Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng hệ thống quản lý tòa nhà thông minh ibms nguyễn văn hoàn

NGUYỄN VĂN HOÀN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------------------------------------- CHUYÊN NGÀNH : ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGUYỄN VĂN HOÀN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ TÒA NHÀ THÔNG MINH IBMS LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH : ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG KHOÁ 2010 - 2012 HÀ NỘI - 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------------------------------------- NGUYỄN VĂN HOÀN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ TÒA NHÀ THÔNG MINH IBMS LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH : ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN VĂN KHANG HÀ NỘI - 2012 LỜI CAM ĐOAN Cuốn luận văn này là sản phẩm của quá trình tìm tòi, nghiên cứu và trình bày của tác giả về đề tài trong luận văn với sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của PGS.TS Nguyễn Văn Khang. Mọi số liệu, quan điểm, quan niệm, phân tích, kết luận của các tài liệu và các nhà nghiên cứu khác đều được trích dẫn theo đúng qui định. Vì vậy, tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng mình. Hà Nội, ngày tháng Tác giả năm 2012 NGUYỄN VĂN HOÀN Trang 1 Mục lục MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................1 DANH MỤC BẢNG BIỂU………………………………………………………… 4 DANH MỤC HÌNH VẼ……………………………………………………………. 5 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT……………………………………………………..6 LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................7 CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU CHUNG .......................................................................9 1.1. Tổng quan hệ thống quản lý tòa nhà BMS .................................................10 1.2. Lợi ích của việc ứng dụng hệ thống BMS ...................................................11 1.3. Phân cấp hệ thống quản lý và điều khiển ....................................................14 1.3.2. Cấp trường .........................................................................................15 1.3.2. Cấp điều khiển hệ thống ....................................................................15 1.3.3. Cấp vận hành, giám sát và quản lý ....................................................16 1.4. Truyền thông trong BMS............................................................................. 17 1.4.1. Lớp mạng mức quản lý .....................................................................17 1.4.2. Lớp mạng mức điều khiển...……………………………………...…18 1.4.3. Lớp mạng mức trường .......................................................................18 1.5. Các giao thức ứng dụng cho hệ thống BMS ................................................18 1.5.1 Giao thức BACnet ..............................................................................18 1.5.2 Giao thức LonWorks ..........................................................................21 1.6 Xu hướng phát triển mới của hệ thống BMS .........................................23 1.7 Kết luận chương .....................................................................................24 CHƯƠNG 2 – HỆ THỐNG THIẾT BỊ VÀ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG BMS ......................................................................................25 2.1. Máy chủ .......................................................................................................25 2.1.2. Máy chủ quản lý hệ thống .................................................................26 2.1.3. Máy chủ lưu trữ dữ liệu .....................................................................26 Trang 2 Mục lục 2.1.4. Máy chủ quản lý năng lượng .............................................................26 2.1.5. Máy chủ dữ liệu an ninh ....................................................................26 2.2. Máy chủ dự phòng ......................................................................................26 2.3. Máy tính khách ...........................................................................................27 2.4. Các thiết bị ngoại vi .....................................................................................28 2.4.1 Máy in ................................................................................................28 2.4.2 Bộ lưu điện (UPS) online ...................................................................28 2.5 Bộ điều khiển số trực tiếp .............................................................................28 2.5.1. Tính năng của Bộ điều khiển số DDC ..............................................28 2.5.2. Đặc tính kỹ thuật của Bộ điều khiển số trực tiếp DDC .....................30 2.6 Bộ điều khiển giao tiếp mạng NAE ..............................................................32 2.7. Thiết bị cấp trường ......................................................................................36 2.8. Các giao thức truyền thông ..........................................................................38 2.9. Phần mềm quản lý, giám sát điều khiển hệ thống EBI .............................. 39 2.10. Bộ điều khiển số EXCEL WEB và các modul vào ra .............................. 48 2.10.1.Bộ điều khiển số trực tiếp EXCEL WEB .........................................48 2.10.2. Các modul vào ra(I/O Module) ....................................................... 54 2.11. Kết luận chương ................................................................................. 55 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG BMS CHO TÒA NHÀ BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG ..................................................................................................56 3.1. Yêu cầu BMS của toà nhà ....................................................................56 3.1.1. Tổng quan về toà nhà Bộ tài nguyên và Môi trường Việt Nam ........56 3.1.2. Nhiệm vụ thiết kế chung ...................................................................57 3.2 Kết nối hệ thống BMS tới các hệ thống khác trong tòa nhà ........................59 3.3 TÍCH HỢP HỆ THỐNG ...............................................................................71 3.4 Kết luận chương ...........................................................................................82 CHƯƠNG 4 - TÍCH HỢP CÁC HỆ THỐNG ........................................................ 83 4.1 Hệ thống điện .............................................................................................. 83 4.2 Hệ chiếu sáng .............................................................................................. 87 Trang 3 Mục lục 4.3 Hệ thống điều hòa VRV .............................................................................. 94 4.4 Hệ thống thông gió ...................................................................................... 96 4.5 Hệ thống phòng cháy chữa cháy ................................................................. 98 4.6 Hệ thống cấp thoát nước ........................................................................... 101 4.7 Hệ thống PA ............................................................................................... 103 4.8 Hệ thống thang máy .................................................................................. 104 4.9 Hệ thống an ninh vào ra ............................................................................ 105 4.10 Công cụ lập trình đồ họa CARE ............................................................. 114 4.11 Tạo giao diện quản lý tòa nhà EBI........................................................... 115 4.12 Kết luận chương ...................................................................................... 117 KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ..................... 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................119 Trang 4 Danh mục bảng biểu DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3-1. Bảng tóm tắt chức năng và phương thức kết nối của hệ BMS.................60 Bảng 3-2. Hệ thống thiết bị và các điểm đấu nối vào ra tầng hầm..........................61  Bảng 3-3. Hệ thống thiết bị và các điểm đấu nối vào ra tầng 1…………………...63  Bảng 3-4. Hệ thống thiết bị và các điểm đấu nối vào ra tầng 2…………………...65  Bảng 3-5. Hệ thống thiết bị và các điểm đấu nối vào ra tầng 3……………….......66  Bảng 3-6. Hệ thống thiết bị và các điểm đấu nối vào ra tầng 4.. ……….……...…67  Bảng 3-7. Hệ thống thiết bị và các điểm đấu nối vào ra tầng 5………………...…67  Bảng 3-8. Hệ thống thiết bị và các điểm đấu nối vào ra tầng 6 ÷18………………68  Trang 5 Danh mục chữ viết tắt DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1: Mô hình hệ thống BMS ............................................................................14 Hình 1-2: Kiến trúc của giao thức BACnet...............................................................20 Hình 1 - 3: Kiến trúc giao thức Lonworks ................................................................21 Hình 2- 1 Bộ điều khiển số trực tiếp DDC................................................................30 Hình 2- 2 Bộ điều khiển giao tiếp mạng ...................................................................32 Hình 2-3. Phần mềm EBI ..........................................................................................39 Hình 2-4. Các chuẩn mở EBI ....................................................................................42 Hình 2- 5. Giao diện người vận hành........................................................................42 Hình 2-6. Giao diện vận hành phần mềm Excel web................................................50 Hình 4-1. Hệ thống điện…………………………………………………….. …….84 Hình 4-2. Hệ thống chiếu sáng..................................................................................87 Hình 4-3. Hệ thống chiếu sáng sử dụng công nghệ EIB...........................................89 Hình 4-4. Hệ thống kết nối EIB................................................................................50 Hình 4-5. Giao thức mạng của hệ thống EIB............................................................91 Hình 4-6. Sơ đồ điện thông thường...........................................................................92 Hình 4-7. Hệ thống điện sử dụng EIB.......................................................................92 Hình 4-8. Hệ thống điều hòa VRV............................................................................95 Hình 4-9. Hệ thống thông gió...................................................................................96 Hình 4-10. Hệ thống phòng cháy chữa cháy.............................................................99 Hình 4-11. Hệ thống cấp thoát nước.......................................................................102 Hình 4-12. Hệ thống thang máy..............................................................................104 Hình 4-13. Hệ thống an ninh vào ra........................................................................105 Hình 4-14. Server điểm LonWork với hệ thống EBI..............................................117 Trang 6 Danh mục chữ viết tắt DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT STT Viết tắt Mô tả 1 AC AHU Controller Bộ điều khiển AHU 2 AHU Air Handing Unit Máy điều hòa không khí 3 AI Analog Input Đầu vào tương tự 4 AO Analog Output Đầu ra tương tự 5 BACnet Data communications Protocol for Giao thức truyền thông dữ Building Automation and Control liệu cho mạng điều khiển tự Networks động hóa tòa nhà 6 BA Building Automation Tự động hóa tòa nhà 7 BMS Building Management System Hệ thống quản lý tòa nhà 8 CCTV Closed- Circuit Television Hệ thống truyền hình 9 DDC Direct Digital Controller Bộ điều khiển số trực tiếp 10 DVM Digital Video Manager Bộ quản lý video số 11 DI Digital Input Đầu vào số 12 DO Digital Output Đầu ra số 13 EBI Enterprise Building Intergrator Tích hợp hệ thống tòa nhà 14 FCU Fan Coil Unit Dàn quạt lạnh 15 HDD Hard Disk Driver Ổ cứng 16 HVAC Heating, Ventilation and Air Conditioning Điều hòa lưu thông không khí 17 I/O Input/ Output Đầu vào/ đầu ra 18 IBMS Intelligent Building Management System Hệ thống quản lý tòa nhà thông minh 19 IP Internet Protocol Giao thức mạng 20 LAN Local Area Network Mạng máy tính cục bộ 21 MCCB Molded Case Circuit Breaker Máy cắt cục bộ 22 MODBUS Modbus Giao thức Modbus 23 OPC Object Linking and Embedding for Process Control Điều khiển quá trình cho các đối tượng liên kết và nhúng 24 UPS Uninterrptible Power System Bộ lưu điện 25 VAV Variable Air Volume Bộ điều khiển lưu lượng gió biến đổi Trang 7 Lời mở đầu LỜI MỞ ĐẦU Tự động hóa, trong những năm gần đây khái niệm này đã trở nên quen thuộc chứ không còn là khái niệm chỉ được sử dụng trong những lĩnh vực chuyên môn kỹ thuật đặc thù. Tự động hóa đã góp mặt trong mọi lĩnh vực từ sản xuất cho đến phục vụ cuộc sống hằng ngày. Mục tiêu của công nghệ tự động hóa là xây dựng một hệ thống mà trung tâm là con người, ở đó con người thực hiện việc đặt ra các yêu cầu còn mọi thao tác thực hiện yêu cầu đó, tùy theo từng lĩnh vực, từng quá trình, được đảm nhận bởi những hệ thống kỹ thuật đặc trưng. Hệ quả là giải phóng sức lao động con người, nâng cao hiệu quả sản xuất. Trên thế giới, các hệ thống thông minh, tự động điều khiển đã được áp dụng từ rất sớm và cho thấy những đóng góp quan trọng không thể phủ nhận. Việc xây dựng công trình ngày nay gần như không thể thiếu việc triển khai, áp dụng các hệ thống tự động. Với các công trình xây dựng công nghiệp và dân dụng, các hệ thống kỹ thuật tự động gọi chung là hệ thống tự động hóa tòa nhà đóng một vai trò quan trọng trong việc duy trì một điều kiện làm việc lý tưởng cho công trình, cho con người và các thiết bị hoạt động bên trong công trình. Một hệ thống tự động hoàn chỉnh sẽ cung cấp cho công trình giải pháp điều khiển, quản lý điều kiện làm việc như nhiệt độ, độ ẩm, lưu thông không khí, chiếu sáng, các hệ thống an ninh, báo cháy, quản lý hệ thống thiết bị kỹ thuật, tiết kiệm năng lượng tiêu thụ cho công trình, thân thiện hơn với môi trường. Ở Việt Nam, những năm gần đây cũng không khó để nhận ra những đóng góp của các hệ thống tự động trong các công trình công nghiệp và dân dụng. Những khái niệm về quản lý tòa nhà, tiết kiệm năng lượng công trình, bảo vệ môi trường… không còn quá mới mẻ. Tuy nhiên, mức độ áp dụng các hệ thống này nói chung vẫn có giới hạn, chưa thực sự sâu và rộng. Điều này sẽ thay đổi nhanh chóng trong những năm tới đây, khi nhịp độ xây dựng những công trình hiện đại ngày càng cao, khi những hệ thống tự động hóa tòa nhà ngày càng có năng lực và độ tin cậy lớn hơn, lợi ích của việc áp dụng những hệ thống này ngày càng rõ nét. Trang 8 Lời mở đầu Cuốn luận văn có bố cục gồm 4 chương sẽ cung cấp những kiến thức cơ bản trong việc thiết kế hệ thống tự động hóa tòa nhà, từ những hệ thống điều hòa thông gió đến những hệ thống quản lý chiếu sáng, an ninh, báo cháy, quản lý năng lượng công trình… Chương 1 cho chúng ta cái nhìn tổng quan về hệ thống quản lý tòa nhà BMS. Nội dung của chương xoay quanh việc tập trung mô tả các tính năng, lợi ích các hệ thống cần tích hợp trong hệ thống quản lý tòa nhà như: acess control, hệ thống quản lý điện năng, lighting control, hệ thống điều hòa thông gió, thang máy, ... Từ đó tác giả đưa ra cấu trúc mạng và phương thức truyền thông như BACnet, MODbus, LONworks, OPC,... để ghép nối các thiết bị cấp trường, các bộ điều khiển số DDC, các cấp quản lý để điều khiển và giám sát hệ thống. Để cụ thể hóa nội dung của chương 1, chương 2 sẽ trình bày về cấu trúc của một hệ thống BMS, các yêu cầu về thiết bị, bộ điều khiển và các phần mềm, sử dụng trong hệ thống quản lý tòa nhà. Trong chương này, tập trung mô tả đặc tính của hệ thống các máy chủ trong phòng điều khiển trung tâm và phần mềm quản lý giám sát hệ thống EBI (Enterprise Building intergrator), tác giả trình bày về phần mềm và đặc tính của bộ điều khiển số EXCEL WEB và các modul vào ra. Chương 3 thể hiện chi tiết quá trình thiết kế hệ thống quản lý tòa nhà trụ sở Bộ tài nguyên và môi trường. Trong chương này, tác giả lần lượt trình bày từng khâu thiết kế từ việc trình bày cấu trúc hệ thống kỹ thuật tòa nhà rồi sau đó là các quá trình lựa chọn thiết bị như lựa chọn máy chủ, bộ điều khiển số, các thiết bị đầu cuối như cảm biến nhiệt, cảm biến độ ẩm, cảm biến chênh áp, công tắc dòng chảy, công tắc lưu lượng gió,van điều khiển,... Một yêu cầu cốt yếu của hệ thống quản lý tòa nhà là phải tích hợp các hệ thống riêng lẻ lại để vận hành, quản lý và giám sát. Điều này được tác giả trình bày vắn tắt trong chương cuối cùng của cuốn luận văn là chương 4. Trong đó, tác giả lần lượt đi sâu giải thích các chức năng, các tín hiệu đầu vào ra, phương thức tích hợp của từng hệ thống. Qua đây, tôi xin gửi lời cám ơn tới gia đình, đồng nghiệp và các thầy cô trong Viện Điện tử - Viễn Thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã ủng hộ và giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn. Đặc biệt, tôi xin chân thành cám ơn PGS.TS Nguyễn Văn Khang đã nhiệt tình chỉ bảo để tôi hoàn thành cuốn luận văn này. Trang 9 Chương 1 - Giới thiệu chung CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU CHUNG Hiện nay với sự phát triển như vũ bão của thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa, mỗi quốc gia đều đặt mình trong sự phát triển và hội nhập kinh tế toàn cầu đó. Việt nam chúng ta đã tiến được những bước dài trên nhiều lĩnh vực đáng khích lệ, đặc biệt là kinh tế. Cùng với những bước tiến và thành công đó, qui mô các đô thị ngày một cao với hàng loạt các công trình kiến trúc đồ sộ mọc lên để phục vụ cho nhu cầu ngày một cao của con người. Các trung tâm thương mại, công trình tổ hợp dịch vụ ngày càng được con người quan tâm hơn. Trong các công trình đó có thể kể đến trước nhất là các tòa nhà cao tầng phục vụ cho mục đích kinh tế cũng như giải trí và sinh hoạt. Các tòa nhà thông thường phải có các yêu cầu tối thiểu các hệ thống sau: - Hệ thống cung cấp điện, chiếu sáng - Hệ thống cung cấp nước - Hệ thống thông gió Và khi nhu cầu ngày một tăng thì các tòa nhà còn có thêm các hệ thống khác như: - Hệ thống điều hòa không khí (kết hợp thông gió) - Hệ thống điều khiển ra vào, giám sát tòa nhà - Hệ thống báo động, báo cháy, báo khói…… - Hệ thống thông tin nội bộ Có thể phân loại các hệ thống này thành ba nhóm chính là : - Hệ thống giám sát và báo động. - Hệ thống quản lý năng lượng. - Hệ thống thông tin. Theo thống kê thì ở Việt Nam hiện nay 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 BMS. Tất cả thiết bị của các hệ thống điều hòa, báo cháy,.. được điều khiển riêng biệt, các bộ điều khiển này không trao đổi thông tin với nhau, không có quản lý và giám sát chung và phần quản lý Trang 10 Chương 1 - Giới thiệu chung điện năng thì mới ở mức thấp. 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. Qua đây ta thấy tính cấp thiết phải trang bị hệ thống BMS cho các nhà cao tầng ở Việt Nam. Ngày nay, các tòa nhà cao tầng không chỉ đạt tiêu chí diện tích sử dụng mà còn phải đạt tiêu chí về tiết kiệm điện năng, đạt tiêu chí về môi trường, tiêu chí về tiện nghi, tiêu chí về hệ thống thông tin, tiêu chí về an ninh, ... Tùy thuộc vào loại nhà cao tầng mà các hệ thống BMS phải trang bị cho phù hợp với các mục đích sử dụng và môi trường các tòa nhà đó được khai thác. Các hệ thống BMS này đã được chuẩn hóa và được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Các hãng cung cấp các sản phẩm này đã xâm nhập vào thị trường Việt nam như: Johnson Control, Siemens, Honeywell, Yamatake... Thuật ngữ BMS ra đời vào đầu những năm 1950 và được áp dụng phổ biến trong khoảng 20-30 năm trở lại đây dựa trên cơ sở phát triển của công nghệ tự động hóa và khả năng tích hợp hệ thống. 1.1. Tổng quan hệ thống quản lý tòa nhà BMS Chức năng chính của hệ thống quản lý tòa nhà Buiding Management System (BMS) là tích hợp phân tích và xử lý dữ liệu nhận được từ các hệ thống liên quan từ đó đưa ra phương hướng xử lý và vận hành cho tòa nhà sao cho đạt được mức tối ưu nhất . Hệ thống BMS dựa trên nền tảng của hệ điều khiển phân tán Distributed Control System - DCS, phần mềm điều khiển đóng vai trò giao diện người máy HMI giữa máy tính điều khiển với các bộ điều khiển kỹ thuật số. Hệ thống sẽ hoạt động ổn định tại các thiết bị điều khiển số DDC cho dù có các gián đoạn truyền thông trong mạng điều khiển hay có sự cố đối với các máy tính điều khiển của hệ thống mạng tại cấp quản lý điều khiển tại phòng điều khiển trung tâm. Trang 11 Chương 1 - Giới thiệu chung Chúng ta biết rằng trong tòa nhà có nhiều hệ thống kỹ thuật khác nhau, sử dụng công nghệ khác nhau và mức độ tự động hóa khác nhau. Vì vậy BMS sẽ tích hợp các hệ thống trên thành một thể thống nhất thông qua mạng truyền thông, các giao thức truyền thông quốc tế như là BACnet, MODbus, LONworks, Profilebus, OPC…. Qua đó các hệ thống có thể trao đổi thông tin với nhau và BMS dùng các thông tin này để tối ưu hóa hoạt động của các hệ thống kỹ thuật tòa nhà. Đối với những dịch vụ mà không có hệ thống con thông minh thì những dịch vụ này sẽ được điều khiển trực tiếp thông qua bộ mã hoá của hệ thống quản lý tòa nhà BMS hoặc trực tiếp tới bộ điều khiển. Mục tiêu của một hệ thống BMS là: ƒ Cung cấp chức năng giám sát và vận hành thời gian thực đối với các thiết bị kỹ thuật trong hệ thống. ƒ Cho phép sự quan sát toàn diện và điều khiển đơn giản thông qua giao diện người dùng thân thiện. ƒ Quản lý tất cả các điểm dữ liệu. ƒ Cung cấp khả năng lưu trữ và hiển thị lại dữ liệu trong quá khứ trong trường hợp người dùng có yêu cầu. ƒ Trao đổi dữ liệu với các hệ thống kết nối tới BMS ƒ Máy trạm của hệ thống BMS có thể đặt tại phòng điều khiển trung tâm hoặc tại hiện trường, được kết nối tới hệ thống qua mang LAN. Có khả năng kết nối tới nhiều máy trạm trong cùng một thời điểm. ƒ Cung cấp khả năng truy cập vào hệ thống từ Internet Explorer bằng user name và mật khẩu. Tất cả các hoạt động truy cập đều sẽ được ghi chép lại, và tự động truy xuất khỏi hệ thống sau một thời gian đủ dài không hoạt động. 1.2. Lợi ích của việc ứng dụng hệ thống BMS Ưu điểm lớn nhất của hệ thống BMS là cung cấp cho người dùng một môi trường thoải mái, an toàn và tiện lợi. Ngoài ra còn giúp cho chủ sở hữu(người vận hành) tiết kiệm năng lượng, giảm bớt nguồn nhân lực vận hành, đảm bảo các thiết bị Trang 12 Chương 1 - Giới thiệu chung hoạt động tốt. Việc ứng dụng giải pháp quản lý tích hợp các hệ thống dịch vụ trong tòa nhà mang lại các lợi ích chính sau: • Đơn giản hóa công việc vận hành: các thủ tục, các chức năng có tính lặp đi lặp lại được chương trình hóa để vận hành tự động. • Rút ngắn được thời gian đào tạo cho nhân viên vận hành: Do có các chỉ dẫn trực tiếp trên màn hình cũng như giao diện người-máy trực quan của tòa nhà. Có thể thực hiện nhiều chức năng quản lý hơn nhờ sử dụng nhiều nguồn thông tin. • Giảm chi phí năng lượng: quản lý tập trung việc điều khiển và quản lý năng lượng. Dùng các biện pháp như điều khiển và duy trì nhiệt độ được đặt trước hoặc sử dụng khí trời khi cần thiết để giảm tải trong tòa nhà. • Đảm bảo các yêu cầu an toàn: Bằng việc tập trung thông tin toàn bộ các thiết bị về đơn vị xử lý trung tâm có thể dễ dàng xác định trạng thái thiết bị, vận hành và khắc phục sự cố như mất điện, báo khói, báo cháy. Nhờ vào hệ thống dữ liệu lưu trữ, chương trình bảo trì bảo dưỡng và hệ thống tự động báo cáo các cảnh báo. Phản ứng nhanh với các đòi hỏi của người sử dụng và các sự cố kỹ thuật xảy ra. • Linh hoạt trong việc lập trình theo như cầu, kích thước, tổ chức và các yêu cầu mở rộng. Cải tiến hệ thống vận hành bằng việc tích hợp hệ thống phần mềm và phần cứng của nhiều hệ thống con khác nhau như: báo cháy, an toàn, điều khiển truy nhập hay điều khiển chiếu sáng. Với vòng đời khoảng 40 năm, chi phí đầu tư ban đầu của một tòa nhà hiện đại sẽ trở nên rất nhỏ bé so với tổng chi phí vận hành tòa nhà đó: Chi phí vận hành chiếm khoảng 75% tổng chi phí, trong khi chi phí đầu tư cho thiết kế và xây dựng cơ bản chỉ chiếm 11% [1]. Ngày nay các tòa nhà hiện đại được trang bị nhiều hệ thống dịch vụ đắt tiền nhằm đáp ứng như cầu ngày càng cao của người sử dụng, phải đáp ứng được các yêu cầu: • Đảm bảo chất lượng • Hoạt động tin cậy Trang 13 Chương 1 - Giới thiệu chung • Hiệu suất • Kéo dài tuổi thọ Việc ứng dụng giải pháp tích hợp cho tòa nhà cho phép tập trung hóa và đơn giản hóa việc giám sát, vận hành và quản lý tòa nhà, cho phép quản lý và giám sát thiết bị trong tòa nhà tốt hơn thông qua dữ liệu lịch sử, các chương trình bảo trì bảo dưỡng, hệ thống cảnh báo, từ đó giảm xác suất lỗi xảy ra trong hệ thống. HỆ THỐNG BMS IBMS WEB SERVER IBMS WEB CLIENT CCTV Máy in các báo cáo CARD FIRE ALARM PA Mạng trục của tòa nhà/ Structure Cabling system– Building LAN (TCP/IP) NAE NAE NAE DDC DDC DDC THANG MÁY CHIẾU SÁNG Valve Actuator AHU Máy phát FCU Đồng hồ đo đếm năng lượng THÔNG GIÓ CHILLER Hình 1-1: Mô hình hệ thống BMS 1.3. Phân cấp hệ thống quản lý và điều khiển [2] Hệ thống BMS có cấu trúc một hệ thống điều khiển phân tán DCS. Hệ thống được phân cấp thành 3 cấp : ™ Cấp vận hành giám sát và quản lý ( Management Level) ™ Cấp điều khiển hệ thống ( Control Level) ™ Cấp trường (Field Level) Trang 14 Chương 1 - Giới thiệu chung 1.3.1. Cấp trường Các thiết bị chính của cấp trường gồm: ™ Bộ điều khiển thiết bị cấp trường(Terminal Equiment Controller) riêng cho mỗi hệ thống cơ khí như AHU, FCU, VAV…. ™ Van điều khiển điều khiển lưu lượng gió, nước ™ Bộ đóng cắt động cơ: động cơ cho các van được điều khiển nhịp nhàng nhờ có giao tiếp với các bộ điều khiển số ™ Hệ thống cảm biến: cảm biến chênh áp, cảm biến nhiệt độ(gió, trong phòng, ngoài trời), cảm biến báo cháy, cảm biến độ ẩm ™ Các rơ le đóng cắt, các bộ chuyển đổi đo đếm điện năng. ™ Các thiết bị chấp hành Các bộ điều khiển ở cấp độ khu vực là các bộ điều khiển số trực tiếp (DCC), cung cấp chức năng điều khiển số trực tiếp cho các thiết bị ở từng khu vực. Các thiết bị trường này được nối với các bộ điều khiển DCC bằng các tính hiệu dạng DI/DO, AI/AO hoặc kết nối với bộ điều khiển mạng đa năng theo các giao thức chuẩn modbus, RS232…Hệ thống phần mềm quản lý năng lượng cũng được tích hợp trong các bộ điều khiển cấp khu vực. 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. 1.3.2. Cấp điều khiển hệ thống Cấp điều khiển hệ thống được trang bị các bộ điều khiển card giao tiếp mạng NAE 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,... Trang 15 Chương 1 - Giới thiệu chung 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. Giao tiếp giữa cấp điều khiển hệ thống với cấp quản lý và vận hành thông qua chuẩn Ethernet TCP/IP. 1.3.3. Cấp vận hành, giám sát và quản lý 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. - 01 bộ máy chủ Server và màn hình cho hệ thống BMS. Trên máy chủ và máy tính vận hành cài đặt chương trình quản lí tòa nhà và các ứng dụng khác. Máy chủ làm nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ các DDC lên hệ thống BMS và chia sẻ dữ liệu với các máy trạm các hệ thống khác. - 01 bộ máy tính vận hành và màn hình cho máy trạm của hệ thống BMS. Với các giao diện đồ họa, người vận hành có thể theo dõi và điều khiển các thiết bị của tòa nhà ngay trực tiếp từ phòng điều khiển trung tâm. 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 hiện 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 Trang 16 Chương 1 - Giới thiệu chung ™ 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 hoặch 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 hoặch theo niên lịch. ™ Tích hợp hệ thống: Cung cấp giao diện và điều khiển chung cho các hệ thống con (HVAC, 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. 1.4. Truyền thông trong BMS Một hệ thống BMS đầy đủ thường có 3 lớp mạng tương ứng với 3 cấp trong hệ thống phân cấp: ™ Lớp mạng mức trường (Field level Network) ™ Lớp mạng mức điều khiển (Control Level Network) ™ Lớp mạng mức quản lý (Management Level Network) Tùy theo mức độ ứng dụng, độ lớn tích hợp mà có thể sử dụng cả 3 lớp mạng riêng hoặc chung 2 trong 3 lớp mạng với nhau. 1.4.1. Lớp mạng mức quản lý Mạng này kết nối các thiết bị ở cấp quản lý, mạng thường dùng là mạng Ethenet LAN sử dụng giao thức TCP/IP, sử dụng chuẩn này không những tạo được tốc độ truyền cao mà còn đáp ứng được nhu cầu về khoảng cách truyền mà không cần bộ lặp, hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu thời gian thực của hệ thống BMS. Tốc độ truyền trên mạng đạt 100Mbps Tại các máy tính điều khiển, việc quản lý và cấp quyền sử dụng cho người vận hành hệ thống trên các trạm điều khiển sử dụng User Account. Tùy theo quyền sử dụng được cấp, chức vụ của người vận hành mà có các mức độ can thiệp khác nhau vào hệ thống. Trang 17 Chương 1 - Giới thiệu chung Ngoài ra cũng có thể sử dụng mạng BAC Net/IP hoặc LON Talk/IP 1.4.2. Lớp mạng điều khiển Đây là lớp mạng sơ cấp(Primary Network) dùng để kết nối các bộ điều khiển DDC sơ cấp (Primary Control Unit) với nhau, thường sử dụng mạng Ethernet IP hoặc BAC Net/IP sử dụng đường truyền RS485 và giao thức ngang hàng “peer to peer” Lớp mạng này có thể có thêm các bộ Gateway để kết nối với các hệ thống phụ khác…, các hệ thống phụ thường sử dụng giao thức BACnet hoặc LONwork Trong nhiều ứng dụng cụ thể lớp mạng này có thể nối chung với mạng Lớp mạng mức quản lý tạo thành mạng chính tòa nhà, khi đó các bộ DDC được nối với nhau và nối với với máy tính điều khiển (server) của hệ thống BMS. 1.4.3. Lớp mạng mức trường Đây là mạng thứ cấp(Secondary Network) dùng để kết nối tất cả các bộ điều khiển ứng dụng(secondary control unit), các thiết bị đo lường có khả năng nối mạng. Mạng này sử thường sử dụng các giao thức như BACnet MS/TP, LONwork Mạng này sử dụng đường truyền RS485 dạng Master/Slaver, các bộ DDC đóng vai trò là các Master điều khiển các bộ điều khiển thứ cấp(Secondary Control Unit) 1.5. Các giao thức ứng dụng cho hệ thống BMS 1.5.1 Giao thức BACnet Nền tảng của giao thức BACnet BACnet là giao thức truyền thông dữ liệu cho mạng điều khiển và BA. Điều làm cho BACnet trở nên đặc biệt là các qui định liên quan cụ thể đến nhu cầu thiết bị tự động hóa tòa nhà BA (Building Automatic); có nghĩa rằng chúng bao gồm những thứ như làm thế nào để yêu cầu giá trị của nhiệt độ, xác định lịch vận hành quạt hoặc gửi báo động tình trạng máy bơm. Trang 18