Đồ án nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát tiêu thụ năng lượng điện hướng tới việc sử dụng hiệu quả, tiết kiệm tại bệnh viện đa khoa

Vấn đề năng lượng hiện nay là một trong những lĩnh vực được Đảng, Nhà nước và các công ty công nghệ đặc biệt quan tâm và t trọng. Nặng lượng cụ thể là điện năng được tạo ra từ nhiều nguồn khác nhau nhưng để khai thác và sử dụng hiệu quả luôn là vấn đề nóng cần được xử lý. Đặc biệt là trong ngành y tế, điện năng đóng vai trò quan trọng để vận hành các trang thiết bị phục vụ cho công tác khám chữa bệnh của công dân. Hiện nay theo thống kê mới nhất năm 2021 thì các cơ sở ý tế, bênh viện, các phòng khám đa khoa có mức tiêu thụ điện năng rất lớn. Theo Báo HÀ NỘI, thời gian cao điểm mức tiêu thụ điện tại Bệnh viện đa khoa Vinh lên đến 140.000kwhtháng, Bệnh viện đa khoa Hà Tĩnh 133.000kwhtháng, đây là một con số không hề nhỏ và chưa kể trong một tỉnh thành phố không chỉ có một mà có nhiều phòng khám như vậy. Có nhiều nguyên nhân dẫn đến việc tiêu thụ điện năng luôn ở mức cao ở các cơ sở y tế đó là: Do nhu cầu khám chữa bệnh ngày càng cao, bệnh viện làm việc 2424. Do số lượng các trạng thiết bị sử dụng nhiều, liên tục và quản lý điện năng chưa tốt. Do thói quen sử dụng các thiết bị chiếu sáng, điều hoà, … không đúng mục đích. Với mức tiêu thụ điện năng cao như vậy sẽ tác động rất xấu tới chất lượng môi trường sống, kinh tế và xã hội. Khi điện năng tạo ra không đủ để duy trì hoạt động sinh hoạt, sản xuất, kinh doanh cho các doanh nghiệp, cơ sở sản xuất đồng thời gián tiếp làm ô nhiễm không khí, từ các nhà máy nhiệt điện và làm gia tăng hiệu ứng nhà kính. Vậy câu hỏi đặt ra là: “Tại sao chúng ta không tối ưu, sử dụng hiệu quả điện năng bằng cách áp dụng công nghệ để tiết kiệm điện năng?” Vì vậy trong nghiên cứu lần này tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát tiêu thụ năng lượng điện hướng tới việc sử dụng hiệu quả, tiết kiệm tại bệnh viện đa khoa.”

BỘ LAO ĐỘNG – THƯƠNG BINH & XÃ HỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HÀ NỘI

NGUYỄN VĂN HÀ

ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT TIÊU THỤ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN HƯỚNG TỚI VIỆC SỬ DỤNG HIỆU QUẢ, TIẾT KIỆM TẠI

BỆNH VIỆN ĐA KHOA

HÀ NỘI – NĂM 2022

ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

BỘ LAO ĐỘNG – THƯƠNG BINH & XÃ HỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HÀ NỘI

NGUYỄN VĂN HÀ

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT TIÊU THỤ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN HƯỚNG TỚI VIỆC SỬ DỤNG HIỆU QUẢ, TIẾT KIỆM

TẠI BỆNH VIỆN ĐA KHOA

Ngành:Kỹ Thuật Điện

Mã số:CB S45652 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Cán bộ hướng dẫn khoa học:

TS NGUYỄN THÚY AN

HÀ NỘI – NĂM 2022

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH ẢNH 3

DANH MỤC BẢNG BIỂU 5

DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT 6

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG I: 10

TỔNG QUAN VỀ PHỤ TẢI DÙNG ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG BỆNH VIỆN ĐA KHOA 10

1.1 Thiết bị chiếu sáng 10

1.1.1 Định nghĩa và phân loại 10

1.1.2 Các khái niệm liên quan 12

1.1.3 Tiêu chuẩn chiếu sáng trong nhà 13

1.2 Thiết bị khám chữa bệnh 13

1.2.1 Máy móc và các phụ tải điện dùng trong chẩn đoán 13

1.2.2 Máy móc và phụ tải điện sử dụng lâu dài 15

1.2.3 Máy móc và các phụ tải điện dùng trong điều trị 16

1.2.4 Máy móc và các phụ tải điện sử dụng trong phòng thí nghiệm y tế 16

1.3 Nhóm thiết bị sưởi, thông gió, điều hòa 17

1.3.1 Định nghĩa 17

1.3.2 Các tác dụng của nhóm thiết bị sưởi, thông gió, điều hòa 18

1.3.3 Các tiêu chuẩn thiết kế hệ thống thông gió, điều hòa không khí trong bệnh viện 19 1.4 Kết luận chương 21

CHƯƠNG II 22

HỆ THỐNG GIÁM SÁT, QUẢN LÝ VÀ ĐIỀU HÀNH THIẾT BỊ ĐIỆN THÔNG MINH CHO MÔI TRƯỜNG BỆNH VIỆN SỬ DỤNG KẾT NỐI KNX 22

2.1 Một số giải pháp quản lý toà nhà hiện nay 22

2.1.1 Hệ thống quản lý toàn nhà BMS 22

2.1.2 Hệ thống KNX - giải pháp tối ưu, tiết kiệm cho quản lý và điều khiển toà nhà 29 2.2 Hệ thống KNX và nguyên tắc hoạt động 30

2.2.2 Đường truyền Bus KNX 31

2.2.3 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống KNX 33

2.3 Hệ sinh thái KNX và Khả năng tích hợp vào các kiểu công trình 33

2.3.1 Hệ sinh thái KNX 33

2.3.2 Khả năng tích hợp lên mọi công trình 33

2.4 KNX có thể kết hợp với các hệ thống khác 34

2.5 Khả năng quản lý, tiết kiệm năng lượng của hệ thống KNX 35

2.6 Kết luận chương 36

CHƯƠNG III 36

THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT, QUẢN LÝ VÀ TỐI ƯU HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TẠI CÁC BỆNH VIỆN, ĐA KHOA 36

3.1 Cấu trúc hệ thống 36

3.2 Chi tiết các thiết bị phần cứng 37

3.2.1 Bộ điều khiển Logic Machine 5 37

3.2.2 Nguồn 24VDC Mealwell 37

3.2.3 Nguồn Bus – Choke N120/2 Siemen 37

3.2.4 Bộ Switching Actuator Siemen 37

3.2.5 Bộ Binary Input Siemen 37

3.2.6 Cảm biến KNX 37

3.2.7 Cảm biến chuyển động the ben 37

3.3 Phần mềm thiết kế 39

3.3.1 Phần mềm ETS 5 39

3.3.2 Ngôn ngữ lập trình Lua 40

2 3.4 Xây dựng hệ thống 43

3.4.1 Mô tả nguyên lý hoạt động của hệ thống 44

3.4.2 Xây dựng hệ thống trên phần mềm ETS 5 46

3.4.3 Thiết kế giao diện Web Server 49

3.4.4 Thuật toán lập trình cho đối tượng trên Logic Machine 5 51

3 3.5 Chạy thực nghiệm và đánh giá kết quả 53

Hình 3.28: Giao diện điều khiển các phòng 55

KẾT LUẬN 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình1.1: Đèn sợi đốt 12

Hình 1.2: Đèn huỳnh quang 12

Hình 1.3: Đèn LED âm trần 13

Hình 1.4: Máy móc và các thiết bị dùng trong chẩn đoán y tế 15

Hình 1.5: Máy móc và các thiết bị có tuổi thọ sử dụng lâu dài 16

Hình 1.6: Thiết bị phẫu thuật LASIK 17

Hình 1.7: Máy phân tích huyết học 18

Hình 1.8: Hệ thống thông gió trong một phòng bệnh 19

Hình 2.1: Hệ thống BMS 23

Hình 2.2: Cấu trúc tổng quan hệ thống BMS 25

Hình 2.3: Một cấu trúc khác của hệ thống BMS 29

Hình 2.4: Hệ thống KNX 31

Hình 2.5: Tổng quan về giao thức KNX 32

Hình 2.6: Dây kết nối trong giao thức KNX 33

Hình 2.7: Đặc điểm hệ thống KNX 34

Hình 2.8: Mô tả hệ thống KNX 35

Hình 2.9: Bản vẽ hệ thống KNX trong tòa nhà 35

Hình 2.10: Cổng vào ra của giao thức KNX 36

Hình 2.11: Hệ thống KNX trong thực tế 37

Hình 3.1: Cấu trúc hệ thống của đề tài.[6] 38

Hình 3.2: Bộ điều khiển Logic Machine 5.[7] 39

Hình 3.3: Giao diện thiết kế Logic Machine 5[7] 40

Hình 3.4: Nguồn 24VDC Mealwell 41

Hình 3.5: Nguồn bus 41

Hình 3.6: Sơ đồ kết nối bus 42

Hình 3.7: Switching Actuator Siemen 43

Hình 3.8: Bộ Binary Input Siemen 44

Hình 3.9: Cảm biến KNX 45

Hình 3.10: Cảm biến chuyển động the ben 46

Hình 3.11: Phần mềm ETS5 47

Hình 3.12: Ngôn ngữ lập trình LUA 49

Hình 3.13: Mô hình đề tài trong thực tế 51

Hình 3.14: Điều khiển hệ thống IP 53

Hình 3.15: Giao tiếp KNX 54

Hình 0.16: Xây dựng hệ thống (Ảnh 1) 55

Hình 3.17: Xây dựng hệ thống (Ảnh 2) 56

Hình 3.18: Xây dựng hệ thống (Ảnh 3) 56

Hình 3.19: Xây dựng hệ thống (Ảnh 4) 57

Hình 3.20: Xây dựng hệ thống (Ảnh 5) 57

Hình 3.21: Thiết kế giao diện WebServer (Ảnh 1) 58

Hình 3.22: Thiết kế giao diện WebServer (Ảnh 2) 58

Hình 3.23: Thiết kế giao diện WebServer (Ảnh 3) 59

Hình 3.24: Thiết kế giao diện WebServer (Ảnh 4) 59

Hình 3.25: Thuật toán quét phím 60

Hình 3.26: Thuật toán đọc trạng thái đầu vào 61

Hình 3.27: Giao diện lựa chọn phòng điều khiển 63

Hình 3.28: Giao diện điều khiển các phòng… ……… …….59

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Các hệ thống thông minh trong BMS 26

DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

KNX : KONNEX – Một tiêu chuẩn cho tự động hóa trong tòa nhà

IoT : Internet of Things – Vạn vật kết nối Internet

BMS : Building Management System –Hệ thống quản lý tòa nhà

VAV : Variable Air Volume – Hệ thống biến đổi lưu lượng gió

PLC : Programmable Logic Controller – Bộ điều khiển logic khả trình.PAC : Programmable Automation Controller – Bộ điều khiển tự động hóa.DDC : Direct Digital Control – Bộ điều khiển kỹ thuật số trực tiếp

HMI : Human Machine Interface – Giao diện người và máy

HVAC: Heating, Venrilating and Air Conditioning – Hệ thống sưởi ấm, thông

gió và điều hòa không khí

TP : Twisted Pair – Dây xoắn đôi

RFID : Radio Frequency Indentification – Nhận dạng qua tần số vô tuyến.NFC : Near-Field Communications – Công nghệ kết nối không dây tầmngắn

QR : Quick Response code – Mã vạch ma trận

AUV : Unmanned Aerial Vehicle – Máy bay không người lái

CNTT : Công nghệ thông tin

CSDL : Cơ sở dữ liệu

MỞ ĐẦU

 Lý do chọn đề tài

Vấn đề năng lượng hiện nay là một trong những lĩnh vực được Đảng, Nhànước và các công ty công nghệ đặc biệt quan tâm và t trọng Nặng lượng cụ thể làđiện năng được tạo ra từ nhiều nguồn khác nhau nhưng để khai thác và sử dụng hiệuquả luôn là vấn đề nóng cần được xử lý Đặc biệt là trong ngành y tế, điện năng đóngvai trò quan trọng để vận hành các trang thiết bị phục vụ cho công tác khám chữabệnh của công dân

Hiện nay theo thống kê mới nhất năm 2021 thì các cơ sở ý tế, bênh viện, cácphòng khám đa khoa có mức tiêu thụ điện năng rất lớn Theo Báo HÀ NỘI, thời giancao điểm mức tiêu thụ điện tại Bệnh viện đa khoa Vinh lên đến 140.000kwh/tháng,Bệnh viện đa khoa Hà Tĩnh 133.000kwh/tháng, đây là một con số không hề nhỏ vàchưa kể trong một tỉnh thành phố không chỉ có một mà có nhiều phòng khám nhưvậy

Có nhiều nguyên nhân dẫn đến việc tiêu thụ điện năng luôn ở mức cao ở các cơ sở y

tế đó là:

- Do nhu cầu khám chữa bệnh ngày càng cao, bệnh viện làm việc 24/24

- Do số lượng các trạng thiết bị sử dụng nhiều, liên tục và quản lý điện năngchưa tốt

- Do thói quen sử dụng các thiết bị chiếu sáng, điều hoà, … không đúng mụcđích

Với mức tiêu thụ điện năng cao như vậy sẽ tác động rất xấu tới chất lượng môitrường sống, kinh tế và xã hội Khi điện năng tạo ra không đủ để duy trì hoạt độngsinh hoạt, sản xuất, kinh doanh cho các doanh nghiệp, cơ sở sản xuất đồng thời giántiếp làm ô nhiễm không khí, từ các nhà máy nhiệt điện và làm gia tăng hiệu ứng nhàkính

Vậy câu hỏi đặt ra là: “Tại sao chúng ta không tối ưu, sử dụng hiệu quả điệnnăng bằng cách áp dụng công nghệ để tiết kiệm điện năng?”

Vì vậy trong nghiên cứu lần này tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu xây dựng

hệ thống giám sát tiêu thụ năng lượng điện hướng tới việc sử dụng hiệu quả, tiết kiệm tại bệnh viện đa khoa.”

 Mục tiêu của đề tài

Tìm hiểu và nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát tiêu thụ năng lượng điệnhướng tới việc sử dụng hiệu quả, tiết kiệm tại bệnh viện đa khoa, đồng thời thiết kếphần cứng và giao diện điều khiển trên nền tảng hệ thống KNX; thiết kế giao diệnđiều khiển cho Smartphone

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Trong đề tài này với đối tượng là: Hệ thống giám sát phụ tải tiêu thụ điện hướng tới tiết kiệm, hiệu quả;

- Phạm vi nghiên cứu là: các bệnh viện đa khoa, thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển thông minh các thiết bị điện với mục đích quản lý và tiết kiệm năng lượng

 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài

Hiện nay các cơ sở y tế đặc biệt là các bệnh viện đa khoa có mức tiếu thụ điệnnăng rất lớn, hiểu được tầm quan trọng của năng lượng ảnh hưởng tới đời sống xãhội, môi trường tôi mong muốn xây dựng được một hệ thống để giải quyết nhữngkhó khăn trên đồng thời phát triển và áp dụng hệ thống tới nhiều công trình, giúp cảithiện chất lượng dịch vụ và nâng cao giá trị cuộc sống

- Ý nghĩa khoa học: Xây dựng hệ thống giám sát tiêu thụ điện năng đảm bảo vận hành tiết kiệm điện năng cho các bệnh viện đa khoa

- Ý nghĩa thực tiễn: Có tính khả thi khi áp dụng vào thực tế các bệnh viện và có khả năng phát triển cho các nhà máy xí nghiệp công nghiệp khác

 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu, khảo sát đặc điểm hệ thống thực tế để đặt các yêu cầu cho bàitoán; Phân tích công nghệ và lựa chọn giải pháp cần giải quyết; thiết kế thực thi hệthống trên nền tảng đề mô hệ thống thực để kiểm nghiệm

 Nội dung cơ bản của đề tài

Đề tài “Nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát tiêu thụ năng lượng điện

hướng tới việc sử dụng hiệu quả, tiết kiệm tại bệnh viện đa khoa”, ngoài phần mở

đầu và kết luận thì luận văn được chia thành 3 chương với các nội dung như sau:

 Chương 1: Tổng quan về phụ tải dùng điện trong hệ thống bệnh viện đakhoa

 Chương 2: Hệ thống giám sát, quản lý và điều hành thiết bị điện thông minh cho môi trường bệnh viện sử dụng kết nối KNX

 Chương 3: Thiết kế hệ thống giám sát, quản lý và tối ưu hoạt động của các thiết bị điện tại các bệnh viện, đa khoa

CHƯƠNG I:

TỔNG QUAN VỀ PHỤ TẢI DÙNG ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG

BỆNH VIỆN ĐA KHOA

Cùng với sự tiến bộ vượt bậc của nền y tế hiện đại ngày nay, không khó khăn

để bắt gặp các loại máy móc và thiết bị trong lĩnh vực y tế hiện đại trong bệnh viện

để phục vụ công tác chữa trị và chuẩn đoán cho người bệnh Về cơ bản, có rất nhiềuloại thiết bị được dùng trong bệnh viện và các phòng khám tùy theo nhu cầu và mụcđích sử dụng

Phụ tải điện là bất kỳ thiết bị nào tiêu thụ năng lượng điện và biến nó thànhmột dạng khác Các thiết bị này sẽ tiêu thụ năng lượng điện dưới dạng dòng điện vàbiến đổi thành dạng khác Năng lượng điện thường được biến đổi thành các dạng nhưánh sáng, chuyển động hoặc nhiệt điện

Bệnh viện đa khoa gồm nhiều khu để thực hiện các chức năng khác nhau:

- Khu hành chính

- Khu điều trị

- Khu kỹ thuật

- Khu điều trị nội trú

- Khu điều trị ngoại trú

1.1.1 Định nghĩa và phân loại

Là những thiết bị có khả năng chuyển hóa năng lượng điện tiêu thụ thành nănglượng ánh sáng Theo nguyên lí hoạt động ta có thể phân chia các đèn chiếu sángthành ba nhóm lớn:

- Đèn nóng sáng là loại đèn được phát sáng khi đốt nóng: điện năng chuyểnthành nhiệt năng rồi lại chuyển tiếp thành quang năng Trong đèn sợi đốt có hai loại

là đèn sợi đốt thông thường và đèn sợi đốt có bổ sung khí halogen

Hình1.1: Đèn sợi đốt

- Đèn phóng điện là loại đèn sử dụng phương pháp phóng điện hồ quang

để chiếu sáng Các loại đèn phóng điện trong chất khí gồm các nhóm:đèn huỳnh quang, đèn cao áp thủy ngân, đèn natri và đèn halogen kimloại

Hình 1.2: Đèn huỳnh quang

- Đèn LED ( lighting emitting diode): đi ốt phát quang khi có dòng điện

1 chiều chạy qua, chuyển từ điện năng sang quang năng

Hình 1.3: Đèn LED âm trần

1.1.2 Các khái niệm liên quan

- Quang thông (đơn vị lumen) là giá trị đo tổng lượng ánh sáng phát ra từmột đèn

- Độ rọi (đơn vị lux) là lượng quang thông chiếu tới một đơn vị diện tích

bề mặt

- Cường độ sáng (đơn vị candela) là giá trị đo độ sáng của đèn chiếusáng (cũng như bộ phản xạ) theo một phương nhất định (biểu thị chùmtia sáng)

- Độ chói (cd/m2) là cường độ sáng phát ra từ bề mặt nguồn sáng hoặc

bề mặt phản xạ theo một hướng xác định, gây nên cảm giác sáng đốivới mắt, giúp nhận biết vật

- Độ đồng đều là tỷ số giữa giá trị tối thiểu và giá trị trung bình của độrọi Nó thể hiện tỉ lệ đồng đều của ánh sáng trên bề mặt chiếu sángthông qua tỉ số của độ rọi

- Chỉ số chói lóa mặt tiện nghi đặc trưng mức độ gây ra cảm giác khó chịu khicác phần của trường nhìn quá chói so với độ chói xung quanh mà mắt đẵthích nghi

- Nhiệt độ màu là đại lượng đặc trưng của ánh sáng, cho biết ánh sángphát ra có màu gì và thuộc ánh sáng ấm hay lạnh Đơn vị đo nhiệt độmàu là Kevin (viết tắt là K) Kelvin dao động trong khoảng 1000K -10,000K tương ứng các gam màu từ ấm đến lạnh

- Chỉ số hoàn màu được ký hiệu là CRI (color rendering index) phản ánh

độ trung thực màu sắc của vật khi được nguồn sáng chiếu tới

1.1.3 Tiêu chuẩn chiếu sáng trong nhà

Khu vực chiếu sáng Tiêu chuẩn độ rọi (lux)

1.2 Thiết bị khám chữa bệnh

1.2.1 Máy móc và các phụ tải điện dùng trong chẩn đoán

Thiết bị chẩn đoán có thể là bất kỳ thiết bị hay dụng cụ y tế nào được sử dụngtrong các cơ sở y tế, phòng khám với mục đích duy nhất là chẩn đoán tình trạng củabệnh nhân Dựa trên các triệu chứng được bệnh nhân mô tả, bác sĩ sẽ thực hiệnnhững xét nghiệm chẩn đoán bằng cách sử dụng những dụng cụ y tế thích hợp đểđánh giá nội bộ bệnh nhân Các bác sĩ hay kỹ thuật viên sẽ tìm kiếm bất kỳ sự bất

thường nào trong các cơ quan hoặc bộ phận bị ảnh hưởng trong cơ thể gây ra cácbiểu hiện triệu chứng

Dưới đây là một số loại thiết bị và dụng cụ y tế chẩn đoán được sử dụng phổbiến nhất trong các cơ sở y tế, phòng khám, bệnh viện:

Máy đọc hình ảnh dùng trong y tế – Là một sản phẩm được ứng dụng côngnghệ, được sử dụng để tạo ra hình ảnh hiển thị bên trong cơ thể con người Hình ảnhtrực quan do thiết bị tạo ra được sử dụng để phân tích lâm sàng và can thiệp y tế Córất nhiều thiết bị trong chẩn đoán hình ảnh, chẳng hạn như X-quang (máy X-quang),chụp cắt lớp vi tính (CT scan), chụp cộng hưởng từ (chụp MRI), máy siêu âm và siêu

âm tim

Ngoài các loại máy dùng trong chẩn đoán hình ảnh y tế còn có các loại thiết bịkhác được sử dụng để chẩn đoán tình trạng người bệnh Một trong số đó còn bao gồmcân, ống nghe, doppler và máy đo oxy xung

Hình 1.4: Máy móc và các thiết bị dùng trong chẩn đoán y tế

1.2.2 Máy móc và phụ tải điện sử dụng lâu dài

Loại thiết bị y tế này được sử dụng chủ yếu nhằm cung cấp các lợi ích trongđiều trị cho một số tình trạng hoặc bệnh tật Việc sử dụng những thiết bị này phải cóchỉ định của bác sĩ, được thiết kế để phục vụ cho mục đích y tế

Những thiết bị này được sử dụng trong thời gian dài và có thể tái sử dụngtrong bệnh viện hoặc tại nhà để chăm sóc bệnh nhân Một số loại thiết bị có tuổi thọ

sử dụng lâu bên như:

- Xe lăn tay hoặc lăn điện

- Máy phun sương

- Thang máy dành cho bệnh nhân

- Máy chạy thận

- Bình oxy cố định hoặc di động

- Máy thở oxy

Hình 1.5: Máy móc và các thiết bị có tuổi thọ sử dụng lâu dài

Thuật ngữ “lâu bền” bắt nguồn từ việc các loại máy móc thiết bị thường xuyênđược kiểm tra chất lượng hoạt động Các thiết bị này được thiết kế để cung cấp cho

người bệnh sự an toàn và thoải mái Ngoài ra, những thiết bị này còn bao gồm tínhnăng chống trượt và độ chịu lực bền bỉ.

1.2.3 Máy móc và các phụ tải điện dùng trong điều trị

Thiết bị điều trị dùng trong y tế là bất kỳ loại thiết bị hoặc dụng cụ y tế nàođược thiết kế để điều trị một tình trạng bệnh lý cụ thể Các máy móc thiết bị nàyđược ứng dụng công nghệ hiện đại để giải quyết bất kỳ bất thường nào nhằm phụchồi chức năng của các cơ quan hoặc mô bị ảnh hưởng trong cơ thể người bệnh Điềunày được bao gồm các vật tư phẫu thuật được thiết kế để điều trị một số tình trạngcần can thiệp phẫu thuật

- Thiết bị phẫu thuật LASIK: Việc sử dụng công nghệ LASIK chủ yếu để điềutrị các bệnh về mắt Thiết bị này được thiết kế để sử dụng cho những bệnh nhân cóvấn đề về mắt như cận thị, viễn thị hoặc loạn thị

Hình 1.6: Thiết bị phẫu thuật LASIK

- Thiết bị Laser y tế: Là một thiết bị mang tính cách mạng về công nghệ, sửdụng trong lĩnh vực y tế để điều trị các loại bệnh lý khác nhau Đây là loại thiết bị cóthể phát ra bước sóng bức xạ điện từ cho các ứng dụng về lâm sàng Các bước sóngnày sẽ thay đổi khi đạt mức năng lượng và thời lượng xung

1.2.4 Máy móc và các phụ tải điện sử dụng trong phòng thí nghiệm y tế

Những loại thiết bị này được sử dụng nhằm phân tích nhóm máu, nước tiểu,gen và các vật liệu sinh học khác

Một số ví dụ phổ biến nhất về phụ tải phòng thí nghiệm được sử dụng tronglĩnh vực y tế:

- Máy phân tích khí máu

- Máy phân tích hóa học

- Máy phân tích điện giải

- Bộ đếm vi sai

- Máy phân tích thử nghiệm thuốc

- Máy phân tích đông máu

- Máy phân tích huyết học

- Máy phân tích nước tiểu

Hình 1.7: Máy phân tích huyết học

1.3 Nhóm thiết bị sưởi, thông gió, điều hòa.

1.3.1 Định nghĩa

Là các thiết bị đảm nhiệm kiểm soát về độ ẩm, nhiệt độ, chất lượng không khítrong bệnh viện Có thể kể đến một vài thiết bị ở đây như: điều hòa, quạt treo tường,

hệ thống thông gió,

Hình 1.8: Hệ thống thông gió trong một phòng bệnh.

Mục tiêu của nhóm thiết bị này là phải đảm bảo cho không khí trong lành,sạch các mầm mống bệnh cũng như tạo một nhiệt độ thích hợp cho quá trình hồiphục của bệnh nhân, do đó việc điều khiển nhóm thiết bị này là vô cùng phức tạp và

có nhiều tiêu chuẩn

1.3.2 Các tác dụng của nhóm thiết bị sưởi, thông gió, điều hòa

Ngoài việc đảm chất lượng không khí, hệ thống các thiết bị trên còn có các tácdụng khác như:

không khí và nhiệt độ và độ ẩm trong tất cả các bệnh viện là giải pháp

để giữ an toàn cho bệnh nhân, và trong một số trường hợp, thậm chícòn là một phần trong việc điều trị của họ Các hệ thống thônggió trong bệnh viện sẽ được thiết kế sao cho việc chăm sóc bệnh nhânđược tốt nhất, kiểm soát chính xác các yêu cầu về không khí, nhiệt độ

và độ ẩm tại từng khu vực khác nhau trong bệnh viện Đồng thời đóngvai tròn làm hạn chế sự di chuyển và lây lan của khí độc, vi khuẩn, cácchất gây ô nhiễm khác trong không khí

còn có tác dụng trong việc loại bỏ các chất gây ô nhiễm, thanh lọc

không khí, và hạn chế các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn như MRSA,bệnh lao mycobacterium, legionella pneumophila (bệnh legionnaire)hay nhiễm virus như cúm, sởi, nấm mốc… Đây đều là những bệnh gâynguy hiểm như nhau nếu bị nhiễm.

người khác: Đối với những bệnh nhân mắc các bệnh gây suy giảm miễn

dịch như ung thư (đặc biệt là ung thư liên quan đến tủy xương và tế bàomáu), HIV và những người đang điều trị bằng thuốc hóa trị liệu cấyghép thì cần hạn chế tối đa việc lây nhiễm bệnh từ các nguồn khác đểđảm bảo sức khỏe cho bệnh nhân Vì thế, việc cung cấp không khísạch, trong lành và không bị ô nhiễm được ưu tiên hàng đầu trong cácbệnh viện và cơ sở chăm sóc bệnh nhân

cơ sở chăm sóc sức khỏe cần có thiết kế phòng chăm sóc đặc biệt chonhững người mắc bệnh truyền nhiễm, để đảm bảo vi khuẩn, vi-rút…không lây lan ra toàn bộ không gian của bệnh viện Hệ thống thông giótốt sẽ cách ly nguồn không khí ô nhiễm thông qua việc lọc không khí,giúp bảo vệ bệnh nhân, người chăm sóc, nhân viên bệnh viện và cáckhách đến thăm khỏi những nguồn bệnh lây nhiễm

1.3.3 Các tiêu chuẩn thiết kế hệ thống thông gió, điều hòa không khí trong bệnh viện.

Yêu cầu thiết kế hệ thống thông gió - điều hòa không khí của bệnh viện đakhoa được quy định tại Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 4470:2012 Bệnh viện Đa khoa -Tiêu chuẩn thiết kế:

Khi thiết kế hệ thống thông gió và điều hòa không khí cho bệnh viện cần cócác giải pháp công nghệ, giải pháp kiến trúc và kết cấu một cách hợp lý đảm bảo yêucầu vệ sinh, tuân thủ các quy định trong TCVN 5687 : 2010 và đảm bảo công trìnhxây dựng sử dụng năng lượng có hiệu quả

Cần thiết kế thông gió cơ khí cho các phòng thí nghiệm có sản sinh ra hơi độc,hỗn hợp bụi khí có nguy hiểm về cháy nổ hoặc có lò đốt

Ngoài ra cần chú ý:

Đối với các phòng thí nghiệm có thải hơi độc thì bố trí hút hơi tại chỗ bằngcác tủ hút hơi Nơi thoát hơi độc phải bố trí ở chỗ thoáng không ảnh hưởng tới ngườilàm việc hay sinh hoạt.

Số lần trao đổi không khí của phòng được tính toán theo nồng độ cho phép củahơi độc trong phòng và lượng nhiệt thừa tỏa ra

Phải thiết kế hệ thống quạt trần, thông gió cơ khí cho các khoa, phòng trongbệnh viện

Sảnh đợi, đón tiếp, nơi đăng ký, nơi đăng ký lấy số và nhận/trả kết quả, khu phụtrợ và hành lang nên sử dụng cả phương pháp thông gió tự nhiên và thông gió nhân tạo

Khu vực bố trí điều hòa không khí cần phân bố theo điều kiện và có thời gianvận hành thích hợp tùy chức năng của từng phòng

Nhiệt độ và độ ẩm trong bệnh viện được quy định trong sau

Bảng 1.1: Quy định về nhiệt độ, độ ẩm và luân chuyển không khí trong bệnh viện.

Khu vực Nhiệt

độ(˚C)

Độ ẩm(%)

Số lần luân chuyểnkhông khí ( lần/giờ )

hành lang vô khuẩn 21 – 24 60 –70 15 – 20

Tiền mê, hành lang sạch 21 – 26 70 5 – 15

Khu vực sạch 21 – 26 70 1 -2 Khoa xét

nghiệm

1.4 Kết luận chương

Từ việc nêu ra các phụ tải trong bệnh viện, em thấy rằng ngoại trừ nhóm thiết

bị khám chữa bệnh chúng ta không thể can thiệp được về phần cứng, các nhóm thiết

bị chiếu sáng và thiết bị sưởi, thông gió, điều hòa hoàn toàn có thể được phát triểnthành các hệ thống IoT giúp bệnh viện quản lý điện năng thông minh hơn cũng như

kiểm soát được hệ thống điện từ xa một cách hiệu quả Việc phát triển và xây dựng

hệ thống sẽ được em trình bày cụ thể ở chương 3 thông qua hệ thống KNX mà emtrình bày ở chương 2

CHƯƠNG II

HỆ THỐNG GIÁM SÁT, QUẢN LÝ VÀ ĐIỀU HÀNH THIẾT

BỊ ĐIỆN THÔNG MINH CHO MÔI TRƯỜNG BỆNH VIỆN SỬ

Hình 2.9: Hệ thống BMS.

2.1.1.1 Cấu trúc của hệ thống BMS

Trong một hệ thống BMS gồm 4 cấp được sắp xếp từ trên xuống dưới nhưsau: cấp quản lý, cấp điều khiển hệ thống, cấp điều khiển khu vực, cấp chấp hành.Trong đó:

 Cấp chấp hành: Bao gồm các thiết bị đầu vào là hệ thống cảm biến như:đầu đo áp suất, nhiệt độ, cảm biến CO, CO2; các camera, đầu thẻ… và đầu ra là các cơ cấu chấp hành như quạt, điều hòa, đèn, còi, chuông, loa, máy bơm, van, động cơ… Cấp chấp hành có chức năng chính là đolường, dẫn động và chuyển đổi tín hiệu Hiện nay các thiết bị cảm biến cũng được tích hợp phần điều khiển riêng để đảm nhận việc xử lý và chuẩn bị thông tin trước khi truyền thông tin lên cấp trên điều khiển khu vực

 Cấp điều khiển khu vực: Hay còn được gọi là cấp trường, gồm các bộ điều khiển sử dụng bộ vi xử lý, cung cấp chức năng điều khiển số trực tiếp cho các thiết bị ở từng khu vực, bao gồm các hệ thống như: bơm nhiệt, các bộ VAV, các bộ điều hoà không khí cục bộ… Hệ thống phần mềm quản lý năng lượng cũng được tích hợp trong các bộ điều khiển cấp khu vực Ở cấp này, các cảm biến và cơ cấu chấp hành giao tiếp trực tiếp với các thiết bị điều khiển 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 cấp hệ thống

 Cấp điều khiển hệ thống: Thường là các bộ điều khiển PLC (Program Logic Controler), PAC (Programmable Automation Controller), DDC (Direct Digital Control) … được áp dụng cho các hệ thống lớn như hệ thống điều hòa trung tâm, hệ thống chiếu sáng toà nhà, Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển hệ thống là nhận thông tin từ các bộ điều khiển cấp trường thông qua cáp bus hoặc ethernet tiêu chuẩn, xử lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống Bên cạnh đó cấp điều khiển hệ thống được kết nối với cấp quản

lý qua giao thức BACnet/IP nhằm mục đích truyền dữ liệu lên máy chủ

 Cấp quản lý: Bao gồm máy chủ (Main Server) và các máy tính hoặc HMI (giao diện người máy) được tích hợp các giao diện đồ họa giúp 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 Máy chủ có nhiệm vụ thuthập dữ liệu từ các lên hệ thống iBMS và chia sẻ dữ liệu Một cấp quản

lý được tích hợp các phần mềm ứng dụng như: an toàn hệ thống, truy cập hệ thống, định dạng dữ liệu, lập báo cáo, tích hợp hệ thống, quản lýbảo trì bảo dưỡng và quản lý năng lượng tài nguyên

Hình 2.10: Cấu trúc tổng quan hệ thống BMS.

Việc phân cấp điều khiển như trên, hệ thống BMS cung cấp cho người dùng

sự trực quan trên màn hình đồ hoạ, có thể lập trình linh hoạt dựa theo nhu cầu củangười sử dụng, đáp ứng các nhu cầu của người cư ngụ và phản ứng với các sự cốnhanh và hiệu quả hơn, giảm lượng điện năng tiêu thụ thông qua khả năng điều khiểnquản lý tập trung Có thể thấy ứng dụng hệ thống quản lý toà nhà thông minh đã thểhiện được những ưu thế vượt trội so với các phương pháp quản lý truyền thống Tuynhiên ở Việt Nam, các toà nhà thông minh chiếm tỉ trọng khá thấp Vì vậy, việc mởrộng và phát triển hệ thống BMS sẽ là xu thế tất yếu nhất là trong bối cảnh Việt Namđang thực hiện cuộc Cách mạng 4.0

2.1.1.2 CÁC HỆ THỐNG THÔNG MINH TRONG BMS

Bảng 2.1: Các hệ thống thông minh trong BMS.

Bộ điều khiển mạng,phòng điều khiển,

Bộ mở rộng mạng,ứng dụng chuyênbiệt bộ điều khiển và

hệ thống cảm biến

Sử dụng các thiết bị

hỗ trợ Web cho hệthống tự động hóatòa nhà, cho phépđiều khiển và giámsát từ xa bởi phòngBAS thông qua hệthống quay sốModem

Hệ thống điều

hòa không khí

(HVAC )

+Những phềm mềm như là Duty Cycle Program, UnoccupiedPeriod Program, Chillers Optimum Start-stop Program, Unoccupied Night Purge Program, Enthalpy Program, Load Reset Program, Zero-energy Band Program and Heating/

cooling Plant Efficiency Program

+Và những phầnmềm chuyên dụngkhác của sự hoạt độngcủa HVAC

+Bộ điều khiển xử

lý không khí, bộđiều khiển phân tán,

hệ thống biến đổilưu lượng gió, hệthống điều hòa vàmáy sưởi, và cácthiết bị khác nhưcảm biến áp suất,nhiệt độ , lưu lượng

+Sử dụng hệ thốngthị giác máy tính(cho phép đếm sốlượng người trongkhu vực làm mát vàthông báo cho hệthống điều khiển về

sự phân bố của cưdân)

+Việc phát triển hệthống HVAC trêninternet cho phépngười được ủyquyền giữ liên lạcmột cách chặt chẽvới hệ thống BAScho dù họ ở bất cứđâu

Hệ thống chiếu

sáng

Occupied–unoccupiedlighting control program (điều khiển chiếu sáng bằng thời gian thực); và những phần mềm chiếu sáng riêng khác

CCDcamera (camera

sử dụng linh kiệntích điện kép), hệthống chiếu sángthông minh/ hệthống quản lí chiếusáng, máy dòchuyển động, cảmbiến ánh sáng và cácthiết bị như là côngtắc

Điều khiển và theo dõi hệ thống chiếu sáng trên internet

Hệ thống thang

máy (thang

cuốn)

Chương trình cụ thể cho việc vận hành và giám sát thang máy

Cảm biến thang máy

và bộ nhận diện, dựatrên bộ điều khiển

+Điều khiển giámsát dựa trên trí tuệnhân tạo và ổ đĩa

mạng nơron và cácthiết bị khác như làCCD camera

nâng cao

+Sử dụng công nghệthị giác máy tínhtrong việc đếm sốlượng người sử dụng

và hỗ trợ kiểm soátthang máy trong tòanhà thông minh

Hệ thống phòng

cháy chữa cháy Chương trình riêngcủa hệ thống bảo vệ

và phát hiện đámcháy

Bộ điều khiển chữacháy thông minh, cóthể tự động pháthiện và cảnh báocho hệ thống chữacháy, các cảm biếnnhiệt độ, cảm biếnhình ảnh, cảm biếnkhói

Hệ thống báo cháyhiện đại bao gồm hệthống cảnh báo độclập và cảm biếnmạch khởi độngthông minh

Hệ thống an

ninh

Chương trình đặctrưng cho bảo vệ antoàn, phát hiện và hệthống an toàn

+Bộ điều khiển lốivào thông minh

+Giám sát CCTV,lối vào thẻ điện tử,máy dò chuyểnđộng, hệ thốngchuông báo đột nhập

và các cảm biến hiệndiện đặc biệt

Điều khiển và theodõi hệ thống bảomật thông quainternet

Hệ thống thông

tin liên lạc Bộ chuyển mạch tựđộng, mạng tích hợp

đa dịch vụ số, mạngcục bộ và hệ thốnginternet và cácchương trình phầnmềm khác có khảnăng tạo ra giám sát

và điều khiển xâydựng từ xa

Hệ thống điện thoaitruyền thống, dâyang-ten, các truyềnđộng, bộ khuếch đại,

bộ trộn, bộ tách, bộkhuếch đại lặp, bộsuy giảm và cổngkết nối TV; vàangten cho thông tinliên lạc

Sử dụng các thiết bị

hỗ trợ Web cho phépđiều khiển và giámsát tòa nhà từ xa

- Quản lý tốt hơn các thiết bị thông minh trong tòa nhà Nhờ vào hệthống lưu trữ dữ liệu, chương trình bảo trì bảo dưỡng và hệ thống tự động báo.

- Giảm sự cố, kịp thời phản ứng với những sự cố phát sinh Đưa raphương án khắc phục cho những yêu cầu của khách hàng

- Quản lý tập trung, điều khiển và quản lý năng lượng để giảm chi phí

- Giảm chi phí nhân công và thời gian đào tạo nhân viên BMS cài đặtnhanh chóng, sử dụng dễ dàng Mô hình quản lý thể hiện trực quan nên giảm tối đachi phí đào tạo nhân sự

- Dễ dàng nâng cấp, vận hành, mở rộng Linh hoạt trong việc lập trìnhtheo yêu cầu đề ra

 Nhược điểm

- Chi phí vận hành và lắp đặt là điều đầu tiên nói đến Đôi khi tốn hàngtrăm nghìn đô la để lắp đặt và duy trì hoạt động

- Dữ liệu được cung cấp là dữ liệu báo cáo để đánh giá Nên đôi khi

không giúp tiết kiệm năng lượng tối đa và hiệu quả hoạt động.

- BMS là tập hợp các hệ thống thiết bị khác nhau Hạn chế tối đa khả

năng hoạt động cộng tác

- BMS là một hệ thống cực kỳ phức tạp, không phải ai cũng có thể

hiểu Chính vì vậy, người điều hành phải có trình độ chuyên môn cao

Với những ưu điểm mà hệ thống BMS đem lại chúng ta không thể phủ nhận sựhiệu quả khi sử dụng hệ thống BMS Tuy nhiên song song với những ưu điểm vẫn cònnhững nhược điểm mà hệ thống này đến nay vẫn khó có thể cải thiện và tối ưu hơn nữa

Cho đến nay ngoài mục đích ban đầu làm cho ngôi nhà trở nên thông minhhiện đại hơn thì Hệ thống KNX mang lại được nhiều hơn thế:

Ưu điểm của kết nối KNX

- Hoạt động dựa trên nguyên tắc phi tập chung – tức là các thiết bị trong hệ thống hoạt động độc lập, nếu một thiết bị trong hệ thống bị lỗi các thiết bị khác vẫn hoạt động bình thường

- Dễ dàng kết nối, trao đổi dữ liệu với các tiêu chuẩn khác như Sóng RF, Zeebe, Modbus, TCP/IP bằng các thiết bị Gateway tích hợp trong hệ sinh thái KNX.

- Độ ổn định, tin cậy cao: Hệ sinh thái thiết bị KNX đã được hàng trăm nhà sản xuất uy tín phát triển sản phẩm như SEIMEN, schneider, jung, Zenio

- Thời gian phản hồi nhanh, linh hoạt: tốc độ phản hồi của các thiết bị là ngay lập tức, các tính năng của hệ thống có thể dễ dàng thay đổi mục đích

sử dụng

- Dễ dàng tích hợp và quản lý một lượng lớn thiết bị, theo lý thuyết có thể lên tới 50000 thiết bị trong một hệ thống Đây là điểm mạnh của hệ thống KNX so với các thiết bị giao tiếp không dây

- Là một hệ thống kết nối có dây, tuy nhiên vẫn có thể giao tiếp kết nối với các thiết bị không dây

- Hệ thống thông minh, điểu khiển đơn giản, linh hoạt và hiện đại

- Kết nối đa dạng các thiết bị IOT

- Giám sát, quản lý hiệu quả các thiết bị điện trong hệ thống

- Theo dõi môi trường, nâng cao chất lượng cuộc sống

- Tiết kiệm năng lượng, an toàn cho người sử dụng

- Bảo vệ, an ninh toà nhà

- Thư giãn, giải trí tích hợp đồng bộ trong hệ thống

Hình 2.12: Hệ thống KNX.

Từ những ưu điểm mang lại của hệ thống KNX Thấy đây là 1 hệ thống tối ưuđáp ứng được yêu cầu đặt ra là xây dựng một hệ thống giám sát và điều khiển thông

minh tiết kiệm năng lượng cho các cở sở bệnh viên đa khoa Chi tiết về hệ thống sẽđược trình bày trong Chương 2.

2.2 Hệ thống KNX và nguyên tắc hoạt động.

2.2.1 Giao thức KNX

KNX là tiêu chuẩn smarthome được xây dựng từ năm 1990 tại Châu Âu Khi

mà người ta còn đang ngỡ ngàng với máy tính cá nhân thì ở Châu Âu đã có tiêuchuẩn về nhà và tòa nhà thông minh Tiêu chuẩn này độc lập với phần cứng và phầnmềm, nghĩa là cho dù công nghệ có phát triển đến đâu thì tiêu chuẩn là không thayđổi Nó đảm bảo rằng các thiết bị KNX từ năm 1990 vẫn có thể giao tiếp và làm việccùng với thiết bị KNX mới sản xuất ngày hôm qua và không có gì lỗi thời cả Để làmđược điều đó, KNX quy định chuẩn giao tiếp giữa các thiết bị thông qua cáctelegram, chỉ cần tuân thủ tiêu chuẩn, các thiết bị của các hãng khác nhau có thể giaotiếp và điều khiển trên cùng một hệ thống

Hình 2.13: Tổng quan về giao thức KNX.

2.2.2 Đường truyền Bus KNX

Tiêu chuẩn đường truyền KNX được thiết kế rất linh hoạt Về cơ bản bạn cóthể lắp đặt các đường truyền với mọi loại công trình xây dựng và trong các điều kiệnmôi trường khác nhau: trong nhà, ngoài trời, ẩm, ướt

Đối với các công trình xây mới, thông thường các kỹ sư hệ thống sẽ thiết lậpđường truyền bus KNX bằng cáp TP (Twisted Pair), nhưng đối với các công trình đã

có sẵn, việc đi lại hệ thống dây truyền dẫn không phải lúc nào cũng khả thi

Hình 2.14: Dây kết nối trong giao thức KNX.