HỆ THỐNG THÔNG TIN CÔNG NGHIỆP GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA TRÊN MÔI TRƯỜNG INTERNET

Các dữ liệu đo có thể được xử lý tại hệ thống giám sát và kiểm soát bên trong mạnglưới các cảm biến.Xử lý tại hệ thống giám sát có thể đơn giản như lưu trữ các dữ liệu trongcơ sở dữ liệu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

ĐỀ TÀI TIỂU LUẬN MÔN: HỆ THỐNG THÔNG TIN CÔNG NGHIỆP GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA TRÊN MÔI TRƯỜNG INTERNET

Chủ đề 5:

Giám sát và điều khiển từ xa trên môi trường Internet ( Remote Monitoring and Control over the Internet)

Người thực hiện:

1 Nguyễn Việt Dũng Chương I; II; III

2 Bùi Văn Nhẫn Chương IV; Mục V.1

3 Ngô Tuấn Anh Mục V.2, V.3; Chương VI, VII, VIII, IX

MỤC LỤC

I Giới thiệu 4

II Quản lý năng lương tòa nhà 5

II.1 Quản lý năng lượng 5

II.2 Tiêu chuẩn mô hình dữ liệu tòa nhà 8

III Thiết kế hệ thống RBMO 8

III.1 Kiếm trúc hệ thống 9

III.2.Hệ thống thu thập dữ liệu 9

III.3 Những đơn vị đo và múi giờ 10

III.4 Cơ sở dữ liệu chuỗi thời gian 11

III.5 Hệ thống phân vùng 12

IV Phần mềm ứng dụng RBMO 12

V Thảo luận 13

V.1 Những vấn đề cần quan tâm(liên quan) về khả năng tương thích nền hệ thống 14

V.1.1 Khả năng thông báo sự kiện (sự cố) 14

V.1.2 Thôngtin cá nhân và an ninh 14

V.1.3 Performance Hiệu suất / Đặc trưng? 15

V.1.4 Vấn đề tích hợp hệ thống kế thừa 16

V.2 Tính không đồng nhất ngữ nghĩa và quản lí dữ liệu 17

V.2.1 Dịch vụ chỉ dẫn và đặt tên 17

V.2.2 Các dịch vụ trung gian 18

V.2.3 Sơ đồ động và sơ đồ tĩnh 18

V.2.4 Các dịch vụ biến đổi cơ sở 19

V.2.5 Các múi giờ và sự đồng bộ 19

V.2.6 Chuỗi thời gian DBMS 19

V.2.7 Sự đảm bảo về chất lượng dữ liệu 19

V.3 Vận hành hệ thống 20

V.3.1 Soda Hall 20

V.3.2 Tòa nhà Oakland Federal 20

VI Công việc liên quan 21

VII Công việc trong tương lai 21

VIII Tổng kết 22

IX Lời kết 22

Các dữ liệu từ xa được thu thập thông qua các cảm biến tích hợp trong môi trường,các cảm biến này phát đi các giá trị đã đo đạc theo chu kỳ hoặc truyền đi các phép đo theoyêu cầu Các cảm biến được kết nối với hệ thống giám sát và điều khiển thông qua mộtmạng thông tin liên lạc Các kết nối mạng này có thể được không dây hoặc có dây và cácgiao thức mạng có thể là các giao thức cơ bản (chẳng hạn như các giao thức Internet) hoặcgiao thức độc quyền nào đó.Vòng điều khiển được đóng lại thông qua các thiết bị truyềnđộng ảnh hưởng đến quá trình kiểm soát Hệ thống giám sát và kiểm soát có thể được phânphối để tăng sự sẵn có của hệ thống và bảo vệ chống lại sự thất bại của các bộ phận của hệthống Các dữ liệu đo có thể được xử lý tại hệ thống giám sát và kiểm soát bên trong mạnglưới các cảm biến.Xử lý tại hệ thống giám sát có thể đơn giản như lưu trữ các dữ liệu trong

cơ sở dữ liệu hay giám sát các dữ liệu cho các xu hướng bất ngờ hoặc các sự kiện.Xử lý dữliệu bên trong mạng có thể đối phó với preaggregation các giá trị đo tại nguồn hoặc tại cácnút trong mạng lưới các cảm biến

Như đã đề cập ở trên, việc thiết kế không gian của hệ thống giám sát và điều khiển

từ xa phụ thuộc rất nhiều hoàn cảnh ứng dụng cụ thể Ở đây, chúng tôi sẽ chọn một ứngdụng trong trường hợp cụ thể, thảo luận và phát triển ứng dụng, và trình bày một cách chitiết việc thiết kế và xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển từ xa Đối với trường hợpứng dụng này là hệ thống giám sát và vận hành tòa nhà từ xa (Remote BuildingMonitoring and Operations - RBMO) với mục đích nhằm quản lý các nguồn năng lượngtrong tòa nhà thông qua Internet Nghiên cứu này được tổng hợp từ việc triển khai và kinhnghiệm vấn hành từ một vài tòa nhà lớn

Các phần của tiểu luận này được bố trí như sau

- Phần 2: Hoàn cảnh phát triển ứng dụng và đánh giá các công nghệ cơ bản liênquan đến các hệ thống giám sát và điều khiển tòa nhà từ xa đã được mô tả

- Phần3: Giới thiệu kiến trúc của hệ thống RBMO và các mục tiêu thiết kế chính

- Phần 4: Các phần mềm ứng dụng

- Phần 5: Tóm tắt kinh nghiệm trong việc phát triển, triển khai và vận hành hệthống

- Phần 6: Đề cập tời những công việc hiện tại

- Phần 7: Hướng phát triển trong tương lai

II Quản lý năng lương tòa nhà

II.1 Quản lý năng lượng

Theo các số liệu thống kê tại Mỹ, các tòa nhà tiêu thụ một phần ba của tất cả cácnăng lượng sản xuất tại nước này với chi phí khoảng 200 tỷ USD mỗi năm, với 85 tỷ USDmỗi năm cho các tòa nhà thương mại Theo ước tính một nửa số chi phí này là lãng phí sovới những gì là chi phí hiệu quả đạt được Phần lớn sự lãng phí này nguyên nhân từ việcchưa kiểm soát và duy trì hiệu quả các hệ thống tòa nhà phức tạp hiện nay Theo một sốnghiên cứu gần đây về hiệu suất tòa nhà cho thấy có thể tiết kiệm khoảng 15% đến 40%chi phí năng lượng hàng năm bằng việc lập kế hoạch, phân tích và thực hiện dựa trên dữliệu người sử dụng năng lượng Cách tiết kiệm năng lượng tốt nhất từ việc tắt các thiết bịkhông cần thiết Theo một cách khác, việc tiết kiệm tốt hơn cho các thiết bị bằng việc lên

kế hoạch và tối ưu hóa điểm nhiệt độ điều khiển Một số ví dụ khác về việc phân tích tínhhiệu quả việc sử dụng năng lượng của các tòa nhà mà được trang bị hệ thống giám sátđược nêu ra tại bài trình bày “Mô hình cơ bản về việc theo dõi đảm bảo hiệu suất của cáctòa nhà trong trường đại học của Piette

Các ứng dụng được phát triển cho dự án RBMO là dựa trên Hệ thống điều khiểnthiết bị sưởi ấm và điều hòa nhiệt độ (Heating Ventilating and Air ConditioningEquipment - HVAC) trong các tòa nhà thương mại (Hình 1) (mở rộng từ những thông tincủa Hệ thống điều khiển quản lý năng lượng (Energy Management Control Systems -EMCSs)),

Nhiều nghiên cứu đã chỉ rõ khả năng giám sát của hệ thông EMCS đối với với cáctòa nhà thương mại Hiện nay có hơn 150 nhà sản xuất liên quan đến EMCS Khoảng 50%của tất cả các tòa nhà trên 45.000 m2 (500.000 ft2) có một EMCS, và họ có mặt ở gần như

tất cả các tòa nhà văn phòng lớn [12] Đối với các tòa nhà được xây dựng từ năm 1992,gần 50% diện tích sàn là trong các tòa nhà với EMCSs.

Hệ thống RBMO hỗ trợ giám sát và điều khiển từ xa nhiều tòa nhà Các thiết bị nhưHVAC, chiếu sang… được giám sát và điều khiển thông qua mạng Internet sử dụng giaothức CORBA (Common Object Request Broker Architecture protocols) Nó được thiết kế

để làm việc không đồng nhất với các hệ thống EMCS và HVAC Hệ thống RBMO là cũngđược thiết kế để tích hợp với một trung tâm giám sát và điều khiển tòa nhà từ xa Trungtâm này cung cấp dữ liệu trực quan, quản lý cơ sở dữ liệu, mô phỏng năng lượng tòa nhà,

và công cụ phân tích năng lượng sử dụng là cơ sở giám sát từ xa bao gồm hai thành phần:

- Máy chủ chạy trên nền Unix làm nhiệm vụ thu thập và quản lý dữ liệu

- Một số máy trạm chạy hệ điều hành Unix hoặc Windows được sử dụng cho dữliệu trực quan, phân tích thống kê dữ liệu, và mô phỏng

Những người sử dụng cuối của hệ thống này sẽ là những người sở hữu hoặc điềuhành những tòa nhà này ví dụ U.S.GSA (tòa nhà liên bang), khu học chánh, các trường đạihọc, các chuỗi bán lẻ, các ngân hàng, các công ty quản lý tài sản, và các tiện ích

Hình 1 Hệ thống RBMO

Hệ thống RBMO hướng tới ba mục tiêu thiết kế chính: thể hiện tính khả thi kỹ thuậtcủa thiết kế đề xuất, đánh giá và thử nghiệm với các thành phần công nghệ phần mềm vàkhả năng tương tác trên môi trường không đồng nhất, và thể hiện các tiện ích của hệ thống

Khi tập trung chú ý và phân tích kỹ lưỡng các dữ liệu từ tòa nhà EMCSs thôngthường cho thấy nó có đủ khả năng để cải thiện hoạt động tòa nhà, kết quả mang lại sựthoải mái cho người đang cư ngụ và giảm sử dụng năng lượng Tuy nhiên, đối với hầu hếtcác tòa nhà, sự tập trung chú ý và phân tích kỹ lưỡng không được thực hiện do thiếu phầnmềm thích hợp, đào tạo vận hành, nhân viên, và các cảm biến không chính xác hoặc bịhỏng hóc.Giám sát tòa nhà từ giúp tăng khả năng giảm chi phí lao động tham gia trongviệc theo dõi và phân tích EMCSs bằng cách trải các chi phí lao động trong một số lượnglớn các tòa nhà.Điều này tạo nên tính khả thi về mặt tài chính để sử dụng các chuyên gia

sử dụng, do đó, các nhà cung cấp dễ dàng có thể khấu hao chi phí phát triển Ngược lại,các giao thức độc quyền thường đòi hỏi chi phí nhiều hơn, nguyên nhân là do sự độcquyền và nó hướng tới một thị trường nhỏ hơn Có một số giao thức công nghiệp đặc biệt,chẳng hạn như BACnet, nó được xếp vào giữa hai lạo giao thức trên Các giao thứcInternet được coi là phổ biến nhất cho các ứng dụng mạng diện rộng

Sử dụng mạng Internet cho phép người dùng chia sẻ các giá trị, lợi ích của một cơ

sở hạ tầng thông tin liên lạc một cách phổ biến phổ biến Khi xây dựng các ứng dụng tựđộng hóa mà có thể chia sẻ cơ sở hạ tầng Internet hiện tại có thể tiết kiệm đáng kể so vớikết nối bằng hệ thống quay sô dial-up trước đây Môi trường Internet cũng cung cấp mộtlượng đáng kể các khách hàng tiềm năng của hệ thống băng thông cao mà không tốn kém

mà có thể truy cập vào bất cứ lúc nào họ cần, ví dụ, video giám sát từ xa đối với an ninh vàhỏa hoạn, hoặc chẩn đoán từ xa Cuối cùng, Internet cũng hưỡng tới sư tin cậy, dư thừa kếtnối, mạng backbone Nhược điểm của việc sử dụng Internet là cần phải có sự đảm bảo vềmặt an ninh mạng

Hệ thống EMCS ngày nay đã được xây dựng chủ yếu dùng để điều khiển Các hệthống EMCSs là các hệ điều khiển máy tính đặc biệt, được lập trình để vận hành các thiết

bị tòa nhà như thiết bị làm lạnh, quạt, máy bơm, van, động cơ, và hệ thống chiếu sáng.EMCSs được cài đặt cho nhiều mục đích khác nhau như: kiểm soát thiết bị, cảnh báo các

nhà khai thác trục trặc thiết bị có thể, duy trì các điều kiện tiện nghi, và cho phép sửa đổicác chi tiết điều khiển kỹ thuật.

Những hệ thống EMCS thường giám sát các dữ liệu vận hành của tòa nhà như các

vị trí van điều tiết, điểm đặt, các mức làm việc của chất lỏng và tình trạng thiết bị Hệthống này không được sử dụng để giám sát nhu cầu điện năng Trong một số trường hợp,những cảm biến chính xác được sử dụng để chuẩn đoán thay vì những loại thông thườngtrong các hệ thống EMCS Ví dụ, để theo dõi hiệu quả làm lạnh cần một phép đo rất chínhxác về sự sụt giảm nhiệt độ và tỷ lệ lưu lượng nước thông qua các thiết bị làm lạnh là cầnthiết.Các cảm biến thông thường trong một EMCS có thể không đủ để tính toán trongtrường hợp này

II.2 Tiêu chuẩn mô hình dữ liệu tòa nhà

Năm 1995, ASHRAE đã thông qua một tiêu chuẩn truyền thông mới cho các hệthống tự động hóa tòa nhà – Tiêu chuẩn mạng điều khiển và tự động hóa tòa nhà (TheBuilding Automation and Control Network Standard - BAC-net) Tiêu chuẩn này xem hệthống HVAC là một tập các đối tượng Tuy nhiên, tiêu chuẩn này không bao gồm các tiêuchuẩn về mức ứng dụng như thiết bị làm lạnh hay những tháp làm mát

Liên minh hợp tác quốc tế (The International Alliance for Interoperability) là một tổhợp các nhà cung cấp phần mềm kiến trúc, kỹ thuật, và xây dựng (ví dụ, Autodesk vàBentley Systems), những người đang làm việc phát triển một mô hình tiêu chuẩn dữ liệucho việc mô tả của các tòa nhà Các mô hình dữ liệu là dự định được sử dụng bởi các công

cụ thiết kế kiến trúc và kỹ thuật, dự toán chi phí xây dựng phần mềm, phần mềm lập kếhoạch xây dựng, vv Chúng tôi đang theo dõi các nỗ lực này để sử dụng trong các công ướccủa chúng tôi đặt tên cho các điểm giám sát

III Thiết kế hệ thống RBMO

Trong phần này, mô tả chi tiết kiến trúc của hệ thông RBMO bao gồm:

- Hệ thống Gateway trong mỗi tòa nhà

- Dữ liệu thu nhận của hệ thống con

- Mức ứng dụng cảu từng đối tượng đặc biệt và đơn vị chuyển đổi

- Dữ liệu chuỗi thời gian

III.1 Kiếm trúc hệ thống

Kiến trúc của hệ thống RBMO được thể hiện trong hình 2 Kiến trúc này bao gồm

ba lớp: các ứng dụng, hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu, và các gateway của tòa nhà Các lớpnày kết nối với các hệ thống con thông qua internet nhờ bộ chuyển đổi CORBA

Hệ thống này đã được thiết kế thành các mô-đun để dễ dàng đánh giá luân phiêncác công nghệ cho cơ sở dữ liệu, giao diện người dùng, và các thành phần trực quan (Dữliệu chuỗi thời gian)

Hệ thống RBMO được tạo như một hệ thống không đồng nhất mức cao kết hợp vớinền tảng phần cứng khác nhau và hệ điều hành khác nhau, từ các hệ thống độc quyền(EMCSs) đến các nền tảng phổ biến (Sun workstations/UNIX and PC/NT) Sự không đồngnhất lớn chính là động lực để sử dụng CORBA thay vì các giao thức khác như OLE,Active X, DCOM, SNMP, MMS, và các giao thức netDDE Bảng 1 đưa ra một số so sánhđối với một số trường hợp

III.2.Hệ thống thu thập dữ liệu

Dữ liệu từ xa về tình trạng của tòa nhà của chúng tôi ban đầu có sẵn như là dữ liệumặt cắt ngang, dữ liệu, mẫu dữ liệu được xây dựng định kỳ, thông thường là 1 đến 2 phút

Dữ liệu có độ phân giải cao cho phép chúng ta nghiên cứu các dao động trong hệ thốngđiều khiển Tuy nhiên, những phân tích thông thường chỉ sử dụng một vài biến trạng thái,nhưng lại muốn nhìn thấy trong 1 chuỗi thời gian dài của mỗi biến trạng thái Vì vậy, nóthích hợp cho việc phân tích dữ liệu lưu trữ trong 1 thời gian riêng biệt với mỗi biến trạngthái

Câu hỏi đặt ra sau đó là khi nào và nơi nào các dữ liệu được chuyển từ mặt cắtngang sang các định dạng thời gian lưu trữ Điều này có thể thực hiện được ở thời gian thuthập, thời gian phân tích, hoặc một số thời gian trung gian

Sự chuyển vị ở thời gian thu thập chậm hơn tiến trình thu thập, nhưng tăng tốc ởpha phân tích Chuyển vị tại thời điểm phân tích cho phép thu thập dữ liệu rất nhanh,nhưng giảm ở pha phân tích Chuyển vị thời giant rung gian cho phép cả thu thập dữ liệu

và phân tích dữ liệu đều rất nhanh Tuy nhiên, kiến trúc phần mềm trở nên phức tạp hơn vàtốn kém để thực hiện và duy trì Chuyển vị cũng cso thể xảy ra ở các máy gateway, máychủ cơ sở dữ liệu, hoặc phân tích các máy trạm

Chúng ta chọn chuyển đổi dữ liệu ở máy chủ cơ sở dữ liệu khi chúng thu thập Việcnày sẽ tạo ra ít nhất một đĩa I/O hoạt động trên mỗi điểm giám sát dữ liệu cho mỗi chu kỳlấy mẫu Điều này dường như là có cấu trúc đơn giản nhất để thực hiện, và cần phải cóhiệu suất tương ứng với hệ thống nguyên mẫu của chúng ta.

Hệ thống thu thập dữ liệu (DAQ) hiện nay là một hệ thống vòng đặt tại máy chủtrung tâm cùng với hệ thống quản lý dữ liệu thời gian Đặt hệ thống DAQ trên serverTSDB có hiệu quả lớn như DAQ truyền cho I/O đáng kể tới DB server

Kiểm tra vòng (kiến trúc kéo) đã được lựa chọn ban đầu trên 1 kiến trúc đẩy từ cácgateway do nhận biết đơn giản thực hiện Chúng tôi dự kiến di chuyển đến 1 kiến trúc đẩy,cái mà chúng tôi hy vọng sẽ cung cấp độ tin cậy tốt hơn chống lại các điểm lỗi đơn lẻ của

hệ thống trung tâm (giả sử nó đã được nhân rộng), và dễ dàng hỗ trợ cho các hệ thống saochép hoặc phân vùng trung tâm DAQ/DBMS

Hệ thống thu thập dữ liệu của chúng tôi là đa luồng, với mỗi quá trình DAQ phục

vụ cho nhiều tòa nhà Điều này cung cấp hiệu suất (và phần mềm bản quyền) lợi thế hơnmột quá trình đơn luồng, mỗi tiến trình trong thiết kế tòa nhà, ở các chi phí của độ tin cậy.Bất cứ lỗi nào trong quá trình DAQ sau đó là nguyên nhân hệ thống thu thập dữ liệu từ tất

cả các toàn nhà bị lỗi Sự sao chép hoặc phân vùng của DAQ được ky vọng cho các ứngdụng quy mô lớn

III.3 Những đơn vị đo và múi giờ.

Trong phân chia với nhiều toàn nhà, chúng tôi buộc phải đối đầu với sự đa dạng cảucác đơn vị đo lường được sử dụng cho các điểm giám sát khác nhau và EMCSs

Có 3 phương pháp tiếp cận để đối phó với vấn đề này:

1 ghi lại tất cả các phép đo như cặp (giá trị, đơn vị)

2 ghi lại các đơn vị cho mỗi điểm giám sát như 1 phần của siêu dữ liệu cho cácđiểm giám sát

3 ghi lại tất cả các phép đo trong một bộ kinh điển của các đơn vị

Thông thường thực hành trong hệ thống EMCS là phương pháp 2 Mô hình dữ liệuIAI thông qua phương pháp 1 Tuy nhiên, sự khác nhau trong các đơn vị đo qua các điểmgiám sát và EMCSs làm cho sự so sánh và tính toán trọng các DBMS cực kỳ khó Chúngtôi đã thông qua quy ước lưu trữ tất cả các phép đo trong tiêu chuẩn SI (hệ mét) các đơn vị

trong DBMS (sự chuyển đổi được thực hiện bởi hệ thống thu thập dữ liệu) Việc này tiếnhành xây dựng các chỉ số và so sánh hoặc tính toán trong xử lý truy vấn Chúng tôi có kếhoạch cho phép người dùng chỉ định một hệ thống ưa thích để các đơn vị để thể hiện kếtquả truy vấn.

Khó khăn twuong tự xảy ra với các múi giờ Có 2 vấn đề - một bộ sưu tập của cáctòa nhà được giám sát có thể bao gồm nhiều múi giờ (ví dụ: 1 chuỗi bán lẻ lớn) và việc sửdụng thời gian tiết kiệm ánh sang ban ngày đưa ra nhiều bất thường Chúng tôi giả quyết

cả 2 vấn đề bằng cách chuyển đổi tất cả các nhãn thời gian (Universal Coordinated Time(UTC)) (a.k.a Greenwich Mean Time (GMT)) Điều này được thực hiện trong hệ thốngthu thập dữ liệu trước khi lưu trữ dữ liệu

III.4 Cơ sở dữ liệu chuỗi thời gian

Số lượng lớn của các dữ liệu mà chúng tôi thu thập được sẽ được thành chuỗi thờigian, ví dụ, nhiệt độ, năng sử dụng điện… Mặc dù các dữ liệu thô có thể bất thường theothời gian, chúng tôi sẽ biến đổi những chuỗi thời gian thường xuyên để phân tích Chuỗithời gian thường xuyên giả định định kỳ lấy mẫu Do đó, tiêu chí quan trọng nhất để lựachọn các DBMS của chúng tôi là phù hợp cho dữ liệu chuỗi thời gian và các truy vấn

Nó có thể hỗ trợ dữ liệu chuỗi thời gian trên bất kỳ của một số DBMS: quan hệ,hướng đối tượng (OO), hoặc lai quan hệ đối tượng việc sử dụng DBMS quan hệ cho dữ liệuchuỗi thời gian thường xuyên thường cung cấp hiệu suất trung bình, và hỗ trợ chủ yếu chocác hoạt động như làm mịn và làm lịch DBMS hướng đối tượng cho phép thực hiện thuthập dữ liệu chuỗi thời gian với sự hỗ trợ tốt hơn cho làm lịch, làm mịn,… Để giảm thiếu chiphí phát triển, ban đầu chúng tôi chọn một DBMS quan hệ-đối tượng, Illustra (kể từ khi sátnhập với Informix) được xây dựng hỗ trợ chuỗi thời gian Khi DBMS này được chứng minhkhông tin cậy, chúng tôi chuyển sang một DBMS quan hệ, Oracle Xem thảo luận dưới đây.Gần đây, DBMS quan hệ cung cấp (ví dụ Oracle) đã công bố được xây dựng hỗ trợ chuỗithời gian

Hầu hết các dữ liệu mà không phải chuỗi thời gian là mô tả dữ liệu tòa nhà- đó là,

dữ liệu Computer Aided Design (CAD) mô tả các cấu hình vật lý của tòa nhà, hệ thốngHVAC, và hệ thống EMCS DBMSs hướng đối tượng (OODBMSs) nói chung là phù hợptốt hơnvới các dữ liệu CAD hơn là DBMSs quan hệ (RDBMSs)