11 BACnet là một tiêu chuẩn thông tin giao tiếp khơng độc quyền, có tính mở. Nó có thể được áp dụng trong thực tế vào bất kỳ hệ thống nào của tòa nhà ngày nay, bao gồm HVAC, chiếu sáng (Lighting), an tồn sinh mạng (Life Safety), kiểm sốt truy cập (Access Control), vận chuyển (Transportation) và bảo trì (Maintenance).
Để đảm bảo rằng các sản phẩm được phát triển bởi các nhà sản xuất khác nhau tuân theo tiêu chuẩn BACnet, một phịng thí nghiệm kiểm tra được lập ra. Phịng thí nghiệm này kiểm tra và cấp chứng nhận cho mọi thiết bị được tuân theo tiêu chuẩn. Phịng thí nghiệm cũng phát triển một bộ hồn chỉnh các quy trình kiểm tra để cho các nhà sản xuất sử dụng.
Giao thức Lonmark
Tiêu chuẩn thứ 2, LonMark đưa ra cách giải quyết theo kiểu khác đối với vấn đề tính đổi lẫn. Khơng như BACnet, LonMark là giao thức sở hữu độc quyền bởi tập đoàn Echelon Corporation liên kết với Motorola vào đầu thập niên 1990. Tiêu chuẩn LonMark được dựa trên giao thức thơng tin có sở hữu với tên gọi LonTalk. Giao thức LonTalk thiết lập một bộ quy tắc quản lý việc giao tiếp thông tin trong một mạng các thiết bị cùng hợp tác. Để đơn giản hóa việc thực thi giao thức, Echelon đã chọn làm việc với Motorola để phát triển một chip xử lý thông tin chuyên dụng có tên gọi Neuron. Thông qua việc sử dụng con chip xử lý này cùng với các phần mềm hỗ trợ, giao thức thiết lập nên cách mà thông tin được trao đổi giữa các thiết bị. Bởi vì phần lớn của giao thức giao tiếp được bao hàm trong con chip xử lý, những người thiết kế và lắp đặt hệ thống có thể tập trung vào các khía cạnh khác của hệ thống.
Để đảm bảo mọi thiết bị được lắp đặt trong một hệ thống LonMark sẽ hoạt động đúng chức năng với các thiết bị khác, LonMark yêu cầu thiết bị phải được thẩm tra là tuân theo giao thức LonMark để có được logo của LonMark trên nó.
Giống như BACnet, LonWorks cũng được chấp nhận và lưu hành bởi nhiều tổ chức tiêu chuẩn quốc tế (ANSI/CEA 709.1 và IEEE 1473-L). Trên thực tế, giao thức có thể được tương tác với BACnet tương đối dễ dàng - miễn là bạn thiết kế và tích hợp cả hai theo cách giải quyết nhu cầu của khách hang. Có thể tham khảo thêm về vấn đề này trong bài viết Myths of LonWorks™ and BACnet™ của Gerry G. Hull.
Giao thức Modbus
Giao thức thứ ba được sử dụng để đạt được tính đổi lẫn trong các hệ thống tự động hóa tịa nhà là Modbus. Giao thức Modbus được phát triển bởi Modicon trong những năm 1970 cho việc sử dụng các hệ thống tự động hóa cơng nghiệp với các bộ điều khiển lập trình (Programable Controllers). Ngày nay nó là một trong những
12 phương tiện được sử dụng rộng rãi nhất trong việc kết nối các thiết bị điện tử trong các ứng dụng cơng nghiệp (industrial). Tính đơn giản cũng khiến Modbus trở thành một cơng cụ hữu dụng để đem đến tính đổi lẫn trong các ứng dụng tự động hóa tịa nhà.
Modbus bao gồm một cấu trúc thông điệp được thiết kế để thiết lập giao tiếp chính-phụ (master-slave), chủ-khách (client-master) giữa một phạm vi rộng các thiết bị thơng minh. Nó hỗ trợ các giao thức tuần tự và mạng Ethernet. Nó thực sự là một tiêu chuẩn mở và là một trong những giao thức được sử dụng rộng rãi nhất trong môi trường sản xuất công nghiệp. Sử dụng giao thức cũng như cấp chứng nhận (licensing) là hồn tồn miễn phí. Các cơng cụ và tài nguyên hỗ trợ cho việc triển khai lắp đặt và vận hành được cung cấp trực tuyến (online).
Phiên bản nguyên thủy của Modbus bao gồm hai chế độ truyền tin: ASCII và RTU. Gần đây Modbus/TCP được phát triển, cho phép giao thức Modbus có thể truyền dẫn qua các hệ thống mạng nền TCP/IP.
Vào năm 2004, tiêu chuẩn được chuyển giao về cho Modbus-IDA, một tổ chức phi lợi nhuận hợp thành bởi nhiều người sử dụng và nhà cung cấp các thiết bị tự động hóa chủ yếu cho lãnh vực sản xuất.
Tuy rằng Modbus khởi đầu được thiết kế sử dụng trong ứng dụng công nghiệp, việc dụng nó trong các ứng dụng tự động hóa tịa nhà, vận chuyển và năng lượng đang lan rộng nhanh chóng. Điểm mạnh của Modbus là tính mở, đơn giản và yêu cầu phần cứng ít nhất. Một lợi ích đáng kể khác đó là việc Modbus có sử dụng giao thức truyền tin TCP/IP, giống giao thức sử dụng bởi Internet. Điều này có nghĩa là Modbus có thể dễ dàng sử dụng được qua mạng Internet.
Lựa chọn giao thức sử dụng trong hệ thống BMS
Mỗi giao thức trên đều tuyên bố giao thức của họ là tốt nhất. Mỗi loại đều có ưu nhược điểm riêng tuỳ theo nhu cầu khi thiết kế hệ thống chúng ta cần tham khảo các chun gia, các cơng ty có chun mơn cao và độc lập bên ngồi. Chúng ta có thể tham khảo ưu nhược điểm của cả ba giao thức trong bảng tóm tắt sau từ đó đưa ra quyết định khi lựa chọn sử dụng giao thức nào.
13
Bảng 2.2 So sánh để lựa chọn giao thức phù hợp cho hệ thống BMS
Lịch sử ra đời
BACnet Lonmark Modbus
Lontalk Lonworks
Được phát triển bởi ASHRAE (Hiệp hội kỹ sư nhiệt lạnh và điều hồ khơng khí Hoa Kỳ).
Là giao thức được sở hữu độc quyền Echelon Corporation liên kết với Motorola vào đầu thập niên 1990.
Giao thức Modbus được phát triển bởi Modicon trong những năm 1970.
Đặc điểm
Là một tiêu chuẩn thơng tin giao tiếp khơng độc quyền, có tính mở.
Thiên về vấn đề các thiết bị truyền đạt thơng tin như thế nào, nó lại khơng quan tâm đến nội dung của việc trao đổi thông tin.
Định nghĩa nội dung và cấu trúc của thông tin được trao đổi. Nền tảng Lonworks hỗ trợ một phạm vi rộng các phương tiện trao đổi thông tin.
Modbus bao gồm một cấu trúc thông điệp được thiết kế để thiết lập giao diện chính-phụ (master- slave), chủ-khách (client-master) giữa một phạm vi rộng các thiết bị thông minh.
Một mơ hình hướng đối tượng BACnet (Object- oriented model) bao gồm hai thành phần chính: các đối tượng (objects) và các dịch vụ (services). Giao thức Lontalk thiết lập một bộ quy tắc quản lý việc giao tiếp thông tin trong một mạng các thiết bị cùng hợp tác. Lonworks là một hệ thống điều khiển phân bố vận hành trên nền tảng ngang hàng (peer-to-peer) hoặc là sử dụng cấu hình chính-phụ (master-slave) để trao đổi thơng tin giữa các thiết bị thơng minh. Nó hỗ trợ các giao thức t̀n tự và mạng Ethernet. Điểm mạnh của Modbus là tính mở, đơn giản và yêu cầu phần cứng ít nhất. Một lợi ích đáng kể khác đó là việc Modbus có sử dụng giao thức truyền tin TCP/IP, giống giao thức sử dụng bởi Internet.
Loại thiết bị
Xu hướng phát triển của hệ thống BMS
Khái niệm xây dựng tịa nhà thơng minh đã khơng chỉ mới có trong ngày hơm nay, nó đã tồn tại được một thời gian trước đây. Ý tưởng này được tạo ra như một hệ quả để bảo tồn năng lượng và xây dựng các tòa nhà – cả thương mại và dân cư – là nơi tiết kiệm năng lượng. Điều này là do bảo tồn năng lượng đã trở thành một chủ đề có tầm quan trọng đáng kể đối với nền kinh tế nói chung.
Đối với các tịa nhà thương mại, việc chuyển đổi sang các tòa nhà thông minh là rất quan trọng đối với sự phát triển của tổ chức. Nó sẽ giúp ban quản lý tịa nhà tiết kiệm rất nhiều tiền vì hiệu quả tốt hơn cũng như cải thiện hoạt động chung của tòa nhà.
14
Tổng quan hệ thống quản lý chiếu sáng
Ánh sáng nhân tạo rất cần thiết cho môi trường thị giác trong không gian sống, làm việc hoặc các mục đích chung khác ở những khơng có đủ ánh sáng ban ngày. Trong một số không gian đặc biệt, chẳng hạn như khơng gian để giải trí, ánh sáng là yếu tố cần thiết để tạo ra một mơi trường ấn tượng hoặc năng động. Vì thế hệ thống điều khiển ánh sáng nhanh chóng trở nên thật sự cần thiết.
Mục đích của hệ thống chiếu sáng
Ngồi các mục đích thơng thường, có thể đạt được bằng tay hoặc tự động, một hệ thống chiếu sáng thì cần thiết để đáp ứng những điều sau đây:
Hình 2.6 Hệ thống chiếu sáng của tồ nhà Hình 2.5 Một số hướng phát triển trong tương lai
15 • Thay đổi độ sáng theo yêu cầu bằng hai phương pháp điều khiển tự động
và điều khiển thủ cơng.
• Đáp ứng nhu cầu chức năng và tính linh hoạt của khơng gian. • Tiết kiệm năng lượng.
• Sự thoải mái về thị giác của người nhìn. • Các u cầu, tiêu chuẩn pháp luật. • Tạo ra một môi trường năng động.
Các thành phần cơ bản trong hệ thống chiếu sáng Đèn
Các loại đèn điển hình được sử dụng cho mục đích chung bao gồm đèn sợi đốt, đèn halogen vonfram, đèn huỳnh quang và đèn huỳnh quang compact. Các loại đèn khác có thể kể đến bao gồm đèn để phóng điện cường độ cao (HID), chẳng hạn như đèn thủy ngân cao áp, đèn natri cao áp, đèn halogen kim loại, đèn xenon và đèn cho các mục đích đặc biệt.
Nhưng đáng kể nhất trong các công nghệ chiếu sáng, công nghệ LED là công nghệ chiếu sáng tiên tiến nhất với nhiều ưu điểm vượt trội hơn tất cả.
LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) là các
điốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại. Cũng giống như điốt,
Chấn lưu, chấn lưu điều chỉnh và LED Driver
Chấn lưu là thiết bị cần thiết để kiểm soát điện áp khởi động và vận hành đèn phóng điện, như đèn huỳnh quang, đèn Neon và đèn HID.
16
Bảng 2.3 Hai loại chấn lưu được sử dụng phổ biến hiện nay Chấn lưu Chấn lưu
Chấn lưu điện cảm Chấn lưu điện tử
- Bản chất là một cuộn dây có độ tự cảm lớn, cấu tạo gồm một cuộn dây quấn quanh một lõi sắt.
- Chỉ số nhấp nháy của đèn nếu sử dụng chấn lưu điện cảm là 0.04 và 0.07.
- Chấn lưu điện tử sử dụng linh kiện điện tử, trong mạch chấn lưu điện tử vẫn có cuộn dây nhưng nhỏ hơn rất nhiều.
- Chỉ số nhấp nháy của đèn nếu sử dụng chấn lưu điện tử l4à 0.01.
Hiện nay, các đèn LED thường sử dụng chấn lưu điện tử. Các loại chấn lưu điện tử này còn được gọi là LED Driver. Các đèn LED được thiết kế để sử dụng trong gia đình, có chứa các trình điều khiển nội bộ hơn là các trình điều khiển bên ngồi riêng biệt. Đèn LED thường địi hỏi một trình điều khiển bên ngồi vì nó đơn giản và rẻ hơn để thay thế trình điều khiển hơn là thay thể cả bộ đèn LED, bao gồm đèn cove, downlights, và đèn dây, cũng như một số đèn khác như panel, và đèn chiếu sáng ngồi trời. Những bóng đèn này thường được sử dụng cho mục đích chiếu sáng thương mại, ngồi trời hoặc đường bộ.
Phân loại Led Driver:
Hiện nay, trên thị trường có 5 loại Led Driver:
• Driver sử dụng điện trở để hạ áp dòng led driver xuất hiện sớm nhất và thô sơ nhất. Chỉ có các dịng đèn cực rẻ mới sử dụng loại led driver này. • Led driver dịng sử dụng IC và hệ thống biến thế để điều chỉnh dòng điện;
giúp ổn định dòng điện sao cho phù hợp với hoạt động của chip Led. • Led Driver Dimmable có thể nói là hiện đại nhất và được sử dụng phổ biến.
Bản thân nguồn Led Dimmable có thể thực hiện các cơng việc của các dòng đèn ở trên; bên cạnh đó có cịn có thể thay đổi độ sáng cả ánh đèn.
• Led Driver điện áp không đổi là loại nguồn led hoạt động và biến điện áp 220V; thông thường chuyển thành một giá trị điện áp khơng đổi một chiều. • Led Driver dịng khơng đổi hiểu đơn giản là nguồn Led có cường độ dịng
điện khơng đổi.
17
Dimmer
Dimmer là thiết bị được sử dụng để thay đổi độ sáng của đèn. Dimmer thay đổi cường độ đầu ra ánh sáng của đèn bằng cách giảm hoặc tăng điện áp. Hiện nay, có 4 giao thức khác nhau để điều chỉnh độ sáng của đèn.
1. Điều khiển 0-10V/1-10V Dimming:
Khái niệm: là hệ thống tín hiệu điều khiển chiếu sáng điện tử đầu tiên và đơn giản nhất, bộ điều chỉnh độ sáng 0-10V điện áp thấp sử dụng tín hiệu DC 0-10V, điện áp thấp được kết nối với mỗi nguồn cung cấp đèn LED hoặc chấn lưu huỳnh quang. Tín hiệu 10V truyền từ đường Dim(+) sang đường Dim(-). Khi các dây tín hiệu khơng được kết nối dây với bộ điều chỉnh độ sáng tức là khơng có bộ điều chỉnh độ sáng, tín hiệu ở mức 10V, do đó đầu ra 100% ánh sáng. Ở mức 0V, thiết bị sẽ mờ đến mức ánh sáng tối thiểu được cho phép bởi trình điều khiển mờ và ở mức 10V, thiết bị sẽ hoạt động ở mức 100%. Bộ điều chỉnh độ sáng 0-10V hoạt động theo nguyên lý làm mờ dựa vào tín hiệu tương tự. Trên thực tế cho thấy, hiệu quả khi điều chỉnh với phương án này có cảm giác nhịp nhàng, mượt mà hơn phương án điều chỉnh điện áp trực tiếp.
Phân loại: hiện nay, có hai tiêu chuẩn 0-10V được cơng nhận đó là Current sourcing và Current sinking.
• Current sourcing:
Điều khiển 0-10V thiết kế theo tiêu chuẩn ANSI E1.3, Entertainment Technology - Lighting Control Systems - 0 to 10V Analog Control Specificatio, thường được sử dụng trong hệ thống chiếu sáng sân khấu, bộ điều khiển gửi điện áp đến thiết bị. Các thiết bị điều chỉnh ánh sáng được thiết kế để đáp ứng theo mỗi giá trị điện áp khác nhau hình thành nên các đường cong tuyến tính thể hiện sự thay đổi ánh sáng theo điện áp đầu vào.
18 • Current sinking (đa phần sử dụng cho điều khiển 1-10V):
Điều khiển theo tiêu chuẩn IEC60929 (Annex E).Loại này thường được sử dụng trong chiếu sáng cho các cơng trình. Khi kết nối tín hiệu điều khiển này với trình điều khiển thì trình điều khiển sẽ giảm điện áp điều khiển tuỳ theo nhu cầu của người sử dụng. Nếu như các bộ điều khiển này hư hỏng do đứt dây hoặc khơng được kết nối với tín hiệu điều khiển trên Led driver thì mức độ sáng của đèn là cao nhất.
Thông thường, điện áp điều khiển 10V được điều khiển thông qua một điện trở. Điều khiển đạt được bằng cách kết nối một biến trở giữa cực điện áp điều khiển (Dim +) và mặt đất (Dim -).
Kế đến, nhiều đầu vào điều khiển làm mờ 0-10V có thể được vận hành bằng cách thay thế biến trở điều khiển biến bằng một công tắc điện tử. Khi bật công tắc, điện áp điều khiển gần 0V và ánh sáng mờ hoàn toàn. Khi tắt công tắc, điện áp điều khiển là tối đa và đèn sáng hồn tồn.
Ngồi ra chúng ta có thể sử dụng tín hiệu PWM (điều chế độ rộng xung) để thay đổi điện áp điều khiển. Phương pháp PWM không yêu cầu lựa chọn các giá trị điện trở chính xác chỉ cần kết nối song song vào hai đầu điện áp điều khiển.
19 Hiện nay đã có nhiều sản phẩm tích hợp được cả hệ thống current sourcing và current sinking trong cùng một trình điều khiển. Các sản phẩm của MeanWell là ví dụ điển hình.
Xử lý tín hiệu điện áp điều khiển 0-10V: theo nhà sản xuất hiện nay, có 3 cách để xử lý tín hiệu điện áp điều khiển 0-10V đó là sử dụng biến trở, dùng tín hiệu PWM hoặc cung cấp điện áp từ 0-10V.
a) Phương pháp sử dụng biến trở:
Thơng thường Rc thường có giá trị từ 0-100k Ω là phù hợp nhất để điều chỉnh tín hiệu điện áp điều khiển 0-10V.
Một trong những giải pháp đơn giản và hợp lý nhất để làm mờ với trình điều khiển LED là sử dụng chiết áp Ohm đơn giản 100kΩ. Đây là một điện trở thay đổi dễ dàng gắn giữa hai dây tín hiệu điều khiển điện áp, phương pháp này đỡ tốn kém, tiết kiệm chi phí.
Hình 2.11 Sơ đồ nối dây của phương pháp điều khiển biến trở 100kΩ Hình 2.10 Đặc tuyến cường độ ánh sáng theo điện áp đầu vào