Đang tải... (xem toàn văn)
Hệ thống tự động hóa tòa nhà BMS là hệ thống bao gồm các thiết bị phần cứng và phần mềm thích hợp có nhiệm vụ điều khiển và giám sát các hệ thống con trong tòa nhà như hệ thống điện, hệ
NGUYỄN HOÀNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH : ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN THIẾT KẾ CÁC HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HĨA VÀ ĐIỀU KHIỂN TỊA NHÀ TẠI VIỆT NAM NGUYỄN HOÀNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : HOÀNG MINH SƠN 2005 - 2007 HÀ NỘI 2007 HÀ NỘI 2007 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17051113914461000000 Mục lục Danh mục hình vẽ Chương1: 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 Mở đầu Thế tự động hóa tịa nhà ? Tịa nhà gọi tịa nhà tự động Lý chọn đề tài, mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài BMS hay HTĐK&GS 1.4.1 Điều khiển sở 1.4.2 Điều khiển vận hành giám sát 1.4.3 Điều khiển cao cấp 1.4.4 An toàn hệ thống BMS với giải pháp điều khiển phân tán Lợi ích việc trang bị BMS cho tòa nhà Thành phần hệ BMS Các bước thiết kế hệ BMS Về nội dung luận văn 1 2 5 6 7 10 Chương : Cấu trúc hệ thống 2.1 Cấu trúc hệ thống BMS 2.2 Mô hình phân cấp chức cho hệ tự động hóa nói chung 2.3 Mơ hình phân cấp chức cho hệ tự động hóa tịa nhà 2.4 Điều khiển phân tán 12 12 13 14 17 Chương : Các toán điều khiển sở 3.1 Tổng quan 3.2 Sự lựa chọn phương pháp điều khiển (Choice of Control System) cho hệ thống HVAC 3.3 Điều khiển an toàn cháy (Control Interlock for Fire Safety) 3.4 Hệ thống nước lạnh (Chilled Water System) 21 21 22 3.4.2 Máy cung cấp nước lạnh, giải nhiệt gió (Single Air Cooler Chiller) 3.4.3 Máy cung cấp nước lạnh, giải nhiệt nước (Single Water Cooler Chiller) 3.4.4 Máy cung cấp nước lạnh, làm lạnh nước tháp giải nhiệt (Single Water Coller Chiller and Cooling Tower) 3.4.5 Tháp giải nhiệt - mạch kín (Single Cooing Tower – 28 23 25 33 34 36 Closed Circuit) 3.4.6 Quản lý Chiller (Chiller Manager) 3.5 Hệ thống nước nóng 3.5.1 Bơm tuần hồn nước nóng 3.5.2 Hệ thống cung cấp nước nóng, Boiler (Single Boiler Sys tem) 3.5.3 Hệ thống Boiler (Two Boilers System) 3.5.4 Quản lý Boiler (Boiler Manager) 3.6 Các tốn điều khiển khơng khí vùng (Zone Controls) 3.6.1 Thiết bị dàn trao đổi nhiệt (Fan Coil Unit – FCU) 3.6.2 Hệ thống làm lạnh bổ xung nước (Evaporative Cooler) 3.7 Một số toán điều khiển khác tòa nhà Chương : Cấu trúc mạng giao thức truyền thông 4.1 Một số khái niệm 4.1.1 Dịch vụ truyền thông 4.1.2 Giao thức 4.1.3 Mơ hình lớp 4.1.4 Kiến trúc giao thức OSI 4.1.5 Kiến trúc giao thức TCP/IP 4.1.6 Giao thức liên mạng IP 4.2 BACnet, mạng truyền điều khiển tự động hóa tịa nhà, giao thức truyền thơng liệu 4.2.1 Tại BACnet đời ? 4.2.2 Những lợi ích mang lại giao thức chuẩn 4.2.3 Giải thích tê gọi BACnet 4.2.4 Những ứng dụng BACnet 4.2.5 Những chứng quan trọng BACnet giành 4.2.6 Kiến thức chung giao thức BACnet 4.3 Q trình phát triển BACnet 4.3.1 Mơ hình mạng truyền thông chuẩn 4.3.2 Cấu trúc mạng BACnet 4.3.3 Phát triển tin hay dịch vụ chuẩn 4 Các lựa chọn mạng LAN 4.4 Mô hình mạng BACnet “thuần” 4.5 BACnet/IP Chương : Vấn đề tích hợp hệ thống mạng phần mềm BMS 5.1 Thiết kế hệ thống mạng 5.1.1 Phân tích yêu cầu 5.1.2 Các bước tiến hành 38 40 40 40 43 43 44 45 50 58 60 60 60 61 61 62 65 67 71 71 72 73 73 73 74 76 76 78 81 82 82 85 90 90 90 91 5.2 Đánh giá lựa chọn giải pháp mạng 5.2.1 Đặc thù cấp ứng dụng 5.2.2 Đặc thù lĩnh vưc ứng dụng 5.2.3 Yêu cầu kĩ thuật chi tiết 5.2.4 Yêu cầu kinh tế 5.3 Chuẩn phần mềm OPC (OLE for Process Control) 5.3.1 Giới thiệu chung 5.3.2 Tỏng quan kiến trúc OPC 5.4 Phần mềm BMS 5.4.1 Đặc tính chung 5.4.2 Kiến trúc phần mềm BMS 5.4.3 Tầng trung gian tích hợp hệ tự động hóa tịa nhà với hệ thống nghiệp vụ 5.4.4 Vận hành theo thời gian thực hệ BMS 5.4.5 Quản lý tiến trình nghiệp vụ hệ thống ứng dụng 5.4.6 Cổng dịch vụ 5.5 Một ví dụ thiết kế hệ BMS thực tế 5.5.1 Một chút giới thiệu AUTOMATEDLOGIC 5.5.2 Mô tả kĩ thuật 5.5.3 Kiến trúc mạng 5.5.4 Tích hợp hệ thống 5.5.5 Khái niệm tích hợp bề mặt tích hợp chiều sâu 92 92 93 93 94 94 94 95 97 97 98 98 99 101 102 102 103 104 104 105 108 Chương : Yêu cầu xây dựng tiêu chuẩn hệ BMS Việt Nam 6.1 Tại cần xây dựng tiêu chuẩn hệ BMS 6.2 Một số kiến nghị để xây dựng để xây dựng tiêu chuẩn BMS 6.3 Xây dựng khung lựa chọn với hệ BMS 112 112 113 118 Kết luận Tài liệu tham khảo 120 121 Danh mục hình vẽ Hình 1.4 : Hình 1.8 : Hình 2.1 : Hình 2.2 : Các chức HTĐK&GS Thiết kế BMS thông thường Cấu trúc hệ thống ĐK&GS Mơ hình phân cấp chức hệ thống tự động hóa cơng nghiệp Hình 2.3 : Mơ hình phân cấp chức tự động hóa tịa nhà Hình 2.4 : Điều khiển phân tán Hình 2.4.1 : Vào/ra phân tán với bus trường Hình 2.4.2 : Vào/ra trực tiếp sử dụng bus trường Hình 2.4.3 : Điều khiển phân tán sử dụng bus trường Hình 3.1 : Quản lý tịa nhà khơng có BMS Hình 3.2 : Các phận hệ thống điều hịa khơng khí Hình 3.3 : Sơ đồ điều khiển tĩnh an toàn cháy Hình 3.4.1.1 : Pump – Lead Standby Hình 3.4.1.2 : Pump – Lead Lag – VFD Hình 3.4.2.1 : Single Air Cooler Chiller, trường hợp Hình 3.4.2.2 : Single Air Cooler Chiller, trường hợp Hình 3.4.3 : Single Water Cooled Chiller Hình 3.4.4 : Single Water Cooled Chiller and Cooling Tower Hình 3.4.5 : Single Cooling Tower – Closed Circuit Hình 3.4.6 : Chiller Manager Hình 3.5.2.1 : Single Boiler System, trường hợp Hình 3.5.2.2 : Single Boiler Systerm, trường hợp Hình 3.5.3 : Two Boiler System Hình 3.5.4 : Boiler Manager Hình 3.6.1 : Fan Coil Unit Hình 3.6.2 : Evaporative Cooler Hình 3.7.1 : ACB – LVMSB Hình 3.7.2 : Chiếu sáng sân vườn Hình 3.7.3 : Báo chữa cháy Hình 4.1.4 : Mơ hình qui chiếu ISO/OSI Hình 4.1.5 : So sánh TCP/IP với OSI Hình 4.1.6 : Khuân dạng IP Datagram Hình 4.2.1.1 : Ví dụ hệ thống dùng giao thức chung đại học Cornell Hình 4.2.6 : Đối chiếu kiến trúc BACnet với mơ hình OSI Hình 4.3.1.2 : Mô tả đối tượng Hình 4.3.1.3 : Mơ tả thiết bị Hình 4.3.2 : Cấu trúc mạng BACnet Hình 4.3.2.1 : Địa MAC thiết bị Hình 4.3.2.2 : Các cách truy cập đến đối tượng Hình 4.4.1 : Mạng BACnet “thuần” 12 14 15 18 19 19 20 22 23 24 26 27 29 A3 I A3 II A3 III A3 IV 39 A3 V A3 VI A3 VII A3 VIII A3 IX A3 X A3 XI A3 XII A3 XIII 63 66 67 72 75 77 78 78 79 80 83 Hình 4.4.2 : Thiết bị Router kết nối mạng LAN Hình 4.4.3 : Thiết bị Gateway liên kết mạng Hình 4.5.1 : Cấu hình mạng sử dụng phương pháp IP “Tunneling” Hình 4.5.2 : BACnet/IP BBMD Hình 4.5.3 : BBMD truyền Broadcast Hình 4.5.4 : Sự mở rộng mạng với “Foreign Device” Hình 5.3.2 : Kiến trúc sơ lược OPC Hình 5.5.5.1 : Tích hợp bề mặt Hình 5.5.5.2 : Tích hợp chiều sâu Hình 6.2 : Với BMS, tịa nhà nằm tầm tay bạn 84 84 85 87 87 89 96 109 111 117 Lời mở đầu Khái niệm BMS (Building Management Systerm) xuất từ năm 1950 giới, kể từ xuất thay đổi nhanh chóng phạm vi cấu hình hệ thống, BMS khơng cịn Việt Nam (thường hiểu tự động hố tịa nhà) Nhưng để hiểu tường tận tự động hóa tịa nhà, tịa nhà gọi tịa nhà tự động khơng phải dễ, điều quan trọng thiết kế hệ thống tự động hóa tịa nhà đạt tiêu chuẩn kĩ thuật phù hợp với điều kiện kinh tế nước ta câu hỏi cịn bỏ ngỏ Bởi số ngun nhân sau: • Nguyên nhân chưa có tiêu chuẩn đưa từ quan quản lý nhà nước tự động hóa tịa nhà cách đầy đủ tồn diện • Thứ hai chưa có mơn học ngành học chuyên sâu tự động hố tịa nhà Cùng với khơng có giáo trình hay sách tham khảo tiếng việt vấn đề Mới xuất rải rác vài báo hay số báo cáo số hội nghị khoa học Đất nước ta hội nhập nhanh vào kinh tế giới Cùng với nhu cầu xây dựng nhiều tòa cao ốc, khách sạn năm sao, bệnh viện, sân bay Yêu cầu cho nhà phải đại, sử dụng thuận tiện, an toàn tiết kiệm lượng Để đạt điều tự động hố tịa nhà đóng vai trị quan trọng Trong tịa nhà có nhiều hệ thống : hệ thống điều hịa khơng khí, hệ thống chiếu sáng, hệ thống quản lý vào ra, hệ thống camera giám sát, hệ thống thang máy, hệ thống báo chữa cháy, hệ thống điện, hệ thống nước hệ thống khác Tự động hóa tòa nhà hiểu đơn giản hệ thống điều khiển, giám sát hệ thống để đạt u cầu cơng nghệ Các tập đồn lớn giới thiết bị tự động Siemen, ABB, ALC,… có cơng ty đại diện Việt Nam Các cơng ty với mạnh có đội ngũ chuyên gia chất lượng cao, nhiều kinh nghiệm, chủ động cung cấp sản phẩm phần cứng phần mềm, chiếm hầu hết hợp đồng lớn tự động hố tịa nhà thời gian qua Việc công ty nước để thị phần sân nhà có nhiều ngun nhân: lực cịn yếu, thiếu tin tưởng chủ đầu tư vào khả cơng ty nước, chưa có tài liệu hướng dẫn tiêu chuẩn đầy đủ tự động hóa tịa nhà Với thực tế chưa có khả sản suất thiết bị phần cứng (thiết bị trường thiết bị điều khiển) có giá cạnh tranh chất lượng tốt, giải pháp cho để cạnh tranh phải nâng cao khả thiết kế hệ thống, tìm giải pháp phù hợp với thị trường Việt Nam Nội dung luận văn là: trình bày khái niệm tự động hóa tịa nhà, đưa giải pháp thiết kế hệ tự động hóa tịa nhà phù hợp với điều kiện thực tế Việt Nam, cần thiết phải xây dựng tiêu chuẩn tự động hóa tịa nhà Mục đích tác giả mong muốn luận văn làm tài liệu tham khảo hữu ích cho kĩ sư thiết kế, cho sinh viên ngành điều khiển, cho tất quan tâm đến lĩnh vực tự động hóa tịa nhà Bản luận văn gồm ba phần: • Phần 1, đề cập đến khái niệm tự động hóa tịa nhà, kĩ sư thiết kế tự động hóa phải làm tham gia vào lúc ? Các toán điều khiển sở cần quan tâm tịa nhà • Phần 2, Một số giải pháp thiết kế, đánh giá so sánh • Phần 3, Hệ thống truyền thơng tịa nhà Giải pháp ưa thích BACnet Ví dụ hệ thống BMS triển khai thực tế Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo, PGS.TS Hồng Minh Sơn tận tình bảo cho phép sử dụng nhiều tài liệu luận văn Điều đáng q sau hồn thành luận văn không kiến thức luận văn, mà phương pháp làm việc tư khoa học tiếp thu từ thầy Xin kính chúc thầy sức khỏe tốt, để hướng dẫn nhiều học trò Hà nội, ngày tháng năm Học viên NGUYỄN HỒNG TỰ ĐỘNG HĨA TÒA NHÀ Chương 1: Mở đầu 1.1 Thế hệ thống tự động hóa tịa nhà ? Building Control System (BCS) - Hệ thống điều khiển tòa nhà: Là hệ thống điều khiển thiết bị tòa nhà để thiết bị làm việc thoả mãn yêu cầu cơng nghệ, an tồn cho người sử dụng, an tồn cho thiết bị thân thiện với môi trường Building Management System (BMS) - Hệ thống quản lý tòa nhà: Một hệ thống tập trung chức giám sát, điều hành hoạt động, quản lý tòa nhà để đạt hiệu cao Building Management and Control System ( BMCS) - Hệ thống điều khiển quản lý tịa nhà: Một hệ thống tích hợp BMS BCS Ở Việt Nam, quen với khái niệm BMS, thực khái niệm BMCS bao hàm đầy đủ ý nghĩa hệ thống tự động hóa tịa nhà Tuy nhiên tài liệu từ sử dụng khái niệm BMS với lý quen thuộc mang ý nghĩa BMCS Hệ thống tự động hóa tịa nhà (BMS) hệ thống bao gồm thiết bị phần cứng phần mềm thích hợp có nhiệm vụ điều khiển giám sát hệ thống tòa nhà hệ thống điện, hệ thống điều hịa khơng khí, thơng gió, điều áp, báo cháy, phát thanh, chiếu sáng… nhờ vào điều khiển số (Bộ điều khiển số – Direct Digital Controller) phần mềm giám sát, điều khiển Hệ thống BMS nhận biết tình trạng hoạt động thiết bị điều khiển thiết bị theo chương trình cài đặt trước theo yêu cầu trực tiếp người vận hành Các chức hệ thống BMS cung cấp bao gồm: • Quản lý việc vận hành thiết bị • Quản lý lượng tiêu thụ • Quản lý cảnh báo trạng thái thiết bị theo thời gian thực • Chia sẻ liệu điều khiển, cung cấp liệu lịch sử tình trạng hoạt động, số chạy thiết bị, …cho hệ thống quản lý bảo trì, bảo dưỡng • Quản lý tiện ích tác vụ tự động hố văn phịng Tồn thiết bị mà BMS quản lý điều khiển, cài đặt hoạt động theo lịch nhận lệnh điều khiển trực tiếp từ người vận hành Hệ thống BMS thông báo đến người vận hành tình trạng hoạt động hệ thống con, thiết bị mà BMS quản lý có thơng báo xảy cố hình, loa, NGUYỄN HỒNG – CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN KHĨA 2005-2007 TỰ ĐỘNG HĨA TỊA NHÀ máy in, tiếp tục mở rộng để gửi thông báo đến người sử dụng, vận hành qua email, SMS… 1.2 Tịa nhà gọi tòa nhà tự động ? Câu trả lời đơn giản có lẽ tịa nhà có trang bị đầy đủ hệ thống kể phần hệ thống BMS Nhưng tất nhiên câu trả lời không làm thoả mãn Có lẽ đánh giá tịa nhà, ta hay dùng cụm từ “ Tịa nhà có mức độ tự động hóa cao”, tự động hóa cao khơng có định nghĩa rõ ràng Trước có tiêu chuẩn để phân loại mức độ tự động hóa tịa nhà, ta tạm hiểu nhắc đến tự động hóa tịa nhà nói đến tịa nhà có qui mơ lớn, trang bị thiết bị đại, có hệ thống điều khiển giám sát đầy đủ để phục vụ cho nhiều người sử dụng Sở dĩ phải nói đến khái niệm tịa nhà tự động ta muốn phân biệt với khái niệm ngơi nhà thơng minh (Smart House) Giữa hai khái niệm có số điểm chung, thiết kế nhà thông minh trang bị hệ điều khiển giám sát tốt cho nhà Nhưng nhà thông minh muốn nhắc đến ngơi nhà có qui mơ nhỏ, thường phục vụ cho người Trên thực tế, nhu cầu khác chủ đầu tư hạn chế vốn, nên mức độ tự động hóa khác Có tịa nhà trang bị hệ thống thang máy, hệ thống báo cháy, hệ thống thơng gió; có tịa nhà trang bị hệ thống điều khiển chiếu sáng, hệ thống quản lý lượng; có tịa nhà có hệ thống điều hịa trung tâm, hệ thống camera giám sát an ninh Việc đòi hỏi tất tòa nhà trang bị đầy đủ hệ thống thiếu thực tế Và kèm theo đó, hệ BMS cho tịa nhà mức độ khác Nhưng nhận thấy rằng, với nhu cầu ngày cao người sử dụng việc trang bị đầy đủ hệ thống phải tính đến cho tịa nhà Tức là, xây dựng tòa nhà mới, chưa đủ điều kiện kĩ sư xây dựng phải tính đến khơng gian để bổ xung hệ thống thiếu Còn kĩ sư tự động thiết kế hệ BMS cần tính đến khả tích hợp hệ thống BMS tồn với thiết bị Muốn vậy, thiết kế hệ tự động hóa tịa nhà cần phải làm ? Câu trả lời có phần sau tìm hiểu nhiều BMS 1.3 Lý chọn đề tài, mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài NGUYỄN HOÀNG – CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN KHÓA 2005-2007