Hệ thống tòa nhà thông minh iot cho hiệu quả năng lượng

Lời nói đầu
Ngày nay, sự phát triển của đơ thị hóa ở nhiều nơi trên thế giới, trong đó
có Việt Nam, đã kéo theo sự xuất hiển ngày càng phổ biến của các tòa nhà như
chung cư, tổ hợp văn phòng,…giải quyết được các vấn đề về nơi ở, nơi làm việc,
cung cấp nhiều tiện ích cho người sử dụng. Trong một tịa nhà thường có các hệ
thống phục vụ việc sinh hoạt và làm việc của con người như hệ thống chiếu sáng,
hệ thống điện và nước, HVAC, hệ thống báo cháy&chữa cháy… việc vận hành
và quản lý chúng rất phực tạp và nhiều khó khăn, tuy nhiên với cách mạng công
nghệ 4.0 và các hệ thống tự động hóa, cơng việc này trở lên đơn giản và hiệu quả
hơn. Và các tịa nhà thơng minh (smart building) chính là xu thế hiện nay và
trong tương lai của chúng ta.
Tịa nhà phát triển thì cũng nảy sinh ra nhiều vấn đề, trong đó nổi bật được
các nhà khoa học, các chuyên gia quan tâm nhiều nhất chính là vấn đề tiêu thụ và
lãng phí năng lượng trong các tịa nhà. Để giúp cho việc quản lý và sử dụng năng
lượng trong các tòa nhà được tiết kiệm và hiệu quả hơn có rất nhiều phương pháp
đã được đề xuất và đưa vào ứng dụng, trong đó đó sử dụng IoT kết hợp với các
hệ thống tự động hóa là phổ biến nhất. Dựa vào những gì đã học và tìm hiểu
được trong mơn Hệ thống quản lý tịa nhà thơng minh (IBMS) nhóm chúng em
đã chọn đề tài “IoT for energy efficiency” trong số các đề tài được giao.
Nhóm em xin chân thành cảm ơn thầy TS. Bùi Đăng Thảnh đã góp ý và
hướng dẫn tận tình trong suốt q trình nhóm làm đề tài. Tuy nhiên do trình độ
kiến thức cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi cịn những thiếu sót. Nhóm em
rất mong nhận được sự phê bình và sửa chữa từ thầy để đề tài này hoàn thiện
hơn.
Hà Nội, ngày tháng năm 2022

2


Mục lục
Lời nói đầu ......................................................................................................... 2

Mục lục............................................................................................................... 3
Danh mục hình vẽ .............................................................................................. 5
CHƯƠNG 1. Tổng quan ................................................................................... 7
1.1

1.2

1.3

1.4

Giới thiệu về tịa nhà thơng minh (Smart building) ..................................7
1.1.1

Tịa nhà thơng minh là gì? ......................................................... 7

1.1.2

Các đặc điểm của tồn nhà thơng minh ..................................... 7

1.1.3

Lợi ích của tịa nhà thơng minh ................................................. 8

Hệ thống quản lý tịa nhà thơng minh ....................................................... 9
1.2.1

Cấp điều khiển khu vực - cấp trường: ........................................ 9

1.2.2

Cấp điều khiển hệ thống ............................................................ 9

1.2.3

Cấp vận hành và giám sát ........................................................ 10

1.2.4

Cấp quản lý ............................................................................. 10

Giới thiệu về Internet of things (IoT) ..................................................... 10
1.3.1

Các đặc tính cơ bản của IoT .................................................... 11

1.3.2

Các thành phần của IoT ........................................................... 12

1.3.3

Kiến trúc hệ thống IoT ............................................................ 13

1.3.4

Mơ hình tham chiếu 3 lớp........................................................ 13

1.3.5

Mơ hình tham chiếu 7 lớp........................................................ 14

1.3.6

Ứng dụng của IoT ................................................................... 16

Vấn đề năng lượng trong tòa nhà hiện nay ............................................. 17
1.4.1

Thực trạng ............................................................................... 17

1.4.2

Hướng giải quyết ..................................................................... 18

CHƯƠNG 2. Tổng quan về hệ thống PMS .................................................... 21
2.1

Giới thiệu hệ thống PMS........................................................................ 21

2.2

Cơ sở phát triển của hệ thống PMS ........................................................ 21

2.3

2.2.1

Nền tảng SCADA công nghiệp ................................................ 21

2.2.2

Nền tảng IoT ........................................................................... 22

Tính năng của hệ thống PMS ................................................................. 22
2.3.1

Đo lường & Thu thập dữ liệu .................................................. 22

2.3.2

Giám sát .................................................................................. 22

2.3.3

Cảnh báo ................................................................................. 22
3


2.3.4

Báo cáo & Phân tích ................................................................ 22

2.4

Cấu trúc của hệ thống PMS .................................................................... 23

2.5

Lợi ích của hệ thống PMS ...................................................................... 25

CHƯƠNG 3. Triển khai hệ thống ................................................................... 26
3.1

3.2

Bài toán - Sơ đồ hệ thống....................................................................... 26
3.1.1

Bài toán ................................................................................... 26

3.1.2

Sơ đồ tổng quát ....................................................................... 30

Lưu đồ thuật toán ................................................................................... 30
3.2.1

Hệ thống chiếu sáng ................................................................ 31

3.2.2

Hệ thống cung cấp điện năng................................................... 32

3.2.3

Hệ thống cung cấp nước nóng ................................................. 33

3.2.4

Hệ thống HVAC...................................................................... 34

3.3

Mạng cảm biến và cơ cấu chấp hành ...................................................... 35

3.4

Chọn thiết bị đo ..................................................................................... 37

3.5

3.6

3.4.1

Thiết bị thu tập các giá trị về năng lượng................................. 37

3.4.2

Thiết bị đóng cắt điện .............................................................. 38

3.4.3

Thiết bị điều khiển .................................................................. 39

3.4.4

Thiết bị truyền thông ............................................................... 41

3.4.5

Thiết bị cảm biến..................................................................... 43

Các thiết bị máy tính và phần mềm quản lý trên máy tính ...................... 45
3.5.1

Sử dụng phần mềm Power Manager ........................................ 45

3.5.2

Hệ điều hành IOT mở mindsphere ........................................... 45

Mạng truyền thông trong hệ thống BMS ................................................ 45
3.6.1

Giao thức mạng Ethernet ......................................................... 46

3.6.2

Truyền thông RS-485 .............................................................. 49

CHƯƠNG 4. Phần mềm quản lý năng lượng ................................................. 55
4.1

Power Manager ...................................................................................... 55

4.2

Powerconfig........................................................................................... 57

4.3

Hệ điều hành MindSphere ...................................................................... 58

4.4

Hệ thống PMS Siemens tích hợp hệ điều hành MindSphere ................... 61

CHƯƠNG 5. Kết luận ..................................................................................... 62
5.1

Kết quả .................................................................................................. 62

5.2

Hướng phát triển .................................................................................... 62

Tài liệu tham khảo ........................................................................................... 63
4


Danh mục hình vẽ
Hình 1-1 Smart building ...................................................................................... 7
Hình 1-2 Cấu trúc một BMS ................................................................................ 9
Hình 1-3 Internet of things (IoT) ...................................................................... 11
Hình 1-4 Cấu trúc IoT ....................................................................................... 12
Hình 1-5 Nguyên lý hoạt động cơ bản của IoT .................................................. 13
Hình 1-6 Mơ hình tham chiếu 3 lớp ................................................................... 13
Hình 1-7 Mơ hình tham chiếu 7 lớp ................................................................... 14

Hình 1-8 Một số ứng dụng của IoT .................................................................... 17
Hình 1-9 BMS với cơng nghệ IoT ..................................................................... 19
Hình 1-10 Tổng quan về kết nối ở cấp độ tòa nhà và đám mây trong tịa nhà
thơng minh ........................................................................................................ 19
Hình 1-11 The Edge building ............................................................................ 20
Hình 2-1 Phân lớp của hệ thống PMS ................................................................ 23
Hình 2-2 Các thiết bị phần cứng cho hệ thống PMS........................................... 24
Hình 2-3 Cấu trúc hệ thống PMS của Seimens .................................................. 24
Hình 2-4 Cấu trúc hệ thống PMS của Schneider ................................................ 25
Hình 3-1 Triển khai hệ thống cho các căn hộ và các tầng................................... 26
Hình 3-2 Triển khai hệ thống cho một số hệ thống chung trong tịa nhà ............. 27
Hình 3-3 Sơ đồ tổng quát hệ thống .................................................................... 30
Hình 3-4 Lưu đồ thuật tốn hệ thống chiếu sáng ................................................ 31
Hình 3-5 Lưu đồ thuật toán hệ thống cung cấp đện năng ................................... 32
Hình 3-6 Lưu đồ thuật tốn hệ thống cung cấp nước nóng ................................. 33
Hình 3-7 Lưu đồ thuật tốn hệ thống sưởi ......................................................... 34
Hình 3-8 Lưu đồ thuật tốn hệ thống điều hịa khơng khí .................................. 35
Hình 3-9 Mạng cảm biến và cơ cấu chấp hành được đề xuất.............................. 36
Hình 3-10 Hệ thống kết nối mạng cảm biến ....................................................... 37
Hình 3-11 Thiết bị PAC 4200 ............................................................................ 37
Hình 3-12 Module mở rộng 7KM PAC RS485 .................................................. 38
Hình 3-13 Thiết bị đóng cắt ACB 3P 3WL ........................................................ 38
Hình 3-14 Thiết bị đóng cắt MCCB 3VA .......................................................... 39
Hình 3-15 PLC S7-1200 .................................................................................... 40
Hình 3-16 Module mở rộng SM 1222 ................................................................ 40
Hình 3-17 8-Port Gigabit Easy Smart Switch TP-LINK TL-SG108E ................ 41
Hình 3-18 Router Wifi Chuẩn AC1200 TP-Link Archer C64 Gigabit ................ 42
Hình 3-19 Cảm biến cường độ ánh sáng MAS SENSOR ................................... 43
Hình 3-20 Cảm biến chuyển động Philips Hue Motion Sensor .......................... 44
5

Hình 3-21 Cảm biến chất lượng khơng khí Wifi Tuya SHP-Airbox ................... 44
Hình 3-22 Phần mềm Power manager ................................................................ 45
Hình 3-23 Mơ hình so sánh giữa OSI và TCP/IP ............................................... 46
Hình 3-24 Cấu trúc Protocol .............................................................................. 48
Hình 3-25 Kiểu truyền cân bằng 2 dây............................................................... 49
Hình 3-26 Tín hiệu trên 2 dây của hệ thống cân bằng ........................................ 49
Hình 3-27 Cặp dây xoắn trong RS485 ............................................................... 50
Hình 3-28 Cách xác định áp kiểu chung ............................................................ 50
Hình 3-29 Truyền RS485 khi tham chiếu với đất ............................................... 51
Hình 3-30 Cách đặt điện trở đầu cuối RT trong RS485 và tín hiệu RS485 thu
được tương ứng với 2 giá trị điện trở RT ........................................................... 52
Hình 3-31 Phân cực cho đường truyền RS485 ................................................... 53
Hình 3-32 Nguyên lý và ứng dụng truyền thông RS485 kết nối 32 thiết bị ........ 53
Hình 3-33 Tốc độ baud RS485 truyền trên dây cáp ............................................ 54
Hình 4-1 Giao diện phần mềm Power Manager ................................................. 55
Hình 4-2 Phần mềm Powerconfig ...................................................................... 57
Hình 4-3 Giao diện trên điện thoại..................................................................... 58
Hình 4-4 Hệ điều hành MindSphere .................................................................. 58
Hình 4-5 Khả năng kết nối dữ liệu của MindSpace ............................................ 60

6


CHƯƠNG 1. Tổng quan
1.1 Giới thiệu về tịa nhà thơng minh (Smart building)
Hiện nay, chúng ta đang đạt đến một kỷ ngun mới khi nói đến xây dựng
cơng trình. Các tịa nhà khơng chỉ đơn giản là để cung cấp một không gian ở và
làm việc.

Ngày nay, nhờ sự phát triển của cách mạng công nghệ 4.0, việc sử dụng,
quản lý các tòa nhà trở lên tiện nghi và dễ dàng hơn bao giờ hết như tự động hóa
tịa nhà, giảm thiểu chi phí vận hành, có sự kiểm sốt tồn diện…Với những điều
này thời đại của tịa nhà thơng minh đang mở ra và phát triển ngày một rộng rãi
trên thế giới.
1.1.1 Tịa nhà thơng minh là gì?
Tịa nhà thông minh là sự kết hợp giữa cơ sở hạ tầng và công nghệ chia sẻ
thông tin giữa các hệ thống để tối ưu hiệu suất của tòa nhà. Các tịa nhà thơng
minh có thể sử dụng nhiều loại cơng nghệ hiện có và được thiết kế hoặc trang bị
thêm cho phép tích hợp các phát triển cơng nghệ trong tương lai. Các cảm biến
Internet of Things (IoT), hệ thống quản lý tịa nhà, trí tuệ nhân tạo (AI) và thực tế
tăng cường là một trong số các cơ chế và cơng nghệ robot có thể được sử dụng
trong tịa nhà thơng minh để kiểm sốt và tối ưu hóa hiệu suất của tịa nhà.
Ở cấp độ cơ bản thì hệ thống tịa nhà thơng minh sẽ kiểm sốt và tạo ra
môi trường làm việc tốt hơn, hiệu quả hơn cho con người như ánh sáng tự động,
nhiệt độ, chất lượng khơng khí, an ninh, vệ sinh với mức chi phí thấp hơn so với
các tịa nhà thơng thường.

Hình 1-1 Smart building

1.1.2 Các đặc điểm của tồn nhà thơng minh
Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các tòa nhà thông minh hiện tại
và tương lai sẽ hướng tới các đặc điểm:
- Lấy con người làm trung tâm: các tòa nhà sẽ được thiết kế để hoạt động phục
vụ những người sẽ sử dụng chúng. Khi nhu cầu và mong muốn của con người
liên tục thay đổi, cách chúng ta thiết kế và xây dựng các tịa nhà thơng minh cũng
7


phải thay đổi theo.

- Tính linh hoạt: đã qua rồi cái thời mà các tòa nhà được thiết kế như một cấu
trúc cứng nhắc được xây dựng cho một mục đích cụ thể và khơng thể thay đổi.
Các tịa nhà thơng minh hướng tới các thiết kế với tính linh hoạt. Những cấu trúc
và khơng gian này sẽ có thể thích nghi mà khơng cần sửa đổi tịa nhà đáng kể với
những bức tường có thể di chuyển dễ dàng và các dịch vụ kỹ thuật thiết yếu có
thể dễ dàng thay đổi và kết nối lại theo những cách mới
- Tính vơ hình: các cơng nghệ nên được nhúng vào một tịa nhà một cách liền
mạch. Nó chỉ hoạt động, khơng cần giải thích. Mục tiêu của các tịa nhà thơng
minh là tự quản lý, học hỏi, dự đốn và tự điều chỉnh mà không cần sự can thiệp
của người sử dụng. Nhiệt độ phòng, ánh sáng, sử dụng năng lượng, nước… đều
có thể được điều chỉnh dễ dàng và tự động dựa trên các cảm biến và màn hình.
- Tính bền vững: tác động của biến đổi khí hậu và gia tăng dân số nhanh chóng
đến tài nguyên thiên nhiên của chúng ta đang gây nguy hiểm cho tương lai của
lồi người, làm cho tính bền vững trở thành một trong những ưu tiên hàng đầu
khi thiết kế các tịa nhà thơng minh trong tương lai. Nhờ các cơng nghệ tiên tiến,
các tịa nhà thơng minh có thể tồn tại ngoài lưới điện và phát triển các hệ sinh
thái tự duy trì, cho phép nó sản xuất năng lượng và thu thập và xử lý nước tại
chỗ.
- Khả năng học tập: các tịa nhà thơng minh sẽ khơng chỉ được thiết kế cho chúng
ta, chúng sẽ biết đến chúng ta. Mọi cảm biến, tự động hóa và màn hình được lắp
đặt trong các tịa nhà này sẽ được tích hợp vào một hệ thống quản lý tịa nhà
chính có thể nắm bắt mọi chuyển động trong tịa nhà và cho phép tòa nhà tự động
sửa đổi cài đặt và liên tục tự điều chỉnh.
1.1.3 Lợi ích của tịa nhà thơng minh
Tịa nhà thơng minh sẽ đem lại nhiều lợi ích cho chủ sở hữu và người sử
dụng nhờ các cơng nghệ được tích hợp trong nó.
- Tiết kiệm nguồn năng lượng: các hệ thống trong tịa nhà thơng minh sẽ dựa vào
dữ liệu thu được từ cảm biến để tự động điều chỉnh cho phù hợp thông qua phần
mềm từ đó tối ưu được chi phí năng lượng rất nhiều, tránh được sự lãng phí.
- Tăng năng suất: các tịa nhà thơng minh đã được thiết kế đặc biệt để mang lại

trải nghiệm thoải mái hơn cho cư dân. Họ có thể nâng cao các tiêu chuẩn và đảm
bảo rằng các cân nhắc về sức khỏe và an toàn đang được đáp ứng, cũng như đảm
bảo rằng điều này được thực hiện theo cách hiệu quả về chi phí. Các tịa nhà
thơng minh cũng làm cho mọi người làm việc hiệu quả hơn bằng cách liên tục
giám sát việc sử dụng và điều chỉnh các hệ thống của tịa nhà để đảm bảo rằng cư
dân có các tiện nghi mà họ cần.
- Dễ dàng trong việc quản lý: tất cả các thiết bị thông minh, cảm biến được kết
nối với nhau và hoạt động thông qua một máy chủ đặt tại tịa nhà. Điều đó có
nghĩa, các cảm biến từ xa sẽ được tích hợp dữ liệu vào máy chủ và hệ thống điều
khiển. Sau đó, tín hiệu sẽ được gửi đi, từ đây người quản lý sẽ theo dõi được các

8


lỗi phát sinh nếu có, phân tích và điều chỉnh quy trình khi cần thiết để tịa nhà
vận hành hiệu quả.
- Dự đốn bảo trì: tịa nhà thơng minh cho phép dự đốn bảo trì, giúp việc thay
thế đơn giản hơn. Các cảm biến có thể phát hiện hiệu suất tịa nhà và kích hoạt
các quy trình bảo trì trước khi cảnh báo được kích hoạt nên việc thực hiện bảo trì
vào đúng thời điểm sẽ dễ dàng hơn nhiều, tránh thiệt hại khi có thiết bị điện bị
hỏng khi đang sử dụng.
1.2 Hệ thống quản lý tịa nhà thơng minh
Hệ thống quản lý tòa nhà (Building Management System - BMS) hay hệ
thống tự động hóa tịa nhà (Building Automation System - BAS) phần lớn được
sử dụng thay thế cho nhau. Cả 2 thuật ngữ đều đề cập đến một hệ thống sử dụng
các cảm biến (sensor), các thiết bị điều khiển (controller) và các thiết bị chấp
hành (actuator) nhằm mục đích quản lý, giám sát và điều khiển tự động các thiết
bị cơ và điện của toà nhà như hệ thống chiếu sáng, HVAC, hệ thống điện…

Hình 1-2 Cấu trúc một BMS

BMS/BAS cơ bản được chia thành 4 cấp.
1.2.1 Cấp điều khiển khu vực - cấp trường:
Các bộ điều khiển ở cấp độ khu vực là các bộ điều khiển sử dụng bộ vi xử
lý, cung cấp chức năng điều khiển số trực tiếp cho các thiết bị ở từng khu vực,
bao gồm các hệ thống như: các bộ VAV, bơm nhiệt, các bộ điều hịa khơng khí
cục bộ, ...Hệ thống phần mềm quản lý năng lượng cũng được tích hợp trong các
bộ điều khiển cấp khu vực.Ở cấp khu vực, các cảm biến và cơ cấu chấp hành
giao diện trực tiếp với các thiết bị được điều khiển.Các bộ điều khiển cấp khu
vực sẽ được nối với nhau trên một đường bus, do vậy có thể chia sẻ thông tin cho
nhau và với các bộ điều khiển ở cấp điều khiển hệ thống và cấp điều hành.
1.2.2 Cấp điều khiển hệ thống
Các bộ điều khiển hệ thống có khả năng lớn hơn so với các bộ điều khiển
ở cấp khu vực về số lượng các điểm vào ra, các vòng điều chỉnh và cả các
9


chương trình điều khiển. Các bộ điều khiển hệ thống thường được áp 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 cũng có thể thực hiện chức năng điều khiển chiếu
sáng. 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.
1.2.3 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 có màn hình
hiển thị mầu. 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 cơng 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.
- Quản lý việc bảo trì bảo dưỡng: Tự động lập kế hoặch và tạo ra các thứ tự công
việc cho các thiết bị cần bảo trì dựa trên lịch sử thời gian làm việc hoặc kế hoặch
theo niên lịch.
- Tích hợp hệ thống: Cung cấp giao diện và điều khiển chung cho các hệ thống
con (HVAC, báo cháy, an toàn, giám sát truy nhập,...) và cung cấp khả năng tổng
hợp thông tin từ các hệ thống con để từ đó đưa ra các tác động có tính tồn cục
trong hệ thống.
1.2.4 Cấp quản lý
Cấp quản lý là cấp trên cùng của cấu trúc hệ thống BMS.Một người vận
hành ở cấp độ này có thể lấy dữ liệu và ra lệnh cho bất cứ điểm nào trong hệ
thống. Toàn bộ chức năng của cấp điều hành trong một số trường hơp khẩn cấp
có thể chuyển về cấp quản lý. Chức năng chính của cấp quản lý là thu thập, lưu
trữ và xử lý dữ liệu lịch sử như năng lượng sử dụng, chi phí vận hành và các cảnh
báo và tạo ra các báo cáo để cung cấp các cơng cụ cho q trình quản lý và việc
sử dụng thiết bị lâu dài.
1.3 Giới thiệu về Internet of things (IoT)

10

Thuật ngữ ” Internet of things”(IoT) đang ngày càng phổ biến và thu hút
được rất nhiều sự quan tâm. Sự bùng nổ của IoT sẽ có tác động mạnh mẽ tới cuộc
sống, cơng việc và xã hội lồi người. Thực tế thì IoT đã xuất hiện từ nhiều thập
kỷ trước. Tuy nhiên mãi đến những năm 1999 cụm từ IoT mới được đưa ra bởi
Kevin Ashton, một nhà khoa học đã sáng lập ra Trung tâm Auto-ID ở đại học
MI, nơi thiết lập các quy chuẩn toàn cầu cho RFID (một phương thức giao tiếp
khơng dây dùng sóng radio) cũng như một số loại cảm biến khác.
Năm 2000 – 2013, IoT được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi vào các lĩnh
vực đời sống như đồ gia dụng, thiết bị chăm sóc sức khỏe. Một số sản phẩm tiêu
biểu như: Fibit – đồng hồ theo dõi sức khỏe, máy tạo nhịp tim không dây, dịch
vụ vận chuyển hàng không,… Năm 2014, số lượng thiết bị di động và máy móc
kết nối với internet vượt dân số thế giới lúc bấy giờ.
Và cuối cùng đến năm 2015, các mơ hình robot IoT, trang trại IoT, tịa nhà
IoT…được cơng bố và đưa vào ứng dụng cũng như phát triển cho đến ngày nay.
Vậy IoT là gì ? Internet of things (IoT) là mạng kết nối các đồ vật và thiết
bị thông qua cảm biến, phần mềm và các công nghệ khác, cho phép các đồ vật và
thiết bị thu thập và trao đổi dữ liệu với nhau.

Hình 1-3 Internet of things (IoT)

1.3.1 Các đặc tính cơ bản của IoT
Một hệ thống IoT sẽ bao gồm các đặc trưng như sau:
- Tính kết nối liên thơng(interconnectivity): với IoT, bất cứ điều gì cũng có thể
kết nối với nhau thông qua mạng lưới thông tin và cơ sở hạ tầng liên lạc tổng thể.
- Những dịch vụ liên quan đến “Things”: hệ thống IoT có khả năng cung cấp các
dịch vụ liên quan đến “Things”, chẳng hạn như bảo vệ sự riêng tư và nhất quán
giữa Physical Thing và Virtual Thing. Để cung cấp được dịch vụ này, cả công
nghệ phần cứng và công nghệ thơng tin(phần mềm) sẽ phải thay đổi.
- Tính khơng đồng nhất: Các thiết bị trong IoT là không đồng nhất vì nó có phần

cứng khác nhau, và network khác nhau. Các thiết bị giữa các network có thể
tương tác với nhau nhờ vào sự liên kết của các network.
11


- Thay đổi linh hoạt: Status của các thiết bị tự động thay đổi, ví dụ, ngủ và thức
dậy, kết nối hoặc bị ngắt, vị trí thiết bị đã thay đổi,và tốc độ đã thay đổi… Hơn
nữa, số lượng thiết bị có thể tự động thay đổi.
- Quy mơ lớn: Sẽ có một số lượng rất lớn các thiết bị được quản lý và giao tiếp
với nhau. Số lượng này lớn hơn nhiều so với số lượng máy tính kết nối Internet
hiện nay. Số lượng các thông tin được truyền bởi thiết bị sẽ lớn hơn nhiều so với
được truyền bởi con người.
1.3.2 Các thành phần của IoT
Với một hệ thống IoT chúng sẽ bao gồm 4 thành phần chính đó là thiết bị
hay cịn gọi là (Things), tram kết nối hay cổng kết nối (Gateways), hạ tầng mạng
hay các điện toán đám mây (Network and Cloud) và bộ phân tích và xử lý dữ liệu
(Services-creation and Solution Layers).

Hình 1-4 Cấu trúc IoT

- Vạn vật: Các thiết bị được kết nối trực tiếp thông qua băng tầng mạng không
dây và truy cập vào internet.
- Trạm kết nối: đóng vai trị là một trung gian trực tiếp, cho phép các vật dụng
kết nối với điện toán đám mây một cách bảo mật và dễ dàng quản lý
- Hạ tầng mạng và điện toán đám mây:
+ Cơ sở hạ tầng kết nối: gồm các thiết bị định tuyến, trạm kết nối, thiết bị
tổng hợp… thiết bị có thể kiểm sốt lưu lượng dữ liệu
+ Trung tâm dữ liệu/ hạ tầng điện toán đám mây: hệ thống lớn các máy
chủ, hệ thống lưu trữ và mạng ảo hóa được kết nối
- Các lớp tạo và cung câp dịch vụ: đưa các sản phẩm và giải pháp IoT ra thị

trường và tận dụng hết giá trị của phân tích dữ liệu từ hệ thống có sẵn.

12


Hình 1-5 Nguyên lý hoạt động cơ bản của IoT

1.3.3 Kiến trúc hệ thống IoT
Trong một hệ thống IoT, dữ liệu được tạo ra bởi nhiều loại thiết bị, được
xử lý theo những cách khác nhau, được truyền tới các vị trí khác nhau và được
các ứng dụng tác động. Mơ hình tham chiếu IoT được đề xuất bao gồm nhiều
lớp. Mỗi lớp được xác định với thuật ngữ có thể được tiêu chuẩn hóa để tạo ra
một khung được chấp nhận trên tồn cầu như một mơ hình tham chiếu.
Mơ hình kiến trúc IoT đóng vai trị quan trọng để có tư duy thiết kế một
ứng dụng IoT trong thực tiễn. Tùy vào quy mô hệ thống mà mô hình kiến trúc có
thể từ 3 lớp đến nhiều lớp.
1.3.4

Mơ hình tham chiếu 3 lớp

Hình 1-6 Mơ hình tham chiếu 3 lớp

- Lớp thiết bị: lớp này bao gồm các cảm biến, thiết bị chấp hành và các bộ điều
khiển như vi xử lý/vi điều khiển, PLC, FPGA đến các máy tính nhúng. Lớp thiết
bị thực hiện đo lường và thu thập dữ liệu các đại lượng vật lý thông qua các cảm
biến, điều khiển các thiết bị chấp hành và có thể truyền và nhận dữ liệu từ các
thiết bị khác qua mạng.
13

- Lớp mạng: chức năng lớp mạng xác định các giao thức truyền thông khác nhau
được sử dụng cho việc kết nối mạng và thực hiện điện toán biên. Lớp mạng bao
gồm các thiết bị liên kết mạng như Hub, Switch, Router; các thiết bị chuyển đổi
giao thức mạng như Gateways; đến các thiết bị có khả năng lưu trữ, xử lý cục bộ
trước khi gửi dữ liệu lên Server trung tâm. Các “Things” ở lớp thiết bị được kết
nối với thiết bị Gateway ở lớp mạng thông qua các mạng cục bộ như Wifi,
Zigbee, Bluetooth, LoRaWAN … đến các mạng có dây như CAN, Modbus,
Profibus, RS485, Ethernet,…. Sau đó, thiết bị ở lớp mạng thực hiện xử lý và gửi
lên trung tâm dữ liệu qua mạng toàn cầu như Internet, 3G/4G/LTE, GSM.
- Lớp ứng dụng: đây là trung tâm lưu trữ dữ liệu hay đám mây điện tử. Lớp này
thực hiện thu nhận dữ liệu từ lớp mạng, lưu trữ, xử lý dữ liệu và ra quyết định
dựa trên các thuật tốn AI/ML hoặc các cơng cụ phân tích dữ liệu hiện đại.
1.3.5

Mơ hình tham chiếu 7 lớp

Hình 1-7 Mơ hình tham chiếu 7 lớp

- Lớp 1 - Thiết bị vật lý và bộ điều khiển: lớp này bao gồm các thiết bị vật lý và
các bộ điều khiển để điều khiển nhiều thiết bị. Đây là “Thing” trong IoT, và
chúng bao gồm một loạt các thiết bị đầu cuối gửi và nhận thôn tin. Các thiết bị ở
lớp này cũng rất đa dạng và khơng có quy tắc nào về kích thước, vị trí hoặc
nguồn gốc. Một số thiết bị sẽ có kích thước nhỏ như một con chíp bán dẫn, số
khác sẽ lớn như các phương tiện giao thơng. Mơ hình tham chiếu IoT mơ tả các
mức độ xử lý cho thiết bị ở lớp 1 như sau:
+ Khả năng chuyển đổi tương tự sang số theo yêu cầu.
+ Khả năng tạo dữ liệu hay thu thập dữ liệu.
+ Được truy vấn và điều khiển qua mạng.
- Lớp 2 - Khả năng kết nối: giao tiếp và khả năng kết nối được tập trung ở lớp 2
của mơ hình tham chiếu IoT. Chức năng quan trọng nhất của lớp này là tuyền tải

thông tin đáng tin cậy và kịp thời giữa các thiết bị lớp 1, giữa thiết bị lớp 1 với
14


thiết bị mạng lớp 2 và giữa các thiết bị lớp 2 với thiết bị lớp 3. Các khả năng kết
nối mạng bao gồm:
+ Giao tiếp giữa các thiết bị lớp 1.
+ Truyền tải dữ liệu đáng tin cậy trên mạng.
+ Thực thi trên các giao thức khác nhau.
+ Chuyển mạch và định tuyến.
+ Chuyển đổi giữa các giao thức mạng.
+ Bảo mật ở lớp mạng.
+ Phân tích mạng.
- Lớp 3 - Điện toán biên: chức năng của lớp 3 được thúc đẩy bởi nhu cầu chuyển
đổi luồng dữ liệu mạng thành thông tin phù hợp để lưu trữ và xử lý ở lớp 4 (lớp
tích lũy dữ liệu). Điều này có nghĩa là các hoạt động ở lớp 3 tập trung vào phân
tích và chuyển đổi dữ liệu dung lượng lớn. Việc xử lý dữ liệu ở lớp 3 bao gồm:
+ Đánh giá dữ liệu
+ Định dạng dữ liệu để xử lý lớp cao hơn nhất quán.
+ Mở rộng/giải mã: Xử lý dữ liệu khó hiểu với ngữ cảnh bổ sung.
+ Giảm hoặc tóm tắt dữ liệu để tối thiểu hóa và lưu lượng truy cập vào
mạng.
+ Thẩm định/kiểm tra: xác định xem dữ liệu đại diện cho một ngưỡng
hoặc cảnh báo.
- Lớp 4 - Tích lũy dữ liệu: hệ thống mạng được xây dựng để truyền tải dữ liệu
một cách đáng tin cậy. Ở lớp này, dữ liệu đang chuyển động được chuyển đổi
sang trạng thái nghỉ. Lớp 4 xác định:
+ Nếu dữ liệu được quan tâm ở lớp cao hơn: việc xử lý dữ liệu ở lớp 4 là
lớp đầu tiên nó được cấu hình để phục vụ nhu cầu cụ thể ở lớp cao hơn.
+ Nếu dữ liệu phải được duy trì: nên lưu dữ liệu trong ổ đĩa hoặc được

tích lũy trong bộ nhớ để sử dụng trong ngắn hạn.
+ Nếu dữ liệu được tổ chức hợp lý: dữ liệu có được tổ chức thích hợp cho
hệ thống lưu trữ không?
+ Nếu dữ liệu phải được kết hợp lại hoặc tính tốn lại: Dữ liệu có thể được
kết hợp, tính tốn lại hoặc tổng hợp với thơng tin được lưu trữ trước đó.
- Lớp 5 - Trừu tượng hóa: các hệ thống IoT sẽ cần mở rộng quy mô đến cấp công
ty - hoặc thậm chí tồn cầu - và sẽ u cầu nhiều hệ thống lưu trữ để cung cấp dữ
liệu thiết bị IoT. Các chức năng trừu tượng hóa dữ liệu của lớp 5 tập trung vào
việc hiển thị dữ liệu và lưu trữ dữ liệu theo những cách cho phép phát triển các
ứng dụng đơn giản hơn, nâng cao hiệu suất. Mức trừu tượng hóa dữ liệu phải xử
lý nhiều việc khác nhau, bao gồm:
+ Đối chiếu nhiều định dạng dữ liệu từ các nguồn khác nhau
+ Đảm bảo ngữ nghĩa nhất quán của dữ liệu giữa các nguồn
+ Xác nhận rằng dữ liệu đã hoàn tất cho ứng dụng cấp cao hơn
15


+ Hợp nhất dữ liệu vào một nơi hoặc cung cấp quyền truy cập.
+ Bảo vệ dữ liệu với xác thực và phân quyền thích hợp.
+ Chuẩn hóa hoặc khơng chuẩn hóa và lập chỉ mục dữ liệu để cung cấp
quyền truy cập ứng dụng nhanh chóng.
- Lớp 6 - Ứng dụng: lớp 6 là lớp ứng dụng, nơi diễn giải thơng tin. Mơ hình tham
chiếu IoT khơng cần xác định chính xác một ứng dụng cụ thể. Các ứng dụng thay
đổi theo thị trường, và nhu cầu kinh doanh. Các ứng dụng bao gồm:
+ Các ứng dụng kinh doanh chẳng hạn như ERP.
+ Các ứng dụng di động xử lý các tương tác đơn giản.
+ Các báo cáo kinh doanh thơng minh, trong đó ứng dụng là máy chủ BI.
+ Các ứng dụng phân tích dữ liệu cho các quyết định kinh doanh.
+ Các ứng dụng trung tâm điều khiển/ quản lý hệ thống mà điều khiển
chính hệ thống IoT và khơng tác động lên dữ liệu do nó sản xuất ra.

- Lớp 7 - Hợp tác và quy trình: một trong những điểm khác biệt chính của IoT đó
là IoT bao gồm con người và các quy trình. Hệ thống IoT và thơng tin nó tạo ra
có giá trị rất ít trừ khi nó mang lại các hành động, điều này thường địi hỏi con
người và quy trình. Mọi người sử dụng các ứng dụng và dữ liệu liên quan cho các
nhu cầu cụ thể.
1.3.6 Ứng dụng của IoT
Có thể nói IoT có mặt trong hầu hết các lĩnh vực đời sống của chúng ta hiện nay
từ văn hóa, du lịch, giáo dục, y học, truyền thơng,…Tất cả các lĩnh vực trên đều
được ứng dụng từ các thành tựu của IoT cả. Bên cạnh đó thì cịn có nhiều ứng
dụng khác nổi bật như:
+ Quản lý môi trường.
+ Quản lý hệ thống máy móc
+ Hệ thống mua sắm trực tuyến
+ Hệ thống kiểm sốt an ninh
+ Tịa nhà thơng minh
+ Ứng dụng quản lý tồn bộ thiết bị cá nhân thông qua việc động bộ…

16


Hình 1-8 Một số ứng dụng của IoT

1.4 Vấn đề năng lượng trong tòa nhà hiện nay
1.4.1 Thực trạng
Các tòa nhà trong đó có các tịa nhà thơng minh đại diện cho một trong
những lĩnh vực tiêu thụ năng lượng cao nhất trên thế giới. Theo nghiên cứu của
đại học MIT, lượng điện tiêu thụ của các tòa nhà chiếm từ 30% - 40% tổng lượng
điện tiêu thụ toàn thế giới. Đáng nói, 30% trong số lượng điện đó lại đang bị lãng
phí. Số liệu được cơng bố trên Business Insider cho thấy, lượng điện các tòa nhà
cao ốc trên thế giới lãng phí tới 200 tỷ USD mỗi năm. Trong 20 năm qua, nhu

cầu sử dụng điện tại các tòa nhà cao tầng trên thế giới đã tăng gấp 5 lần. Tại các
tịa nhà văn phịng, chi phí năng lượng là một trong những chi phí tốn kém nhất.
Hệ thống điều hịa chiếm tới 33% tổng chi phí năng lượng.
Ngoài ra, số lượng người sống tại các thành phố đang ngày càng tăng.
Liên Hợp Quốc dự đoán rằng đến năm 2022, khoảng 56% dân số thế giới sẽ trở
thành cư dân thành thị và đến năm 2050 con số này sẽ tăng lên 68%, kéo theo đó
là sự ra tăng ngày càng nhiều tòa nhà đặc biệt là tòa nhà thông minh và mức độ
tiêu thụ năng lượng sẽ ngày càng tăng
Chính vì thế việc đảm bảo sử dụng năng lượng một cách hiệu quả, tiết
kiệm cũng như giảm bớt lượng khí thải carbon dioxide là vấn đề cấp thiết, là mục
tiêu chính được các nhà nghiên cứu đa ngành ưu tiên cao trong các lĩnh vực xây
dựng công trình và chính sách năng lượng. Các hành động quốc tế nhằm nâng
cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong các tịa nhà đã được đề xuất. Ví dụ: từ Ủy
17


ban Châu Âu, bản diễn lại Chỉ thị về “Energy Performance of Buildings”
(2010/31 / EU) đã được ban hành cách đây vài năm. Chỉ thị này đề xuất việc áp
dụng các biện pháp để cải thiện hiệu suất của các thiết bị đặt trong các tòa nhà,
bao gồm hệ thống chiếu sáng và, đặc biệt là nồi hơi và hệ thống thơng gió,…
nhằm giảm mức tiêu thụ năng lượng liên quan của chúng. Theo một nghiên cứu
của Hội đồng Kinh tế Hiệu quả Năng lượng Hoa Kỳ (ACEEE), các tòa nhà có thể
tiết kiệm tới 60 tỷ USD nếu đầu tư vào hiệu quả năng lượng chỉ tăng 1-4%.
1.4.2 Hướng giải quyết
Để có thể giảm lượng năng lượng tiêu thụ bằng cách nâng cao hiệu quả
của các hệ thống cung cấp, một bước quan trọng là phân tích cách thức năng
lượng hiện đang được tiêu thụ trong các tòa nhà. Có nhiều cách tiếp cận khác
nhau đã giải quyết vấn đề hiệu quả năng lượng của các tòa nhà bằng cách sử
dụng mơ hình dự báo về mức tiêu thụ năng lượng dựa trên hồ sơ sử dụng, dữ liệu
khí hậu và đặc điểm của tòa nhà. Mặt khác, các nghiên cứu về tác động của việc

hiển thị thông tin công cộng đối với người cư ngụ được chỉ ra là hữu ích để sửa
đổi hành vi cá nhân của họ nhằm tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, hầu hết các
cách tiếp cận được đề xuất cho đến nay chỉ cung cấp các giải pháp một phần cho
vấn đề tổng thể về hiệu quả năng lượng trong các tòa nhà, trong đó các yếu tố
khác nhau có liên quan một cách tổng thể, nhưng cho đến nay vẫn được giải
quyết một cách riêng lẻ hoặc thậm chí bị bỏ qua bởi các đề xuất trước đó. Sự
phân chia này thường do sự không chắc chắn và thiếu dữ liệu cũng như đầu vào
trong các quy trình quản lý, do đó việc phân tích năng lượng trong các tịa nhà
được tiêu thụ như thế nào là khơng đầy đủ. Nói cách khác, cần có một tầm nhìn
tổng thể hơn để cung cấp các mơ hình chính xác về năng lượng tiêu thụ trong các
tịa nhà. Do đó, thiếu các phân tích để chỉ ra các bước cần thiết để tìm ra giải
pháp sử dụng năng lượng hiệu quả trong các tòa nhà.
Trong bối cảnh này, việc tích hợp và phát triển các hệ thống dựa trên
Công nghệ Thông tin và Truyền thông (ICT) và cụ thể hơn là Internet of Things
(IoT), là những động lực quan trọng cho phép một loạt các ứng dụng, cho phép
tịa nhà thơng minh có thể sử dụng hiệu quả và tiết kiệm năng lượng. Với các
công cụ của IoT như công nghệ đám mây và cảm biến khơng dây, các tịa nhà
thơng minh có thể tiến hành đo lường và thu thập dữ liệu từ tất cả các hệ thống
của tòa nhà tự động và từ xa. Thơng tin này có thể được lưu trữ và truy cập để
theo dõi mức tiêu thụ năng lượng từ đó điều chỉnh hành vi của người sử dụng.
Hiệu quả năng lượng là động lực hàng đầu cho việc triển khai BMS và các
cơng nghệ IoT có thể giúp bạn thực hiện điều đó. Cho đến gần đây, các thiết bị
như HVAC thường được quy định theo kiểu thống nhất, được xác định trước,
gây ra các vấn đề lãng phí như q nóng hoặc q nóng trên tồn bộ tài
sản. Trong bối cảnh này, các đầu vào cảm biến IoT dạng chi tiết, thời gian thực
cho phép điều khiển thiết bị vi khu vực theo yêu cầu để đạt được hiệu quả năng
lượng cao hơn.
Hơn nữa, tận dụng dữ liệu về công suất sử dụng, các nhà quản lý tịa nhà
cũng có thể tiết lộ các xu hướng quan trọng trong HVAC và nhu cầu chiếu sáng
18

để tối ưu hóa lịch trình bật/tắt thiết bị. Ví dụ: bạn có thể nhận ra rằng hệ thống
HVAC và hệ thống chiếu sáng của bạn được thiết lập để hoạt động đến 8 giờ tối,
nhưng người thuê nhà không ở lại muộn hơn 7 giờ tối. Với những điều chỉnh phù
hợp, bạn có thể tiết kiệm đáng kể hóa đơn điện nước bằng cách cắt giảm một giờ
sử dụng năng lượng hàng ngày.

Hình 1-9 BMS với cơng nghệ IoT

Hình 1-10 Tổng quan về kết nối ở cấp độ tòa nhà và đám mây trong tịa nhà thơng minh

Một vài ví dụ về việc IoT đã giúp các tịa nhà sử dụng hiệu quả và tiết
kiệm năng lượng
19


Ví dụ 1: Tịa nhà The Edge ở Amsterdam, Hà Lan là một ví dụ điển hình về cách
thức cơng nghệ thơng minh giúp cắt giảm chi phí và tăng năng suất trong các tòa
nhà. Tòa nhà văn phòng rộng 40.000 m2 này được trang bị khoảng 28.000 cảm
biến với cơng nghệ IoT cho phép hệ thống quản lý tịa nhà (BMS) thu thập thông
tin về các thông số quan trọng như độ ẩm, ánh sáng và nhiệt độ để dựa vào đó tự
động kích hoạt và điều chỉnh các hoạt động của tòa nhà, đảm bảo rằng hệ thống
sưởi, thơng gió và điều hịa khơng khí (HVAC), ánh sáng và các hệ thống khác
luôn hoạt động hiệu quả nhất có thể. Nhờ vậy, The Edge tiêu thụ ít điện hơn 70%
so với các tịa nhà văn phịng thơng thường, khiến nó trở thành một trong những
cấu trúc thơng minh và tiết kiệm năng lượng nhất trên thế giới.

Hình 1-11 The Edge building

Ví dụ 2: Các thiết bị chiếu sáng sẽ dựa vào cảm biến ánh sáng để tự động điều
chỉnh bật/tắt cho phù hợp thông qua phần mềm, tối ưu được chi phí năng lượng
rất nhiều, tránh được sự lãng phí. Một tịa có Smart Building tại Ấn Độ khi được
ứng dụng công nghệ IoT đã tiết kiệm 645,000 USD mỗi năm, một con số đáng
kể.

20


CHƯƠNG 2. Tổng quan về hệ thống PMS
2.1 Giới thiệu hệ thống PMS
Hệ thống PMS (Power Managerment System) là hệ hệ thống Đo lường –
Giám sát – Quản lý nguồn điện được lắp đặt trong nhà máy, tòa nhà, các khu
cơng nghiệp…nhằm mục đích khai thác và sử dụng năng lượng một cách hiệu
quả nhất. Hệ thống quản lý năng lượng này mang đến các giá trị: Hiệu quả Efficency, Mở rộng - Scability, Đổi mới - Inovation, Không hạn chế - Openness.
Hệ thống có khả năng triển khai trực tiếp vào đường dây tải điện hiện có,
cho phép vận hành hệ thống điện một cách đồng bộ, tự động với chi phí đầu tư
thấp và khả năng mở rộng không giới hạn.
Sử dụng công nghệ truyền thông tiên tiến giúp thông tin từ các phần tử
thiết bị điện trên hệ thống được truyền về máy tính trung tâm một cách dễ dàng
và tự động, dữ liệu được lưu vào cơ sở dữ liệu trên đám mây giúp cho việc giám
sát và quản lý dễ dàng, hiệu quả hơn, giảm chi phí nhân cơng và gia tăng độ tin
cậy. Đồng thời các thiết bị trên hệ thống nhận lệnh điều khiển từ máy tính trung
tâm, thực hiện các thao tác đóng cắt, tăng giảm lượng điện tiêu thụ một cách tự
động, giúp hệ thống trở nên linh hoạt và tiện dụng.
Tất cả các công việc trên được xử lý trên phần mềm cài đặt tại máy tính
trung tâm với giao diện trực quan, đơn giản, dễ sử dụng, hỗ trợ quản lý vận hành
và truy xuất dữ liệu một cách nhanh chóng thuận lợi. Hệ thống cũng hỗ trợ quản
lý qua hệ thống SMS với số máy điều khiển cài đặt trước.
Hệ thống PMS nói chung đã được nhiều cơng ty lớn nghiên cứu phát triển

và áp dụng vào các nhà máy, tịa nhà, siêu thị, hay khu cơng nghiệp tùy theo nhu
cấp của khách hàng. Mỗi cơng ty có hướng phát triển và triể khai khác nhau
nhưng về bản chất thì nguyên tắc hoạt động của hệ thống là như nhau và đều
nhằm mục đích tự động hóa và quản lý năng lượng.
2.2 Cơ sở phát triển của hệ thống PMS
2.2.1 Nền tảng SCADA công nghiệp
Hệ thống PMS phát triển trên nền tảng SCADA công nghiệp thường chỉ là
1 phần nhỏ trong hệ thống điều khiển SCADA. Hoặc có thể nói là tích hợp thêm
chức năng giám sát năng lượng vào hệ thống SCADA. SCADA nắm vai trò điều
khiển tồn bộ q trình sản xuất hoặc 1 phân đoạn sản xuất nào đó. Hệ thống
gồm rất nhiều loại cảm biến để thu thập nhiều dữ liệu khác nhau. Bao gồm: dữ
liệu về nhiệt độ, áp suất, trạng thái quá trình và dữ liệu về năng lượng.
Dựa trên nền tảng SCADA có nhiều lợi thế cho hệ thống PMS như khả
năng can thiệp điều khiển hệ thống điện. Tuy nhiên lại gặp nhiều vấn đề trong
tùy biến nhu cầu quản lý và giám sát. Khi cần nâng cấp mở rộng hệ thống tốn
nhiều chi phí. Đặc biệt các can thiệp thay đổi về phần mềm không hề đơn giản do
phần mềm đặc thù. Điều này chỉ làm được đối với các phần mềm PMS chuyên
biệt.

21


2.2.2 Nền tảng IoT
PMS dựa trên nền tảng IOT tích hợp đa dạng các chuẩn truyền thơng từ có
dây tới khơng dây. Hệ thống có thể sử dụng cơ sở hạ tầng truyền thơng sẵn có,
hoặc có thể tự truyền thơng khơng dây với nhau. Ngồi việc giám sát, quản lý
hiện trường, hệ thống dễ dàng được quản lý, giám sát từ xa thông qua Internet.
Đây là hướng phát triển của PMS và được nhiều hãng nổi tiếng áp dụng
như Schneider, Siemens, Delta... Tại Việt Nam, giải pháp PMS SEMSL của SES cũng phát triển dựa theo nền tảng này.
Đặc điểm chung của hệ thống quản lý năng lượng PMS phát triển theo nền

tảng này là sự phân chia rõ ràng về phân tầng các thiết bị. Trong đó có các thiết
bị đóng vai trị chun biệt trong thu thập dữ liệu (Interface Device) và xử lý dữ
liệu (Gateway Device). Đi kèm hệ thống là 1 phần mềm chuyên dụng có tính tùy
biến, tích hợp linh hoạt chun sâu.
2.3 Tính năng của hệ thống PMS
Hệ thống PMS có 4 tính năng cơ bản gồm: đo lường, quản lý, giám
sát, cảnh báo. Một số hệ thống tích hợp tính năng điều khiển.
2.3.1 Đo lường & Thu thập dữ liệu
Đo lường các thông số điện như: công suất tiêu thụ, điện áp, dịng tải,
cosθ, tần số, sóng hài…
Các dữ liệu, thơng số điện năng được thu thập tự động theo chu kỳ từ các
điểm đo. Không cần sử dụng nhân công đo đạc, độ chính xác dữ liệu cao. Chu kỳ
lấy dữ liệu nhanh theo thời gian thực.
Các thông tin cần đo đạc sau khi thu được sẽ được truyền về máy tính
trung tâm và cập nhật liên tục lên hệ thống cơ sở dữ liệu giúp cho việc quản lý dễ
dàng và hiệu quả hơn.
2.3.2 Giám sát
Từ các dữ liệu thu thập được, hệ thống tự động phân tích và hiển thi ra sơ
đồ mô tả hệ thống trực quan, người quản lý, sử dụng có thể giám sát được trạng
thái vận hành của hệ thống điện, các sự cố, các chỉ số, lượng điện năng tiêu thụ…
2.3.3 Cảnh báo
Bao gồm các cảnh báo trên hệ thống lưới điện, các bất thường về chỉ số
điện năng,… Các cảnh báo xuất hiện thể hiện qua mô tả trên phần mềm và cảnh
báo qua hệ thống cảnh báo như Email, SMS…
2.3.4 Báo cáo & Phân tích
Phần mềm phân tích cơ sở dữ liệu, đánh giá tính hiệu quả của việc sử
dụng thiết bị để giúp người quản lý và sử dụng có những chiến lược hợp lý để sử
dụng năng lượng tiết kiệm, nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị, giảm thiểu chi phí
khắc phục sự cố…

22


Các cơng cụ tính tốn, phân tích, đồ thị phức hợp cho phép đưa ra các biểu
đồ theo dõi trực quan, các báo cáo chi tiết theo từng phương diện kỹ thuật, tài
chính cụ thể chính xác.
2.4 Cấu trúc của hệ thống PMS

Hình 2-1 Phân lớp của hệ thống PMS

Hệ thông PMS được phân thành 3 lớp bao gồm:
- Apps, Analytics & Service: Đây là lớp ứng dụng, phân tích dữ liệu đi
các gói dịch vụ, bao gồm cả các ứng dụng cho phép giám sát và vận
thống tại máy tính trung tâm hoặc từ xa qua.
- Edge Control: Đây là lớp phần mềm bao gồm các thuật toán tối ưu
lượng tiêu thụ trong tịa nhà, từ đó đưa ra các chiến lược tiết kiệm và
năng lượng một cách hợp lý.

kèm với
hành hệ
về năng
sử dụng

- Connected Device: Lớp các thiết bị được tích hợp, kết nối trong hệ thống PMS
như
+ Thiết bị trong tòa nhà: tủ điện, các thiết bị điện trong các hệ thống chiếu
sáng, HVAC,…
+ Thiết bị mạng: Switch Ethernet - bộ chuyển mạch mạng có dây/ khơng
dây, Gateway - Bộ chuyển đổi giao thức, Cable và các phụ kiện…
+ Bộ điều khiển và thu thập I/O: PLC - bộ điều khiển logic, DDC - bộ

điều khiển kĩ thuật số trực tiếp…
+ Đồng hồ đo công suất: Các dịng PAC , PM120…
+ Thiết bị đóng ngắt và bảo vệ: ACB 3WL - máy cắt khơng khí dùng để
đóng cắt bảo vệ quá tải, MCCB 3VA - thiết bị ngắt mạch…

23


Hình 2-2 Các thiết bị phần cứng cho hệ thống PMS

Ví dụ: về hệ thống PMS hiện nay.

Hình 2-3 Cấu trúc hệ thống PMS của Seimens

24


Hình 2-4 Cấu trúc hệ thống PMS của Schneider

2.5 Lợi ích của hệ thống PMS
Hệ thống PMS mang lại những lợi ích sau:
- Hiểu rõ biểu đồ phụ tải để thương thảo với điện lực tốt hơn và tối ưu hệ thống.
- Theo dõi trực tuyến tiêu thụ điện hỗ trợ đội ngũ vận hành và lắp đặt tìm cách
giảm chi phí.
- Xác định rõ chi phí điện cho thiết bị, hệ thống, căn hộ, văn phòng.
- Đưa ra trách nhiệm tiết kiệm người sử dụng.
- Quyết định đầu tư hợp lý trên cơ sở đồ thị phụ tải.
- Xác định tính hợp lý của các giải pháp cải tiến để đầu tư thích hợp.
- Xác định cơng suất thừa.
- Giám sát thiết bị để biết rõ trạng thái non tải hoặc quá tải.

- So sánh hiệu quả sử dụng điện để xác định thiết bị hoặc bộ phận sử dụng điện
hiệu quả và đem lại lợi nhuận cao.
- Xác định các thiết bị chạy không ổn định.
- Cân bằng tải trên trạm, bảng điện …
- Nâng cao tuổi thọ thiết bị, tối ưu đầu tư.
- Giảm thời gian tiêu hao lãng phí năng lượng của các hệ thống trong tòa nhà
- Theo dõi liên tục hoạt động của hệ thống.
- Xác định chính xác loại sự cố chất lượng điện năng, thời gian, vị trí của sự cố.
- Gửi các cảnh báo để đề phòng trước sự cố xảy ra.
- Phân tích nguyên nhân, hỗ trợ xác định nguyên nhân sự cố nhanh và xử lý triệt
để.
- Xác định nguyên nhân sự cố là do thiết bị hay do nguồn điện.

25


CHƯƠNG 3. Triển khai hệ thống
3.1 Bài toán - Sơ đồ hệ thống
3.1.1 Bài tốn
Nhóm em đặt ra bài tốn với các yêu cầu đo lường, giám sát, cảnh báo và
quản lý năng lượng hiệu quả cho cho toà nhà 15 tầng, mỗi tầng 8 phòng chung.
Bảng 3-1 Bảng phụ tải của tịa nhà

Tên thiết bị
Điều hồ
Bình nóng lạnh
Máy giặt
Tủ lạnh + đèn, quạt, TV, báo cháy
Thang máy (x2)
Máy bơm (x2)

Cơng suất
2,2kW/1 phịng
2,8kW/1 phịng
1,8kW/1 phịng
2,5kW/1 phịng
17kW
14kW

Hình 3-1 Triển khai hệ thống cho các căn hộ và các tầng

26