HỆ THỐNG QUẢN LÝ TOÀ NHÀ THÔNG MINH BMS

Khoảng 90% số nhà cao tầng ở Việt Nam đều có các hệ thống cung cấp và thải nước, hệ thống cung cấp điện, hệ thống quạt trần hoặc điều hòa và hệ thống báo cháy. Đây là những tòa nhà loại thông thường. Khoảng 50% số tòa nhà có trang bị hệ thống điều hòa tập trung, hệ thống bảo vệ và báo cháy, hệ thống báo động xâm nhập và giám sát bằng camera nhưng chưa có hệ thống quản lý tòa nhà (BMS). Tất cả thiết bị của các hệ thống điều hòa, báo cháy,.. được điều khiển riêng biệt, các bộ điều khiển này không trao đổi thông tin với nhau, không có quản lý và giám sát chung và phần quản lý điện năng thì mới ở mức thấp. Đây là những tòa nhà đã có hệ thống điều khiển và giám sát tập trung, nhưng chưa có hệ thống quản lý tòa nhà BMS. Khoảng 30% số tòa nhà có trang bị hệ thống điều hòa tập trung, hệ thống bảo vệ và báo cháy, hệ thống báo động xâm nhập và giám sát bằng camera có trang bị hệ thống BMS. Tất cả thiết bị của các hệ thống điều hòa, báo cháy, được điều khiển riêng biệt và tích hợp từng phần. Hệ BMS cho phép trao đổi thông tin, giám sát giữa các hệ thống, cho phép quản lý tập trung. Hệ BMS cho phép quản lý điện năng ở mức cao. Đây là lọai tòa nhà cao tầng được trang bị hệ thống tự động hóa BMS. Hầu hết các tòa nhà cao tầng ở Việt nam hiện nay đều không được trang bị hệ thống quản lý tòa nhà thông minh. Khi được trang bị hệ thống này, tất cả các hệ thống điều hòa, báo cháy, ... được điều khiển tập trung, tương tác bởi hệ BMS. Các hệ thống được tích hợp đầy đủ hệ thống thông tin, truyền thông và tự động hóa văn phòng. Đây là loại nhà cao tầng thông minh. Còn gọi là các tòa nhà hiệu năng cao, tòa nhà xanh, tòa nhà công nghệ cao, tòa nhà có những chức năng đặc biệt như bệnh viện, cơ quan trung ương, nhà quốc hội,...

Mục lục Trang Lời nói đầu Chương 1: Khảo sát giới thiệu hệ thống quản lý toag nhà BMS 1.1 Thực trạng nhà cao tầng Việt nam 1.1.1 Thực trạng nhà Việt nam 1.1.2 Sự cần thiết hệ thống BMS cho tòa nhà cao tầng 1.1.3 Các tiêu chí đánh giá chất lượng tòa nhà cao tầng 1.2 Tổng quan BMS (Building Management System) 1.2.1 Cầu trúc hệ thống BMS 1.2.2 Khả tích hợp với hệ thống điều khiển tồ nhà 1.3 Lợi ích xu hướng phát triển 1.3.1 Lợi ích 1.3.2 Xu hướng phát triển Chương 2: Thiết kế hệ thống quản lý nhà BMS cho dự án Cung Triển Lãm Quy Hoạch Xây Dựng Hà Nội 2.1 Tổng quan dự án: Cung triển lãm quy hoạch xây dựng Hà Nội 2.1.1 Đặc điểm cơng trình 2.1.2 Cơ sở hạ tầng hệ thống kỹ thuật 2.2 Thiết kế hệ thống quản lý nhà BMS 2.2.1 Các chuẩn tham chiếu định nghĩa 2.2.1.1 Các chuẩn tham chiếu 2.2.1.2 Các định nghĩa 2.2.2 Tổng quan chung hệ thống quản lý nhà BMS cho dự án 2.2.2.1 Chức Giám sát 2.2.2.2 Chức điều khiển 2.2.2.3 Chức báo cáo 2.2.2.4 Yêu cầu chung hệ thống BMS 2.2.3 Cấu trúc hệ thống quản lý nhà BMS 2.2.3.1 Mạng tự động 2.2.3.2 Sự tích hợp điều khiển 2.2.3.3 Một số thiết bị phần cứng hệ thống BMS 2.2.3.4 Phần mềm hệ thống quản lý tòa nhà BMS 2.3 Các hệ thống thiết bị tích hợp với BMS 2.3.1 Hệ thống điều khiển điều hồ khơng khí Chiller 2.3.2 Hệ thống điều khiển chiếu sáng tự động EIB 2.3.3 Giám sát hệ thống điện 2.3.4 Giám sát hệ thống thang máy 2.3.5 Tích hợp hệ thống an ninh Camera 2.3.6 Tích hợp hệ thống PCCC 2.3.7 Tích hợp hệ thống thơng tin cơng cộng 2.3.8 Tích hợp phòng chức 1 2 18 18 20 21 21 21 22 23 23 23 24 26 26 27 27 27 28 28 29 30 38 40 40 45 46 47 48 49 51 51 Chương 3: Giới thiệu phần mềm lập trình phần mềm thiết kế giao diện giám sát cho hệ thống quản lý nhà BMS 3.1 Giới thiệu phần mềm lập trình CARE (Excel Computer Aided Regulation Engineering) 3.1.1 Chức Care 3.1.2 Các bước lập trình Care 3.2 Giới thiệu phần mềm thiết kế giao diện giám sát EBI (Enterprise Buildings Integrator) 3.2.1 Tính đa EBI 3.2.2 Kiến trúc linh hoạt 3.2.3 Các bước tạo giao diện 3.2.4 Một số mẫu hiển thị tiêu chuẩn EBI Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển tích hợp BMS thiết bị trao đổi nhiệt AHU hệ thống điều hoà Chiller 4.1 Tính hiệu có hệ thống BMS tích hợp qua ứng dụng cụ thể: Thiết bị AHU hệ điều hoà Chiller 4.1.1 Khả quản lý chung sử dụng hệ thống BMS 4.1.2 Lợi ích việc ứng dụng BMS cho người vận hành tồ nhà 4.1.3 Lợi ích lượng sử dụng nhà ứng dụng BMS 4.1.4 Lợi ích tính an tồn ứng dụng hệ thống BMS 4.2 Những công việc, kỹ cần thiết người kỹ sư đưa hệ thống BMS tích hợp vào tồ nhà 4.2.1 Giai đoạn thiết kế 4.2.2 Giai đoạn thi công, lắp đặt 4.2.3 Giai đoạn chỉnh định, đưa hệ thống BMS vào hoạt động 4.2.4 Giai đoạn đưa hệ thống BMS vào vận hành, bảo dưỡng định kỳ 4.2.5 Các sản phẩm thiết bị BMS thường sử dụng 4.3 Giới thiệu bước lập trình cho AHU dùng phần mềm CARE 4.4 Xác định tham số cho điều khiển PID 4.4.1 Xác định tham số cho đồ thị hàm độ 4.4.1.1 Xác định tham số thí nghiệm thực tế 4.4.1.2 Sử dụng phần mềm quản lý BMS để xác định tham số 4.4.2 Cài đặt tham số cho điều khiển 4.4.2.1 Tính tốn tham số điều khiển theo phương pháp ZieglerNichols thứ nhất: 4.4.2.2 Thiết lập lại mạch vòng điều khiển AHU theo tham số tính chọn 4.4.2.3 Hiệu chỉnh lại Kết luận Tài liệu tham khảo 55 55 55 56 64 64 65 68 69 72 72 74 74 76 77 78 78 78 79 79 79 82 90 91 91 92 93 93 94 95 Chương 1: Khảo sát giới thiệu hệ thống quản lý nhà BMS Chương 1: Khảo sát giới thiệu hệ thống quản lý nhà BMS Hệ thống tổng đài PABX Hệ thống chống sét-chống sét lan truyền Với tính chất phức tạp, lượng người sử dụng dịch vụ đông bất định tồ nhà, địi hỏi hệ thống quản lý giám sát phải đơn giản, rõ ràng sẵn sàng đáp ứng nhu cầu người sử dụng cách nhanh Giải pháp đề xuất BMS dựa công nghệ, ý tưởng, kiến trúc cơng nhận Tồn thiết kế tập trung xung quanh kiến trúc tích hợp liên kết tất chương trình ứng dụng dịch vụ với để cung cấp khả điều hành tuyệt vời cho nhà Giải pháp BMS cung cấp hệ thống điều hành tích hợp cho việc quản lý dịch vụ tồ nhà ứng dụng thơng minh cho cán làm việc tào nhà, công cụ, lực khả mở rộng dịch vụ phương tiện cho tầng người sử dụng 1.1.3 Các tiêu chí đánh giá chất lượng tòa nhà cao tầng Việc ứng dụng giải pháp quản lý tích hợp hệ thống dịch vụ tịa nhà mang lại lợi ích sau: Đơn gián hóa vận hành: thủ tục, chức có tính lặp lặp lại chương trình hóa để vận hành tự động Giảm thời gian đào tạo cho nhân viên vận hành: Do có dẫn trực tiếp giao diện trực quan tòa nhà Phản ứng nhanh đòi hỏi khách hàng cố xảy Giảm chi phí lượng: quản lý tập trung việc điều khiển quản lý lượng Quản lý tốt thiết bị tòa nhà: nhờ vào hệ thống liệu lưu trữ, chương trình bảo trì bảo dưỡng hệ thống tự động báo cáo cảnh báo Linh hoạt việc lập trình theo nhu cầu, kích thước, tổ chức yêu cầu mở rộng Cải tiến hệ thống vận hành việc tích hợp hệ thống phần mềm phần cứng nhiều hệ thống khác như: báo cháy, an toàn, điều khiển truy nhập hay điều khiển chiếu sáng Với vịng đời khoảng 40 năm, chi phí đầu tư ban đầu tòa nhà đại trở nên nhỏ bé so với tổng chi phí vận hành tịa nhà đó: Chi phí vận hành chiếm khoảng 75% tổng chi phí, chi phí đầu tư cho thiết kế xây dựng chiếm 11% Chương 1: Khảo sát giới thiệu hệ thống quản lý tồ nhà BMS Tịa nhà đại trang bị nhiều hệ thống dịch vụ đắt tiền nhằm đáp ứng nhu cầu ngày cao người sử dụng, phải đáp ứng yêu cầu:  Đảm bảo chất lượng  Hoạt động tin cậy  Hiệu suất  Kéo dài tuổi thọ Việc ứng dụng giải pháp tích hợp cho tịa nhà cho phép tập trung hóa đơn giản hóa việc giám sát, vận hành quản lý tòa nhà, cho phép quản lý giám sát thiết bị tòa nhà tốt thông qua liệu lịch sử, chương trình bảo trì bảo dưỡng, hệ thống cảnh báo, từ giảm xác suất lỗi xảy hệ thống – MTBF thời gian sửa lỗi trung bình – MTTR thiết bị Hình 1.1: Biểu đồ chi phí cho hệ thống tồ nhà Giải pháp tích hợp cho phép nâng cao hiệu suất tịa nhà cách giảm chi phí nhân cơng, tiết kiệm chi phí lượng cung cấp mơi trường làm việc tiện nghi an toàn cho người Theo thống kê, với việc áp dụng giải pháp quản lý tích hợp, cho phép giảm chi phí tiêu thụ lượng từ 20% đến 30% 1.2 Tổng quan BMS (Building Management System) Hệ thống BMS/BAS gì? BMS (hay BAS) sử dụng nhằm mục đích giám sát điều khiển cách tự động dịch vụ cao ốc như: hệ thống chiếu sáng, hệ thống cung cấp nước, hệ thống chữa cháy, hệ thống điều hịa-thơng gió Chương 1: Khảo sát giới thiệu hệ thống quản lý nhà BMS BMS (hay BAS) đề cập đến hệ thống sử dụng cảm biến (sensor), thiết bị điều khiển (controller) thiết bị chấp hành (actuator) Tất thiết bị sử dụng vi xử lý để thực thi thuật tốn điều khiển có khả liên lạc với thiết bị điều khiển khác Thuật ngữ BMS bao gồm tất thành phần điều khiển bao gồm phần cứng, điều khiển liên kết mạng điều khiển trung tâm Thông thường, hệ thống điều khiển bao gồm phần tử bản: - Cảm biến (Sensors) - Bộ điều khiểnControllers - Thiết bị điều khiển (actuators) Mạng truyền thông kết nối thành phần hệ thống điều khiển nêu mô tả phần chủ yếu: - Đường truyền vật lý (Wire, optical fibre, radio…) - Giao thức truyền thông (Protocol:BACnet, LonWork, Modbus…) BACnet la giao thức bậc cao sử dụng nhiều cơng nghiệp BMS sử dụng để tích hợp hệ thống tự động hóa cao ốc sản phẩm điều khiển từ nhà sản xuất khác hệ thống liên kết 1.2.1 Cầu trúc hệ thống BMS Cấu trúc hệ thống tích hợp tịa nhà gồm có cấp độ sau: Cấp vận hành quản lý Cấp điều khiển hệ thống Cấp khu vực – cấp trường Chương 1: Khảo sát giới thiệu hệ thống quản lý tồ nhà BMS Hình 1.2: Cấu trúc hệ thống BMS Cấp điều khiển khu vực – cấp trường: Các điều khiển cấp độ khu vực điều khiển sử dụng vi xử lý, cung cấp chức điều khiển số trực tiếp cho thiết bị khu vực, bao gồm: VAV, bơm nhiệt, điều hịa khơng khí cục bộ, Hệ thống phần mềm quản lý lượng tích hợp điều khiển cấp khu vực Ở cấp khu vực, cảm biến cấu chấp hành giao diện trực tiếp với thiết bị điều khiển Các điều khiển cấp khu vực nối với đường bus, chia sẻ thông tin cho với điều khiển cấp điều khiển hệ thống cấp điều hành, quản lý Cấp điều khiển hệ thống: Các điều khiển hệ thống có khả lớn so với điều khiển cấp khu vực số lượng điểm vào ra, vòng điều chỉnh chương trình điều khiển Các điều khiển hệ thống tích hợp sẵn chức quản lý, lưu trữ thường sử dụng cho ứng dụng lớn hệ thống điều hòa trung tâm, hệ thống máy lạnh trung tâm, Các điều khiển trực tiếp giao tiếp với thiết bị điều khiển thông qua cảm biến cấu chấp hành gián tiếp thông qua việc kết nối với Hình 4.7: Tạo dự án triển khai Đặt Password cho file dự án (nếu cần) Hình 4.8: Đặt Password bảo vệ Tạo điều khiển Di chuyển trỏ chuột công cụ phần mềm chọn: Go to Controller Nhập tên điều khiển số lượng: Enter Controller name & number - - Lựa chọn loại điều khiển phiên bản: Select Controller type and OS version Hình 4.9: Tạo điều khiển AUH Tạo sơ đồ nguyên lý AHU với CARE Hình 4.10: Tạo sơ đồ AHU với CARE Thiết lập AHU Modul tín hiệu I/O điều khiển Hình 4.11: Các modul tín hiệu I/O điều khiển AHU Chỉnh sửa tên điểm điều khiển, địa sử dụng loại điểm điều khiển cho phù hợp: Tín hiệu vào dạng số Tín hiệu dạng số Tín hiệu vào dạng tương tự Tín hiệu dạng tương tự Tạo mạch vòng điều khiển (Develop Control Strategy) Mạch vòng điều khiển tốc độ quạt: Điều khiển tốc độ quạt dựa vào nhiệt độ gió hồi (so sánh với giá trị đặt) tính tốn giá trị đặt đưa xuống so sánh với áp suất gió cấp tạo tín hiệu điều khiển tốc độ quạt: Hình 4.12 Tạo mạch vịng điều khiển quạt Hai điều khiển TC (Temparature Control) SC ( Speed Control) sử dụng điều khiển PID: Hình 4.13 Thiết lập mạch vịng điều khiển cho quạt AHU Ta có sơ đồ đồ thị điều chỉnh PID: Hình 4.14 Thay đổi thơng số điều khiển PID Mạch vịng điều khiển van nước lạnh: Hình 4.15 Mạch vịng PID cho van nước lạnh Mạch vịng điều khiển độ mở damper gió hồi: Hình 4.16 Thiết lập điều khiển PID cho Damper khí hồi Tạo logic liên động cho AHU: Để tiết kiệm lượng cần có tín hiệu liên động: quạt dừng van lạnh damper tự động đóng lại Hình 4.17 Tạo liên động Khi quạt dừng trạng thái quạt off (giá trị logic) van nước lạnh sẻ ngắt (độ mở có giá trị 0) Tương tự có thêm tín hiệu logic khác: Hình 4.18 Tạo tín hiệu liên động Lập chương trình thời gian: Tùy theo yêu cầu vận hành cụ thể thời gian giai đoạn mà có lập lịch khác nhau, lập lịch theo ngày, theo tuần, tháng, ngày lễ, năm… Hình 4.19 Lập lịch vận hành cho AHU Biên dịch chương trình thiết lập cho điều khiển: Hình 4.20 Biên dịch chương trình Tải chương trình thiết lập cho điều khiển: Hình 4.21 Tải chương trình cho điều khiển 4.4 Xác định tham số cho điều khiển PID Bộ điều khiển PID gồm thành phần có điều khiển, gồm khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I) khâu vi phân (D) Bộ điều khiển PID sử dụng rộng rãi tính đơn giản cấu trúc lẫn ngun lý làm việc Theo hình ta có e tín hiệu đầu vào, u tín hiệu đầu ra, k p hệ số khuếch đại, TI số tích phân TD số vi phân Up e Kp TIs UI TDs UD u Hình 4.22 Điều khiển với điều khiển PID  Xác định đồ thị hàm độ h(t): - Hở mạch vòng điều khiển - Ba tham số L (hằng số thời gian trễ), k (hệ số khuếch đại) T (hằng số thời gian qn tính) mơ hình xắp xỉ xác định gần từ đồ thị hàm độ đối tượng: L khoảng thời gian ban đầu h(t) chưa có phản ứng với kích thích đầu vào k giá trị giới hạn Gọi A điểm kết thúc khoảng thời gian trễ, tức điểm trục hồnh có hồnh độ L Khi T khoảng thời gian cần thiết sau L để tiếp tuyến h(t) A đạt giá trị k - Ta có đồ thị hàm độ h(t) dạng lý tưởng sau - h(t) k=T C t L T Hình 4.23 Đồ thị hàm độ h(t) 4.4.1 Xác định tham số cho đồ thị hàm độ 4.4.1.1 Xác định tham số thí nghiệm thực tế Giả sử dùng thiết bị trao đổi nhiệt AHU có cơng suất lạnh 60kW, lưu lượng gió 4000m3/h để làm lạnh cho khu khơng gian triển lãm có diện tích khoảng 350m Tại đầu đường ống cấp khí lạnh AHU khu triển lãm, hệ thống BMS đặt cảm biến nhiệt độ để đo nhiệt độ môi trường thực tế phản hồi điều khiển trung tâm Nếu nhiệt độ môi trường T 0C=320C, nhiệt độ đặt cần thiết cho khu không gian triển lãm T0C(đặt)=220C, độ chênh lệch nhiệt độ ∆T 0C=T0C - T0C(đặt)=100C Để đạt nhiệt độ đặt cần khoảng thời gian (t), giả sử t=30 phút Ta tiến hành ghi lại giá trị nhiệt độ thời điểm theo dõi tồn thời gian, từ ta xây dựng đồ thị hàm độ h(t) xác định tham số thực nghiệm cho điều khiển Ta có bảng theo dõi sau: t (phút) 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 T0C 32 32 31,5 31 30 29,5 29 27,5 27 26,5 25 24 23,5 23 22,5 22 ∆T0C 10 10 9,5 7,5 5,5 4,5 1,5 0,5 Từ bảng theo dõi trên, ta lập đồ thị hàm độ h(t) cho điều khiển: h(t) T=100C t 1 L=3 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 T=20 Hình 4.24 Đồ thị hàm độ h(t) Theo đồ thị hàm độ trên, ta có tham số sau: Hệ số khuếch đại k=10 Hằng số thời gian quán tính T=20 Hằng số thời gian trễ: L=3 4.4.1.2 Sử dụng phần mềm quản lý BMS để xác định tham số Phần mềm quản lý hệ thống BMS đưa bảng đồ thị để phân tích thay đổi giá trị theo thời gian ghi lại, lưu trữ giá trị nhiệt độ thời điểm theo dõi toàn thời gian độ hệ thống Hình 4.25 Màn hình hiển thị giá trị thay đổi 4.4.2 Cài đặt tham số cho điều khiển 4.4.2.1 Tính tốn tham số điều khiển theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ Phương pháp thực nghiệm có nhiệm vụ xác định tham số k p, TI, TD cho điều khiển PID Sau có tham số đồ thị, Ziegler-Nichols đề nghị sử dụng tham số kp, TI, TD cho điều khiển sau: Nếu sử dụng điều khiển khuếch đại R(s)=kp Ta chọn k p  T 20   0,66 k L 10*3 � - � � � TIs � 1 Nếu sử dụng PI với R( S )  kp � Ta chọn k p  0,9.T 0,9* 20 10 10   0, TI  L   10 k L 10*3 3 � - �  TD s � � TIs � 1 Nếu sử dụng PID có R( S )  kp � Ta chọn k p  1, 2.T 1, 2* 20 L   0,8 , TI  2.L  2*3  TD    1,5 k L 10*3 2 4.4.2.2 Thiết lập lại mạch vòng điều khiển AHU theo tham số tính chọn Sau tính tốn tham số cho điều khiển PID phương pháp thực nghiệm Ziegler-Nichols thứ nhất, ta tiến hành thiết lập lại tham số cho điều khiển, tạo mạch vòng điều khiển cho AHU Mạch vịng điều khiển tốc độ quạt: Hình 4.26 Thiết lập lại điều khiển PID cho quạt AHU Mạch vịng điều khiển van nước lạnh: Hình 4.27 Thiết lập lại điều khiển PID cho van nước lạnh Mạch vịng điều khiển độ mở damper gió hồi: Hình 4.28 Thiết lập điều khiển PID cho Damper khí hồi 4.4.2.3 Hiệu chỉnh lại Việc thiết lập lại tham số cho điều khiển PID sau xác định tham số thí nghiệm thực tế, đảm bảo hệ thống hoạt động cách tối ưu Sau thay tham số vào điều khiển, người lập trình tiến hành cho thiết bị AHU chạy thử, quan sát ghi lại giá trị nhiệt độ thời điểm theo dõi toàn thời gian độ hệ thống tiến hành hiệu chỉnh tham số để đồ thị hàm độ mong muốn, giúp hệ thống hoạt động cách tối ưu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình Điều khiển trình – TS Hồng Minh Sơn – Bộ mơn Điều khiển tự động, ĐHBKHN [2] Giáo trình Thiết bị Điều chỉnh tự động Cơng nghiệp – ĐHBKHN [3] Giáo trình Lý thuyết điều khiển tuyến tính – Tác giả Nguyễn Dỗn Phước [4] Các tài liệu, thiết kế Công ty cổ phần tư vấn đầu tư thiết kế khảo sát xây dựng Bạch Đằng (CCDC) Số 18/90 Nguỵ Như KonTum, Thanh Xuân, Hà Nội [5] Các viết website - http://dieukhientudong.com/ - http://tudonghoa.com.vn/ - http://hiendaihoa.com/ - https://buildingsolutions.honeywell.com - http://www.buildingintelligencegroup.com/ - http://www.eibmarkt.com/ - http://www.ibs.com.vn/ - http://www.schneider-electric.com.vn/ ... hệ thống quản lý nhà BMS cho dự án Hệ thống quản lý tòa nhà (Building Management System: BMS) hệ thống trung tâm máy tính hóa phục vụ quản lý giám sát vận hành hệ thống tòa nhà Một hệ thống BMS. .. mềm hệ thống quản lý tòa nhà BMS cho tích hợp hệ thống quản lý truy cập vào, camera giám sát, Điều hịa thơng gió, quản lý lượng, hệ thống âm hệ thống an ninh Phần mềm hệ thống quản lý tịa nhà BMS. .. tối ưu hóa hoạt động hệ thống 2.2.2.4 Yêu cầu chung hệ thống BMS Hệ thống quản lý nhà BMS phải hệ thống hoàn chỉnh thiết kế để sử dụng với hệ thống cơng nghệ thơng tin tồ nhà Nhà thầu phải có trách