BTL_ tự động hóa tòa nhà

Giải phápkết hợp hệ thống các thiết bị cơ điện tử sử dụng trong toàn nhà với công nghệ tự độnghóa nhằm đem lại khả năng tự hoạt động hệ thống thông gió, hệ thống chiếu sáng … đã không cò

THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CHO HỆ THỐNG

CHIẾU SÁNG TÒA NHÀ KEANGNAM HÀ NỘI

GVHD: Th.S Hoàng Quốc Xuyên

Danh sách sinh viên thực hiện nhóm: 4

1 Nguyễn Tiến Anh 1141040360

2 Hoàng Thị Hảo 1141040336

3 Đặng Văn Điệp 1141040369

BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Khóa: 11 Khoa: Điện

Giáo viên hướng dẫn: Hoàng Quốc Xuyên

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Th.S Hoàng Quốc Xuyên

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời đại ngày nay việc xây dựng các toàn nhà cao tầng làm công sở, trungtâm thương mại, khách sạn,….ngày càng trở nên phổ biến Chúng ngày càng trở nênhiện đại và tiện nghi để phục vụ các yêu cầu ngày càng cao của con người Giải phápkết hợp hệ thống các thiết bị cơ điện tử sử dụng trong toàn nhà với công nghệ tự độnghóa nhằm đem lại khả năng tự hoạt động (hệ thống thông gió, hệ

thống chiếu sáng …) đã không còn là điều mới mẻ nữa Tuy nhiên vấn đề sốngcòn của giải pháp này lại nằm ở chỗ làm sao có thể quản lý chúng trong một hệ thốngthống nhất Các hệ thống tự động hóa tòa nhà (Building Managerment System –BMS) đã ra đời để giải quyết bài toán này

Hệ thống chiếu sáng trong tòa nhà là một phần không thể thiếu trong việc cungcấp nguồn sáng giúp cho con người làm việc hiệu quả hơn và nhìn tòa nhà cũng đẹphơn Hệ thống này luôn luôn được cải tiến, nghiên cứu, hiện đại hóa để đáp ứng nhucầu ngày càng cao của con người Nhưng việc điều khiển nó ra sao thì lại phụ thuộcvào hệ BMS

Nhiệm vụ chính của hệ thống BMS là điều khiển, giám sát, quản lý các thiết bịcơ/điện trong một tòa nhà cao tầng, giúp cho việc vận hành, bảo dưỡng và quản lý tòanhà một cách thuận tiện, an toàn và tiết kiệm

Nhờ được sự chỉ bảo tận tình của các thầy giáo trong bộ môn, đặc biệt là sự

hướng dẫn của thầy giáo Th.S Hoàng Quốc Xuyên chúng em đã hoàn thành bài tập

lớn này

Chúng em rất mong nhận được sự góp ý, bổ sung để bài tập lớn của chúng emđược hoàn thiện hơn nữa!

CHƯƠNG 1 TÌM HIẾU HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA

TRONG TÒA NHÀ

1.1 Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển chiếu sáng

1.1.1 Khái niệm

Hệ thống điều khiển chiếu sáng là một mạng lưới thông minh tích hợp các thiết

bị điều khiển chiếu sáng Các thiết bị này có thể bao gồm rơ le, cảm biến tại chỗ, côngtắc điều khiển đèn hoặc màn hình cảm ứng và các tín hiệu khác

Việc điều chỉnh hệ thống diễn ra ở cả những vị trí lắp đặt thiết bị lẫn các máy tínhtrung tâm thông qua các chương trình phần mềm hoặc giao diện khác

Hệ thống điều khiển chiếu sáng được sử dụng trong nhà và ngoài trời, cho cáccông trình dân cư, thương mại và công nghiệp

1.1.2 Phân loại

Hiện nay có ba loại hệ thống điều khiển chiếu sáng phổ biến trên thế giới là:

• Hệ thống điều khiển chiếu sáng tập trung

• Hệ thống điều khiển chiếu sáng không dây

• Hệ thống điều khiển chiếu sáng lai

a Hệ thống điều khiển chiếu sáng tập trung

Một hệ thống điều khiển ánh sáng tập trung có tất cả các mạch điện cùng chạyđến một vị trí trung tâm thay vì chuyển mạch trong khắp không gian Những bàn phímđơn giản nhưng mạnh mẽ sẽ cung cấp cho bạn khả năng kiểm soát ánh sáng theonhững cách khác nhau

Bộ xử lý trung tâm chính là bộ não của hệ thống, cho phép kiểm soát và cài đặtcác tính năng lập trình khác nhau Các hệ thống lập trình cho phép bạn lưu lại nhữngphối cảnh ánh sáng và giảm cường độ các nhóm đèn khác nhau chỉ với một nút bấm

Ví dụ như, một nút bấm có thể được lập trình để thiết lập đèn phòng ăn và phòngkhách của bạn sáng đến 50% Các đèn đặt ngoài trời có thể được đặt thời gian để tựđộng bật lúc hoàng hôn và tắt lúc mặt trời mọc

Hình 0.1: Hệ thống chiếu sáng tập trung

Một số hệ thống điều khiển ánh sáng phức tạp hơn thậm chí có thể cho phép bạnđiều khiển đèn chiếu sáng từ một chiếc iPhone, iPad, hoặc thiết bị Android Một lợi íchchính của hệ thống điều khiển ánh sáng tập trung là nó giúp xóa bỏ cảnh những hệthống công tắc chằng chịt trên tường nhà- một điều có thể gây mất mỹ quan cho mộtcăn nhà hiện đại

b Hệ thống điều khiển chiếu sáng không dây

Một hệ thống điều khiển chiếu sáng không dây là một loại hệ thống bao gồm các

bộ điều chỉnh ánh sáng (dimmer) và các công tắc có thể điều khiển từ xa

Hình 0.2 Hệ thống chiếu sáng không dây

Loại hệ thống này rất dễ dàng cài đặt, giá thành hợp lý, và là một lựa chọn rấtphổ biến và phù hợp cho các dự án cải tạo hệ thống chiếu sáng Một hệ thống điềukhiển chiếu sáng không dây còn có khả năng kết hợp các bàn phím điều khiển và cáctùy chọn chương trình của một hệ thống tập trung

Tất cả các bộ điều chỉnh ánh sáng và công tắc sẽ giao tiếp không dây với bộ xử

lý, do vậy hệ thống này không đòi hỏi cài đặt nhiều thiết bị, nhờ đó chi phí không quáđắt đỏ

c Hệ thống điều khiển chiếu sáng lai

Một hệ thống điều khiển ánh sáng lai (hybrid) là sự kết hợp của hệ thống tậptrung và không dây Các thiết bị không dây và có dây được tích hợp vào một hệ thống

và có thể giao tiếp với nhau

Hình 0.3 Hệ thống chiếu sáng lai

Đây là một lựa chọn tuyệt vời cho một không gian đang được nâng cấp mộtphần, nơi một số các mạch điện chiếu sáng có thể được cài đặt đến một vị trí trungtâm qua các bức tường và trần nhà mở

1.1.3 Lợi ích

Hệ thống điều khiển chiếu sáng được phát minh nhằm khắc phục những hạn chếcủa phương pháp kiểm soát chiếu sáng thủ công Với cách thủ công, chúng ta phải bậttắt hay chỉnh các thiết bị chiếu sáng bằng từng công tắc hay cầu giao Một công trìnhnhỏ có thể sẽ không gặp vấn đề gì với cách thức này Tuy nhiên, với các công trìnhlớn, khi có rất nhiều thiết bị đèn, việc điều khiển bằng tay sẽ mất rất nhiều thời gian.Bên cạnh đó, chi phi lắp đặt một số lượng lớn công tắc cũng là rất cao

Thế nên, ưu điểm chính của một hệ thống điều khiển chiếu sáng so với điềukhiển bằng tay thông thường chính là khả năng kiểm soát từng đèn riêng lẻ hoặc nhómđèn chỉ từ một thiết bị giao diện Điều này cho phép kiểm soát nhiều nguồn ánh sángcùng một lúc hay giúp tạo nên những bối cảnh chiếu sáng phức tạp

Một căn phòng có thể có nhiều nguồn chiếu sáng và được đặt ở các chế độ khácnhau tùy vào hoạt động trong phòng Vì vậy, lợi ích của hệ thống điều khiển ánh sáng

là giảm được mức tiêu thụ năng lượng, nhờ kiểm soát mức độ và thời gian chiếu sángcủa từng thiết bị Ngoài ra, một hệ thống điều khiển chiếu sáng không dây sẽ giúpgiảm chi phí lắp đặt và tăng tính linh hoạt khi cài đặt thêm các thiết bị và công tắc

1.1.4 Xu hướng phát triển trong tương lai

Người sử dụng ngày càng muốn hệ thống điều khiển chiếu sáng trở nên dễ dàngvận hành, hiệu quả, chất lượng tốt hơn và thích ứng với nhiều thiết bị hơn

Hình 0.4: Cầu nhật tân sử dụng hệ thống chiếu sáng hiện đại

Vậy nên, xu hướng lớn nhất trong điều khiển ánh sáng chính là sự phát triển củamột hệ thống không dây Hệ thống không dây cho phép việc lắp đặt thêm các thiết bịchiếu sáng linh hoạt hơn và cung cấp cho người dùng sự tiện lợi của việc kiểm soátthiết bị chiếu sáng từ bất cứ nơi nào

Một xu hướng nữa cũng đáng được đề cập là tích hợp toàn bộ giải pháp chiếusáng duy nhất cho một tòa nhà Hệ thống điều khiển ánh sáng tích hợp có thể giao tiếpvới các hệ thống khác trong tòa nhà, chẳng hạn như hệ thống sưởi ấm, thông gió hay

hệ thống báo cháy, hệ thống an ninh Một hệ thống tích hợp đầy đủ như vậy sẽ cungcấp một cuộc sống thuận tiện, an toàn và bảo mật cho người sử dụng

Ngoài hai xu hướng trên, khái niệm về kiểm soát daylighting, hoặc thu hoạch ánhsáng ban ngày, cũng đang dần phổ biến và đang được ứng dụng vào công nghệ điềukhiển chiếu sáng Thu hoạch ánh sáng ban ngày sẽ sử dụng ánh sáng ban ngày và hệthống đèn trong nhà để liên tục điều chỉnh ánh sáng phù hợp với nhu cầu sử dụng

1.2 Giới thiệu chung về hệ thống quản lý tòa nhà (BMS)

1.2.1 Khái niệm

BMS là một hệ thống tự động hóa điều khiển và giám sát kỹ thuật Hệ thống nàymang tính tổng thể cao trong điều khiển và giám sát các hệ thống kỹ thuật của toànnhà BMS thực hiện tốt nhất các nhiệm vụ điều khiển vận hành hệ thống, là môitrường thu nhận, quản lý toàn bộ các thông số kỹ thuật của thiết bị của các hệ thốngkết nối tới

Hình 0.5: Cấu tạo hệ thống BMS (Building Management System)

Thông qua trao đổi thông tin, BMS điều khiển vận hành các thiết bị chấp hànhcủa từng hệ thống kỹ thuật khác nhau hoạt động theo yêu cầu của người quản lý, đảmbảo các yếu tố kỹ thuật cũng như các yếu tố an toàn, an ninh,…

Một hệ thống quản lý tòa nhà cơ bản có thể kết nới để điều khiển và giám sát các

hệ thống kỹ thuật của tòa nhà như:

• Hệ thống thiết bị môi trường ( điều hòa, thông khí, giám sát môi trường,…)

• Hệ thống quản lý điện năng ( cung cấp điện, máy phát điện, đo đếm nănglượng,…)

• Thang máy, thang cuốn,

• Các hệ thống thiết bị lắp đặt trong máy chủ Hệ thống an ninh ( CCTV, hệ thốngkiểm soát vào ra, phòng cháy chữa cháy,….)

1.3 Lợi ích của hệ BMS

Hình 0.6: Sơ đồ hệ thống BMS

Tiết kiệm nhân công : Hệ thống BMS cho phép quản lý một cách toàn diện một

số lượng lớn dữ liệu và trợ giúp thực thi việc quản lý tinh vi hơn với một đội ngũ nhânviên ít hơn Hệ thống máy móc tự động làm thay và trợ giúp con người trong nhiềuviệc

Duy trì và tối ưu hóa môi trường làm việc : Nhiệt độ, độ ẩm, khí CO2, độ sạch,ánh sáng,… Sẽ được hệ thống kiểm soát ở giá trị tốt nhất cho con người hoạt động.Tiết kiệm nguồn tài nguyên và năng lượng : Dễ thấy nhất, hệ thống BMS giúpkiểm soát chính xác tải nhiệt yêu cầu, đồng thời đáp ứng tối ưu cho nhu cầu sử dụng.Điều này giúp kiểm soát thất thoát năng lượng, đem lại hiệu quả kinh tết cao

Tăng cường độ an toàn : Khả năng tích hợp chung với các hệ thống security nhưcamera giám sát (CCTV), kiểm soát ra vào giúp đảm bảo tòa nhà luôn được theo dõi

và phản ứng tự động với các mối nguy

Tính tiện nghi cho người dùng : các chỉ thị về điều chỉnh nhiệt độ, ánh sáng, âmthanh, kiểm soát vùng đều được thực hiện dễ dàng hơn Thậm chí cũng không cầnnhiều người để tác động vì hệ thống máy tính tập trung và kết nối internet có thể giúp

Với các hệ thống tự động hóa tòa nhà Mỗi nhà sản xuất phát triển hệ thống riêngcủa họ Không có tiêu chuẩn ngành để làm theo Kết quả là các hệ thống đến từ cácnhà 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 bị thường xuyên nhận ra rằng chính những sự không tương thích nàytrở thành chướng ngại cản trở việc cải tiến hiệu năng vận hành Rất khó hoặc hầu nhưkhông thể để tích hợp các hệ thống điều khiển và tự động hóa độc lập trở thành một hệthống thống nhất

1.4.2 Giao thức BACnet

BACnet viết tắt cho Building Automation and Control Network (Mạng điềukhiển và tự động tòa nhà) BACnet là tiêu chuẩn được phát triển bởi ASHRAE (Hiệphội kỹ sư nhiệt lạnh và điều hòa không khí Hoa Kỳ) – trong sự liên kết với các tổ chứcquản lý tòa nhà, người sử dụng hệ thống và các nhà sản xuất hệ thống – chuyên dụngcho các thiết bị điều khiển và tự động hóa tòa nhà

Hình 0.7: Giao thức BACnet

Năm 1995 sau nhiều năm phát triển và sửa đổi, Ban điều hành ASHRAE phêchuẩn và ban hành tiêu chuẩn ASHRAE 135-1995 Tiêu chuẩn này đã được trình lênANSI (Viện tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kỳ) và trong cùng năm đó nó đã được trở thànhtiêu chuẩn quốc gia với tên ANSI/ASHRAE 135-1995

BACnet là một tiêu chuẩn thông tin giao tiếp không độc quyền, có tính mở Nó

có thể được áp dụng trong thực tế vào bất kỳ hệ thống nào của tòa nhà ngày nay, baogồm HVAC, chiếu sáng (lighting), an toàn sinh mạng (life safety), kiểm soát truy cập(access control), vận chuyển (transportation) và bảo trì (maintenance)

Theo thiết kế, tiêu chuẩn này có thể sử dụng trong phạm vi rộng các công nghệmạng và truyền thông Nó được viết ra bao gồm mọi thứ từ việc phải chọn kiểu cápnào cho đến việc khởi gán lệnh hoặc yêu cầu thông tin đặc thù ra sao Các quy tắc giaotiếp của BACnet được thiết kế đặc thù cho các thiết bị điều khiển và tự động hóa tòanhà, bao gồm các tác vụ như đọc nhiệt độ yêu cầu ra sao, gửi trạng thái báo động(status alarm) và thiết lập quạt như thế nào…

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN CHIẾU SÁNG TRONG

TÒA NHÀ2.1 Sơ Đồ Nguyên Lý

Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý hệ thống chiếu sáng trong tòa nhà

Hệ thống được điều khiển bật tắt qua các công tắc mềm, qua các cơ cấu chấphành của hệ thống BMS, có thể lập lịch bật tắt theo yêu cầu, tự động bật/ tắt khi cóchuyển động hay bật tắt theo ánh sáng

• Tại các khu vực quan trọng hệ thống có thể điều chỉnh được độ sáng

• Kết hợp với hệ thống Security để điều khiển chiếu sáng, đảm bảo chiếusáng đúng lúc, đúng nơi, đủ độ sáng nhưng vẫn đảm bảo tiết kiệm

2.2 Cấu tạo của hệ thống

2.2.1 Đèn sợi đốt

Ưu điểm :

• Chi phí đầu tư khá rẻ

• Bóng đèn duy trì liên tục, ánh sáng tự nhiên, không bị ngắt như các loạibóng huỳnh quang do đó bảo vệ mắt khi sử dụng lâu dài

• Cấu tạo đơn giản, kích thước nhỏ gọn, nối trực tiếp với nguồn điện, khôngđòi hỏi thiết bị đi kèm, giá thành rất rẻ

• Dễ dàng điều chỉnh quang thông bằng việc thay đổi điện áp đặt vào đèn

• Bật sáng tức thời, hệ số công suất cao, tuổi thọ hầu như không phụ thuộcvào điều kiện bật tắt

• Giống ánh sáng ban ngày, tạo cảm giác ấm cúng

Hình 2.9: Bóng đèn sợi đốt

Nhược điểm :

• Tỏa nhiệt gây khô, nóng khó chịu cho người dùng, khi ngồi học hay làmviệc sẽ bị khó chịu, chóng mệt mỏi, nhức mắt, bị chói lóa bởi ánh sángkhông phủ đều trên một mặt phẳng

• Tiêu hao điện năng, vì tới 80% điện năng chuyển thành nhiệt

• Độ bền thấp, không thích hợp di chuyển các vị trí vì dễ làm đứt dây tóc

2.2.2 Đèn huỳnh quang

Hình 2.10: Bóng đèn huỳnh quang

a Ưu điểm

Tiết kiệm điện và sáng hơn:

 Trong khi bóng đèn sợi đốt phải sử dụng dây tóc để chiếu sáng, do cấu tạođặc trưng nên quá trình chiếu sáng của đèn tốn khá nhiều năng lượng thìbóng đèn sợi quang lại khắc phục tốt nhược điểm này

 Quá trình tích điện và chiếu sáng này diễn ra khá nhanh, không tiêu haoquá nhiều năng lượng, đồng thời trong quá trình chiếu sáng, bóng đèn

huỳnh quang lại không tỏa nhiều nhiệt lượng, do đó đèn sẽ sáng hơn cácloại đèn thông thường khác.

 Tuổi thọ cao: thay vì đốt nóng dây dẫn để phát sáng như đèn sợi đốt, cơchế chiếu sáng của bóng đèn huỳnh quang đã khiến cho tuổi thọ của loạithiết bị chiếu sáng này tăng lên rất nhiều lần, trung bình dao động khoảng10.000 giờ, gấp rất nhiều lần so với dạng đèn sợi đốt

Giá rẻ:

 So với các loại đèn như đèn phóng điện công suất lớn hay việc phải thayđèn sợi đốt liên tục thì bóng đèn huỳnh quang lại được liệt vào danh sáchdẫn đầu về thiết bị chiếu sáng tiết kiệm chi phí

 Không khó khăn trong sử dụng, không tốn nhiều chi phí, tuổi thọ lâu bền

là những điểm vượt trội đa phần người sử dụng đều cân nhắc

d Nhược điểm

Hình 2.11: Nhược điểm của bóng đèn huỳnh quang

Gây hại cho mắt

 Do hoạt động trên nguyên tắc phóng điện nên bóng đèn huỳnh quangthường có độ sáng không ổn định và rất khó nhận biết Nhược điểm nàyảnh hưởng khá lớn đến thị lực của người sử dụng, nhất là trẻ nhỏ

 Việc sử dụng thường xuyên và lâu dài bóng đèn huỳnh quang để làm việc,học tập chắc chắn sẽ ảnh hưởng không nhỏ đến thị lực sau này

2.3 Công tắc cảm ứng dùng cho đèn

Hình 2.12: Công tắc cảm ứng

Thông số kỹ thuật :

 Nguồn cấp: 220-240 VAC, 50~60Hz

 Công suất tải: max 1000W 1 mạch, min 40W/1 mạch

 Dải hoạt động: 100m trong không khí

 Nguồn truyền: 10 dBm

 Độ nhậy nhận -100 dBM

 Dùng cho đèn sợi đốt, đèn Halogen

Chức năng: Giao tiếp giữa bảo vệ với chủ căn hộ, lễ tân, kiểm soát an ninh, báođộng nếu có từ màn hình giao tiếp các phòng

2.4 Cảm biến ánh sáng

Nhờ khả năng cảm biến cường độ mạnh yếu của ánh sáng mà thiết bị này có tínhnăng ưu việt, có thể phát hiện được ánh sáng của căn phòng đồng thời cảm biến đượccường độ của ánh sáng ở môi trường xung quanh

Hình 2.13: Cảm biến ánh sáng

Chức năng:

 Điều khiển tăng giảm độ sáng của căn phòng cũng như các thiết bị điện tử

Do đó, nó có tính ứng dụng cao trong đời sống hiện đại

 Điều khiển các thiết bị đèn chiếu sáng cho căn hộ văn phòng, hay các tòanhà cao tầng một cách nhanh chóng và tự động

 Tiết kiệm điện năng tối đa đồng thời đem lại nhiều tiện lợi cho ngườidùng

Nguyên lý hoạt động: cường độ sáng của một chùm ánh sáng phát ra từ cảm biếnnày đến cảm biến khác và giúp điều khiển các thiết bị hệ thống thông minh một cáchhữu hiệu

Do vậy, sản phẩm này có khả năng cảm biến và điều khiển vô cùng chính xác, ítxảy ra sai sót đồng thời đem lại nhiều tiện lợi trong quá trình sử dụng

2.5 Giới thiệu chung về PLC S7-300

+ Module CPU: Bộ xử lý trung tâm

+ Module SM: module xuất/nhập tín hiệu tương tự/số

+ Module chức năng SM

+ Module truyền thông CP

+ Module ghép nối IM

2.5.2 Ứng dụng:

Ứng dụng trong sản xuất và dân dụng như:

- Điều khiển robot công nghiệp

- Hệ thống xử lý nước sạch

- Điều khiển trong các cẩu trục

- Điều khiển dây chuyền băng tải

- Máy chế tạo công cụ

Hình 2.7: Các khối chức năng bên ngoài CPU S7-300

Các CPU khác nhau thì các thành phần trên không giống nhau, cụ thể các thànhphần trong từng module như hình dưới:

Hình 2.8: Sự khác nhau các khối bề ngoài của CPU S7-300

Một số đặc tính kỹ thuật của một số CPU S7-300

Hình 2.9: Các thông số kỹ thuật của một số CPU S7-300

2.5.4 Các module mở rộng

Các module mở rộng của PLC S7-300 chia làm 5 loại:

- Power Supply (PS): module nguồn nuôi, có 3 loại là 2A, 5A và 10A

- Signal Module (SM): module tín hiệu vào ra số, tương tự

- Interface Module (IM): module ghép nối, ghép nối các thành phần mở rộng lạivới nhau Một CPU có thể làm việc trực tiếp nhiều nhất 4 rack, mỗi rack tối đa 8Module mở rộng và các rack được nối với nhau bằng Module IM

- Function Module (FM): module chức năng điều khiển riêng Ví dụ module điềukhiển động cơ bước, module điều khiển PID

- Communication Processor (CP): Module phục vụ truyền thông trong mạng giữacác bộ PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính.

và các thiết bị hiện trường phân tán Chuẩn này cũng cho phép các thiết bị của nhiềunhà cung cấp khác nhau giao tiếp với nhau mà không cần điều chỉnh giao diện đặcbiệt PROFIBUS sử dụng phương tiện truyền tin xoắn đôi và RS485 chuẩn công