Xây dựng mô hình hệ thống HVAC điều khiển bằng BMS chương 2 TONG QUAN VE HE THONG BMS

6

Chương 2
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BMS
(Building Management System)
2.1.

BMS là gì?

Hình 2.1: Tổng quát về BMS
BMS là viết tắt của cụm từ (Building Management System). Là một hệ thống
đồng bộ cho phép điều khiển và quản lý mọi hệ thống kỹ thuật trong toà nhà như hệ
thống điện, hệ thống cung cấp nước sinh hoạt, điều hoà thông gió, cảnh báo môi
trường, an ninh, báo cháy – chữa cháy v.v…, đảm bảo cho việc vận hành các thiết bị
trong tòa nhà được chính xác, kịp thời.
BMS thực hiện tốt các nhiệm vụ điều khiển vận hành hệ thống, là môi trường
thu nhận, quản lý toàn bộ các thông số kỹ thuật của thiết bị, các hệ thống kết nối tới.
Thông qua trao đổi thông tin, BMS điều khiển vận hành các thiết bị chấp hành của


7
từng hệ thống kỹ thuật khác nhau hoạt động theo yêu cầu của người quản lý, đảm
bảo các yếu tố kỹ thuật cũng như các yếu tố an toàn, an ninh…
2.1.1.

Đối tượng quản lý của BMS
• Trạm phân phối điện
• Máy phát điện dự phòng
• Hệ thống chiếu sáng
• Hệ thống điều hoà và thông gió
• Hệ thống cấp nước sinh hoạt

• Hệ thống báo cháy
• Hệ thống chữa cháy
• Hệ thống thang máy
• Hệ thống âm thanh công cộng
• Hệ thống thẻ kiểm soát ra vào
• Hệ thống an ninh

2.1.2.

Tính năng của BMS

• Cho phép các tiện ích (thiết bị thông minh) trong tòa nhà hoạt động một cách
đồng bộ, chính xác theo đúng yêu cầu của người điều hành.
• Cho phép điều khiển các ứng dụng trong tòa nhà thông qua cáp điều khiển và
giao thức mạng.
• Kết nối các hệ thống kỹ thuật như an ninh, báo cháy… qua cổng giao diện
mở của hệ thống với các ngôn ngữ giao diện theo tiêu chuẩn quốc tế
• Giám sát được môi trường không khí, môi trường làm việc của con người
• Tổng hợp, báo cáo thông tin.
• Cảnh báo sự cố, đưa ra những tín hiệu cảnh báo kịp thời trước khi có những
sự cố.
• Quản lý dữ liệu gồm soạn thảo chương trình, quản lý cơ sở dữ liệu, chương
trình soạn thảo đồ hoạ, lưu trữ và sao lưu dữ liệu.


8
• Hệ thống BMS linh hoạt, có khả năng mở rộng với các giải pháp sẵn sàng
đáp ứng với mọi yêu cầu.
2.1.3.

Lợi ích mang lại từ BMS
Lợi ích lớn nhất của hệ thống quản lý toà nhà là cung cấp cho người dùng một

môi trường thoải mái, an toàn và thuận tiện. Ngoài ra người dùng cũng như chủ
sở hữu có thể tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu nhân lực lao động, đảm bảo các
thiết bị luôn làm việc tốt, độ bền cao. BMS rõ ràng tạo ra những lợi thế vượt trội
như sau:
• Đơn giản hóa và tự động hóa vận hành các thủ tục, chức năng có tính lặp
đi lặp lại.
• Quản lý tốt hơn các thiết bị trong tòa nhà nhờ hệ thống lưu trữ dữ liệu,
chương trình bảo trì bảo dưỡng và hệ thống tự động báo cáo cảnh báo.
• Giảm sự cố và phản ứng nhanh đối với các yêu cầu của khách hàng hay
khi xảy ra sự cố.
• Giảm chi phí năng lượng nhờ tính năng quản lý tập trung điều khiển và
quản lý năng lượng.
• Giảm chi phí nhân công và thời gian đào tạo nhân viên vận hành – cách sử
dụng dễ hiểu, mô hình quản lý được thể hiện trực quan trên máy tính cho
phép giảm tối đa chi phí dành cho nhân sự và đào tạo.
• Dễ dàng nâng cấp, linh hoạt trong việc lập trình theo nhu cầu, kích thước,
tổ chức và các yêu cầu mở rộng khác nhau.
2.2.

Ưu điểm của hệ thống BMS

2.2.1. Quản lý hiệu quả, tiết kiệm nhân công
Hệ thống BMS cho phép quản lý một cách toàn diện một số lượng lớn dữ
liệu và trợ giúp thực thi việc quản lý tinh vi hơn với một đội ngũ nhân viên ít hơn.
Hệ thống máy móc tự động làm thay và trợ giúp con người trong nhiều việc.
Do việc tích hợp cho phép điều khiển khối lượng lớn dữ liệu, nên việc vận
hành toà nhà và các thiết bị có thể thực hiện được bởi một số ít nhân công.

9
2.2.2. Duy trì và tối ưu hóa môi trường
Nhiệt độ, độ ẩm, khí CO2, độ sạch, ánh sáng..v..v..sẽ được hệ thống kiểm
soát ở giá trị tốt nhất cho con người hoạt động.
2.2.3. Tiết kiệm năng lượng, nhiên liệu
Hệ thống BMS giúp kiểm soát chính xác tải nhiệt yêu cầu, đồng thời đáp ứng
tối ưu cho nhu cầu sử dụng. Điều này giúp kiểm soát thất thoát năng lượng, đem lại
hiệu quả kinh tế cao.
Sử dụng hiệu quả năng lượng tự nhiên và hạn chế lãng phí các nguồn nguyên
liệu, dùng các biện pháp như điều khiển và duy trì nhiệt độ được đặt trước hoặc sử
dụng khí trời khi cần thiết kiểm soát tải trong tòa nhà.
Đặc biệt, hệ thống điều khiển máy điều hoà không khí cho phép tạo môi
trường dễ chịu nhất cho người, chống lãng phí năng lượng nhờ điều khiển tối ưu và
liên tục duy trì ưu điểm này.
2.2.4. Đảm bảo các yêu cầu an toàn
Khả năng tích hợp chung với các hệ thống security như camera giám sát
(CCTV), kiểm soát ra vào (Access control) giúp đảm bảo tòa nhà luôn được theo
dõi và phản ứng tự động với các mối nguy.
Bằng việc tập trung thông tin toàn bộ các thiết bị về đơn vị xử lý trung tâm,
ta có thể dễ dàng xác định trạng thái của thiết bị, vận hành và khắc phục các sự cố
như mất điện, hỏng, cháy. Với hệ thống an ninh tích hợp, ta có thể yên tâm về sự an
toàn của người sử dụng trong toà nhà, bảo mật thông tin cá nhân mà không làm mất
sự thoải mái.
2.2.5. Nâng cao sự thuận tiện cho con người sử dụng
Với BMS, các chỉ thị về điều chỉnh nhiệt độ, ánh sáng, âm thanh, kiểm soát
vùng đều được thực hiện dễ dàng hơn. Thậm chí cũng không cần nhiều người để tác
động vì hệ thống máy tính tập trung và kết nối internet có thể giúp ra chỉ lệnh ở bất
kỳ đâu.

Việc tích hợp nhiều tính năng trong các thiết bị giúp người dùng luôn cảm
nhận được sự thoải mái. Ví dụ, luôn có thể thoải mái ra vào suốt 24 giờ, cài đặt


10
nhiệt độ dễ dàng, đặt chế độ thời gian, theo dõi trạng thái thời tiết bên ngoài và
thông tin quản lý, điều hành của toà nhà
2.3.

Cấu hình hệ thống BMS
Bộ điều khiến sử dụng vi xử lý tạo nên cấu hình theo kiểu cấp bậc cho hệ

thống BMS hay còn gọi là lớp (tier) của bộ xử lý.
2.3.1. Bộ điều khiển cấp vùng
Đây là bộ điều khiển sử dụng bộ vi xử lý, cung cấp khả năng điều khiển trực
tiếp tới các thiết nằm trong phạm vi cấp vùng, như bơm nhiệt, hộp điều lượng gió
(VAV – Variable Air Volume), thiết bị cấp gió đơn vùng. Bộ điều khiển cấp này
cũng có thể sử dụng phần mềm quản lý năng lượng.
Tại cấp xử lý vùng, cảm biến liên lạc trực tiếp với thiết bị được điều khiển.
Một bus liên lạc làm phương tiện kết nối các bộ điều khiển, do vậy các điểm thông
tin giữa các bộ điều khiển có thể chia sẻ cho nhau và chia sẻ với các bộ xử lý tại hệ
thống và ở cấp xử lý hoạt động. Các bộ điều khiển cấp vùng tiêu biểu có một cổng
hoặc kênh giao tiếp để hỗ trợ sử dụng thiết bị đầu cuối di động trong quá trình thiết
lập ban đầu và cả những lần điều chỉnh sau đó.
2.3.2. Bộ điều khiển cấp hệ thống
Bộ điều khiển cấp này có công suất lớn hơn bộ điều khiển cấp vùng nếu xét
trên phương diện các điểm, vòng DDC và chương trình điều khiển. Bộ điều khiển
cấp hệ thống thường được dùng để điều khiển các thiết bị cơ khí như các hệ cung
cấp khí, hệ VAV trung tâm và hệ thống làm mát. Ngoài ra, nó còn thực thi điều
khiển ánh sáng.

Bộ điều khiển tại cấp này giao tiếp trực tiếp với các thiết bị được điều khiển
thông qua actuator và cảm biến, hoặc giao tiếp gián tiếp thông qua các bus liên lạc
với bộ điều khiển cấp vùng. Bộ điều khiển cấp hệ thống có một cổng để kết nối với
các thiết bị đầu cuối lập trình và vận hành cầm tay trong suốt quá trình cài đặt ban
đầu và cả các lần điều chỉnh sau này.
Khi bộ điều khiển cấp hệ thống được kết nối với bộ xử lý cấp hoạt động,
những thay đổi chương trình điều khiển thường được thực thi ở bộ xử lý cấp hoạt


11
động và sau đó tải xuống bộ điều khiển. Bộ điều khiển cấp hệ thống cũng cung cấp
khả năng dự phòng trong trường hợp liên lạc bị đứt bằng chế độ hoạt động độc lập.
Một số kiểu bộ điều khiển cấp hệ thống cũng cung cấp chế độ bảo vệ an toàn cho
toàn bộ tài sản thông qua tín hiệu cảnh báo hỏa hoạn, cảnh báo an ninh, bảo mật
truy cập.
2.3.3. Bộ xử lý cấp hoạt động
Bộ xử lý cấp này giao tiếp chủ yếu với vận hành viên hệ BMCS. Trong mọi
ứng
dụng, nó thường là PC được trang bị màn hình hiển thị và các bảng mạch có chức
năng ‘plug-in’ cho thiết bị vận hành bổ sung, printer, mở rộng bộ nhớ và bus liên
lạc. Bộ xử lý cấp này thường có phần mềm ứng dụng, để:
- Bảo đảm an ninh hệ thống: Hạn chế truy cập và hoạt động cho những người
có thẩm quyền.
- Xâm nhập hệ thống: Cho phép những người có thẩm quyền chọn và lấy dữ
liệu thông qua PC và một số thiết bị khác.
- Định dạng dữ liệu: Tập hợp các điểm hệ thống ngẫu nhiên thành định dạng
nhóm logic để hiện thị và in ấn.
- Lập trình tùy biến: Phát triển các chương trình DDC theo nhu cầu tại cấp độ
hoạt động rồi tải xuống từng bộ điều khiển cấp hệ thống và cấp vùng chuyên
biệt hoặc từ xa.

- Đồ họa: Kết hợp với dữ liệu động về hệ thống xây dựng các màn hình đồ họa
theo yêu cầu.
- Report chuẩn: Tự động cung cấp các report chuẩn theo định kỳ và theo yêu
cầu hoạt động.
- Report theo yêu cầu: Là các bảng dữ liệu, file định dạng Word, và quản lý cơ
sở dữ liệu.
- Quản lý bảo trì: Tự động lên lịch bảo trì thiết bị dựa trên dữ liệu về lịch sử
thiết bị và thời gian hoạt động.


12
- Tích hợp hệ thống: Cung cấp cổng liên lạc và chức năng điều khiển cho các
hệ thống phụ (HVAC, cứu hỏa, an ninh, điều khiển truy cập.v.v...)
2.3.4. Bộ xử lý cấp quản lý
Đây là cấp cao nhất trong cấu trúc của hệ BMS. Nó thực thi điều khiển và
quản lý thông qua các hệ thống phụ. Tại cấp này, vận hành viên có thể yêu cầu dữ
liệu và ra lệnh tới các điểm từ bất kỳ đâu trong hệ thống. Vận hành hoạt động
thường nhật là chức năng thông thường của bộ xử lý cấp hoạt động. Tuy nhiên,
điều khiển toàn bộ có thể được chuyển sang cho bộ xử lý cấp quản lý trong những
trường hợp khẩn cấp.
Bộ xử lý cấp quản lý thu thập, lưu trữ, xử lý dữ liệu như mức độ tiêu thụ điện
năng, chi phí vận hành và hoạt động cảnh báo, các báo cáo để làm cơ sở hoạt định
quản lý và vận hành lâu dài.
2.4.

Thiết bị điều khiển tự động

2.4.1. Thiết bị điều khiển điện

Hình 2.2: Sơ đồ điều khiển máy điều hòa không khí

Các phần tử cảm biến, bộ điều khiển và thiết bị cài đặt được thiết kế thành
một khối. Phương thức này đọc về các thay đổi nhiệt độ và độ ẩm khi ống xếp hoặc


13
màng ngăn có dịch chuyển cơ học và trực tiếp điều khiển các phần tử cuối như van
động cơ, van điều tiết khí động cơ, máy làm ẩm hoặc máy nén v.v.
Điện năng dùng để truyền tín hiệu hoặc làm nguồn cho các dịch chuyển cơ
học. Cả hai loại lắp trong phòng hoặc trong ống để xác định nhiệt độ, độ ẩm, áp
suất và các biến số khác. Có kết cấu đơn giản và dễ sử dụng. Do đó, thiết bị đơn
giản và giá thành thấp. Phương pháp này được ứng dụng khi không đòi hỏi độ
chính xác quá cao.
2.4.2. Thiết bị điều khiển điện tử
Trong các thiết bị điều khiển điện tử, các bộ điều khiển và phần tử cảm biến
đặt cách xa nhau. Các bộ điều khiển thường được lắp trên các tủ điều khiển trong
phòng điều khiển.
Vì bộ điều khiển điện tử dùng các mạch điện tử (mạch số), nên có thể xử lý
các giá trị đo khác nhau như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu tốc, CO2, tỷ trọng v.v. và
đáp ứng điều khiển chính xác cao, hiển thị và cho phép xác lập các giá trị đo từ xa.
Do đầu ra là các tín hiệu đa dụng, nên cần sử dụng các bộ chuyển đổi như bộ lựa
chọn cao/thấp, bộ điều chế tỷ lệ hoặc các thiết bị bổ trợ khác, ngoài ra các bộ điều
khiển điện tử có thể được sử dụng như các bộ điều khiển lựa chọn hoặc điều khiển
giới hạn.
- Bộ lựa chọn cao /thấp: Thiết bị lựa chọn tín hiệu lớn (hoặc bé) từ hai tín hiệu
đầu vào và gửi ra.
- Bộ điều chế tỷ lệ: Thiết bị xuất tín hiệu ra, biến đổi điểm đầu, cuối hoặc tốc
độ thay đổi của các tín hiệu vào.
2.4.3. Bộ điều khiển kỹ thuật số trực tiếp DDC

Hình 2.3: Bộ điều khiển trực tiếp DDC

14
Theo định nghĩa của hiệp hội sản xuất thiết bị đo lường điện Nhật Bản, DDC
là "quá trình điều khiển, trong đó các chức năng của bộ điều khiển được thực
hiện bởi một thiết bị số". Tuy nhiên, ở đây, DDC là "một bộ điều khiển, trong đó
tích hợp chức năng hệ điều khiển tự động và chức năng giám sát từ xa sử dụng bộ
vi xử lý để xử lý dữ liệu". Các đặc điểm của DDC, cấu trúc mẫu, so sánh với thiết
bị điện tử được liệt kê dưới đây.
- Cài đặt, hiển thị và xử lý, khử lỗi trong quá trình truyền và tính toán, cho
phép đo lường và điều khiển ở độ chính xác cao.
- Tất cả các tín hiệu vào và ra đều được chuyển về thiết bị giám sát trung tâm,
có thể quản lý chính xác và chi tiết hơn.
- DDC cho phép điều khiển và quản lý phân tán tới từng đơn vị, không chỉ cho
các máy điều hòa khí mà còn với các dàn lạnh (FCU), các khối VAV (đơn vị
thể tích khí thay đổi) và các máy làm lạnh.
- Chức năng truyền phát cùng được tích hợp. Chỉ yêu cầu một cảm biến vừa
thực hiện đo lường vừa điều khiển.
- Thành phần có chức năng tự chẩn đoán cho phép phản ứng nhanh khi phát
sinh lỗi.
- Thiết bị cài đặt màn hình LCD và các cảm biến không dây có thể kết nối dễ
dàng giúp điều khiển dễ dàng.
- Chương trình dễ dàng bổ sung và sửa đổi để thích ứng với các thay đổi
trong phòng, chẳng hạn khi dịch chuyển các bộ phận, thiết bị.
- Chức năng điều khiển và trạm kiểm soát từ xa được tích hợp trong bộ điều
khiển để tiết kiệm diện tích tủ điều khiển.
- Dễ dàng nâng cấp và bổ sung các cảm biến và các điều khiển cuối cùng loại.
Có khả năng truyền phát tín hiệu tín hiệu vào ra của cảm biến và các phần tử
điều khiển cuối.

15

Hình 2.4: Sơ đồ kết nối bộ điều khiển trực tiếp (DDC)
2.4.4. Phần tử thông minh
Để bổ sung chức năng cho DDC, người ta tạo ra chuỗi phần tử là các thiết bị
cấp trường cung cấp thông tin bản thân thiết bị và điều kiện điều khiển. Đặc tính và
cấu hình mẫu của chúng được chỉ ra dưới đây.
- Truyền tất cả các tín hiệu vào/ra tới BMS trung tâm thông qua kênh truyền
thông SA-net. Tốc độ truyền dữ liệu tốt hơn trên đường dây thường.
- Từ cảm biến nhiệt độ phòng đến van điều khiển, các thiết bị chính trong
điều khiển AHU đều nằm trong thành phần chuỗi.
- ACTIVAL PLUS là một thành phần trong chuỗi phần tử thông minh. Đây là
van điều khiển động cơ với chức năng đo lường và điều khiển lưu lượng để
điều khiển vận tốc dòng nước lạnh và nóng bằng cách đo lưu lượng chứ
không chỉ điều chỉnh độ mở của van.
- ACTIVAL PLUS tính toán lưu lượng bằng cách đo độ chênh áp, đo được
bởi cảm biến áp suất lắp bên trong, nhân với Cv, tính bởi vị trí mở van nhân
với một hằng số.


16
- Màn hình LCD lắp trên tường để hiển thị giá trị đo của áp suất, nhiệt độ, tốc
độ dòng tính được từ ACTIVAL PLUS.

Hình 2.5: Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển trung tâm
2.5.

Cơ sở điều khiển tự động
Phần này trình bày cơ sở điều khiển tự động, các yếu tố quan trọng trong

điều khiển máy điều hòa không khí như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu tốc.v.v...
2.5.1. Tổng quan về điều khiển tự động
Đối với một hệ thống điều khiển, sự thay đổi các yếu tố bên ngoài như nhiệt
độ, độ bức xạ mặt trời và những thay đổi trong phòng như số người đều được xem
như những nhiễu loạn. Nếu không có thay đổi nào của các điều kiện bên trong cũng
như bên ngoài thì một khi van (phần tử điều khiển cuối) được đóng ở chế độ vị trí
tối ưu, nhiệt độ sẽ được giữ không đổi. Tuy nhiên luôn có sự dao động của các điều
kiện bên trong, bên ngoài, do vậy chúng ta luôn cần đến điều khiển tự động.


17

Hình 2.6: Thay đổi thông số đặt theo thời gian
Khi có sự thay đổi do đặt lại nhiệt độ hoặc do các nhiễu loạn sẽ có một giai
đoạn trễ xảy ra trong hệ thống cho đến khi các tác động được thực hiện và nhiệt độ
thực tế của phòng bắt đầu thay đổi. Giai đoạn này được gọi là độ trễ. Thời gian từ
khi nhiệt độ bắt đầu thay đổi đến khi ổn định được gọi là hằng số thời gian.
Yêu cầu về chất lượng của hệ điều khiển tự động gồm tốc độ phản ứng và độ
ổn định. Tốc độ phản ứng nhanh nghĩa là đạt được giá trị điều chỉnh càng nhanh
càng tốt. Còn độ ổn định được đánh giá bằng khả năng duy trì không đổi giá trị
đã điều chỉnh. Để thiết kế hệ điều khiển tự động, chức năng và chất lượng phải
được xác định phù hợp với đặc điểm ứng dụng và ngân sách.
2.5.2. Ứng dụng thiết bị điều khiển tự động
Theo nguyên lý hoạt động và cấu tạo, các thiết bị điều khiển tự động trong
hệ thống điều hòa không khí được phân loại như sau:
- Điều khiển điện
- Điều khiển điện tử
- Điều khiển khí nén
- Điều khiển điện-khí nén

- Điều khiển kỹ thuật số trực tiếp (DDC)
Ở Nhật Bản, so với Mỹ và Châu Âu, phương pháp khí nén/điện-khí nén sử
dụng áp lực chất khí làm tín hiệu đầu vào được ứng dụng rất ít, ví dụ như trong
điều khiển máy làm lạnh hoặc hệ thống chống nổ với các van lớn, hoặc tại các bệnh
viện nơi sử dụng rất nhiều van điều chỉnh.


18
Trong các thiết bị điều khiển điện, các phần tử cơ khí như tấm ngăn hoặc các
đĩa nhựa được sử dụng ,các phần tử cảm biến và phần tử điều khiển được kết hợp
trong một khối riêng biệt. Những thiết bị này thường được sử dụng vì sự thuận tiện
và giá thành sản phẩm thấp.
Tuy nhiên, người ta chờ đợi sự thay thế các thiết bị điện bằng các sản phẩm
số hóa điện tử với những tính năng tương tự. Những bộ vi xử lý đã nhanh chóng
được ứng dụng trong các thiết bị điện tử, nhưng các bộ điều khiển số trực tiếp DDC
mới là các bộ được sử dụng rộng rãi. Về cơ bản bộ điều khiển số trực tiếp DDC là
thiết bị có nhiều chức năng và tiện lợi nhờ khả năng truyền thông với hệ thống quản
lý toà nhà chính. Đó là điểm khác biệt so với các thiết bị điện tử có tích hợp bộ vi
xử lý.