tìm hiểu về hệ thống tự động tòa nhà BMS

Khái niệm Hệ thống tự động hóa tòa nhà Building Managerment system-BMS 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 th

Lời mở đầu

Đặt vấn đề: Ngày nay, việc xây dựng những tòa nhà cao tầng làm công sở , trung

tâm thương mại, khách sạn … ngày càng trở nên phổ biến Trong khi đó quá trình công nghiệp hóa – hiện đại hóa đang được được áp dụng trên mọi lĩnh vực trong sản xuất cũng như trong đời sống Giải pháp kết hợp hệ thống các thiết bị cơ điện

sử dụng trong tòa nhà với công nghệ tự động hóa nhằm đem lại khả năng tự hoạt động ( Hệ thống thông gió, hệ thống chiếu sáng… đã không còn mới mẻ nữa Làm thế nào để quản lí và điều hành toàn bộ hệ thống thiết bị trong tòa nhà khổng lồ màkhông cần sử dụng đến hàng trăm nhân viên mà lại cho phép nâng cao hiệu suất và tối ưu hóa sử dụng năng lượng của tòa ấy? Các hệ thống tự động hóa tòa nhà đã ra đời để giải quyết bài toán này

Khái niệm

Hệ thống tự động hóa tòa nhà (Building Managerment system-BMS) 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 báomôi 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

Một tòa nhà quản lí tự động được gọi là thông minh nếu có tất cả các tính năng về báo động và giám sát, hệ thống quản lí năng lượng, hệ thống thông tin và truyền thông (tương ứng với những chỉ tiêu tiện nghi, an ninh, năng lượng, thông tin) Cácthiết bị tham gia vào hệ thống được chia làm 3 cấp mạng: cấp dưới cùng là cấp các tầng của tòa nhà, cấp mạng thứ 2 là cấp mạng cho tòa nhà, cấp mạng thứ 3 là cấp quản lí tòa nhà và trao đổi thông tin với các tòa nhà khác và thế giới bên ngoài

Đối tượng quản lý trong BMS:

 Trạm phân phối điện

 Máy phát điện dự phòng

 Hệ thống chiếu sáng

 Hệ thống điều hoà và thông gió

 Hệ thống cấp nước sinh hoạt

 Hệ thống báo cháy

 Hệ thống chữa cháy

 Hệ thống thang máy

 Hệ thống âm thanh công cộng

 Hệ thống thẻ kiểm soát ra vào

 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

Lợi ích mang lại từ BMS

 Đơn giản hóa và tự động hóa vận hành các thủ tục, chức năng có tính lặp đilặp 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 khixảy 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 sửdụng dễ hiểu, mô hình quản lý được thể hiện trực quan trên máy tính cho phépgiảm 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, tổchức và các yêu cầu mở rộng khác nhau

Cấu trúc tiêu chuẩn cho một hệ BMS

Hệ thống điều khiển tự động tòa nhà BMS được thiết kế theo mô hình điều khiểnphân lớp Một hệ thống BMS thường được thiết kế theo mô hình 4 lớp:

 Lớp hiện trường.

 Lớp điều khiển

 Lớp vận hành giám sát

 Lớp quản lý

Thiết bị hiện trường

Các thiết bị như cảm biến (sensor): Sensor nhiệt, ánh sáng, chuyển động, hồngngoại bộ chấp hành (actuator): Điều hoà không khí, quạt thông gió, thang máy các bộ field controller để giao tiếp trục tiếp với các khu vực có các ứng dụng cầnđiều khiển Các thiết bị hiện trường có khả năng tự giao tiếp với nhau, hoặc qua bộđiều khiển (Local controler) Sensor sẽ gửi thông số của hệ thống, của môi trườngtới bộ điều khiển Bộ điều khiển sẽ xử lý thông điệp đó và gửi tới thiết bị chấphành Thiết bị chấp hành có thể nhận ngay yêu cầu từ các thiết bị cảm biến, hoặc từ

hệ thống BMS

BMS - Hệ thống quản lý tòa nhà

Khối điều khiển

Kết nối từ trung tâm điều khiển tới mức điều khiển các ứng dụng trong tòa nhàthông qua cácp điều khiển BAS với giao diện BACnet TCP/IP, bao gồm các bộDDC (Digital Direct Controller - điều khiển số trực tiếp), các bộ điều khiển địaphương, khu vực, các giao diện tới các hệ thống phụ trợ như: điều hòa khôngkhí, báo cháy, chữa cháy, hệ thống điện

Khối điều khiển có chức năng:

Nhận lệnh điều khiển từ khối vận hành giám sát gửi tới thiết bị chấp hành.

Xử lý thông điệp khi có yêu cầu tại địa phương

Gửi thông điệp, kết quả tới khối vận hành giám sát

Khối vận hành giám sát (SCADA).

Trung tâm điều khiển, mức quản lý bao gồm các hệ thống máy chủ dữ liệu,trạm làm việc được cài đặt các phần mềm quản lý bảo dưỡng, máy in và máy tínhdành cho việc lập trình và cấu hình hệ thống Nó có chức năng chính:

Quản lý toàn bộ toà nhà

Giám sát vận hành của các thiết bị, giám sát sự cố xảy ra

- Gửi yêu cầu đến bộ điều khiển hiện trường.BMS quản lý các thành phần hệthống toà nhà theo cơ chế đánh địa chỉ Mỗi thiết bị, bộ điều khiển địa phươngđược gắn một địa chỉ Các thiết bị hiện trường có thể trực tiếp giao tiếp với nhauhoặc qua bộ điều khiển địa phương Giao tiếp thường được sử dụng ở bus trường làARCnet và ở Bus điều khiển là BACnet TCP/IP Một điều thuận lợi khi tích hợp

hệ thống đó là các thiết bị hiện trường như thang máy, điều hoà, quạt thống gió đều hỗ trợ chuyển truyền thông TCP/IP Rất thuận lợi cho nhà tích hợp hệ thống

Khối quản lý

Khối này thực ra được cài dặt ngay ở khối vận hành giám sát Chức năng chính của

nó là cài đặt kế hoạch làm việc Kết nối vận hành từ xa qua mạng viễn thông,internet Ví dụ: Khi ta cần một phòng họp cho 100 người vào X giờ, ngày Y tháng

Z Người quản trị có thể tự tìm và án định nó hoặc gõ lệnh để máy tự tìm Khi đó

Hệ thống vận hành giám sát sẽ tự động gửi lệnh điều khiển bao gồm: Thời gian mởphòng họp, bật đèn, điều hoà, thông gió trước thời gian ấn định nào đó Ánh sángtrong phòng được mặc định là phòng họp Khi yêu cầu một phòng khách sẽ cóphòng khách với không gian của nó Với mục đích đem lại sự thoải mái chongười sử dụng, tiết kiệm năng lượng, giảm sự vận hành của con người đối với cácthiết bị trong toà nhà Hiện nay, các phần mềm điều khiển BMS được tích hợphoàn hảo với các thiết bị hỗ trợ khác như: Hệ thống truyền hình hội nghị, điềukhiển và giám sát qua mạng, các thiết bị cầm tay PDA

Thông tin platform của hệ BMS

Để ứng dụng được BMS, Các thiết bị lắp đặt trong tòa nhà phải hỗ trợ kêt nốiBMS, tức là hỗ trợ các chuẩn truyền thông chuẩn như: BACnet, LonWork,

Modbus Hoặc hỗ trợ chuẩn tín hiệu công nghiệp 4-20mA BMS có thể điều khiểncác thiết bị này qua chuẩn truyền thông.

Thiết kế BMS đi kèm với thiết kế xây dựng và các trang thiết bị của tòa nhà Khixây dựng tòa nhà trang bị BMS, người thiết kế xây dựng và người thiết kế hệ BMSphải phối hợp với nhau để đưa ra bản thiết kế thống nhất Trong bản thiết kế tòanhà có trang bị BMS, yêu cầu một không gian để lắp đặt các thiết bị điều khiển,thiết bị cảm biến, chấp hành và đi dây cable mạng

Khi xây dựng tòa nhà hỗ trợ BMS, người thiết kế phải sử dụng các thiết bị hỗ trợkết nối BMS Hoặc kết hợp với nhà cung cấp giải pháp BMS để bổ sung và trang

bị thêm các thiết bị hổ trợ Ví dụ: Lắp đặt thêm hệ thống Sensor nồng độ CO2 ởcác cửa nhận và cửa xả hệ thông gió, sensor nhiệt độ cho hệ thống chiller làm lạnh,làm nóng nước công nghiệp cung cấp cho hệ điều hòa, hệ thống nước nóng-lạnhcho tòa nhà

I CẤU TRÚC HẸ THỐNG BMS CỦA 1 TÒA NHÀ VIỆT

Cấu trúc chung mạng của 1 tòa nhà Việt:

Trong cấu trúc trên được chia thành 3 hạ tầng mạng cơ sở: Field Level (cấp

trường), Automation Level (cấp tự động), Management Level (cấp quản lí) và tương ứng là 3 cấu trúc mạng: FLN-Floor Level Network (mạng cấp nền), BLN-Building Level Network (mạng cấp tòa nhà) MLN-Management Level Network

(mạng cấp quản lí) Với mỗi cấp mạng sẽ kết nối với các thiết bị khác nhau và có chức năng khác nhau.

Cấp FL có thể kết nối và phát triển tối đa với 32 thiết bị (devices) , cấp AL phát triển được 100 bộ điều khiển (controller) và có khả năng kết nối lên tới 1000 bộ điều khiển nếu sử dụng cấu trúc mạng peer to peer

Cấp ML liên kết được tối đa 25 trạm máy tính điều khiển

Dưới đây là hệ thống BMS điều khiển giám sát toàn bộ tòa nhà điều nhành việt do nhóm kỹ sư bộ phận Năng lượng và giả pháp thộng TTNC-TP Tập đoàn Việt đưa

ra cho cấu trúc mạng hạ tầng trên:

Dưới đây là cấu trúc mạng rút gọn của hệ thống BMS điều khiển tòa nhà:

1.1.Thiết bị điều khiển trung tâm:

Tại phòng điều khiển trung tâm các máy tính thu nhận và xử lí thống tin từ các hệ thống và thực hiện vận hành điều khiển các hệ thống được đặt tại phòng điều khiểntrung tân hệ thống và đặt tại phòng điều khiển trung tâm của tòa nhà Chuyên biệt một hệ thống BMS phần mềm được cài đặt trong một máy tính có cài hệ điều hành Micosoft Windown 2000/2003 sever… Phần mềm BMS được cài đặt ở đâu là một phần mềm chuyên dụng cho việc điều khiển và quản lý một tòa nhà Phần mềm này có khả năng thu nhận thông tin, giám sát trạng thái làm việc của toàn bộ các thiết bị trong hệ thống như đèn chiếu sáng, nhiệt độ, camera…

Phần mềm tương thích với các hệ thống tham gia thích hợp Tại các máy tính điều khiển, trạm vần hành trung tâm người vận hành được phân quyền có thể điều khiển

từ xa, giám sát các đối tượng trong hệ thống, lập lịch vận hành cho thiết bị, theo dõi cảnh báo-báo động và hướng dẫn xử lí sự cố Giao diện giữa người vận hành

và hệ thống là giao diện đồ họa động thân thiện, dễ xử dụng và thông minh

Ngay tại các trạm vận hành cấp trường, nơi để xử lý các sự cố người vận hành hoàn toàn có thể thực hiện được những chức năng đầy đủ như trạm vận hành trung tâm nếu người vận hành đó được phân quyền một account cho phép Phần mềm có chức năng hỗ trợ truy cập Web và phải có tính bảo mật cao trong môi trường Internet để tránh Hacker nhòm ngó và khai thác…

1.2.Các khối Module điều khiển:

1.2.1 Bé điều khiển MBC (Modular Building Controller)

MBC là một Module chuyên dụng cho việc điều khiển tòa nhà.MBC là một

module chuyên dụng cho việc điều khiển tòa nhà ưu việt và tiện ích dễ dàng sử dụng, nên MBC là một giải pháp lựa chọn cho các hệ thống điều khiển tòa nhà thông minh, được nhiều hãng tích hợp hệ thống tin dùng

Các tủ điều khiển MBC cho phép người quản lý truy nhập bằng các máy tính cá nhân của các nhân viên vận hành điều khiển, thực hiện việc sửa đổi chương trình làm việc của thiết bị, việc lập trình tại chỗ Đồng thời bộ vi xử lý (Open

proccessor) của MBC đã được cài đặt sẵn các chương trình ứng dụng nhóng giúp cho người vận hành lập các chương trình điều khiển cho thiết bị trên các ứng dụng điều khiển máy tính của hệ điều hành Microsoft Window Các MBC

là tủ điều khiển có tính độc lập cao: khi hệ thống mạng từ server đến có sự cố thì các tủ điều khiển này có khả năng thực hiện các chương trình điều khiển thiết bị nhờ vào bộ nhớ RAM Để thực hiện việc kết nối tích hợp các hệ thống kỹ thuật, các thiết bị điều khiển với các giao thức khác nhau, các MBC có khả năng lắp các

bộ vi xử lý mở tích hợp (Open proccesor) có giao thức tương ứng Bacnet,

Lonmark, Modbus, EIB, M-Bus, Profibus… để thực hiện việc truyền nhận thông tin với hệ thống kết nối tới Các thông tin này được gửi tới các máy tính điều khiểntrung tâm.

Các tủ điều khiển MBC cho phép người quản lý truy nhập bằng các máy tính cá nhân của các nhân viên vận hành điều khiển, thực hiện việc sửa đổi chương trình làm việc của thiết bị, việc lập trình tại chỗ Đồng thời bộ vi xử lý (Open

proccessor) của MBC đã được cài đặt sẵn các chương trình ứng dụng nhóng giúp cho người vận hành lập các chương trình điều khiển cho thiết bị trên các ứng dụng điều khiển máy tính của hệ điều hành Microsoft Window Các MBC

là tủ điều khiển có tính độc lập cao: khi hệ thống mạng từ server đến có sự cố thì các tủ điều khiển này có khả năng thực hiện các chương trình điều khiển thiết bị nhờ vào bộ nhớ RAM Để thực hiện việc kết nối tích hợp các hệ thống kỹ thuật, các thiết bị điều khiển với các giao thức khác nhau, các MBC có khả năng lắp các

bộ vi xử lý mở tích hợp (Open proccesor) có giao thức tương ứng Bacnet,

Lonmark, Modbus, EIB, M-Bus, Profibus… để thực hiện việc truyền nhận

thông tin với hệ thống kết nối tới Các thông tin này được gửi tới các máy tính điềukhiển trung tâm thông qua mạng EBLN và có thể hiển thị trên màn hình của các máy tính trạm vận hành qua các giao diện đồ hoạ

Khi có sự cố vÌ nguồn cung cấp, cácMBC sẽ tự động lưu giữ các thông tin liênquan tới các quá trình vận hành điều khiển, các tham số này được lưu giữ tại MBC trong thời gian do người vận hành chỉnh định từ 1 đến 20 ngày đảm bảo các yêu cầu về lưu trữ dữ liệu đặt ra Trong trường hợp vận hành bình thường, các dữ liệu này được lưu giữ trong bộ nhớ dung lượng lớn của tủ điều khiển do ngườivận hành cài đặt lên tới 1400 ngày

1.2.2 Module điều khiển MEC (Modular Equipment Controller)

Mỗi MEC được tích hợp sẵn với 32 cổng xuất nhập (Input/Output - I/O) Tuỳ nhu cầu sử dụng mà có thể dùng kết hợp I/O module mở rộng.Các module I/O mở rộngnày cũng cho phép lựa chọn số điểm theo nhu cầu là loại Analogue hoặc Digital MEC có thể lựa chọn loại thiết lập được 3 mạng Master/ Slave để tăng thêm số lượng thiết bị điều khiển cấp trường theo nhu cầu của người sử dụng Tuy nhiên, sốlượng điểm của thiết bị điều khiển này nhỏ chỉ phù hợp với các thiết bị điều khiển

cỡ nhỏ và cấu hình không thay đổi theo thời gian

MEC được sử dụng cho việc tích hợp hệ thống kỹ thuật khác vào hệ thống BMS theo chuẩn LONMark, việc tích hợp cũng dựa trên các giao diện tại các cổng FLN 1.2.3 Bộ điều khiển PXC (Programable Controller): Bộ điều khiển PXC có bộ vi xử lý gắn sẵn, processor clock speed 100MHz, bộ nhớ động RAM

24, kích thước nhỏ gọn có thể lắp đặt trên các thanh đỡ chuẩn DIN, trên tường , các PXC kết nối với các MBC, MEC và các máy tính điều khiển thông qua mạngEthernet LAN giao thức TCP/IP, cho phép sử dụng đường truyền chung của mạngmáy tính nội bộ của tòa nhà Bộ điều khiển có các cổng Input/Output chuẩn, đồng thời nó có tính mềm dẻo trong sử dụng, người sử dụng có thể dÞnh dạng cấu hình các điểm theo yêu cầu nhờ cấu tạo điểm đầu vào ra là loại Universal I/O Mỗi PXC được chế tạo sẵn với 16 hoặc 24 cổng vào ra Universal (Input/Output

- I/O)

Tóm lại các tủ điều khiển MBC/ MEC/ PXC thực hiện điều khiển và giám sát các thiết bị của các hệ thống như:

- Hệ thống điện: Quản lý các máy biến áp cao thế, máy phát điện dự phòng, các tủ phân

phối nguồn chính và các tủ phân phối tại các tầng trong tòa nhà

- Hệ thống điều hòa HVAC: Sẽ quản lý và giám sát bộ làm lạnh (Chiller), bơm nước chiller, quạt hút khí thảI Extract Fan, điều khiển các máy điều hòa dùng nước chiller theo kiểu phân vùng FCU

- Quản lý chế độ vận hành của các quạt tăng áp cầu thang (Pressurised Fan)

- Quản lý chế độ vận hành của các bơm chữa cháy (Fire fighting pump)

- Thu nhận tín hiệu báo cháy từ tủ báo cháy trung tâm

- Kết nối tích hợp với hệ thống an ninh của tòa nhà

- Kết nối tích hợp với hệ thống thang máy, quản lý trạng thái hoạt động, kiểm soát vị trí thang từ phòng điều khiển trung tâm

Trong cấu trúc mạng của hệ thống BMS, trên mỗi mạng EBLN cho phép cho thiết lập quan hệ 100 tủ điều khiển MBC & MEC, và chấp nhận 1000 tủ điều khiển MBC, MEC và PXC trong toàn bộ hệ thống mạng điều khiển Do vậy, hệ thống điều khiển sử dụng cấu hình thiết bị điều khiển như MBC, MEC hay PXC sẽ cho phép mở rộng với số lượng rất lớn khi có yêu cầu phát triển hệ thống Các MBC, MEC & PXC được lắp đặt tại các phòng máy tại tầng hầm 1 và tầng mái của tòa nhà Việt¸ để dễ dàng cho việc thực hiện việc điều khiển, giám sát và tích hợp hệ thống

1.3.Mạng và cách thức truyền thông:

1.3.1 Mạng EBLN:

- Mạng Ethernet LAN TCP/IP là là mạng truyền thông chính của hệ thống BMS, các bé điều khiển số trực tiếp dạng mô đun MBC, MEC & PXC được sử dụng chotòa nhà sẽ kết nối với nhau và các máy tính điều khiển (server) của hệ thống điều khiển BMS

- Hệ thống mạng Ethernet LAN là đường truyền chung cho hệ thống

Apogee, giao thức sử dụng trong mạng EBLN là giao thức TCP/IP Đường trục chính của mạng điều khiển hệ thống BMS sử dụng cáp quang để mở rộng dải thông, cho phép truyền các gói tin của hệ thống an ninh quản lý ra vào Access control, Camera giám sát