BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG SCADA GIÁM SÁT HỆ THỐNG THIẾT BỊ TÒA NHÀ CAO TẦNG NGÀNH KỸ THUẬT CƠ, ĐIỆN TỬ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN PGS TS NGUYỄN HOÀI NHÂN Sinh viên thực hiện MSSV Lớp Đặng Thanh Hồng Đức 1711020272 17DCTA2 Nguyễn Văn Hoàng 1711030212 17DCTA2 Trần Trung Hiếu 1711030380 17DCTA3 Tp Hồ Chí Minh, tháng 092021 (ghi ngày tháng bảo vệ) Free Hand ii Lời cảm ơn Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ,.
Giới thiệu
1.1 Giói thiệu hệ thống BMS
BMS, hay Hệ thống Quản lý Tòa nhà, là một giải pháp tự động hóa hiệu quả cho việc điều khiển và giám sát các hệ thống kỹ thuật trong tòa nhà Hệ thống này giúp tối ưu hóa hoạt động và nâng cao hiệu suất của các thiết bị kỹ thuật, mang lại sự thuận tiện và an toàn cho người sử dụng.
BMS đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển và vận hành hệ thống, giúp thu thập và quản lý toàn bộ thông số kỹ thuật của các thiết bị kết nối Thông qua việc trao đổi thông tin, BMS điều khiển các thiết bị chấp hành trong từng hệ thống kỹ thuật, đảm bảo hoạt động theo yêu cầu của người quản lý, đồng thời bảo đảm các yếu tố kỹ thuật, an toàn và an ninh.
Một hệ thống quản lý toà nhà cơ bản có thể kết nối đế điều khiển và giám sát các hệ thống kỹ thuật của tòa nhà như:
+ Hệ thống thiết bị môi trường (điều hòa, thông khí, giám sát môi trường )
+ Hệ thống an ninh (CCTV, hệ thống kiểm soát vào ra, Phòng cháy chữa cháy )
+ Hệ thống điều khiến chiếu sáng (chiếu sáng công cộng, khấn cấp )
+ Hệ thống quản lý điện năng (cung cấp điện, máy phát điện, đo đếm năng lượng )
+ Các hệ thống thiết bị lắp đặt trong phòng máy chủ
Tùy theo từng dự án cụ thế mà hệ thống BMS có thể quản lý nhiều hay ít hơn so với hệ thống kỹ thuật cơ bản
1.2 Một số lọi ích của hệ BMS :
Hoạt động đon giản hơn với nhừng chức năng lập trình lặp đi lặp lại đế thiết lập chế độ vận hành tự động
Giảm thời gian huấn luyện vận hành viên thông qua các hướng dẫn và hỗ trợ trực quan trên màn hình đồ họa giúp đáp ứng nhanh chóng và hiệu quả hơn với nhu cầu của người sử dụng cũng như các điều kiện phức tạp.
Giảm lượng điện năng tiêu thụ thông qua khả năng điều khiến quản lý tập trung và chương trình quản lý điện năng
Quản lý cơ sở , tài sản hiệu quả hơn nhờ các báo cáo ghi lại quá trình động, bảo trì, và chức năng tự động hoạt gửi cảnh báo
Lập trình linh hoạt đáp ứng nhu cầu cụ thể của từng tòa nhà và tổ chức, đồng thời hỗ trợ việc mở rộng Việc tích hợp phần mềm và phần cứng từ nhiều hệ thống phụ như điều khiển số trực tiếp (DDC), hệ thống báo cháy, an ninh, điều khiển truy cập và quản lý ánh sáng giúp nâng cao hiệu suất hoạt động.
1.3 Một số thuật ngữ trong tự động hóa tòa nhà :
Hệ thống quản lý tòa nhà (BMS) là giải pháp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của các công trình BMS tập trung vào việc giám sát và quản lý các hoạt động trong tòa nhà, giúp nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên và cải thiện sự thoải mái cho người sử dụng.
Building Control System (BCS): Hệ thống điều khiển tòa nhà Nó mang đến sự tiện nghi và an toàn cho ngôi nhà bạn
Building Management and Control System (BMCS): Hệ thống điều khiến và quản lý tòa nhà Nó là sự kết hợp của BMS và BCS
The Building Automation and Control Network (BACnet) Protocol is a communication protocol developed by the American Society of Heating, Refrigerating, and Air Conditioning Engineers (ASHRAE) for building management and control systems (BMCS).
Dữ liệu hiển thị động là loại thông tin được cập nhật định kỳ tại các trạm làm việc BMCS, bao gồm các chỉ số như trạng thái nhiệt độ và tình trạng bật/tắt (ON/OFF).
Hệ thống quản lý năng lượng (EMS) là công cụ tối ưu hóa hoạt động, nhiệt độ và quy trình của hệ thống HVAC trong các tòa nhà Hầu hết các hệ thống BCS hoặc BMCS hiện đại đều tích hợp đầy đủ các chức năng của EMS, ngoại trừ một số hệ thống lỗi thời.
1.4 Tính năng của hệ thống 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 và báo cháy thông qua cổng giao diện mở, sử dụng các ngôn ngữ giao diện đạt 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
▪ Hệ thống BMS linh hoạt, có khả năng mở rộng với các giải pháp sẵn sàng đáp ứng với mọi yêu cầu
Hình 1.1 Hệ thống BMS điều khiển liên động các hệ thống cơ điện
Quản lý điện năng là chức năng quan trọng của bộ điều khiển DDC sử dụng PLC, đặc biệt trong các tòa nhà vừa và lớn Nó là một phần thiết yếu của SCADA, giúp tối ưu hóa điều khiển tại cấp hệ thống và cung cấp thông tin quản lý cho người sử dụng Mạng bộ điều khiển vận hành thiết bị nhằm giảm chi phí và điều chỉnh nhiệt độ để đảm bảo sự thoải mái cho người dùng Chức năng hệ thống quản lý điện năng của BMS bao gồm nhiều yếu tố quan trọng.
• Giám sát ghi hiệu suất
• Giám sát ghi mức độ sử dụng điện năng
• Thống kế mức tiêu thụ điện năng:
• Mức tiêu thụ theo nguồn và định kỳ
• Biểu đồ xu hướng tiêu thụ
• Truy cập dữ liệu chiến lược quản lý điện năng nhằm liên tục điều chỉnh theo nhu cầu
• Lịch sử dụng toà nhà.
• Giới hạn nhiệt độ đem lại mức độ thoải mái Thống số điều chỉnh qua HMI
• Bổ sung chương trình HMI.
Hệ thống quản lý cơ sở vật chất ra đời vào cuối thập niên 1980, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc mở rộng khả năng điều khiển trung tâm, bao gồm quản lý toàn bộ cơ sở vật chất của tòa nhà.
Hệ thống quản lý cơ sở vật chất cần hoạt động hiệu quả ở hai cấp độ: giám sát hàng ngày và quản lý dài hạn Giám sát hàng ngày yêu cầu hệ thống theo dõi và điều khiển liên tục toàn bộ cơ sở và môi trường trong thời gian thực Trong khi đó, quản lý và hoạch định dài hạn cần ghi lại dữ liệu phân tích và xu hướng để so sánh với các mục tiêu hoạt động Do đó, mục tiêu chính của hệ thống là thu thập và xử lý dữ liệu lịch sử hoạt động.
Hệ thống SCADA bao gồm cấu hình phần cứng và hệ thống liên lạc cần thiết để truy cập dữ liệu trong toàn bộ tòa nhà, đảm bảo khả năng hoạt động và vận hành hiệu quả Để đạt được điều này, hệ thống SCADA cần có các thành phần chính thiết yếu.
+ Trạm điều khiển giám sát trung tâm:
• Là một hay nhiều máy chủ trung tâm MTU
• Giao diện người – máy HMI
• Là các thiết bị hiển thị quá trình xử lý dữ liệu để người vận hành điều khiển các quá trình hoạt động của hệ thống
+ Trạm thu thập dữ liệu trung gian:
• Là các khối thiết bị vào ra đầu cuối từ xa RTU
Các khối điều khiển logic khả trình (PLC) có vai trò quan trọng trong việc giao tiếp với các thiết bị chấp hành như cảm biến cấp trường, hộp điều khiển đóng cắt và van chấp hành.
Các mạng truyền thông công nghiệp, thiết bị viễn thông và thiết bị chuyển đổi dồn kênh đóng vai trò quan trọng trong việc truyền dữ liệu cấp trường đến các khối điều khiển và máy chủ.
Tổng quan giải pháp
2.1.1 Giải pháp hệ thống của hãng Siemens
Siemens cung cấp một hệ thống tự động hóa tòa nhà toàn diện, bao gồm phần mềm, bộ điều khiển, cấu trúc mạng và các thiết bị trường, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và quản lý năng lượng.
Hệ thống tự động hóa tòa nhà APOGEE tích hợp đầy đủ các yêu cầu về hệ thống và tự động hóa thiết bị, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả cho quản lý tòa nhà.
Hỗ trợ các chuẩn mở:
BACnet trên giao thức TCP/IP
OPC trên giao thức TCP/IP
FLN ( Floor Level Network - mạng cấp điều khiển )
Sự truyền thông từ xa:
Truy cập từ xa vào các vị trí từ mỗi trạm Insight cho phép người dùng quay số để báo động hoặc tải dữ liệu thực thi từ xa.
Giám sát và điều khiển hệ thống từ xa thông qua Web browser với phần mềm APOGEE GO INSIGHT
Sử dụng mạng nội bộ hoặc mạng Internet cho cấp mạng thấp và cấp quản lý toà nhà
Gửi đi các báo động nguy cấp và các thông báo về hệ thống bằng cách nhắn tin, gọi điện hay gửi thư điện tử
Khả năng mở của hệ thống:
Mỗi vận hành viên/hay truy cập ưu tiên một mật khẩu
Người điều hành có thể quan sát hình ảnh từ bất kỳ máy chủ Insight nào
Các vận hành viên chia sẻ chung một cơ sở dữ liệu
Sử dụng các chức năng từ bất kỳ máy chủ Insight
Tiêu chuẩn máy trạm hay dịch vụ máy trạm tuỳ chọn cho thiết bị đầu cuối
Trên 4 đường kết nối trực tiếp mạng BLN ( Building Level Network ) một máy tính
Thiếp lập được 64 BLN ( Building Level Network ) trên mạng LAN TCP/IP
Trên 8 đường modem tự động kết nối một máy tính (tuỳ chọn)
Kết nối mạng Peer to Peer cho phát triển đến 100 tủ điều khiển MBC/MEC
Hệ thống điều khiển Siemens BMS được thiết kế với cấu trúc mở, hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu giám sát kỹ thuật và điều khiển tòa nhà của chủ đầu tư Đồng thời, hệ thống cũng linh hoạt trong việc nâng cấp và mở rộng trong tương lai.
Hệ thống điều khiển tự động hóa tòa nhà BMS, với cấu trúc và giao thức mở, được xây dựng dựa trên công nghệ tiên tiến, cho phép tích hợp các hệ thống kỹ thuật riêng lẻ sử dụng các giao thức chuẩn Điều này giúp người quản lý dễ dàng hơn trong việc quản lý và vận hành các hệ thống kỹ thuật của tòa nhà.
Hệ thống có cấu trúc của “Hệ thống Điều khiển phân tán” (Distributed Control System), phần mềm điều khiển đóng vai trò giao diện người máy
HMI giữa máy tính điều khiển và các bộ điều khiển kỹ thuật số đảm bảo hoạt động ổn định cho các thiết bị điều khiển như MBC, MEC, PXC Hệ thống vẫn duy trì hiệu suất ngay cả khi xảy ra gián đoạn truyền thông trong mạng điều khiển hoặc sự cố với máy tính điều khiển tại cấp quản lý trong phòng điều khiển trung tâm.
Hình 2.1 cấu trúc của hệ thống BMS
Hệ thống mạng APOGEE được cấu trúc thành ba cấp độ: cấp điều khiển khu vực, cấp điều khiển tại tầng (Floor Level Network), và cấp điều khiển giám sát tòa nhà (Building Level Network), cùng với mạng quản lý cấp trên (Management Level Network).
Cấp trường có nhiệm vụ truyền tin giữa các bộ điều khiển và các thiết bị trường Các bộ điều khiển như : PXM, TEC, LRC, DEM…
Cấp điều khiển (Floor Level Network) có vai trò quan trọng trong việc truyền thông tin từ các bộ điều khiển cấp trên như MBC, MEC, và LMEC đến các bộ điều khiển cấp trường.
The Building Level Network (BLN) is responsible for transmitting information throughout the entire building from the Insight server control station to the various building-level controllers.
The Management Level Network is responsible for the overall operation and management of the building, utilizing the APOGEE software to enable building operations through the Internet.
Một hệ thống quản lý toà nhà cơ bản có thể kết nối để điều khiển và giám sát các hệ thống kỹ thuật của tòa nhà như:
Hệ thống thiết bị môi trường (điều hòa, thông khí…)
Hệ thống an ninh (CCTV, hệ thống kiểm soát vào ra, Phòng cháy, chữa cháy…)
Hệ thống điều khiển chiếu sáng (chiếu sáng công cộng, khẩn cấp…)
Hệ thống quản lý điện năng (cung cấp điện, máy phát điện, đo đếm năng lượng…)
* Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống a Phần mềm hệ thống
Phần mềm hệ thống APOGEE cho phép bạn quản lý và giám sát hoạt động của tòa nhà một cách hiệu quả thông qua hệ thống mở Nó tương thích với các hệ thống tích hợp khác, giúp người vận hành có thể điều khiển từ xa và theo dõi các hoạt động tại các máy tính điều khiển và trạm vận hành trung tâm.
Hệ thống bao gồm 44 đối tượng, cho phép lập lịch vận hành cho thiết bị, theo dõi các cảnh báo và báo động, đồng thời hướng dẫn xử lý sự cố Giao diện giữa người vận hành và hệ thống được thiết kế thân thiện, tiện ích và thông minh, giúp nâng cao hiệu quả làm việc.
Tại trạm vận hành nhánh, người vận hành có khả năng thực hiện đầy đủ các chức năng tương tự như tại trạm vận hành trung tâm, nhưng điều này phụ thuộc vào việc họ được phân quyền.
- Phần mềm có chức năng hỗ trợ truy cập qua web và có các chức năng chống tin tặc qua truy cập web
* Tính năng phần mềm hệ thống :
BMS là phần mềm chuyên dụng cho hệ thống BMS, hoạt động trên nền tảng hệ điều hành Windows Phần mềm này được thiết kế với các chức năng đặc trưng, được thể hiện qua các biểu tượng mang tính biểu trưng cao.
Hệ thống cho phép người dùng truy cập, sử dụng và quản lý các chức năng phù hợp với từng đối tượng Người dùng có quyền hạn cao nhất có khả năng phân chia các tính năng cho các người dùng khác thông qua hộp thoại chọn lọc.
Hình 2.2 main menu của BMS và các chức năng
Hình 2.3 Chọn các chức năng làm việc
Các chức năng của BMS:
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)
Hình 2.4 Thiết lập User acount
Phân quyền theo chức năng thiết lập số lượng các chức năng mà user được can thiệp ở mức độ khác nhau: Read only, Command, Configure/Edit hoặc Not Allow
Hình 2.5 Phân quyền theo chức năng
