Hệ thống thông minh giám sát quản lý tòa nhà, giải pháp tiết kiệm năng lượng cho các cao ốc intelligent bullding management system (iBMS)

Điều này gây khó khăn rất lớn cho các Kỹ Sư chuyên về tư vấn thiết kế hệ thống Cơ-Điện Lạnh cho các cao ốc khi muốn tiếp cận với công nghệ thiết kế iBMS, còn các Kỹ Sư Việt Nam thực hành

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN TẤN TOÀN

HỆ THỐNG THÔNG MINH GIÁM SÁT – QUẢN LÝ TÒA NHÀ, GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO CÁC CAO ỐC Intelligent BUILDING MANAGEMENT

MỤC LỤC

Chương 1: Giới thiệu giải pháp iBMS

1.1 Giới thiệu đề tài luận văn

1.2 Mục tiêu của đề tài luận văn

1.3 Mục tiêu và phạm vi của giải pháp iBMS

1.4 Các hệ thống cơ điện – lạnh trong một cao ốc

1.5 Phương diện kinh tế - kỹ thuật của giải pháp iBMS

1.6 Định nghĩa các thuật ngữ sử dụng trong giải pháp iBMS

1.7 Cấu hình phần cứng của giải pháp iBMS

Chương 2: Các thông số kỹ thuật mà iBMS phải thu thập, giám sát và xử lý

2.1 Tín hiệu đường vào (Input) và đường ra (Output)

2.2 Các thông số kỹ thuật mà iBMS phải thu thập, giám sát và xử lý

Chương 3: Mạng truyền thông trong giải pháp iBMS

3.1 Giao thức truyền thông trong giải pháp iBMS

3.2 Mạng truyền thông trong giải pháp iBMS

Chương 4: Phần mềm trong giải pháp iBMS

4.1 Tính năng phần mềm hệ thống

4.2 Phương thức vận hành hệ thống

Chương 5: Nghiên cứu ứng dụng giải pháp iBMS cho công trình cao ốc Trung Tâm Thương Mại Dầu Khí Hà Nội

5.1 Cơ sở kinh tế - kỹ thuật của việc ứng dụng giải pháp iBMS

5.2 Kiến trúc tổng quan hệ thống iBMS

5.3 Sơ đồ thiết kế tổng thể giải pháp iBMS

5.4 Ứng dụng giải pháp iBMS để điều khiển quản lý toàn bộ hệ thống kỹ thuật

5.5 Ứng dụng giải pháp iBMS đem lại khả năng tích hợp toàn bộ hệ thống kỹ thuật

5.6 Nhận xét kết quả

Chương 6: Giải pháp iBMS với mục tiêu tiết giảm năng lượng

6.1 Giải pháp tiết giảm điện năng với hệ thống điều khiển chiếu sáng

6.2 Giải pháp tiết giảm điện năng với hệ thống điều hòa không khí

Chương 7: Kết luận & Nhận định của đề tài luận văn

Đề tài:

HỆ THỐNG THÔNG MINH GIÁM SÁT - QUẢN LÝ TÒA NHÀ GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO CÁC CAO ỐC iBMS (intelligent BUILDING MANAGEMENT SYSTEM)

Chương 1 : Giới thiệu giải pháp iBMS (intelligent BUILDING MANAGEMENT SYSTEM)

1.1 Giới thiệu đề tài luận văn:

a Bối cảnh thế giới:

Thuật ngữ BMS (BUILDING MANAGEMENT SYSTEM) ra đời vào những năm 1970

Khởi nguyên của BMS xuất phát từ EMS (Energy Management System) là hệ thống quản lý và giám sát năng lượng của hệ thống HVAC (Heating& Ventilating Air Conditioning) – hệ thống nhiệt lạnh và điều hòa không khí của các tòa nhà lớn – EMS ra đời từ yêu cầu phải quản lý và giám sát hệ thống HVAC mà theo thống kê phụ tải HVAC chiếm tới 65% tổng phụ tải tiêu thụ trong một tòa cao ốc

Trong quá trình phát triển của mình, iBMS đã thay đổi rất nhiều kể cả trên phương diện phạm

vi và cấu hình hệ thống Cùng với sự tiến bộ vượt bậc của ngành công nghệ thông tin và viễn thông, iBMS đã “tiến hóa” từ hệ thống điều khiển giám sát đơn giản trở thành hệ thống điều khiển vi tính hóa tích hợp toàn diện các hệ thống trong vận hành một cao ốc (totally integrated computerize control)

Mặt khác về phương diện kỹ thuật, iBMS là một công nghệ mang tính giải pháp cho nên ứng với một dự án cụ thể thì sẽ có những giải pháp riêng đáp ứng yêu cầu của chủ đầu tư đặt ra, tương ứng với một giải pháp thiết kế kỹ thuật, cung cấp thiết bị lắp đặt kèm theo của những công ty chuyên gia về công nghệ tự động hóa - kỹ thuật điện như Honeywell, Johnson Controls, Siemens, t.a.c-Schneider Electric… Tuy nhiên các giải pháp-thiết kế kỹ thuật tạo nên thuật ngữ iBMS này đều có thể nhận diện và nghiên cứu chúng bằng những cấu trúc – thiết kế kỹ thuật mang tính chung nhất

b Bối cảnh Việt Nam:

Làn sóng đầu tư bất động sản của các nhà đầu tư nước ngoài vào các cao ốc ở Việt Nam, đặc biệt ở TP.HCM những năm 1995-1997 làm diện mạo thành phố thay đổi rất nhiều với các cao

ốc, khách sạn như New World Hotel, Saigon Trade Center, Saigon Center, Metropolitan, Saigon Tower, Sheraton Hotel, Sofitel Plaza…những công trình tạo nên dấu ấn của một TPHCM hiện đại cho đến ngày nay; Tuy nhiên thế mà công nghệ iBMS vẫn chưa được ứng dụng vào các công trình nêu trên

Chỉ đến khi làn sóng đầu tư thứ hai bắt đầu từ năm 2006 khi Việt Nam có sự hòa nhập mạnh

mẽ với nền kinh tế lớn toàn cầu, Việt Nam gia nhập WTO…thì những công trình cao ốc đẳng cấp cao cấp với những ứng dụng iBMS đã và đang được triển khai lắp đặt và vận hành như: công trình Hilton Ha Noi Opera Hotel, Sân Vận Động Quốc Gia Mỹ Đình, công trình cao ốc khách sạn 5 sao quốc tế Times Square- 43 tầng, công trình cao ốc “Bitexco Financial Tower”-68 tầng, công trình tòa nhà đài truyền hình Tp.HCM - HTV, công trình cao ốc Trung Tâm Thương Mại Dầu Khí Hà Nội

Điều đó cho thấy công nghệ iBMS chỉ mới được ứng dụng vào lắp đặt cho các cao ốc đẳng cấp cao cấp ở Việt Nam chưa đầy 5 năm nay Tuy nhiên iBMS ở Việt Nam hiện nay chỉ đang giới hạn trong phạm vi thi công lắp đặt, còn lĩnh vực nghiên cứu về thiết kế kỹ thuật-công nghệ,

hệ thống hóa lý thuyết về nguyên lý thiết kế-vận hành, truyền thông…của một iBMS hoàn chỉnh chưa hề được quan tâm Thậm chí tình hình này cũng đang là đặc điểm chung trên thế giới ngày nay Công nghệ iBMS đang nằm trong tay một số công ty nước ngoài chuyên nghiên cứu về ngành tự động hóa –công nghiệp điện năng như Honeywell, Johnson Controls, Siemens, t.a.c-Schneider Electric; Và mỗi công ty nghiên cứu phát triển iBMS về thiết kế và sản phNm theo hướng riêng của mình như là một bí mật công nghệ riêng Điều này gây khó khăn rất lớn cho các Kỹ Sư chuyên về tư vấn thiết kế hệ thống Cơ-Điện Lạnh cho các cao ốc khi muốn tiếp cận với công nghệ thiết kế iBMS, còn các Kỹ Sư Việt Nam thực hành công việc lắp đặt iBMS tại các cao ốc cũng đang gặp phải nhiều khó khăn do chưa có những tài liệu nghiên cứu về nguyên

lý thiết kế kỹ thuật, nguyên lý vận hành& điều khiển cũng như truyền thông của iBMS một cách hoàn chỉnh

1.2 Mục tiêu của đề tài luận văn:

Luận văn “Hệ Thống Thông Minh Giám Sát Quản Lý Tòa Nhà’ – giải pháp iBMS chủ yếu hướng đến hai mục tiêu chính sau:

a Nghiên cứu iBMS là giải pháp tiết kiệm năng lượng:

Vấn đề tiết kiệm năng lượng hiện nay đang ngày càng trở nên cấp thiết trong hoàn cảnh năng lượng hóa thạch đã trở nên cạn kiệt Việc nghiên cứu và ứng dụng iBMS cho các cao ốc cao cấp vốn tiêu thụ một lượng năng lượng điện đáng kể có thể mang lại hiệu suất tiết kiệm điện năng lên đến 30%; Mang lại một giá trị kinh tế thực tế đáng kể cho các chủ đầu tư dự án và đóng góp vào thực hiện chủ trương tiết kiệm năng lượng phục vụ cho cộng đồng xã hội nói chung

b Yêu cầu thực tế về tài liệu cho giải pháp iBMS ở Việt Nam:

Việc nghiên cứu và hệ thống hóa các tài liệu rời rạc hiện nay của giải pháp iBMS cũng như

đúc kết những kinh nghiệm lắp đặt iBMS ở Việt Nam nhằm tạo thành một tài liệu mang tính học thuật ở Việt Nam hiện nay đang là một yêu cầu cần thiết thực tế đối với các Kỹ Sư Việt Nam

đang làm việc trong lĩnh vực thiết kế và thực hành lắp đặt giải pháp iBMS, Cơ – Điện - Lạnh tại

các dự án xây dựng cao ốc lớn và cao cấp tại Việt Nam

1.3 Mục tiêu và phạm vi ứng dụng của giải pháp iBMS:

a Mục tiêu:

Giải pháp iBMS ứng dụng cho các cao ốc nhằm đạt đến hai mục tiêu chính:

• Giải pháp tích hợp & tối ưu hóa vận hành tất cảc các hệ thống trong cao ốc: một hệ thống iBMS thực thụ cho phép người quản lý điều khiển, phối hợp hoạt động và giám sát từ trung tâm toàn bộ các hệ thống của tòa nhà nhằm đảm bảo quá trình vận hành của các hệ thống này một cách tối ưu, chính xác và hiệu quả Việc phối hợp các hoạt động của các hệ thống này thông qua công cụ giao tiếp, thống kê, phát hiện tự

động… sẽ giúp đáp ứng tốt nhất các yêu cầu về mức độ sử dụng, đảm bảo an ninh,

bảo trì, bảo hành, an toàn, cũng như tạo ra một môi trường làm việc thân thiện, tiện nghi, và thoải mái nhất cho những người tham gia hoạt động trong tòa nhà, góp phần nâng cao hiệu quả hoạt động của tòa cao ốc và những người làm việc

• Giải pháp tiết kiệm năng lượng cho các cao ốc: chức năng tích hợp& tối ưu hóa vận

hành của các hệ thống cơ điện – lạnh, đặc biệt là hệ thống nhiệt lạnh và hệ thống đèn chiếu sáng vốn chiếm đến 80% công suất phụ tải tiêu thụ đã đem lại khả năng tiết giảm đến 30% tổng điện năng tiêu thụ của một cao ốc

b Phạm vi ứng dụng của giải pháp iBMS:

Tuy nhiên, ứng dụng công nghệ iBMS cho đến thời điểm hiện tại chỉ giới hạn trong các công trình cao ốc qui mô lớn và đẳng cấp cao cấp, do các chủ đầu tư phải tính toán cân nhắc giữa việc

đầu tư ban đầu vào iBMS vốn yêu cầu chi phí rất cao và hiệu quả kinh doanh – đẳng cấp của các công trình cao ốc mà họ đang đầu tư

1.4 Các hệ thống cơ điện-lạnh trong một cao ốc:

Hệ thống Cơ – Điện – Lạnh, đối tác làm việc của giải pháp iBMS trong một cao ốc bao gồm các hệ thống:

• Hệ thống cung cấp năng lượng điện (POWER SYSTEM)

• Hệ thống chiếu sáng (LIGHTING SYSTEM)

• Hệ thống điều hòa không khí – HVAC (HEATING VENTILATION AIR CONDITIONING)

• Thang máy – (Vertical Transportation)

• Hệ thống báo cháy và chữa cháy (FIRE ALARM & FIRE PROTECTION SYSTEM)

1.5 Phương diện kinh tế kỹ thuật của giải pháp iBMS:

Các tòa cao ốc không có giải pháp iBMS vẫn hoạt động bình thường Tuy nhiên việc ứng dụng giải pháp iBMS mang lại khả năng tối ưu hóa vận hành tòa nhà, đặc biệt là lợi ích to lớn về vấn

đề tiết giảm điện năng tiêu thụ xét trên phương diện kinh tế và kỹ thuật

a Cơ sở kinh tế:

Giải pháp iBMS thực sự đem lại lợi ích to lớn về kinh tế cho các chủ đầu tư thông qua việc tiết giảm đáng kể nguồn điện năng tiêu thụ của hệ thống nhiệt lạnh-thông gió và hệ thống chiếu sáng vốn chiếm đến 80% tổng điện năng tiêu thụ khi vận hành tòa cao ốc

Giải pháp iBMS đem lại khả năng tiết giảm đến 30% tổng điện năng tiêu thụ cho việc vận hành một cao ốc

Xét một công trình cao ốc khách sạn 5 sao đẳng cấp quốc tế tọa lạc tại trung tâm Tp.HCM, 43 tầng, diện tích sàn xây dựng lên đến khoảng 85000 m2

Tổng vốn đầu tư cho công trình trình cao ốc khách sạn 5 sao quốc tế này khoảng 125 triệu USD Tổng công suất hệ thống điện: 10 MVA

Tổng công suất điện cung cấp cho hệ thống Lạnh& Thông gió: 6, 5 MVA

Tổng công suất điện cung cấp cho hệ thống đèn chiếu sáng: 1, 5 MVA

Tổng công suất điện cung cấp cho các hệ thống khác: 20 MVA

Điện năng tiêu thụ được tiết giảm theo tính toán sơ lược như sau:

(Điện năng tiêu thụ của HT Lạnh &Thông gió – Đèn chiếu sáng) x hệ số công suất x hệ số phụ tải trung bình thực tế x thời gian hoạt động trung bình của tòa nhà x tiền điện theo giá kinh doanh x số ngày hoạt động của tòa nhà trong 1 tháng x hệ số tiết giảm điện năng nhờ giải pháp iBMS

(80% x 10 000 kVA) x 0,95 x 0,85 x 20 giờ x 2700 đồng/kWh x 30 ngày x 30% = 3,14 tỷ đồng Tương đương tiết kiệm được 186 325 USD trong một tháng

Khả năng thu hồi vốn đầu tư:

Theo thống kê của công ty tư vấn thiết kế thì suất đầu tư trung bình giải pháp iBMS cho công trình cao ốc cao cấp là: 73, 5 USD/ m2

Tỷ suất đầu tư cho ứng dụng giải pháp iBMS:

73, 5 USD x 85 000 m2 / 125 triệu USD = 5 %

Vậy thời gian hoàn vốn đầu tư: 73, 5 USD x 85 000 m2 / 186 325 x 12 = 3 năm

Trong khi đó, tuổi thọ hoạt động trung bình của một tòa cao ốc là 30 năm

b Cơ sở kỹ thuật:

b1 Yếu tố thiết kế: giải pháp iBMS mang lại khả năng tối ưu hóa vận hành tòa nhà

Ngoài ra, nếu giải pháp iBMS được tính đến ngay từ giai đoạn thiết kế ban đầu thì “trục cáp chính“(Backbone network) của các hệ thống sau sẽ được tích hợp trong một thiết kế tổng thể của giải pháp iBMS:

Điều này có ý nghĩa tối ưu hóa trong khâu thiết kế và đương nhiên là dẫn đến tiết kiệm chi phí đầu tư cho việc phải lắp đặt các “trục cáp chính” cho mỗi hệ thống trên một cách riêng biệt

b2 Yếu tố vận hành các hệ thống trong cao ốc:

Trong một cụm cao ốc lớn và cao cấp, các hệ thống Cơ – Điện Lạnh, báo cháy, an ninh… hoạt động rất phức tạp

Giải pháp iBMS có thể gọi là “SCADA trong một cao ốc” với ý nghĩa: iBMS thu thập, giám sát và xử lý các tín hiệu đầu vào của tất cả mọi hệ thống Cơ – Điện Lạnh, báo cháy, an ninh… Xuất ra các cảnh báo, báo cáo, lập trình để tối ưu hóa cho hoạt động và tập trung hóa việc điều khiển các của các hệ thống này do tính chất ”tích hợp” của nó

Nói cách khác, iBMS là giải pháp giúp tối ưu hóa điều hành tất cả hệ thống Cơ – Điện Lạnh, báo cháy, an ninh…một cách chuyên nghiệp hơn

1.6 Định nghĩa các thuật ngữ sử dụng trong giải pháp iBMS:

a Architecture – Cấu trúc trong giải pháp iBMS: là mô hình cấu trúc mạng bao gồm một tổ

chức của các thành phần phần cứng và phần mềm tạo nên một hệ thống

Trong cấu trúc phân lớp, những phân bậc sẽ được phân chia đảm nhận những chức năng khác nhau

b Hardware - Phần cứng trong giải pháp iBMS: là toàn bộ các thiết bị nằm trong và tạo nên

cấu trúc mạng; bao gồm các bộ vi xử lý ở các cấp độ khác nhau, phần mềm tích hợp sẵn trong các bộ vi xử lý, cáp nguồn và cáp truyền thông, các thiết bị hiển thị đèn LED của các bộ vi xử

lý, các loại thiết bị cảm biến, bộ chuyển đổi tín hiệu analogue
digital, các relay

c Software - Phần mềm trong giải pháp iBMS: Trong khi phần cứng cho phép người điều

khiển tương tác hoạt động, diễn đạt biểu lộ và in ra các dữ liệu thì phần mềm qui định sự tương

tác hoạt động đó diễn ra như th

định dạng ra sao

d Communication Photocol

thành phần trong cấu trúc của m

(Sensor) đặt tại chỗ các đối tác l

điều khiển số trực tiếp (DDC), t

f Bộ lặp - Repeter:

Thiết bị dùng để mở rộng mộ

tái xuất lại tín hiệu Trong các mạng máy tính

dụng để phát triển cự ly ghép nối mạng bằng cách khuếch đại rồi truyền thông tin chạy qua suốt mạng

g Cầu nối - Bridge:

Là thiết bị kết nối giữ 2 mạ

ư thế nào, dữ liệu được hiển thị ra sao, và ngõ ra c

Communication Photocol - Giao thức truyền thông: là ngôn ngữ thông tin li

ủa một iBMS, từ thiết bị đầu cuối (RTU) với các thiđối tác làm việc của iBMS (Hệ thống cơ điện-lạnh), từ), từ các DDC đến hệ thống máy tính trung tâm

ng một mạng truyền thông ra khỏi một phân vùng

Trong các mạng máy tính, đây là một thiết bị thuộc phần cứngdụng để phát triển cự ly ghép nối mạng bằng cách khuếch đại rồi truyền thông tin chạy qua suốt

ạng truyền thông nội bộ có chung tiêu chuNn n

n, cho chúng khả năng trao đổi dữ liệu với nhau Sự định dạng đị

ạng truyền thông khác kiểu và khác nhau với mộ

à ngõ ra của máy in được

thông tin liên lạc giữa các

ới các thiết bị cảm biến nh), từ RTU đến các bộ

Nó khuyếch đại và đây là một thiết bị thuộc phần cứng, được sử dụng để phát triển cự ly ghép nối mạng bằng cách khuếch đại rồi truyền thông tin chạy qua suốt

Nn nhưng khác đường ạng địa chỉ phải gíống

ới một lớp mạng truyền

i Cổng nối - Gateway:

Là thiết bị kết nối giữa 2 mạ

của cả “ Bridge” và “Router”, tuy nhiên s

thông có cấu trúc mạng truyền thông v

j Số (Digital): là một chuỗi các xung

thông tin có nội dung nào đó

xử lý của computer ngày nay đ

k Thiết bị điều khiển số trực ti

đó bộ điều khiển vi xử lý trực ti

cảm biến đầu vào và các thông s

sẽ ra các lệnh ở ngõ ra đến cho các thi

a 2 mạng truyền thông với nhau và đương nhiên nó có

”, tuy nhiên sự khác biệt là chức năng liên kết gi

ền thông và môi trường truyền thông khác biệt nhau

ỗi các xung điện áp ở mức 0 hoặc 5V (10V) nhằm truy

Mã Morse là một ví dụ từ rất sớm của kỹ thuật n

ày nay đều sử dụng kỹ thuật số

trực tiếp - DCC (Digital Direct Controller) – là m

ực tiếp điều khiển các thiết bị dựa trên thông tin nh

ào và các thông số cài được cài đặt trước Trình tự điều khiển đ

n cho các thiết bị hoạt động

1.7 Cấu hình phần cứng của giải pháp iBMS:

Một hệ iBMS gồm cấu hình phần cứng và hệ thống liên lạc cần thiết để truy cập dữ liệu trong toàn bộ tòa nhà hoặc truy cập từ các tòa nhà từ xa khác sử dụng đường truyền điện thoại

Cấu hình phần cứng

Hệ thống giám sát - điều khiển sử dụng vi xử lý tạo nên cấu hình theo kiểu cấp bậc cho hệ thống iBMS Hình dưới mô tả đa cấp bậc hay còn gọi là lớp (tier) của một cấu hình phần cứng và hệ thống liên lạc điển hình của giải pháp iBMS:

- Cấp xử lý quản lý

- Cấp xử lý hoạt động

- Cấp xử lý hệ thống

- Cấp xử lý cấp vùng (cấp thiết bị đầu cuối)

a Tầng điều khiển cấp vùng (cấp thiết bị đầu cuối) - Zone Level: đây là lớp điều khiển sử

dụng bộ vi xử lý Nó cung cấp khả năng điều khiển trực tiếp tới các thiết bị nằm trong phạm vi cấp vùng, như hộp điều lượng gió (VAV – Variable Air Volume), thiết bị cấp gió đơn vùng (AHU: Air Handling Unit; FCU: Fan Coil Unit) Tại cấp xử lý vùng, cảm biến và thiết bị chấp hành (actuator) liên lạc trực tiếp với thiết bị được điều khiển Một bus liên lạc (Fieldbus) làm

phương tiện kết nối các bộ điều khiển, do vậy các điểm thông tin giữa các bộ điều khiển có thể chia sẻ cho nhau và chia sẻ với các bộ xử lý cấp hệ thống và ở cấp xử lý hoạt động

b Tầng điều khiển cấp hệ thống – System Level: bộ điều khiển cấp này có công suất lớn hơn

bộ điều khiển cấp vùng nếu xét trên phương diện các điểm, vòng DDC (Direct Digital Controll)

và chương trình điều khiển Bộ điều khiển cấp hệ thống thường được dùng để điều khiển các thiết bị cơ khí như các hệ thống cung cấp không khí sạch, hệ thống hút không khí ô nhiễm, hệ thống điều phối lưu lượng không khí trung tâm cho tòa nhà Ngoài ra, nó còn thực thi điều khiển chiếu sáng Bộ điều khiển tại cấp này giao tiếp trực tiếp với các thiết bị được điều khiển thông qua actuator và cảm biến, hoặc giao tiếp gián tiếp thông qua các bus liên lạc với bộ điều khiển cấp vùng Bộ điều khiển cấp hệ thống có một cổng để kết nối với các thiết bị đầu cuối lập trình

và vận hành bằng tay trong suốt quá trình cài đặt ban đầu và cả các lần điều chỉnh sau này Khi

bộ điều khiển cấp hệ thống được kết nối với bộ xử lý cấp hoạt động, những thay đổi chương trình điều khiển thường được thực thi ở bộ xử lý cấp hoạt động và sau đó tải xuống bộ điều khiển Bộ điều khiển cấp hệ thống cũng cung cấp khả năng dự phòng trong trường hợp liên lạc

bị đứt bằng chế độ hoạt động độc lập

Một số kiểu bộ điều khiển cấp hệ thống cũng cung cấp chế độ bảo vệ an toàn cho toàn bộ tài sản của tòa nhà thông qua tín hiệu cảnh báo hỏa hoạn, cảnh báo an ninh, bảo mật truy cập

c Tầng xử lý cấp hoạt động: bộ xử lý cấp này giao tiếp chủ yếu với vận hành viên hệ thống

iBMS Trong mọi ứng dụng, nó thường là PC được trang bị màn hình hiển thị và các bảng mạch

có chức năng ‘plug-in’ cho thiết bị vận hành bổ sung, printer, mở rộng bộ nhớ và bus liên lạc

Bộ xử lý cấp này thường có phần mềm ứng dụng, để:

- Bảo đảm an ninh hệ thống: Hạn chế truy cập và hoạt động cho những người có thNm quyền

- Xâm nhập hệ thống: Cho phép những người có thNm quyền chọn và lấy dữ liệu thông qua

- Báo cáo chuNn: Tự động cung cấp các báo cáo chuNn theo định kỳ và theo yêu cầu hoạt động

- Báo cáo theo yêu cầu: Là các bảng dữ liệu, file định dạng Word, và quản lý cơ sở dữ liệu

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

- Tùy chỉnh khu vực theo nhu cầu

- Tích hợp hệ thống: Cung cấp cổng liên lạc và chức năng điều khiển cho các hệ thống phụ (HVAC, điều khiển chiếu sáng, cứu hỏa, an ninh, điều khiển xuất nhập tòa nhà)

d Tầng xử lý cấp quản lý: đây là cấp cao nhất trong cấu trúc của hệ iBMS Nó thực thi điều

khiển và quản lý thông qua các hệ thống phụ Tại cấp này, vận hành viên có thể yêu cầu dữ liệu

và ra lệnh tới các điểm từ bất kỳ đâu trong hệ thống Vận hành hoạt động thường nhật là chức năng thông thường của bộ xử lý cấp hoạt động Tuy nhiên, điều khiển toàn bộ có thể được

chuyển sang cho bộ xử lý cấp quản lý trong những trường hợp khNn cấp Bộ xử lý cấp quản lý thu thập, lưu trữ, xử lý dữ liệu lịch sử như mức độ tiêu thụ điện năng, chi phí vận hành và hoạt động cảnh báo, các báo cáo để làm cơ sở hoạch định, quản lý và vận hành tòa nhà lâu dài

Phương tiện truyền dẫn:

Các phương tiện truyền dẫn chủ yếu bao gồm: cáp xoắn bằng đồng, cáp quang, đường điện

• Cáp quang: phù hợp với các ứng dụng trong môi trường có nhiễu lớn, tuy nhiên chi phí đầu tư cao

• Đường điện thoại: cho phép kết nối giữa các toà nhà với nhau thông qua mođem

Chương 2: Các thông số kỹ thuật mà iBMS phải thu thập, giám sát và

xử lý

2.1 Tín hiệu đường vào (Input) và đường ra (Output) :

Tín hiệu đường vào là toàn bộ tín hiệu của các thông số kỹ thuật được thu thập từ các thiết bị đầu cuối, tại chỗ các đối tác làm việc của iBMS (Hệ thống cơ điện-lạnh)

Tín hiệu đường ra là toàn bộ tín hiệu của các thông số kỹ thuật được ra lệnh từ iBMS đến điều khiển các thiết bị đầu cuối, tại chỗ các đối tác làm việc của iBMS (Hệ thống cơ điện-lạnh)

Tất cả mọi giao diện của tín hiệu đường vào và tín hiệu đường ra đều tuân thủ theo tiêu chuNn sau:

• DI (Digital Input) - Tín hiệu đường vào là dạng tín hiệu số nhị phân (Binary input): dạng tiếp điểm khô (voltage-free contact)

• DO (Digital Output) - Tín hiệu đường ra là dạng tín hiệu số nhị phân (Binary input): dạng tiếp điểm khô (voltage-free contact)

• AI (Analogue Input) - Tín hiệu đường vào là dạng tín hiệu tương tự (Analog input): 10V, 4-20mA DC

0-• AO (Analogue Output) - Tín hiệu đường ra là dạng tín hiệu tương tự (Analog Output): 10V, 4-20mA DC

0-2.2 Các thông số kỹ thuật mà iBMS phải thu thập, giám sát và xử lý:

(File Excel khổ giấy A3 kèm theo)

Chương 3: Mạng truyền thông trong giải pháp iBMS

3.1 Giao thức truyền thông trong giải pháp iBMS (Communication Protocol):

3.1.1 Giao thức truyền thông là gì?

Giao thức truyền thông là một qui ước dùng để tạo lập sự định dạng và nội dung của những thông điệp giữa những bộ xử lý

3.1.2 Giao thức truyền thông sở hữu độc quyền, Giao thức truyền thông mở, và Giao thức truyền thông chun- Sự khác biệt:

Giao thức độc quyền và giao thức mở

Ban đầu giao thức truyền thông của mạng truyền thông trong giải pháp iBMS do các nhà sản xuất thiết bị phát triển riêng cho mình Các giao thức được phát triển riêng (Giao thức độc quyền) như thế gây bất tiện cho người dùng Việc phát triển hệ thống khi cần bị giới hạn, phải

sử dụng thiết bị mở rộng cùng với thiết bị chuyên biệt hoặc bắt buộc phải thay các thiết bị hiện hữu của hệ thống để theo một giao thức của nhà sản xuất khác

Từ sự bất tiện này và sự phát triển rộng rãi của giải pháp iBMS, cần thiết phải có một chuNn

mở Sự cần thiết trên đã thúc đNy nhiều tổ chức của một số quốc gia.Tuy nhiên, một chuNn được chấp nhận rộng rãi vẫn được hình thành một cách chậm chạp

Lợi ích trực tiếp của giao thức mở:

 Có thể vận hành kết hợp giữa các thiết bị của nhiều nhà cung cấp khác nhau

 Có ít giao thức hơn trong mạng

 Giảm chi phí về phần mềm

 Không cần thiết bị chuyển giao thức

 Giảm tiến độ phân phối hàng

 Giảm công tác kiểm tra, bảo trì và huấn luyện

 Có tài liệu chứng minh sự phát phát triển rộng rãi

 Có thể được cung cấp dịch vụ kiểm tra độc lập

Lợi ích dài hạn của giao thức mở:

 Dễ dàng mở rộng hệ thống

 Đời sống của thiết bị dài hơn

 Có được nhiều giá trị gia tăng từ nhiều nhà cung cấp thiết bị

 Có thể nhanh chóng chuyển qua công nghệ mới

 Giảm quản lý vận hành chuyên biệt

Các giao thức sử dung trong giải pháp iBMS:

A Giao thức truyền thông chu'n trong giải pháp iBMS – BACnet Protocol (Building

Automation and Control networks) – Giao thức mạng thông tin liên lạc trong điều khiển

tự động hóa tòa nhà):

BACnet là một giao thức mở, chuNn cho phép các hệ thống tự động hóa tòa nhà, hoặc các hệ thống điều khiển thứ cấp từ những nhà sản xuất khác nhau có thể chia sẻ thông tin và kiểm soát các chức năng Giao thức này được xác lập bởi ANSI/ASHRAE Standard 135, công bố đầu tiên vào tháng 8 năm 1995, và do ASHRAE (American Society of Heating, Refregerating and Air Conditioning Engineers - Hiệp hội kỹ sư điều hòa không khí-điện lạnh Mỹ) quản lý

Tiêu chuNn này mô tả giao thức giao tiếp theo kiểu kỹ thuật số được tối ưu hóa cho các ứng dụng điều khiển tòa nhà Mặc dù giao thức BACnet được xác lập bởi ASHRAE, nó cũng được thiết kế để làm nền tảng giao tiếp cho tất cả các loại khác của hệ thống điều khiển tòa nhà, bao gồm HVAC, hệ thống điều khiển chiếu sáng, an ninh, cứu hỏa

Giao thức BACnet xác nhận một vài loại đối tượng chuNn, mỗi loại có một danh sách xác định

về ứng dụng điều khiển BACnet cũng xác nhận các ứng dụng kiểm soát tòa nhà nói chung, chẳng hạn như lập kế hoạch, dự báo và quản lý báo động Điểm mạnh của BACnet đến từ một thực tế đó là các ứng dụng và các đối tượng này do tiêu chuNn ASHRAE chứng nhận Chúng được công bố và tồn tại với bất cứ ai và chúng còn phù hợp theo thời gian Vì thế, các nhà sản xuất có thể phát triển các sản phNm BACnet tương thích một cách độc lập Khi những sản phNm này kết nối tại nơi lắp đặt, chúng có thể giao tiếp mà không cần cổng kết nối lập trình tùy chỉnh BACnet hoạt động tốt cho việc giao tiếp giữa những bộ quản lý theo cấp độ hệ thống, cho phép các hệ thống con như là HVAC và hệ thống chiếu sáng có thể trao đổi thông tin thông qua giao diện người dùng kép BACnet cũng hoạt động tốt khi cung cấp việc điều khiển tập trung của một hay nhiều tòa nhà

B Giao Thức Lontalk:

Lontalk là một giao thức giao tiếp do tập đoàn Echelon phát triển và thực hiện như một giao thức mở, chuNn bởi ANSI/EIA standard 709-1 Rất nhiều ngành công nghiệp, gồm cả HVAC, hệ thống chiếu sáng và cứu hỏa, đang bắt đầu sử dụng giao thức giao tiếp Lontalk trong sản phNm của mình LonTalk sử dụng các loại mạng chuNn biến thiên (Standard Network Variable Type -SNVT) và các loại mạng chuNn cấu hình tài sản (Standard Configuration Property Type - SCPT)

để chia sẻ thông tin giữa các thiết bị SNVTs và SCPTs là các yếu tố phần mềm giống các đối tượng chuNn BACnet

“The LonMark Interoperability Association” là một tổ chức bao gồm các nhà sản xuất và người dùng sản phNm của LonTalk Tổ chức này xác định cách dùng tiêu chuNn và hướng dẫn thực hiện cho giao thức Lontalk Dữ liệu về các chức năng của LornMark được viết để mô tả: dữ liệu đó là gì, cách sử dụng SNVTs và SCPTs, phải được làm cho có sẵn tới các thành phần hệ thống được đưa ra Các dữ liệu chức năng được xác lập sẵn có cho nhiều thành phần hệ thống HVAC, gồm có cảm biến nhiệt độ, bộ điều khiển biến đổi tốc độ động cơ, các dàn lạnh FCU (Fan Coil Unit), chillers, cũng như các thành phần khác của hệ thống tòa nhà

LonTalk đặc biệt phù hợp cho sự giao tiếp với bộ quản lý ở cấp đơn vị Giao thức LonTalk được thiết kế trên một chip bộ vi xử lý gọi là Neuron Điều này cung cấp một biện pháp hiệu quả về chi phí cho việc phát triển thêm giao tiếp giao thức chuNn, mở với nhiều bộ phận quản lý cấp thấp hơn mà không muốn chi thêm cho chi phí phát sinh mở rộng

Giao thức mạng truyền thông điển hình trong giải pháp iBMS

- Các thiết bị như đồng hồ đo, hệ thống giám sát điện năng, hệ thống máy lạnh hoặc chiếu sáng sử dụng giao thức Modbus có thể được giám sát bởi iBMS trung tâm

- Bộ điều khiển cấp cao tòa nhà truyền thông với các bộ điều khiển số trực tiếp (DDC) sử dụng giao thức Lontalk

- iBMS và các thành phần hoàn toàn tương thích với mạng BACnet IP Các máy chủ có thể giao tiếp với các thiết bị BACnet của hãng thứ ba

Có một vài quan điển trong ngành tự động hóa tòa nhà cho rằng BACnet chỉ là một giao thức giao tiếp chuNn và khả thi cho tự động hóa tòa nhà; Còn những quan điểm khác thì đưa ra nhận định tương tự cho LonTalk Tuy nhiên, cả hai giao thức BACnet và Lontalk đều là các công cụ quan trọng cho việc cung cấp khả năng tương tác Trong khi giao thức LonTalk và BACnet chia

sẻ những mục tiêu chung, chúng cũng có những đặc tính độc đáo để làm cho chúng được trang

bị tốt nhất cho các phần khác nhau của hệ thống tự động hóa tòa nhà

Việc thiết kế kiến trúc hệ thống tự động hóa tòa nhà (BAS) cố gắng tận dụng lợi thế sức mạnh tương ứng của 2 giao thức BACnet và Lontalk, đưa ra cơ hội tốt nhất để cung cấp khả năng tương tác trong khi giá cả là thấp nhất Giao thức BACnet hiệu quả ở chỗ chuyển tải khối dữ liệu lớn trên mạng tốc độ cao và cũng cho phép kết nối tương thích với mạng lưới internet Giao thức Lontalk thể hiện hiệu quả nhất khi giao tiếp từ các thiết bị điều khiển cấp đơn vị Đây là

công cụ hiệu quả về chi phí cho sự giao tiếp giữa những bộ điểu khiển thiết bị hoặc giữa các thiết bị thông minh đầu cuối (smart end devices), bởi vì người sản xuất có thể dễ dàng thực hiện

nó qua việc sử dụng chip Neuron và dữ liệu chức năng LonMark

Hình dưới đây thể hiện kiến trúc mạng tự động hóa tòa nhà (BAS) theo dạng tầng lớp mà nó

sử dụng cả giao thức BACnet và LonTalk để cung cấp khả năng tương tác Bộ phận quản lý ở cấp độ đơn vị được kết nối với một mạng chuyên dụng và giao tiếp với một bộ phận quản lý ở cấp độ hệ thống sử dụng LonTalk Tất cả những bộ phận quản lý ở cấp độ hệ thống được kết nối với một mạng nội bộ và giao tiếp với hệ thống tự động hóa tòa nhà sử dụng giao thức BACnet

C Giao Thức Modbus:

Modbus là giao thức do hãng Modicon phát triển Theo mô hình ISO/OSI thì Modbus thực chất là một chuNn giao thức và dịch vụ thuộc lớp ứng dụng, vì vậy có thể được thực hiện trên các cơ chế vận chuyển cấp thấp như TCP/IP, MAP (Manufacturing Message Protocol), và ngay

cả qua đường truyền nối tiếp RS-232

Modbus định nghĩa một tập hợp rộng các dịch vụ phục vụ trao đổi dữ liệu quá trình, dữ liệu điều khiển và chNn đoán Tất cả các bộ điều khiển của Modicon đều sử dụng Modbus là ngôn ngữ chung Modbus mô tả quá trình giao tiếp giữa một bộ điều khiển với các thiết bị khác thông qua cơ chế yêu cầu/đáp ứng Vì lý do đơn giản nên Modbus có ảnh hưởng tương đối mạnh đối với các hệ PLC của các nhà sản xuất Cụ thể , trong mỗi PLC người ta cũng có thể tìm thấy một tập hợp con các dịch vụ đã được đưa ra trong Modbus Đặc biệt trong các hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát, Modbus hay được sử dụng trên các đường truyền RS-232 ghép nối giữa các thiết bị dữ liệu đầu cuối (PLC, PC, ) với thiết bị truyền dữ liệu (Modem)

Cơ chế giao tiếp:

a Mạng Modbus chu'n:

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

Một trạm chủ có thể gửi thông báo yêu cầu tới riêng một trạm tớ nhất định hoặc gửi thông báo đồng loạt tới tất cả các trạm tớ Chỉ trong trường hợp nhận được yêu cầu riêng, các trạm tớ mới gửi thông báo đáp ứng trả lại trạm chủ Trong một thông báo yêu cầu có chứa địa chỉ trạm nhận,

mã hàm dịch vụ bên nhận cần thực hiện, dữ liệu đi kèm và thông tin kiểm lỗi

b Modbus trên các mạng khác:

Với một số mạng như Modbus Plus và MAP sử dụng Modbus là giao thức cho lớp ứng dụng, các thiết bị có thể giao tiếp theo cơ chế riêng của mạng đó, mỗi bộ điều khiển có thể đóng vai trò là chủ hoặc tớ trong các lần giao dịch khác nhau

Nhìn nhận ở mức giao tiếp thông báo, giao thức Modbus vẫn tuân theo nguyên tắc chủ/ tớ mặc

dù phương pháp giao tiếp mạng c

cầu thông báo thì nó đóng vai tr

điều khiển sẽ đóng vai trò là tớ

lại đáp ứng

c Chu trình yêu cầu đáp ứng

Giao thức Modbus định nghĩ

ứng, như minh họa trên hình v

Một thông báo yêu cầu gồm các ph

· Địa chỉ trạm nhận yêu cầu (0

· Mã hàm gọi chỉ thị hành động tr

trạm tớ đọc nội dung các thanh ghi l

· Dữ liệu chứa các thông tin bổ

trường hợp đọc thanh ghi, dữ li

đọc

· Thông tin kiểm lỗi giúp trạm t

Thông báo đáp ứng cũng bao g

là địa chỉ của chính trạm tớ đã th

thường, mã hàm được giữ nguyên nh

hiện hành động, ví dụ nội dung ho

được sửa để chỉ thị đáp ứng là m

kiểm lỗi giúp trạm chủ xác định

ạng cấp thấp có thể là tay đôi Khi một bộ điều khióng vai trò là chủ và chờ đợi đáp ứng từ thiết bị tớ Ngư

ớ nếu nó nhận thông báo yêu cầu từ một trạm khác v

ứng:

nh nghĩa khuôn dạng của thông báo yêu cầu cũng như c

ên hình vẽ

ồm các phần sau :

ầu (0-247), trong đó 0 là địa chỉ gửi đồng loạt

ộng trạm tớ cần thực hiện theo yêu cầu Ví dụ, mã hàm 03 yêu c

ác thanh ghi lưu giữ và trả lại kết quả

a các thông tin bổ sung mà trạm tớ cần cho việc thực hiện hàm đư

ữ liệu này chỉ rõ thanh ghi đầu tiên và số lượng các thanh ghi c

ạm tớ kiểm tra nội dung thông báo nhận được

ng bao gồm các thành phần giống như thông báo yêu c

ã thực hiện yêu cầu và gửi lại đáp ứng Trong trưnguyên như trong thông báo yêu cầu và dữ liệu chứ

i dung hoặc trạng thái các thanh ghi Nếu xảy ra lỗi, m

à một thông báo lỗi, còn dữ liệu mô tả chi tiết lỗi đđịnh độ chính xác của nội dung thông báo nhận đư

ều khiển gửi một yêu ược lại, một bộ

ỗi, mã hàm quay lại

ết lỗi đã xảy ra Phần ược

Chế độ truyền

a Chế độ ASCII

Khi các thiết bị trong một mạng Modbus chuNn giao tiếp với chế độ ASCII, mỗi byte trong thông báo được gửi thành hai ký tự ASCII 7 bit, trong đó mỗi ký tự biểu diễn một chữ số Hex

Ưu điểm của chế độ truyền này là nó cho phép một khoảng thời gian trống tối đa một giây giữa

hai ký tự mà không gây ra lỗi

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

Mỗi ký tự khung bao gồm :

· 1 bit khởi đầu (Start bit)

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

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

· 1 bit kết thúc (Stop bit) nếu sử dụng parity hoặc 2 bit kết thúc nếu không sử dụng parity

b Chế độ RTU

Khi các thiết bị trong một mạng Modbus chuNn được đặt chế độ RTU (Remote Terminal

Unit), mỗi byte trong thông báo được gửi thành một ký tự 8 bit Ưu điểm chính của chế độ

truyền này so với chế độ ASCII là hiệu suất cao hơn Tuy nhiên, mỗi thông báo phải được

truyền thành một dòng liên tục Cấu trúc một kí tự khung gửi đi được thể hiện như sau:

Mỗi ký tự khung bao gồm:

· 1 bit khởi đầu (Start bit)

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

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

D Giao Thức TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol): Nguyên lý hoạt

động của giao thức TCP/IP và Internet

Mạng máy tính ngày nay đã trở thành một thành phần quan trọng trong ngành truyền thông Trên thế giới, ban đầu chỉ có vài mạng máy tính được đưa vào sử dụng ở các viện nghiên cứu và phục vụ cho quốc phòng Cùng với thời gian, khoa học phát triển, giá máy giảm, mạng máy tính

đã có mặt ở khắp nơi, từ trường học, nhà máy đến các học viện Đặc biệt sự bùng nổ của mạng thông tin toàn cầu Internet đã đưa khả năng sử dụng mạng đến từng người dân Hàng ngày bạn dạo chơi trên Internet, lướt trên các trang Web, có bao giờ bạn tự hỏi làm thế nào mà con người

có được khả năng truy cập thông tin mạnh mẽ và tiện lợi đến như vậy?

Trả lời đầy đủ câu hỏi này quả là không đơn giản vì đó là thành quả của hàng ngàn con người, lao động trong hàng chục năm, không thể trình bày gói gọn chỉ trong vài trang viết Bài viết này không đi vào chi tiết mà chỉ xin được cung cấp một số kiến thức cơ bản nhất về Internet và nguyên lý hoạt động của nó

Mô hình tổng quát của mạng Internet:

Như trong hình 1, kết cấu vật lý của mạng Internet gồm có mạng chính chứa các server cung cấp dịch vụ cho mạng, mạng nhánh bao gồm các trạm làm việc sử dụng dịch vụ do Internet cung cấp "Đám mây Internet" hàm chứa vô vàn mạng chính, mạng nhánh và bao phủ toàn thế giới

Để một hệ thống phức tạp như vậy hoạt động trơn tru và hiệu quả thì điều kiện tiên quyết là mọi máy tính trong mạng, dù khác nhau về kiến trúc, đều phải giao tiếp với mạng theo cùng một quy luật Đó là giao thức TCP/IP

Quá trình truyền dữ liệu qua mạng Internet:

Nếu đã từng lập trình, bạn hẳn biết rằng một chương trình hoàn chỉnh được tạo nên từ nhiều module với các chức năng và nhiệm vụ khác nhau nhưng lại liên kết chặt chẽ với nhau Quá trình truyền dữ liệu cũng như vậy Để có thể truyền qua mạng Internet, dữ liệu phải được xử lý qua nhiều tầng Một mạng intranet theo chuNn OSI thường có bảy tầng nhưng Internet chỉ có bốn tầng xử lý dữ liệu là:

* Tầng application

* Tầng transport còn gọi là tầng TCP (Transmission Control Protocol)

* Tầng network còn gọi là tầng IP (Internet Protocol)

* Tầng Datalink/Physical

Giả sử bạn đang ở máy A và muốn gửi một thông điệp tới máy B Bạn dùng một trình soạn thảo văn bản để soạn thư, sau đó nhấn nút Send Tính từ thời điểm đó dữ liệu được xử lý lần lượt như mô tả sau:

Đầu tiên, dữ liệu được xử lý bởi tầng application Tầng này có nhiệm vụ tổ chức dữ liệu theo khuôn dạng và trật tự nhất định để tầng application ở máy B có thể hiểu được Điều này giống như khi bạn viết một chương trình thì các câu lệnh phải tuân theo thứ tự và cú pháp nhất định thì chương trình mới chạy được Tầng application gửi dữ liệu xuống tầng dưới theo dòng byte nối byte Cùng với dữ liệu, tầng application cũng gửi xuống các thông tin điều khiển khác giúp xác định địa chỉ đến, đi của dữ liệu

Khi xuống tới tầng TCP, dòng dữ liệu sẽ được đóng thành các gói có kích thước không nhất thiết bằng nhau nhưng phải nhỏ hơn 64 KB Cấu trúc của gói dữ liệu TCP gồm một phần header chứa thông tin điều khiển và sau đó là dữ liệu Sau khi đóng gói xong ở tầng TCP, dữ liệu được chuyển xuống cho tầng IP

Gói dữ liệu xuống tới tầng IP sẽ tiếp tục bị đóng gói lại thành các gói dữ liệu IP nhỏ hơn sao cho có kích thước phù hợp với mạng chuyển mạch gói mà nó dùng để truyền dữ liệu Trong khi đóng gói, IP cũng chèn thêm phần header của nó vào gói dữ liệu rồi chuyển xuống cho tầng Datalink/Physical

Khi các gói dữ liệu IP tới tầng Datalink sẽ được gắn thêm một header khác và chuyển tới tầng physical đi vào mạng Gói dữ liệu lúc này gọi là frame Kích thước của một frame hoàn toàn phụ thuộc vào mạng mà máy A kết nối

Trong khi chu du trên mạng Internet, frame được các router chỉ dẫn để có thể tới đúng đích cần tới Router thực ra là một module chỉ có hai tầng là Network và Datalink/Physical Các frame tới router sẽ được tầng Datalink/Physical lọc bỏ header mà tầng này thêm vào và chuyển lên tầng Network (IP) Tầng IP dựa vào các thông tin điều khiển trong header mà nó thêm vào

để quyết định đường đi tiếp theo cho gói IP

Sau đó gói IP này lại được chuyển xuống tầng Datalink/Physical để đi vào mạng Quá trình cứ thế tiếp tục cho đến khi dữ liệu tới đích là máy B

Khi tới máy B các gói dữ liệu được xử lý theo quy trình ngược lại với máy A Theo chiều mũi tên, đầu tiên dữ liệu qua tầng datalink/physical Tại đây frame bị bỏ đi phần header và chuyển lên tầng IP Tại tầng IP, dữ liệu được bung gói IP, sau đó lên tầng TCP và cuối cùng lên tầng application để hiển thị ra màn hình

Hệ thống địa chỉ và cơ chế truyền dữ liệu trong mạng Internet:

Để một gói dữ liệu có thể đi từ nguồn tới đích, mạng Internet đã dùng một hệ thống đánh địa chỉ tất cả các máy tính nối vào mạng như hình 3

Để phân tích hệ thống tên/địa chỉ, hãy bắt đầu từ thấp lên cao:

a Địa chỉ vật lý, còn gọi là địa chỉ MAC:

Sở dĩ có tên gọi như vậy là vì địa chỉ này gắn liền với phần cứng và đại diện cho một thiết bị Thông thường địa chỉ vật lý được đặt ngay trên bảng mạch máy tính hay trên thiết bị kết nối trực tiếp với máy (modem, card mạng )

Địa chỉ vật lý được sử dụng như sau:

Thiết bị nhận dữ liệu kiểm tra địa chỉ vật lý đích của gói dữ liệu ở tầng vật lý Nếu địa chỉ đích này phù hợp địa chỉ vật lý của thiết bị thì gói dữ liệu sẽ được chuyển lên tầng trên, nếu không nó

sẽ bị bỏ qua

b SAP: Dùng để đại diện cho giao thức bên trên tầng MAC, ở đây là IP

c Địa chỉ mạng (network address)

Một thực thể trong mạng được xác định chỉ qua địa chỉ mạng mà không cần địa chỉ vật lý Dữ liệu được truyền qua mạng chỉ dựa vào địa chỉ mạng Khi nào dữ liệu tới mạng LAN thì địa chỉ vật lý mới cần thiết để đưa dữ liệu tới đích

Ví dụ:

Máy gửi có địa chỉ 128.1.6.7 ->địa chỉ mạng là 128.1

Máy nhận có địa chỉ 132.5.8.12 ->địa chỉ mạng là 132.5

Mạng Internet có trách nhiệm dựa vào 2 địa chỉ mạng trên để đưa dữ liệu tới mạng 132.5 Khi tới mạng 132.5 thì dựa vào địa chỉ 8.12 sẽ tìm ra địa chỉ vật lý thực để truyền dữ liệu tới đích Như vậy có một thắc mắc là: đã có địa chỉ vật lý rồi, tại sao lại cần thêm địa chỉ mạng?

Việc tồn tại 2 loại địa chỉ là do các nguyên nhân:

* 2 hệ thống địa chỉ được phát triển một cách độc lập bởi các tổ chức khác nhau

* Địa chỉ mạng chỉ có 32 bit sẽ tiết kiệm đường truyền hơn so với địa chỉ vật lý 48 bit

* Khi mạch máy hỏng thì địa chỉ vật lý cũng mất

* Trên quan điểm người thiết kế mạng thì sẽ rất hiệu quả khi tầng IP không liên quan gì với các tầng dưới

Như trên đã nói, từ địa chỉ mạng có thể tìm được địa chỉ vật lý Công việc tìm kiếm này được thực hiện bởi giao thức ARP (Address Resolution Protocol) Nguyên tắc làm việc của ARP là duy trì một bảng ghi tương ứng địa chỉ IP - địa chỉ vật lý Khi nhận được địa chỉ IP, ARP sẽ dùng bảng này để tìm ra địa chỉ vật lý Nếu không thấy, nó sẽ gửi một gói dữ liệu, gọi là ARP

request, chứa địa chỉ IP vào mạng LAN Nếu máy nào nhận ARP request và nhận ra địa chỉ IP của mình thì sẽ gửi lại một gói dữ liệu chứa địa chỉ vật lý của nó

Vậy từ địa chỉ vật lý, một máy tính trong mạng có thể biết địa chỉ IP của mình hay không? Câu trả lời là có Giao thức gọi là RARP (Reverse Address Resolution Protocol) thực hiện công việc này Giả sử trong mạng có một máy cần biết địa chỉ IP của mình, nó gửi một gói dữ liệu cho tất cả các máy trong mạng LAN Mọi máy trong mạng đều có thể nhận gói dữ liệu này, nhưng chỉ có RARP server mới trả lại thông báo chứa địa chỉ mạng của máy đó

Trên thực tế, khi muốn nhập vào một địa chỉ Internet nào đó, bạn hay đánh vào dòng chữ như

"WWW.hotmail.com" mà ít thấy những dòng địa chỉ số khô khốc Vậy có điều gì mâu thuẫn? Chẳng sao cả, Internet đã dùng một hệ thống gọi là DNS (Domain Name System) để đặt tên cho một host và cung cấp một số giao thức để chuyển đổi từ địa chỉ chữ ra địa chỉ số và ngược lại Cách tổ chức tên của DNS tuân theo dạng hình cây như hình 4

Một máy tính trong mạng sẽ ứng với một nút của cây Như ở cây trên, máy ở lá FPT sẽ có địa chỉ hoàn chỉnh là fpt.com.vn Mỗi nút trên cây biểu diễn một miền (domain) trong hệ thống DNS; mỗi miền lại có một hay nhiều miền con Tại mỗi miền này đều phải có máy chủ DNS tương ứng quản lý hệ thống tên trong miền đó Để hiểu rõ hơn hoạt động của DNS, lấy một ví

dụ sau:

Một máy trạm có tên là test.fpt.com.vn muốn biết địa chỉ IP của máy www.microsoft com, quá trình hỏi của nó như sau:

Khi máy test.fpt.com.vn gửi yêu cầu hỏi về máy www microsoft.com tới DNS của miền fpt.com.vn, DNS xác định là tên đó không nằm trong miền mà nó quản lý và gửi ngược lên cho miền ở mức cao hơn là com.vn Tại đây, DNS cũng không tìm được thông tin thoả mãn nên phải hỏi ngược lên DNS của miền vn

Quá trình cứ thế tiếp diễn đến khi câu hỏi được gửi tới DNS của miền microsoft.com và tại đây câu hỏi được giải đáp

Để hoạt động hiệu quả như trên, mỗi máy chủ DNS lưu trữ một cơ sở dữ liệu gồm các bản ghi chứa thông tin:

+ Tên của DNS cấp cao hơn

+ Địa chỉ IP

+ Địa chỉ dạng chữ tương ứng

Chỉ số của bản ghi được lấy từ địa chỉ IP tương ứng, nhờ đó từ địa chỉ IP có thể dễ dàng tìm ra địa chỉ chữ

d Protocol ID chỉ ra giao thức của tầng giao vận Trên Internet trường này là TCP hoặc UDP

e Port là một số đặc trưng cho một chương trình chạy trên Internet Ví dụ, chương trình lấy thư

điện tử qua giao thức IMAP có port=143, truyền file có port =21, v.v

f Username là tên người đăng kí sử dụng chương trình

Ở phần nói tại router, IP sử dụng các thông tin điều khiển trong header của gói dữ liệu IP để quyết định đường đi tiếp theo của gói này Có rất nhiều thông tin điều khiển nhưng ở đây chỉ xin phân tích các thông tin quan trọng

- Đầu tiên là địa chỉ đích Nếu địa chỉ đích trùng với địa chỉ của router đó thì gói dữ liệu được truyền trực tiếp cho host B Nếu không trùng thì dữ liệu sẽ được truyền đến router tiếp theo trên đường đi Vấn đề là router nào được chọn Có 2 khả năng để lựa chọn router, tức là 2 khả năng

để dẫn đường:

+ Thứ nhất là tuân theo một cách nghiêm ngặt source routing Dữ liệu sẽ được truyền cho router tiếp theo trong source routing Nhưng dữ liệu chỉ được truyền đi khi router được chọn có trong bảng các router có thể đến được của router hiện tại, bằng không sẽ sinh ra lỗi

+ Thứ hai là "quên đi" source routing và tìm đường mới tới đích Router tiếp theo được chọn dựa trên sự tìm đường này Thông thường sự tìm đường dựa trên thuật toán Dijstra tìm kiếm theo chiều rộng Trên thực tế, cách này đang được sử dụng rộng rãi và có thể trở thành chuNn trong tương lai

- Các gói dữ liệu IP thường có kích thước phụ thuộc vào mạng con Các mạng con khác nhau thì kích thước gói IP của chúng cũng khác nhau Vậy giả sử mạng A truyền được gói dữ liệu có kích thước lớn nhất là 1024 byte, mạng B truyền được gói dữ liệu có kích thước lớn nhất là 256 byte thì gói dữ liệu từ mạng A có kích thước 1024 byte qua mạng B như thế nào?

Để giải quyết vấn đề này, IP cung cấp khả năng phân và gom mảnh gói dữ liệu Đây chính là lúc IP sử dụng trường flags và offset trong gói dữ liệu IP Trường flags thực chất là các cờ thông báo gói dữ liệu này có bị phân mảnh hay không, trường offset chứa giá trị tương đối của gói con trong gói to ban đầu Khi phân mảnh các cờ được bật lên, đồng thời trường offset được thiết lập giá trị Dựa vào các dữ liệu trên, IP có thể dễ dàng gom mảnh gói dữ liệu, hồi phục khối dữ liệu

to ban đầu

Kiểm soát lỗi:

Qua các phần trên ta thấy quá trình dữ liệu đi trên mạng đã khá rõ ràng nhưng trên một mạng rộng lớn như Internet thì có gì đảm bảo dữ liệu sẽ tới đích một cách an toàn? Điều gì xảy ra nếu trên đường đi các gói dữ liệu bị mất, tắc nghẽn, lạc đường ? Đây chỉ đơn thuần là các sự cố, nhưng thật đáng tiếc là nó lại rất hay xảy ra trên thực tế, do đó một yêu cầu đặt ra là phải có cơ chế thông báo và sửa lỗi trên mạng Khi có lỗi, tầng IP đơn thuần huỷ bỏ dữ liệu và thông báo lỗi Thông báo lỗi được thực hiện qua một giao thức gọi là ICMP (Internet Control Message Protocol) ICMP có thể coi là bạn đồng hành với IP và có một số đặc điểm sau:

- Dùng IP để truyền thông báo qua mạng

- Không có chức năng sửa lỗi mà chỉ đơn thuần là máy thông báo lỗi Chức năng sửa lỗi là của tầng trên (tầng TCP)

- Thông báo lỗi về gói dữ liệu IP nhưng lại không thể thông báo lỗi về gói dữ liệu của chính mình

- Nếu gói dữ liệu IP bị phân mảnh thì khi xảy ra lỗi, ICMP chỉ thông báo lỗi của mảnh đầu tiên Nói rằng việc sửa lỗi là của TCP nhưng thật ra TCP chẳng sửa lỗi gì cả, khi có lỗi xảy ra nó chỉ làm mỗi một việc là truyền lại Hãy xem nó làm việc đó như thế nào TCP truyền dữ liệu theo cơ chế "flow window" Tất cả các byte truyền đều được đánh số thứ tự và TCP quản lý việc truyền

dữ liệu dựa vào số thứ tự đó

Giả sử có 13 byte dữ liệu gửi cho máy B (hình 5)

Byte 0 đã gửi đi và được xác nhận là tới nơi Sự xác nhận này được thực hiện bằng cách khi nhận được dữ liệu gửi đến, máy B sẽ gửi một thông báo về cho máy gửi Thông báo đó có chứa

số thứ tự của byte được chấp nhận chứa trong trường ACK

Byte 1, 2 đã được gửi nhưng chưa có xác nhận, các byte 3, 4, 5 trong khung sẽ được truyền đi, các byte từ 6 trở đi không thể được truyền Giá trị window limit được tính bằng công thức sau: Window limit=SND UNA + SND WND

SND UNA = số byte đã gửi đi nhưng chưa được xác nhận

SND WND= số byte trong ô, giá trị này được lấy từ trường window trong gói dữ liệu TCP dùng

để xác nhận các byte đã tới nơi Giá trị này chính là số dữ liệu mà máy B có thể chấp nhận

Máy B bây giờ lại gửi một thông báo thừa nhận có ACK=3, Window=6 Lúc này dữ liệu có dạng như hình 6

Các byte 0, 1, 2 đã được xác nhận, cửa sổ đã mở rộng ra, window limit nhận giá trị 3+6 =9 Như vậy số byte có thể truyền đi được điều khiển bởi máy B, điều này giúp giảm đi sự tắc nghẽn giao thông trên mạng và làm cho máy B có thể chủ động xử lý dữ liệu đến một cách trôi chảy Khi có lỗi xảy ra trên đường truyền và phải truyền lại dữ liệu thì TCP không chờ đợi thông báo xác nhận từ phía máy B mà nó làm theo cách sau: khi truyền một gói dữ liệu, TCP bấm giờ

và nếu thời gian hết mà không thấy thông báo xác nhận thì nó tiến hành truyền lại

Như vậy thời gian để bấm giờ hết sức quan trọng Ban đầu thời gian này được thiết lập xung quanh khoảng thời gian kể từ khi TCP A gửi dữ liệu đi đến khi nhận được thông báo xác nhận Nhưng về sau do cách tính này không hợp lý nên người ta đã đưa ra nhiều cách thiết lập khác nhau Một trong các cách tính được dùng phổ biến hiện nay là thuật toán của Phil Karn Nội dung căn bản của thuật toán là mỗi khi hết thời gian thì khoảng thời gian bấm đồng hồ tăng lên gấp một số lần cho trước

NVT=A x VT

NVT: giá trị thời gian mới để bấm đồng hồ

A : hằng số, thường lấy bằng 2

VT: giá trị thời gian

Cơ chế kết nối giữa hai máy trong mạng Internet

Chặng cuối cùng trong hoạt động của mạng Internet là cơ chế kết nối giữa hai máy Để toàn

bộ các hoạt động truyền tin giữa hai máy trong mạng có thể diễn ra thì phải hình thành kênh liên lạc hay một kết nối giữa chúng Quá trình đó diễn ra như sau (hình 7):

 ULP B giả sử là một chương trình mail server ở Mỹ Do là server nên lúc nào nó cũng chờ đợi sự kết nối

 ULP A là chương trình nhận thư điện tử của bạn Để kết nối, bạn gửi yêu cầu kết nối xuống cho tầng TCP

 TCP chuNn bị một gói dữ liệu TCP với cờ SYN=1 yêu cầu có sự đồng bộ hoá, SEQ có thể lấy bất kì giá trị nào, ở đây là =100 và gửi cho TCP B

 Sau khi nhận gói dữ liệu có SYN=1, TCP B gửi trả lại một thông báo có SYN=1, ACK=101, SEQ có thể lấy bất kì giá trị nào, ở đây là =177

 TCP A nhận được gói dữ liệu từ TCP B sẽ gửi tiếp một gói dữ liệu có ACK=178

 TCP A chuyển chấp nhận kết nối lên chương trình A

 Sau khi nhận nốt gói dữ liệu có ACK=178, TCP B chuyển chấp nhận kết nối lên chương trình B

Sự kết nối giữa 2 module TCP ở các bước 3, 4, 5 gọi là cơ chế bắt tay 3 bước (three way handshake)

Quá trình đóng một kết nối cũng thực hiện tương tự

3.2 Mạng truyền thông trong giải pháp iBMS (Communication Networking):

3.2.1 Mạng EBLN (Ethernet Building Level Network):

- Mạng Ethernet LAN TCP/IP là mạng truyền thông chính của hệ thống iBMS, các bộ

điều khiển số trực tiếp dạng mô đun MBC (Modular Building Controller), MEC (Modular Equipment Controller) được sử dụng cho tòa nhà sẽ kết nối với nhau và các máy tính điều khiển (server) của hệ thống điều khiển iBMS

- Hệ thống mạng Ethernet LAN là đường truyền chung cho hệ thống mạng truyền thông iBMS, giao thức sử dụng trong mạng EBLN là giao thức TCP/IP Đường trục chính của

mạng điều khiển hệ thống iBMS sử dụng cáp quang để mở rộng dải thông, cho phép truyền các gói tin của hệ thống an ninh quản lý ra vào Access control, Camera giám sát

- Việc sử dụng chuNn truyền thông TCP/IP không những tạo được tốc độ truyền thông cao mà còn đáp ứng yêu cầu về khoảng cách truyền mà không cần bộ lặp, và hoàn toàn đáp ứng tính năng thời gian thực của hệ thống iBMS, tốc độ truyền thông trên mạng điều khiển đạt được

100 MBps

3.2.2 Mạng FLN( Floor Level Network):

Mỗi MBC hoặc MEC xây dựng được 3 mạng FLN theo cơ chế giao tiếp Master/Slave

- Trong mỗi mạng Master/Slave, MBC đóng vai trò là bộ điều khiển Master và 32 bộ điều khiển cấp trường đóng vai trò là Slave và các thiết bị mạng điều khiển đèn, thiết bị đo đếm điện năng nối mạng Mạng Master/ Slave sử dụng chuNn truyền thông công nghiệp RS485, các giao thức được sử dụng trên mạng là LonTalk, EIB, P1 phổ biến… Mạng truyền thông Floor Level Network được thiết lập sử dụng cáp đôi dây xoắn có bọc kim AWG18 Tốc độ truyền thông trong mạng này đạt 4800 B/s

- Mạng điều khiển FLN quản lý các bộ điều khiển đèn chiếu sáng có cấu trúc module (Lighting Control Modular - LCM), thực hiện kết nối các bộ đo đếm điện năng Digital Energy Meter (DEM), các bộ biến tần điều chỉnh tốc độ động cơ (VSD-Variable Speed Drive)

- Trên các FLN cho phép tồn tại 32 LCM/ 1mạng FLN, mỗi Bus được thiết lập sử dụng cáp đôi dây xoắn có bọc kim AWG18, tốc độ truyền thông trong mạng này đạt đến 78 kB/s

- Mạng điều khiển đèn chiếu sáng được xây dựng trên các LCM sử dụng chuNn truyền thông công nghiệp RS485, các giao thức được sử dụng trên mạng là LonTalk, EIB, …Mạng điều khiển LLN cho phép các công tắc khả trình, các Rơ le, các bộ cảm quang tồn tại trong mạng

là 48 thiết bị

Chương 4: Phần mềm trong giải pháp iBMS

4.1 Tính năng phần mềm hệ thống:

Phần mềm ứng dụng chuyên dụng được thiết kế cho hệ thống iBMS chạy trên nền của hệ điều hành Window Nó được thiết kế dưới dạng các chức năng đặc trưng Các chức năng được thể hiện dưới dạng icon mang tính biểu tượng cao

Main menu của BMS và các chức năng

Tuỳ theo đối tượng sử dụng (User) mà hệ thống cho phép xem, sử dụng và quản lý từng chức năng phù hợp Những user có quyền sử dụng cao nhất có thể phân chia các tính năng cho từng User khác từ hộp thoại chọn lọc

Chọn các chức năng làm việc

Các chức năng của BMS 3.7:

User account: cho phép thiết lập quyền sử dụng hệ thống của từng user Có thể phân

quyền theo phạm vi và phân quyền theo chức năng

Phân quyền theo phạm vi có 3 mức:

Insight account: cho toàn bộ hệ thống quyền vận hành được thiết lập theo các chức năng

(function) trên Main menu của hệ thống

BLN account: Chia quyền theo phạm vi vật lý của hệ thống Mỗi user sẽ được cấp

quyền vận hành theo một nhóm các bộ điều khiển DDC

Access groups acount: Cấp quyền vận hành theo một nhóm điểm, chức năng trong hệ

thống (access group)

Thiết lập User account

Phân quyền theo chức năng thiết lập số lượng các chức năng mà user đươc can thiệp ở mức độ khác nhau: Read only, Command, Configure/Edit hoặc Not Allow

Phân quyền theo chức năng

- Graphic: chức năng hiển thị, mô phỏng điều khiển toàn bộ hệ thống dưới dạng đồ hoạ

Khi cài đặt hệ thống có kèm theo một phần mềm công cụ đồ họa – Micografx desiner giúp người sử dụng dễ dàng thêm bớt, điều chỉnh các graphic theo ý muốn

Hệ thống cho phép thiết lập liên kết giữa các trang graphic, liên kết database vào các hình vẽ, tạo hình ảnh động và thực hiện các thao tác lệnh trên nền các trang đồ hoạ - commander

Cửa sổ graphic

- Commander: Đây là cửa sổ thực hiện các thao tác lệnh điều khiển Có thể thực hiện

commander trực tiếp trên main menu hoặc từ các graphic

Lệnh commander có nhiều cấp thao tác khác nhau từ None đến cấp cao nhất là tác động trực tiếp của người vận hành Người vận hành

Cửa sổ System Profile

- System activity log:

System activity log lưu lại tất cả các hoạt động thao tác trên hệ thống, hình thức tác

động, cấp độ và user thực hiện Nó cho phép lưu trữ dữ liệu và thực hiện các query để kiểm tra lại các sự việc đã xảy ra nhờ sử dụng chức năng history

Cửa sổ System activity log

Schedule có thể thực hiện dưới 3 dạng:

o Zone schedule và Event schedule cho các thao tác lệnh đóng mở

o Trending schedule: thu thập dữ liệu từ các MBC về máy tính

o Report schedule: Tự thực hiện các report: in ra, xuất ra màn hình hoặc tạo file

Schedule còn cho phép overrides kế hoạch của một ngày bất kỳ mà không phải thay đổi kế hoạch chung

Cửa sổ Schedule

- Report builder: tạo các report theo nhiều dạng có thể được tạo để kiểm soát hệ thống và

database

Cửa sổ report builder

- Report Viewer: xem các report được tạo hoặc lưu trong bộ nhớ

Cửa sổ report viewer