Luận văn thạc sĩ Thiết bị, mạng và nhà máy điện: Ứng dụng BMS quản lý hệ thống điều hòa trung tâm học liệu trường đại học Cần Thơ

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨHọ và tên học viên: Nguyễn Duy Ninh Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 16/03/1985 Nơi sinh: An Giang Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện Mã số: 60525

NGUYEN DUY NINH

UNG DUNG BMS QUAN LY HE THONG DIEU HOATRUNG TAM HOC LIEU TRUONG DAI HOC CAN THO

Chuyén nganh : Thiét bi, mang va nha may điện

Ma so: 605251

TOM TAT LUẬN VĂN THAC SĨ

TP HO CHI MINH, tháng 07 năm 2013

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt

Cán bộ chấm nhận xét 1 : - c2 SE SE SE EEE+EE#EESEESEESEESEESEEsEessreersez

Cán bộ chấm nhận xét 2 : - tt + SE S98 E98E9EE£EESEESEESEESEESEEsErssreersez

Luan văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai học Bách Khoa, DHQG Tp.HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý

chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA

PHAN LY LICH TRÍCH NGANG

Ho và tên: Nguyễn Duy Ninh

Ngày thang, năm sinh: 16/03/1985 Nơi sinh: An Giang.Địa chỉ liên lạc: Khoa Công Nghệ - Đại Học Tây Đô.

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

Học viên cao học Đại Học Bách Khoa TPHCM khóa 2011 - 2013

QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC

Giảng dạy tại Khoa Công Nghệ - Đại Học Tây Đô từ năm 2010 đến nay

Cần Thơ em đã hoàn thành việc nghiên cứu ứng dụng và mô phỏng hệ thống BMSquản lý hệ thống điều hòa trung tâm.

Đề hoàn thành được quyến luận văn này em xin chân thành cảm ơn thayNguyễn Hoàng Việt, anh Nguyễn Văn Cơi — Phòng Kỹ Thuật Trung Tâm HọcLiệu Đại Học Cần Thơ đã tận tình hướng dẫn thực hiện Hệ thống tự động hoá toànhà là một lĩnh vực rất mới ở Việt Nam, do vậy mặc dù đã rất cô găng nhưng cũngkhông tránh khỏi thiếu sót trong quá trình tìm hiểu Chúng em rất mong nhận đượcsự góp ý và bồ sung của các thay cô giáo

TPHCM, tháng 06 năm 2013

Ký tên

Nguyễn Duy Ninh

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Nguyễn Duy Ninh Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 16/03/1985 Nơi sinh: An Giang

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện Mã số: 6052511- TEN DE TÀI: UNG DUNG BMS QUAN LY HE THONG DIEU HÒA

TRUNG TAM HOC LIEU TRUONG DAI HOC CAN THO2- NHIEM VU LUAN VAN:

- Trình bay các hệ thống tự động hóa trong công nghiệp.- Tìm hiểu hệ thống tự động hóa quản lý năng lượng BMS Johson Control.- Ap dụng hệ thống BMS Johson Control quản lý hệ thống điều hòa tòa nhatrung tâm học liệu Trường Đại Học Cần Thơ

- Kết luận và kiến nghị hướng phát triển thêm.3- NGÀY GIAO NHIEM VU: 21/01/2013

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/20135- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DÂN: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt

Tp HCM, ngày tháng năm 20 CAN BỘ HƯỚNG DAN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRUONG KHOA ĐIỆN — ĐIỆN TỬ

Hệ thống tự động hóa quản lý năng lượng tòa nhà BMS đóng một vai tròquan trọng trong việc duy trì một điều kiện làm việc lý tưởng cho con người vả cácthiết bị hoạt động bên trong tòa nhà Nội dung chính của quyền luận văn này là tìmhiểu về hệ thống tự động hóa trong nên công nghiệp hiện đại, hệ thống lạnh trung

tâm của tòa nha và triển khai ứng dụng hệ thống BMS của hãng Johnson Control déquản lý hệ thống điều hòa trung tâm học liệu Trường Đại Học Cần Thơ Với kết quả

mong muốn là đã mô phỏng được việc điều khiển và vận hành hệ thống này mộtcách thuận tiện, an toàn và tiết kiệm năng lượng nhất

ABSTRACTThe system automates the building energy management BMS plays a keyrole in maintaining an ideal working conditions for the people and the equipmentinside the building operations The main content of this thesis is the book to learnabout automation systems in modern industry, the central air system of the buildingand deployment BMS system of Johnson Control to manage system central airmaterials Can Tho University The desired result is to be simulated to control andoperate this system in a convenient, safe and save the most energy.

1 Luận văn tốt nghiệp này do tôi tự lập nghiên cứu, tìm hiểu và mô phỏng dưới sự

hướng dẫn của thầy giáo hướng dẫn.

2 Để hoàn thành bản luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu đã ghi trong luận

văn, không sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác mà không liệt kê ở phần tài liệu thamkhảo.

TPHCM, tháng 06 năm 2013

Ký tên

Nguyễn Duy Ninh

Mục lục

1 Lý do chọn đề tài - SE 5 1c T1 1n TT TH TH ng cười |

2 Mục đích nghiÊn CỨU + + -Ăc< CC 0Ề011101101 110 11111111111 111111111 v1 3 x4 |

3 Đối tượng và phạm vỉ nghiên CỨU c- - E12 E1 SE cxS vn neo |

4 Phương pháp nghiÊn CỨU - + Ă 5 << 3333101101110 3111111111111 111111111 3 x4 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của để tai cc eccccccccccscescescescescescesseseeseeseeseessesees 205/09) 3HE THONG DIEU HOA KHÔNG KHÍ TRONG TOA NHÀ TRUNG TAM HỌCLIEU ĐẠI HỌC CAN THO wu eceececessessessssessesseseeseseescenesecsceuesecueeuesesuesesueaneneeneaneneees 3

1 Thuc trang chung cua cac toa nha cao tang hiện đại - -<< <5 32 Đặc trưng hệ thống điều hòa không khí trong tòa nhà trung tâm học liệu 33 Hệ thống điều hòa không khí trung tâm .- - ¿ ¿6 E2 ke cevserxei 44 Hệ thong điều khiển đo lường của thiết bị điều tiết không khí trong tòa nhà 54 I Nhiệm vụ chức năng của hệ thống điều khiỂn c + cccs sec se se se s2 54.2 Do lường và kiểm tra tại ChO wc cceeescsccssecscessscescscsccecevscesvscscessevsceavaceeees 64.3 Do lường và kiỂm tra ttl Xã óc 1v 1T TH HT HT ngư 63.4 Điều khiển tự động - -:- - skSxkx S11 11 TH TT HT HT ng ru 75 Sự can thiết quản lý hệ thống điều hòa không khí tòa nhà trung tâm học liệu 7CHUONG 6021 8TONG QUAN VE CÁC HE THONG DIEU KHIEN TRONG CONG NGHIEP 81 Mô hình phân cấp hệ thống cscsseecscecsecescevscsccecscecsevsceseevsceesaceseeeas 82 Câu trúc và thiết bị ¡5011115 ááăăăằẽẽẽ 102 1 Cấu trÚC Đu§ - 5+2 2t t221225211212111111211121111111111211111111 111tr 112 2 Cấu trúc mạch vOng(tich CUC) ceccccccsecsscsssssscesessseesecescsvsseceevscecsvacseevees 122 3 Cấu trúc hình SaO ¿222v 21 121211212112121211211712111121111111 11tr 132 4 Mô hình tham chiếu OSI (Open System Intereonnection) 14

2.5.2 TDMA (Time Division Multiple Access$) <<<<<< <2 172 5 3 Token Passing - - -ccc c1 011111 1 11111111 v0 1n vs 182.5.4 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection)La 182.5.5 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access With Collision

ANL0) (61-10 c) ee 18"s8 8.0 1 18

2 7 Chuẩn va môi trường truyén dant cscescesceseessceesscesesceccesvscnseevees 193 Cau trúc co bản của một hệ thống giám sát - 6s £sEseeeree 203 1 Cau trúc tập trung — Concentrated Architechure - s ssss sex: 203 2 Cau trúc phân quyÊN - - ke k1 E11 1v E1 ng ng ru 213 3 Cau trúc phân tán k1 1E 1S 1 1T 1T Hàn ngu 224 Hệ thống điều khiển phân tán DCS ¿E1 E31 SE cv go 234 1 Khái niệm về hệ thống điều khiển phân tán DCS - 2-5-5 +: 234 2 Mô hình phân lớp của hệ thống điều khiển DCS: - - 2 5s +: 24

v6, 90 4 24

4 2.2 Lớp điều khiến 6 ke xxx 1v 1T HT HT ng ru 254 2 3 Lớp điều hànhh - «6 sex 1c TT HT ng ru 25

4 2 4 Lớp thông tin quản Ìý + c 1121311111111 1111111111115 xx2 25

4 3 Các mô hình mạng trong hệ thống điều khiến phân tán - 26

A 3 1 Cac 07/905 26

4 3 2 Mạng điều hin: occ cseccsesccescsccecevscescscscesvavscevscsecssseeesavecs 27

4 3 3 Mạng diện rộng của nhà may «<< << << sssss2 27NỈ) e5 ho -.-.‹.ddảiiiiảăŸ(Ả 28

CHUONG cecỶÝ 28HE THONG TỰ ĐỘNG HOA TOA NHÀ CUA JOHNSON CONTROL 28L Giới thiệu về hệ thống tự động hoá toa nhả - 2c x2 xe sesxes 28

TT NG1 GU 11 Add 29

1 Các hệ thống được điều khiến trong toà nha ccccescseesscesesceeeseeees 291.1 Hệ thống HVAC SE c1 11H TS TT HT ng ng ru 291.2 Hệ thống điện c1 S111 12v 11g 1H HT ng ru 331.3 Hệ thống chiếu sáng G- - + St St 11 E11 1191 1E 1 ng ro 341.4 Hệ thong cấp ưƯỚC - 6 S1 về 5111 1E 21 5 1101 1 11g ng ru 341.5 Hệ thống thang may + tk S31 vE SE 191 1E 1g ng reo 351.6 Hệ thống chữa cháy -¿-G- + 1t 11 E11 1101 1E 1n ng ru 35Hệ thống an ninh - - - sEEStE9E k2 E98 k9 v9 111 1v 5 11g cv re: 362 Lợi ích của việc trang bị hệ thống BMS cho toà nhà 36

2.1 Giảm chi phí vận hành và bảo dưỡng: - << <<<<<+2 36

2.2 Tiết kiệm năng lượng:: c- - % s+ESxE 1E 1 HE ng ng reo 37

2.3 Tạo môi trường làm việc tiện nghi, hiện đại nâng cao hiệu quả làm việc:La 372.4 Dam bảo an ninh và an toàn cho con nBƯỜI: - s5 <<<<<<<< +2 37

2.5 Thân thiện va góp phan gìn giữ môi trường: - - 2s eects eeeees 383 Hệ thông BMS của Johnson ConfFOl 5 - <5 St + SE#E vs vsesees 383.1 Kiến trúc hệ thong va cau trúc mạng - xxx k+x+k vs csesxes 383.3 Bộ Điều Khién Giao Tiếp Mạng N30 - St seekrke 413.4 Bộ Điều Khién Trực Tiếp Kỹ Thuật Số DDC - se c+sse se 423.5 Thiết Bị Đầu Cuối - ¿5:25 t2 2x22 2E52121121211211111121 11 xe 433.6.2 Phần mém Metasys® Workstation phiên bản M3 -¿-«- 46

1 Thuật toán điều khiến các thiết bi trong hệ thống ¬ 50

3.1 Phần Mềm Đồ Hoa, Hình anh Động - QS SH SH ren 623.2 Hệ thống Chiler - - 6 + E8 E8 E E1 SE 1x 5 111 1 1g ng ng re 633.3 Hệ thống AHU 6 <E+ SE SE 1v 1E 11 1 kg ngàng ng ng 64

3.4 Tiện ích trong quản ly - -c c0 0110110110110 1111111111 11111111 vớ 66

4 Ứng dụng tiết kiệm năng lượng - - - + E3 SE cv go 684.1 Điều khiến công suất tiêu thụ -G- k1 1g ng ru 684.2 Điều khiển môi trường tiện ích, tiết kiệm năng lượng . ¿5 5<: 68II KẾT LUẬN G6 E191 E19 E1 1E 1v 1T TH ng ng ng 74KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ G- + SE E1 HT ng ng ru 751 KẾt luận - - c1 11T 515111 1115151111131 11111511111 011111 1111111 HH 752 Kiến nghị G- tt TT TT TT TT TH TH TT TT TT TH TT r 75TÀI LIEU THAM KHẢO -.- G6 Sex 3 8 5 11 1E E181 1g 1g nền ri 76

Mục lục hình

MO ĐẦU S1 1 TT 51111111151 5111 1111111511111 5111011111 1111111101 gưệu |CHUONG 021 3HE THONG DIEU HOA KHÔNG KHÍ TRONG TOA NHÀ TRUNG TAM HỌCLIEU ĐẠI HOC CAN THHƠ - - 5 SE SE SE2E28 E8 E11 81813 511111131 1111111 errkg 3Hình 1.1 Hệ thống điều hòa trung tâm 2k + 2 k+E+E*EEE#E+E+E£EEEeErrrkrererred 4

Hình 1.2: Các dàn lạnh FCU và AH - << << 1 111 111133 3x2 5

2:09) 922 8TONG QUAN VE CÁC HE THONG DIEU KHIEN TRONG CONG NGHIEP 8Hình 2 1 Mô hình phân cấp chức năng của một hệ thống điều khiến giám sát 8Hình2 2 Mô hình tham chiếu OSÌ + +8 + E+E+E+E+EEEESE+EEEEEEEEsEeEekrerrerred 14Hình 2 3 Cau trúc điều khiển tập trung - c1 cxE 1S cv reo 20Hình 2 4:Cấu trúc điều khiển phân quyền - - 6c E2 E SE ve cv csees 21Hình 2 5:Cấu trúc tiêu biểu của hệ điều khién phân tán DCS - 5 5<: 23

Hình 2 6 Mô hình phân lớp hệ DCS - 6 x8 SE 2E*E E8 E#E cv sgk 24Hinh 2 7 : r;30/90 211 adđ 26

CHUONG 8 oieceeecccccecssescscssscscscescecscesesesvevacscsesevevavscsesavscsessesevsvasssesestsvavaceeeevevaeess 28HE THONG TU DONG HOA TOA NHÀ CUA JOHNSON CONTROL 28Hình 3.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống BMS ceccesesesescecesescevsvscsseesevscseesseeees 38Hình 3.2: Giao diện điều khiến quản lý - k3 1E ng 45

Một phần mềm trọn gói được sử dụng cho việc giao tiếp giữa người va máy tính.Tất cả các ngõ vảo, ngõ ra, điểm đặt và các thông sô khac , như trình bày trong

các bản vẽ thiết kế, bảng điểm hoặc được yêu cau trong phần mêm hệ thông phải

hiển thi cho người vận hành xem và sửa đỔI c2 s +xsESEsEsEeEekrrreered 45Phần mềm giao diện với người sử dụng phải có phần hướng dẫn trợ giúp cho từng

¡1919018051204 22257777 1l 45

Hình 3.3 Công cụ cau hình hệ thống M- E.XÏOpF€T - 2-6 6+2 EE+E£v£sesxes 46Hình 3.4 Công cụ thiết kế giao diện đồ hoạ M- Graphies - sec csesed 47

Hình 4.1: Thuật toán chương trình chính - + +5 5< << c++ +31 3+xessssss 50

Hình 4.2: Quan lý dữ liệu các thiết bị trong hệ thống - ¿2 +6 x+e+£s£sxe: 51Hình 4.3: Giao diện điều khién Chiller c.cecccseeseeseeseseeeseeeeeeeeseeeeteeneaneeeeneenes 51Hình 4.4: Giao diện điều khiỀn FCU 5252 St22t2r2EtExeEsrsrsrrrrrrrerrrres 53Hình 4.5: Giao điện điều khién AHU 2-52 Sc22+2E2rExerkersrrrrrrrrrrrkrrree 54Hình 4.6: sơ đồ cau trúc hệ thống - + E113 SE 311 1E v c rkeo 58Hình 4.7: sơ đồ điều khiển máy điều hòa không khí ¿2 2 +s+s+s£e£ex+s4 59Hình 4.8: So đồ điều khiển máy làm lạnh nước - 6 + +kEeEsece£sesees 60Hình 4.9: Giao diện đồ họa trực QUẬN1 2321011033033 1111311 1113 1111111111115 x4 61Phần mềm đồ họa có khả năng hiện thị các hình ảnh động dựa trên các giá tri thực

Hình 4.15: Đồ thị công suất tiêu thụ theo thời gian 55c c+s+e+esczreesed 67

Hình 4.16: Quản lý cảnh Dao 1 122 2901011011101 11111111110 3 1 111 1n vớ 67

Hình 4.17: Điều khiển công suất tiêu thụ ¿ c E E2 SE vvcvgcreeo 67Hình 4.18: Điều khiển khởi động và dừng - - ksEESvSxEEx cvgcseeo 68Hình 4.19: Điều khiến dai năng lượng điểm không 5 < s +sEx+ece£sesxes 69

Hình 4.20: Chương trình quản lý PMMV TQ S11 S1 11111 1111 vi 70

Hình 4.21: Điều khiến áp suất nước đầu Va0 cc ccscescecscessesscesssceeceveceesevsceeeevees 70Hình 4.22: Điều khiển chu kỳ công suất G ¿6k E2 SE SE St ve ve: 71Hình 4.23: Điều khiển enthaly ¿G6 + SE 1E SE 31c vn ngu 71

Hình 4.24: Lịch làm việc tự động của may làm lạnh Chiller - - 72

Hình 4.25: Lịch làm việc tự động của máy điều hòa ¿- <6 cevsesees 72TÀI LIEU THAM KHẢO 52 S222 21221212121121121211211112112121111111 1c 75

DANH MỤC CÁC TỪ VIET TATAI— Analog Input (Đầu vào tương tự).

AO — Analog Ouput (Dau ra tương tự).AV — Analog Value (Giá trị tương tự - giá trị trung gian có thể hiệu chỉnh hay chỉ

đọc).AHU - Air HandingUnit.

Alarm - Hé thong điều khiển sẽ được định dạng dé phát ra những cảnh báo khi mộtđối tượng điều khiến vượt quá ngưỡng do người sử dụng xác định, như được miêu

tả trong trình tự hoạt động.

BI — Binary Input (Đầu vào số).BO - Binary Ouput (Dau ra số).BV - Binary Value (Giá trị nhị phân - La giá trị trung gian mà có thé hiệu chỉnh hay

chỉ đọc).BMS — Building Managerment SystemCSMA/CD- Carrier Sense Multiple Access With Collision DetectionCSMA/CA — Carrier Sense Multiple Access With Collision AvoidanceCRC — Cyclic Redundancy Check

DDC — Direct Digital ControllerDTE — Data Terminal EquipmentDCS —Distributed Control SystemES — Engineering Station

FCU — Fan coil Unit.FCS — Field Control System

Sched — Schedule (Lich biểu - Thuật toán điều khiến lịch hoạt động của thiết)

Show on Graphic - Hiền thi trên màn hình đồ hoạ của hệ thống

SS— Server Station.HMI -Human and machine interfaceHVAC — Heating, ventilation, and air-conditioning control.

Trend - Hệ điều khiến sé được định dạng lựa chon va hién thi bang đồ thị thời giancủa đối tượng Thời gian thực hiện vẽ đồ thị thời gian không nhỏ hơn thời gian laymau(Sphit)

TCP/IP—Transmisstion Control Protocol/Internet ProtocolTDMA- Time Division Multiple Access

OP — Operation PanelOS-— Operation StationOSI — Open System InterconnectionPLC — Programmable Logic ControllerMPC—Model Predictive Control

QCS — Quality Control System

MỞ ĐẦU1 Lý do chọn đề tài.

Trong thời đại ngày nay việc xây dựng các toà nhà cao tang làm công sở,trung tâm thương mại, khách sạn ngày càng trở nên phố biến Chúng ngảy cảngtrở nên hiện đại, tiện nghi để phục vụ các yêu cầu ngày càng cao của con người.Giải pháp kết hợp hệ thống các thiết bị cơ điện sử dụng trong toà nhà với công nghệtự động hoá nhằm đem lại khả năng tự hoạt động (hệ thống thông gió, hệ thốngchiếu sáng ) đã không còn là điều mới mẻ nữa Tuy nhiên vấn đề sống còn củagiải pháp này lại nam ở chỗ làm sao có thé quản lý chúng trong một hệ thông thốngnhất Các hệ thông tự động hoá toa nhà (Building Managerment System - BMS) đãra đời để giải quyết bài toán này

Qua phân tích thực trạng về hệ thống quản ly tòa nhà cao tầng kế trên chúngta thấy tính cấp thiết phải trang bị hệ thống BMS để cho tòa nhà đang khảo sát ởđây là Trung Tâm Học Liệu Trường Đại Học Cần Thơ tọa lạc tại trung tâm Thànhphó Can Thơ là một tòa nhà lớn kiến trúc hiện đại bốn tầng cao 22m Đây là tòa nhàđược xây dựng với nhiệm vụ chính là phục vụ sinh viên học tập, nghiên cứu, tô

chức các hội thảo quan trọng của trường và là không gian làm việc của hơn 30 cán

bộ quản lý Công trình góp phân làm cho cảnh quan của trường Đại Học Cần Thơthêm hiện đại góp phần nâng cao vị thế của trường trong nước và khu vực

2 Mục đích nghiên cứu.

Nghiên cứu ứng dụng hệ thong BMS dé điều khiến, giám sát, quan lý cácthiết bị cơ điện trong tòa nhà cao tầng đặc biệt là hệ thông điều hòa trung tâm, giúpcho việc vận hành bảo dưỡng quản lý hệ thống này một cách thuận tiện an toàn, tiết

kệm và hiệu quả.

Đề tai “Ứng dụng BMS quản lý hệ thống điều hoa Trung tâm học liệu DaiHọc Can Thơ” được lựa chọn xuất phát từ đòi hỏi thực tiễn

Nhận thức được vai trò to lớn của việc tiết kiệm năng lượng đối với nền kinh tế đất

nước nói chung cũng như các đơn vị tiêu thụ, sử dụng năng lượng điện nói riêng.

Qua đó thấy được những hạn chế và bất cập cần tháo gỡ, đưa ra những giải pháp tiếtkiệm năng lượng có tinh khả thi đặc biệt là hệ thống quản lý năng lượng BMS.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống tự động hóa quản lý năng lượng BMS của

Johnson Control.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tập trung vào việc tìm hiểu ứng dụng hệ thốngquản lý năng lượng BMS trong việc điều khiển và giám sát hệ thống điều hòa choTrung tâm học liệu Trường Đại Học Cần Thơ.

4 Phương pháp nghiên cứu.

- Nghiên cứu các hệ thống điều khiến trong công nghiệp.- Các hệ thống tự động hóa tào nhà

- Nghiên cứu ứng dụng hệ thống BMS của Johnson Control.- Mô phỏng vận hành hệ thông BMS cho tòa nhà

5 Y nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Nhiệm vụ chính của hệ thống BMS là điều khiến, giám sát, quản lý các thiết

bị cơ/điện trong một tòa nhà cao tang, giúp cho việc vận hành, bao dưỡng va quan

lý toa nhà một cách thuận tiện, an toàn va tiết kiệm

Hệ thống BMS được phát triển dựa trên nền kiến trúc của một hệ điều khiểnphân tán với các bộ điều khiến số trực tiếp (Direct Digital Controler — DDC) đượckết nỗi với hệ thông mạng tầng (Floor Networks); các bộ điều khiến, định tuyến cấpcao hơn liên kết các DDC với hệ thống mạng nội bộ của tòa nhà

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều nhà cung cấp hệ thống BMS như:Siemens, Johnson, Invensys, ALC, AA Matrix, Andover Control, Hệ thong BMScủa mỗi hãng đều có những đặc trưng riêng Trong số đó ALC là một trong nhữngđại diện hang đầu Chính vì vậy chúng em đã chọn tìm hiểu về hệ thống BMS củaJohnson Control để làm đề tài tôt nghiệp

s* Nhiệm vụ của luận văn bao gồm:- Néu lên các đặc trưng cơ bản về hệ thống điều hòa không khí của tòa nha cao

tầng hiện đại.- _ Nghiên cứu về các hệ thống điều khiến trong công nghiệp.- Nghiên cứu về hệ thống tự động hoá toà nhà nói chung, tìm hiểu sơ bộ hệ

thống BMS và tìm hiểu sâu về hệ thong BMS của Johnson control.Sau 6 tháng nghiên cứu và thực tập tại Trung tâm học liệu Trường Đại Học CầnThơ em đã hoàn thành việc tìm hiểu nghiên cứu ứng dụng của hệ thống BMS

Dé hoan thành đồ án này em xin chân thành cảm ơn thay Nguyễn Hoàng Việt,anh Nguyễn Văn Cơi — Phòng Kỹ Thuật Trung Tâm Học Liệu Dai Học Cần Thơ vàtoàn thé các thay cô giáo trong bộ môn điện Đại Học Bách Khoa TPHCM đã giúp

đỡ em hoàn thành luận văn này.

Hệ thống tự động hoá toà nhà là một lĩnh vực rất mới ở Việt Nam, do vậymặc dù đã rất cố găng nhưng cũng không tránh khỏi thiếu sót trong quá trình tìmhiểu Chúng em rất mong nhận được sự góp ý và bố sung của các thầy cô giáo

CHƯƠNG 1HỆ THONG DIEU HÒA KHÔNG KHÍ TRONG TOA NHÀ TRUNG TAM

HỌC LIỆU ĐẠI HỌC CÂN THƠ

1 Thực trang chung của các tòa nhà cao tang hiện đại

Ngày nay, hầu hết số nhà cao tang ở Việt Nam đều có các hệ thông cơ sở hạtang, hệ thống cung cấp và thải nước, hệ thông cung cấp điện, hệ thống quạt trầnhoặc điều hòa và hệ thống báo cháy Đây là những tòa nhà loại thông thường Mộtphần trong số đó có trang bị hệ thống điều hòa tập trung, hệ thống bảo vệ và báocháy, hệ thống báo động xâm nhập và giám sát bang camera nhưng chưa có hệthống BMS Tất cả thiết bị của các hệ thống điều hòa, báo cháy, được điều khiếnriêng biệt, các bộ điều khiển này không trao đối thông tin với nhau, không có quảnlý và giám sát chung và phần quản lý điện năng thì mới ở mức thấp Đây là nhữngtòa nhà đã có hệ thống điều khiển và giám sát tập trung, nhưng chưa có hệ thông

BMS.

Một số ít tòa nhà có hệ thống điều hòa tập trung, hệ thống bảo vệ và báocháy, hệ thống báo động xâm nhập và giám sát bằng camera được trang bị hệ thôngBMS Tắt cả thiết bị của hệ thống điều hòa, báo chay, được điều khiến riêng biệtvà tích hợp từng phần Hệ BMS cho phép trao đồi thông tin, giám sát giữa các hệthống, cho phép quản lý tập trung Hệ BMS cho phép quản lý điện năng ở mức cao.Đây là loại tòa nhà cao tầng được trang bị hệ thống tự động hóa BMS, một điểnhình nói đến ở đây là tòa nhà Trung Tâm Học Liệu Đại Học Cần Thơ Khi đượctrang bị hệ thống này, tất cả các hệ thống điều hòa, báo chay, trong tòa nha đượcđiều khiến tập trung, tương tac bởi hệ BMS Các hệ thống được tích hợp day đủ hệthống thông tin, truyền thông và tự động hóa văn phòng Đây là loại nhà cao tầng

thông minh Còn gọi là các toa nhà toa nhà xanh, toa nhà công nghệ cao.

2 Đặc trưng hệ thống điều hòa không khí trong tòa nhà trung tâm học liệu

Điều hòa không khí (ĐHKK) thường được hiểu là làm mát không khí

Nhưng ở đây không phải như vậy mà ngoài việc duy trì nhiệt độ trong không gian

cần điều hòa ở mức yêu cau, hệ thong ĐHKK còn phải giữ độ âm không khí trongkhông gian đó ôn định ở mức quy định nào đó Bên cạnh đó can phải chú ý đến vanđề bảo đảm độ sạch của không khí, không chế độ ồn và sự lưu thông hợp lý củadòng không khí, bởi vì trung tâm học liệu là nơi phục vụ rat đông sinh viên hoc tậpnghiên cứu và tô chức các hội thảo quan trọng của trường Chính vì thế, ĐHKK nơi

đây được chia làm ba loại đặc trưng như sau:

- Điều tiết không khí: dùng để thiết lập các môi trường thích hợp cho việc bảoquản máy móc, thiết bị trong tòa nhà

- Điều hòa không khí: nhằm tạo môi trường tiện nghi cho các sinh hoạt của con

người trong tòa nhà.

- Điều hòa nhiệt độ: nhăm tạo ra môi trường có nhiệt độ thích hợp trong tòa nhà.3 Hệ thong điều hòa không khí trung tâm

Ông Gió Hồi

(air handling unit).

- Tháp giải nhiệt (đối với máy chiller giải nhiệt bằng nước) hoặc dàn nóng (đốivới chiller giải nhiệt bang gió) ở đây là giải nhiệt bang gió

- Máy nén: Có rất nhiều dạng, nhưng pho biến là loại trục vít, máy nén kin, máy

- Tủ điện điều khiến

+ Các máy nén kiểu nửa kín được bố trí năm ở trên cụm bình ngưng - bình bayhơi Phía mặt trước là tủ điện điều khiến Toàn bộ được lắp đặt thành 01 cụm hoànchỉnh trên hệ thông khung đỡ chắc chan.

- Bơm nước giải nhiệt

- Bơm nước lạnh tuần hoàn- Bình giãn nở va cấp nước bố sung- Hệ thông xử lý nước

dụng FCU cho phòng it người còn AHU dùng cho các phòng lớn đông người nhưhội trường, (vì ta chủ động đưa lượng không khí từ ngoài vào phòng).

4 Hệ thống điều khiến đo lường của thiết bị điều tiết không khí trong tòa nhà.4 1 Nhiệm vụ chức năng của hệ thống điều khiến

Ta đặt van dé là các điều kiện môi trường trong tòa nhà phải được duy trì ởphạm vi thông số nhất định nhờ hệ thống điều hòa không khí Tuy nhiên ta chưaxem xét tỉ mi xem làm thé nào thiết bị có thé vận hành dé đáp ứng các yêu câu tiệnnghi và công nghệ trong công trình một cách đồng đều

( nhiệt độ, độ âm tốc độ lưu thông gió ) khi phụ tải và thời tiết thay đối Hệ thôngđiều khiển chính là mối liên hệ thông tin giữa nhu cầu năng lượng thay đổi và nhucầu đối với điều kiện môi trường trong tòa nhà Nếu không có hệ thống điều khiến

được thiết kế đúng và hoạt động có hiệu quả thì thiết bị điều hòa không khí khôngthể hoạt động tốt ngay cả khi đã đầu tư vốn rất lớn Người thiết kế hệ thống thônggió và điều hòa không khí phải thiết kế được hệ thống điều khiến nhằm:

- Tao ra và duy trì môi trường tiện nghi và phù hợp với công nghệ trongtòa nhà.

- Duy trì chất lượng không khí trong tòa nhà ở giới hạn cho phép.- Don giản giá thành thấp, đáp ứng được các quy chuẩn hoạt động của

thông gió, và điều hòa không khí một cách tin cậy.- - Hoạt động có hiệu quả với mọi điều kiện

Về nguyên tac biến số được điều khiến quan trọng nhất trong tòa nhà vẫn lànhiệt độ Do đó mà ta quan tâm chủ yếu là điều khiển nhiệt độ trong tòa nhà Tấtnhiên dé điều khiến nhiệt độ không khí trong tòa nha ta cũng phải kết hợp với nhiềuchức năng điều khiến khác như điều khiến nỗi hơi, điều khiến máy nén lạnh, bơmquạt, điều khiến lưu lượng không khí và chất lỏng, điều khiến độ âm và các hệ thốngđiều khiến phụ khác

4.2 Do lường và kiểm tra tại chỗ

Sử dụng dụng cụ đo và chỉ thị với các thông SỐ Sau

- Nhiệt độ không khí ngoài trời.- Nhiệt độ không khí trong tòa nhà.

- Nhiệt độ không khí thối vào của hệ thống

- Nhiệt độ không khí sau khi được xử lý(buông phun, giàn lạnh .)

- Nhiệt độ môi chất trước và sau thiết bị trao đổi( bộ say không khí, giàn

lạnh,giàn ngưng tụ).

- Độ âm tương đối của không khí trong tòa nhà.- Áp suất trong đường ông dẫn không khí và tốc độ không khí ra khỏi cácmiệng thôi

- Điện áp, dòng điện của động cơ máy nén, quạt (bơm), quạt giàn lạnh, giàn

ngưng tu.

4.3 Do lường và kiếm tra từ xa

Thường chỉ thực hiện với một vài thông số chú yếu đặc trưng cho hệ thống, ví

dụ: nhiệt độ, độ âm tương đối của không khí trong nhà Các dụng cụ đo tự nghithường được sử dụng trong trường hợp chất lượng của sản phẩm công nghệ phụthuộc vào các thông số của không khí trong công trình,khi đó cần theo dõi và xử lýsai lệch thông số có thé tới làm giảm chất lượng sản phẩm, thậm chí là hư hỏng dâychuyển công nghệ

4.4 Điều khiến tự động

Căn cứ vào các giá tri thong số đặt trước ( nhiệt độ, độ âm tương đối, lưulượng không khí,áp suat,dong điện định mức ), các thiết bị điều khiển tự động tácsẽ tác động va cơ cau thừa hành dé điều chỉnh các thông số tương ứng của hệ thông

không cho sai lệch với giá trị đặt trước Ví dụ, khởi động trình tự các máy nén, khởi

động đồng thời các quạt gió ngoài,gió hồi, bơm tuần hoàn, bơm nước lạnh, điều

chỉnh độ mở của van gió, van nước lạnh, van nước phun theo phụ tải

5 Sự cần thiết quản lý hệ thống điều hòa không khí tòa nhà trung tâm học

liệu.

Trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa phát triển như vũ bão và khôngkhí hội nhập kinh tẾ và giáo dục của Việt Nam hiện nay, chúng ta đã tiến đượcnhững bước dải và đã đạt được những thành công và kết quả tương đối khích lệtrong nhiều lĩnh vực kinh tế và giáo dục Một trong những thành công đó là qui môđô thị hóa với hàng loạt các công trình kiến trúc đồ sộ mọc lên để tô đẹp thêm chonền kinh tế và giáo dục của Việt Nam nói chung và Đại Học Cần Thơ nói riêng

Van dé đánh giá và kiếm định chất lượng cho các tòa nhà là không đơn giản.Đặc biệt là các tòa nha trong các trường đại học lớn trọng điểm Chúng ta có théđưa ra các tiêu chí khác nhau để đánh giá và kiểm định chúng, nhưng phải dựa trêncơ sở nào? Tùy theo quan điểm kiến trúc, quan điểm kết cấu xây dựng, quan điểmtiện nghi, quan điểm về tính sử dụng, quan điểm về môi trường và tiết kiệm nănglượng mà chúng ta có các tiêu chí đánh giá và kiếm định khác nhau Một trongnhững tiêu chí mà chúng ta quan tâm là hệ thống quản lý năng lượng tòa nhà caotang BMS (Building Management System) Tùy thuộc vao mục đích sử dụng củacác tòa nhà mà tiêu chí đặt ra cho hệ BMS là khác nhau Trên quan điểm đó, em đưara vẫn dé dé làm rõ hơn về hệ BMS cho tòa nhà Trung Tâm Học Liệu Đại Học CầnThơ trong quyền luận văn này

Các hệ thống BMS này đã được chuẩn hóa và được sử dụng rộng rãi trêntoàn thế giới Các hãng cung cấp các sản phẩm này đã xâm nhập vào thị trường ViệtNam như: Siemens, Honeywell, Yamatake, Các nhà cao tầng ở Việt Nam đã sửdụng hệ thống BMS của Siemens thông qua các công ty đại lý Việt sáng tao, NTCđể thực hiện lắp đặt cho các tòa nhà: Salgon Center HCM được đưa vào sử dụng

1996, Red riverbuilding Hanoi-1999, Opera Hilton Hotel Hanoi-2000, Hanoi Nation

Stadium-2003 Sau khi trang bi hệ BMS này, các tòa nhà đã khai thác rất hiệu quảkhả năng quan lý giám sát và báo hiệu các sự cố của hệ thống HVAC (Hệ thốngthông gió và điều hòa không khi) và tiết kiệm được 50% năng lượng điện tiêu thụcho hệ thông so với truoc khi lắp đặt hệ thông BMS

CHƯƠNG 2TONG QUAN VE CÁC HE THONG DIEU KHIỂN TRONG CÔNG NGHIỆP

1 M6 hinh phan cap hé thong.Hệ thống điều khién trong công nghiệp có thé chia thành 5 cấp như sau:

5 Capquan lycong ty

⁄ Cấp kg: lý \ Workstation, PC, Serversnha may

/s Cap giám sát — chi ny \ Workstation, PC

/ 2 Cap diéu khién \ Controllers, PLC, CNC, PC

/ 1 Cap trường (cảm biến - chap hành) \ Controllers, sensors, actuators

Hình 2 1 Mô hình phân cấp chức năng của một hệ thong điều khiển giảm sát

Workstation, PC, Servers

Càng ở cấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn và đòi hỏiyêu câu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng Một chức năng ở cấp trênđược thực hiện dựa trên các chức năng cấp dưới, tuy không đòi hỏi thời gian phảnứng nhanh như ở cấp dưới, nhưng ngược lại lượng thông tin cần trao đôi va xử lý lạilớn hơn nhiều Thông thường, người ta chỉ coi ba cấp dưới thuộc phạm vi của mộthệ thống điều khiến và giám sát Tuy nhiên, biểu thị hai cấp trên cùng (quan lý côngty và điều hành sản xuất) giúp ta hiểu thêm mô hình lý tưởng về cấu trúc chức năngtong thé cho các công ty sản xuất công nghiệp

e Cấp chấp hành: Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, truyềnđộng, và chuyền đổi tín hiệu trong trường hop cần thiét Thực tế, đa số các thiết bịcảm biến (Sensor) hay cơ cau chấp hành (actuator) cũng có phần điều khiến riêngcho việc thực hiện đo lường/ truyền động được chính xác và nhanh nhạy Các thiếtbị trường thông minh cũng có thé đảm nhận việc xử ly thô thông tin trước khi đưalên cấp điều khiến

e Cấp điều khiến: Nhiệm vụ chính của cấp điều khiến là nhận thông tin từ cáccảm biến, xử lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại kếtquả xuống các cơ cau chấp hành Khi còn điều khiến thủ công, thì các nhiệm vụđó được các người đứng máy thao tác trực tiếp đảm nhận qua việc theo dõi các

thiết bị đo lường, sử dụng kiến thức và kinh nghiệm để thực hiện những thao táccần thiết như: Đóng mở van, bấm nút, điều chỉnh cần gạt, núm xoay Trong mộthệ thống điều khiến tự động hiện đại những nhiệm vụ đó được thực hiện thôngqua điều khiển bang máy tính.

© Cấp diéu khién giám sat: Có chức năng giám sát và vận hành một quá trìnhkỹ thuật Khi đa số các chức năng như đo lường, điều khiến, điều chỉnh, bảo toànhệ thống được các cấp dưới thực hiện, thì nhiềm vụ của cấp điều khiển giám sat làhỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác, theo dõi, giám sát vậnhành và xử lý những tình huống bất thường Ngoài ra, trong một số trường hợp,cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiến cao cấp như điều khiển phối hợp,

điều khiến trình tự và điều khiến theo công thức( ví dụ trong chế biễn được phẩm,

hoá chất) Khác với cấp dưới cấp điều khiển giám sát không đòi hỏi phương tiệnđặc biệt, thiết bị phần cứng đặc biệt ngoài các máy tính thông thường (máy tính cánhân, máy trạm, máy chủ, terminal ) Việc phân cấp chức năng sẽ tiện lợi choviệc thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị

e Cap diéu hành san xuất: Nhiệm vu của cấp điều hành sản xuất là nhận cácthông tin về trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật, các giàn máy, cũng nhưcủa hệ thống điều khiến tự động, các số liệu tính toán, thống kê về diễn biến quátrình sản xuất và chất lượng sản phẩm Đồng thời cấp điều hành sản xuất cónhiệm vụ xử lý các số liệu, lập kế hoạch sản xuất, ra quyết định bảo dưỡng máymóc, tối ưu hoá sản xuất và đưa các thông tin về các thông số thiết kế, công thứcđiều khiển, và mệnh lệnh điều hành xuống cấp dưới Mặt khác cấp điều hành sảnxuất còn có chức năng là trao đổi thông tin với cấp quản lý công ty Cấp điềuhành sản xuất bao gồm các máy tính văn phòng nối mạng cục bộ với nhau

e Cấp quản lý công ty: Cấp quản lý công ty là cấp trên cùng trong mô hìnhphân cấp hệ thống Nhiệm vụ của cấp nảy trao đối thông tin giữa công ty và khách

hàng thông qua thư điện tử, hội thảo từ xa, dịch vụ truy cập Internet và thương

mại điện tử Cấp quản lý công ty còn có nhiệm vụ tính toán giá thành, kế hoạchsản xuất, thong kê tài nguyên, xử lý đơn đặt hang

Đề kết nối các thành phan trong hệ thống với nhau ta sử dụng các hệ thông bus.e Bus trường: Là các hệ thông bus nói tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số dé kếtnối các thiết bị thuộc cấp điều khiến (PC, PLC) với nhau và với các thiết bị củacấp chấp hành, hay các thiết bị trường Đặc trưng cơ bản của bus trường là tínhnăng thời gian thực phải cao, yêu cầu về lượng thông tin thì không cao Các hệthống bus trường thường sử dụng là: Profibus, ControlNet, Modbus, Foundation

Fieldbus, DeviceNet, AS-i, EIB

e Bus hệ thống, Bus quá trình: Dùng dé kết nỗi các máy tính điều khiến và cácmáy tính trên cấp điều khiển giám sát với nhau Qua bus hệ thống các máy tínhđiều khiển có thể phối hợp hoạt động, cung cấp dữ liệu quá trình cho trạm kỹ

thuật và trạm quan sát Đối với Bus hệ thống, tuỳ theo lĩnh vực ứng dụng mà đòi

hỏi về tính năng thời gian thực có được đặt ra một cách ngặt nghèo hay không

Thời gian phản ứng thông thường trong khoảng vai trăm miligiây Trong khi đó

lưu lượng thông tin lớn hơn nhiều so với bus trường Các hệ thông bus trường tiêubiểu: Ethernet, Industrial Ethernet, Profibus-FMS, Fieldbus Foundation’s High

Speed Ethernet.

e Mang xí nghiệp: La một mang LAN bình thường có chức năng kết nối các máytính văn phòng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám sát Mạngxí nghiệp không yêu cầu nghiêm ngặt về tính năng thời gian thực Việc trao đối dữliệu diễn ra không định kỳ, nhưng có khi với số lượng lớn tới hàng Mbyte Hailoại mạng chủ yếu được dùng là Ethernet và Token-Ring trên cơ sở các giao thứcchuẩn như TCP/IP và IPX/SPX

e Mang công ty: Đặc trưng của mạng công ty là gần với một mạng viễn thônghoặc một mạng máy tính diện rộng nhiều hơn trên các phương diện phạm vi vàhình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông và các yêu cầu về kỹ thuật Mạngcông ty thường sử dụng các loại mạng có tốc độ truyền thông và độ an toàn tin cậyđặc biệt cao, chắng hạn như: Fast Ethernet, FDDI, ATM

- HUB (ghép nỗi các tram theo cau trúc ARCNET và Ethernet).- MAU (Ghép nối các trạm theo cau trúc Token-Ring)

- TRANSIVER/RECEIVER:ghép nối hai trạm trực tiếp trên một khoảng

cách lớn.

- Có 3 kiểu liên kết để ghép nối chúng với nhau:

e Liên kết điểm - điểm: là loại liên kết chỉ nghép nối hai đối tác truyềnthông Để xây dựng một trạm truyền thông trên cơ sở nảy sẽ cần nhiễuđường truyền riêng biệt, với nhiều module truyền thông.

e Liên kết điểm - nhiều điểm (multi-drop): sử dụng duy nhất một đối táctruyền thông là trạm chủ Các đối tác còn lại làm trạm tớ Thông tintruyền từ trạm chủ đến các trạm tớ trong cùng một lúc(liên kết điểm —

nhiều điểm) Việc giao tiếp theo chiều ngược lại từ trạm tớ tới trạm chủ

chỉ được thực hiện theo kiểu điểm - điểm Nhiều đối tác có thé nối vớinhau qua một cáp chung duy nhất

e Liên kết nhiễu diém(Multipoint): là liên kết ngang hàng với nhiều đôi táctham gia Bất kỳ đối tác nao cũng có quyên thu phát tín hiệu Cũng nhưliên kết điểm, nhiều điểm,có thể xử dụng một cáp duy nhất để nối giữacác đối tác Có thể phân biệt các dạng cấu trúc cơ bản là bus, mạch vòng

tích cực và hình sao như sau:

2 1 Cấu trúc busTất cả các thành viên của mạng đều được nối trực tiếp với một đường dẫnchung Đặc điểm cơ bản của cấu trúc bus là việc xử dụng chung một đường dẫnduy nhất cho tất cả các trạm Vì thế tiết kiệm được cáp dẫn và công lắp đặt

Có thé phân biệt ba loại cấu hình trong cấu trúc bus : daisy — chain va trunk —line/drop — line và mạch vòng không tích cực Hai cau hình đầu cũng được xếp vàokiểu cau trúc đường thăng,bởi hai đầu đường truyền không khép kin

Với daisy — chain, mỗi trạm được nỗi mạng trực tiếp tại giao lộ của hai đoạndây dẫn, không qua một đoạn dây nối phụ nào Ngược lại, trong cấu hình trunk-line/drop-line, mỗi trạm được nối qua một đường nhánh(drop — line) để đến đườngtrục (Trunk — line) Còn mạch vòng không tích cực thực chất chỉ khác với (trunk —line/drop — line) ở chỗ đường truyền được khép kín

Bên cạnh việc tiết kiệm dây dẫn thì tính đơn giản, dễ thực hiện là những ưuđiểm chính của cau trúc bus, nhờ vậy mà cấu trúc nay phố biến nhất trong các hệthống mạng truyền thông công nghiệp Trong trường hợp một trạm không làm việc(hỏng hóc, do ngắt nguôn ) Không ảnh hưởng đến phan mạng còn lại Một số hệthống còn cho việc tách một trạm ra khỏi mạng hoặc thay thế một trạm trong khi cảhệ thống vẫn hoạt động bình thường

Tuy nhiên việc dùng chung một đường dẫn đòi hỏi một phương pháp phân

chia thời gian sử dụng thích hợp để tránh xung đột tín hiệu - gọi là phương pháptruy nhập môi trường hay phương pháp truy nhập bus Nguyên tắc truyền thông

được thực hiện như sau:tại một thời điểm nhất định chỉ có một thành viên trongmạng được gửi tín hiệu, còn các thành viên khác chỉ có quyền nhận.

Ngoài việc cần phải kiểm soát truy nhập môi trường, cấu trúc bus còn cónhững nhược điểm sau:

e Mot tín hiệu gửi đi có thể tới tất cả các trạm và theo một trình tự không kiểmsoát được,vì vậy phải thực hiện phương pháp gan địa chi(logic) theo kiểu thủcông cho từng trạm Trong thực tế, việc gán địa chỉ này gây ra không ít khó

khăn.

e Tất cả các trạm đều có khả năng phát và phải luôn luôn “nghe” đường dẫn déphát hiện ra thông tin có phải gửi cho mình hay không, nên phải được thiếtkế sao cho có đủ tải với số trạm tôi đa Đây chính là lý do phải hạn chế sốtrạm trong một đoạn mạng Khi cần mở rộng mạng phải dùng thêm các bộ

lặp.

e Chiều dài đường dẫn tương đối dài,vì vậy đối với cấu trúc đường thăng xảyra hiện tượng phản xạ ở mỗi đầu dây làm giảm chất lượng của tín hiệu Đểkhắc phục hiện tượng này người ta chặn hai đầu dây bang hai trở đầu cuối.Việc sử dụng các trở đầu cudi cũng làm tăng tải của hệ thống

e Trong trường hợp đường dẫn bị đứt, hoặc do ngăn mach trong phan kết nốibus của trạm bị hỏng đều dẫn đến ngừng hoạt động của cả hệ thống Hoặckhi lỏng giắc căm nối trạm này hoặc trạm khác sẽ dừng hoạt động của tất cả

các trạm sau đó.

e Cấu trúc đường thang, liên kết đa điểm cố hữu gây ra khó khăn trong ápdụng các công nghệ truyền tín hiệu mới như sử dụng cáp quang

Một số ví dụ mạng công nghiệp tiêu biểu sử dụng cấu trúc bus là PROFIBUS,

CAN WordlIdFIP, Foundation Fieldbus, LonWorks,AS-1 va Ethernet.

2 2 Cấu trúc mach vong(tich cực)

Cau trúc mach vong duoc thiết kế sao cho các thành viên trong mạng đượcnối từ điểm này đến điểm kia một cách tuân tự trong một mạch vòng khép kín Mỗithành viên đều tham gia tích cực vào việc kiểm soát dòng tín hiệu Khác với cầutrúc đường thăng.ở đây tín hiệu được truyền đi theo một chiều quy định Mỗi tramnhận được dữ liệu từ trạm trước và chuyển sang trạm lân cận đứng sau Qúa trìnhnày được lặp lại cho đến khi tín hiệu quay trở về trạm đã gửi, nó sẽ được huỷ bỏ

Ưu điểm cơ bản của mang cau trúc kiểu này là mỗi một nút đồng thời có thélà một bộ khuếch đại, do vậy khi thiết kế mạng theo kiểu cau trúc vòng có thé thựchiện với khoảng cách và số trạm rất lớn Mỗi trạm có khả năng vừa nhận vừa pháttín hiệu cùng một lúc Bởi mỗi thành viên ngăn cách mạch vòng ra làm hai phân, vàtín hiệu chỉ được truyền theo một chiều,nên biện pháp tránh xung đột tín hiệu được

thực hiện một cách đơn giản hơn.

Với kiểu mạch vòng không có điều khiến trung tâm, các trạm đều bình đăngnhư nhau trong quyên nhận và phát tín hiệu Như vậy việc kiểm soát đường dẫn sẽdo các trạm tự đảm nhận và phân chia Với kiểu có điều khiển trung tâm, một trạmchủ sẽ đảm nhận vai trò kiểm soát việc truy nhập đường dẫn.

Việc gán địa chỉ cho các thành viên trong mạng cũng có thể do một trạm chủthực hiện một cách hoàn toàn tự động, căn cứ vào thứ tự sắp xếp vật lý của trạmmạch vòng Uu điểm của cau trúc mạch vòng là khả năng xác định vi tri xảy ra sựcô, đứt dây hay một trạm ngừng làm việc Tuy nhiên sự hoạt động không bình

thường cua mang trong trường hợp này chỉ với một day dự phòng như ở FDDI.

Một kỹ thuật khác được áp dụng xử lý sự cố tại một trạm là dùng các bộchuyển mạch by-pass tự động Mỗi trạm thiết bị sẽ được đấu với mạch vòng nhờ bộchuyển mạch này Trong trường hợp sự cố xảy ra, bộ chuyển mạch sẽ tự động pháthiện và ngăn mạch,bỏ qua thiết bị được nối mạng qua nó

Câu trúc mach vòng được xử dụng trong một số hệ thống có độ tin cây cao

như Internet, Token —Ring(IBM) và đặc biệt là FDDI.

2 3 Cấu trúc hình sao

Là một cấu trúc ma có trạm trung tâm quan trọng hon tat cả cac nút mạngkhác, nút này sẽ điều khiển sự truyền thông của toàn mạng Các thành viên khácđược kết nối gián tiếp với nhau qua trạm trung tâm Tương tự như cấu trúc mạchvòng, có thể nhận thấy ở đây kiểu liên kết về mặt vật lý là kiểu điểm - điểm Tuynhiên, liên kết về mặt logic vẫn có thể là nhiều điểm Nếu trạm trung tâm đóng vaitrò tích cực, nó có thể đảm đương nhiệm vụ kiểm soát toàn bộ việc truyền thông củamạng, còn néu không sẽ chi như một bộ chuyền mạch

Một nhược điểm của cấu trúc hình sao là sự cỗ ở tram trung tâm sẽ làm tê liệttoàn bộ các hoạt động truyền thông trong mạng Vì vậy, trạm trung tâm thường phảicó độ tin cậy rất cao

Một nhược điểm tiếp theo của cau trúc hình sao là tốn dây dan,néu như

khoảng trung bình giữa các trạm nhỏ hơn khoảng cách của chúng tới trạm trung

tâm Đương nhiên trong các hệ thông viễn thông không tránh khỏi việc dùng cấutrúc này Đối với mạng truyền thông công nghiệp, cấu trúc hình sao tìm thấy trong

các phạm vi nhỏ Ví dụ như các bộ chia, thường dùng vào mục đích mở rộng các

cau trúc khác Lưu ý rang, trong nhiều trường hợp một mạng cấu trúc hình sao về vềmặt vật lý lại có cầu trúc như một hệ bus, bởi các trạm vẫn có thé tự do liên lạc nhưkhông có sự tôn tại của trạm trung tâm Chính các hệ thống mạng Ethernet côngnghiệp ngày nay sử dung phổ biến cau trúc này kết hop với kỹ thuật chuyển mạchvà phương phát truyền dẫn tốc độ cao

2 4 Mô hình tham chiếu OSI (Open System Interconnection).

Chỉ là một mô hình kiến trúc phân lớp với mục đích phục vụ việc sắp xếp vàđối chiếu các hệ thống truyền thông có sẵn, trong đó có cả việc so sánh, đối chiếucác giao thức và dịch vụ truyền thông, cũng như cơ sở cho việc phát triển các hệthống mới

Bên gửi Bên nhậnCác chương trình ứng Các chương trình ứng

Môi trường truyền thông

Hình2 2 Mô hình tham chiếu OSI

- Lớp ung dụng:

Là lớp trong cùng mô hình tham chiếu OSL cung cấp các dịch vụ cao cấp têncơ sở các giao thức cao cấp cho người xử dụng và các chương trình ứng dụng Cácdịch vụ thuộc lớp ứng dụng được thực hiện hầu hết bằng phần mềm Dé xử dụngngười ta dùng các khối hàm(function Block),tich hợp cả một số chức năng xử lýthông tin, thậm chí cả điều khiến tại chỗ Đây cũng là xu hướng mới trong chuẩnhoá các lớp ứng dụng cho các hệ thống bus trường Hướng tới kiến trúc điều khiểnphân tán triệt đề .

- Lớp biểu diễn dữ liệu:

Chức năng của lớp biểu diễn dữ liệu là chuyển đổi các dạng biểu diễn dữ liệukhác nhau về cú pháp một dạng chuẩn Nham tạo điều kiện cho các đối tác truyềnthông có thể hiểu được nhau mặc dù chúng sử dụng các kiểu dữ liệu khác nhau Lớpnày còn có thé cung cấp một số dịch vụ bảo mật dữ liệu, ví dụ như phương pháp

bảo mat mã khoa.

Chức năng này có thể kết hợp thực hiện trên lớp ứng dụng để đơn giản hoá,và nâng cao hiệu suất của việc xử lý giao thức, là đặc trưng của các hệ thống bus

trường.

- Lớp kiểm soát noi (sesion layer)

Lớp kiểm soát nối có chức năng kiểm soát mối liên kết truyền thông giữa cácchương trình ứng dụng,bao gém các việc tạo lập, quản ly và kết thúc các đường nốigiữa các ứng dụng đối tác Mối quan hệ giữa các chương trình ứng dụng mạng tíchchất lôgic:thông qua một mối liên kết vật lý giữa hai trạm, hai nút mạng có thể tồntại song song nhiều lôgic Thông thường kiểm soát nối là chức năng của hệ điềuhành Để thực hiện các đường nỗi giữa hai ứng dụng đối tác, hệ điều hành có thể tạocác tính toán song song Như vậy, nhiệm vụ đồng bộ hoá các quá trình tính toán nàyđối với việc xử dụng chung một giao diện mạng cũng thuộc chức năng của lớp kiểmsoát nối Chính vì vậy lớp này còn có tên là lớp đồng bộ hoá

- Lớp vận chuyển:

Khi một khối dữ liệu được truyền đi thành từng gói, cần phải bảo đảm tat cảcác gói đều đến đích và theo đúng trình tự chúng được chuyển đi Chức năng củalớp vận chuyển dữ liệu giữa các chương trình ứng dụng một cách tin cậy, bao gồmcả trách nhiệm khắc phục lỗi và điều khiển lưu thông Nhờ vậy mà các lớp trên cóthé thực hiện được các chức năng cao cấp mà không cần quan tâm đến cơ chế vậnchuyền dữ liệu cụ thé

s* Các nhiệm vụ của lớp vận chuyển bao gom :

e Quản lý về tên hình thức cho các trạm xử dụng.e Định vị các đối tác truyền thông qua tên hình thức hoặc địa chỉ.e Xử lý lỗi và kiểm soát dòng thông tin.trong đó có cả việc lập lại quan

hệ liên kết và thực hiện các thủ tục gửi lại dữ liệu khi cần thiết.e Dồn kênh các nguôn dữ liệu khác nhau

e_ Đồng bộ hoá giữa các đối tácTrong mạng truyền thông công nghiệp, một số nhiệm vụ như dén kênh hoặc kiểmsoát lưu thông trở lên không can thiết Các chức năng còn lại được dồn lên kếp hợpvới lớp ứng dụng đến tiện cho việc việc thực hiện và tạo điều kiện cho người sudụng chọn phương án tối ưu hoá và nâng cao hiệu suất truyền thông.

- Lớp mạng:

Lớp mạng có nhiệm vụ tìm đường đi tối ưu(routing) cho việc vận chuyển dữliệu, giải phóng sự phụ thuộc của các lớp bên trên vào phương thức chuyền giao dữliệu và công nghệ chuyển mạch dùng để kết nối các hệ thống khác nhau Việc xâydựng và huỷ bỏ các quan hệ liên kết giữa các nút mạng cũng thuộc trách nhiệm củalớp mạng Tuy nhiên lớp mạng không có ý nghĩa đối với một hệ thống truyền thôngcông nghiệp Bởi ở đây hoặc không có nhu cau trao đổi dữ liệu giữa hai trạm khácnhau ở hai mạng khác nhau, hoặc việc trao đổi được thực hiện gián tiếp thông quachương trình ứng dụng(không thuộc lớp nao trong mô hình tham chiếu OSI) Cácbộ router thông dụng trong liên kết mạng hoàn toàn không đóng vài trò gì trong hệthống bus trường

- Lớp liên kết dữ liệu:

Lớp liên kết dữ liệu đảm nhận việc điều khiến truy nhập môi trường truyềndan và bảo toàn dữ liệu tương ứng với hai lớp con: Lớp điều khiến truy nhập môitrường và lớp điều khiến liên kết lôgic Trong một số hệ thông lớp liên kết dữ liệucó thé đảm nhiệm thêm một số chức năng khác như kiểm soát lưu thông và đồng bộhoá việc chuyển giao khung dữ liệu

Để thực hiện chức năng bảo toàn dữ liệu, thông tin nhận được từ lớp phíatrên được đóng gói thành các bức điện có chiều dai hợp lý Các khung dữ liệu nàychứa các thông tin b6 sung phục vụ mục đích kiểm lỗi, kiểm soát lưu thông và đồngbộ hoá Lớp liên kết dữ liệu phía bên nhận thông tin sẽ dựa vào các thông tin này đểxác định tính chính xác của dt liệu, sắp xếp các khung lại theo đúng trình tự và khôiphục lại thông tin dé chuyển tiếp lớp trên nó

- Lớp vật lý:

Là lớp dưới cùng trong mô hình phân lớp chức năng truyền thông của mộttrạm hiết bị,đảm nhận toàn bộ công việc truyền dẫn dữ liệu băng phương tiện vật lý.Các quy định ở đây mô tả giao diện vật lý giữa một trạm thiết bị và môi trườngtruyền thông:

e Các chỉ tiết về câu trúc mạng (bus „cây hình sao ).e Chuẩn truyền dẫn(RS485 IEC1158 -2 ,truyền cáp quang )

e Phuong pháp mã hoá bit(NRZ,Manchester,FSK

e Chế độ truyền tải (dải rộng/dải cơ sở/dải mang,đồng bộ/không đồng

bộ).

e Các tốc độ truyền ghép

e Giao diện cơ học(Phích căm,giắc căm )Lớp vật lý cần được chuẩn hoá sao cho một hệ thống truyền thông có sự lựachọn giữa một vài khả năng khác nhau Trong hệ thống bus trường, sự lựa chọn nàylà không lớn quá, hau hết dựa trên vài chuẩn cơ bản.

2.5 Truy nhập bus.

Trong một mạng có cau trúc bus các thành viên phải chia nhau thời gian sửdụng đường dẫn Dé tránh xung đột vẻ tín hiệu gây ra sai lệch về thông tin, ở mỗimột thời điểm ở trên một đường dẫn chỉ duy nhất một điện tín được phép truyền đi.Chính vì vậy, mạng phải được điều khiến sao cho tại mỗi một thời điểm nhất địnhchỉ có một thành viên trong mạng được gửi thông tin đi Còn số lượng thành viêntrong mạng muốn nhận thông tin thì không hạn chế Vì vậy đặt ra van đề về phương

pháp phân chia thời gian gửi thông tin trên đường dẫn Gọi là phương pháp truynhập bus.

Người ta thường quan tâm đến ba khía cạnh: Độ tin cậy,tính năng thời gianthực và hiệu suất sử dụng đường truyền Tinh năng thời gian thực là ở đây là khanăng đáp ứng nhu cầu trao đối thông tin một cách kịp thời và tin cậy Hiệu suất sửdụng đường truyền là mức độ khai thác, sử dụng đường truyền, được tinh bằng phantrăm thời gian đường truyền được sử dụng hiệu quả vào việc truyền tai dữ liệu

Hiện nay có 5 phương pháp truy nhập đường truyền được chia thành cácphương pháp tiền định,với trình tự truy nhập bus được xác định rõ ràng, có tinhnăng thời gian thực và các phương pháp ngẫu nhiên, với trình tự truy nhập buskhông được quy định chặt chẽ trước, mà để xảy ra hoàn toàn theo nhu cầu của các

trạm.

2.5 1 Master/Slaver

Thuộc nhóm các phương pháp tiền định, một trạm chủ có trách nhiệm chủđộng phân chia quyền truy nhập bus cho các trạm tớ Phương pháp nay có ưu điểmlà việc kết nối mạng các trạm tớ đơn giản, ít ton kém Tuy nhiên hiệu suất trao đôi

thông tin giữa các trạm tớ bị giảm do dữ liệu phải đi qua khâu trung gian là trạmchủ.

2.5.2 TDMA (Time Division Multiple Access)

Là phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian, mỗi tram được phanmột thời gian truy nhập bus nhất định Các trạm lần lượt thay nhau gửi thông tintrong khoảng thời gian cho phép Phương pháp này có thé không hoặc có trạm chủ.Mỗi trạm đều có khả năng đảm nhiệm vài trò chủ động trong việc giao tiếp trực tiếp

với các trạm khác.2.5 3 Token Passing

Token là một bức điện ngắn không mang dữ liệu, có cầu trúc đặc biệt déphân biệt với các bức điện mang thông tin nguồn, được dùng tương tự như một chìa

khoá Mỗi tram được quyên truy nhập bus và gửi thông tin đi chỉ trong thoi gian nóđược giữ Token Sau khi không có nhu cau gửi thông tin nó phải gửi Token đếnmột trạm khác theo một trình tự nhất định.

2.5 4 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection)

Mỗi trạm đều có quyén truy nhập bus mà không cần một su kiểm soát nao.Phương pháp được tiễn hành như sau:

- Mỗi trạm đều phải “nghe” đường dan,néu đường dẫn rỗi thì mới được

phát.

- Do việc lan truyền tín hiệu cần một khang thời gian nào đó, nên vậy có

khả năng hai trạm cùng phát tín hiệu lên đường dẫn Vì vậy trong khi

phát mỗi tram vẫn phải nghe đường dẫn dé so sánh tín hiệu phát đi với tin

hiệu nhận được xem có xảy ra xung đột hay không.

- _ Trong trường hợp xảy ra xung đột,mỗi trạm đều phải huỷ bỏ bức điện của

minh

chờ một thời gian ngẫu nhiên va thử gửi lại.Phương pháp được áp dụng rộng rãi trong mạng Ethernet với các ưu điểm của nó

2.5.5 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance)

Tương tự như CSMA/DC, mỗi trạm déu phải nghe đường dẫn trước khi gửi

cũng như sau khi gửi thông tin Tuy nhiên, một phương pháp mã hoá bít thích hợp

được xử dụng ở đây trong trường hợp xảy ra xung đột, một tín hiệu sẽ lấn at tínhiệu kia Vi dụ tương ứng với bit 0 là mức điện áp cao sẽ lẫn áp mức điện áp thấp

của bít 1.2 6 Mã hoá bit.

Mã háo bit là quá trình chuyển đổi dãy bit 0,1 sang một tín hiệu thích hợp décó thé truyền dẫn trong môi trường vật lý(cáp truyền dẫn tín hiệu) Việc chuyển đôinày chính là sử dụng một tham số thông tin thích hợp dé mã hoá dãy bit cần truyềntải Các tham số thông tin có thể được chứa đựng trong biên độ, tần số „pha hoặcsườn xung Các phương pháp mã hoá bit thường dùng là: Điều chế biên độxung(NRZ và RZ) Phương pháp điều chế pha xung hay vi trí xung(Tham số thôngtin được thé hiện qua các sườn xung, PP Manchester),Phuong pháp xung sườn xoaychiều(AFP), phương pháp điều chế dịch tần số (FSK) Trong đó đang kế là hai

phương pháp :

NRZ và RZ là một trong những biện pháp được sử dụng rộng rãi nhất trongcác hệ thông bus trường, có tan số nhịp bus thấp hơn nhiều so với tần số nhịp bus.Tuy nhiên không thích hợp cho việc đồng bộ hoá và không có khả năng đồng tảinguồn

Mã Manchester được sử dụng rộng rãi nhất trong các hệ thống truyền thôngcông nghiệp nhờ các xung của nó có thé trong việc đồng bộ hoá giữa bên gửi và bênnhận Với việc sử dụng tín hiệu lưỡng cực, dòng một chiều sẽ bị triệt tiêu và do đó

nó có khả năng đồng tải nguồn Thêm nữa, nó có khả năng chống nhiễu cao nhờ

việc sử dụng sườn xung của tín hiệu.

2 7 Chuẩn và môi trường truyền dẫn:

Mạng truyền thông công nghiệp chủ yếu sử dụng phương pháp truyền dit liệunối tiếp, không đồng bộ Với phương pháp nay các bit được truyền từ bên gửi đếnbên nhận một cách tuần tự trên cùng một đường truyền Vì không có đường dâyriêng biệt mang tín hiệu nhịp nên việc đồng bộ hoá được thoả thuận trên cơ sở mộtgiao thức truyền thông Hiện nay các chuẩn truyền dẫn có 4 dạng:

- RS232 : được dùng chủ yếu trong việc giao tiếp điểm - điểm giữa hai DTE, giữaDTE và DTC, như giữa hai máy tính, PLC hoặc PC với OP của biến tần, giữa máytính va máy in,modem Không ghép nối được với thiết bi thứ ba Sử dụng phươngpháp truyền tin không đối xứng, chế độ làm việc là hai chiều toàn phân (hai trạm cóthé cùng tham gia thu/phat tín hiệu cùng một luc).Su dụng tín hiệu chênh lệch điệnáp giữa hai dây dẫn(transmit và receive data) với đất Tốc độ truyền cho phép tối đalà 19 2kBd RS232 có nhược điểm là chiều dài cho phép từ 30 -:-50m nhưng có ưuđiểm là sử dụng công suất phát tương đối thấp nhờ trở kháng đầu vào hạn chế

khoảng từ 3 — 7kQ.

-RS422: sử dụng phương pháp truyền tin đối xứng thông qua điện áp chênh lệch đốixứng giữa hai dây dẫn A và B Nhờ vậy giảm được nhiễu và tăng chiều dài dây dẫnlên một cách đáng kề, tới 1200m mà không cần bộ lặp Có ba phương pháp truyềntín hiệu: truyền một chiều hoặc hai chiều gián đoạn cần một đôi dây, truyền haichiều toàn phan cần 2 đôi dây RS422 có khả năng ghép nối điểm - điểm và điểm -nhiều điểm trong một mạng đơn giản,cụ thể là có duy nhất một trạm được phát và10 trạm có thể nhận tín hiệu Tuy vậy thực tế RS422 thường chỉ được dùng ghép nốiđiểm - điểm với mục đích thay thế RS232 cho khoảng cách truyền thông lớn với tốc

độ cao hơn.

-RS485:giống RS422 về mặt điện học Tuy nhiên ngưỡng giới han qui định củađiện áp làm việc được nới rộng ra khoảng -7V đến 12 V cũng như trở kháng đầuvào cho phép lớn gap 3 lần so với RS422 Đặc tính khác nhau cơ bản của RS485 vàRS422là khả năng nghép nối nhiều điểm được sử dụng trong hệ thông bus trường.Cụ thể 32 trạm có thể tham gia nghép nối, được định địa chỉ va giao tiép đồng thờitrong một đoạn RS485 mà không cần bộ lặp khoảng cách tối đa cho trạm đầu vàcuối là 1200m Không phụ thuộc vào số trạm tham gia Tốc độ truyền dẫn tối đa là

10Mbit/s.

3 Cấu trúc co bản của một hệ thong giám sát.Một hệ thống điều khiển và giám sát quá trình có các cau trúc cơ bản sau:

- Cấu trúc tập trung.- Cau trúc phân quyên.- Cấu trúc phân tán

3 1 Cấu trúc tập trung — Concentrated Architechure.

Cau trúc tiêu biểu của một hệ thống điều khiển tập trung được minh hoạ trênhình Hình 2 3 Một máy tính duy nhất được dùng dé điều khiến các quá trình con.Các bộ cảm biến và chấp hành được nối trực tiếp, điểm đến điểm( point to point)với máy tình điều khiến trung tâm qua các công vao/ ra của nó

Máy tính điều khiển

Hình 2 3 Cau trúc điều khiến tập trung

Mỗi bộ cảm biến được nối với một công vào và một thiết bị chấp hành đượcnối với công ra bang một dây nối riêng biệt Điểm đáng chú ý ở đây là sự tập trungtoàn bộ quá trình xử lý thông tin, dit liệu vào một thiết bị điều khiến duy nhất

Một cấu trúc tập trung như vậy thường thích hợp cho tự động hoá các loạimáy móc, các thiết bị vừa và nhỏ bởi sự đơn giản, dễ thực hiện và giá thành một lầncho máy tính điều khiến Tuy nhiên cau trúc này bộc lộ những hạn chế sau:

e Công việc nối dây phức tạp giá thành cao;e Việc mở rộng hệ thống gap khó khăn khi thiết bị đầu cuối tăng lên.e Độ tin cậy hệ thống kém do phụ thuộc vào một thiết bị điều khiển duy nhất

Đề nâng cao độ tin cậy của hệ thống, có thé dùng thêm một máy tính dự

phòng giống hệ máy tính chính Nhưng van dé của giải pháp này là van dé giá thànhcao Còn nhược điềm thứ nhất có thể được khắc phục băng một mạng dẫn chung gọilà bus trường (fieldbus) thay cho dây nối trược tiếp va phân tán một phan trí tuệxuống cấp chấp hành Đây chính là xuất phát điểm cho con đường dẫn đến cấu trúc

phân tán.

3 2 Cau trúc phân quyền

Dé khắc phục sự phụ thuộc vào máy tính trung tâm và tăng tính linh hoạtcủa hệ thống, trong cau trúc phân quyền, mỗi quá trình con(hoặc mỗi nhóm quatrình con) được điều khiển bằng một máy tính riêng biệt cùng được đặt tại phòngđiều khiến Bởi các quá trình con có liên quan hệ quả tổng hợp tới nhau, để điềukhiển quá trình tổng hợp cần thiết có sự hợp tác giữa chúng với nhau Trong phầnlớn các trường hợp,một máy tính trung tâm được để điều khiến cấp cao cũng như đểphối hợp sự hoạt động của các máy phân quyền như được mô tả trên

Hình 2 4 Máy tính phối hợp nay có thé thuộc cùng cấp điều khiến hoặcthuộc cấp điều hành, tuỳ theo các chức năng được thực hiện

May tính phối hợp

|

C

May tính điều May tính điều May tính điều

khiển khiển khiểnA A A

Ranh giới phòng điều khiển

¥ ki

A : Actuator (chấp hành)

A S A S A S S : Sensor (cam biến)

Hình 2 4:C4u trúc điều khiến phân quyền

Các máy tính điều khiến được kết nối với nhau và với máy tính phối hợp qua

mạng được gọi là bus xử lý Chú ý sự phân biệt giữa các khái niệm bus trường và

bus xử lý không bắt buộc nằm ở sự khác nhau về kiểu bus được xử dụng mà ở mụcdich sử dụng — hay nói cách khác là ở các thiết bị được kết nối Khi nói tới bus xửlý, ta nghĩ trước hết đến mạng kết nối các thiết bi thông tin ở cấp điều khiển(ở đâychính là các máy tính điều khiến) với nhau hoặc với các thiết bị trên cấp điều hành.Trong khi đó khái niệm bus trường thường được dùng chỉ mạng kết nối các thiết bịgan với quá trình kỹ thuật — tức các thiết bị ở cấp chấp hành và có thé ở cả cấp điềukhiển Trong một số giải pháp, một kiểu bus duy nhất được sử dụng được dùng cho

cả hai mục đích này.

3 3 Cấu trúc phân tán

Đặc điểm của một cau trúc điều khiến phân tán là việc phân tán chức năngxử lý thông tin, chức năng điều khiến theo chiều rộng cũng như theo chiều sâu kếthợp với xử dụng mạng truyền thông thay cho phương pháp nối dây và bằng điệnthông thường Bên cạnh giải pháp sử dụng các cụm vào /ra tại chỗ và các thiết bịchấp hành thông minh, người ta còn đưa các máy tính điều khiến nhỏ(như các bộđiều chỉnh, vi điều khiến) xuống các vị trí gần kề với quá trình kỹ thuật

Hình 2 5 một vi dụ tiêu biểu của một hệ thống điều khiến phân tán dùng giải pháp

hỗn hợp được chia làm khu vực:

e Trung tâm điều hành quá trình bao gồm các trạm công nghệ ES(Engineering

Station), trạm thao tac OS (operation station) và trạm phục vụ SS (ServerStation).

e Trung tâm điều khién bao gồm các máy tinh điều khiến như PLC, máy tinhcông nghiệp IPC và các máy tính phối hợp được nối với nhau và nối lêntrung tâm điều hành quá trình qua bus xử lý (thường dùng Ethernet)

e Khu vực gan với quá trình kỹ thuật bao gồm các bộ điều khiến tại chỗ nhưcác bộ vi điều khiến MC(micro controller) hay các bộ điều khiến thugon(compact controller),các cụm vào /ra tại chỗ, các thiết bị cảm biến vàchấp hành được nối lên trung tâm điều khiến qua bus trường(ví dụ

Profibus,Foundation fieldbus ).

Trong thực tế, tuỳ theo tính chất ứng dụng và thể loại quá trình kỹ thuật mà cấutrúc phân tán có thể đơn giản hoá hoặc mở rộng hơn Rõ ràng cấu trúc phân tánđược thể hiện ở những điểm sau:

Tiết kiệm dây nối và công nối dây nhờ mạng truyền thông.e Hiệu suất cũng như độ tin cậy tong thé của hệ thống được nâng cao nhờ sự

phân tán chức năng xuống cấp dưới

e Do linh hoạt cao, tinh năng mở trong việc mở rộng hệ thống, mua sắm và

thay thế thiết bị, nâng cấp và cải tạo mới các chương trình phần mềm ứng

dụng.

Chính từ các yêu câu bức thiết từ phía người xử dụng là phải giảm giá thànhtrong khi các tính năng kỹ thuật phải đảm bảo, cộng với các tiễn bộ vượt bậc trongcông nghệ vi điện tử và công nghệ thông tin đó đóng vai trò quyết định trong sựchuyển hướng các giải pháp điều khiển tự động sang dạng có cau trúc phân tán

Tram thao tac Tram ky thuật Tram phu vu

Máy rính điều Máy tính điều

khiển khiểnLO LƯO

4 1 Khái niệm về hệ thong điều khiến phân tán DCS

Hệ thống điều khiến phân tán được hiểu như là hệ thống dựa trên các phầncứng và phần mềm điều khiến và thu thập dữ liệu trên cơ sở một đường truyềnthông tin tốc độ cao, các module được phân tán va tô chức theo một cẫu trúc nhấtđịnh với một chức năng nhiệm vụ riêng Các thiết bị giao tiếp trên đường truyềntốc độ cao này cho phép nghép nói dễ dàng với các thiết bị ngoại vi khác như PLC,các máy tính điều khiến giám sát

Giống như tên gọi về hệ thống điều khiến giám sát (Distributed ControlSystem) các chức năng điều khiển được phân bố khắp hệ thống để thay cho việc xửlý tập trung trên một máy tính đơn lẻ Nhờ đó hiệu năng tổng thể của hệ thống đượcnâng cao Một hệ thống DCS tiêu biểu có các trạm điều khiến hoạt động độc lập vàđiều khiến từng bộ phận chuyên dụng của hệ thống điều khiến Hơn nữa trong hệthống có một vài trạm điều hành để giám sát các dữ liệu trong các trạm điều

khién,cung cấp các giao diện đồ hoạ và cho phép người vận hành thực hiện các thay

đổi một cách dé dàng

Đây là một mô tả mở rộng về một hệ thống DCS nhưng mô tả này cũng phùhợp với một hệ thống gồm các PLC và các PC với các phần mềm giám sát vậnhành Điều này dẫn ta tới một định nghĩa quan trọng thứ hai của hệ thống DCS Mộthệ thống DCS là một hệ thống tích hợp day đủ với một hệ co sở dữ liệu toản cục.Không giống như các hệ thống dựa trên PLC, ta không thể sử dụng các bộ điềukhiển khác nhau và các trạm điều hành từ những nhà cung cấp khác nhau rồi kếthợp chúng lại với nhau Một hệ thống DCS là một hệ thống hoàn chỉnh, trong đóviệc truyền thông, trao đối dữ liệu giữa các bộ phận sẽ không được thé hiện đối với

người dùng Ngoài ra, nếu một điểm (hoặc khối chức năng) được tạo ra trong bộ thìsau đó, toàn bộ hệ thống sẽ nhận biết nó Tức là không cần phải tạo một cơ sở dtrliệu riêng trong trạm điều hành để phù hợp với dữ liệu trong các bộ điều khiến vi

thông tin đã được tự động tạo ra trong toàn bộ hệ thống

4 2 Mô hình phân lớp của hệ thống điều khiến DCS:e Cấu trúc đặc trưng của hệ thông DCS gồm có 4 lớp :

e Lop I/O;

e Điều khiến — Các bộ điều khién(Vi du nhu FCS —Tram diéu khién truong);

e Điều hanh — Các trạm điều hanh(vi dụ như HIS -trạm giao diện người may);

e Thông tin quản lý- cơ sở dữ liệu và các trạm quản lý (ví dụ như Exaquantumvà PRM — Chương trình quản lý tài nguyên nha máy).

Bo diéu Bo diéu Bo diéu ngs `

khiển trường khiển trường khiển trường Lớp điều khiến

| Field 1/0 | | Field 1/0 | | Field YO | Lớp LO

Hình 2 6 Mô hình phân lớp hệ DCS.4.2.1 Lớp V/O

Các bộ vào ra của hệ thống được xử ly ở lớp I/O bang một trong ba cách sau:I/O bang mạch điện tử:

Các I/O dạng tương tự( như các bộ đo áp suất, van điều chỉnh v v )và dạng số(Cácrelay và các bộ chuyển mạch) có thể được thực hiện bằng các panel mạch điện tửtrực tiếp từ hiện trường Panel giao diện I/O có một loạt các card giao diện để đưa

vào xử lý các dạng tín hiệu vào /ra.

I/O fieldbus:

Có nhiều dang fieldbus, Profibus va Hart Những loại nay cho phép các sensor vacác cơ cau chấp hành có thé được kết nối với giao diện I/O thông qua một mạng sốđơn dé trao đối các thông số quá trình và các thông số trạng thái thiết bị

Giao tiếp với PLC

Các PLC có thé được nối với hệ thống DCS băng vài dang card giao diệntruyền thong, thường là trong panel giao diện I/O, hoặc đơn giản bang cách nối trựctiếp đến mạng điều khiển thông qua module truyéng thông với PLC

4 2.2 Lớp điều khiến

Đây là nơi tập trung tất cả các chức năng điều khiến Các bộ điều khiến traođối thông tin với lớp I/O đọc dir liệu vào, xử ly các chức năng điều khiến và gửi cáctín hiệu ra Các trạm điều khiển được hoạt động độc lập với nhau nên nếu xảy rasự cô một trạm sẽ không ảnh hưởng đến trạm khác Đồng thời một trạm điều khiểncó thé trao đối dữ liệu dé dàng với một trạm khác khi xử dụng phương pháp truyềnthông ngang hàng “ peer to peer” trong mạng điều khiển

4 2 3 Lớp điều hành

Các trạm điều hành cung cấp một giao diện đồ hoạ với các chức năng và cácdữ liệu trong bộ điều khiến va trong quá trình xử lý thông qua các đồ thị, các báo

cáo 4 2 4 Lớp thông tin quản lý

Tất cả các thông tin ở mức độ cao, không cần với việc điều khiến thời gianthực nhưng là cần thiết đối với việc quản lý quá trình lâu dải được xử lý trong lớpquản lý Lớp này gồm 3 lớp nhỏ:

e Gateway - dé đọc dữ liệu từ các trạm điều khiển;e© Cơ sở đữ liệu- để giữ và lưu lại dữ liệu từ phân tích trước;e Quản lý - dé xử lý thông tin trong cơ sở dit liệu

Gateway:

Trước kia mỗi nhà cung cấp có giao thức truyền thông độc quyền dé chophép máy chủ truy cập dữ liệu từ các trạm điều khiến Hiện nay Microsoft cùng vơimột số nhà cung cấp chính đã phát triển một mục tiêu chuẩn liên lạc gọi là OPC.OPC là OLE cho điều khiển quá trình và cho phép máy chủ nào cũng có thé kết nốitới DCS bất ky OPC có thé dat trong tram điều hành hoặc trong một máy tính độc

lập.Lop cơ sở dit liệu:

Dữ liệu của hệ thống DCS phải được lưu trữ và có một số bộ cơ sở đữlisu(Database package) được thiết kế cho mục đích nay Chúng gồmExaquantum(một sản phẩm của Yokogawa) và PI (một sản phẩm độc lập) Nhưngpackage này đọc dữ liệu thông qua cổng OPC và lưu dữ liệu dưới dạng format cơsở dữ liệu chuẩn Exaquantum dùng Server SQL của Microsoft tương thích với hầu

hêt các package quản lý Ngoài ra chúng còn cung cap các chức năng khác như lưutrữ dữ liệu trên đĩa, nén dữ liệu, báo cáo cơ bản các chức năng hiên thi.

Lop quan ly:

Có một loạt các package khác nhau san cé,cung cấp các thông tin khác nhaucho người dùng Nó gồm báo cáo chỉ tiết, điều khiển khối, và công thức, quản lýnguồn may, quản lý cảnh báo, tối ưu hoá máy v v Chúng truy cập dữ liệu từ cơsở dit liệu lưu nhưng có thé ghi trực tiếp tới các trạm điều khiến thông qua OPC.4 3 Các mô hình mạng trong hệ thống điều khiến phân tán

Kết hợp với các lớp như trên là các mạng máy tính để liên kết các lớp vớinhau Mạng trao đổi rộng rãi với các lớp như sau:

e Mạng I/O — Bus I/O từ xa, Fieldbus, truyền thông PLC.e Mạng điều khiển — nối các bộ điều khiến va các trạm điều hành.e_ Mạng diện rộng của nhà máy- nơi chứa hau hết các thông tin quản lý

4 3 1 Các mang I/O

Có thể có vài loại mang I/O diéu dé phụ thuộc vào loại I/O có giao diện với:

Bộ điều khiển I/O Bus

hiện trườngModule I/O

gan

Module I/O xaBus Truong

nhiên,những trạm khác (như Yokogawa CS1000/3000) có I/O từ xa, tức là

card giao diện I/O tách biệt khỏi trạm điều khiến và liên lạc với nó qua mộtbus remote I/O tốc độ cao

e Mạng fieldbus — Mot card fieldbus thường đặt trong một khe trên panel I/O

và mỗi loại mang fieldbus thường xử dung một loại card fieldbus riêng biệt.e Mạng PLC - Như với fieldbus, card truyền thông thường đặt ở một khe I/O

trên panel I/O, xử dụng công giao diện nối tiếp, và một số có khả năng hỗ trợchuẩn Ethernet và phần mêm driver được nạp vào card cho phép liên lạc với

một PLC đặc biệt Chang han như giao thức truyén thông cua Modbus, ABBhay Siemens co thé duoc nap vao card dé liên lạc với bat kỳ loại PLC nàotrong số đó hoặc các PLC tương thích Giao thức Modbus là một chuẩn côngnghiệp, nhiều loại PLC và các thiết bị khác( thiết bị phân tích, cân điện tử )có thé liên lạc trên giao thức nay.

4 3.2 Mạng điều khiến:

Các trạm điều khiến và các trạm điều hành được liên lạc với nhau thông quamột đường truyền dữ liệu tốc độ cao gọi là mạng điều khiến Đây luôn là mạng độcquyền của mỗi hãng và thường sử dụng phương pháp truy nhập thẻ bài Tokenpasing Một mang mạng điều khiến được ưu tiên dé những thông tin nhất định luônđược trao đối theo mức độ sau Các message cảnh báo, thông tin quá trình và cáclệnh điều hành, truyền file hay nhập một chương trình vào một trạm điều khiến

4 3 3 Mạng diện rộng của nhà máy

Tất cả các thông tin quản lý đều có sẵn trên mạng thông tin quản lý hoặcmạng diện rộng được trao đôi trên mạng Ethernet

Nhà cung cap Hệ thống

Yokogawa Yokogawa CS1000/3000Honeywell Honeywell TDC3000

ABB AB Advant OCS

Fisher and Porter System 6Emerson Fisher Provox

Bang 2 1 một số hệ thong DCS tiêu biéu

4.3.4 Nhan xét

Rõ ràng với những đặc điểm:e Khả năng quản lý các đầu vào /ra analog rất tốt Nhờ cau trúc phần cứng và

phần mềm, hệ điều khiến có thể thực hiện đồng thời nhiều vòng điều chỉnh,

điều khiển nhiều tang, hoặc các thuật toàn điều khiến hiện dai: Nhận dạng hệ

thống, điều khiến thích nghỉ, tối ưu bền vững, điều khiến theo mô hình dựbáo (MPC), Fuzzy, Neural, điều khiển chất lượng(QCS)

e Kha năng truyền thông : Hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông từ cấp trườngđến cấp quản lý Hiện nay các giao thức này đã được chuẩn hoá

(Profibus,foundation Fieldbus)

e Độ tin cậy cao nhờ khả năng dự phòng:dự phòng kép ở tat cả các thành phantrong hệ théng(Controller, modul I/O, bus truyền thông) khả năng thay đổichương trình (Sửa chữa và download), thay đôi câu trúc của hệ ,thêm bớt các

thành phan ma không làm gián đoạn, không cần khởi động lại quá trình (thayđổi online);

e Co sở dữ liệu trong hệ là cơ sở dữ liệu lớn có tính chất toàn cục và thốngnhất

e Khả năng mở rộng tích hợp cao Tuổi thọ của ứng dụng lớn (15 -20 năm).Trong chương nay, chúng ta đã tìm hiểu cách khái quát về hệ điều khiến phântan DCS Chúng ta có thé thấy rằng: DCS là một giải pháp kỹ thuật rat phù hợp chonhững hệ thống lớn, đòi hỏi độ tin cây cao,độ linh hoạt cao trong việc thay đôi cầutrúc, chương trình của hệ thống Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu một hệ thống cụthể và khả năng ứng dụng của hệ điều khiến phân tán DCS vào hệ thống này