Nghiên cứu ứng dụng hệ thống quản lý tòa nhà thông minh IBMS

Từ những năm 1970 các quốc gia tiên tiến trên thế giới đã bắt đầu đưa vào sử dụng các hệ thống như hệ thống quản lý tòa nhà “Building Management System” IBMS, hệ thống tự động hóa tòa nh

LỜI CAM ĐOAN

Ngoài sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của PGS.TS Nguyễn Văn Khang, cuốn

luận văn này là sản phẩm của quá trình tìm tòi, nghiên cứu và trình bày của tác giả

về đề tài trong luận văn Mọi số liệu quan điểm, quan niệm, phân tích, kết luận của các tài liệu và các nhà nghiên cứu khác đều được trích dẫn theo đúng qui định Vì vậy, tác giả xin cam đồ án là công trình nghiên cứu của riêng mình

Hà Nội, ngày 19 tháng 3 năm 2012

Tác giả

Vương Thị Dung

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Data communication Protocol for Building Automation and Control

Networks

Giao thức truyền thông

dữ liệu cho mạng điều khiển tự động hóa tòa

nhà

System

Hệ thống quản lý tòa nhà thông minh

tiếp

gió biến đổi

Process Control

Điều khiển quá trình cho các đối tượng liên kết và

nhúng

công nghiệp Modbus

17 I/O Input/Output Đầu vào/đầu ra

Air- Conditioning

Điều hòa lưu thông không khí

hòa

tiếp

lượng tòa nhà

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình hệ thống quản lý tòa nhà IBMS 12

Hình 1.2 Mô hình điều khiển quản lý tòa nhà IBMS 13

Hình 1.3 Nguyên tắc hoạt động của BMS điều khiển Chiller 14

Hình 1.4 Mô hình điều khiển phân lớp của IBMS 14

Hình 1.5 Mô hình thiết bị hiện trường 15

Hình1.6 Mô hình khối điều khiển 15

Hình 1.7 Mô hình khối quản lý của hệ thống IBMS 16

Hình 1.8 Thành phần của hệ thống IBMS 17

Hình 1.9 Mô hình liên kết các hệ thống trong tòa nhà IBMS 20

Hình 1.10 Lợi ích của hệ thống BMS đem lại cho tòa nhà 21

Hình 1.11 BMS giúp quản lý tòa nhà tiện lợi 22

Hình 2.1 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống IBMS 25

Hình 2.2 Sơ đồ thu thập dữ liệu 27

Hình 2.3 Nối dây truyền thống (a) và nối dây mạng công nghiệp (b) 28

Hình 2.4 Hạ tầng mạng quản lý tòa nhà IBMS 29

Hình 2.5 Điều khiển giám sát tập trung 31

Hình 2.6 Giao thức BACnet 33

Hình 2.7 Giao thức LonTalk 33

Hình 2.8 Kiến trúc giao thức Profibus 34

Bảng 2.1 Bảng quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn 35

Hình 2.9 Cấu trúc khung truyền của Ethernet 37

Hình 2.10 Dạng địa chỉ 16 bit 38

Hình 2.11 Dạng địa chỉ 46 bit 38

Hình2.12 Mô hình AHU 41

Hình 2.13 Mô hình điều hòa không khí trung tâm giải nhiệt nước(Chiller) 42

Hình 2.14 Mô hình giải pháp quản lý tòa nhà của hãng HoneyWell 45

Hình 2.15 Tích hợp các hệ thống trong tòa nhà sử dụng IBMS 46

Hình 2.16 Hệ thống điều hòa không khí trung tâm VRV 47

Hình 3.1 Dự án khách sạn Dầu khí Thái Bình 52

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý tủ điều khiển chiếu sáng 71

Hình 3.3 Sơ đồ các tủ điện tầng điều khiển chiếu sáng 72

Hình 3.4.Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển hệ thống quạt thông gió 73

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển hệ thống quạt hút khói bếp, hút mùi cho khu vực toilet 74

Hình 3.6 Bộ điều khiển kỹ thuật số 75

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển quạt tăng áp 77

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý giám sát hệ thống bơm nước sinh hoạt 78

Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý giám sát hệ thống bơm nước thải 79

Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý giám sát hệ thống bơm nước cứu hỏa 80

Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống quản lý tòa nhà IBMS 83

Hình 3.12 Sơ đồ một sợi hệ thống quản lý tòa nhà IBMS 84

Hình 3.13 Màn hình quản lý hệ thống tòa nhà IBMS 86

Hình 3.14 Quạt chạy ở chế độ tự động 87

Hình 3.15 Quạt dừng ở chế độ bằng tay 87

Hình 3.16 Quạt báo trip 87

Hình 3.17 Màn hình giám sát tủ DB-T4 88

Hình 3.18 Truy cập phần đặt lịch 89

Bảng 3.3 Bảng đặt lịch 90

Hình 3.19 Truy cập phần quản lý User 91

Hình 3.20 Khai báo User 91

Hình 3.21 Các cấp độ User 92

Hình 3.22 Ví dụ kiểm tra gateway điều hòa 93

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Khi dòng người từ các tỉnh đổ xô tới thủ đô Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh

để làm việc, học tập, lập gia đình, sinh sống đã làm tăng nhu cầu nhà ở tại các thành phố lớn Đồng thời, đất nước ta đang trong giai đoạn phát triển, những tòa nhà cao tầng mọc lên ngày càng nhiều, đặc biệt là các sân bay, trung tâm thương mại, ngân hàng, khách sạn, chung cư, trường học hay bệnh viện Những tòa nhà này không chỉ được thiết kế hiện đại mà còn được trang bị nhiều thiết bị công nghệ cao Chi phí xây dựng các tòa nhà là rất lớn nhưng so với chi phí để quản trị hiệu quả tòa nhà như chi phí cho duy trì hoạt động, chi phí cho năng lượng tiêu thụ, thời gian, con người, an toàn, thông tin liên lạc, và bảo trì vận hành tòa nhà này thì nhỏ hơn rất nhiều Để tạo nên môi trường làm việc, sinh hoạt an toàn và tiện nghi, và giảm chi phí quản lý và vận hành tòa nhà thì Tự động hóa quản lý tòa nhà là một yêu cầu không thể thiếu trong mỗi công trình xây dựng

Từ những năm 1970 các quốc gia tiên tiến trên thế giới đã bắt đầu đưa vào sử dụng các hệ thống như hệ thống quản lý tòa nhà “Building Management System” (IBMS), hệ thống tự động hóa tòa nhà “Building Automation System” (BAS), hệ thống thành phố thông minh “Intelligent City System” (ICS), hệ thống xí nghiệp thông minh “Intelligent Factory System” (IFS), và những năm gần đây là hệ thống quản lý tòa nhà thông minh “ Intelligent Building Management System ” (IBMS) được đặc biệt quan tâm… Đây là những thành phố, tòa nhà hay nhà máy có trang bị

hệ thống tự động và “thông minh”, có khả năng “suy luận” để tự động thực hiện công việc quản trị hiệu quả môi trường và mọi hoạt động của một tòa nhà

Nhiệm vụ chính của hệ thống IBMS là điều khiển, giám sát, quản lý các thiết

bị cơ/điện trong một tòa nhà cao tầng, giúp cho việc vận hành, bảo dưỡng và quản

lý tòa nhà một cách thuận tiện, an toàn và tiết kiệm Hệ thống IBMS được phát triển dựa trên nền kiến trúc của một hệ điều khiển phân tán với các bộ điều khiển số trực tiếp (Direct Digital Controler – DDC) được kết nối với hệ thống mạng tầng (Floor

Networks), các bộ điều khiển, định tuyến cấp cao hơn liên kết các DDC với hệ thống mạng ”Backbone” của tòa nhà

Thêm vào đó khi các tòa nhà sau khi được đầu tư xây dựng với chi phí lớn nhưng sau khi đi vào hoạt động một thời gian bắt đầu xuất hiện nhiều phát sinh để quản lý hoạt động tòa nhà như chi phí cho tiêu thụ năng lượng cao, an ninh giám sát không tốt, hệ thống vệ sinh xuống cấp.…Dẫn tới các tòa nhà này phải nâng cấp chất lượng quản lý hoạt động của tòa nhà và giải pháp khắc phục hiệu quả là nâng cấp thêm hệ thống quản lý tòa nhà thông minh

Trên nhu cầu cấp thiết mỗi tòa nhà hiện đại cần có hệ thống IBMS để quản lý hiệu quả năng lượng, tiết kiệm chi phí, tác giả đã nhận đề tài mang tên: “Nghiên cứu ứng dụng hệ thống quản lý tòa nhà thông minh IBMS”

2 Lịch sử nghiên cứu

Ngay sau khi bắt đầu nhận đề tài, tác giả bắt đầu nghiên cứu hệ thống quản lý tòa nhà IBMS, trước đó tác giả đã có thời gian ngắn tìm hiểu về hệ thống IBMS Sau một thời gian tác giả tìm hiểu tổng quan nguyên lý hoạt động chung các hệ thống quản lý tòa nhà IBMS Tác giả dần nghiên cứu sâu thêm về các giao thức, kiến trúc, tính năng của từng thiết bị của hệ thống IBMS

3 Mục đích nghiên cứu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Trong quá trình thực tế tiếp cận tác giả thấy hệ thống IBMS thích hợp với các công trình trong ngành xây dựng Vì vậy tác giả muốn nghiên cứu về hệ thống IBMS để dần áp dụng hệ thống IBMS vào thực tiễn Sau này có thể áp dụng các hệ thống này trong các tòa nhà của trường Đại học Xây dựng

4 Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

Sau khi tìm hiểu một thời gian tác giả viết cuốn luận văn có bố cục gồm 3 chương sẽ cung cấp những kiến thức cơ bản về hệ thống quản lý tòa nhà thông minh, cơ sSở lý thuyết về hệ thống quản lý tòa nhà thông minh, và giải pháp áp dụng hệ thống quản lý tòa nhà thông minh vào một tòa nhà cụ thể là “Công trình tổ hợp khách sạn dầu khí Thái Bình “

Chương 1 cho chúng ta cái nhìn tổng quan về hệ thống quản lý tòa nhà thông minh IBMS Nội dung của chương xoay quanh việc đưa ra mô tả về hệ thống quản

lý tòa nhà thông minh, tập trung mô tả cấu trúc hệ thống IBMS, các thành phần chính cấu thành hệ thống IBMS như hệ thống điều khiển vào ra tòa nhà, hệ thống quản lý điện năng, hệ thống điều khiển ánh sáng, hệ thống điều hòa, hệ thống thông gió, hệ thống thang máy, hệ thống camera an ninh … cũng như chức năng, nhiệm

vụ và các lợi ích của hệ thống IBMS đem lại

Để làm rõ nội dung trình bày trong chương 1 về cơ chế hoạt động của hệ thống IBMS, chương 2 của cuốn luận văn trình bày về cơ sở lý thuyết của hệ thống IBMS Tác giả phân tích thành phần của một hệ thống thông tin công nghiệp, cấu trúc mạng của hệ thống IBMS và hệ thống thu thập dữ liệu, mạng truyền thông công nghiệp đề cập tới các phương thức truyền thông như các giao thức BACnet, MODbus, LONworks, OPC, TCP/IP, Profibus để ghép nối các thiết bị cấp trường, các bộ điều khiển số DDC với cấp quản lý để điều khiển và giám sát hệ thống, các yêu cầu về thiết bị, bộ điều khiển và các phần mềm, sử dụng trong hệ thống quản lý tòa nhà

Chương 3 từ kết quả nghiên cứu lý thuyết ở 2 chương trên tác giả ứng dụng giải pháp cụ thể để quản lý tòa nhà “Công trình tổ hợp khách sạn dầu khí Thái Bình “ Trong chương này, tác giả đi từ khảo sát hệ thống thực, nhu cầu sử dụng của tòa nhà

từ đó đưa ra yêu cầu thiết kế hệ thống IBMS dành cho tòa nhà, tiếp sau đó là các quá trình lựa chọn thiết bị như lựa chọn máy chủ, bộ điều khiển số, các thiết bị đầu cuối như cảm biến nhiệt, cảm biến độ ẩm, cảm biến chênh áp, công tắc dòng chảy, công tắc lưu lượng gió,van điều khiển, và việc triển khai tích hợp các hệ thống riêng lẻ thành một hệ thống quản lý tòa nhà IBMS

5 Phương pháp nghiên cứu

Tác giả sử dụng nguồn tài liệu chủ yếu từ Internet và các hãng cung cấp thiết

bị cho hệ thống quản lý tòa nhà IBMS ở Việt Nam Tìm kiếm sự hỗ trợ kỹ thuật từ các nhà cung cấp giải pháp quản lý hệ thống tòa nhà như HoneyWell, ALC… Qua đây, tác giả xin gửi lời cám ơn tới gia đình, bạn bè và các thầy cô trong

khoa Điện tử - Viễn Thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đặc biệt, tôi xin

chân thành cám ơn thầy giáo hướng dẫn là PGS.TS.Nguyễn Văn Khang đã nhiệt

tình chỉ bảo để tác giả hoàn thành cuốn luận văn này Hệ thống quản lý tòa nhà thông minh (IBMS) đang là một lĩnh vực mới ở Việt Nam, do vậy mặc dù đã rất cố gắng nhưng cũng không tránh khỏi thiếu sót trong quá trình tìm hiểu Tác giả rất mong nhận được sự góp ý và bổ sung của các thầy cô giáo

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG QUẢN LÝ

TÒA NHÀ THÔNG MINH

Ai cũng muốn được sống và làm việc trong một môi trường đầy đủ tiện nghi, không khí trong lành, và đầy đủ ánh sáng, nơi mà không có cháy nổ, đột nhập, ăn cắp Hệ thống quản lý tòa nhà IBMS giúp ta đạt được nhu cầu đó Trên thế giới có nhiều hãng như Honeywell,Siemen,ALC, Johnson Control… nghiên cứu công nghệ,

và cung cấp các thiết bị phục vụ hệ thống IBMS Đồng thời nhờ có mạng Internet bao phủ toàn cầu đã hỗ trợ hệ thống quản lý tòa nhà thông minh quản lý tập trung hơn, hiệu quả hơn, và tiết kiệm chi phí và năng lượng hơn Triển khai IBMS trong các tòa nhà là những gì chúng ta đang hướng tới trong hiện thực cuộc sống, đáp ứng nhu cầu của từng con người trong xã hội hiện đại

1.1 Giới thiệu chung về hệ thống IBMS

Trước kia hệ thống IBMS chủ yếu chỉ quản lý hệ thống HVAC (điều khiển sưởi ấm, thông gió, điều hòa không khí- Heating, Ventilation, Air conditioning Control), đó là một hệ thống điều khiển vi khí hậu tự động được lắp đặt tại các khu vực công cộng của tòa nhà như sảnh lớn, các hành lang, tầng hầm, thang máy, nhà kho Trong hệ thống này, chức năng sưởi ấm, thông gió là một xử lý nhằm điều khiển nhiệt độ hoặc độ ẩm trong vùng bằng các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến

đo lưu lượng không khí và cảm biến đo nồng độ khí CO2 cùng với bộ điều khiển điện tử qua các thiết bị chấp hành như quạt, các van gió, van nước Một hệ thống điều hòa nhiệt độ đảm bảo việc làm mát, thông khí và làm khô cho một vùng xác định Sau đó hệ thống BMS thêm thành phần i (intelligent- thông minh) trở thành IBMS nó quản lý thêm nhiều hệ thống khác như hệ thống truy nhập, hệ thống an ninh giám sát, hệ thống CCTV, hệ thống thang máy…

Hệ thống IBMS là hệ thống thời gian thực, trực tuyến, đa phương tiện, nhiều người dùng, hệ thống xử lý bao gồm các bộ vi xử lý trung tâm với tất cả các phần mềm và phần cứng máy tính, các thiết bị vào và ra, các bộ vi xử lý khu vực, các bộ cảm biến và điều khiển qua các ma trận điểm

Hệ thống quản lý tòa nhà thông minh lựa chọn, lưu giữ và xử lý thông tin đối với nhiều loại thiết bị trong tòa nhà và giúp người điều hành thực hiện kiểm tra, bảo dưỡng, tính hóa đơn tiệm năng lượng và giúp người sử dụng quản lý giá cả như có thêm các phần mềm hỗ trợ lập sổ quản lý thiết bị, quản lý vận hành , quản lý lịch biểu, ghi đo và kết toán hóa đơn

Hình 1.1 Mô hình hệ thống quản lý tòa nhà IBMS

Mục đích của việc sử dụng hệ thống IBMS

Hệ thống IBMS quản lý hệ thống điện tổng thể cho tòa nhà và liên kết giữa các tòa nhà, tiết kiệm năng lượng điện, tiết kiệm chi phí vận hành Vận hành hệ thống tối ưu nhất, hỗ trợ cho bảo hành, bảo trì hệ thống, giám sát, cảnh bảo, lưu trữ

và chia sẻ các dữ liệu như tình trạng hoạt động, số giờ chạy của từng thiết bị, cân đối việc điều khiển luân phiên đảm bảo tuổi thọ cho các thiết bị, lập lịch cho quá trình bảo trì, bảo dưỡng kịp thời

Hình 1.2 Mô hình điều khiển quản lý tòa nhà IBMS

1.2 Nguyên tắc hoạt động của IBMS

Hệ thống IBMS thu thập các dữ liệu đầu vào từ các cảm biến, bộ thực thi tại mức trường sau đó sử dụng các thông tin đầu vào để ra quyết định điều khiển tại các máy trạm, các bộ vi xử lý khu vực, các máy trạm được kết nối với nhau trong một mạng tổng hợp để truyền và trao đổi thông tin Sau đó dữ liệu được xử lý và phân tích tại mức quản lý là thiết bị trung tâm và đưa đầu ra tại các bộ vi xử lý khu vực như là tín hiệu bật hay tắt được kết nối tới các máy trạm trong tòa nhà

Ví dụ điển hình về nguyên tắc hoạt động của IBMS điều khiển Chiller

Kết nối cấp cao

IBMS cho phép kết nối trực tiếp từ bảng điều khiển tới Router để đặt thông số cho Chiller

Kết nối cấp thấp

DDC thu thập dữ liệu từ các cảm biến đặt tại các đường ống

DDC phân tích các tín hiệu rồi đặt lại các thông số điều khiển cho Chiller

Hình 1.3 Nguyên tắc hoạt động của BMS điều khiển Chiller

1.3 Sơ đồ kiến trúc của hệ thống IBMS

Hệ thống điều khiển tự động tòa nhà thông minh IBMS được thiết kế theo mô hình điều khiển phân lớp, thường là 4 lớp:

- Lớp hiện trường

- Lớp điều khiển

- Lớp vận hành giám sát

- Lớp quản lý

Hình 1.4 Mô hình điều khiển phân lớp của IBMS

Để phân tích một hệ thống IBMS chúng ta đi phân tích từ phần vật lý (thiết bị hiện trường) ngược lên đến phần quản lý (phần mềm điều khiển và tương tác người dùng) để thấy được quy trình xây dựng một hệ thống IBMS

1.3.1 Thiết bị hiện trường:

Các thiết bị hiện trường bao gồm các thành phần chính như sau:

Các thiết bị như cảm biến (sensor): cảm biến nhiệt, ánh sáng, chuyển động, hồng ngoại…

Bộ chấp hành (actuator): thiết bị điều hoà không khí, quạt thông gió, thang máy…

Các bộ điều khiển trường (field controller): được dùng để giao tiếp trưc tiếp với các khu vực có các ứng dụng cần điều khiển

Hình 1.5 Mô hình thiết bị hiện trường Các thiết bị hiện trường có khả năng tự giao tiếp với nhau, hoặc qua bộ điều khiển (local controler) Cảm biến (sensor) sẽ gửi thông số của hệ thống, của môi trường tới bộ điều khiển Bộ điều khiển sẽ xử lý thông điệp đó và gửi tới thiết bị chấp hành Thiết bị chấp hành có thể nhận ngay yêu cầu từ các thiết bị cảm biến Hoặc từ hệ thống IBMS

1.3.2 Khối điều khiển

Kết nối từ trung tâm điều khiển tới mức điều khiển các ứng dụng trong tòa nhà thông qua các bộ điều khiển IBMS với giao diện BACnet TCP/IP, bao gồm các bộ DDC (Digital Direct Controller - điều khiển số trực tiếp)

Các bộ điều khiển địa phương, khu vực, các giao diện tới các hệ thống phụ trợ như: điều hòa không khí, báo cháy, chữa cháy, hệ thống điện…

Hình1.6 Mô hình khối điều khiển

Khối điều khiển có chức năng:

Nhận lệnh điều khiển từ khối vận hành giám sát gửi tới thiết bị chấp hành Xử

lý thông điệp khi có yêu cầu tại địa phương Gửi thông điệp, kết quả tới khối vận hành giám sát

1.3.3 Khối vận hành giám sát (SCADA)

Trung tâm điều khiển, mức quản lý bao gồm các hệ thống máy chủ dữ liệu, trạm làm việc được cài đặt các phần mềm quản lý bảo dưỡng, máy in và máy tính dành cho việc lập trình và cấu hình hệ thống Nó có chức năng chính:

 Quản lý toàn bộ toà nhà

 Giám sát vận hành của các thiết bị, giám sát sự cố xảy ra

 Gửi yêu cầu đến bộ điều khiển hiện trường

IBMS quản lý các thành phần hệ thống toà nhà theo cơ chế đánh địa chỉ Mỗi thiết bị, bộ điều khiển địa phương được gắn một địa chỉ Các thiết bị hiện trường có thể trực tiếp giao tiếp với nhau hoặc qua bộ điều khiển địa phương Giao tiếp thường được sử dụng ở bus trường là ARCnet và ở bus điều khiển là BACnet TCP/IP Một điều thuận lợi khi tích hợp hệ thống đó là các thiết bị hiện trường như thang máy, điều hoà, quạt thống gió… đều hỗ trợ chuyển truyền thông TCP/IP Rất thuận lợi cho nhà tích hợp hệ thống

1.3.4 Khối quản lý

Hình 1.7 Mô hình khối quản lý của hệ thống IBMS Khối này được cài đặt ngay ở khối vận hành giám sát

Chức năng: là cài đặt kế hoạch làm việc Kết nối vận hành từ xa qua mạng viễn thông, internet…

Ví dụ: Khi ta cần một phòng họp cho 100 người vào X giờ, ngày Y tháng Z Người quản trị có thể tự tìm và án định nó hoặc gõ lệnh để máy tự tìm Khi đó Hệ thống vận hành giám sát sẽ tự động gửi lệnh điều khiển bao gồm: Thời gian mở phòng họp, bật đèn, điều hoà, thông gió… trước thời gian ấn định nào đó

1.4 Các hệ thống chức năng trong IBMS

Hệ thống quản trị tòa nhà IBMS “thông minh” ở chỗ ngoài các tính chất của một hệ BMS nó còn các mối liên hệ tương tác với các quy trình nghiệp vụ “định hướng người dùng”, các luật, quy định, chính sách để quản lý và vận hành hệ thống một cách tối ưu Một hệ thống IBMS tổng thể bao gồm nhiểu thành phần và chức năng khác nhau, có thể bao gồm (hoặc không hoàn toàn) các hệ thống sau:

Hình 1.8 Thành phần của hệ thống IBMS

1.4.1 Hệ thống điều khiển thiết bị

IBMS điều khiển các thiết bị để tiết kiệm năng lượng và phản ứng tự động của tòa nhà đến môi trường ví dụ như Hệ thống IBMS tắt máy điều hòa vào ban đêm để tiết kiệm năng lượng hoặc mở máy điều hòa nếu có người vào khu vực bằng thẻ truy suất vào để làm việc

1.4.2 Hệ thống giám sát thiết bị

Thiết bị được giám sát để cải thiện hiệu quả nhân viên điều hành bằng cách: Cung cấp thông tin tập trung về trung tâm những trạng thái thiết bị hiện tại Tất cả thông tin thiết yếu máy móc và năng lượng đặt trên đồ thị động Cung cấp sự kiện thông tin về trạng thái thiết bị và báo tình trạng các cửa ( mở, đóng, đóng không kín), mức nước ở các bể chứa nước, tình trạng các máy bơm, các lọc gió bị bẩn được hiện lên màn hình máy tính, hoặc là chuông

1.4.3 Hệ thống điều hòa trung tâm

Là một hệ thống điều hòa chính cung cấp tất cả không khí lạnh cho tòa nhà Được hệ thống tự động của tòa nhà điều khiển mở hoặc tắt được sử dụng từ một bảng điều khiển Mở hoặc tắt sẽ dựa vào các chương trình thời gian cho phù hợp, theo những điều khiển chọn lọc để đạt được hiệu quả cao mà chi phí thấp

Tất cả thông tin đều được theo dõi điều khiển bởi hệ thống tự động của tòa nhà nhờ vào các giao diện mức cao như tải của toàn hệ thống, điện áp nguồn cung cấp,

áp lực đầu vào, báo nhiệt độ nước vào, nhiệt độ nước ra của các máy bơm, tình trạng báo động, tình trạng các bơm, liều lượng nước, điều khiển các van (cực đại hoặc cực tiểu) để nhiệt độ luôn ổn định

1.4.4 Hệ thống điều hòa khu vực

Từ hệ thống điều hòa trung tâm sẽ phân phối ra, được hệ thống tự động của tòa nhà cho tắt/ mở không khí sẽ dựa vào thời gian đã hoạch định sẵn, để giảm bớt năng lượng Hệ thống tự động điều khiển của tòa nhà sẽ điều chỉnh van để cho hơi lạnh luồng nước tới van cuộn đây và làm mát Nhiệt độ sẽ được cài đặt tăng hoặc giảm tại hệ thống tự động, tùy thuộc vào yêu cầu

1.4.6 Hệ thống thang máy, thang cuốn

Hệ thống thang máy, thang cuốn là hệ thống điều khiển độc lập mà bao gồm những đặc tính quản lý năng lượng Nhưng hệ thống tự động cũng có thể báo lỗi tình trạng của thiết bị như mở/tắt, có báo động hiện trên bảng điều khiển

1.4.7 Hệ thống báo cháy

Hệ thống báo cháy cho phép phát hiện tín hiệu báo cháy từ các cảm biến nhạy khói và tự động phát tín hiệu cảnh báo cũng như gửi các thông báo khẩn cấp tới trung tâm tòa nhà hoặc trạm cứu hỏa

1.4.8 Hệ thống điều khiển đóng ngắt các thiết bị điện dân dụng

Cho phép đóng ngắt các thiết bị nhất định không chỉ từ bên trong tòa nhà mà còn từ mọi nơi bên ngoài tòa nhà Hầu hết các thiết bị điện dân dụng như đèn chiếu sáng, tủ lành, máy điều hòa, lò vi sóng, máy giặt và các thiết bị nghe- nhìn đều tiêu thụ nhiều điện năng và lãng phí công suất tiêu tán

1.4.9 Hệ thống quản lý năng lượng điện

Có nhiệm vụ thu thập mức tiêu thụ điện trong các hệ thống công cộng của tòa nhà, như hệ thống HVAC, hệ thống chiếu sáng công cộng, hệ bơm nước Một số bộ

đo điện tử số đặc biệt được thiết kế mắc song song với các công to điện trong các hệ thống tiêu thụ nhất định sẽ thường xuyên truyền số liệu tiêu thụ điện về máy tính trung tâm của tòa nhà Tại đó, một chương tình quản lý sẽ tính và phát ra các báo cáo về dữ liệu quá khứ về lượng điện đã tiêu thụ nhằm lưu ý người sử dụng hoạch định các chính sách sử dụng sao cho tối ưu

1.4.10 Các đặc điểm thông tin trong mỗi hệ thống và mối quan hệ giữa

- Theo tần suất yêu cầu của hệ thống : Nếu sự kiện đo đếm mức tiêu thụ điện truyền qua mạng tới trung tâm thường xuyên thì báo cháy ít xảy ra

- Theo lượng và tốc độ truyền thông tin: Khi sự cố xảy ra thì phải điều khiển chính xác và tốc độ phải nhanh với hệ thống giám sát, hay báo cháy: Từ đó để ta xây dựng hệ thống mạng cho phù hợp

Trong một tòa nhà, các hệ thống kỹ thuật hoạt động luôn cần sự liên kết với nhau Thí dụ hệ thống báo cháy luôn cần sự tương tác từ hệ thống âm thanh, chiếu sáng, điều hòa thông gió bởi vì khi có cháy, không chỉ còi báo cháy hoạt động mà

hệ thống âm thanh phải hướng dẫn người thoát ra như thế nào, hệ thống chiếu sáng phải bật đèn dẫn hướng cho người ra, các quạt thông gió điều hòa phải thay đổi chế

độ để không đưa thêm Ôxi vào khu vực cháy mà phải hút khói ra ngoài

Hình 1.9 Mô hình liên kết các hệ thống trong tòa nhà IBMS

Hệ thống BMS khi được áp dụng sẽ tạo ra mối liên kết các hệ thống kỹ thuật trong tòa nhà và phối hợp các hệ thống một cách linh hoạt để có thể phản ứng một cách nhanh nhất với các sự việc bất thường xảy ra

1.5 Những lợi ích mang lại cho tòa nhà khi sử dụng hệ

thống IBMS

Lợi ích lớn nhất của hệ thống quản lý tòa nhà thông minh là cung cấp cho người dùng một môi trường thoái mái, an toàn và thuận tiện, tiết kiệm chi phí quản lý và

duy trì tòa nhà Đảm bảo các thiết bị luôn hoạt động tốt, và giảm thiểu nhân lực lao động Những lợi ích thiết thực phải kể đến như:

Hình 1.10 Lợi ích của hệ thống BMS đem lại cho tòa nhà

1.5.1 Lợi ích về năng lượng

Tự động điều khiển liên tục công suất tải Đặt các thiết bị chấp hành hoạt động theo tiến trình định trước hoặc theo các tiêu chuẩn đặt ra ban đầu theo các thông tin nhận được từ hệ cảm biến chuyên dụng Điều khiển đóng ngắt hệ thống điện khi gặp

sự cố, khởi động hệ thống chiếu sáng khi có đột nhập trái phép Giám sát việc sử dụng năng lượng hàng ngày Tự động báo hiệu cảnh báo nếu năng lượng tiêu thụ hàng ngày quá cao Giám sát mức độ tiêu thụ năng lượng, in hoá đơn tiền điện cho từng khu vực chức năng, khu vực địa lý Có thể xác định chính xác công suất điều hòa không khí tới từng phòng, từng khu vực

1.5.2 Hỗ trợ vận hành

Bằng giao diện trực quan tại trung tâm điều khiển, kỹ sư vận hành có thể cài đặt lại tham số cho các thiết bị chấp hành, các thiết bị điều khiển, cảm biến Vị trí các thiết bị và trạng thái hoạt động của nó được thể hiện trực quan trên màn hình vận hành và giám sát, người vận hành có thể nhận biết được trạng thái hoạt động, các sự cố xảy ra đối với thiết bị và toàn hệ thống

Hình 1.11 BMS giúp quản lý tòa nhà tiện lợi

Ví dụ:

Khi xảy ra cháy tại tầng 3 của toà nhà, các thiết bị bổ trợ cho chữa cháy và cứu nạn được kích hoạt, cụ thể như: Hệ thống chữa cháy tự động kích hoạt, hệ thống thông gió ngừng cấp khí tươi và hút khí trong tầng ra khỏi tầng 3 Những thiết bị điện không cần thiết được ngắt khỏi hệ thống điện Hệ thống truy nhập vào ra được ngắt, hệ thống thang máy sẽ đưa các thang đến tầng 3, bơm áp lực cầu thang được khởi động, để hỗ trợ di chuyển người ra khỏi tầng 3

1.5.3 Hỗ trợ bảo dưỡng

IBMS sẽ giám sát tình trạng hoạt động của tất cả hoặc các thiết bị quan trọng trong toà nhà Đưa ra các cảnh báo, đặt lịch bảo trì, bảo dưỡng cho các thiết bị đó Hạn chế được tối đa thời gian kiểm tra thiết bị IBMS giám sát tình trạng hoạt động của các thiết bị dự phòng, đảm bảo tính sẵn sàng hoạt động của thiết bị Ghi lại dữ liệu cũ để hỗ trợ phân tích lỗi đã xảy ra và tránh những lỗi lặp lại Cho những cảnh báo hữu hiệu tới người vận hành

1.5.4 Tối ưu hoá công tác an ninh và bảo mật

Hệ thống camera giám sát, điều khiển truy nhập khi được kết hợp với IBMS sẽ

có mối quan hệ chặt chẽ hơn với các thành phần khác của toà nhà, được hỗ trợ và

bổ sung chức năng cho công tác an ninh bảo mật

Ví dụ:

Khi hệ điều khiển truy nhập phát hiện có đột nhập trái phép tại tầng 3 Hệ thống IBMS sẽ thực hiện cách ly khu vực thông qua điều khiển hệ thống cửa ra vào

Hệ thống chiếu sáng tầng 3 tự động được khởi động Hệ thống Camera giám sát hoạt động Và thông tin đột nhập trái phép được thông báo trên hệ audio và nhân viên an ninh sẽ hoạt động đồng thời

CHƯƠNG II

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG QUẢN LÝ

TÒA NHÀ THÔNG MINH IBMS

Hệ thống quản lý tòa nhà thông minh là một ứng dụng tiêu biểu của việc sử dụng kiến thức cơ bản của hệ thống thông tin công nghiệp dựa trên cơ sở ứng dụng công nghệ truyền thông và xử lý thông tin hiện đại Có khả năng phân tích, tích hợp các hệ thống thông tin trong các hệ điều khiển công nghiệp và điều khiển quá trình

2.1 Tổ chức và kiến trúc của hệ thống thông tin công nghiệp

Tổ chức và kiến trúc hệ thống IBMS chính là tổ chức và kiến trúc của hệ thống thông tin công nghiệp được thiết kế gồm ba mức, từ mức thấp đến mức cao lần lượt là: mức hiện trường( field level), mức quản lý( management level), mức dịch vụ (service level)

- Mức hiện trường: Bao gồm một mạng phân tán các nút điều khiển được nối với bus thông tin Mỗi nút có một bộ điều khiển có khả năng điều khiển một số thiết

bị được định địa chỉ cùng với các cảm biến và các bộ chấp hành

- Mức quản lý: cung cấp một cái nhìn thống nhất tới tất cả các hệ thống thông qua IBMS Tất cả các hệ thống được tích hợp bằng EBI bằng các trình quản lý thiết

bị Ngoài các lệnh chung truyền tới các hệ thống, hệ điều hành tòa nhà trong mức này còn có sẵn ít nhất một vài dịch vụ như báo động, lưu trữ xu hướng lịch sử của một hệ thống, đăng nhập và quản lý các tiểu sử người dùng

-Mức dịch vụ cho phép hệ thống được nối tới các trung tâm dịch vụ bên ngoài tòa nhà nhằm để cung cấp các khả năng giám sát và điều hiển từ xa, khả năng báo động và phát hiện hỏng hóc

Hình 2.1 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống IBMS

2.1.1 Mục đích phân cấp

Định nghĩa các cấp theo chức năng, không phụ thuộc lĩnh vực công nghiệp cụ thể Mỗi cấp có chức năng và đặc thù khác nhau.Với mỗi ngành công nghiệp, lĩnh vực ứng dụng có thể có các mô hình tương tự với số cấp nhiều hoặc ít hơn Ranh giới giữa các cấp không phải bao giờ cũng rõ ràng Càng ở những cấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn và đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng Càng ở cấp trên quyết định càng quan trọng hơn, lượng thông tin cần trao đổi và xử lý càng lớn hơn Phân cấp tiện lợi cho công việc thiết kế

hệ thống

2.1.2 Phân loại thông tin

Thông tin điều khiển, thông tin về các đại lượng điều khiển, thông tin quản lý giám sát, thông tin về trạng thái thiết bị và quá trình, thông tin về lệnh vận hành hệ thống

Phương thức truyền thông tin

Nhược điểm: Số lượng dây lớn, khó quản lý và bảo đảm an toàn, khó khăn khi phát triển hệ thống

 Phương pháp hiện đại:

Hệ thống truyền thông số với các chuẩn công nghiệp phù hợp dựa trên công nghệ mạng thông tin và kỹ thuật số

Ưu điểm: Cấu trúc không phức tạp và dễ phát triển hệ thống

Nhược điểm: Giá thành cao

2.2 Các thành phần của hệ thống thông tin công nghiệp

Hệ thống thông tin công nghiệp gồm 3 thành phần chính là:

- Hệ thống thu thập dữ liệu

- Mạng truyền thông công nghiệp

- Hệ thống xử lý thông tin: Thiết bị và phần mềm

2.2.1 Hệ thống thu thập dữ liệu của hệ thống thông tin công nghiệp

Thu thập dữ liệu (DAQ -Data acquisition) là quá trình lấy mẫu và biến đổi các mẫu đó thành số để có thể xử lý bằng máy tính Hệ thống thu thập dữ liệu ( DAS - Data Acquisition System) bao gồm các thành phần:

Cảm biến và mạch xử lý tín hiệu cảm biến

Bộ biến đổi tương tự số ( ADC )

Các thiết bị thu thập dữ liệu: cảm biến (Sensor) và cảm biến thông minh(Smart Sensor)

Sensor (Cảm biến thông thường): có chức năng chuyển đổi ADC

Smart Sensor( Cảm biến thông minh)

Là hệ thống tích hợp (ADC, DSP, ) Đầu vào nhiều sensor, nhiều chủng loại ( Nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, ) Nhiều đầu ra có các chuẩn khác nhau ( tương tự, số, truyền thông, ) Dễ`dàng cấu hình, chọn thang đo,

RTU(Remote Terminal Unit):Thiết bị đầu cuối điều khiển từ xa

RTU ( Remote Terminal Unit) là thiết bị kiểm soát, thu thập dữ liệu đứng độc lập dựa trên PC RTU thực hiện các chức năng theo dõi ( monitor) và kiểm soát ( control ) các thiết bị ở xa trung tâm:

+ Thu thập dữ liệu và truyền về trung tâm

+ Có khả năng cấu hình và thiết lập từ trung tâm hoặc tại chỗ

+ Trao đổi dữ liệu với Trung tâm hoặc với các RTU khác ( peer to peer ) + Có thể hoạt động như một trạm chuyển tiếp Controller PC + DAQ Card Nhận và biến đổi tín hiệu từ các thiết bị trường (Field Device)

Tổ chức dữ liệu trong các thiết bị chuẩn: Controller, Smart Sensor, PLC… Chuẩn hóa tín hiệu phù hợp với kênh truyền: tín hiệu tương tự (0-5 VDC), (4-20)mA, tín hiệu số sau khi mã hóa nguồn, kênh

Mục đích của thu thập dữ liệu là đo lường các đại lượng điện và phi điện như điện áp, dòng điện, nhiệt độ, áp suất, âm thanh… Việc thu thập dữ liệu dùng PC sử dụng các bo mạch cứng, các phần mềm ứng dụng và máy tính để tiến hành đo Mỗi hệ thống thu thập dữ liệu được xác định bởi yêu cầu ứng dụng của mình Tuy nhiên, mọi hệ thống đều có một mục tiêu chung là: Thu thập, phân tích và biểu diễn thông tin

Hệ thống thu thập dữ liệu kết hợp chặt chẽ các thành phần: Tín hiệu, sensor, actuactor, các thiết bị và phần mềm ứng dụng

Hình 2.2 Sơ đồ thu thập dữ liệu

2.2.2 Mạng truyền thông công nghiệp

Khái niệm mạng truyền thông công nghiệp

Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là một khái niệm chung chỉ các hệ thống số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp Các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp phổ biến nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các cảm biến, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát và các máy tính điều hành, quản lý

Đối với hệ thống truyền thông công nghiệp, đặc biệt là các cấp dưới thì yêu cầu về tính năng thời gian thực, khả năng thực hiện đơn giản

 Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp

Ghép nối thiết bị, trao đổi thông tin là một trong những vấn đề cơ bản trong bất cứ giải pháp tự động hóa nào Một bộ điều khiển cần được kết nối với cảm biến

và cơ cấu chấp hành Giữa các hộ điều khiển trong hệ thống điều khiển phân tán cũng cần trao đổi thông tin với nhau để phối hợp thực hiện điều khiển cả quá trình sản xuất Ở một cấp cao hơn, các trạm vận hành trong trung tâm điều khiển cũng cần được ghép nối và giao tiếp với các bộ điều khiển để theo dõi, giám sát toàn bộ quá trình sản xuất và hệ thống điều khiển

Hình 2.3 Nối dây truyền thống (a) và nối dây mạng công nghiệp (b)

Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp, đặc biệt là bus trường để thay thế cách nối điểm – điểm cổ điển giữa các thiết bị công nghiệp mạng lại những lợi ích sau:

+ Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp

+ Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống trở nên dễ dàng hơn

+ Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin

+ Nâng cao đội linh hoạt, tính năng mở của hệ thống

+ Đơn giản hóa, tiện lợi hóa việc tham số hóa chuẩn đoán, định vị lỗi, sự cố của các thiết bị

+ Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống: Điều khiển phân tán, điều khiển phân tán với các thiết bị trường, điều khiển giám sát hoặc chuẩn đoán lỗi từ xa qua Internet tích hợp thông tin của hệ thống điều khiển giám sát với thông tin điều hành sản xuất và quản lý

2.3 Cấu trúc mạng của hệ thống IBMS

Hình 2.4 Hạ tầng mạng quản lý tòa nhà IBMS

2.3.1 Mạng kết nối lớp thứ nhất

Yêu cầu mạng kết nối lớp thứ nhất dựa trên chuẩn công nghiệp Ethernet TCP/IP Bao gồm có các bộ kết nối mạng được đặt tại các tầng, các thiết bị giao tiếp mạng trên được nối với thiết bị mạng đặt tại tầng gốc Các mạng LAN cho máy tính

ở trạm vận hành phải tuân theo tiêu chuẩn hiện đại nhất và phổ biến nhất và nó có thể dễ dàng tìm được ở bất kỳ cửa hàng máy tính nào

Hệ thống IBMS phải nối mạng được nhiều trạm vận hành, thiết bị điều khiển

và giám sát mạng, các bộ điều khiển số trực tiếp và các thiết bị giao tiếp với hệ thống của nhiều nhà sản xuất khác Mạng kết nối lớp thứ nhất cung cấp sự truyền thông giữa các trạm vận hành và các thiết bị điều khiển giám sát mạng

Truy cập dữ liệu: Tất cả các trạm vận hành dù kết nối với hệ thống một cách trực tiếp hay qua modem, phải có khả năng truy cập trạng thái của tất cả các điểm cũng như các dữ liệu ứng dụng trên mạng Truy cập vào các dữ liệu trên hệ thống sẽ không bị hạn chế bởi cấu hnh phần cứng

Mạng kết nối lớp thứ nhất phải hoạt động với tốc độ tối thiểu 10 Mbps, với đầy đủ chức năng truyền thông theo kiểu mạng ngang hàng (peer-to-peer)

Thiết bị tự động hoá mạng được đặt trên lớp thứ nhất

2.3.2 Mạng kết nối lớp thứ hai

Yêu cầu mạng kết nối thứ hai phải cung cấp một kiểu truyền thông kiểu

“Master- Slave” Các bộ điều khiển số trực tiếp(DDC) phải nằm trên mạng kết nối lớp thứ hai, được phân bổ đều trên các tầng đảm bảo đủ điểm giám sát điều khiển các thiết bị và có tính dự phòng cao, tốc độ tối thiểu là 9600Baud

Hệ thống phải dò tìm và báo động trong trường hợp một hoặc nhiều bộ điều khiển bị hư hỏng hoặc mạng truyền thông có sự cố Giao thức trên chuẩn giao tiếp N2 Bus, BACnet MS/TP

2.3.3 Các yếu tố chính cần quan tâm với mạng truyền thông công nghiệp

Kiến trúc mạng (LAN), giao thức, truy cập mạng, truyền dẫn, bảo mật chuẩn mạng công nghiệp, kênh thông tin (đường truyền), một số mạng công nghiệp điển hình (SIEMENS,ABB,…), hệ thống xử lý thông tin, bộ điều khiển số, máy tính công nghiệp, PLC, các trạm xử lý thông tin (tập trung và phân tán), các trạm kỹ thuật (tại chỗ, từ xa), các trạm vận hành, theo dõi, giám sát (tại chỗ, từ xa), hệ thống lưu giữ dữ liệu, phần mềm điều khiển và giám sát, quản lý, các công cụ phụ trợ

2.3.4 Cấu hình của mạng công nghiệp liên quan đến tính tập trung và phân tán của hệ thống

Một hệ thống mạng công nghiệp không chỉ cần có tính điều khiển tập trung

mà còn phải có tính điều khiển phân tán

Điều khiển tập trung là một chức năng tích hợp đã được thể hiện qua một phần mềm EBI với giao diện người dùng chuyên dụng cho phép giám sát tập trung hệ thống Hệ thống cho phép một người điều khiển ở trung tâm kiểm tra trạng thái của

các phần tử trong một phân hệ như HVAC nhằm điều khiển được các thiết bị từ xa Trường hợp khác là khi bộ điều khiển trung tâm có thể tích hợp các hoạt động của hai hoặc vài hệ thống với nhau Nếu một tín hiệu báo động nhận được từ hệ thống báo cháy thì bộ điều khiển trung tâm có thể ra lệnh cho hệ HVAC tắt quạt để làm giảm lượng gió lưu thông trong tòa nhà

Hình 2.5 Điều khiển giám sát tập trung Điều khiển phân tán thể hiện ở hai khía cạnh:

- Khía cạnh thứ nhất: hầu hết các bộ điều khiển ở hiện trường được dùng như các bộ điều khiển tự quản trị Chúng được phân bố thành các nút điều khiển thông minh nối với bus thông tin Chúng có thể điều khiển các thiết

bị một cách độc lập với bộ điều khiển tập trung Các bộ điều khiển hiện trường này thực chất là các thiết bị hoạt động độc lập có thể phục vụ cho những mục đích điều khiển ở khắp mọi nơi

- Khía cạnh thứ hai: biểu hiện ở các thiết bị cá nhân có thể được điều khiển bởi mối người trong bất kỳ thời gian nào, ở bất kỳ đâu Các hoạt động điều khiển này có thể co như các hoạt động điều khiển riêng tư và không đồng bộ Do đó các thông tin liên quan đến nó cần được mã hóa bởi người sử dụng

Ưu điểm: Tiết kiệm chi phí dây dẫn và công lắp đặt Từ bộ điều khiển xuống tới các vào/ra phân tán chỉ cần một đường truyền duy nhất Cấu trúc đơn giản: Thiết

kế và bảo trì hệ thống dễ dàng hơn Tăng độ tin cậy của hệ thống Truyền kỹ thuật

số, hạn chế lỗi Nếu có lỗi truyền thông cũng dễ dàng phát hiện nhờ các biện pháp bảo toàn dữ liệu của hệ bus Tăng độ linh hoạt của hệ thống Tự do hơn trong lựa chọn các thiết kế vào/ra Tự do hơn trong thiết kế cấu trúc hệ thống Khả năng mở rộng dễ dàng hơn Vào/ra phân tán không nhất thiết phải đặt gần tại hiện trường Nhược điểm: Kết nối từ BUS trường đến các thiết bị trường vẫn phải qua các thiết bị chuyển đổi: như Remote I/O Module

2.4 Một số giải pháp mạng truyền thông công nghiệp tiêu biểu được sử dụng trong hệ thống quản lý tòa nhà IBMS

Trong hệ thống mạng quản lý tòa nhà đã sử dụng các giải pháp mạng truyền thông công nghiệp: Profibus, Ethernet, BacNet nhằm kết nối các thiết bị trường với các thiết bị ở cấp điều khiển, các thiết bị ở cấp điều khiển giám sát và các thiết

bị ở cấp quản lý

2.4.1 Giao thức mạng BACnet, OPC, MODbus, Lontalk

Giao thức mạng chung cho các hệ thống khác giao tiếp với IBMS phải là BACnet, MODbus hoặc OPC hoạt động trên đường truyền Ethernet và tuân theo tiêu chuẩn ASHRAE BACnet 135-1995, 135-2004

Điển hình việc giao tiếp được áp dụng với các hệ thống an ninh ( Card Access, CCTV ), hệ thống báo cháy địa chỉ thông minh, hệ thống điều hòa VRV, hệ thống máy phát Các hệ thống này phải cung cấp cổng giao diện ( interface ) theo các chuẩn BACnet TCP/IP, MODbus hoặc OPC server để có thể giao tiếp được với IBMS trên đường Ethenet TCP/IP

Mạng truyền thông của hệ thống quản lý tòa nhà thông minh IBMS có khả năng tích hợp toàn bộ hệ thống gồm mạng BACnet IP, LonTalk, Modbus hay OPC Đối với mạng truyền thông giữa các máy tính khách và các máy chủ (giao thức chuyển văn bản cấp cao HTTP) được sử dụng

Sử dụng mạng BACnet IP để kết nối giữa mỗi máy chủ hệ thống và bộ điều khiển cấp cao tòa nhà Giao thức Internet phiên bản 4 (IPv4) hoặc phiên bản 6 (IPv6) được sử dụng tùy thuộc vào các yêu cầu kỹ thuật

Hình 2.6 Giao thức BACnet Giao thức LonTalk được sử dụng để truyền thông giữa bộ điều khiển cấp cao tòa nhà và các bộ điều khiển số trực tiếp, ví dụ như các bộ điều khiển đa dụng

Hình 2.7 Giao thức LonTalk Giao thức Modbus được sử dụng để truyền thông giữa các đồng hồ đo điện và các bộ điều khiển theo chuẩn RS485

Công nghệ OPC được sử dụng để tích hợp hệ thống với IBMS Với máy tính

có nền tảng máy chủ OPC, IBMS có thể kết nối với các hệ thống khác như IBMS bằng cách chuyển đổi giao thức BACnet thành giao thức có thể truyền thông được với OPC

2.4.2 Giao thức PROFIBUS (Process Field Bus)

Là hệ thống Bus trường được phát triển tại Đức năm 1987 và thành chuẩn EIC

61158 năm 2000 Profibus đang được coi là giải pháp chuẩn, tin cậy trong nhiều ứng dụng đặc biệt là trong các ứng dụng có yêu cầu về tính năng thời gian thực Hệ

thống bus này được ứng dụng để kết nối các thiết bị trường với các thiết bị điều khiển giám sát Đây là hệ thống bus nhiều chủ (multicast) cho phép các thiết bị vào/ra phân tán, các thiết bị đo thông minh, thiết bị điều khiển… nối vào cùng một đường bus

Profibus gồm 3 loại tương thích với nhau: Profibus- FMS, Profibus – DP và Profibus – PA:

Profibus – FMS: được dùng chủ yếu trong việc nối mạng các máy tính điều khiển và cấp điều khiển giám sát

Profibus- DP: được dùng để kết nối các thiết bị trường với các máy tính điều khiển

Profibus- PA: được sử dụng trong các lĩnh vực tự động hóa các quá trình có môi trường dễ cháy nổ

Cấu trúc giao thức Profibus

Hình 2.8 Kiến trúc giao thức Profibus Profibus DP và PA chỉ thực hiện lớp 1 và 2 nhằm tối ưu hóa việc trao đổi dữ liệu quá trình giữa cấp điều khiển và cấp chấp hành

Lớp FMS (với Profibus- FMS) mô tả các đối tượng truyền thông, xử lý và cung cấp các dịch vụ truyền thông

Lớp liên kết dữ liệu FDL có chức năng kiểm soát truy cập bus, cung cấp dịch

vụ cơ bản (cấp thấp) cho việc trao đổi dữ liệu một cách tin cậy

Lớp vật lý (lớp 1) quy định về kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu, môi trường truyền dẫn, cấu trúc mạng và các giao diện cơ học Việc sử dụng giao diện RS485 đã quyết định các đặc tính truyền dẫn Khoảng cách truyền cực đại là 1200m, nếu sử dụng trạm lặp có thể lên đến 4800m tất nhiên nó còn phụ vào tộc độ truyền Nói chung

tốc độ truyền bình thường khoảng 9.6 -500Kb/s và số lượng trạm tối đa là 127, nó

sử dụng phương pháp mã hóa NRZ

Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn thể hiện trên bảng sau:

Bảng 2.1 Bảng quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn

Profibus-FMS

Đây là Bus hệ thống dùng để kết nối các thiết bị ở cấp điều khiển giám sát với nhau và các thiết bị ở các cấp điều khiển, do đặc điểm của giao tiếp giữa các cấp này mà dữ liệu được trao đổi chủ yếu với tính chất không định kỳ

Thực chất của lớp ứng dụng bao gồm 2 lớp con là FMS và LLI (Lower Layer Interface) Lớp LLI có vai trò thích ứng, chuyển các dịch vụ giữa lớp FMS và lớp FDL Giao diện giữa lớp FMS với các quá trình ứng dụng được thực hiện bởi lớp ALI(Application Layer Interface)

FMS thực chất là một tập con của MMS (Munufacturing Message Specification), đây là một chuẩn giao thức và dịch vụ thuộc lớp 7 của mô hình OSI

có giao tiếp hướng thông báo(Message- oriented communication) được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp

Profibus- DP

Được phát triển nhằm đáp ứng các yêu cầu về trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị cấp trường với các thiết bị cấp điều khiển Việc trao đổi dữ liệu chủ yếu thực hiện theo cơ chế Master/Slave, ngoài ra Profibus-DP còn hỗ trợ các dịch vụ truyền thông không tuần hoàn, phục vụ tham số hóa, vận hành và chuẩn đoán các thiết bị trường thông minh

Các hàm DP cơ sở( trong User Interface Layer) chủ yếu phục vụ trao đổi dữ liệu tuần hoàn, thời gian thực thì các hàm DP mở rộng lại cung cấp các dịch vụ truyền số liệu không tuần hoàn như tham số thiết bị, thông tin chuẩn đoán…

Mô hình hệ thống và quy tắc hoạt động

Số trạm tối đa trong mạng là 126, DP cho phép sử dụng cấu hình 1 trạm chủ( Mono Master) hoặc nhiều chủ ( Multi Master) Trong cấu hình nhiều chủ, các trạm chủ có thể cùng đọc dữ liệu từ các trạm tớ, nhưng chỉ có 1 trạm chủ duy nhất được đưa yêu cầu tới các trạm tớ

Chuẩn DP quy định các quy tắc hoạt động nhằm đảm bảo tính tương thích và khả năng thay thế lẫn nhau của thiết bị Chúng được xác định thông qua trạng thái hoạt động của các thiết bị chủ

Clear: Trạm chủ lấy thông tin từ các trạm tớ và giữ các đầu ra ở vị trí an toàn Operate: Trạm chủ ở chế độ trao đổi dữ liệu đầu vào và đầu ra tuần hoàn với các trạm tới Đồng thời trạm chủ cũng thường xuyên gửi thông tin trạng thái của nó tới các trạm tớ sử dụng lệnh gửi đồng loạt với các khoảng thời gian đặt trước

STOP: Không truyền số liệu sử dụng giữa trạm chủ và trạm tớ, chỉ để chuẩn đoán

Profibus- PA (Process Automation)

Đây là loại Bus trường thích hợp cho các hệ thống điều khiển dùng trong các ngành công nghiệp dễ cháy nổ Thực chất nó là hệ thống bus mở rộng của Profibus-

DP với kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu cùng nguồn nuôi(IEC 1158-2) đồng thời cũng đưa thêm ra một số quy định đặc biệt về thông số và đặc tính cho thiết bị trường

2.4.3 Chuẩn Ethernet (IEEE 802.3)

Đây là một trong những chuẩn của mạng cục bộ, dựa trên mạng Ethernet do Digital và Xorox hợp tác và phát triển

Ethernet đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống thông tin công nghiệp, bên cạnh việc sử dụng cáp xoắn, cáp đồng trục cáp quang là Ethernet không dây

Ethernet chỉ thực hiện ở lớp vật lý và một phần của lớp liên kết dữ liệu, do đó

có thể sử dụng các giao thức khác nhau ở phía trên trong đó TCP/IP là họ giao thức được dùng phổ biến nhất

Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn

Cấu trúc mạng thường là dạng Bus, mạch vòng khép kín hoặc hình sao Tầng vật lý của Ethernet được chia làm 2 phần: Phần độc lập với đường truyền đặc tả giao diện giữa các tầng MAC và vật lý Phần phụ thuộc đường truyền là bắt buộc phải có đặc tả giao diện với đường truyền, trong đó quy định kiểu đường truyền, phương thức truyền và tốc độ truyền

Có các phương án cho tầng vật lý với cách đặt tên quy ước theo bộ 3:

Tốc độ truyền tín hiệu(1,10 hoặc 100Mb/s)

BASE(nếu là Baseband) hoặc Broad(Nếu là Broadband)

Chỉ định đặc trưng đường truyền

Ethernet theo chuẩn IEEE 802.3 sử dụng chế độ truyền đồng bộ với phương thức mã hóa Manchester Bit 0 tương ứng với sườn lên và 1 là sườn xuống

Cơ chế giao tiếp

Việc ứng dụng rộng rãi Ethernet vì tính năng mở Ethernet chỉ quy định lớp vật lý và lớp MAC, cho phép các hệ thống khác n hau tùy ý thực hiện các giao thức

và dịch vụ phía trên Mặt khác phương pháp truy cập CSMA/CD cho phép bổ sung

và loại bỏ các thành viên tham gia trong mạng dễ dàng

Cấu trúc khung truyền

Khuôn dạng khung truyền như sau:

Hình 2.9 Cấu trúc khung truyền của Ethernet Trong đó:

Preamble(7byte): là phần đầu dùng để thiết lập sự đồng bộ hóa, nó là dãy bit luân phiên 1 và 0 kết thúc là 0

SFD(Start Frame Delimiter): là dãy bit 10101011, để chỉ sự bắt đầu thực sự của khung truyền

DA(Destination Address) 2 byte hoặc 6 byte: địa chỉ trạm đích, có thể lựa chọn thống nhất địa chỉ là 16 bit hoặc 48 bit

SA(Source Address): địa chỉ trạm nguồn, có chiều dài tương ứng với địa chỉ đích

Length(2byte): chỉ độ dài của phần LLC data

LLC data: đơn vị dữ liệu của LLC

PAD: Phần dữ liệu thêm vào với mục đích phát hiện xung đột

FCS(Frame check sequence): Mã kiểm tra lỗi CRC 32 bit cho tất cả các vùng trừ Preamble, SFD, FCS

Khuông dạng của vùng địa chỉ 16bit và 48 bit được chỉ như sau:

I/G=0, Địa chỉ riêng biệt

I/G=1, Địa chỉ nhóm

Hình 2.10 Dạng địa chỉ 16 bit

Hình 2.11 Dạng địa chỉ 46 bit

2.4.4 Những vấn đề đặt ra với hệ thống mạng IBMS thời điểm hiện nay

Có một vấn đề đặt ra khi tích hợp các Module trong hệ thống quản lý tòa nhà thông minh là mỗi nhà sản xuất phát triển hệ thống riêng của họ Không có tiêu chuẩn ngành để làm theo Kết quả là các hệ thống đến từ các nhà sản xuất khác nhau thì không tương thích với nhau được Khi mà các hệ thống gia tăng dần lên độ phức tạp và mở rộng, những người quản lý hệ thống trang thiết bị thường xuyên nhận ra rằng chính những sự không tương thích này trở thành chướng ngại cản trở việc cải tiến hiệu năng vận hành Rất khó hoặc hầu như không để tích hợp các hệ thống điều khiển và tự động hóa độc lập trở thành một hệ thống thống nhất

Một số nhà phát triển giao thức chọn cách giữ phần lớn nội dung giao thức độc quyền đồng thời cho phép các nhà sản xuất phát triển sản phẩm bám chặt vào các tiêu chuẩn được thiết lập bởi giao thức Một số nhà phát triển khác thì chọn cách công bố rộng rãi tiêu chuẩn ra công chúng để bất kỳ nhà sản xuất nào cũng có phát triển sản phẩm theo đó Ba trong số những giao thức đỗi lẫn được sử dụng rộng rãi

nhất hiện nay là BACnet, LonMark và Modbus Trong khi cả ba giao thức này đều đạt được thành công trong việc triển khai những hệ thống tự động hóa tòa nhà có thể đổi lẫn được, cách mà chúng giải quyết vấn đề đổi lẫn lại khác nhau

Cách đánh địa chỉ duy nhất việc tích hợp các thiết bị của các nhà cung cấp khác nhau trong hệ thống tự động hóa tòa nhà thông minh và cách tích hợp hệ thống tự động hóa tòa nhà BAS với ứng dụng thương mại và mạng Internet

2.5 Hệ thống xử lý thông tin

Hệ thống xử lý thông tin gồm các thiết bị và phần mềm dùng để kết nối với các nguồn dữ liệu, các môdun vào/ra cho các hệ thống bus trường, tạo cơ sở dữ liệu

để quản lý, và cấu hình điều khiển hệ thống

2.5.1 Thiết bị điều khiển tự động

2.5.1.1 Bộ điều khiển kỹ thuật số trực tiếp DDC

Theo định nghĩa của hiệp hội sản xuất thiết bị đo lường điện Nhật Bản, DDC

là “quá trình điều khiển, trong đó các chức năng của bộ điều khiển được thực hiện bởi một số thiết bị số” Tuy nhiên, DDC là “một bộ điều khiển, trong đó tích hợp chức năng hệ điều khiển tự động và chức năng giám sát từ xa sử dụng bộ vi xử lý để

xử lý dữ liệu” Các đặc điểm của DDC, cấu trúc mẫu, so sánh với thiết bị điện tử được liệt kê dưới đây

- Chức năng truyền phát cũng được tích hợp Chỉ yêu cầu một cảm biến vừa thực hiện đo lường vừa điều khiển

- Thành phần có chức năng tự chuẩn đoán cho phép phản ứng nhanh khi phát sinh lỗi

- Dễ dàng nâng cấp và bổ sung các cảm biến và các điều khiển cuối cùng loại Có khả năng truyền phát tín hiệu vào và tín hiệu ra của cảm biến và các phần tử điều khiển cuối

2.5.1.2 Phần tử thông minh

Để bổ sung chức năng cho DDC, người ta tạo ra chuỗi phần tử là các thiết bị cấp trường cung cấp thông tin bản thân thiết bị và điều kiện điều khiển Đặc tính và cấu hình mẫu của chúng như sau

Đặc điểm của chuỗi phần tử thông minh

- Truyền tất cả các tín hiệu vào/ra tới IBMS trung tâm thông qua kênh truyền thông SA-net Tốc độ truyền dữ liệu tốt hơn trên đường dây thường

- Từ cảm biến nhiệt độ phòng đến van điều khiển, các thiết bị chính trong điều khiển AHU đều nằm trong thành phần chuỗi

- Actival plus là một thành phần trong chuỗi phần tử thông minh Đây là van điều khiển động cơ với chức năng đo lường và điều khiển lưu lượng

để điều khiển vận tốc dòng nước lạnh và nóng bằng cách đo lưu lượng chứ không chỉ điều chỉnh mở của van

- Màn hình LCD lắp trên tường để hiển thị giá trị đo của áp suất, nhiệt độ, tốc độ dòng tính được từ Actival plus

2.5.2 Tổng quan hệ thống HVAC

2.5.2.1 Điều hòa không khí

AHU (Air Handling Unit) là thiết bị trao đổi nhiệt được dùng trong hệ thống HVAC cùng với Chiller AHU dùng để cung cấp không khí có chất lượng đảm bảo (nhiệt độ, độ sạch) cho các vùng có diện tích khá rộng như các nhà xưởng, các hội trường, các khu trưng bày…