Hệ thống tòa nhà thông minh iot cho hiệu quả năng lượng

2 Lời nói đầu Ngày nay, sự phát triển của đô thị hóa ở nhiều nơi trên thế giới, trong đó có Việt Nam, đã kéo theo sự xuất hiển ngày càng phổ biến của các tòa nhà như chung cư, tổ hợp văn phòng, giải q.

Lời nói đầu Ngày nay, phát triển thị hóa nhiều nơi giới, có Việt Nam, kéo theo xuất hiển ngày phổ biến tòa nhà chung cư, tổ hợp văn phòng,…giải vấn đề nơi ở, nơi làm việc, cung cấp nhiều tiện ích cho người sử dụng Trong tịa nhà thường có hệ thống phục vụ việc sinh hoạt làm việc người hệ thống chiếu sáng, hệ thống điện nước, HVAC, hệ thống báo cháy&chữa cháy… việc vận hành quản lý chúng phực tạp nhiều khó khăn, nhiên với cách mạng cơng nghệ 4.0 hệ thống tự động hóa, cơng việc trở lên đơn giản hiệu Và tịa nhà thơng minh (smart building) xu tương lai Tịa nhà phát triển nảy sinh nhiều vấn đề, bật nhà khoa học, chuyên gia quan tâm nhiều vấn đề tiêu thụ lãng phí lượng tòa nhà Để giúp cho việc quản lý sử dụng lượng tòa nhà tiết kiệm hiệu có nhiều phương pháp đề xuất đưa vào ứng dụng, đó sử dụng IoT kết hợp với hệ thống tự động hóa phổ biến Dựa vào học tìm hiểu mơn Hệ thống quản lý tịa nhà thơng minh (IBMS) nhóm chúng em chọn đề tài “IoT for energy efficiency” số đề tài giao Nhóm em xin chân thành cảm ơn thầy TS Bùi Đăng Thảnh góp ý hướng dẫn tận tình suốt q trình nhóm làm đề tài Tuy nhiên trình độ kiến thức cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi cịn thiếu sót Nhóm em mong nhận phê bình sửa chữa từ thầy để đề tài hoàn thiện Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Mục lục Lời nói đầu Mục lục Danh mục hình vẽ CHƯƠNG Tổng quan 1.1 1.2 1.3 1.4 Giới thiệu tịa nhà thơng minh (Smart building) 1.1.1 Tịa nhà thơng minh gì? 1.1.2 Các đặc điểm tồn nhà thơng minh 1.1.3 Lợi ích tịa nhà thơng minh Hệ thống quản lý tịa nhà thơng minh 1.2.1 Cấp điều khiển khu vực - cấp trường: 1.2.2 Cấp điều khiển hệ thống 1.2.3 Cấp vận hành giám sát 10 1.2.4 Cấp quản lý 10 Giới thiệu Internet of things (IoT) 10 1.3.1 Các đặc tính IoT 11 1.3.2 Các thành phần IoT 12 1.3.3 Kiến trúc hệ thống IoT 13 1.3.4 Mơ hình tham chiếu lớp 13 1.3.5 Mơ hình tham chiếu lớp 14 1.3.6 Ứng dụng IoT 16 Vấn đề lượng tòa nhà 17 1.4.1 Thực trạng 17 1.4.2 Hướng giải 18 CHƯƠNG Tổng quan hệ thống PMS 21 2.1 Giới thiệu hệ thống PMS 21 2.2 Cơ sở phát triển hệ thống PMS 21 2.3 2.2.1 Nền tảng SCADA công nghiệp 21 2.2.2 Nền tảng IoT 22 Tính hệ thống PMS 22 2.3.1 Đo lường & Thu thập liệu 22 2.3.2 Giám sát 22 2.3.3 Cảnh báo 22 2.3.4 Báo cáo & Phân tích 22 2.4 Cấu trúc hệ thống PMS 23 2.5 Lợi ích hệ thống PMS 25 CHƯƠNG Triển khai hệ thống 26 3.1 3.2 Bài toán - Sơ đồ hệ thống 26 3.1.1 Bài toán 26 3.1.2 Sơ đồ tổng quát 30 Lưu đồ thuật toán 30 3.2.1 Hệ thống chiếu sáng 31 3.2.2 Hệ thống cung cấp điện 32 3.2.3 Hệ thống cung cấp nước nóng 33 3.2.4 Hệ thống HVAC 34 3.3 Mạng cảm biến cấu chấp hành 35 3.4 Chọn thiết bị đo 37 3.5 3.6 3.4.1 Thiết bị thu tập giá trị lượng 37 3.4.2 Thiết bị đóng cắt điện 38 3.4.3 Thiết bị điều khiển 39 3.4.4 Thiết bị truyền thông 41 3.4.5 Thiết bị cảm biến 43 Các thiết bị máy tính phần mềm quản lý máy tính 45 3.5.1 Sử dụng phần mềm Power Manager 45 3.5.2 Hệ điều hành IOT mở mindsphere 45 Mạng truyền thông hệ thống BMS 45 3.6.1 Giao thức mạng Ethernet 46 3.6.2 Truyền thông RS-485 49 CHƯƠNG Phần mềm quản lý lượng 55 4.1 Power Manager 55 4.2 Powerconfig 57 4.3 Hệ điều hành MindSphere 58 4.4 Hệ thống PMS Siemens tích hợp hệ điều hành MindSphere 61 CHƯƠNG Kết luận 62 5.1 Kết 62 5.2 Hướng phát triển 62 Tài liệu tham khảo 63 Danh mục hình vẽ Hình 1-1 Smart building Hình 1-2 Cấu trúc BMS Hình 1-3 Internet of things (IoT) 11 Hình 1-4 Cấu trúc IoT 12 Hình 1-5 Nguyên lý hoạt động IoT 13 Hình 1-6 Mơ hình tham chiếu lớp 13 Hình 1-7 Mơ hình tham chiếu lớp 14 Hình 1-8 Một số ứng dụng IoT 17 Hình 1-9 BMS với cơng nghệ IoT 19 Hình 1-10 Tổng quan kết nối cấp độ tòa nhà đám mây tịa nhà thơng minh 19 Hình 1-11 The Edge building 20 Hình 2-1 Phân lớp hệ thống PMS 23 Hình 2-2 Các thiết bị phần cứng cho hệ thống PMS 24 Hình 2-3 Cấu trúc hệ thống PMS Seimens 24 Hình 2-4 Cấu trúc hệ thống PMS Schneider 25 Hình 3-1 Triển khai hệ thống cho hộ tầng 26 Hình 3-2 Triển khai hệ thống cho số hệ thống chung tòa nhà 27 Hình 3-3 Sơ đồ tổng quát hệ thống 30 Hình 3-4 Lưu đồ thuật toán hệ thống chiếu sáng 31 Hình 3-5 Lưu đồ thuật toán hệ thống cung cấp đện 32 Hình 3-6 Lưu đồ thuật tốn hệ thống cung cấp nước nóng 33 Hình 3-7 Lưu đồ thuật tốn hệ thống sưởi 34 Hình 3-8 Lưu đồ thuật tốn hệ thống điều hịa khơng khí 35 Hình 3-9 Mạng cảm biến cấu chấp hành đề xuất 36 Hình 3-10 Hệ thống kết nối mạng cảm biến 37 Hình 3-11 Thiết bị PAC 4200 37 Hình 3-12 Module mở rộng 7KM PAC RS485 38 Hình 3-13 Thiết bị đóng cắt ACB 3P 3WL 38 Hình 3-14 Thiết bị đóng cắt MCCB 3VA 39 Hình 3-15 PLC S7-1200 40 Hình 3-16 Module mở rộng SM 1222 40 Hình 3-17 8-Port Gigabit Easy Smart Switch TP-LINK TL-SG108E 41 Hình 3-18 Router Wifi Chuẩn AC1200 TP-Link Archer C64 Gigabit 42 Hình 3-19 Cảm biến cường độ ánh sáng MAS SENSOR 43 Hình 3-20 Cảm biến chuyển động Philips Hue Motion Sensor 44 Hình 3-21 Cảm biến chất lượng khơng khí Wifi Tuya SHP-Airbox 44 Hình 3-22 Phần mềm Power manager 45 Hình 3-23 Mơ hình so sánh OSI TCP/IP 46 Hình 3-24 Cấu trúc Protocol 48 Hình 3-25 Kiểu truyền cân dây 49 Hình 3-26 Tín hiệu dây hệ thống cân 49 Hình 3-27 Cặp dây xoắn RS485 50 Hình 3-28 Cách xác định áp kiểu chung 50 Hình 3-29 Truyền RS485 tham chiếu với đất 51 Hình 3-30 Cách đặt điện trở đầu cuối RT RS485 tín hiệu RS485 thu tương ứng với giá trị điện trở RT 52 Hình 3-31 Phân cực cho đường truyền RS485 53 Hình 3-32 Nguyên lý ứng dụng truyền thông RS485 kết nối 32 thiết bị 53 Hình 3-33 Tốc độ baud RS485 truyền dây cáp 54 Hình 4-1 Giao diện phần mềm Power Manager 55 Hình 4-2 Phần mềm Powerconfig 57 Hình 4-3 Giao diện điện thoại 58 Hình 4-4 Hệ điều hành MindSphere 58 Hình 4-5 Khả kết nối liệu MindSpace 60 CHƯƠNG Tổng quan 1.1 Giới thiệu tòa nhà thông minh (Smart building) Hiện nay, đạt đến kỷ nguyên nói đến xây dựng cơng trình Các tịa nhà khơng đơn giản để cung cấp không gian làm việc Ngày nay, nhờ phát triển cách mạng cơng nghệ 4.0, việc sử dụng, quản lý tịa nhà trở lên tiện nghi dễ dàng hết tự động hóa tịa nhà, giảm thiểu chi phí vận hành, có kiểm sốt tồn diện…Với điều thời đại tịa nhà thơng minh mở phát triển ngày rộng rãi giới 1.1.1 Tịa nhà thơng minh gì? Tịa nhà thơng minh kết hợp sở hạ tầng công nghệ chia sẻ thông tin hệ thống để tối ưu hiệu suất tịa nhà Các tịa nhà thơng minh sử dụng nhiều loại cơng nghệ có thiết kế trang bị thêm cho phép tích hợp phát triển công nghệ tương lai Các cảm biến Internet of Things (IoT), hệ thống quản lý tòa nhà, trí tuệ nhân tạo (AI) thực tế tăng cường số chế công nghệ robot sử dụng tịa nhà thơng minh để kiểm sốt tối ưu hóa hiệu suất tịa nhà Ở cấp độ hệ thống tịa nhà thơng minh kiểm sốt tạo môi trường làm việc tốt hơn, hiệu cho người ánh sáng tự động, nhiệt độ, chất lượng khơng khí, an ninh, vệ sinh với mức chi phí thấp so với tịa nhà thơng thường Hình 1-1 Smart building 1.1.2 Các đặc điểm tồn nhà thơng minh Với phát triển khoa học kỹ thuật, tịa nhà thơng minh tương lai hướng tới đặc điểm: - Lấy người làm trung tâm: tòa nhà thiết kế để hoạt động phục vụ người sử dụng chúng Khi nhu cầu mong muốn người liên tục thay đổi, cách thiết kế xây dựng tịa nhà thơng minh phải thay đổi theo - Tính linh hoạt: qua thời mà tòa nhà thiết kế cấu trúc cứng nhắc xây dựng cho mục đích cụ thể khơng thể thay đổi Các tịa nhà thơng minh hướng tới thiết kế với tính linh hoạt Những cấu trúc khơng gian thích nghi mà khơng cần sửa đổi tòa nhà đáng kể với tường di chuyển dễ dàng dịch vụ kỹ thuật thiết yếu dễ dàng thay đổi kết nối lại theo cách - Tính vơ hình: cơng nghệ nên nhúng vào tịa nhà cách liền mạch Nó hoạt động, khơng cần giải thích Mục tiêu tịa nhà thông minh tự quản lý, học hỏi, dự đốn tự điều chỉnh mà khơng cần can thiệp người sử dụng Nhiệt độ phòng, ánh sáng, sử dụng lượng, nước… điều chỉnh dễ dàng tự động dựa cảm biến hình - Tính bền vững: tác động biến đổi khí hậu gia tăng dân số nhanh chóng đến tài nguyên thiên nhiên gây nguy hiểm cho tương lai loài người, làm cho tính bền vững trở thành ưu tiên hàng đầu thiết kế tòa nhà thông minh tương lai Nhờ công nghệ tiên tiến, tịa nhà thơng minh tồn lưới điện phát triển hệ sinh thái tự trì, cho phép sản xuất lượng thu thập xử lý nước chỗ - Khả học tập: tịa nhà thơng minh không thiết kế cho chúng ta, chúng biết đến Mọi cảm biến, tự động hóa hình lắp đặt tịa nhà tích hợp vào hệ thống quản lý tịa nhà nắm bắt chuyển động tòa nhà cho phép tòa nhà tự động sửa đổi cài đặt liên tục tự điều chỉnh 1.1.3 Lợi ích tịa nhà thơng minh Tịa nhà thơng minh đem lại nhiều lợi ích cho chủ sở hữu người sử dụng nhờ công nghệ tích hợp - Tiết kiệm nguồn lượng: hệ thống tịa nhà thơng minh dựa vào liệu thu từ cảm biến để tự động điều chỉnh cho phù hợp thông qua phần mềm từ tối ưu chi phí lượng nhiều, tránh lãng phí - Tăng suất: tịa nhà thơng minh thiết kế đặc biệt để mang lại trải nghiệm thoải mái cho cư dân Họ nâng cao tiêu chuẩn đảm bảo cân nhắc sức khỏe an toàn đáp ứng, đảm bảo điều thực theo cách hiệu chi phí Các tịa nhà thơng minh làm cho người làm việc hiệu cách liên tục giám sát việc sử dụng điều chỉnh hệ thống tòa nhà để đảm bảo cư dân có tiện nghi mà họ cần - Dễ dàng việc quản lý: tất thiết bị thông minh, cảm biến kết nối với hoạt động thông qua máy chủ đặt tịa nhà Điều có nghĩa, cảm biến từ xa tích hợp liệu vào máy chủ hệ thống điều khiển Sau đó, tín hiệu gửi đi, từ người quản lý theo dõi lỗi phát sinh có, phân tích điều chỉnh quy trình cần thiết để tòa nhà vận hành hiệu - Dự đốn bảo trì: tịa nhà thơng minh cho phép dự đốn bảo trì, giúp việc thay đơn giản Các cảm biến phát hiệu suất tịa nhà kích hoạt quy trình bảo trì trước cảnh báo kích hoạt nên việc thực bảo trì vào thời điểm dễ dàng nhiều, tránh thiệt hại có thiết bị điện bị hỏng sử dụng 1.2 Hệ thống quản lý tịa nhà thơng minh Hệ thống quản lý tịa nhà (Building Management System - BMS) hay hệ thống tự động hóa tịa nhà (Building Automation System - BAS) phần lớn sử dụng thay cho Cả thuật ngữ đề cập đến hệ thống sử dụng cảm biến (sensor), thiết bị điều khiển (controller) thiết bị chấp hành (actuator) nhằm mục đích quản lý, giám sát điều khiển tự động thiết bị điện nhà hệ thống chiếu sáng, HVAC, hệ thống điện… Hình 1-2 Cấu trúc BMS BMS/BAS chia thành cấp 1.2.1 Cấp điều khiển khu vực - cấp trường: Các điều khiển cấp độ khu vực điều khiển sử dụng vi xử lý, cung cấp chức điều khiển số trực tiếp cho thiết bị khu vực, bao gồm hệ thống như: VAV, bơm nhiệt, điều hịa khơng khí cục bộ, Hệ thống phần mềm quản lý lượng tích hợp điều khiển cấp khu vực.Ở cấp khu vực, cảm biến cấu chấp hành giao diện trực tiếp với thiết bị điều khiển.Các điều khiển cấp khu vực nối với đường bus, chia sẻ thông tin cho với điều khiển cấp điều khiển hệ thống cấp điều hành 1.2.2 Cấp điều khiển hệ thống Các điều khiển hệ thống có khả lớn so với điều khiển cấp khu vực số lượng điểm vào ra, vòng điều chỉnh chương trình điều khiển Các điều khiển hệ thống thường áp dụng cho ứng dụng lớn hệ thống điều hòa trung tâm, hệ thống máy lạnh trung tâm, điều khiển thực chức điều khiển chiếu sáng Các điều khiển trực tiếp giao tiếp với thiết bị điều khiển thông qua cảm biến cấu chấp hành gián tiếp thông qua việc kết nối với điều khiển cấp khu vực.Các điều khiển hệ thống hoạt động độc lập trường hợp bị truyền thông với trạm vận hành 1.2.3 Cấp vận hành giám sát Các trạm vận hành giám sát chủ yếu giao tiếp với nhân viên vận hành Các trạm vận hành cấp độ chủ yếu máy tính PC có hình hiển thị mầu Một trạm vận hành thường bao gồm gói phần mềm ứng dụng sau: - An toàn hệ thống: giới hạn quyền truy cập vận hành cá nhân - Xâm nhập hệ thống: cho phép người có quyền truy cập lấy liệu hệ thống thơng qua máy tính nhân thiết bị lưu trữ khác - Định dạng liệu: lắp ghép điểm liệu rời rạc vào nhóm định dạng có quy tắc phục vụ cho việc in ấn thị - Tùy biến chương trình: người sử dụng tự thiết kế, lập trình chương trình riêng tùy theo yêu cầu sử dụng - Giao diện: xây dựng giao diện dựa ứng dụng khách hàng, có sử dụng công cụ vẽ đồ thị bảng biểu - Lập báo cáo: có khả lập báo cáo tự động, định kỳ theo yêu cầu cảnh báo kiện, hoạt động vận hành Đồng thời cung cấp khả tóm tắt báo cáo - Quản lý việc bảo trì bảo dưỡng: Tự động lập kế hoặch tạo thứ tự cơng việc cho thiết bị cần bảo trì dựa lịch sử thời gian làm việc kế hoặch theo niên lịch - Tích hợp hệ thống: Cung cấp giao diện điều khiển chung cho hệ thống (HVAC, báo cháy, an toàn, giám sát truy nhập, ) cung cấp khả tổng hợp thông tin từ hệ thống để từ đưa tác động có tính tồn cục hệ thống 1.2.4 Cấp quản lý Cấp quản lý cấp cấu trúc hệ thống BMS.Một người vận hành cấp độ lấy liệu lệnh cho điểm hệ thống Toàn chức cấp điều hành số trường hơp khẩn cấp chuyển cấp quản lý Chức cấp quản lý thu thập, lưu trữ xử lý liệu lịch sử lượng sử dụng, chi phí vận hành cảnh báo tạo báo cáo để cung cấp cơng cụ cho q trình quản lý việc sử dụng thiết bị lâu dài 1.3 Giới thiệu Internet of things (IoT) 10 Thuật ngữ ” Internet of things”(IoT) ngày phổ biến thu hút nhiều quan tâm Sự bùng nổ IoT có tác động mạnh mẽ tới sống, cơng việc xã hội lồi người Thực tế IoT xuất từ nhiều thập kỷ trước Tuy nhiên đến năm 1999 cụm từ IoT đưa Kevin Ashton, nhà khoa học sáng lập Trung tâm Auto-ID đại học MI, nơi thiết lập quy chuẩn toàn cầu cho RFID (một phương thức giao tiếp không dây dùng sóng radio) số loại cảm biến khác Năm 2000 – 2013, IoT nghiên cứu ứng dụng rộng rãi vào lĩnh vực đời sống đồ gia dụng, thiết bị chăm sóc sức khỏe Một số sản phẩm tiêu biểu như: Fibit – đồng hồ theo dõi sức khỏe, máy tạo nhịp tim không dây, dịch vụ vận chuyển hàng không,… Năm 2014, số lượng thiết bị di động máy móc kết nối với internet vượt dân số giới lúc Và cuối đến năm 2015, mơ hình robot IoT, trang trại IoT, tịa nhà IoT…được cơng bố đưa vào ứng dụng phát triển ngày Vậy IoT ? Internet of things (IoT) mạng kết nối đồ vật thiết bị thông qua cảm biến, phần mềm công nghệ khác, cho phép đồ vật thiết bị thu thập trao đổi liệu với Hình 1-3 Internet of things (IoT) 1.3.1 Các đặc tính IoT Một hệ thống IoT bao gồm đặc trưng sau: - Tính kết nối liên thơng(interconnectivity): với IoT, điều kết nối với thông qua mạng lưới thông tin sở hạ tầng liên lạc tổng thể - Những dịch vụ liên quan đến “Things”: hệ thống IoT có khả cung cấp dịch vụ liên quan đến “Things”, chẳng hạn bảo vệ riêng tư quán Physical Thing Virtual Thing Để cung cấp dịch vụ này, công nghệ phần cứng công nghệ thông tin(phần mềm) phải thay đổi - Tính khơng đồng nhất: Các thiết bị IoT khơng đồng có phần cứng khác nhau, network khác Các thiết bị network tương tác với nhờ vào liên kết network 11 Lớp vật lý: 3.6.2 Truyền thông RS-485  Truyền dẫn cân Hệ thống truyền dẫn cân gồm có hai dây tín hiệu A, B khơng có dây mass Sở dĩ gọi cân tín hiệu dây ngược với tín hiệu dây Nghĩa dây phát mức cao dây phải phát mức thấp ngược lại Hình 3-25 Kiểu truyền cân dây Hình 3-26 Tín hiệu dây hệ thống cân  Mức tín hiệu Với hai dây A, B truyền dẫn cân bằng, tín hiệu mức cao TTL quy định áp dây A lớn dây B tối thi ểu 200mV, tín hiệu mức thấp TTL quy định áp dây A nhỏ dây B tối thiểu 200mV Nếu điện áp VAB mà nằm khoảng -200mV < VAB< 200mV tín hiệu lúc xem rơi vào vùng bất định Điện thếcủa dây tín hiệu so với mass bên phía thu phải nằm khoảng –7V đến +12V  Cặp dây xoắn Như tên gọi nó, cặp dây xoắn (Twisted-pair wire) đơn giản cặp dây có chiều dài xoắn lại với Sử dụng cặp dây xoắn giảm thiểu nhiễu, truyền khoảng cách xa với tốc độ cao 49 Hình 3-27 Cặp dây xoắn RS485  Trở kháng đặc tính cặp dây xoắn Phụ thuộc vào hình dáng chất liệu cách điện dây mà có trở kháng đặc tính (Characteristic impedence -Zo), điều thường rõ nhà sản xuất Theo khuyến cáo trở kháng đặc tính đường dây vào khoảng từ 100 – 120Ω lúc  Điện áp kiểu chung Tín hiệu truyền dẫn gồm hai dây khơng có dây mass nê chúng cần tham chiếu đến điểm chung, điểm chung lúc mass hay mức điện áp cho phép Điện áp kiểu chung (Common-mode voltage -VCM) mặt toán học phát biểu giá trị trung bình hai điện áp tín hiệu tham chiếu với mass hay điểm chung Hình 3-28 Cách xác định áp kiểu chung  Vấn đề nối đất 50 Tín hiệu hai dây tham chiếu đến điểm chung đất (Ground) cần xem xét kỹ lưỡng Lúc nhận xác định tín hiệu cách tham chiếu tín hiệu với đất nơi nhận, đất nơi nhận nơi phát có chênh lệch điện vượt qua ngưỡng cho phép tín hiệu thu bị sai phá hỏng thiết bị Điều cho thấy mạng RS485 gồm hai dây có tới ba mức điện áp xem xét Do đất vật dẫn điện khơng hồn hảo nên có điện trở xác định, gây chênh lệch điện từ điểm tới điểm kia, đặc biệt vùng có nhiều sấm sét, máy móc tiêu thụ dịng lớn, chuyển đổi lắp đặt có nối đất Hình 3-29 Truyền RS485 tham chiếu với đất Chuẩn RS485 cho phép chênh lệch điện đất lên tới 7V, lớn 7V không Như đất điểm tham chiếu không đáng tin tưởng cách tốt cho việc truyền tín hiệu lúc ta thêm dây thứ ba, nối mass nguồn cung cấp để dùng làm điện áp tham chiếu  Điện trở đầu cuối Điện trở đầu cuối (Terminating Resistor) đơn giản điện trở đặt hai điểm tận kết thúc đường truyền Giá trị điện trở đầu cuối lí tưởng giá trị trở kháng đặc tính đường dây xoắn, thường vào khoảng 100 – 120Ω 51 Hình 3-30 Cách đặt điện trở đầu cuối RT RS485 tín hiệu RS485 thu tương ứng với giá trị điện trở RT Nếu điện trở đầu cuối không phù hợp với giá trị trở kháng đặc tính đường dây nhiễu xảy có phản xạ xuất đường truyền, nhiễu mức độ nhỏ khơng mức độ lớn làm tín hiệu bị sai lệch Sau hình minh họa dạng tín hiệu thu dùng hai điện trở đầu cuối khác  Phân cực đường truyền Khi mạng RS485 trạng thái rảnh tất khối thu trạng thái lắng nghe đường truyền tất khối phát trạng thái tổng trở cao cách li với đường truyền Lúc trạng thái đường truyền xem bất định Nếu -200mV ≤ VAB ≤ 200mV trạng thái logic ngõ khối thu mang giá trị bit cuối nhận Điều khơng đảm bảo đường truyền rảnh truyền liệu nối ti ếp địi hỏi phải mức cao để khối thu khơng hiểu nhầm có liệu xuất đường truyền Để trì trạng thái mức cao đường truyền rảnh việc phân cực đường truyền (Biasing) phải thực Một điện trở R kéo lên nguồn đường A điện trở R kéo xuống mass đường B cho VAB ≥ 200mV ép đường truyền lên mức cao 52 Hình 3-31 Phân cực cho đường truyền RS485  Ưu nhược điểm RS485 Truyền thơng RS485 hoạt động theo ngun lý hồn tồn khác hẳn so với dịng RS232 RS485 tận dụng khoảng chênh lệch dịng điện áp dây Chính ưu mà xảy tình trạng sụt điện áp sụt dây giúp cho tín hiệu ln ổn định Mà việc sụt áp xảy tình trạng đường dây truyền xa khu vực lắp thiết bị đo Bên cạnh đó, RS485 cịn có ưu trội cách kết nối nhiều điểm dây dẫn giúp tiết kiệm nhiều thiết bị lắp đặt mà ổn định đường truyền; liệu chuẩn xác Từ giảm chi phí doanh nghiệp Hình 3-32 Nguyên lý ứng dụng truyền thông RS485 kết nối 32 thiết bị Mặc dù chuyển đổi RS485 liên kết tối đa 32 thiết bị Tuy nhiên, nhiều RS485 lại có khả truyền liệu chung dây tín hiệu (Tức chúng móc nối với thơng qua đường truyền tín hiệu dây) Giá thành thiết bị cho dòng RS485 thấp liệu truyền có độ tin cậy cao nên nhiều người sử dụng 53 Hình 3-33 Tốc độ baud RS485 truyền dây cáp Tốc độ baud truyền liệu dòng RS485 lên tới 10Mbps (115,200) khả kéo đường dây max 1200m (tương đương với 4000 feet) tín hiệu ổn định Qua hình thể cho thấy tốc độ truyền thơng tín hiệu RS485 nhanh gấp hai lần RS232 Bảng 3-6 So sánh RS232 với RS485 Thông số kỹ thuật Cách thức truyền Khoảng cách truyền tối đa Cấu trúc liên kết Số thiết bị kết nối tối đa Tốc độ truyền liệu tối đa Mức logic RS232 Fullduplex RS485 Halfduplex, Fullduplex 15m 1200m Point-to-point Muilti-point 32(với lặp lớn thường lên tới 256) 20kbps 10Mbps ±5 - ±15v ±1.5 - ±6v 54 CHƯƠNG Phần mềm quản lý lượng 4.1 Power Manager Hiện nay, khoa học – công nghệ ngày phát triển với đời nhiều tòa nhà cao tầng Do đó, hệ thống điện sử dụng tòa nhà cao tầng sở vật chất phức tạp nguồn điện sử dụng với cường độ cao Như vậy, để quản lý, giám sát nguồn điện sử dụng tòa nhà sở vật chất cách hiệu giúp nâng cao suất sử dụng điện vấn đề nhiều tổ chức, doanh nghiệp quan tâm? Sự đời phần mềm Power Manager giải vấn đề giảm sát quản lý điện Hình 4-1 Giao diện phần mềm Power Manager Powermanager phần mềm giám sát lượng giúp quản lý, giám sát điện – lượng điện Phần mềm nghiên cứu phát triển nhân viên nghiên cứu Siemens Powermanager dùng hệ thống giám sát lượng PMS Siemens system ứng dụng cho tòa nhà cao tầng, sở hạ tầng như: bệnh viện, trung tâm sở liệu, nhà máy xí nghiệp, tập đồn,… Đặc điểm phần mềm Powermanager - Giám sát lượng độc lập với thiết bị đo lường 55 - Có thể vận hành việc sử dụng Windows PC thiết bị đo lường có kết nối Ethernet - Khách hàng dễ dàng bắt đầu sử dụng phần mềm với gói cấp phép linh hoạt mở rộng hình thức cấp phép theo yêu cầu - Phần mềm có đầy đủ khả mở rộng, liên quan đến số lượng thiết bị chức phần mềm - Tích hợp truyền thông thiết bị đo 7KT / 7KM PAC, ngắt mạch 3WL / VL / 3VA, thiết bị 7KM PAC 5200 thiết bị Modbus khác - Hỗ trợ giao diện, thiết bị truyền thơng khác (Modbus RTU, Modbus TCP ) - Có thể thị trạng thái thiết bị Lợi ích việc sử dụng phần mềm Powermanager - Làm cho luồng suất sử dụng điện trở nên rõ ràng - Đưa đồ thị xác việc tiêu thụ lượng - Tăng hiệu sử dụng lượng - Tối ưu hóa việc cung cấp lượng - Chỉ chi phí điện tâm điểm chi phí - Tối ưu chi phí bảo trì sở vật chất - Đưa cảnh báo với thiết bị gặp phải cố sử dụng điện Hệ thống điện sử dụng tòa nhà cao tầng hay sở vật chất vô phức tạp nhu cầu sử dụng nguồn điện tòa nhà thông minh dựa IOT khắt khe Hơn với mạng lưới điện phức tạp dễ xảy cố việc nắm bắt được nhanh chóng xác nguồn gốc cố khó khó khăn Do việc sử dụng phần mềm Powermanager giải khó khăn nhờ ưu điểm bật sau - Việc sử dụng phần mềm Powermanager giúp theo dõi, giám sát chi tiết, theo thời gian thực sử dụng nguồn điện Đồng thời giám sát, điều khiển trạng thái thiết bị điện hệ thống - Phần mềm đưa cảnh báo trường hợp nhận tín hiệu cố, vượt khỏi ngưỡng bảo vệ thiết lập cho thông số nguồn điện - Ngồi phần mềm cịn cho phép tạo báo cáo để lưu trạng thái phần tử hệ thống, số đại lượng cần giám sát, tình trạng hỏng hóc thiết bị để từ tổng hợp thành báo cáo định kỳ - Mức độ bảo mật phần mềm cao phần mềm có khả phân cấp giám sát điều khiển Chỉ có người người cấp phép thay đổi tham số hệ thống, ứng với cấp khác có mức truy cập khác Như ta thấy phần mềm Powermanager giúp theo dõi, giám sát chặt chẽ tình trạng hoạt động hệ thống điện giúp cho việc quản lý sử dụng điện tòa nhà cao tầng hay sở hạ tầng trở nên dễ dàng 56 hiệu Do Powermanager thật trợ thủ đắc lực giúp bạn quản lý giám sát hệ thống nguồn điện phức tạp 4.2 Powerconfig Phần mềm Powerconfig giúp cấu hình, cài đặt, vận hành… cho thiết bị đo có khả giao tiếp ngắt mạch từ dòng sản phẩm SENTRON Ưu điểm phần mềm Powerconfig: - Tham số hóa, vận hành giám sát phần mềm - Tài liệu giá trị đo cài đặt đo - Trình bày rõ ràng thơng số có sẵn bao gồm kiểm tra tính hợp lý đầu vào - Hiển thị trạng thái thiết bị khả dụng giá trị đo chế độ xem tiêu chuẩn hóa - Gán tham số cho tất thành phần 3VA2 điện tử - Lưu trữ liệu theo định hướng dự án liệu thiết bị - Dễ dàng vận hành - Hỗ tợ giao diện truyền thông khác (Modbus RTU, Modbus TCP, PROFIBUS, PROFINET) - Đọc lưu danh sách tin nhắn, hồ sơ tải gói ngôn ngữ (phụ thuộc vào thiết bị) - Tổng quan trạng thái ngắt mạch với dòng tải kiện - Cập nhật chương trình sở thiết bị Hình 4-2 Phần mềm Powerconfig Ứng dụng SENTRON powerconfig phát triển ứng dụng giúp người dùng ghi lại vị trí dự liệu phân phối lượng cách độc lập, đó, trạng thái lượng tiêu thụ theo dõi Ứng dụng 57 sử dụng cho dịch vụ thiết bị đo thiết bị ngắt mạch có khả giao tiếp IP SENTRON cung cấp chế độ xem trực tuyến khác từ powerconfig dành cho PC Hình 4-3 Giao diện điện thoại 4.3 Hệ điều hành MindSphere Công nghiệp 4.0 trở thành xu hướng tất yếu tương lai, áp dụng nhiều nhà máy lớn, kết nối thiết bị, máy móc với Giải pháp số hóa nhà máy giúp doanh nghiệp tiết kiệm chi phí, tăng hiệu vận hành, sản xuất, nâng cao khả cạnh tranh thị trường Mindsphere giải pháp đưa mang lại hiệu cao phân tích, quản lý, điều hành hệ thống thiết bị máy móc lớn Ứng dụng tảng Mindsphere công nghiệp 4.0 ngày phổ biến Hình 4-4 Hệ điều hành MindSphere 58 MindSphere hệ điều hành mở kế t nố i va ̣n vâ ̣t dựa nề n tảng điện toán đám mây Siemens phát triể n, giúp kết nối sản phẩm, nhà máy, hệ thống máy móc bạn, từ đó cho phép bạn tận dụng liệu sản sinh từ Mạng lưới Vạn vật Kết nối IoT (Internet of Things) thông qua khả phân tích nâng cao MindSphere cung cấp nhiều tùy chọn giao thức kết nối thiế t bi ̣và hệ thống doanh nghiệp, các ứng dụng công nghiệp, các phân tích nâng cao mơ ̣t mơi trường phát triển sáng tạo tận dụng cả các khả PaaS mở (Platform-as-aService hay Nền tảng dịch vụ) Siemens với quyền truy cập vào các dịch vụ đám mây AWS (Amazon Web Services) Thông qua khả này, MindSphere kết nối thứ có thực với giới kỹ thuật số và cung cấp ứng dụng công nghiệp mạnh mẽ cùng dịch vụ kỹ thuật số nhằ m góp phầ n thúc đẩy thành công hoạt động kinh doanh Siemens cung cấp giải pháp tập trung vào hoa ̣t đô ̣ng kinh doanh nhằ m góp phầ n thúc đẩ y sự đổi khép kín thơng qua số cho sản phẩm, quy trình sản xuất hiệu công việc Cấu trúc hệ điều hành Mindsphere - Mindsphere IoT Siemens phát triển dựa tảng dịch vụ PaaS/dựa điện toán đám mây cho phép khách hàng, doanh nghiệp chạy hệ điều hành, quản lý ứng dụng cách đơn giản mà không cần đến việc xây dựng sở hạ tầng thao tác quản lý phức tạp - Dữ liệu thu thập từ thiết bị, vạn vật hệ thống, tổng hợp phân tích tảng điện toán đám mây Dựa phần mềm quản lý, phát hiện, sửa lỗi tổng hợp số liệu, phân tích đưa lệnh trở lại cho thiết bị hệ thống - Nền tảng Mindsphere phân luồng liệu, quản lý tỷ lệ số lượng liệu nội dung cách tối ưu cho vạn vật kết nối hệ thống Mindsphere cung cấp giải pháp điện toán đám mây cho doanh nghiệp, linh hoạt theo thời điểm với chi phí hợp lý Lợi ích hệ điều hành Mindsphere - Hệ điều hành Mindsphere phát triển tảng dịch vụ Cloud Foundry Điều cho phép phát triển ngơn ngữ lập trình đa dạng như: Javascript, CSS, ReactJS, NodeJS, Python, HTML5 Ngoài ra, Siemens cung cấp phần mềm lập trình low-code Mendix giúp người phát triển tối ưu triển khai sản phẩm đến tay khách hàng thời gian ngắn - Mindsphere hỗ trợ tối đa cho phép khách hàng lập trình phần mềm, cài đặt ứng dụng giao diện trực quan, dễ hiểu Người dùng xây dựng ứng dụng phần mềm, phần cứng PC, máy tính, thiết bị di động giúp quản lý vận hành cách linh hoạt Tính hệ điều hành Mindsphere: - Thực kết nối phần cứng phần mềm an tồn 59 - Người lập trình dễ dàng triển khai, phát triển thử nghiệm giải pháp với cấu hình có sẵn - Mindsphere có sẵn ứng dụng để phân phối - Tự động hóa kết phân tích xác chuyên sâu theo liệu sản xuất, máy móc cung cấp - Phát triển dịch vụ đám mây nguyên gốc - Lợi sử dụng hệ điều hành Mindsphere: - Giải pháp giúp doanh nghiệp rút ngắn thời gian xây dựng phát triển ứng dụng quản lý hệ thống - Quy trình hoạt động đổi khép kín, có đầu cuối dễ dàng phân tích, xác định lỗi, tránh liệu - Cung cấp hệ sinh thái đối tác đa dạng, phong phú cho sản xuất công nghiệp hay kinh doanh - Với tảng Paas mở cho phép người dùng quản lý truy cập đám mây gốc, sử dụng liệu hiệu Lợi ích giải pháp quản lý Mindsphere khẳng định qua nhiều mô hình, sản xuất, hệ thống quy mơ lớn Ứng dụng Mindsphere thực tế kể đến như: - Quản lý lưới điện với phần mềm EnergyIP - ứng dụng phát triển tảng Mindsphere hỗ trợ quản lý lưới điện tối ưu Cung cấp giải pháp quản lý: lượng phân tán, liệu công tơ, tương tác khách hàng qua thiết bị đầu cuối - Quản lý hiệu suất thiết bị với My Machines chạy tảng điện toán đám mây Mindsphere - Ứng dụng cho phép quản lý hiệu suất máy móc, giám sát tất cơng cụ kết nối hệ thống Từ đó, giúp người quản lý đánh giá minh bạch hoạt động sản xuất, sử dụng máy móc, giảm chi phí vận hành sửa chữa Hình 4-5 Khả kết nối liệu MindSpace Như ta thấy, Với tính ứng dụng cao, khả thu thập, phân tích liệu chủ động, xác, Mindsphere mang đến giải pháp quản lý vận 60 hành sản xuất tối ưu Sử dụng hệ điều hành Mindsphere giúp tối ưu hóa mơ hình sản xuất cơng nghiệp, giảm cố máy móc, giảm chi phí sản xuất… 4.4 Hệ thống PMS Siemens tích hợp hệ điều hành MindSphere Trong hệ thống giám sát lượng, việc ghi lại phân tích hệ thống mức tiêu thụ lượng yêu cầu quan trọng để đạt hiệu độ tin cậy cao Được tích hợp hệ điều hành IoT mở MindSphere, khối lượng liệu khổng lồ từ vơ số thiết bị ghi lại phân tích nhanh chóng hiệu thời gian thực Việc tích hợp hệ điều hành MindSphere cho phép giám sát trình phân phối điện liên tục, trạng thái quan trọng tòa nhà nhà máy xác định sớm hiệu lượng đạt cao Việc tích hợp liệu hệ thống cloud cho phép lưu trữ và, xử lý phân tích với khổi lượng liệu lớn Dữ liệu lượng chuyển trực tiếp vào hệ điều hành IoT mở dựa MindSphere việc ghi lại phân tích hệ thống mức tiêu thụ lượng để đạt hiệu quả, độ tin cậy cao Hiển thị thông tin trạng thái thông số điện từ thiết bị riêng lẻ đến hệ thống hoàn chỉnh giúp tối ưu hóa, tính sẵn có lượng xác định nhanh lỗi tịa nhà Có thể so sánh trình khác nhau, tải thành phần hệ thống phát thiếu hiệu để khắc phục 61 CHƯƠNG Kết luận 5.1 Kết Sau tìm hiểu thực đề tài “IoT for energy efficiency” nhóm chúng em thu kết sau: - Hiểu kiến thức tịa nhà thơng minh IoT - Nắm kiến thức hệ thống Power Management System (PMS) - Triển khai giải tốn đặt - Tìm hiểu kiến thức cảm biến, thiết bị đo cơng suất, đóng cắt, PLC… - Nắm truyền thông ethernet truyền thông RS485 - Biết cách thiết kế giao diện HMI - Tìm hiểu phầm mềm quản lý lượng chuyên dụng Với việc sử dụng hệ thống quản lý, giám sát lượng tịa nhà tiết kiệm – 15 % chi phí lượng 5.2 Hướng phát triển Từ kiến thức thu q trình làm đề tài, nhóm em hy vọng sở để nhóm triển khai đề tài thực tế phát triển đề tài khác có liên quan Ngồi ra, đề tài tiết kiệm lượng nữa, việc chọn thiết bị tối ưu thuật toán sử dụng 62 Tài liệu tham khảo [1] https://khs247.com/he-thong-quan-ly-nang-luong/ [2] https://ictnews.vietnamnet.vn/san-pham-so/xu-huong-toa-nha-thong-minhxanh-hon-tiet-kiem-nang-luong-hon-266268.html?fbclid=IwAR1Co2c5jxx4hGoyAigSGjvLPFDJDKwJRWeA0RIWyh5xBKkB20j22cTFVI [3] http://teacom.com.vn/quan-ly-nang-luong-pms-siemens [4] Energy Efficiency in Smart Buildings: IoT Approaches; Chrysi K.Metallidou, Kostas E.Psannis, Eugenia Alexandropoulou Egyptiadou; 11/5/2020 [5] How can We Tackle Energy Efficiency in IoT Based Smart Buildings?; M Victoria Moreno , Benito Úbeda, Antonio F Skarmeta and Miguel A Zamora; 30/5/2014 63 ... Giới thiệu tịa nhà thơng minh (Smart building) 1.1.1 Tòa nhà thơng minh gì? 1.1.2 Các đặc điểm toàn nhà thông minh 1.1.3 Lợi ích tịa nhà thơng minh Hệ thống quản lý tòa nhà. .. 3-1 Triển khai hệ thống cho hộ tầng 26 Hình 3-2 Triển khai hệ thống cho số hệ thống chung tòa nhà  Hệ thống lượng tái tạo Sử dụng điện mặt trời kết hợp(hybrid), hệ thống kết hợp hệ On-grid Off-grid,... 3.2.4 Hệ thống HVAC Hình 3-7 Lưu đồ thuật tốn hệ thống sưởi 34 Hình 3-8 Lưu đồ thuật tốn hệ thống điều hịa khơng khí Hệ thống HVAC tòa nhà bao gồm hệ thống sưởi (thường sử dụng cho mùa đông) hệ thống