Tài liệu [6] chương 2_ tong quan ve he thong bms

6 Chương 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BMS (Building Management System) 2.1. BMS là gì? Hình 2.1: Tổng quát về BMS BMS là viết tắt của cụm từ (Building Management System). Là một hệ thống đồng bộ cho phép điều khiển và quản lý mọi hệ thống kỹ thuật trong toà nhà như hệ thống điện, hệ thống cung cấp nước sinh hoạt, điều hoà thông gió, cảnh báo môi trường, an ninh, báo cháy – chữa cháy v.v…, đảm bảo cho việc vận hành các thiết bị trong tòa nhà được chính xác, kịp thời. BMS thực hiện tốt các nhiệm vụ điều khiển vận hành hệ thống, là môi trường thu nhận, quản lý toàn bộ các thông số kỹ thuật của thiết bị, các hệ thống kết nối tới. Thông qua trao đổi thông tin, BMS điều khiển vận hành các thiết bị chấp hành của 7 từng hệ thống kỹ thuật khác nhau hoạt động theo yêu cầu của người quản lý, đảm bảo các yếu tố kỹ thuật cũng như các yếu tố an toàn, an ninh… 2.1.1. Đối tượng quản lý của BMS  Trạm phân phối điê n ê  Máy phát điê n dự phòng ê  Hê ê thống chiếu sáng  Hê ê thống điều hoà và thông gió  Hê ê thống cấp nước sinh hoạt  Hê ê thống báo cháy  Hê ê thống chữa cháy  Hê ê thống thang máy  Hê ê thống âm thanh công cô êng  Hê ê thống thẻ kiểm soát ra vào  Hê ê thống an ninh 2.1.2. Tính năng của BMS  Cho phép các tiện ích (thiết bị thông minh) trong tòa nhà hoạt động một cách đồng bộ, chính xác theo đúng yêu cầu của người điều hành.  Cho phép điều khiển các ứng dụng trong tòa nhà thông qua cáp điều khiển và giao thức mạng.  Kết nối các hệ thống kỹ thuật như an ninh, báo cháy… qua cổng giao diện mở của hệ thống với các ngôn ngữ giao diện theo tiêu chuẩn quốc tế  Giám sát được môi trường không khí, môi trường làm việc của con người  Tổng hợp, báo cáo thông tin.  Cảnh báo sự cố, đưa ra những tín hiệu cảnh báo kịp thời trước khi có những sự cố.  Quản lý dữ liệu gồm soạn thảo chương trình, quản lý cơ sở dữ liệu, chương trình soạn thảo đồ hoạ, lưu trữ và sao lưu dữ liệu. 8  Hệ thống BMS linh hoạt, có khả năng mở rộng với các giải pháp sẵn sàng đáp ứng với mọi yêu cầu. 2.1.3. Lợi ích mang lại từ BMS Lợi ích lớn nhất của hệ thống quản lý toà nhà là cung cấp cho người dùng một môi trường thoải mái, an toàn và thuận tiện. Ngoài ra người dùng cũng như chủ sở hữu có thể tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu nhân lực lao động, đảm bảo các thiết bị luôn làm việc tốt, độ bền cao. BMS rõ ràng tạo ra những lợi thế vượt trội như sau:  Đơn giản hóa và tự động hóa vận hành các thủ tục, chức năng có tính lặp đi lặp lại.  Quản lý tốt hơn các thiết bị trong tòa nhà nhờ hệ thống lưu trữ dữ liệu, chương trình bảo trì bảo dưỡng và hệ thống tự động báo cáo cảnh báo.  Giảm sự cố và phản ứng nhanh đối với các yêu cầu của khách hàng hay khi xảy ra sự cố.  Giảm chi phí năng lượng nhờ tính năng quản lý tập trung điều khiển và quản lý năng lượng.  Giảm chi phí nhân công và thời gian đào tạo nhân viên vận hành – cách sử dụng dễ hiểu, mô hình quản lý được thể hiện trực quan trên máy tính cho phép giảm tối đa chi phí dành cho nhân sự và đào tạo.  Dễ dàng nâng cấp, linh hoạt trong việc lập trình theo nhu cầu, kích thước, tổ chức và các yêu cầu mở rộng khác nhau. 2.2. Ưu điểm của hệ thống BMS 2.2.1. Quản lý hiệu quả, tiết kiệm nhân công Hệ thống BMS cho phép quản lý một cách toàn diện một số lượng lớn dữ liệu và trợ giúp thực thi việc quản lý tinh vi hơn với một đội ngũ nhân viên ít hơn. Hệ thống máy móc tự động làm thay và trợ giúp con người trong nhiều việc. Do việc tích hợp cho phép điều khiển khối lượng lớn dữ liệu, nên việc vận hành toà nhà và các thiết bị có thể thực hiện được bởi một số ít nhân công. 9 2.2.2. Duy trì và tối ưu hóa môi trường Nhiệt độ, độ ẩm, khí CO2, độ sạch, ánh sáng..v..v..sẽ được hệ thống kiểm soát ở giá trị tốt nhất cho con người hoạt động. 2.2.3. Tiết kiệm năng lượng, nhiên liệu Hệ thống BMS giúp kiểm soát chính xác tải nhiệt yêu cầu, đồng thời đáp ứng tối ưu cho nhu cầu sử dụng. Điều này giúp kiểm soát thất thoát năng lượng, đem lại hiệu quả kinh tế cao. Sử dụng hiệu quả năng lượng tự nhiên và hạn chế lãng phí các nguồn nguyên liệu, dùng các biện pháp như điều khiển và duy trì nhiệt độ được đặt trước hoặc sử dụng khí trời khi cần thiết kiểm soát tải trong tòa nhà. Đặc biệt, hệ thống điều khiển máy điều hoà không khí cho phép tạo môi trường dễ chịu nhất cho người, chống lãng phí năng lượng nhờ điều khiển tối ưu và liên tục duy trì ưu điểm này. 2.2.4. Đảm bảo các yêu cầu an toàn Khả năng tích hợp chung với các hệ thống security như camera giám sát (CCTV), kiểm soát ra vào (Access control) giúp đảm bảo tòa nhà luôn được theo dõi và phản ứng tự động với các mối nguy. Bằng việc tập trung thông tin toàn bộ các thiết bị về đơn vị xử lý trung tâm, ta có thể dễ dàng xác định trạng thái của thiết bị, vận hành và khắc phục các sự cố như mất điện, hỏng, cháy. Với hệ thống an ninh tích hợp, ta có thể yên tâm về sự an toàn của người sử dụng trong toà nhà, bảo mật thông tin cá nhân mà không làm mất sự thoải mái. 2.2.5. Nâng cao sự thuận tiện cho con người sử dụng Với BMS, các chỉ thị về điều chỉnh nhiệt độ, ánh sáng, âm thanh, kiểm soát vùng đều được thực hiện dễ dàng hơn. Thậm chí cũng không cần nhiều người để tác động vì hệ thống máy tính tập trung và kết nối internet có thể giúp ra chỉ lệnh ở bất kỳ đâu. Việc tích hợp nhiều tính năng trong các thiết bị giúp người dùng luôn cảm nhận được sự thoải mái. Ví dụ, luôn có thể thoải mái ra vào suốt 24 giờ, cài đặt 10 nhiệt độ dễ dàng, đặt chế độ thời gian, theo dõi trạng thái thời tiết bên ngoài và thông tin quản lý, điều hành của toà nhà 2.3. Cấu hình hệ thống BMS Bộ điều khiến sử dụng vi xử lý tạo nên cấu hình theo kiểu cấp bậc cho hệ thống BMS hay còn gọi là lớp (tier) của bộ xử lý. 2.3.1. Bộ điều khiển cấp vùng Đây là bộ điều khiển sử dụng bộ vi xử lý, cung cấp khả năng điều khiển trực tiếp tới các thiết nằm trong phạm vi cấp vùng, như bơm nhiệt, hộp điều lượng gió (VAV – Variable Air Volume), thiết bị cấp gió đơn vùng. Bộ điều khiển cấp này cũng có thể sử dụng phần mềm quản lý năng lượng. Tại cấp xử lý vùng, cảm biến liên lạc trực tiếp với thiết bị được điều khiển. Một bus liên lạc 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 tại hệ thống và ở cấp xử lý hoạt động. Các bộ điều khiển cấp vùng tiêu biểu có một cổng hoặc kênh giao tiếp để hỗ trợ sử dụng thiết bị đầu cuối di động trong quá trình thiết lập ban đầu và cả những lần điều chỉnh sau đó. 2.3.2. Bộ điều khiển cấp hệ thống Bộ điều khiển cấp này có công suất lớn hơn bộ điều khiển cấp vùng nếu xét trên phương diện các điểm, vòng DDC 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 cung cấp khí, hệ VAV trung tâm và hệ thống làm mát. Ngoài ra, nó còn thực thi điều khiển ánh 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 cầm 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 11 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 thông qua tín hiệu cảnh báo hỏa hoạn, cảnh báo an ninh, bảo mật truy cập. 2.3.3. Bộ xử lý cấp hoạt động Bộ xử lý cấp này giao tiếp chủ yếu với vận hành viên hệ BMCS. 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 thẩm quyền. - Xâm nhập hệ thống: Cho phép những người có thẩm quyền chọn và lấy dữ liệu thông qua PC và một số thiết bị khác. - Định dạng dữ liệu: Tập hợp các điểm hệ thống ngẫu nhiên thành định dạng nhóm logic để hiện thị và in ấn. - Lập trình tùy biến: Phát triển các chương trình DDC theo nhu cầu tại cấp độ hoạt động rồi tải xuống từng bộ điều khiển cấp hệ thống và cấp vùng chuyên biệt hoặc từ xa. - Đồ họa: Kết hợp với dữ liệu động về hệ thống xây dựng các màn hình đồ họa theo yêu cầu. - Report chuẩn: Tự động cung cấp các report chuẩn theo định kỳ và theo yêu cầu hoạt động. - Report 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. 12 - Tích hợp hệ thống: Cung cấp cổng liên lạc và chức năng điều khiển cho các hệ thống phụ (HVAC, cứu hỏa, an ninh, điều khiển truy cập.v.v...) 2.3.4. Bộ xử lý cấp quản lý Đây là cấp cao nhất trong cấu trúc của hệ BMS. 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 khẩn cấp. Bộ xử lý cấp quản lý thu thập, lưu trữ, xử lý dữ liệu như mức độ tiêu thụ điện năng, chi phí vận hành và hoạt động cảnh báo, các báo cáo để làm cơ sở hoạt định quản lý và vận hành lâu dài. 2.4. Thiết bị điều khiển tự động 2.4.1. Thiết bị điều khiển điện Hình 2.2: Sơ đồ điều khiển máy điều hòa không khí Các phần tử cảm biến, bộ điều khiển và thiết bị cài đặt được thiết kế thành một khối. Phương thức này đọc về các thay đổi nhiệt độ và độ ẩm khi ống xếp hoặc 13 màng ngăn có dịch chuyển cơ học và trực tiếp điều khiển các phần tử cuối như van động cơ, van điều tiết khí động cơ, máy làm ẩm hoặc máy nén v.v. Điện năng dùng để truyền tín hiệu hoặc làm nguồn cho các dịch chuyển cơ học. Cả hai loại lắp trong phòng hoặc trong ống để xác định nhiệt độ, độ ẩm, áp suất và các biến số khác. Có kết cấu đơn giản và dễ sử dụng. Do đó, thiết bị đơn giản và giá thành thấp. Phương pháp này được ứng dụng khi không đòi hỏi độ chính xác quá cao. 2.4.2. Thiết bị điều khiển điện tử Trong các thiết bị điều khiển điện tử, các bộ điều khiển và phần tử cảm biến đặt cách xa nhau. Các bộ điều khiển thường được lắp trên các tủ điều khiển trong phòng điều khiển. Vì bộ điều khiển điện tử dùng các mạch điện tử (mạch số), nên có thể xử lý các giá trị đo khác nhau như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu tốc, CO2, tỷ trọng v.v. và đáp ứng điều khiển chính xác cao, hiển thị và cho phép xác lập các giá trị đo từ xa. Do đầu ra là các tín hiệu đa dụng, nên cần sử dụng các bộ chuyển đổi như bộ lựa chọn cao/thấp, bộ điều chế tỷ lệ hoặc các thiết bị bổ trợ khác, ngoài ra các bộ điều khiển điện tử có thể được sử dụng như các bộ điều khiển lựa chọn hoặc điều khiển giới hạn. - Bộ lựa chọn cao /thấp: Thiết bị lựa chọn tín hiệu lớn (hoặc bé) từ hai tín hiệu đầu vào và gửi ra. - Bộ điều chế tỷ lệ: Thiết bị xuất tín hiệu ra, biến đổi điểm đầu, cuối hoặc tốc độ thay đổi của các tín hiệu vào. 2.4.3. Bộ điều khiển kỹ thuật số trực tiếp DDC Hình 2.3: Bộ điều khiển trực tiếp DDC 14 Theo định nghĩa của hiệp hội sản xuất thiết bị đo lường điện Nhật Bản, DDC là "quá trình điều khiển, trong đó các chức năng của bộ điều khiển được thực hiện bởi một thiết bị số". Tuy nhiên, ở đây, DDC là "một bộ điều khiển, trong đó tích hợp chức năng hệ điều khiển tự động và chức năng giám sát từ xa sử dụng bộ vi xử lý để xử lý dữ liệu". Các đặc điểm của DDC, cấu trúc mẫu, so sánh với thiết bị điện tử được liệt kê dưới đây. - Cài đặt, hiển thị và xử lý, khử lỗi trong quá trình truyền và tính toán, cho phép đo lường và điều khiển ở độ chính xác cao. - Tất cả các tín hiệu vào và ra đều được chuyển về thiết bị giám sát trung tâm, có thể quản lý chính xác và chi tiết hơn. - DDC cho phép điều khiển và quản lý phân tán tới từng đơn vị, không chỉ cho các máy điều hòa khí mà còn với các dàn lạnh (FCU), các khối VAV (đơn vị thể tích khí thay đổi) và các máy làm lạnh. - Chức năng truyền phát cùng được tích hợp. Chỉ yêu cầu một cảm biến vừa thực hiện đo lường vừa điều khiển. - Thành phần có chức năng tự chẩn đoán cho phép phản ứng nhanh khi phát sinh lỗi. - Thiết bị cài đặt màn hình LCD và các cảm biến không dây có thể kết nối dễ dàng giúp điều khiển dễ dàng. - Chương trình dễ dàng bổ sung và sửa đổi để thích ứng với các thay đổi trong phòng, chẳng hạn khi dịch chuyển các bộ phận, thiết bị. - Chức năng điều khiển và trạm kiểm soát từ xa được tích hợp trong bộ điều khiển để tiết kiệm diện tích tủ điều khiển. - Dễ dàng nâng cấp và bổ sung các cảm biến và các điều khiển cuối cùng loại. Có khả năng truyền phát tín hiệu tín hiệu vào ra của cảm biến và các phần tử điều khiển cuối. 15 Hình 2.4: Sơ đồ kết nối bộ điều khiển trực tiếp (DDC) 2.4.4. Phần tử thông minh Để bổ sung chức năng cho DDC, người ta tạo ra chuỗi phần tử là các thiết bị cấp trường cung cấp thông tin bản thân thiết bị và điều kiện điều khiển. Đặc tính và cấu hình mẫu của chúng được chỉ ra dưới đây. - Truyền tất cả các tín hiệu vào/ra tới BMS trung tâm thông qua kênh truyền thông SA-net. Tốc độ truyền dữ liệu tốt hơn trên đường dây thường. - Từ cảm biến nhiệt độ phòng đến van điều khiển, các thiết bị chính trong điều khiển AHU đều nằm trong thành phần chuỗi. - ACTIVAL PLUS là một thành phần trong chuỗi phần tử thông minh. Đây là van điều khiển động cơ với chức năng đo lường và điều khiển lưu lượng để điều khiển vận tốc dòng nước lạnh và nóng bằng cách đo lưu lượng chứ không chỉ điều chỉnh độ mở của van. - ACTIVAL PLUS tính toán lưu lượng bằng cách đo độ chênh áp, đo được bởi cảm biến áp suất lắp bên trong, nhân với Cv, tính bởi vị trí mở van nhân với một hằng số. 16 - Màn hình LCD lắp trên tường để hiển thị giá trị đo của áp suất, nhiệt độ, tốc độ dòng tính được từ ACTIVAL PLUS. Hình 2.5: Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển trung tâm 2.5. Cơ sở điều khiển tự động Phần này trình bày cơ sở điều khiển tự động, các yếu tố quan trọng trong điều khiển máy điều hòa không khí như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu tốc.v.v... 2.5.1. Tổng quan về điều khiển tự động Đối với một hệ thống điều khiển, sự thay đổi các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, độ bức xạ mặt trời và những thay đổi trong phòng như số người đều được xem như những nhiễu loạn. Nếu không có thay đổi nào của các điều kiện bên trong cũng như bên ngoài thì một khi van (phần tử điều khiển cuối) được đóng ở chế độ vị trí tối ưu, nhiệt độ sẽ được giữ không đổi. Tuy nhiên luôn có sự dao động của các điều kiện bên trong, bên ngoài, do vậy chúng ta luôn cần đến điều khiển tự động. 17 Hình 2.6: Thay đổi thông số đặt theo thời gian Khi có sự thay đổi do đặt lại nhiệt độ hoặc do các nhiễu loạn sẽ có một giai đoạn trễ xảy ra trong hệ thống cho đến khi các tác động được thực hiện và nhiệt độ thực tế của phòng bắt đầu thay đổi. Giai đoạn này được gọi là độ trễ. Thời gian từ khi nhiệt độ bắt đầu thay đổi đến khi ổn định được gọi là hằng số thời gian. Yêu cầu về chất lượng của hệ điều khiển tự động gồm tốc độ phản ứng và độ ổn định. Tốc độ phản ứng nhanh nghĩa là đạt được giá trị điều chỉnh càng nhanh càng tốt. Còn độ ổn định được đánh giá bằng khả năng duy trì không đổi giá trị đã điều chỉnh. Để thiết kế hệ điều khiển tự động, chức năng và chất lượng phải được xác định phù hợp với đặc điểm ứng dụng và ngân sách. 2.5.2. Ứng dụng thiết bị điều khiển tự động Theo nguyên lý hoạt động và cấu tạo, các thiết bị điều khiển tự động trong hệ thống điều hòa không khí được phân loại như sau: - Điều khiển điện - Điều khiển điện tử - Điều khiển khí nén - Điều khiển điện-khí nén - Điều khiển kỹ thuật số trực tiếp (DDC) Ở Nhật Bản, so với Mỹ và Châu Âu, phương pháp khí nén/điện-khí nén sử dụng áp lực chất khí làm tín hiệu đầu vào được ứng dụng rất ít, ví dụ như trong điều khiển máy làm lạnh hoặc hệ thống chống nổ với các van lớn, hoặc tại các bệnh viện nơi sử dụng rất nhiều van điều chỉnh. 18 Trong các thiết bị điều khiển điện, các phần tử cơ khí như tấm ngăn hoặc các đĩa nhựa được sử dụng ,các phần tử cảm biến và phần tử điều khiển được kết hợp trong một khối riêng biệt. Những thiết bị này thường được sử dụng vì sự thuận tiện và giá thành sản phẩm thấp. Tuy nhiên, người ta chờ đợi sự thay thế các thiết bị điện bằng các sản phẩm số hóa điện tử với những tính năng tương tự. Những bộ vi xử lý đã nhanh chóng được ứng dụng trong các thiết bị điện tử, nhưng các bộ điều khiển số trực tiếp DDC mới là các bộ được sử dụng rộng rãi. Về cơ bản bộ điều khiển số trực tiếp DDC là thiết bị có nhiều chức năng và tiện lợi nhờ khả năng truyền thông với hệ thống quản lý toà nhà chính. Đó là điểm khác biệt so với các thiết bị điện tử có tích hợp bộ vi xử lý.