiển toàn bộ toà nhà

• Đặt lịch hoạt động cho thiết bị

• Quản lý dữ liệu gồm soạn thảo chương trình, quản lý cơ sở dữ liệu, chương trình soạn thảo đồ hoạ, lưu trữ và sao lưu dữ liệu

• Báo cáo, tổng hợp thông tin

1.2 Kiến trúc hệ thống BMS

Căn cứ vào chức năng nhiệm vụ của các cấu kiện trong toàn hệ thống và các phân hệ, có một số cách nhìn nhận xây dựng kiến trúc một hệ thống BMS cho các tòa nhà cao tầng Thường kiến trúc này được thiết kế mô hình hóa theo một cách sắp xếp kiểu thứ bậc (hierarchical) với các cấp độ theo kiểu dưới lên (bottom-up) hay trên xuống (top-down) Số cấp độ được sử dụng thực sự cho các hệ thống thành phần tùy thuộc vào từng nhu cầu cụ thể Trên cơ sở đó, mô hình cho các phần cứng (bao gồm các bộ cảm nhận, bộ điều khiển, các cơ cấu chấp hành, hiển thị, …kết nối qua các kênh thông tin vật lý) và phần mềm (bao gồm các chương trình giám sát điều khiển

Cảm biến

ra ngoài

thông qua các giao thức thông tin) cũng được xác định Kiến trúc hệ thống có thể phân thành 3 cấp bậc theo mô hình dưới lên như sau [6]:

1 Cấp xử lý hiện trường (field-level)

2 Cấp xử lý điều khiển hệ thống (system-level)

3 Cấp quản lý (management-level)

MC: là các vi điều khiển

Hình 2 Kiến trúc phân cấp theo mô hình thứ bậc của hệ thống BMS

1.2.1 Cấp xử lý hiện trường

Các bộ điều khiển ở cấp này sử dụng các vi xử lý (hay vi điều khiển MC, microcontroller) cung cấp khả năng điều khiển trực tiếp tới các thiết bị nằm trong phạm vi hiện trường (trong các phòng làm việc, sinh hoạt, hành lang, thang máy, tầng hầm, …) như các máy điều hòa trong từng phòng, các công-tắc điện tử đóng/ngắt hay điều khiển cường độ sáng của thiết bị chiếu sáng trong phòng, các rơ-le đóng/ngắt các mô-tơ đóng/mở cửa ra vào, các cảm biến và thiết bị báo động phát hiện khói hỏa hoạn, phát hiện đập vỡ cửa kính trong phòng, v.v… Bộ điều khiển cấp này cũng có thể sử dụng phần mềm quản lý năng lượng Tại cấp xử lý hiện trường, cảm biến và bộ chấp hành thường liên lạc trực tiếp với thiết bị được điều khiển qua bộ điều khiển (điều khiển trực tiếp - bằng tay) hặc cung cấp thông tin cảm nhận tới các cấp cao hơn qua các kênh thông tin Một bus liên lạc làm phương tiện kết nối các bộ điều khiển, do vậy các điểm giữa các bộ điều khiển có thể chia sẻ thông tin cho nhau (nếu cần thiết) và chia sẻ với các bộ xử lý tại các cấp cao hơn Các bộ điều khiển cấp hiện trường điển hình gồm có một cổng hoặc kênh giao tiếp để hỗ trợ sử dụng thiết bị đầu cuối di động trong quá trình thiết lập chế độ hoạt động ban đầu và cả những lần điều chỉnh sau đó

1.2.2 Cấp xử lý, điều khiển hệ thống

Các bộ điều khiển nằm ở cấp này thường có năng lực hoạt động lớn hơn các bộ điều khiển cấp hiện trường về số lượng các điểm vào/ra, các vòng điều chỉnh và cả các chương trình điều khiển Bộ điều khiển cấp hệ thống thường được dùng cho các ứng dụng lớn hơn như hệ thống điều hòa trung tâm, các thiết bị điện-cơ công suất lớn cho tòa nhà như các hệ cung cấp khí cho cầu thang máy, tầng hầm để xe, hệ thống làm mát từng vùng hay toàn tòa nhà, hệ thống camera và cửa từ giám sát, điều khiển thâm nhập vào ra, hệ thống cảnh báo an ninh tòa nhà Ngoài ra, nó còn thực thi điều khiển ánh sáng trong toàn tòa nhà Bộ điều khiển tại cấp này có thể hoặc giao tiếp trực tiếp với các thiết bị được điều khiển thông qua cảm biến và bộ chấp hành, hoặc giao tiếp gián tiếp thông qua các bus liên lạc với bộ điều khiển cấp hiện trường Khi bộ điều khiển cấp hệ thống được kết nối với bộ xử lý cấp quản lý bên trên, những thay đổi chương trình điều khiển thường được thực thi ở bộ xử lý cấp quản lý rồi sau đó được tải xuống

bộ điều khiển Bộ điều khiển cấp hệ thống cũng cung cấp khả năng dự phòng trong trường hợp liên lạc bị đứt bằng chế độ hoạt động độc lập Một số kiểu bộ điều khiển cấp hệ thống cũng cung cấp chế độ bảo vệ an toàn cho toàn bộ tài sản trong tòa nhà thông qua tín hiệu cảnh báo hỏa hoạn, cảnh báo an ninh, bảo mật truy cập

1.2.3 Cấp quản lý (điều khiển trung tâm)

Các thiết bị và hệ thống cấp này chủ yếu giao tiếp với người quản trị hệ thống BMS Thường đây là một máy vi tính PC đủ mạnh, được trang bị màn hình hiển thị, bàn phím nhập dữ liệu với các bảng mạch có chức năng ‘plug-in’ cho thiết bị vận hành

bổ sung, máy in, các đầu nối mở rộng bộ nhớ và bus liên lạc Bộ xử lý cấp này thường

có phần mềm ứng dụng cho các hoạt động sau:

• Bảo đảm an ninh hệ thống: giới hạn quyền truy cập và vận hành cho những người có thẩm quyền

• Xâm nhập hệ thống: Cho phép những người có thẩm quyền chọn và lấy

dữ liệu thông qua PC và một số thiết bị khác

• Định dạng dữ liệu: lắp ghép các dữ liệu rời rạc thành các nhóm định dạng có quy tắc dùng cho việc in ấn và hiển thị

• Tùy biến các chương trình: người sử dụng có thể tự thiết kế, lập trình các chương trình riêng tùy theo yêu cầu sử dụng của riêng mình

• Hiển thị đồ họa và âm thanh: Kết hợp với dữ liệu động về hệ thống xây dựng các màn hình đồ họa theo yêu cầu sử dụng các công cụ vẽ và bảng biểu hoặc phát các tín hiệu âm thanh trong một số lưu ý người vận hành hoặc một số trường hợp báo động khẩn cấp

• Lập báo cáo: Lập báo cáo tư động, định kỳ hoặc theo yêu cầu về các cảnh báo và các sự kiện, hoạt động vận hành Đồng thời cung cấp các khả năng tóm tắt báo cáo

• Quản lý bảo trì, bảo dưỡng: Tự động lên lịch bảo trì thiết bị dựa trên dữ liệu về lịch sử thiết bị và thời gian hoạt động

• Tích hợp hệ thống: Cung cấp giao diện và điều khiển chung cho các hệ thống thành phần và cung cấp các khả năng tổng hợp thông tin từ các hệ thống thành phần này (như các hệ thống HVAC, cứu hỏa, an ninh, điều khiển truy cập), để từ đó có khả năng đưa các quyết định tác động có tính toàn cục cho toàn hệ thông

Tại cấp này, người quản trị cũng có thể lấy dữ liệu và ra lệnh từ/tới các điểm từ bất kỳ đâu trong hệ thống Vận hành hoạt động thường nhật là chức năng thông thường của bộ xử lý cấp hệ thống, tuy nhiên điều khiển toàn bộ có thể được chuyển sang cho

bộ xử lý cấp quản lý trong những trường hợp khẩn cấp Còn một chức năng nữa của máy tính (hay các bộ xử lý) cấp quản lý là thu thập, lưu trữ và xử lý dữ liệu lịch sử (historical data) như mức độ tiêu thụ điện năng, chi phí vận hành và các cảnh báo và tạo ra các báo cáo để làm cơ sở hoạt định quản lý và vận hành tòa nhà lâu dài

1.3 Các phân hệ

Như trên đã nói, tùy từng nhu cầu sử dụng, hệ thống quản l í tòa nhà được thiết kế theo các yêu cầu khác nhau Do đó hệ thống BMS thường bao gồm nhiều phân hệ: hệ thống điều khiển thông gió và điều hòa không khí; điều khiển đèn chiếu sáng; điều khiển vào ra tòa nhà; báo động xâm nhập; báo cháy, báo khói; thông tin nội bộ, v.v… Dưới đây là một vài thí dụ với các phân hệ này

1.3.1 Phân hệ điều khiển điều hòa không khí HVAC

BMS theo dõi các yếu tố liên quan đến quá trình vận hành như nhiệt độ, độ ẩm không khí bên trong, dòng chảy không khí trong ống dẫn gió của từng hệ thống, thiết

bị điều hòa không khí trong các vùng của tòa nhà rồi từ đó ra các quyết định điện tử

đóng ngắt các thiết bị điều khiển này một cách hợp lí Thêm nữa, qua việc xử lí các thông số thiết bị, thời gian tham gia đã vận hành mà hệ thống có chức năng thường xuyên cập nhật thông tin, lập lịch bảo trì và có phương án làm việc sao cho tiết kiệm năng lượng nhất và đảm bảo tuổi thọ của hệ thống phần cứng là tối ưu Chẳng hạn, tại tầng hầm để xe, khi hệ thống đo nồng độ CO2 báo đến ngưỡng, quạt gió tự động hoạt động Nồng độ tăng dần, quạt tự động tăng tốc và ngược lại mà không cần có điều khiển nhân công Điều này giúp tiết kiệm điện năng và duy trì tuổi thọ thiết bị thông gió Thông qua màn hình đồ họa của hệ thống BMS, người vận hành quản lý được tình trạng các quạt hút và chế độ vận hành của các quạt tăng áp cầu thang máy của tòa nhà Khi có sự cố cháy nổ, các quạt được hệ thống tự động điều khiển về trạng thái “tắt” để giảm đối lưu không khí trong tòa nhà, giảm tối đa tác nhân gây cháy, đảm bảo tính hiệu quả của việc dập tắt các đám cháy

1.3.2 Phân hệ điều khiển điều hành chiếu sáng

Các tuyến đèn của tòa nhà cũng được vận hành tự động theo lịch trình Qua màn hình, người vận hành nhận biết được đèn bật/tắt và điều khiển từ xa Thông thường, lệnh bật/tắt được thực hiện tự động theo lịch trình đặt sẵn Tuy nhiên, hệ thống BMS còn cho phép người sử dụng có thể vận hành tại chỗ cũng như điều khiển các thiết bị chiếu sáng từ xa qua các kênh thông tin khác theo yêu cầu chiếu sáng thực tế

1.3.3 Phân hệ quản lý tiêu thụ điện năng và cấp điện

BMS thực hiện việc giám sát hệ thống điện qua thiết bị theo dõi được các thông

số kỹ thuật chính của nguồn điện như các tiêu hao công suất điện năng: kW; kVA; kVAr Các thông số này cần được giám sát chặt, vì chúng ảnh hưởng rất lớn tới việc vận hành tất cả thiết bị sử dụng điện của tòa nhà Quản lý tốt các tham số chính này cũng đồng nghĩa với việc giảm chi phí vận hành của tòa nhà, nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị Các tham số này được BMS kiểm soát thường xuyên nhờ các bộ đo đếm được lắp đặt tại các công-tơ điện ở hiện trường Các thông tin kể trên được hiển thị lên màn hình máy tính và lưu trữ dữ liệu tại trung tâm điều khiển Đồng thời cư dân trong tòa nhà cũng hoàn toàn có được các thiết bị bằng tay liên lạc kết nối với bộ đo đếm qua các kênh thông tin khác nhau (như kênh vô tuyến, …) nhằm cho phép thường xuyên kiểm tra được tình trạng tiêu thụ điện của căn hộ mình sử dụng để có những giải pháp tức thời cho việc sử dụng hợp lí

Mục tiêu của BMS là tập trung hóa và đơn giản hóa giám sát, hoạt động và quản lý tòa nhà để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của nó bằng cách giảm chi phí nhân công và lượng tiêu thụ điện năng, cung cấp môi trường làm việc an toàn, thoải mái hơn cho người sử dụng Hệ thống này cũng phải đảm bảo là phù hợp với tiêu chuẩn công nghiệp của các nước tiên tiến trên thế giới cũng như tiêu chuẩn nhà nước Việt nam do được xây dựng bằng các giao thức mở, phổ biến trong công nghiệp giúp việc triển khai thuận tiện, dễ dàng Với hệ thống BMS, nhiều công việc vận hành và giám sát tòa nhà thường được thực hiện qua máy tính và màn hình đồ họa đặt tại phòng điều khiển trung tâm điều hành tòa nhà

Trong Luận văn này, mục tiêu sau được hướng tới là : làm chủ về công nghệ kể

cả phần cứng và phần mềm trong việc thiết kế, chế tạo 02 phân hệ (hệ thống thành phần):

• Hệ thống tự động điều khiển giám sát các thiết bị điều hòa, thông gió HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning)

• Hệ thống tự động điều khiển, điều hành chiếu sáng (Lighting)

Các hệ thống thành phần này được tập trung nghiên cứu, thiết kế chế tạo từ cấp

độ các cấu kiện như: các cảm biến, các bộ điều khiển cục bộ đặt trong các căn phòng, các tầng của toà nhà tới bộ điều khiển trung tâm qua các bộ khuyếch đại, các thiết bị chuyển đổi tín hiệu và truyền thông

Chương 2

CÁC VI XỬ LÝ 16 BIT VÀ TRUYỀN THÔNG

TRONG HỆ THỐNG QUẢN LÝ TÒA NHÀ

Các vi điều khiển, vi xử lý được sử dụng làm đơn vị cốt lõi tại các mức điều khiển hiện trường và điều khiển hệ thống Luận văn đã chọn các vi xử lý 16 bit với các kiến trúc hiện đại để thiết kế các khối điều khiển này Hai loại vi xử lý 16 bit là dsPIC30F6010 và dsPIC30F4011 đã được sử dụng cho thiết kế các bộ điều khiển tầng nhà và các bộ điều khiển hiện trường Chi tiết các chỉ tiêu kỹ thuật của chúng được cho trong các tài liệu của hãng MicroChip; dưới đây chỉ liệt kê một số đặc điểm chính quan trọng

2.1 Vi xử lý 16 bit dsPIC30F6010

Vi điều khiển dsPIC30F6010 là loại High-Performance Modified RISC CPU có kiến trúc Harvard Kiến trúc tập lệnh được tối ưu cho trình biên dịch C Vi mạch có tập lệnh 84 lệnh Đường dữ liệu rộng 16 bit Bộ nhớ Flash trên chip gồm 144 kbytes Bộ nhớ RAM 8 kbytes Vi xử lý có 4 kbyte bộ nhớ không bay hơi EEPROM

Vi xử lý có thể thực hiện tới 30 triệu lệnh trong một giây (MPIs) Tần số xung nhịp từ DC đến 40 MHz với điều khiển bởi vòng bám pha PLL Chip có 44 nguồn ngắt

2.1.1 Đặc điểm ghép nối ngoại vi

• Các đầu vào/ra có dòng tới 25 mA

• Có 5 Timer khả trình 16 bit

• Có chức năng ra xung điều chế PWM 16 bit

• Hỗ trợ giao tiếp IC2 Multi-Master/Slave mode

• Có 2 mô-đun vao ra nối tiếp UART với các bộ đệm FIFO

• Có 2 mô-đun hỗ trợ chuẩn CAN

• Có 4 lối vào S/H cho bộ biến đổi A/D 10 bit, tốc độ biến đổi 500 kbps,

16 kênh

2.1.2 Sơ đồ chân tín hiệu, sơ đồ khối và bảng chức năng của các chân tín hiệu

Sơ đồ 80 chân tín hiệu của vi điều khiển cho trên hình 3sau

Hình 3 Sơ đồ chân tín hiệu của dsPIC30F6010

Sơ đồ khối của vi điều khiển cho trên hình 4.

Hình 4 Sơ đồ chân tín hiệu của dsPIC30F6010

Bảng 1cho chức năng của các chân tín hiệu

Bảng 1 Chức năng của các chân tín hiệu

Trong dòng vi điều khiển dsPIC30, dsPIC30F4011 với giá thành hợp lý được thiết kế chuyên dụng cho điều khiển động cơ dsPIC30F4011 được tích hợp các module đặc biệt trong lõi vi điều khiển như bộ đọc xung phản hồi vị trí động cơ

(quadrature encoder), bộ điều chế độ rộng xung (PWM), bộ biến đổi tín hiệu tương

tự-số (ADC), bộ điều khiển truyền thông CAN

2.2.1 Các tính năng chính của dsPIC30F4011

• Kiến trúc Harvard có hiệu chỉnh

• Tập lệnh tối ưu cho ngôn ngữ lập trình C với chế độ địa chỉ linh hoạt

• Tập lệnh gồm 84 lệnh cơ bản với độ dài lệnh 24 bit, độ dài dữ liệu 16 bit

• 48 KB bộ nhớ Flash, có thể nạp lại nhiều lần

• 2 KB bộ nhớ RAM

• 1KB bộ nhớ EEPROM cho phép lưu các tham số mà không cần nguồn nuôi

• Tốc độ xử lý tối đa 30 triệu lệnh trong 1 giây (MIPs)

• 30 nguồn tạo ngắt với 3 nguồn ngoài, 8 mức ưu tiên

• Bộ xử lý tín hiệu số được tích hợp

• Chế độ địa chỉ module và đảo bit

• 2 thanh ghi đệm 40 bit với lựa chọn bão hòa logic

• Bộ nhân bằng phần cứng 17 x 17 bit chỉ trong 1 chu kỳ lệnh

2.2.2 Các thiết bị ngoại vi trên chip

• Các chân vào/ra có khả năng chịu dòng cao: 25mA

• Module định thời (Timer) với tần số xung clock có thể chia được và cấu hình thành 1 cặp Timer 16 bit hoặc 1 timer 32 bit

• Bộ điều chế độ rộng xung (PWM) với độ phân giải 16 bit

• Module truyền dữ liệu SPI và hỗ trợ chế độ nhiều chủ tớ

(Multi-Master/slave) và chế độ địa chỉ 7 bit/10 bit

• 2 module truyền thông nối tiếp (UART) với bộ đệm FIFO

• Module truyền thông CAN tương thích chuẩn 2.0B

2.2.3 Các module tín hiệu tương tự

4 bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự - số (ADC) với các khả năng :

• Tốc độ lấy mẫu lên tới 500Ksps

• 9 kênh vào

• Chuyển đổi ngay cả trong chế độ ngủ (sleep)

• Có thể lập trình để khởi động lại (reset) hệ thống

2.2.4 Các tính năng khác của vi điều khiển

• Bộ nhớ chương trình Flash với khả năng ghi/xóa tới 100.000 lần

• Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi/xóa 1 triệu lần

2.2.5 Chế tạo theo công nghệ CMOS

• Công nghệ Flash với hiệu suất cao

• Dải điện áp nguồn rất rộng 2,5V đến 5,5V

• Dải nhiệt độ công nghiệp và dải nhiệt độ mở rộng

• Tiêu thụ năng lượng rất nhỏ

2.3 Truyền thông và kết nối hệ thống

Như trên đã nói, các thiết bị tham gia vào hệ thống BMS được có thể được phân vùng thành một trong 3 cấp mạng, cấp dưới cùng là cấp hiện trường tại các khu vực (các phòng) của tòa nhà, cấp mạng thứ hai là cấp mạng tại các tầng tòa nhà, cấp thứ ba

là cấp quản lý tòa nhà và trao đổi thông tin với các tòa nhà khác và thế giới bên ngoài Giao thức liên lạc là một nhân tố thiết yếu trong cấu hình hệ thống BMS vì lượng dữ liệu truyền từ điểm này tới điểm khác và do các bộ xử lý phân tán trong các cấp có thể phải lấy dữ liệu của nhau, hỗ trợ lẫn nhau trong quá trình truyền tin Có 2 giao thức thường dùng là giao thức “hỏi vòng” (polling) và giao thức “ngang hàng’ (peer) Hai giao thức này sẽ được sử dụng một cách hợp lý trong hệ thống Mỗi giao thức sẽ có những ưu nhược điểm của nó Thí dụ, so sánh với giao thức hỏi vòng, giao thức ngang hàng có những ưu điểm sau:

• Việc truyền thông không bị phụ thuộc vào một thiết bị riêng lẻ nào (thiết bị chủ, master)

• Việc truyền thông được thưc hiện trực tiếp giữa các thiết bị trong mạng

mà không phải thông qua một trạm trung gian nào

• Các thông điệp được truyền tới mọi thiết bị kết nối trên bus

2.4 Truyền thông theo chuẩn RS-485

Hệ thống truyền thông trong BMS của tòa nhà ở đây sử dụng mạng truyền thông theo chuẩn nối tiếp Các cổng nối tiếp như RS-232 và RS-485 được sử dụng để truyền

dữ liệu hai chiều giữa máy tính và ngoại vi, có các ưu điểm sau:

• Khoảng cách truyền xa hơn truyền song song

• Số dây kết nối ít

• Có thể truyền không dây dùng hồng ngoại

• Có thể ghép nối với vi điều khiển hoặc PLC

• Cho phép nối mạng

• Có thể tháo lắp thiết bị trong lúc máy tính đang làm việc

• Có thể cung cấp nguồn cho các mạch điện đơn giản

Luận văn đã sử dụng chuẩn RS-485 là một phát triển của truyền thông nối tiếp thay cho RS-232 Ưu điểm của chuẩn RS-485 như sau:

• Giá thành rẻ : mạch phát và thu có giá thành thấp và chỉ cần nguồn cung cấp đơn +5V (hay thấp hơn) để có thể phát ra một hiệu điện thế sai lệch 1.5V ở ngõ ra

• Khả năng kết nối : RS-485 có thể kết nối đa điểm tức là có thể đồng thời kết nối nhiều thiết bị phát và thu Cụ thể 32 thiết bị có thể tham gia ghép nối, định địa chỉ và giao tiếp đồng thời trong mạng mà không cần

bộ lặp (Repeater)

• Khoảng cách : một kết nối RS-485 có thể có chiều dài lên tới 1200m

• Tốc độ : tốc độ bit có thể đạt tới 10Mbit/giây

Hình 5 Chuẩn RS-485

Bảng 2 Bảng các thông số chuẩn RS-485

Khả năng truyền tải đi xa ở RS-485 là nhờ sử dụng đường dây cân bằng Mỗi đưỡng tín hiệu trong RS-485 gồm 2 dây với điện thế trái nhau nghĩa là một trong hai dây tại mỗi thời điểm phải có đồng thời một dây âm và một dây dương Bên phía nhận tín hiệu sẽ phân biệt điện thế giữa hai dây tương ứng với mức 0 và mức 1 Tiêu chuẩn RS-485 quy định mức logic 1 là điện áp B>A và mức logic 0 khi A>B, như vậy các IC

sử dụng thường có mức logic ngược lại Tuy nhiên, trong thực tế nếu các bộ thu phát đều cùng dùng chung một chuẩn thì vấn đề này không cần phải quan tâm Độ lớn điện

áp vi sai giữa hai dây A,B không được phép lớn hơn 6V

Cũng nhờ sử dụng đường dây cân bằng nên RS-485 có tính chống nhiễu rất cao Hai dây tín hiệu lúc nào cũng mang những dòng điện trái dấu và gần như là cùng biên

độ Khi có nhiễu trên đường dây thì nhiễu sẽ suất hiện đồng thời trên cả hai dây với cùng biên độ, vì vậy nhiễu trên đường dây này sẽ bị nhiễu trên đường dây kia triệt tiêu

Trở đầu cuối:Do tốc độ truyền thông và chiều dài dây dẫn khác nhau rất nhiều

trong các ứng dụng, nên hầu như tất cả các bus RS485 đều yêu cầu sử dụng trở đầu cuối tại hai đầu dây Sử dụng trở đầu cuối có tác dụng chống lại các hiệu ứng phụ trong truyền dẫn tín hiệu như sự phản xạ tín hiệu Chuẩn RS-485 sử dụng hai điện trở kết thúc là 120 Ω tại hai đầu xa nhất của đường truyền và sử dụng dây xoắn đôi

2.5 Giao thức Modbus/RTU

Giao thức truyền tải dữ liệu trên mạng RS-485 ở đây được chọn là Modbus/RTU

Modbus là một giao thức do hãng Modicon (thuộc AEG và Schneider Automation) Theo mô hình ISO/OSI thì Modbus thực chất là một chuẩn giao thức và dịch vụ thuộc lớp ứng dụng, vì vậy có thể được thực hiện trên các cơ chế vận chuyển cấp thấp như TCP/IP, MAP (Manufacturing Message Protocol), Modbus Plus và ngay cả qua đường truyền nối tiếp RS-232

Hình 6 Phạm vi định nghĩa của MODBUS trong mô hình OSI

Modbus định nghĩa một tập hợp rộng các dịch vụ phục vụ trao đổi dữ liệu quá trình, dữ liệu điều khiển và dữ liệu chuẩn đoán [9] Tất cả các bộ điều khiển của Modbus đều sử dụng Modbus là ngôn ngữ chung Modbus mô tả quá trình giao tiếp giữa một bộ điều khiển với các thiết bị khác thông qua cơ chế yêu cầu/đáp ứng Vì lý

do đơn giản nên Modbus có ảnh hưởng tương đối mạnh đối với các hệ PLC của các nhà sản xuất khác Cụ thể, trong mỗi PLC người ta đều có thể tìm thấy một tập hợp con các dịch vụ đã đưa ra trong Modbus Đặc biệt trong các hệ thống thu thập dữ liệu

và điều khiển giám sát (SCADA), Modbus thường được sử dụng trên các đường truyền

RS-232 ghép nối giữa các thiết bị dữ liệu đầu cuối (PLC, PC, RTU) với thiết bị truyền

dữ liệu (Modem)

2.5.1 Cơ chế giao tiếp

Cơ chế giao tiếp ở Modbus phụ thuộc vào hệ thống truyền thông cấp thấp Cụ thể, có thể phân chia ra hai loại là mạng Modbus chuẩn và Modbus trên các mạng khác (ví dụ TCP/IP, Modbus Plus, MAP)

Mạng Modbus chuẩn:

Các cổng Modbus chuẩn trên các bộ điều khiển của Modicon cũng như một số nhà sản xuất khác sử dụng giao tiếp nối tiếp RS-232C Các bộ điều khiển này có thể được nối mạng trực tiếp hoặc qua modem Các trạm Modbus giao tiếp với nhau qua cơ chế chủ/tớ (Master/Slave), trong đó chỉ một thiết bị chủ có thể chủ động gửi yêu cầu, còn các thiết bị tớ sẽ đáp ứng bằng dữ liệu trả lại hoặc thực hiện một hành động nhất định theo như yêu cầu Các thiết bị chủ thông thường là các máy tính điều khiển trung tâm và các thiết bị lập trình, trong khi các thiết bị tớ có thể là PLC hoặc các bộ điều khiển số chuyên dụng khác

Một trạm chủ có thể thông báo yêu cầu tới riêng một trạm tớ nhất định, hoặc gửi thông báo đồng loạt tới tất cả các trạm tớ Chỉ trong trường hợp nhận được yêu cầu riêng, các trạm tớ mới gửi thông báo đáp ứng trả lại trạm chủ Trong một thông báo yêu cầu có chứa địa chỉ trạm nhận, mã hàm dịch vụ bên nhận cần thực hiện, dữ liệu đi kèm và thông tin kiểm lỗi

Hình 7 Cơ chế giao tiếp Master/Slave ở chế độ Unicast mode

Hình 8 Cơ chế giao tiếp Master/Slave ở chế độ Broadcast mode

Modbus trên các mạng khác:

Trong một số mạng như Modbus Plus và MAP sử dụng Modbus là giao thức cho lớp ứng dụng, các thiết bị có thể giao tiếp theo cơ chế riêng của mạng đó Ví dụ trong giao tiếp ngang hàng (Peer-to-peer), mỗi bộ điều khiển có thể đóng vai trò là chủ hoặc

là tớ trong các lần giao tiếp (một chu kỳ yêu cầu - đáp ứng) khác nhau Một trạm có thể cùng lúc có quan hệ logic với nhiều đối tác, vì vậy nó có thể đồng thời đóng vai trò

là chủ và tớ trong các giao tiếp khác nhau

Nhìn nhận ở mức giao tiếp thông báo, giao thức Modbus trên các mạng khác vẫn tuân theo nguyên tắc chủ/tớ mặc dù phương pháp giao tiếp mạng cấp thấp có thể là ngang hàng Khi một bộ điều khiển gửi một yêu cầu thông báo thì nó đóng vai trò là chủ và chờ đợi đáp ứng từ một thiết bị tớ Ngược lại, một bộ điều khiển sẽ đóng vai trò

là tớ nếu nó nhận được thông báo yêu cầu từ một trạm khác và phải gửi trả lại đáp ứng Chu trình yêu cầu-đáp ứng: Giao thức Modbus định nghĩa khuôn dạng của thông báo yêu cầu cũng như của thông báo đáp ứng

Một thông báo yêu cầu bao gồm các phần sau:

• Địa chỉ trạm nhận yêu cầu (0-247), trong đó 0 là địa chỉ gửi đồng loạt

• Mã hàm gọi chỉ thị hành động trạm tớ cần thực hiện theo yêu cầu

• Dữ liệu chứa các thông tin bổ sung mà trạm tớ cần cho việc thực hiện hàm được gọi

• Thông tin kiểm tra lỗi giúp trạm tớ kiểm tra độ vẹn toàn của nội dung thông báo nhận được

Thông báo đáp ứng cũng bao gồm các thành phần giống như thông báo yêu cầu Địa chỉ ở đây của chính trạm tớ đã thực hiện yêu cầu và gửi lại đáp ứng Trong trường hợp bình thường, mã hàm được giữ nguyên như trong thông báo yêu cầu và dữ liệu chứa kết quả thực hiện hành động, ví dụ nội dung hoặc trạng thái các thanh ghi Nếu xảy ra lỗi, mã hàm quay lại được sửa để chỉ thị đáp ứng là một thông báo lỗi, còn dữ liệu mô tả chi tiết lỗi đã xảy ra Phần kiểm lỗi giúp trạm chủ xác định độ chính xác của nội dung thông báo nhận được

Hình 9 Chu trình yêu cầu - đáp ứng của Modbus

MODBUS ASCII:

Khi các thiết bị trong một mạng Modbus chuẩn giao tiếp với chế độ ASCII (American Standard Code for Information Interchange), mỗi byte trong thông báo được gửi thành hai ký tự ASCII 7 bit, trong đó mỗi ký tự biểu diễn một chữ số hex Ưu điểm của chế độ truyền này là nó cho phép một khoảng thời gian trống tối đa một giây giữa hai ký tự mà không gây ra lỗi

Cấu trúc của một ký tự khung gửi đi được thể hiện như sau:

Mỗi ký tự khung bao gồm:

• 1 bit khởi đầu (start bit)

• 7 bit biểu diễn một chữ số hex của byte cần gửi dưới dạng ký tự ASCII (0 -9 và A – F), trong đó bit thấp nhất được gửi đi trước

• 1 bit parity chẵn/lẻ, nếu sử dụng parity

• 1 bit kết thúc (stop bit) nếu sử dụng parity hoặc 2 bit kết thúc nếu không

sử dụng parity

MODBUS RTU:

Khi các thiết bị trong một mạng Modbus chuẩn được đặt chế độ RTU, mỗi byte trong thông báo được gửi thành một ký tự 8 bit Ưu điểm lớn nhất của chế độ truyền này so với chế độ ASCII là hiệu suất cao hơn Tuy nhiên, mỗi thông báo phải được truyền thành một dòng liên tục

Cấu trúc một ký tự khung gửi đi được thể hiện như sau:

Mỗi ký tự khung bao gồm:

• 1 bit khởi đầu (start bit)

• 8 bit của byte thông báo cần gửi, trong đó bit thấp nhất được gửi đi trước

• 1 bit parity chẵn/lẻ nếu sử dụng parity

• 1 bit kết thúc (stop bit) nếu sử dụng parity hoặc 2 bit kết thúc nếu không

Mỗi thiết bị tham gia mạng có trách nhiệm liên tục theo dõi đường truyền và phát hiện sự xuất hiện của dấu hai chấm Khi dấu hai chấm nhận được thì hai ký tự tiếp theo sẽ mang địa chỉ của thiết bị được yêu cầu nhận thông báo hoặc thiết bị đã gửi thông báo đáp ứng Khoảng cách thời gian tối đa cho phép giữa hai ký tự trong một thông báo là một giây Nếu vượt quá trị này, bên nhận sẽ coi là lỗi

Khung ASCII sử dụng phương pháp LRC (Longitudinal Redudancy Check) để kiểm lỗi

Khác với chế độ ASCII, toàn bộ khung thông báo RTU phải được truyền thành một dòng liên tục Nếu một khoảng trống yên lặng lớn hơn 1,5 thời gian ký tự xuất hiện trước khi truyền xong toàn bộ khung, thiết bị nhận sẽ hủy bỏ thông báo chưa đầy

đủ đó và cho rằng byte tiếp theo sẽ là địa chỉ của một thông báo mới

Hình 10 Cấu trúc bức điện của Modbus RTU

2.5.4 Bảo toàn dữ liệu

Kiểm soát LRC:

Trong chế độ ASCII, phần thông tin kiểm lỗi của khung thông báo dựa trên phương pháp LRC (Longitudinal Redundancy Check) Dãy bit nguồn được áp dụng để tính mã LRC bao gồm phần địa chỉ, mã hàm và phần dữ liệu Các ô khởi đầu cũng như kết thúc khung không tham gia vào tính toán Mã LRC ở đây dài 8 bit được tính bằng các cộng đại số toàn bộ các byte của dãy bit nguồn (không để ý đến tràn), sau đó lấy phần bù hai của kết quả

Hình 11 Sơ đồ trạng thái của Master

Hình 12 Sơ đồ trạng thái của Slave

Hình 13 Sơ đồ trạng thái của Modbus RTU

Chương 3

CÁC PHÂN HỆ

ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA TÒA NHÀ

Có nhiều hệ thống thành phần trong BMS, nhưng trong khuôn khổ có hạn, Luận văn chỉ tập trung nghiên cứu phát triển 2 phân hệ chính trong đó là: phân hệ điều khiển HVAC và phân hệ điều khiển chiếu sáng Dưới đây chúng được gọi là các hệ thống

3.1 Hệ thống điều khiển điều hòa không khí HVAC

Điều khiển giám sát các thiết bị HVAC (Heating, Ventilating, Air-conditioning)

làmột trong những nhiệm vụ quan trọng của hệ thống quản lý tòa nhà BMS (Building Management System) HVAC là tập hợp những tiêu chuẩn thiết kế, điều chỉnh về môi trường làm việc trong các tòa nhà nhằm tạo sự tiện nghi hoặc vì các mục tiêu công nghiệp Có rất nhiều các thông số thuộc loại này, nhưng nguyên tắc giám sát và điều khiển chúng về cơ bản không có gì khác nhau Đề tài tập trung vào nghiên cứu phát triển các thiết bị và chương trình phần mềm giám sát điều khiển các thông số chính như nhiệt độ, độ ẩm và lưu lượng gió cho các thiết bị điều hòa thông gió tại các khu vực cục bộ cũng như toàn tòa nhà trong hoàn cảnh Việt nam

Nội dung các nghiên cứu được tiến hành trên các mặt:

• Nghiên cứu ứng dụng các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, lưu lượng gió trong các

bộ giám sát điều khiển tại hiện trường để thu thập thông tin về các thông số này nhằm thực hiện điều khiển có hiệu quả nhiệt độ, độ ẩm phòng, chất lượng gió tươi tại các tầng trong toà nhà

• Thiết kế chế tạo các bộ điều khiển tại hiện trường trên nền tảng vi xử lý để thu nhận thông tin từ các cảm biến và xuất ra các tín hiệu điều khiển tới các bộ chấp hành điện tử để điều hòa không khí cũng như lưu lượng gió

• Phần cứng và phần mềm nhúng trong các bộ điều khiển hiện trường này phải được phát triển sao cho đảm bảo được việc thông tin các dữ liệu từ đây tới các mô-đun và chương trình giám sát điều khiển cấp cao hơn để thực hiện những chương trình điều khiển mang tính toàn cục trong tòa nhà

• Phần mềm điều khiển hệ thống HVAC toàn tòa nhà cần có chức năng điều khiển tập trung cho tất cả các bộ điều khiển hiện trường kể trên trong tòa nhà, tích hợp thông tin nhận được từ các bộ điều khiển đó và đưa ra quyết định điều khiển thích hợp đến hệ thống Thí dụ, nếu một khu vực nào đó trở nên quá lạnh, hệ thống điều khiển sẽ tự động xác định lưu lượng gió trong khu vực đó, nhiệt độ gió nguồn, điểm đặt của nhiệt độ trong khu vực và nhiệt độ của khu vực đó so với các khu vực lân cận Hệ thống HVAC sau khi tập hợp được những thông tin cần thiết đó sẽ xác định: nếu nguyên nhân là do khí đầu

nguồn quá lạnh, lưu lượng gió quá lớn hay nhiệt độ đặt quá thấp, để từ đó ra quyết định là tăng nhiệt độ đầu vào hay giảm bớt lưu lượng gió, và điều chỉnh cho riêng khu vực hay cho cả tầng hoặc toàn bộ tòa nhà

3.1.1 Giám sát điều khiển nhiệt độ

3.1.1.1 Các thông số nhiệt độ [7]

Nhiệt độ: Là đại lượng biểu thị mức độ nóng lạnh Đây là yếu tố ảnh hưởng lớn

nhất đến cảm giác của con người Trong kỹ thuật điều hòa không khí người ta thường

sử dụng 2 thang nhiệt độ là độ C và độ F Đối với một trạng thái nhất định nào đó của không khí ngoài nhiệt độ thực của nó trong kỹ thuật còn có 2 giá trị nhiệt độ đặc biệt cần lưu ý trong các tính toán cũng như có ảnh hưởng nhiều đến các hệ thống và thiết bị

là nhiệt độ điểm sương và nhiệt độ nhiệt kế ướt

Nhiệt độ điểm sương: Khi làm lạnh không khí nhưng giữ nguyên dung ẩm d (hoặc

là nhiệt độ bão hòa của hơi nước ứng với phân áp suất p

h đã cho Từ đây ta thấy giữa t

s

và d có mối quan hệ phụ thuộc Những trạng thái không khí có cùng dung ẩm thì nhiệt

độ đọng sương của chúng như nhau Nhiệt độ đọng sương có ý nghĩa rất quan trọng khi xem xét khả năng đọng sương trên các bề mặt cũng như xác định trạng thái không khí sau xử lý Khi không khí tiếp xúc với một bề mặt, nếu nhiệt độ bề mặt đó nhỏ hơn hay bằng nhiệt độ đọng sương t

s thì hơi ẩm trong không khí sẽ ngưng kết lại trên bề mặt đó, trường hợp ngược lại thì không xảy ra đọng sương

Nhiệt độ nhiệt kế ướt: Khi cho hơi nước bay hơi đoạn nhiệt vào không khí chưa

bão hòa (I=const) Nhiệt độ của không khí sẽ giảm dần trong khi độ ẩm tương đối tăng lên Tới trạng thái bão hoà = 100% quá trình bay hơi chấm dứt Nhiệt độ ứng với trạng thái bão hoà cuối cùng này gọi là nhiệt độ nhiệt kế ướt và ký hiệu là t

ư Người ta gọi nhiệt độ nhiệt kế ướt là vì nó được xác định bằng nhiệt kế có bầu thấm ướt nước Như vậy nhiệt độ nhiệt kế ướt của một trạng thái là nhiệt độ ứng với trạng thái bão hòa

và có entanpi I bằng entanpi của trạng thái không khí đã cho Giữa entanpi I và nhiệt

độ nhiệt kế ướt t

ư có mối quan hệ phụ thuộc Trên thực tế ta có thể đo được nhiệt độ nhiệt kế ướt của trạng thái không khí hiện thời là nhiệt độ trên bề mặt thoáng của nước

Nhiệt độ được kiểm soát tại các vị trí xác định, để điều khiển tự động các hệ thống sưởi ấm, hoặc làm mát tòa nhà Góp phần quản lý năng lượng một cách tối ưu

3.1.1.2 Các cảm biến và chấp hành

Có nhiều loại cảm biến đo nhiệt độ, từ các loại đơn giản nhất như nhiệt kế thủy ngân, nhiệt kế rượu đến các nhiệt điện trở như Pt-100, các cặp nhiệt điện như Cu-Constantan, Pt-Rd và hiện nay xuất hiện nhiều loại nhiệt trở bán dẫn và cả những loại

có tích hợp luôn các bộ khuếch đại tín hiệu có điện áp ra tỷ lệ vơi nhiệt độ, thậm chí điện áp này được số hóa luông cùng các mạch xử lý số liệu ngay trên một vi mạch Các loại thiết bị chấp hành cũng hết sức đa dạng, đó là các hệ thống sưởi ấm, làm mát, làm lạnh cục bộ hay toàn bộ cho tòa nhà, kho chứa, khu gia cư, khu công cộng

Có nhiều loại tiêu chuẩn hệ thống sưởi ấm Sưởi ấm trung tâm thường được sử dụng trong khí hậu lạnh để sưởi ấm nhà ở tư nhân và các tòa nhà công cộng Như một hệ thống chứa một nồi hơi, lò, hoặc bơm nhiệt để sưởi ấm nước, hơi nước, hoặc không khí, tất cả trong một địa điểm trung tâm như là một lò sưởi trong nhà hoặc một phòng sưởi trong một tòa nhà lớn Hệ thống này cũng có chứa một trong hai hệ thống ống dẫn, bơm không khí cho các hệ thống, hoặc các ống phân phối nước nóng chất lỏng đến bộ tản nhiệt để chuyển nhiệt vào không khí Các bộ tản nhiệt có thể được lắp vào tường hoặc chôn trong các tầng để có thể sưởi ấm từ dưới sàn nhà Cũng có thể sưởi

ấm từ các thiết bị điện, đốt nóng bằng điện trở sinh nhiệt khi có dòng điện chạy qua

nó Các thiết bị này nhỏ gọn và có thể dự phòng hoặc bổ sung cho các máy bơm nhiệt

3.1.2 Giám sát điều khiển độ ẩm

3.1.2.1 Các khái niệm về không khí ẩm và độ ẩm

Không khí có chứa hơi nước gọi là không khí ẩm Trong tự nhiên chỉ có không khí

ẩm và trạng thái của nó được chia ra các dạng sau:

Không khí ẩm chưa bão hòa: Là trạng thái mà hơi nước còn có thể bay hơi thêm

vào được trong không khí, nghĩa là không khí vẫn còn tiếp tục có thể nhận thêm hơi nước

Không khí ẩm bão hòa: Là trạng thái mà hơi nước trong không khí đã đạt tối đa

và không thể bay hơi thêm vào đó được Nếu tiếp tục cho bay hơi nước vào không khí thì có bao bao nhiêu hơi bay vào không khí sẽ có bấy nhiêu hơi ẩm ngưng tụ lại

Không khí ẩm quá bão hòa: Là không khí ẩm bão hòa và còn chứa thêm một

lượng hơi nước nhất định Tuy nhiên trạng thái quá bão hoà là trạng thái không ổn định và có xu hướng biến đổi đến trạng thái bão hoà do lượng hơi nước dư bị tách dần

ra khỏi không khí Ví dụ như trạng thái sương mù là không khí quá bão hòa

Tính chất vật lý và mức độ ảnh hưởng của không khí đến cảm giác của con người phụ thuộc nhiều vào lượng hơi nước tồn tại trong không khí

Như vậy, môi trường không khí có thể coi là hổn hợp của không khí khô và hơi nước Chúng ta có các phương trình cơ bản của không khí ẩm như sau:

- Phương trình cân bằng khối lượng của hổn hợp:

G = G

k + G

h

k - Khối lượng không khí khô trong V (m3) của hổn hợp, kg;

,kg/m3

V

G h

h =ρ

Vì hơi nước trong không khí có thể coi là khí lý tưởng nên:

.

/,

1

m kg T R

p

h h

T - Nhiệt độ tuyệt đối của không khí ẩm, tức cũng là nhiệt độ của hơi nước K°

Độ ẩm tương đối: Độ ẩm tương đối của không khí ẩm, ký hiệu là RH (%) là tỉ số giữa độ

ẩm tuyệt đối ρ

h của không khí với độ ẩm bão hòa ρ

max ở cùng nhiệt độ với trạng thái đã cho

RH = h

Độ ẩm tương đối biểu thị mức độ chứa hơi nước trong không khí ẩm so với không khí ẩm bão hòa ở cùng nhiệt độ

Khi RH% = 0% đó là trạng thái không khí khô

0 %< RH < 100% đó là trạng thái không khí ẩm chưa bão hoà

RH = 100% đó là trạng thái không khí ẩm bão hòa

- Độ ẩm RH% là đại lượng rất quan trọng của không khí ẩm có ảnh hưởng nhiều đến cảm giác của con người và khả năng sử dụng không khí để sấy các vật phẩm

3.1.2.2 Các cảm biến và chấp hành điều khiển độ ẩm

Độ ẩm tương đối RH% có thể xác định bằng công thức, hoặc đo bằng ẩm kế Ẩm

kế là thiết bị đo gồm 2 nhiệt kế: một nhiệt kế khô và một nhiệt kế ướt Nhiệt kế ướt có bầu bọc vải thấm nước ở đó hơi nước thấm ở vải bọc xung quanh bầu nhiệt kế khi bốc hơi vào không khí sẽ lấy nhiệt của bầu nhiệt kế nên nhiệt độ bầu giảm xuống bằng nhiệt độ nhiệt kế ướt t

ư ứng với trạng thái không khí bên ngoài Khi độ ẩm tương đối

bé, cường độ bốc hơi càng mạnh, độ chênh nhiệt độ giữa 2 nhiệt kế càng cao Do đó

độ chênh nhiệt độ giữa 2 nhiệt kế phụ thuộc vào độ ẩm tương đối và nó được sử dụng

để làm cơ sở xác định độ ẩm tương đối RH Khi RH = 100%, quá trình bốc hơi ngừng

và nhiệt độ của 2 nhiệt kế bằng nhau

Các thiết bị giám sát điều khiển độ ẩm có nhiều loại: loại chuyên dụng như máy làm khô, máy hút ẩm, máy tạo ẩm hay các loại máy điều hòa không khí (air-conditioner) cũng đồng thời có chức năng này cùng với điều khiển nhiệt độ không khí trong phòng

3.1.3 Giám sát điều khiển thông gió

Đây là quá trình thay đổi hoặc thay thế không khí trong không gian để kiểm soát nhiệt độ hoặc loại bỏ độ ẩm quá mức, mùi khó chịu, khói thuốc lá, hơi nóng, bụi và vi khuẩn trong không khí, lưu thông với không khí bên ngoài, ngăn chặn tình trạng ẩm thấp Thông gió bao gồm cả hai quá trình: trao đổi với không khí bên ngoài cũng như lưu thông của không khí bên trong tòa nhà Nó là một trong những yếu tố quan trọng nhất cho việc duy trì có thể chấp nhận chất lượng không khí trong nhà trong tòa nhà

Hệ thống thông gió có thể được chia thành thông gió cơ khí / bắt buộc và thông gió tự nhiên

3.1.4 Thiết kế chế tạo hệ thống

Hệ thống giám sát điều khiển HVAC của tòa nhà được thiết kế phần cứng và phát triển các chương trình phần mềm theo nguyên tắc vừa tập trung vừa phân tán như trình bày trên hình 14

Hình 14 Sơ đồ điều khiển tập trung-phân tán hệ thống HVAC

Trung tâm điều khiển toàn tòa nhà được nối với các mô-đun điều khiển tầng và nối

theo bus tới các bộ điều khiển hiện trường Mỗi trạm tầng cho phép giao tiếp được với

48 bộ điều khiển vào/ra số tại hiện trường Các bộ điều khiển này gồm 2 loại: một là

các bộ đo và đặt các thông số môi trường và hai là các bộ chấp hành công suất đóng

ngắt các thiết bị điện Bộ thứ nhất có nhiệm vụ đọc các dữ liệu là các thông số môi

trường như nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió từ các mạch cảm biến tương ứng cung cấp trực tiếp ra các dữ liệu số nối tiếp theo chuẩn nhất định Các dữ liệu này được hiển thị lên màn hình LCD trực tiếp ngay tại bộ đo và được truyền về trạm điều khiển tầng và trung tâm Đồng thời các số liệu đặt các thông số cần điều khiển như nhiệt độ cần đặt cho thiết bị có địa chỉ nào, giá trị cần điều khiển là bao nhiêu do người sử dụng nhập vào cũng được bộ này mã hóa và truyền về trạm theo giao thức truyền thông Modbus/RTU Tại các trạm (là các mô-đun điều khiển tầng) hay bàn điều khiển trung tâm, các dữ liệu nói trên được thu thập (theo giao thức hỏi vòng – polling), được tính toán xử lý và trạm tự ra các quyết định điều khiển các thiết bị được định địa chỉ qua bus thông qua các bộ điều khiển công suất Việc xử lý thông minh được biểu hiện qua các giải thuật xử lý (thí dụ giải thuật tính toán điều khiển hệ thống các quạt thông gió trong một tầng dựa trên các thông số đo nhiệt độ, độ ẩm tại các vị trí khác nhau của tầng)

Dưới đây lần lượt trình bày quá trình thiết kế chế tạo hệ thống với các thành phần liên quan và quá trình truyền thông trên mạng điều khiển

3.1.4.1 Các cảm biến và mạch thích ứng tín hiệu

a) Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm

Việc đo nhiệt độ và độ ẩm môi trường được thực hiện nhờ cảm biến nhiệt bán dẫn

số hóa SHT-11 của hãng SENSIRION Đây là loại mạch đo hiện đại với 2 đầu sensor được tích hợp ngay trên cùng 1 chip bán dẫn cùng các mạch thích ứng tín hiệu, khuếch

ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM

Hệ điều khiển HVAC

Mô-đun điều khiển tầng

Bộ đo và đặt thông số môi trường

Sensor

Mô-đun điều khiển tầng

Mô-đun điều khiển tầng

Mô-đun điều khiển tầng

Mô-đun điều khiển tầng

Chấp hành Sensor

Bộ đo và đặt thông số môi trường

Chấp hành Sensor

Chấp hành Sensor

Chấp hành

Bộ điều khiển thiết bị

Bộ điều khiển thiết bị

Chấp hành Chấp hành

Bộ điều khiển thiết bị

đại analog, mạch số hóa với bộ biến đổi tương tự-số 14 bit, mạch xử lý và truyền dữ liệu số lối ra theo chuẩn nối tiếp Cảm biến đo nhiệt độ dựa trên nguyên tắc nhiệt trở bán dẫn, còn cảm biến đo độ ẩm dựa trên nguyên tắc biến đổi điện dung Đây là loại linh kiện điện tử gắn bề mặt (SMD, surface mounted device) nên có kích thước rất nhỏ, rất thuận tiên cho việc thiết kế lắp ráp Hình dạng và kích thước và sơ đồ tín hiệu các chân của cảm biến được cho trên hình 15

Hình 15 Hình dạng và kích thước cảm biến bán dẫn SHT-11

SHT-11 cho phép dễ dàng nối với mạch vi xử lý như hình 16

Hình 16 Ghép nối với vi điều khiển

Các chỉ tiêu kỹ thuật được cho trong bảng 3 và độ chính xác phép đo được cho trên hình 17 sau

Bảng 3 Bảng các thông số kỹ thuật của cảm biến kép SHT-11

Hình 17 Độ chính xác của các phép đo phụ thuộc lẫn nhau

Sau đây trình bày tóm tắt việc nghiên cứu truyền thông giữa cảm biến và vi điều khiển

Để khởi phát quá trình truyền dữ liệu, một chuỗi dữ liệu khởi phát cần được phát ra (transmission start sequence) như hình 18

Hình 18 Xung khởi phát thông tin

Các lệnh được mã hóa như sau:

Lệnh Mã

Đọc nhiệt độ 00011 Đọc độ ẩm 00101 Đọc trạng thái thanh ghi 00111

Viết trạng thái thanh ghi 00110

Khởi động mềm 11110

Để bù trừ sự phi tuyến của cảm biến độ ẩm, cần phải biến đổi số đọc lối ra SORH

theo công thức sau:

Với các dải nhiệt độ khác với 25°C, cần phải bù trừ nhiệt cho cảm biến độ ẩm (12%RH/°C) Các hệ số bù trừ được cho trong công thức sau:

Cảm biến nhiệt độ ở đây thuộc loại band-gap PTAT (proportional To Absolute Temperature) có sự phụ thuộc rất tuyến tính Sử dụng công thức sau cho phép biến đổi

từ số đọc ra của cảm biến thành giá trị nhiệt độ:

b) Cảm biến đo lưu lượng không khí

Luận văn sử dụng một loại cảm biến đo lưu lượng không khí trong nhà là loại SF5 Kích thước thiết kế của nó được cho trên hình 19 Đây là loại cảm biến đo lưu lượng luồng khí dựa trên công nghệ tiêu tán nhiệt Các bộ phận của cảm biến bao gồm hai điện trở platinum phụ thuộc nhiệt độ, cả hai được đặt trên cùng một đế Một điện trở

có giá trị thấp và diện tích nhỏ được dùng là bộ phận đốt nóng Còn điện trở có giá trị cao hơn làm nhiệm vụ đo nhiệt độ tham chiếu Vì dùng một mạch cầu, nên hai giá trị điện trở khác nhau sẽ dẫn đến hai mức nhiệt khác nhau Mức nhiệt phụ thuộc vào điện

áp nguồn nuôi, khối lượng dòng chảy, và loại vật liệu dùng làm đế sensor Điện áp