Nghiên cứu và ứng dụng hệ thống bms để điều khiển điện chiếu sáng trong tòa nhà

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu tính năng điều khiển, giám sát và phối hợp bởi các thiết bị phân tán lắp đặt trong hệ thống BMS; các vấn đề truyền thông giữa các thiết bị đó với trun

LÊ TRUNG ĐỊNH

NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG HỆ THỐNG BMS ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN CHIẾU SÁNG

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHQG -

TPHCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: ………

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1: ………

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2: ………

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày …… tháng …… năm ……

Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 ………

2 ………

3 ………

4 ………

5 ………

Xác nhận của Chủ Tịch Hội Đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ………

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viện: Lê Trung Định MSHV: 11184058

Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1978 Nơi sinh: Quãng Ngãi

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện Mã số: 605250

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG HỆ THỐNG BMS ĐỂ

ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN CHIẾU SÁNG TRONG TÒA NHÀ

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Nghiên cứu tính năng điều khiển, giám sát và phối hợp bởi các thiết bị phân tán lắp đặt trong hệ thống BMS; các vấn đề truyền thông giữa các thiết bị đó với trung tâm điều khiển; các giao thức được sử dụng trong hệ thống BMS Nghiên cứu về giao thức truyền thông IEC 61850, các khả năng của tiêu chuẩn IEC61850 trong ứng dụng tự động hoá

- Nghiên cứu cấu hình phần mền cho các ứng dụng tự động hoá hệ thống BMS của hãng HONEYWELL, AZBIL

- Áp dụng kết quả nghiên cứu để đưa ra giải pháp xây dựng, cải tạo và nâng cấp hệ thống BMS điển hình

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/01/2013

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2013

IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt

LỜI CÁM ƠN

Trong cuộc sống, có mấy ai biết được tất cả, bởi vì kiến thức là

vô cùng, vô tận Chính vì thế tôi đã học, không chỉ cho riêng chính tương lai của bản thân tôi mà còn để đền đáp công ơn của những người yêu thương, luôn động viên và giúp đỡ tôi để tôi được đi trên con đường

mà tôi đã chọn

Tôi luôn ghi nhớ công ơn của những người thầy cô trong quá khứ - những người đã dắt tôi những bước đi đầu tiên trên con đường học vấn Và tôi cũng xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt, cùng quý thầy cô trong khoa Điện – Điện Tử trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ này Tôi cũng không quên công ơn của cha mẹ - người sinh ra và nuôi tôi khôn lớn Một lần nữa, tôi xin cám ơn tất cả !

Đề tài “Nghiên cứu và ứng dụng hệ thống BMS để điều khiển điện chiếu sáng trong tòa nhà” hiện nay đã trở nên cấp thiết và là xu hướng chung của thế giới, nhằm mục đích tiết kiệm chi phí trong việc điều khiển vận hành và giám sát hoạt động của tòa nhà, vv Đó là lý do tôi tìm hiểu và nghiên cứu về lĩnh vực này !

Tp Hồ Chí Minh ngày 18 tháng 6 năm 2013

Người viết ký tên

LÊ TRUNG ĐỊNH

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, ngành điện nói chung và tự động hóa trong hệ thống điện nói riêng cũng đã phát triển vượt bậc

Nó đã mang lại những lợi ích to lớn về kinh tế cho đất nước

Điều khiển và giám sát hệ thống chiếu sáng trong tòa nhà cao tầng là một lĩnh vực trong hệ thống BMS, nó đã đóng góp một phần quan trọng trong việc tiết kiệm điện năng, nâng cao hiệu suất hoạt động của tòa nhà Hệ thống internet đã phát triển toàn cầu, vì vậy mà mọi hệ thống ME trong nhà cao tầng

đã được điều khiển từ xa qua internet Đây là phương pháp điều khiển từ xa có

độ tin cậy và tính an toàn tuyệt đối

Ngày nay, việc ứng dụng hệ thống BMS để điều khiển và giám sát mọi trạng thái vận hành của tòa nhà từ xa qua mạng trở nên cấp thiết, bởi vì nó mang lại lợi ích kinh tế, sự tiện lợi và thỏa mái cho người vận hành, điều khiển cũng như giám sát

THESIS SUMMARY

Along with the development of technical sciences, general industry electrical and automation of power systems in particular have also boom It has brought tremendous benefits for the country economically

Control and monitoring of the lighting system for building is a field in the BMS system, it has contributed an important part in saving power, improve the performance of a building Internet systems has developed in the global, so that every ME system in high building has controlled on the internet This is a remote reliability method and absolute security

Today, the application of BMS system to control and supervise all operational status of a building remotely over a network becomes imperative, because it brings economic benefits, the convenience and comfort to the operators, as well as monitoring controls

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân tôi được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS TS Nguyễn Hoàng Việt

Các số liệu, những nghiên cứu được trình bày trong luận văn này chưa từng được công bố dưới hình thức nào Tôi xin chịu mọi trách nhiệm về sự nghiên cứu của mình

Tp Hồ Chí Minh ngày 18 tháng 6 năm 2013

Người viết ký tên

LÊ TRUNG ĐỊNH

MỤC LỤC

Trang

I PHẦN MỞ ĐẦU 4

1 Lý do chọn đề tài 4

2 Mục tiêu và các nội dung nghiên cứu của đề tài 4

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 5

4 Phương pháp nghiên cứu 5

II NỘI DUNG LUẬN VĂN 6

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BMS (BUILDING MANAGEMENT SYSTEM) 6

1.1 Tổng quan về hệ thống BMS 6

1.2 Các hệ thống cơ bản trong tòa nhà được điều khiển và giám sát bởi hệ thống BMS 6

1.3 Cấu trúc cơ bản của hệ thống BMS 7

1.4 Lịch sử phát triển của hệ thống BMS 10

1.5 Thực trạng nhà cao tầng ở Việt Nam hiện nay 10

Chương 2: MỘT SỐ CHUẨN VÀ GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG ỨNG DỤNG CỦA HỆ THÔNG BMS 12

2.1 Giao thức truyền thông 12

2.2 Các giao thức truyền thông trong hệ BMS 13

2.2.1 Giao thức truyền thông Ethernet 13

2.2.2 Giao thức truyền thông BACnet 17

2.2.3 Giao thức LonMark 18

2.2.4 Giao thức Modbus 20

2.2.5 Giao thức KNXnet 21

2.3 Minh họa về sự giao tiếp truyền thông giữa các thiết bị trong một hệ thống 23

2.5 Một số chuẩn về truyền thông 25

2.5.1 Chuẩn truyền thông RS-232 25

2.5.2 Chuẩn truyền thông RS-485 29

Chương 3: THIẾT KẾ MỘT HỆ THỐNG BMS CHUẨN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN CHIẾU SÁNG TRONG HỆ BMS 31

3.1 Các thiết bị cơ bản trong hệ BMS 31

3.2 Hệ thống BMS tích hợp - IBMS 31

3.3.1 Tích hợp hệ thống điều hoà trung tâm 32

3.3.2 Tích hợp vào hệ thống chiếu sáng 34

3.3.3 Tích hợp vào hệ thống báo cháy và chống cháy 36

3.3.4 Tích hợp hệ thống phân phối điện 37

3.3.5 Tích hợp với máy phát điện 38

3.3.6 Tích hợp với hệ thống thang máy 40

3.3.7 Tích hợp vào hệ thống cấp nước và xử lý nước thải 42

3.3.8 Tích hợp vào hệ thống an ninh (Card Access/ Camera quan sát) 43

3.3.9 Tích hợp vào hệ thống thông tin công cộng (PA) 44

3.3.10 Tích hợp vào hệ thống tổng đài điện thoại 45

3.3.11 Tích hợp vào hệ thống chống sét/ chống sét lan truyền 45

3.3 Thiết kế một hệ BMS điều khiển điện chiếu sáng 46

3.3.1 Các thiết bị 46

3.3.2 Phương pháp điều khiển 50

3.3.3 Lưu đồ điều khiển 51

Chương 4: MÔ HÌNH – MÔ PHỎNG 52

4.1 MÔ HÌNH PHẦN CỨNG 52

4.1.1 Giới thiệu mô hình 52

4.1.2 Phần cứng của mô hình 52

4.1.3 Điều khiển mô hình 53

4.2 MÔ PHỎNG 56

4.2.1 Phần mềm mô phỏng điều khiển chiếu sáng 56

4.2.2 Giao diện mô phỏng 71

4.2.3 Hiển thị kết quả mô phỏng điều khiển 77

4.2.4 Mã Code của chương trình điều khiển 80

III KẾT LUẬN 95

IV TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

DANH MỤC HÌNH ẢNH 96

DANH MỤC BẢNG BIỂU 98

PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 98

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký Tự Tiếng Anh Tiếng Việt

BMS Building Management Systems Hệ thống quản lý tòa nhà TCP Transmission Control Protocol Điều khiển truyền dữ liệu

IP Internet Protocol Địa chỉ

HTTP Hyper Text Transfer Protocol Chuyển giao dữ liệu văn bản FTP File Transfer Protocol Chuyển giao dữ liệu dạng file SMTP Simple Mail Transfer Protocol Gửi thư điện tử qua internet POP Post Office Protocol Nhận thư điện tử qua internet MIME Multipurpose Internet Mail

BACnet Building Automation and

Control network Protocol

Giao thức truyền thông và tự động hóa trong tòa nhà

SNVT Standard Network Variable

Type

Loại mạng internet tiêu chuẩn

EHS European Home Systems

Protocol

Địa chỉ của hệ thống tòa nhà theo tiêu chuẩn châu Âu EIB European Installation Bus Tiêu chuẩn lắp đặt châu Âu

về cáp cáp mạng

I PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay việc ứng dụng công nghệ điều khiển tích hợp hệ thống BMS trong việc điều khiển, giám sát và vận hành tòa nhà trở thành xu hướng chung của thế giới nhằm giảm chi phí đầu tư, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện Đó là lý do chính để tôi chọn lĩnh vực nghiên cứu về BMS

Các công ty - tập đoàn sản xuất thiết bị điện và điện tử nổi tiếng trên thế giới như ABB, SIEMENS, HONEYWELL, AZBIL, vv… đã đưa ra thị trường những hệ thống BMS khác nhau, tuy nhiên vấn đề khó khăn nhất là khả năng tương thích về tiêu chuẩn kết nối giữa các thiết bị của các hãng khác nhau, đồng thời hạn chế về tốc độ xử lý nên việc xây dựng các ứng dụng trên nền tảng các giao thức truyền thống khá khó khăn Trên cơ sở kiến trúc truyền thông đa dụng UCA 2.0, từ năm

2003 tổ chức kỹ thuật điện quốc tế IEC (International Electrotechnical Commission) ban hành phiên bản đầu tiên về tiêu chuẩn truyền thông IEC 61850, tạo ra khả năng tích hợp cao cho các hệ thống BMS cũng như các thiết bị truyền thông, vấn đề không tương đồng giữa các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau dần dần được giải quyết

Để nâng cao tính cạnh tranh, thuận lợi cho quá trình mở rộng phát triển hệ thống, tiêu chuẩn truyền thông IEC 61850 được tập đoàn sản xuất thiết bị điện lựa chọn cho các ứng dụng tự động hoá trong hệ thống BMS

2 Mục tiêu và các nội dung nghiên cứu của đề tài

Đề tài này đặt ra mục tiêu chính là nghiên cứu và điều khiển điện chiếu sáng trong hệ thống BMS trên nền tảng của giao thức truyền thông IEC 61850 Để thực hiện mục tiêu, các nội dung chính cần thực hiện như sau:

- Nghiên cứu tính năng điều khiển, giám sát và phối hợp bởi các thiết bị phân tán lắp đặt trong hệ thống BMS; các vấn đề truyền thông giữa các thiết bị đó với trung tâm điều khiển; các giao thức được sử dụng trong hệ thống BMS

- Nghiên cứu về giao thức truyền thông IEC 61850, các khả năng của tiêu chuẩn IEC 61850 trong ứng dụng tự động hoá

- Nghiên cứu cấu hình phần mền cho các ứng dụng tự động hoá hệ thống BMS của hãng HONEYWELL

- Áp dụng kết quả nghiên cứu để đưa ra giải pháp xây dựng, cải tạo và nâng cấp hệ thống BMS điển hình

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của đề tài là các chuẩn giao thức, các cấu trúc truyền thông tích hợp, giao diện người sử dụng, giao diện truyền thông

- Nghiên cứu khả năng tương thích về tiêu chuẩn kết nối giữa các thiết bị của các hãng khác nhau như hãng ABB, SIEMENS, HONEYWELL, AZBIL, …

- Nghiên cứu các phần mềm ứng dụng và các giao thức kết nối, trao đổi dữ liệu giữa máy tính và thiết bị ngoại vi

- Nghiên cứu cách thức điều khiển từ xa của hệ thống BMS qua mạng Internet Điều khiển các thiết bị sử dụng điện – đèn chiếu sáng trong hệ thống BMS

4 Phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết các mục tiêu nêu trên, đề tài đưa ra phương pháp nghiên cứu như sau:

- Tìm hiểu hiện trạng, thu thập số liệu các hệ thống BMS của các hãng khác nhau

- Phân tích đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ điều khiển để cải tạo, nâng cấp và điều khiển các hệ thống BMS

II NỘI DUNG LUẬN VĂN

Trong tòa nhà, thường có hai hệ thống chính là hệ thống điện và hệ thống cơ Thường được gọi tắt là hệ thống cơ – điện Khi tòa nhà được trang bị hệ thống BMS thì hai hệ thống trên được điều khiển tập trung, hiển thị đầy đủ thông tin trong quá trình hoạt động trên màn hình giám sát, các thông số hoạt động được ghi chép vào

dữ liệu lưu trữ, Đây còn gọi là tòa nhà thông minh, tòa nhà hiệu năng cao

1.2 Các hệ thống cơ bản trong tòa nhà được điều khiển và

giám sát bởi hệ thống BMS

Hai hệ thống cơ bản của tòa nhà được giám sát và điều khiển bởi hệ thống BMS là hệ thống điện và hệ thống cơ Hệ thống điện bao gồm các hệ thống sau:

1 Hệ thống cung cấp điện động lực

2 Hệ thống điều khiển chiếu sáng

3 Hệ thống điện nhẹ: Hệ thống camera quan sát, hệ thống mạng điện thoại,

hệ thống mạng máy tính, hệ thống báo cháy tự động, hệ thống báo động xâm nhập, hệ thống điều khiển ra vào

Hệ thống cơ bao gồm các hệ thống sau đây:

1 Hệ thống điều hòa không khí

2 Hệ thống thống gió

3 Hệ thống chữa cháy vách tường

4 Hệ thống chữa cháy tự động

Mục đích đạt được:

– Quản lý, tiết kiệm năng lượng điện

– Vận hành hệ thống tối ưu nhất, hỗ trợ cho bảo hành, bảo trì hệ thống – Giám sát, cảnh báo

– Chia sẽ các dữ liệu như trình trạng hoạt động, số giờ chạy của thiết bị cho

hệ thống office automation, hệ thống quản lý bảo trì, bảo dưỡng hệ thống

Mục tiêu:

– Là tập trung hóa và đơn giản hóa giám sát, hoạt động và quản lý một hay nhiều tòa nhà để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của tòa nhà bằng cách giảm chi phí nhân công và lượng tiêu thụ điện năng, và cung cấp môi trường làm việc an toàn, thoải mái hơn cho người cư ngụ Trong quá trình đáp ứng các mục tiêu này, BMS đã “tiến hóa” từ hệ điều khiển giám sát đơn giản trở thành hệ điều khiển vi tính hóa tích hợp toàn diện (totally integrated computerize control)

1.3 Cấu trúc cơ bản của hệ thống BMS

Một hệ thống BMS thường có các cấp sau đây theo từ cao xuống thấp:

– Cấp vận hành và quản lý

– Cấp điều khiển hệ thống

– Cấp điều khiển khu vực

Cấp cao hơn có quyền truy xuất và can thiệp trực tiếp ở cấp thấp hơn, nhưng điều ngược lại không được Đây là hình thức phân quyền trong hệ thống BMS Toàn bộ các thiết bị mà BMS quản lý sẽ được điều khiển, cài đặt hoạt động theo thời gian làm việc hoặc các điều kiện tiên quyết do người vận hành cài đặt, điều khiển nhờ vào giao diện máy tính và phần mềm thông qua máy tính, hệ thống BMS

sẽ thông báo đến người vận hành tình trạng hoạt động của các hệ thống, các thiết bị

VH & QL

HT

KHU VỰC

mà BMS quản lý cũng như thông báo các sự cố ra màn hình của trạm vận hành và gởi tín hiệu ra máy in

Hình 1 Cấu trúc của hệ thống BMS

Cấp khu vực:

Là cấp thấp nhất trong cấu trúc hệ thống BMS Các bộ điều khiển ở cấp độ khu vực là các bộ điều khiển sử dụng bộ vi xử lý, cung cấp chức năng điều khiển số trực tiếp cho các thiết bị ở từng khu vực, bao gồm: các bộ bơm nhiệt, các bộ điều hòa không khí cục bộ, Hệ thống phần mềm quản lý năng lượng cũng được tích hợp trong các bộ điều khiển cấp khu vực Ở cấp khu vực, các cảm biến và cơ cấu chấp hành giao diện trực tiếp với các thiết bị được điều khiển Các bộ điều khiển cấp khu vực sẽ được nối với nhau trên một đường bus, do vậy có thể chia sẻ thông tin cho nhau và với các bộ điều khiển ở cấp điều khiển hệ thống và cấp điều hành, quản lý

Cấp điều khiển hệ thống:

Các bộ điều khiển hệ thống có khả năng lớn hơn so với các bộ điều khiển ở cấp khu vực về số lượng các điểm vào/ ra, các vòng điều chỉnh và cả các chương trình điều khiển Các bộ điều khiển hệ thống được tích hợp sẵn các chức năng quản

lý, lưu trữ và thường được sử dụng cho các ứng dụng lớn hơn như hệ thống điều hòa trung tâm, hệ thống máy lạnh trung tâm, Các bộ điều khiển này trực tiếp giao tiếp với thiết bị điều khiển thông qua các cảm biến và cơ cấu chấp hành hoặc gián tiếp thông qua việc kết nối với các bộ điều khiển cấp khu vực Các bộ điều khiển hệ thống có thể hoạt động độc lập trong trường hợp bị mất truyền thông với các trạm vận hành

Cấp vận hành và quản lý:

Là cấp cao nhất trong cấu trúc hệ thống BMS Các trạm vận hành và giám sát chủ yếu giao tiếp với các nhân viên vận hành Các trạm vận hành ở cấp độ này chủ yếu là các máy tính PC Một trạm vận hành thường bao gồm các gói phần mềm ứng dụng sau:

- An toàn hệ thống: Giới hạn quyền truy cập và vận hành đối với từng cá

nhân

- Xâm nhập hệ thống: Cho phép những người có quyền được truy cập và lấy

dữ liệu hệ thống thông qua máy tính các nhân hoặc các thiết bị lưu trữ khác

- Định dạng dữ liệu: Lắp ghép các điểm dữ liệu rời rạc vào trong các nhóm

định dạng có quy tắc phục vụ 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 mình

- Giao diện: Xây dựng giao diện dựa trên ứng dụng của khách hàng, có sử

dụng các công cụ vẽ đồ thị và bảng biểu

- Lập báo cáo: Có khả năng lập báo cáo tự 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 việc bảo trì bảo dưỡng: Tự động lập kế hoạch và tạo ra các thứ tự

công việc cho các thiết bị cần bảo trì dựa trên lịch sử thời gian làm việc hoặc

kế hoạch theo niên lịch

- Tích hợp hệ thống: Cung cấp giao diện và điều khiển chung cho các hệ

thống con (Chiller, VRV, báo cháy, an toàn, giám sát truy nhập, ) và cung cấp khả năng tổng hợp thông tin từ các hệ thống con để từ đó đưa ra các tác động có tính toàn cục trong hệ thống

- Quản lý năng lượng và tài nguyên: thu thập, lưu trữ và xử lý dữ liệu lịch sử

như năng lượng sử dụng, chi phí vận hành và các cảnh báo và tạo ra các báo cáo để cung cấp các công cụ cho quá trình quản lý và việc sử dụng thiết bị lâu dài

1.4 Lịch sử phát triển của hệ thống BMS

Tính đến thời điểm này, hệ thống quản lý tòa nhà BMS đã có lịch sử ra đời vào khoảng năm 1950 Tuy nhiên việc áp dụng hệ thống BMS chỉ được phổ biến trong nửa cuối của thế kỷ XX khi các quốc gia phương Tây và một số nước châu Á

đi vào giai đoạn phát triển mạnh về kinh tế kỹ thuật

Trong giai đoạn này đã hình thành nên hầu hết các chuẩn phổ biến trong công nghệ BMS và BMS dần trở thành một yêu cầu khi xây dựng các tòa nhà

Tại Việt Nam, việc áp dụng BMS mới chỉ được quan tâm trong những năm gần đây Tỷ lệ các tòa nhà sử dụng BMS ở Việt Nam còn thấp và chưa đồng bộ Việt Nam cũng chưa hình thành nên các chuẩn nhất định cho việc áp dụng BMS khi xây dựng các tòa nhà

1.5 Thực trạng nhà cao tầng ở Việt Nam hiện nay.

Khoảng 90% số nhà cao tầng ở Việt Nam đều có các hệ thống cung cấp và thải nước, hệ thống cung cấp điện, hệ thống quạt trần hoặc điều hòa và hệ thống báo cháy Đây là những tòa nhà lọai thông thường

Khoảng 50% số tòa nhà có trang bị hệ thống điều hòa tập trung, hệ thống bảo

vệ và báo cháy, hệ thống báo động xâm nhập và giám sát bằng camera nhưng chưa

có hệ thống quản lý tòa nhà BMS Tất cả thiết bị của các hệ thống điều hòa, báo

với nhau, không có quản lý và giám sát chung và phần quản lý điện năng thì mới ở mức thấp Đây là những tòa nhà đã có hệ thống điều khiển và giám sát tập trung, nhưng chưa có hệ thống quản lý tòa nhà BMS

Khoảng 30% số tòa nhà có trang bị hệ thống điều hòa tập trung, hệ thống bảo

vệ và báo cháy, hệ thống báo động xâm nhập và giám sát bằng camera có trang bị

hệ thống BMS Tất cả thiết bị của các hệ thống điều hòa, báo cháy, được điều khiển riêng biệt và tích hợp từng phần Hệ BMS cho phép trao đổi thông tin, giám sát giữa các hệ thống, cho phép quản lý tập trung Hệ BMS cho phép quản lý điện năng ở mức cao Đây là lọai tòa nhà cao tầng được trang bị hệ thống tự động hóa BMS

Hầu hết các tòa nhà cao tầng ở Việt nam hiện nay đều không được trang bị

hệ thống BMS hoặc chỉ trang bị ở mức thấp Khi được trang bị hệ thống này, tất cả các hệ thống điều hòa, báo cháy, được điều khiển tập trung, tương tác bởi hệ BMS Các hệ thống được tích hợp đầy đủ hệ thống thông tin, giám sát và lưu trữ dữ liệu

Với các con số trên, chúng ta có thể thấy thực trạng về hệ thống nhà cao tầng của chúng ta phần lớn chưa được trang bị hệ thống BMS Nếu xét về mặt chất lượng

và hiệu quả sử dụng của các tòa nhà thì chưa đạt so với yêu cầu đặt ra cho các tòa nhà đó Do vậy tính chất lượng và hiệu năng sử dụng là không cao Nếu chúng ta xét về mặt kinh doanh thì các nhà cao tầng này sẽ không có tính cạnh tranh về lâu dài

Chương 2: MỘT SỐ CHUẨN VÀ GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG ỨNG DỤNG CỦA HỆ THÔNG

BMS

2.1 Giao thức truyền thông

Giao thức giao tiếp hay còn gọi là giao thức truyền thông; giao thức liên mạng; giao thức tương tác, vv… giao thức trao đổi thông tin (tiếng Anh là communication protocol) - trong công nghệ thông tin gọi tắt là giao thức (protocol), tuy nhiên, tránh nhầm với giao thức trong các ngành khác - là một tập hợp các quy tắc chuẩn dành cho việc biểu diễn dữ liệu, phát tín hiệu, chứng thực và phát hiện lỗi

dữ liệu - những việc cần thiết để gửi thông tin qua các kênh truyền thông, nhờ đó

mà các máy tính (và các thiết bị) có thể kết nối và trao đổi thông tin với nhau Các giao thức truyền thông dành cho truyền thông tín hiệu số trong mạng máy tính có nhiều tính năng để đảm bảo việc trao đổi dữ liệu một cách đáng tin cậy qua một kênh truyền thông hoàn hảo

Có nhiều giao thức được sử dụng để giao tiếp hoặc truyền đạt thông tin trên Internet, dưới đây là một số các giao thức tiêu biểu:

 TCP (Transmission Control Protocol): thiết lập kết nối giữa các máy tính để truyền dữ liệu Nó chia nhỏ dữ liệu ra thành những gói (packet) và đảm bảo việc truyền dữ liệu thành công

 IP (Internet Protocol): định tuyến (route) các gói dữ liệu khi chúng được truyền qua Internet, đảm bảo dữ liệu sẽ đến đúng nơi cần nhận

 HTTP (Hyper Text Transfer Protocol): cho phép trao đổi thông tin (chủ yếu

ở dạng siêu văn bản) qua Internet

 FTP (File Transfer Protocol): cho phép trao đổi tập tin qua Internet

 SMTP (Simple Mail Transfer Protocol): cho phép gởi các thông điệp thư điện tử (e-mail) qua Internet

 POP3 (Post Office Protocol, phiên bản 3): cho phép nhận các thông điệp thư điện tử qua Internet

 MIME (Multipurpose Internet Mail Extension): một mở rộng của giao thức SMTP, cho phép gởi kèm các tập tin nhị phân, phim, nhạc, theo thư điện tử.

 WAP (Wireless Application Protocol): cho phép trao đổi thông tin giữa các thiết bị không dây, như điện thoại di động

2.2 Các giao thức truyền thông trong hệ BMS

Giao thức truyền thông là một yếu tố quan trọng trong cấu hình của BMS vì

nó ảnh hưởng trực tiếp đến dữ liệu được truyền từ điểm này đến điểm khác và bởi vì các bộ điều khiển phân tán có thể phải lấy dữ liệu của nhau

Sử dụng giao thức truyền thông ngang hàng (Peer Communication Protocol)

So với giao thức hỏi vòng giao thức ngang hàng có các lợi ích sau:

– Việc truyền thông không phụ thuộc vào một thiết bị đơn lẻ nào – trạm chủ – Việc truyền thông được thực hiện trực tiếp giữa các thiết bị trong mạng mà không cần phải thông qua một trạm trung gian nào

– Các thông điệp hệ thống được truyền trực tiếp đến tất cả các trạm trên mạng

2.2.1 Giao thức truyền thông Ethernet

Lịch sử phát triển của Ethernet:

– Ethernet được phát triển bởi Robert Metcalfe và các đồng nghiệp của ông tại Xeror vào những năm 1970

– Robert Mecalfe nhận được bằng PhD từ MIT, luận văn của ông là về

ARPAnet - tiền thân của mạng Internet và ALOHA Sau khi hoàn thành

chưong trình học PhD, ông vào làm việc tại Xeror và phát triển Ethernet tại đây

– Vào những năm 1980 và 1990, có một vài công nghệ dành cho mạng LAN -

là các mạng cục bộ giống như mạng của một công ty hay của một trường đại học, như Token Ring, FDDI, Ethernet và ATM

– Ethernet là công nghệ mạng LAN phổ biến và thành công nhất Nguyên nhân chủ yếu là do nó rất đơn giản Do đó một mạng LAN dùng Ethernet rất dễ quản lý, và các thiết bị Ethernet thì không đắt tiền và cho hiệu năng khá cao

– Ethernet hay còn biết đến dưới tên gọi IEEE 802.3 là một giao thức mạng chuẩn hóa việc truyền thông tin gói trong mạng cục bộ Giao thức Ethernet được xếp vào lớp thứ hai trong mô hình OSI tức tầng data link

Giao thức Ethernet:

– Phương thức truyền gói tin của Ethernet là Carrier-Sense Multiple Access/ Collision Detect (CSMA/CD):

 Trước khi một trạm truyền một frame, nó nghe ngóng môi trường truyền

 Nếu môi trường đó đang rãnh, nó sẽ truyền frame đó

 Trong quá trình truyền, nó theo dõi môi trường truyền để phát hiện xung đột

 Nếu có xung đột xảy ra, trạm đó hủy việc truyền frame đó

 Nếu môi trường đang bận, sẽ có 3 phương án:

 1-persistent: liên tục nghe ngóng môi trường truyền, ngay khi môi trường hết bận, nó sẽ bắt đầu truyền frame

 non-persistent: chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên, sau đó tiếp tục nghe ngóng môi trường truyền

 p-consistent: liên tục nghe ngóng môi trường truyền Khi môi trường hết bận, với xác suất p% nó sẽ truyền frame đó, và với xác suất 1-p phần trăm nó sẽ tiếp tục đợi để nghe ngóng sau

 Khi đang truyền một frame, trạm truyền theo dõi môi trường để phát hiện xung đột Nếu có xung đột thì nó sẽ hủy việc truyền, và dùng giải thuật Truncated Binary Exponential Backoff để truyền lại frame đó

Kích thước Ethernet frame:

 Kích thước frame của Ethernet tốc độ 10Mbps là từ 64 Bytes cho tới 1518 Bytes

 Thời gian truyền tối thiểu của một frame phải lớn hơn RTT, nhờ đó

mà một trạm có thể phát hiện ra xung đột trước khi việc truyền tải hoàn tất

 Kích thước frame tối thiều = RTT * Tốc độ truyền = 50 microsecond

* 10Mbps = 512 bít =64 bytes

 Kích thước frame tối đa phải đủ lớn để đạt được hiệu năng sử dụng mạng cao, tuy nhiên nó không được lớn quá, nếu không các trạm sẽ phải chờ trong một thời gian rất lâu

 1518 Bytes được chọn làm kích thước frame tối đa

 RTT (Round Trip Time) là khoảng thời gian một tín hiệu hoặc một gói tin chạy từ nguồn (source) đến nơi nhận (destination) và quay ngược lại

và nhận dữ liệu cùng lúc

 Cáp xoắn và cáp quang hỗ trợ chế độ này

 Chú ý: Mặc dù cáp xoắn và cáp quang cung cấp các kênh truyền riêng cho việc gửi và nhận dữ liệu, một máy trạm ở chế độ half-duplex vẫn không thể gửi và nhận dữ liệu cùng lúc được, điều này là do với CSMA-CD, nếu một trạm nhận được một frame trong khi đang truyền một fram khác, nó sẽ coi đấy là xung đột

 Đây là một thiết bị ở Physical Layer: nó thao tác với các bit chứ không phải với các frame

 Dùng để nối hai cáp Ethernet với nhau

 Khuếch đại tín hiệu từ một cáp và gửi tín hiệu đó qua đoạn cáp kia

 Trong trường hợp nó nhận được tín hiệu đồng thời từ hai đoạn cáp, một tín hiệu jamming sẽ được gửi tới cả hai đoạn cáp, thông báo xung đột

 Ví dụ, một mạng Ethernet 10Mbps có thể dùng 4 bộ lặp để mở rộng chiều dài tối đa của cáp từ 500m tới 2500m

 Tất cả các trạm kết nối với một hub có cùng một miền xung đột

 Lưu ý rằng ở chế độ Full-Fuplex không có xung đột, nên không có frame nào bị mất do xung đột, tuy nhiên, một vài frame có thể bị mất

do tràn bộ đệm

2.2.2 Giao thức truyền thông BACnet

BACnet (Building Automation and Control network Protocol) là Giao thức truyền thông của hệ thống điều khiển và tự động hoá toà nhà Ngày nay, BACnet đã

và đang được các nhà cung cấp thiết bị chấp nhận một cách rộng rãi như một chuẩn quốc tế trong lĩnh vực tự động hoá toà nhà BACnet được sáng lập bởi một hiệp hội các kỹ sư trong lĩnh vực cơ điện lạnh tại Mỹ có tên là ASHRAE

Với tư cách là một chuẩn truyền thông mở giành cho tòa nhà nó tạo ra nền chuẩn cho phép các thiết bị của các hãng khác nhau trao đổi thông tin với nhau trong toà nhà như: Cảnh báo, lịch biểu, theo dõi bằng đồ thị và báo cáo Chính vì vậy, BACnet tỏ ra rất cạnh tranh so với các chuẩn giao thức khác thể hiện ở chỗ:

– Chi phí tích hợp hệ thống thấp

– Tính năng tích hợp hệ thống cao

– Thu việc điều hành về một máy chủ

– Loại bỏ sự ràng buộc vào một nhà cung cấp thiết bị

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, bao gồm 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 nghệ mạng và truyền thông Nó được viết ra bao gồm mọi thứ từ việc phải chọn kiểu cáp nào cho đến việc khởi gán lệnh hoặc yêu cầu thông tin đặc thù ra sao Các quy tắc giao tiếp của BACnet được thiết kế đặc thù cho các thiết bị điều khiển và tự động hóa tòa nhà, bao gồm các tác vụ như đọc nhiệt độ yêu cầu ra sao, gửi trạng thái báo động (status alarm)

Cách giải quyết mà các nhà phát triển BACnet triển khai khi thiết lập tiêu chuẩn đề ra rằng, cho một hệ thống thực sự có tính đổi lẫn được cần phải có một vài điều khoản tiêu chuẩn hóa cho hai thành phần chính sau đây: một là sự vận hành

toàn thể hệ thống và hai là các thành phần hệ thống riêng lẻ Họ thực hiện việc này bằng cách sử dụng giải pháp hướng đối tượng (object-oriented) trong các việc xét duyệt, điều khiển, sửa đổi và tương tác với thông tin từ các thiết bị khác nhau Một

mô hình hướng đối tượng BACnet (object-oriented model) bao gồm hai thành phần chính sau: các đối tượng (objects) và các dịch vụ (services) Dịch vụ ở đây có thể hiểu là tập hợp các lệnh logic

Với BACnet, objects là một tập hợp các thuộc tính (properties), mỗi thuộc tính đại diện cho một số bit thông tin Bên cạnh các thuộc tính mang tính tiêu chuẩn, objects có thể bao gồm các thuộc tính của nhà sản xuất miễn là chúng thi hành chức năng tuân theo tiêu chuẩn BACnet cũng định nghĩa các trạng thái có thể xảy ra cho mỗi thuộc tính của một object Điều làm cho giải pháp hướng đối tượng hoạt động đó là mọi object và thuộc tính được định nghĩa bởi hệ thống thì có thể truy cập được một cách chính xác theo cùng một cách thức

Quá trình đọc và ghi một thuộc tính BACnet gọi là service Services là những phương thức được sử dụng bởi bất kỳ thiết bị BACnet nào khi nó giao tiếp với một thiết bị BACnet khác, bao gồm việc nhận, truyền tải thông tin hoặc xử lý một hành động (action) Tiêu chuẩn đề ra một phạm vi rộng lớn các services cho việc truy xuất các objects và thuộc tính của chúng

Để đảm bảo rằng các sản phẩm được phát triển bởi các nhà sản xuất khác nhau tuân theo tiêu chuẩn BACnet, một phòng thí nghiệm kiểm tra được lập ra Phòng thí nghiệm này kiểm tra và cấp chứng nhận cho mọi thiết bị được tuân theo tiêu chuẩn Phòng thí nghiệm cũng phát triển một bộ hoàn chỉnh các quy trình kiểm tra để cho các nhà sản xuất sử dụng

Giao thức thứ hai, LonMark đưa ra cách giải quyết theo kiểu khác đối với vấn đề tính đổi lẫn Không như BACnet, LonMark là giao thức sở hữu độc quyền bởi tập đoàn Echelon Corporation liên kết với Motorola vào đầu thập niên 1990 Tiêu chuẩn LonMark được dựa trên giao thức thông tin có sở hữu với tên gọi LonTalk Giao thức LonTalk thiết lập một bộ quy tắc quản lý việc giao tiếp thông

thức, Echelon đã chọn làm việc với Motorola để phát triển một chip xử lý thông tin chuyên dụng có tên gọi Neuron Thông qua việc sử dụng con chip xử lý này cùng với các phần mềm hỗ trợ, giao thức thiết lập nên cách mà thông tin được trao đổi giữa các thiết bị Bởi vì phần lớn của giao thức giao tiếp được bao hàm trong con chip xử lý, những người thiết kế và lắp đặt hệ thống có thể tập trung vào các khía cạnh khác của hệ thống

Trong khi LonTalk thiên về vấn đề các thiết bị truyền đạt thông tin như thế nào, nó lại không quan tâm đến nội dung của việc trao đổi thông tin Một giao thức thứ hai, tên là LonWorks, định nghĩa nội dung và cấu trúc của thông tin được trao đổi LonWorks là một hệ thống điều khiển phân bổ vận hành trên nền tảng ngang hàng (peer-to-peer), nghĩa là mọi thiết bị có thể giao tiếp với mọi thiết bị khác trên mạng hoặc là sử dụng cấu hình chính-phụ (master-slave) để trao đổi thông tin giữa các thiết bị thông minh Nền tảng LonWorks hỗ trợ một phạm vi rộng các phương tiện trao đổi thông tin

Các thiết bị tương thích với LonWorks giao tiếp với nhau qua một SNVT (Standard Network Variable Type) Mặc dù một SNVT định nghĩa một thiết bị cũng giống như một object của BACnet, cách giải quyết có hơi khác một chút Để một SNVT thực thi chức năng, cả hai thiết bị nhận và gửi phải có sự nhận biết chi tiết về cấu trúc SNVT là gì Vì thế mỗi SNVT được định danh bằng một mã số cho phép thiết bị nhận hiểu được đúng dữ liệu truyền tải

Ban đầu LonWorks không định nghĩa mã SNVT đặc thù có ý nghĩa gì Điều này đem đến sự nhầm lẫn giữa các nhà sản xuất đã dùng mã số giống nhau để xác định các vấn đề khác nhau Để loại bỏ sự nhầm lẫn này đồng thời tiêu chuẩn hóa mã SNVT, Hiệp hội về tính đổi lẫn do LonMark (LonMark Interoperability Association) được lập ra năm 1994 Hợp thành bởi hàng trăm nhà sản xuất và tích hợp hệ thống, một trong những mục tiêu chính của hiệp hội này là đặt ra những phương pháp tiêu chuẩn cho việc thiết lập công nghệ LonWorks

Để đảm bảo mọi thiết bị được lắp đặt trong một hệ thống LonMark sẽ hoạt động đúng chức năng với các thiết bị khác, LonMark yêu cầu thiết bị phải được thẩm tra là tuân theo giao thức LonMark để có được logo của LonMark trên nó

LonMark sử dụng một công cụ trên nền web để giảm thiểu thời gian và chi phí chứng nhận cho các thiết bị

Một trong những đổi mới gần đây nhất của LonMark là profile mạng (network profile) Ý tưởng phía sau profile mạng là không cần quan tâm đến ai là người làm ra thiết bị chuyên dụng này trong một hệ thống tòa nhà, tất cả mọi thiết

bị cùng loại sẽ thi hành một chức năng tương tự nhau Để giảm gánh nặng và tăng tốc việc lắp đặt, LonMark định nghĩa cách thức một thiết bị chuyên dụng thực thi chức năng trên mạng từ những điểm (points) được đặt tên cho nó Profile mạng định trước này là profile tối thiểu của mọi thiết bị kết nối Các nhà sản xuất có thể thêm vào các mục cho profile định trước này dựa trên sản phẩm chuyên dụng của họ, để đem lại tính linh hoạt đồng thời duy trì được sự đơn giản và tính đổi lẫn

Giống như BACnet, LonWorks cũng được chấp nhận và lưu hành bởi nhiều

tổ chức tiêu chuẩn quốc tế (ANSI/CEA 709.1 và IEEE 1473-L)

2.2.4 Giao thức Modbus

Giao thức thứ ba được sử dụng để đạt được tính đổi lẫn trong các hệ thống tự động hóa tòa nhà là Modbus Giao thức Modbus được phát triển bởi Modicon trong những năm 1970 cho việc sử dụng các hệ thống tự động hóa công nghiệp với các bộ điều khiển lập trình (Programable Controllers) Ngày nay nó là một trong những phương tiện được sử dụng rộng rãi nhất trong việc kết nối các thiết bị điện tử trong các ứng dụng công nghiệp (industrial) Tính đơn giản cũng khiến Modbus trở thành một công cụ hữu dụng để đem đến tính đổi lẫn trong các ứng dụng tự động hóa tòa nhà

Modbus bao gồm một cấu trúc thông điệp được thiết kế để thiết lập giao tiếp chính - phụ (master - slave), chủ - khách (client - master) giữa một phạm vi rộng các thiết bị thông minh Nó hỗ trợ các giao thức tuần tự và mạng Ethernet Nó thực

sự là một tiêu chuẩn mở và là một trong những giao thức được sử dụng rộng rãi nhất trong môi trường sản xuất công nghiệp Sử dụng giao thức cũng như cấp chứng nhận (licensing) là hoàn toàn miễn phí Các công cụ và tài nguyên hỗ trợ cho việc triển khai lắp đặt và vận hành được cung cấp trực tuyến (online)

Phiên bản nguyên thủy của Modbus bao gồm hai chế độ truyền tin: ASCII và RTU Gần đây, Modbus/TCP được phát triển, cho phép giao thức Modbus có thể truyền dẫn qua các hệ thống mạng nền TCP/IP

Vào năm 2004, tiêu chuẩn được chuyển giao về cho Modbus - IDA, một tổ chức phi lợi nhuận hợp thành bởi nhiều người sử dụng và nhà cung cấp các thiết bị

tự động hóa chủ yếu cho lãnh vực sản xuất

Tuy rằng Modbus khởi đầu được thiết kế sử dụng trong ứng dụng công nghiệp, việc dụng nó trong các ứng dụng tự động hóa tòa nhà, vận chuyển và năng lượng đang lan rộng nhanh chóng Điểm mạnh của Modbus là tính mở, đơn giản và yêu cầu phần cứng ít nhất Một lợi ích đáng kể khác đó là việc Modbus có sử dụng giao thức truyền tin TCP/IP, giống giao thức sử dụng bởi Internet Điều này có nghĩa là Modbus có thể dễ dàng sử dụng được qua mạng Internet

Trong hệ thống BMS áp dụng chuẩn KNX, hệ thống mạng IP sẽ thay thế đường dây Main Line hoặc Backbone Line Bộ định tuyến KNXnet/IP Router thay thế Line hoặc các Backbone Couplers Cơ cấu của KNX được truyền đi từ hệ thống mạng KNX, qua mạng IP tới một hay nhiều hệ thống mạng KNX còn lại Sử dụng một hệ thống IP có sẵn giúp việc cài đặt trở nên dễ dàng hơn Với tốc độ nhanh đặc trưng, rõ ràng đây là một cách thức lý tưởng cho việc kết nối sự điều khiển và giao diện tới các chức năng quản lý tòa nhà tự động mức cao

Giao thức KNXnet/IP Routing protocol này có thể kết nối tới các hệ thống KNX độc lập sử dụng cùng nhóm địa chỉ hoặc địa chỉ riêng biệt KNXnet/IP

Tunnelling là giao thức protocol trong hệ thống chuỗi giao thức KNX-net/IP Nó tạo nên kết nối từng điểm với nhau giữa các 2 thiết bị KNXnet/IP, nó cho phép tốc độ giao tiếp cao từ khoảng cách rất xa

Giao thức truyền thông KNXnet/IP cho phép tích hợp một cách hoàn hảo nhiều hơn nữa sự mở rộng trong tương lai Những điều này một lần nữa khẳng định mục đích tăng cường kết nối tới các hệ thống cài đặt KNX

Hiện nay các sản phẩm của KNX bao trùm hầu hết các ứng dụng điều khiển cho ngôi nhà và toà nhà như: chiếu sáng, rèm cửa, hệ thống an ninh, thiết bị nhiệt, thông khí, điều hoà nhiệt độ, thiết bị giám sát, thiết bị cảnh báo, điều khiển bơm nước, quản lý năng lượng, thiết bị điện gia dụng, hệ thống nhạc, xem phim, vv Hiện nay KNX đã được chứng nhận như một tiêu chuẩn mở:

– Tiêu chuẩn quốc tế (ISO/IEC 14543-3)

– Tiêu chuẩn Canada (CSA-ISO/IEC 14543-3)

– Tiêu chuẩn châu âu (CENELEC EN 50090 and CEN EN 13321-1)

– Tiêu chuẩn Trung quốc (GB/Z 20965)

Ưu điểm và nhược điểm của hình thức điều khiển theo chuẩn KNX

– Cùng lúc có thể lập trình cho phím ấn thông minh điều khiển cho một loạt mạch đèn kèm theo các thiết bị điện khác theo nhu cầu của mình, người ta gọi đó là bối cảnh

– Khi không thích bối cảnh này, chỉ với việc lập trình lại ta có thể điều khiển bối cảnh khác mà không cần can thiệp và hệ thống cáp điện trong nhà

Nhược điểm: Giá thành đắt

2.3 Minh họa về sự giao tiếp truyền thông giữa các thiết bị trong một hệ thống

Trong một hệ thống BMS sử dụng các thiết bị của cùng một nhà sản xuất, việc giao tiếp – “việc nói chuyện với nhau” giữa các thiết bị trở nên đơn giản hơn Nếu một hệ thống có nhiều thiết bị mà các thiết bị này được sản xuất bởi các hãng khác nhau, giao thức truyền thông khác nhau thì việc giao tiếp giữa các thiết bị trong hệ thống này trở nên phức tạp

Các nhà sản xuất thiết bị điện tử thì luôn bảo vệ sản phẩm của hãng mình, và luôn nói rằng giao thức của họ là tối ưu Vì vậy cần đến nhà lập trình phần mềm tích hợp hệ thống

Hình 2 Sự giao tiếp truyền thông giữa các thiết bị trong một hệ thống

Các hệ thống: hệ thống lạnh, hệ thống thang máy, hệ thống chiếu sáng, … vv được điều khiển bởi các bộ controller liên lạc với EIB Server bằng các giao thức

EIB Server Database Server

LonWorks

KNX Router

Lighting KNX/ EIB

KNX Dimmer

LonWorks BACnet TCP/

Modbus

FCU

KNXNet/IP

Thang máy

truyền thông với các chuẩn riêng EIB Server sẽ mã hóa các dữ liệu giao tiếp và lưu

dữ liệu lên Database Server Khi có một hệ thống nào đó – chẳng hạn hệ thống lạnh yêu cầu thực thi một nhiệm vụ, EIB Server sẽ load dữ liệu từ Database Server để điều khiển Như vậy phần mềm tích hợp hệ thống của EIB Server phải hiểu được tất

cả các giao thức trong từng hệ thống con thì hệ thống mới hoạt động được

2.4 Mạng truyền thông trong hệ BMS

Để vận hành được hệ thống BMS, các thiết bị trong tòa nhà phải kết nối với

bộ xử lý trung tâm thông qua đường truyền tín hiệu Bus cabble – Các đường truyền tín hiệu này có đặc điểm làm việc và thông số truyền tín hiệu nhất định gọi là các chuẩn truyền thông Có các truyền thông chuẩn như: BACnet, LonWord, Modbus hoặc chuẩn tín hiệu công nghiệp 2-20mA, nhờ vậy BMS có thể điều khiển thiết bị qua các chuẩn truyền thông này

Mạng thông tin của hệ thống BMS thường được chia làm 2 hoặc 3 cấp tùy vào nhà cung cấp thiết bị và tùy thuộc vào quy mô của hệ thống BMS đó:

– Mạng trục backbone (thường là mạng Ethernet): TCP/IP hoặc BACnet/IP

10100/1000Mbs nối các bộ điều khiển tòa nhà với nhau và nối với Server của hệ thống Thông thường có 2 server, một server chạy thường trực và một server dự phòng

– Mạng điều khiển tầng: là mạng dây chạy trực tiếp trong từng tầng, thường

là RS485, chuẩn truyền thông là LON, BACnet MS/TP, N2, P2, mạng này

do bộ điều khiển tầng quản lý và liên kết tới các bộ điều khiển nhỏ hơn đặt tại từng thiết bị trong tòa nhà

Các hệ thống BMS đơn giản thường chỉ có hai lớp mạng như trên, tuy nhiên

ở các hệ thống BMS lớn và tích hợp thì còn có thêm một lớp mạng nữa là ALN

(Application Level Network) Lớp mạng này là lớp mạng kết nối rất nhiều hệ thống trong tòa nhà với nhau, cùng chia sẻ thông tin và quản lý Nó có một hệ thống trung tâm để thu thập thông tin và phân phối thông tin cho các Client trong hệ thống mạng

2.5 Một số chuẩn về truyền thông

2.5.1 Chuẩn truyền thông RS-232

RS-232 được xây dựng phục vụ trong việc nối ghép điểm – điểm giữa hai thiết bị đầu cuối (DTE – Data Terminal Equipment) như giữa hai máy tính PC hoặc giữa máy tính với máy in hoặc giữa một thiết bị đầu cuối và một thiết bị truyền dữ liệu (DCE – Data Communication Equipment)

RS232 là một trong các chuẩn tín hiệu có từ lâu đời nhất, và được sử dụng rất rộng rãi Ngày nay, mỗi máy tính đều có một vài cổng RS-232 (cổng COM) để kết nối với thiết bị ngoại vi khác chẳng hạn như Projector, hoặc với máy tính khác

Đặc tính truyền dữ liệu: RS-232 sử dụng phương thức truyền thông đối xứng tức là sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và đất Mức điện áp sử dụng dao động từ -15V đến 15V Từ 3V đến 15V ứng với mức logic 0 Khoảng từ -15V đến -3V ứng với mức logic 1 Khoảng từ -3V đến 3V không định nghĩa: Trong trường hợp thay đổi mức logic từ 0 lên 1 hoặc từ 1 xuống 0, một tín hiệu phải vượt qua khoảng quá độ đó trong thời gian ngắn hợp lý Điều này dẫn đến việc hạn chế tốc độ truyền của đường truyền

Hình 3 Đặc tính truyền dữ liệu RS-232

Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn Đa số các hệ thống hiện nay chỉ hỗ trợ tới tốc độ 19.2kBd (Chiều dài cho phép từ 30-50 mét) Hiện nay, sự tiến bộ của vi mạch cho phép nâng tốc độ truyền lên nhiều lần so với ngưỡng 19.2kBd Tuy nhiên tốc độ truyền dẫn thực tế đo đạt lớn hơn 115.2kBd theo tiêu chuẩn RS232 là một điều khó thực hiện được

Ưu điểm của RS232 là có thể sử dụng công suất phát tương đối thấp nhờ trở kháng đầu vào tương đối thấp trong phạm vi 3-7kΩ

Thông số Điều kiện Min Max

Bảng 1 Bảng thông số đặc trưng của chuẩn RS-232

Giao diện cơ học: chuẩn EIA/ TIA-232F quy định có 3 loại giắc cắm RS-232

là DB-9 (9 chân); DB-25 (25 chân); DB-26 (26 chân), hai loại đầu được sử dụng rộng rãi hơn Loại DB-9 cũng đã được chuẩn hóa riêng trong EIA/ TIA-574

Ý nghĩa của các chân được mô tả như sau:

 RD (Received Data): Đường nhận dữ liệu

 TD (Transmitted Data): Đường gởi dữ liệu

 DTR (Data Terminal Ready): Chân DTR thường ở trạng thái ON khi thiết

bị đầu cuối sẳn sang thiết lập kênh truyền thông Qua việc giữ mạch DTR

ở trạng thái ON, thiết bị đầu cuối cho phép DCE của nó ở chế độ “tự trả lời” chấp nhận lời gọi không yêu cầu Mạch DTR ở trạng thái OFF khi thiết bị đầu cuối không muốn DCE của nó chấp nhận lời gọi từ xa

 DSR (Data Set Ready): Cả hai modem chuyển mạch DSR sang ON khi một đường truyền thông đã được thiết lập hai bên

 DCD (Data Carrier Detect): Chân DCD được sử dụng để kiểm soát truy nhập đường truyền Một trạm nhận tín hiệu DCD là OFF sẽ hiểu là trạm đối tác chưa đóng mạch yêu cầu gửi dữ liệu (chân RTS) và vì thế có thể đoạt quyền kiểm soát đường truyền nếu cần thiết Ngược lại, tín hiệu

DCD là ON chỉ thị bên đối tác đã gửi tín hiệu RTS và giành quyền kiểm soát đường truyền

 RTS (Request to Send): đường RTS kiểm soát chiều truyền dữ liệu Khi một trạm cần gửi dữ liệu, nó đóng mạch RTS sang ON để báo hiệu với modem của nó Thông tin này cũng được chuyển tiếp tới modem xa

 CTS (Clear To Send): khi CTS chuyển sang ON, một trạm được thông báo rằng modem của nó đã sẵn sàng nhận dữ liệu từ trạm và kiểm soát đường điện thoại cho việc truyền dữ liệu đi xa

 RI (Ring Indicator): khi modem nhận được một lời gọi, mạch RI chuyển ON/OFF một cách tuần tự với chuông điện thoại để báo hiệu cho trạm đầu cuối Tín hiệu này chỉ thị rằng một modem xa yêu cầu thiết lập liên kết dial-up

Hình 4 Giắc cắm RS-232 loại 9 chân

Pin Signal Pin Signal

1 Data Carrier Detect 6 Data Set Ready

2 Received Data 7 Request To Send

3 Transmitted Data 8 Clear To Send

4 Data Terminal Ready 9 Ring Indicator

5 Signal Ground

Bảng 2 Sơ đồ chân giắc cắm RS-232 loại 9 chân

Hình 5 Giắc cắm RS-232 loại 25 chân

Chế độ làm việc: chế độ làm việc của hệ thống RS-232 là hai chiều toàn phần (full-duplex), tức là hai thiết bị tham gia cùng có thể thu và phát tín hiệu cùng một lúc Như vậy, việc thực hiện truyền thông cần tối thiểu 3 dây dẫn – trong đó hai dây tín hiệu nối chéo các đầu thu phát của hai trạm và một dây đất Với cấu hình tối thiều này, việc đảm bảo độ an toàn truyền dẫn tín hiệu thuộc về trách nhiệm của phần mềm

Ta còn có thể ghép nối trực tiếp giữa hai thiết bị thực hiện chế độ bắt tay (handshake mode) không thông qua modem Qua việc sử dụng các dây dẫn DTR và DSR, độ an toàn giao tiếp sẽ được đảm bảo Trong trường hợp này các chân RTS và CTS được nối ngắn

Hình 6 Ghép nối trực tiếp RS-232

2.5.2 Chuẩn truyền thông RS-485

Đặc tính điện học: sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối xứng giữa hai dây dẫn A và B Nhờ vậy giảm được nhiễu và cho phép tăng chiều dài dây dẫn (có thể lên đến 1200m) Điện áp chênh lệch dương tương ứng với trạng thái logic 0 và âm tương ứng với trạng thái logic 1 Điện áp chênh lệch ở đầu vào dây nhận có thể xuống tới 200mV

Thông số Điều kiện Min Max

Điện áp đầu ra hở mạch ±1,5V ±6V Điện áp đầu ra khi có tải RLoad = 54 ±1,5V ±5V

Thời gian quá độ đầu ra RLoad = 54

CLoad = 54pF

30%TB

Điện áp chế độ chung đầu ra V0C RLoad = 54 -1V 3V

Độ nhạy cảm đầu vào -7V < VCM < 12V ±200mV Chế độ điện áp chung VCM -7V 12V

Bảng 3 Bảng thông số đặc trưng của chuẩn RS-485

RS-485 có khả năng ghép nối nhiều điểm Có thể ghép nối 32 trạm, được định địa chỉ và giao tiếp đồng thời qua một đoạn RS-485 mà không cần lắp bộ Để đạt được điều này, trong một thời điểm chỉ một trạm được phép kiểm soát đường dẫn và phát tín hiệu Vì thế một bộ kích thích đều phải đưa về chế độ trở kháng cao mỗi khi rỗi, tạo điều kiện cho các bộ kích thích ở các trạm khác tham gia Chế độ này gọi là chế độ tri-state Một số vi mạch RS-485 tự động xử lý tình huống này, trong nhiều trường hợp khác việc đó thuộc về trách nhiệm của phần mềm điều khiển truyền thông Trong mạch của bộ kích thích RS-485 có một tín hiệu vào

“enable” được dùng cho mục đích chuyển bộ kích thích về trạng thái phát tín hiệu hoặc tri-state

Chương 3: THIẾT KẾ MỘT HỆ THỐNG BMS CHUẨN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN CHIẾU SÁNG

TRONG HỆ BMS

3.1 Các thiết bị cơ bản trong hệ BMS

Tương ứng với mỗi cấp trong hệ thống BMS, sẽ có các thiết bị ứng với từng cấp Một hệ thống BMS cở bản bao gồm các thiết bị sau:

A Building Management Level : 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

B Building Control Level : kết nối từ trung tâm điều khiển tới mức

điều khiển các ứng dụng trong tòa nhà thông qua cáp điều khiển BAS với giao diện BACnet TCP/IP, bao gồm các bộ DDC (Digital Direct Controller - điều khiển số trực tiếp), các giao diện tới các hệ thống phụ trợ như: điều hòa không khí, báo cháy, chữa cháy, hệ thống

điện…

C Application Control Level : mức điều khiển các ứng dụng bao gồm

các thiết bị như cảm biến (sensor), bộ chấp hành (actuator), các bộ field controller để giao tiếp trục tiếp với các khu vực có các ứng dụng cần điều khiển

3.2 Hệ thống BMS tích hợp - IBMS

Trong nhà cao tầng có rất nhiều hệ thống tiện tích Vấn đề đặt ra là phải điều khiển và giám sát tất cả các hệ thống đó Khi mà các hệ thống tiện ích càng nhiều thì số modul điều khiển từng hệ thống tương ứng sẽ càng nhiều Vì vậy việc giám sát và điều khiển sẽ trở nên giảm độ tin cậy BMS tích hợp ra đời nhằm để khắc phục nhược điểm trên

3.3.1 Tích hợp hệ thống điều hoà trung tâm

Hệ thống điều hòa trung tâm là một trong những hệ thống quan trọng nhất của tòa nhà Hệ thống này bao gồm các mạch điện cũng như các mạch điều khiển đảm bảo cho hệ thống làm việc một cách hiệu quả

Hình 7 Hệ thống điều hòa không khí trung tâm

Thông thường các nhà cung cấp điều hòa sẽ ưu tiên chọn các bộ điều khiển

từ những nhà cung cấp mà có thể tích hợp vào hệ thống một cách dễ dàng Để tích hợp với hệ thống, các nhà cung cấp điều hòa cần phải cung cấp các thiết bị có khả năng kết nối với hệ thống bên ngoài thông qua các giao thức mở như OPC, BACNet, MODBUS hoặc LNS Để có khả năng cung cấp tính năng gia hạn thời gian sử dụng tự động, hệ thống BMS phải có tính năng định nghĩa điểm họat động cho từng vùng

Việc điều khiển độ nóng, thông gió và các dịch vụ điều hoà khác thông thường đều thông qua các bộ điều khiển số trực tiếp của hệ thống VRV Các dịch vụ

sẽ được cung cấp bởi nhà sản xuất VRV Hệ thống BAS sẽ giao tiếp với IBMS để cung cấp các dịch vụ quản lý ở mức cao Hệ thống IBMS sẽ điều khiển và/hoặc giám sát tối thiểu là các khối sau thông qua ACMV BAS:

– Các máy lạnh trung tâm

– Các bộ điều chuyển không khí

– Chỉnh lượng không khí

– Quạt khí thải/ khí tươi

– Nhiệt độ và độ ẩm ngoài trời

– Nhiệt độ và độ ẩm phòng

– Thời gian hoạt động của tất cả các khối

– Các thông số môi trường khác

Hệ thống BMS sẽ giám sát và điều khiển các thông qua các thiết bị điều khiển này và cung cấp ít nhất là các tính năng sau:

– Tình trạng của các thiết bị

– Công suất hệ thống

– Các mức quá nhiệt của hệ thống

– Mức quá tải của hệ thống

– Giám sát các trạng thái hoạt động

– Thời gian hoạt động của tất cả hệ thống hoặc cục bộ

– Tính toán hoạt động với hiệu suất cao nhất

Hình 8 Sơ đồ kết nối tích hợp hệ thống điều hòa không khí trung tâm

SƠ ĐỒ KẾT NỐI BMS TÍCH HỢP – HỆ THỐNG ĐHKK

Cổng giao tiếp với iBMS

BAS Sub-system Operating PC Controller

TCPIP

OPC

VRF (FCU) VRF (AHU)