Phùng Văn Chiến - 20173674 93
Phân cấp hệ thống quản lý và điều khiển
Hệ thống BMS có cấu trúc một hệ thống điều khiển phân tán DCS (Distributed Control System). Hệ thống được phân cấp thành 4 cấp :
- Cấp vận quản lý ( Management Level).
- Cấp vận hành và giám sát ( Control Level).
- Cấp điều khiển (Automation Level).
- Cấp trường (Field Level).
a. Cấp trường
Các thiết bị chính của cấp trường gồm:
- Bộ điều khiển thiết bị cấp trường(Terminal Equiment Controller) riêng cho
mỗi hệ thống cơ khí như AHU, FCU, VAV….
- Van điều khiển điều khiển lưu lượng gió, nước.
- Bộ đóng cắt động cơ: động cơ cho các van được điều khiển nhịp nhàng nhờ
có giao tiếp với các bộ điều khiển số.
- Hệ thống cảm biến: cảm biến chênh áp, cảm biến nhiệt độ(gió, trong phịng,
ngồi trời), cảm biến báo cháy, cảm biến độ ẩm.
- Các rơ le đóng cắt, các bộ chuyển đổi đo đếm điện năng.
- Các thiết bị chấp hành.
Các bộ điều khiển ở cấp độ khu vực là các bộ điều khiển số trực tiếp (DCC), cung cấp chức năng điều khiển số trực tiếp cho các thiết bị ở từng khu vực. Các thiết bị trường này được nối với các bộ điều khiển DCC bằng các tính hiệu dạng DI/DO, AI/AO hoặc kết nối với bộ điều khiển mạng đa năng theo các giao thức chuẩn modbus, RS232…Hệ thống phần mềm quản lý năng lượng cũng được tích hợp trong các bộ điều khiển cấp khu vực.
Các bộ điều khiển cấp khu vực sẽ được nối với nhau trên một đường bus, do vậy có thể chia sẻ thơng tin cho nhau và với các bộ điều khiển ở cấp điều khiển hệ thống và cấp điều hành, quản lý.
b. Cấp điều khiển
Cấp điều khiển hệ thống được trang bị các bộ điều khiển card giao tiếp mạng NAE có khả năng lớn hơn so với các bộ điều khiển ở cấp khu vực về số lượng các điểm vào ra, các vịng điều chỉnh và cả các chương trình điều khiển. Các bộ điều khiển hệ thống được tích hợp sẵn các chức năng quản lý, lưu trữ và thường được sử dụng cho các ứng dụng lớn hơn như hệ thống điều hòa trung tâm, hệ thống máy lạnh trung tâm,..
Các bộ điều khiển này trực tiếp giao tiếp với thiết bị điều khiển thông qua các cảm biến và cơ cấu chấp hành hoặc gián tiếp thông qua việc kết nối với các bộ điều khiển cấp khu vực. Các bộ điều khiển hệ thống có thể hoạt động độc lập trong trường hợp bị mất truyền thông với các trạm vận hành.
Phùng Văn Chiến - 20173674 94
Giao tiếp giữa cấp điều khiển hệ thống với cấp quản lý và vận hành thông qua chuẩn Ethernet TCP/IP.
c. Cấp vận hành và giám sát
Các trạm vận hành và giám sát chủ yếu giao tiếp với các nhân viên vận hành. Các trạm vận hành ở cấp độ này chủ yếu là các máy tính PC.
01 bộ máy chủ Server và màn hình cho hệ thống BMS. Trên máy chủ và máy tính vận hành cài đặt chương trình quản lí tịa nhà và các ứng dụng khác. Máy chủ làm nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ các DDC lên hệ thống BMS và chia sẻ dữ liệu với các máy trạm các hệ thống khác.
01 bộ máy tính vận hành và màn hình cho máy trạm của hệ thống BMS. Với các giao diện đồ họa, người vận hành có thể theo dõi và điều khiển các thiết bị của tòa nhà ngay trực tiếp từ phòng điều khiển trung tâm.
Một trạm vận hành thường bao gồm các gói phần mềm ứng dụng sau:
- An toàn hệ thống: Giới hạn quyền truy cập và vận hành đối với từng cá nhân.
- Xâm nhập hệ thống: Cho phép những người có quyền được truy cập và lấy
dữ liệu hệ thống thơng qua máy tính các nhân hoặc các thiết bị lưu trữ khác.
- Định dạng dữ liệu: Lắp ghép các điểm dữ liệu rời rạc vào trong các nhóm
định dạng có quy tắc phục vụ cho việc in ấn và hiện thị.
- Tùy biến các chương trình: người sử dụng có thể tự thiết kế, lập trình các
chương trình riêng tùy theo yêu cầu sử dụng của mình.
- Giao diện: Xây dựng giao diện dựa trên ứng dụng của khách hàng, có sử
dụng các công cụ vẽ đồ thị và bảng biểu.
- Lập báo cáo: Có khả năng lập báo cáo tự động, định kỳ hoặc theo yêu cầu
về các cảnh báo và các sự kiện, hoạt động vận hành. Đồng thời cung cấp các khả năng tóm tắt báo cáo.
- Lập báo cáo: Có khả năng lập báo cáo tự động, định kỳ hoặc theo yêu cầu
về các cảnh báo và các sự kiện, hoạt động vận hành. Đồng thời cung cấp các khả năng tóm tắt báo cáo.
d. Cấp quản lý
Khối này thực ra được cài đặt ngay ở khối vận hành giám sát, chức năng chính là cài đặt kế hoạch làm việc, kết nối vận hành từ xa qua mạng viễn thơng, internet,... Với mục đích đem lại sự thoải mái cho người sử dụng, tiết kiệm năng lượng, giám sát sự vận hành của con người đối với các thiết bị trong tòa nhà. Hiện nay, các phần mềm điều khiển BMS được tích hợp hồn hảo với các thiết bị hỗ trợ khác như: Hệ thống truyền hình hội nghị, điều khiển và giám sát qua mạng, các thiết bị cầm tay PDA,...
Phùng Văn Chiến - 20173674 95
Truyền thông trong BMS
a. Lớp mạng mức quản lý
Mạng này kết nối các thiết bị ở cấp quản lý, mạng thường dùng là mạng Ethenet LAN sử dụng giao thức TCP/IP, sử dụng chuẩn này không những tạo được tốc độ truyền cao mà còn đáp ứng được nhu cầu về khoảng cách truyền mà khơng cần bộ lặp, hồn toàn đáp ứng được yêu cầu thời gian thực của hệ thống BMS. Tốc độ truyền trên mạng đạt 100Mbps.
Tại các máy tính điều khiển, việc quản lý và cấp quyền sử dụng cho người vận hành hệ thống trên các trạm điều khiển sử dụng User Account. Tùy theo quyền sử dụng được cấp, chức vụ của người vận hành mà có các mức độ can thiệp khác nhau vào hệ thống.
b. Lớp mạng mức điều khiển.
Đây là lớp mạng sơ cấp(Primary Network) dùng để kết nối các bộ điều khiển DDC sơ cấp (Primary Control Unit) với nhau, thường sử dụng mạng Ethernet IP hoặc BAC Net/IP sử dụng đường truyền RS485 và giao thức ngang hàng “peer to peer”.
Lớp mạng này có thể có thêm các bộ Gateway để kết nối với các hệ thống phụ khác…, các hệ thống phụ thường sử dụng giao thức BACnet, MobusRTU, Modbus TCP/IP.....
Trong nhiều ứng dụng cụ thể lớp mạng này có thể nối chung với mạng Lớp mạng mức quản lý tạo thành mạng chính tịa nhà, khi đó các bộ DDC được nối với nhau và nối với với máy tính điều khiển (server) của hệ thống BMS.
c. Lớp mạng mức trường.
Đây là mạng thứ cấp (Secondary Network) dùng để kết nối tất cả các bộ điều khiển ứng dụng(secondary control unit), các thiết bị đo lường có khả năng nối mạng. Mạng này sử thường sử dụng các giao thức như BACnet MS/TP, MobusRTU, Modbus TCP/IP.....
Mạng này sử dụng đường truyền RS485 dạng Master/Slaver, các bộ DDC đóng vai trị là các Master điều khiển các bộ điều khiển thứ cấp(Secondary Control Unit). Thiết bị trong hệ thống BMS
Các dạng tín hiệu và giao thức truyền dẫn trong hệ thống BMS
a. Tín hiệu Digital
DI/DO (Digital Input/Output): là các tín hiệu dạng số, thường được biểu diễn bằng chữ số là 0 và 1. Trong đó số 1 biểu hiện cho dạng ON và số 0 biểu hiện cho dạng OFF.
b . Tín hiệu Analog.
AI/AO (Analog Input/Output): là các tín hiệu dạng tương tự, thường là các dạng 0-10V, 4-20mA hoặc 0-20mA.
Phùng Văn Chiến - 20173674 96
UI (Universal Input): là tín hiệu đầu vào đa chức năng, có thể là DI hoặc AI.
c. Các tín hiệu trong hệ thống BMS
Các dạng tín hiệu đo trong hệ thống BMS:
DO DI AO AI
Điều khiển ON/OFF
Trạng thái tự
động/bằng tay Điều khiển tốc độ biến tần
Cảm biến chênh áp đường ống nước Điều khiển van
đóng mở Hiển thị trạng thái ON/OFF Điều khiển độ mở Damper Cảm biến chênh áp đường ống gió Điều khiển tốc độ cao
Báo lỗi Điều khiển độ
mở Damper Flow Water Điều khiển tốc độ trung bình Trạng mở hồn tồn Áp suất tĩnh đường ống nước Điều khiển tốc độ thấp Trạng đóng hồn tồn Phản hồi tần số VSD Trạng thái đóng mở Damper khói Nhiệt độ độ ẩm ngồi trời Mức cao/ thấp Nhiệt độ phịng Trạng thái dịng chảy Cảm biến mức dầu Cơng tắc chênh áp khí Cảm biến nhiệt độ ống gió
Cảm biến khói Cảm biến CO2
Trạng thái Valve Cảm biến CO
Trạng thái Valve Nhiệt độ nước
4.2 Thiết bị trong hệ thống BMS
Hệ thống quản lý tòa nhà được xây dựng trên cơ sở kiến trúc hệ máy chủ- khách. Trong đó các thơng tin cần thiết và hệ thống cơ sở dữ liệu được lưu trữ ở các máy chủ hệ thống. Máy tính khách có cài trình duyệt web sẽ thực hiện chức năng của trạm giám sát hiển thị các dữ liệu lưu trữ. Hệ thống thiết bị trong tòa nhà bao gồm hệ thống máy chủ-khách, hệ thống thiết bị tại cấp trường, cấp điều khiển hệ thống.
Hệ thống thiết bị cấp vận hành-giám sát:
- Máy chủ quản lý hệ thống.
- Máy chủ lưu trữ dữ liệu - Máy chủ quản lý năng lượng - Máy chủ dữ liệu an ninh
Phùng Văn Chiến - 20173674 97
- Các bộ cảm biến, nguồn cung cấp… - Bộ điều khiển số trực tiếp DDC
Hệ thống thiết bị cấp vận hành-giám sát
a. Máy chủ quản lý hệ thống
Máy chủ quản lý hệ thống thực hiện hoạt động của q trình quản lý tồn bộ hệ thống (hiển thị dữ liệu, xử lý thông tin, cảnh báo sự cố, v.v...) tới phần mềm duyệt Web cài đặt tại các máy tính khách. Máy chủ có cấu hình phần cứng tối thiểu gồm CPU 32-bit, bộ nhớ SDRAM 256 MB, hệ điều hành mã nguồn mở Linux. Ổ đĩa cứng 2,5 inch có dung lượng 40 GB. Mạng BACnet quản lý tối đa được 30.000 đối tượng. Một máy chủ có khả năng dự phịng dữ liệu trong vòng 72 giờ.
b. Máy chủ lưu trữ dữ liệu
Máy chủ lưu trữ dữ liệu lưu trữ cơ sở dữ liệu cần thiết cho hệ thống BMS. Máy chủ này quản lý dữ liệu được truyền từ bộ điều khiển tòa nhà cấp cao dưới dạng cơ sở dữ liệu của hệ BMS. Máy chủ lưu trữ dữ liệu sẽ xử lý dữ liệu để hiển thị hoặc in ấn dữ liệu khi cần thiết.
Máy chủ có cấu hình phần cứng tối thiểu gồ m CPU 32-bit, bộ nhớ SDRAM 256 MB, hệ điều hành mã nguồn mở Linux. Ổ đĩa cứng 2,5 inch có dung lượng 40 GB. Mạng BACnet quản lý tối đa được 30.000 đối tượng. Máy chủ có khả năng dự phòng dữ liệu trong vòng 72 giờ
c. Máy chủ quản lý năng lượng
Máy chủ quản lý năng lượng thực hiện lưu trữ cơ sở dữ liệu cần thiết để quản lý năng lượng tiêu thụ.
d. Máy chủ quản lý năng lượng
Máy chủ dữ liệu an ninh lưu trữ cơ sở dữ liệu cần thiết cho mục đích an ninh. Máy chủ lưu trữ có khả năng lưu trữ 1 triệu lượt vào ra.
Thiết bị cấp điều khiển.
Bộ điều khiển định tuyến mạng (Automation Server).
Bộ định tuyến mạng bao gồm 2 tính năng điều khiển và định tuyến mạng. AS định tuyến truyền thông giữa mạng BACnet/IP và mạng cấp trường BACnet MS/TP. Các bộ điều khiển này cũng có thể được sử dụng nhằm giám sát & điều khiển các thiết bị như các ACB, MCCB của hệ thống điện, các bơm hệ thống cấp thốt nước, các quạt hệ thơng gió …
Mỗi bộ điều khiển định tuyến mạng AS sẽ được phân loại như là một thiết bị BACnet gốc, hỗ trợ BACnet Advanced Application Controller (B-AAC) profile. Các bộ điều khiển hỗ trợ profile thấp hơn như B-SA sẽ không được chấp nhận.
Bộ điều khiển định tuyến mạng đáp ứng các tiêu chuẩn sau:
Phùng Văn Chiến - 20173674 98
+ Lonmark Certifired.
+ FFC (47CFR 15, class B (Emission).
+ BACnet BTL (B-AAC).
a. Bộ nhớ.
Hệ điều hành của bộ điều khiển và chương trình ứng dụng được lưu trong vùng nhớ không mất dữ liệu Flash memory.
Bộ điều khiể trung tâm AS có bộ nhớ SDRAM 512M và bộ nhớ FLASH tối thiểu 4GB, trong đó 2GB dùng để lưu lại ứng dụng và dữ liệu và 2GB được dùng để back up.
b. Các cổng truyền thông.
Mỗi bộ định tuyến đều có khả năng truyền thơng với các trạm Workstation và bus trường.
Bộ AS cung cấp 02 cổng RS-485 trong đó 01 cổng có thể cài đặt là Modbus hoặc BACnet MSTP.
Bằng việc sử dụng cơng nghệ cao ¼ Load – RS 485 bộ điều khiển trung tâm AS hỗ trợ lên tới 127 thiết bị trên 1 đường line. Tuy nhiên để đảm bảo tính an tồn và tốc độ xử lý toàn hệ thống. Nhà thầu đã tính tốn và sử dụng số node trên mỗi đường Line không quá 50 % công suất ( Mỗi Line BACnet MSTP nhà thầu sử dụng tối đa 60 node mạng).
Ngồi ra mỗi bộ AS cịn cung cấp 01 cổng LON để dung cho việc tích hợp với các thiết bị điều khiển sử dụng mạng LON work.
Cổng giao tiếp mạng BACnet IP/Ethernet cho phép bộ điều khiển AS cho phép người vận hành có thể lập các chương trình điều khiển rồi truyền tải qua mạng BACnet/IP từ các máy điều khiển trung tâm tới các bộ điều khiển DDC, mạng truyền thông quản lý tòa nhà cho phép truyền tải online các chương trình điều khiển tới các thiết bị điều khiển mà khơng cần phải ngừng các chương trình vận hành điều khiển hay làm gián đoạn các hoạt động của các thiết bị trong tòa nhà.
c. Đồng hồ thời gian thực (RTC)
Mỗi bộ điều khiển trung tâm đều được thiết kế với một pin ở mặt sau, đồng hồ thời gian thực với độ chính xác 10s / ngày. Đồng hồ thời gian thực RTC cung cấp: thời gian trong ngày, ngày, tháng, năm và thứ trong tuần. Hệ thống tự động điều chỉnh nhảy năm và tuân theo năm kiểu 2000.
d. Pin khôi phục dữ liệu
Bộ điều khiển trung tâm bao gồm một pin lithium gắn trên bo mạch để khôi phục bộ nhớ RAM của bộ điều khiển. Pin có thể lưu trữ các khơi phục tồn bộ RAM và các chức năng đồng hồ trong ít nhất 30 ngày. Trong trường hợp lỗi nguồn, đầu tiên bộ điều khiển trung tâm cố gắng khởi động lại từ bộ nhớ của RAM. Nếu bộ nhớ đó bị gián đoạn hoặc khơng sử dụng được, bộ điều khiển trung tâm sẽ khởi động lại từ chương trình ứng dụng lưu trong vùng nhớ FLASH.
Phùng Văn Chiến - 20173674 99 e. Phần mềm điều khiển
Bộ điều khiển có khả năng thực hiện các thuật tốn điều khiển đã được kiểm tra dưới đây:
+ Thuật toán PID: Proportional, Integral plus Derivative Control (PID).
+ PID tự điều chỉnh: Self Tuning PID.
+ Điều khiển 2 vị trí: Two Position Control.
+ Bộ lọc số: Digital Filter.
+ Bộ tính tốn tỉ lệ: Ratio Calculator
Thiết bị cấp trường
a. Bộ điều khiển số trực tiếp (DDC).
Bộ điều khiển số trực tiếp (DDC) có chức năng nhận tín hiệu trực tiếp từ các thiết bị trường như cảm biến nhiệt độ, áp suất… từ đó điều khiển các thiết bị liên quan theo một chương trình được cài đặt sẵn.
- Bộ nhớ:
Cả hệ điều hành của bộ điều khiển, và chương trình ứng dụng của nó sẽ được lưu trong bộ nhớ Flash. Dung lượng bộ nhớ của bộ điều khiển đủ để chứa chương trình ứng dụng, dữ liệu lịch sử yêu cầu và tối thiểu 20% bộ nhớ trống.
- Cổng truyền thơng:
Các DDC có một cổng truyền thông RS 485 cho mạng bus trường BACnet MS/TP, vận hành tối thiểu ở tốc độ 19,2 kbps.
- Input/Output:
Mỗi DDC có đủ số đầu vào, đầu ra để phù hợp với yêu cầu ứng dụng. Các DDC cũng hỗ trợ các đầu vào đa chức năng, bất kỳ đầu vào đều có thể được định nghĩa bằng phần mềm: