Nghiên cứu bài toán thiết kế hệ thống tự động hoá và điều khiển toà nhà tại Việt Nam
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.16 MB, 148 trang )
NGUYỄN HOÀNG
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH : ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN THIẾT KẾ CÁC HỆ THỐNG TỰ
ĐỘNG HĨA VÀ ĐIỀU KHIỂN TỊA NHÀ TẠI VIỆT NAM
NGUYỄN HOÀNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : HOÀNG MINH SƠN
2005 - 2007
HÀ NỘI
2007
HÀ NỘI 2007
Mục lục
Danh mục hình vẽ
Chương1:
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
Mở đầu
Thế nào là tự động hóa tịa nhà ?
Tịa nhà thế nào thì được gọi là tòa nhà tự động
Lý do chọn đề tài, mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu,
ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
BMS hay HTĐK&GS
1.4.1 Điều khiển cơ sở
1.4.2 Điều khiển vận hành và giám sát
1.4.3 Điều khiển cao cấp
1.4.4 An toàn hệ thống
BMS với giải pháp điều khiển phân tán
Lợi ích của việc trang bị BMS cho tòa nhà
Thành phần cơ bản của hệ BMS
Các bước khi thiết kế hệ BMS
Về nội dung của luận văn
1
1
2
2
3
4
5
5
6
6
7
7
8
10
Chương 2 : Cấu trúc hệ thống
2.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống BMS
2.2 Mơ hình phân cấp chức năng cho hệ tự động hóa nói chung
2.3 Mơ hình phân cấp chức năng cho hệ tự động hóa tịa nhà
2.4 Điều khiển phân tán
12
12
13
14
17
Chương 3 : Các bài toán điều khiển cơ sở
3.1 Tổng quan
3.2 Sự lựa chọn phương pháp điều khiển (Choice of Control
System) cho hệ thống HVAC
3.3 Điều khiển an toàn về cháy (Control Interlock for Fire Safety)
3.4 Hệ thống nước lạnh (Chilled Water System)
3.4.1 Bơm tuần hoàn nước lạnh (Chilled Water Loop Pumps)
3.4.2 Máy cung cấp nước lạnh, giải nhiệt gió (Single Air
Cooler Chiller)
3.4.3 Máy cung cấp nước lạnh, giải nhiệt nước (Single Water
Cooler Chiller)
3.4.4 Máy cung cấp nước lạnh, làm lạnh bằng nước và tháp
giải nhiệt (Single Water Coller Chiller and Cooling
Tower)
3.4.5 Tháp giải nhiệt - mạch kín (Single Cooing Tower –
21
21
22
23
25
25
28
33
34
36
Closed Circuit)
3.4.6 Quản lý Chiller (Chiller Manager)
3.5 Hệ thống nước nóng
3.5.1 Bơm tuần hồn nước nóng
3.5.2 Hệ thống cung cấp nước nóng, một Boiler (Single Boiler
Sys tem)
3.5.3 Hệ thống 2 Boiler (Two Boilers System)
3.5.4 Quản lý Boiler (Boiler Manager)
3.6 Các bài tốn điều khiển khơng khí tại các vùng (Zone
Controls)
3.6.1 Thiết bị dàn trao đổi nhiệt (Fan Coil Unit – FCU)
3.6.2 Hệ thống làm lạnh được bổ xung hơi nước (Evaporative
Cooler)
3.7 Một số bài tốn điều khiển khác trong tịa nhà
38
40
40
40
43
43
44
45
50
58
Chương 4 : Cấu trúc mạng và giao thức truyền thông
4.1 Một số khái niệm cơ bản
4.1.1 Dịch vụ truyền thơng
4.1.2 Giao thức
4.1.3 Mơ hình lớp
4.1.4 Kiến trúc giao thức OSI
4.1.5 Kiến trúc giao thức TCP/IP
4.1.6 Giao thức liên mạng IP
4.2 BACnet, mạng truyền điều khiển và tự động hóa tịa nhà, giao
thức truyền thơng dữ liệu
4.2.1 Tại sao BACnet ra đời ?
4.2.2 Những lợi ích mang lại của giao thức chuẩn
4.2.3 Giải thích tê gọi BACnet
4.2.4 Những ứng dụng của BACnet
4.2.5 Những chứng chỉ quan trọng BACnet đã giành được
4.2.6 Kiến thức chung về giao thức BACnet
4.3 Quá trình phát triển của BACnet
4.3.1 Mơ hình mạng truyền thơng chuẩn
4.3.2 Cấu trúc của mạng BACnet
4.3.3 Phát triển bản tin hay dịch vụ chuẩn
4.3.4 Các lựa chọn đối với mạng LAN
4.4 Mơ hình mạng BACnet “thuần”
4.5 BACnet/IP
60
60
60
61
61
62
65
67
71
Chương 5 : Vấn đề tích hợp hệ thống mạng và phần mềm BMS
5.1 Thiết kế hệ thống mạng
5.1.1 Phân tích yêu cầu
5.1.2 Các bước tiến hành
90
90
90
91
71
72
73
73
73
74
76
76
78
81
82
82
85
5.2 Đánh giá và lựa chọn giải pháp mạng
5.2.1 Đặc thù của cấp ứng dụng
5.2.2 Đặc thù của lĩnh vưc ứng dụng
5.2.3 Yêu cầu kĩ thuật chi tiết
5.2.4 Yêu cầu kinh tế
5.3 Chuẩn phần mềm OPC (OLE for Process Control)
5.3.1 Giới thiệu chung
5.3.2 Tỏng quan về kiến trúc OPC
5.4 Phần mềm BMS
5.4.1 Đặc tính chung
5.4.2 Kiến trúc phần mềm BMS
5.4.3 Tầng trung gian tích hợp hệ tự động hóa tịa nhà với hệ
thống nghiệp vụ
5.4.4 Vận hành theo thời gian thực của hệ BMS
5.4.5 Quản lý tiến trình nghiệp vụ giữa các hệ thống con và
ứng dụng
5.4.6 Cổng dịch vụ
5.5 Một ví dụ thiết kế hệ BMS trong thực tế
5.5.1 Một chút giới thiệu về AUTOMATEDLOGIC
5.5.2 Mô tả kĩ thuật
5.5.3 Kiến trúc mạng
5.5.4 Tích hợp các hệ thống con
5.5.5 Khái niệm tích hợp bề mặt và tích hợp chiều sâu
92
92
93
93
94
94
94
95
97
97
98
98
99
101
102
102
103
104
104
105
108
Chương 6 : Yêu cầu xây dựng bộ tiêu chuẩn về hệ BMS ở Việt Nam
6.1 Tại sao cần xây dựng bộ tiêu chuẩn về hệ BMS
6.2 Một số kiến nghị để xây dựng để xây dựng bộ tiêu chuẩn BMS
6.3 Xây dựng khung cơ bản các lựa chọn với hệ BMS
112
112
113
118
Kết luận
Tài liệu tham khảo
120
121
Danh mục hình vẽ
Hình 1.4 :
Hình 1.8 :
Hình 2.1 :
Hình 2.2 :
Các chức năng của HTĐK&GS ..........................................
Thiết kế BMS thông thường ..............................................
Cấu trúc cơ bản của hệ thống ĐK&GS ...............................
Mơ hình phân cấp chức năng hệ thống tự động hóa trong
cơng nghiệp ..........................................................................
Hình 2.3 : Mơ hình phân cấp chức năng tự động hóa tịa nhà ............
Hình 2.4 : Điều khiển phân tán ............................................................
Hình 2.4.1 : Vào/ra phân tán với bus trường ........................................
Hình 2.4.2 : Vào/ra trực tiếp sử dụng bus trường .................................
Hình 2.4.3 : Điều khiển phân tán sử dụng bus trường .........................
Hình 3.1 : Quản lý tịa nhà khi khơng có BMS ...................................
Hình 3.2 : Các bộ phận cơ bản của hệ thống điều hịa khơng khí ........
Hình 3.3 : Sơ đồ điều khiển tĩnh an tồn về cháy .................................
Hình 3.4.1.1 : 2 Pump – Lead Standby ..................................................
Hình 3.4.1.2 : 2 Pump – Lead Lag – VFD .............................................
Hình 3.4.2.1 : Single Air Cooler Chiller, trường hợp 1 ........................
Hình 3.4.2.2 : Single Air Cooler Chiller, trường hợp 2 ........................
Hình 3.4.3 : Single Water Cooled Chiller .............................................
Hình 3.4.4 : Single Water Cooled Chiller and Cooling Tower .............
Hình 3.4.5 : Single Cooling Tower – Closed Circuit ............................
Hình 3.4.6 : Chiller Manager ................................................................
Hình 3.5.2.1 : Single Boiler System, trường hợp 1 ..............................
Hình 3.5.2.2 : Single Boiler Systerm, trường hợp 2 .............................
Hình 3.5.3 : Two Boiler System ...........................................................
Hình 3.5.4 : Boiler Manager .................................................................
Hình 3.6.1 : Fan Coil Unit ....................................................................
Hình 3.6.2 : Evaporative Cooler ..........................................................
Hình 3.7.1 : ACB – LVMSB ................................................................
Hình 3.7.2 : Chiếu sáng sân vườn ........................................................
Hình 3.7.3 : Báo và chữa cháy .............................................................
Hình 4.1.4 : Mơ hình qui chiếu ISO/OSI .............................................
Hình 4.1.5 : So sánh TCP/IP với OSI ..................................................
Hình 4.1.6 : Khuân dạng của IP Datagram ..........................................
Hình 4.2.1.1 : Ví dụ về một hệ thống dùng giao thức chung tại đại học
Cornell ...........................................................................
Hình 4.2.6 : Đối chiếu kiến trúc BACnet với mơ hình OSI .................
Hình 4.3.1.2 : Mơ tả đối tượng .............................................................
Hình 4.3.1.3 : Mơ tả thiết bị .................................................................
Hình 4.3.2 : Cấu trúc mạng BACnet .....................................................
Hình 4.3.2.1 : Địa chỉ MAC của thiết bị ...............................................
Hình 4.3.2.2 : Các cách truy cập đến đối tượng ...................................
Hình 4.4.1 : Mạng BACnet “thuần” .....................................................
4
9
12
14
15
18
19
19
20
22
23
24
26
27
29
A3 I
A3 II
A3 III
A3 IV
39
A3 V
A3 VI
A3 VII
A3 VIII
A3 IX
A3 X
A3 XI
A3 XII
A3 XIII
63
66
67
72
75
77
78
78
79
80
83
Hình 4.4.2 : Thiết bị Router kết nối các mạng LAN ............................
Hình 4.4.3 : Thiết bị Gateway liên kết mạng ........................................
Hình 4.5.1 : Cấu hình mạng sử dụng phương pháp IP “Tunneling” .....
Hình 4.5.2 : BACnet/IP và BBMD .......................................................
Hình 4.5.3 : BBMD truyền Broadcast ..................................................
Hình 4.5.4 : Sự mở rộng mạng với “Foreign Device” ..........................
Hình 5.3.2 : Kiến trúc sơ lược OPC .....................................................
Hình 5.5.5.1 : Tích hợp bề mặt ............................................................
Hình 5.5.5.2 : Tích hợp chiều sâu ........................................................
Hình 6.2 : Với BMS, mọi tòa nhà nằm trong tầm tay của bạn .............
84
84
85
87
87
89
96
109
111
117
Lời mở đầu
Khái niệm BMS (Building Management Systerm) đã xuất hiện từ những
năm 1950 trên thế giới, kể từ khi xuất hiện đã thay đổi nhanh chóng cả về phạm
vi và cấu hình hệ thống, và BMS cũng khơng cịn mới ở Việt Nam (thường được
hiểu là tự động hoá tòa nhà). Nhưng để hiểu tường tận thế nào là tự động hóa tịa
nhà, tịa nhà thế nào thì được gọi là tịa nhà tự động thì khơng phải là dễ, và điều
quan trọng hơn là thiết kế hệ thống tự động hóa tịa nhà thế nào thì đạt tiêu
chuẩn kĩ thuật và phù hợp với điều kiện kinh tế của nước ta vẫn là câu hỏi còn
bỏ ngỏ. Bởi vì một số ngun nhân sau:
• Ngun nhân đầu tiên là cho đến nay chưa hề có một tiêu chuẩn nào được
đưa ra từ cơ quan quản lý nhà nước về tự động hóa tịa nhà một cách đầy
đủ và tồn diện.
• Thứ hai là chưa có một mơn học của bất cứ ngành học nào chuyên sâu về
tự động hố tịa nhà. Cùng với đó là khơng có giáo trình hay sách tham
khảo tiếng việt về vấn đề này. Mới chỉ xuất hiện rải rác một vài bài báo
hay một số báo cáo tại một số hội nghị khoa học.
Đất nước ta đang hội nhập nhanh vào nền kinh tế thế giới. Cùng với đó là
nhu cầu xây dựng nhiều các tòa cao ốc, khách sạn năm sao, bệnh viện, sân bay.
Yêu cầu cho các toà nhà này là phải hiện đại, sử dụng thuận tiện, an toàn và tiết
kiệm năng lượng. Để đạt được điều này thì tự động hố tịa nhà đóng vai trị
quan trọng. Trong tịa nhà có rất nhiều hệ thống con : hệ thống điều hịa khơng
khí, hệ thống chiếu sáng, hệ thống quản lý vào ra, hệ thống camera giám sát, hệ
thống thang máy, hệ thống báo và chữa cháy, hệ thống điện, hệ thống nước và
các hệ thống khác. Tự động hóa tòa nhà hiểu đơn giản nhất là hệ thống điều
khiển, giám sát các hệ thống con này để đạt được u cầu cơng nghệ.
Các tập đồn lớn trên thế giới về thiết bị tự động như Siemen, ABB, ALC,…
đã có công ty đại diện ở Việt Nam. Các công ty này với thế mạnh có đội ngũ
chuyên gia chất lượng cao, nhiều kinh nghiệm, chủ động cung cấp các sản phẩm
phần cứng và phần mềm, đã chiếm hầu hết các hợp đồng lớn về tự động hố tịa
nhà trong thời gian qua. Việc các công ty trong nước để mất thị phần ngay trên
sân nhà có nhiều nguyên nhân: năng lực còn yếu, sự thiếu tin tưởng của chủ đầu
tư vào khả năng của công ty trong nước, và chưa có tài liệu hướng dẫn cũng như
bộ tiêu chuẩn đầy đủ về tự động hóa tịa nhà. Với thực tế là chúng ta chưa có
khả năng sản suất các thiết bị phần cứng (thiết bị trường và thiết bị điều khiển)
có giá cả cạnh tranh và chất lượng tốt, thì giải pháp được cho là duy nhất để
cạnh tranh là phải nâng cao khả năng thiết kế hệ thống, tìm ra các giải pháp phù
hợp với thị trường Việt Nam.
Nội dung của bản luận văn này là: trình bày các khái niệm cơ bản về tự động
hóa tịa nhà, đưa ra giải pháp thiết kế hệ tự động hóa tịa nhà phù hợp với điều
kiện thực tế của Việt Nam, chỉ ra sự cần thiết phải xây dựng một bộ tiêu chuẩn
về tự động hóa tịa nhà. Mục đích của tác giả mong muốn luận văn của mình có
thể làm một tài liệu tham khảo hữu ích cho các kĩ sư thiết kế, cho sinh viên
ngành điều khiển, và cho tất cả những ai quan tâm đến lĩnh vực tự động hóa tịa
nhà.
Bản luận văn gồm ba phần:
• Phần 1, đề cập đến các khái niệm cơ bản về tự động hóa tịa nhà, kĩ sư
thiết kế tự động hóa phải làm gì và tham gia vào lúc nào ? Các bài tốn
điều khiển cơ sở cần quan tâm trong tịa nhà.
• Phần 2, Một số giải pháp thiết kế, đánh giá và so sánh.
• Phần 3, Hệ thống truyền thơng trong tịa nhà. Giải pháp được ưa thích
BACnet. Ví dụ một hệ thống BMS đã được triển khai trong thực tế.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo, PGS.TS. Hồng Minh
Sơn đã tận tình chỉ bảo và cho phép sử dụng nhiều tài liệu trong bản luận văn
này. Điều đáng q nhất sau khi hồn thành luận văn đối với tôi không chỉ là
kiến thức của bản luận văn, mà là phương pháp làm việc và tư duy khoa học
được tiếp thu từ thầy. Xin kính chúc thầy sức khỏe tốt, để hướng dẫn được nhiều
học trị hơn nữa.
Hà nội, ngày tháng
năm
Học viên
NGUYỄN HỒNG
TỰ ĐỘNG HĨA TỊA NHÀ
1
Chương 1:
Mở đầu
1.1 Thế nào là hệ thống tự động hóa tịa nhà ?
Building Control System (BCS) - Hệ thống điều khiển tòa nhà: Là hệ thống
điều khiển các thiết bị của tòa nhà để các thiết bị làm việc thoả mãn yêu cầu
công nghệ, an toàn cho người sử dụng, an toàn cho thiết bị và thân thiện với môi
trường.
Building Management System (BMS) - Hệ thống quản lý tòa nhà: Một hệ
thống tập trung các chức năng giám sát, điều hành hoạt động, quản lý tòa nhà để
đạt được hiệu quả cao nhất.
Building Management and Control System ( BMCS) - Hệ thống điều
khiển và quản lý tịa nhà: Một hệ thống tích hợp BMS và BCS. Ở Việt Nam,
chúng ta đã quen với khái niệm BMS, thực ra khái niệm BMCS mới bao hàm
đầy đủ ý nghĩa là hệ thống tự động hóa tịa nhà. Tuy nhiên trong tài liệu này từ
nay vẫn sử dụng khái niệm BMS với lý do quen thuộc nhưng mang ý nghĩa của
BMCS. Hệ thống tự động hóa tịa nhà (BMS) là hệ thống bao gồm các thiết
bị phần cứng và phần mềm thích hợp có nhiệm vụ điều khiển và giám sát
các hệ thống con trong tòa nhà như hệ thống điện, hệ thống điều hịa khơng
khí, thơng gió, điều áp, báo cháy, phát thanh, chiếu sáng… nhờ vào các bộ
điều khiển số (Bộ điều khiển số – Direct Digital Controller) và phần mềm
giám sát, điều khiển. Hệ thống BMS sẽ nhận biết tình trạng hoạt động của các
thiết bị và điều khiển các thiết bị này theo chương trình đã cài đặt trước hoặc
theo yêu cầu trực tiếp của người vận hành. Các chức năng chính của hệ thống
BMS sẽ được cung cấp bao gồm:
• Quản lý việc vận hành các thiết bị.
• Quản lý năng lượng tiêu thụ.
• Quản lý cảnh báo và trạng thái thiết bị theo thời gian thực.
• Chia sẻ dữ liệu điều khiển, cung cấp dữ liệu lịch sử như tình trạng hoạt
động, số giờ chạy của thiết bị, …cho hệ thống quản lý bảo trì, bảo dưỡng.
• Quản lý tiện ích và các tác vụ tự động hố văn phịng.
Tồn bộ các thiết bị mà BMS quản lý sẽ được điều khiển, cài đặt hoạt động
theo lịch hoặc nhận lệnh điều khiển trực tiếp từ người vận hành. Hệ thống BMS
sẽ thông báo đến người vận hành tình trạng hoạt động của các hệ thống con, các
thiết bị mà BMS quản lý cũng sẽ có thơng báo nếu xảy ra sự cố ra màn hình, loa,
NGUYỄN HỒNG – CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN KHÓA 2005-2007
TỰ ĐỘNG HĨA TỊA NHÀ
2
máy in, và có thể được tiếp tục mở rộng để gửi thông báo đến từng người sử
dụng, vận hành qua email, SMS…
1.2 Tòa nhà thế nào thì được gọi là tịa nhà tự động ?
Câu trả lời đơn giản nhất có lẽ là tịa nhà có trang bị đầy đủ các hệ thống con
đã kể ở phần trên và hệ thống BMS. Nhưng tất nhiên câu trả lời này khơng làm
thoả mãn chúng ta. Có lẽ khi đánh giá về tòa nhà, ta hay dùng cụm từ “ Tịa nhà
có mức độ tự động hóa cao”, nhưng thế nào là tự động hóa cao thì khơng có một
định nghĩa rõ ràng. Trước khi có một tiêu chuẩn để phân loại mức độ tự động
hóa tịa nhà, ta tạm hiểu khi nhắc đến tự động hóa tịa nhà là nói đến tịa nhà có
qui mơ lớn, trang bị thiết bị hiện đại, có hệ thống điều khiển giám sát đầy đủ để
phục vụ cho nhiều người sử dụng. Sở dĩ phải nói đến khái niệm tịa nhà tự động
bởi vì ta muốn phân biệt với khái niệm ngôi nhà thông minh (Smart House).
Giữa hai khái niệm này có một số điểm chung, thiết kế ngơi nhà thông minh
cũng là trang bị hệ điều khiển giám sát tốt cho ngôi nhà. Nhưng ngôi nhà thông
minh muốn nhắc đến ngơi nhà có qui mơ nhỏ, thường chỉ phục vụ cho một ít
người.
Trên thực tế, do nhu cầu khác nhau của chủ đầu tư và sự hạn chế về vốn, nên
mức độ tự động hóa có thể rất khác nhau. Có những tịa nhà chỉ trang bị hệ
thống thang máy, hệ thống báo cháy, hệ thống thơng gió; có tòa nhà trang bị hệ
thống điều khiển chiếu sáng, hệ thống quản lý năng lượng; có tịa nhà có hệ
thống điều hòa trung tâm, hệ thống camera giám sát và an ninh. Việc đòi hỏi tất
cả các tòa nhà trang bị đầy đủ các hệ thống trên là thiếu thực tế. Và kèm theo đó,
hệ BMS cho mỗi tịa nhà cũng ở mức độ khác nhau. Nhưng chúng ta cũng nhận
thấy rằng, cùng với nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng thì việc trang bị
đầy đủ các hệ thống trên là phải được tính đến cho các tịa nhà. Tức là, khi xây
dựng những tòa nhà mới, nếu chưa đủ điều kiện thì kĩ sư xây dựng phải tính đến
khơng gian để có thể bổ xung các hệ thống còn thiếu. Còn kĩ sư tự động thiết kế
hệ BMS cũng cần tính đến khả năng tích hợp hệ thống BMS đang tồn tại với các
thiết bị mới. Muốn vậy, thì khi thiết kế hệ tự động hóa tịa nhà cần phải làm gì ?
Câu trả lời sẽ có ở những phần sau khi chúng ta đã tìm hiểu nhiều hơn về BMS.
1.3 Lý do chọn đề tài, mục đích, đối tượng và phạm vi
nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
NGUYỄN HOÀNG – CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN KHÓA 2005-2007
TỰ ĐỘNG HĨA TỊA NHÀ
3
Đề tài luận văn cao học: “NGHIÊN CỨU BÀI TỐN THIẾT KẾ HỆ TỰ
ĐỘNG HĨA VÀ ĐIỀU KHIỂN TỊA NHÀ TẠI VIỆT NAM” được tơi chọn
vì những lý do sau:
• Nhu cầu xây dựng tịa nhà cao ốc, khách sạn năm sao, sân bay, bệnh viện,
... hiện đại, sử dụng thuận tiện, an toàn và tiết kiệm năng lượng ở nước ta
hiện nay là rất lớn. Muốn đạt được điều này thì các tịa nhà cần được trang
bị hệ tự động hóa tịa nhà (BMS). Nhưng hiểu tường tận thế nào là tự động
hóa tịa nhà là khơng dễ khi chưa hề có một bộ tiêu chuẩn đầy đủ về tự
động hóa tịa nhà được đưa ra từ cơ quan quản lý nhà nước. Và cũng chưa
có mơn học của bất cứ nghành học nào chun sâu về tự động hóa tịa nhà,
cùng với đó là khơng có giáo trình hay sách tham khảo về vấn đề này.
• Chủ đầu tư chưa hiểu hết ý nghĩa, lợi ích của BMS mang lại nên có nhiều
cơng trình dù khơng khó khăn về vốn nhưng vẫn khơng trang bị BMS.
• Trong thực tế đối với các kĩ sư thiết kế hệ thống, các nhà thầu, và cả các
nhà quản lý khi gặp các hệ thống BMS đều có những khó khăn riêng. Đối
với kĩ sư thiết kế hệ thống thì tham khảo TCVN thực tế khơng có nhiều
thơng tin hữu ích, và các bản thiết kế thường mang tính tự phát, dựa nhiều
vào kinh nghiệm. Các nhà thầu thường khơng biết hồ sơ cần những tài liệu
gì và họ cần những chứng chỉ gì để đủ điều kiện tham gia thầu. Và cuối
cùng cơ quan quản lý nào chịu trách nhiệm phê duyệt và đủ trình độ thẩm
tra hồ sơ.
Mục đích của đề tài là tài liệu này sẽ làm rõ được những khái niệm về tự động
hóa tịa nhà, làm tài liệu tham khảo hữu ích cho các kĩ sư thiết kế hệ thống tự
động hóa tịa nhà, xây dựng một khung về các lựa chọn hệ BMS để chủ đầu tư
dựa vào đó ra bài tốn cho nhà thầu, lựa chọn nhà thầu thiết kế hệ BMS, chỉ ra
sự cần thiết phải xây dựng một bộ tiêu chuẩn đầy đủ về tự động hóa tịa nhà ở
Việt Nam.
Để đạt được mục đích trên, tơi đã tham khảo nhiều tài liệu khoa học, nhiều hồ
sơ thiết kế hệ BMS, và trao đổi với các kĩ sư thiết kế có kinh nhiệm. Tơi mong
muốn bản luận văn của mình khơng chỉ có ý nghĩa khoa học, mà cịn có ích trong
thực tiễn thiết kế hệ BMS ở Việt Nam.
1.4 BMS hay HTĐK&GS
BMS thực chất là hệ thống điều khiển và giám sát (HTĐK&GS) trong tự
động hóa tịa nhà. Vì vậy, BMS có đầy đủ chức năng của HTĐK&GS thơng
NGUYỄN HỒNG – CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN KHĨA 2005-2007
TỰ ĐỘNG HĨA TỊA NHÀ
4
thường. Để người đọc (nhất là các bạn sinh viên) có hệ thống kiến thức đầy đủ
trong tài liệu này, tơi xin trích dẫn một số kiến thức cơ bản từ tài liệu [1], [2].
Hình 1.4: Các chức năng của HTĐK&GS
Như minh hoạ ở hình 1.4, các chức năng của HTĐK&GS là: điều khiển cơ sở,
điều khiển vận hành & giám sát, điều khiển cao cấp, và an toàn hệ thống.
1.4.1 Điều khiển cơ sở
Điều khiển chuyên dụng cho thiết lập và duy trì một trạng thái cụ thể của
thiết bị hoặc quá trình. Chức năng điều khiển cơ sở có thể do các bộ điều khiển
thực hiện một cách tự động, hoặc do người vận hành trực tiếp đảm nhiệm.
• Điều chỉnh tự động (Regulatory Control): Nhiệm vụ điều chỉnh là thiết
lập hoặc duy trì đầu ra tại một giá trị đặt cho trước trong khi có tác động
của nhiễu.
• Điều khiển Servo, điều khiển bám (Servo Mechanism, Tracking
Problem): Nhiệm vụ của điều khiển bám là đầu ra bám theo một tín hiệu
chủ đạo liên tục thay đổi (biết trước hoặc khơng biết trước).
NGUYỄN HỒNG – CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN KHÓA 2005-2007
TỰ ĐỘNG HĨA TỊA NHÀ
5
• Điều khiển rời rạc (Discrete Control): Duy trì các trạng thái thiết bị quá
trình tại một giá trị đích lựa chọn từ một tập hợp các trạng thái ổn định
biết trước.
• Điều khiển trình tự (Sequence Control): Một lớp chức năng điều khiển
q trình cơng nghiệp với mục đích đưa q trình kĩ thuật qua một trình tự
các trạng thái riêng biệt.
1.4.2 Điều khiển vận hành & giám sát
Điều khiển vận hành và giám sát có sự tham gia, can thiệp trực tiếp của con
người để vận hành hệ thống được hiệu quả hơn. Người vận hành có khả năng
khởi động hệ thống, quan sát các đại lượng cần điều khiển và thay đổi giá trị đặt
cho chúng, thay đổi chế độ vận hành, chỉnh định tham số bộ điều khiển...
• Giao diện người máy (Human-Machine-Interface, HMI). Là chức năng
quan trọng nhất trong hệ thống điều khiển giám sát. Giao diện người máy
cung cấp các màn hình hiển thị hình ảnh chuẩn về hệ thống và thiết bị, các
hình ảnh đồ hoạ tự do, lưu đồ công nghệ, đồ thị thời gian thực và đồ thị
quá khứ, các tham số điều khiển, các bảng tóm tắt báo động. Giá trị của
các biến điều khiển được liên tục thu thập, lưu trữ và quản lý trong một hệ
thống cơ sở dữ liệu. Không những thế, các dữ liệu vận hành cũng được
liên tục lưu trữ để tiện theo dõi về sau. Hệ thống cơ sở dữ liệu là thành
phần trung tâm của phần mềm điều khiển giám sát.
• Quản lý dữ liệu q trình (Process Data Management). Các sự kiện hoặc
báo động được phần mềm điều khiển giám sát quản lý và thông báo tới
người vận hành qua nhiều hình thức khác nhau (hộp thoại thơng báo bất
thường, bảng tóm tắt, cịi báo động, tin nhắn SMS, ...).
• Lập báo cáo tự động (Reporting). Diễn biến của quá trình kĩ thuật cũng
như tình trạng hoạt động của hệ thống điều khiển được giám sát và lưu trữ
dưới dạng dữ liệu, và cũng được tổng hợp và lưu trữ dưới dạng báo cáo.
Các báo cáo có thể được tạo ra và in một cách tự động theo giờ, theo ngày,
theo tuần... hoặc theo các sự kiện trên cơ sở các biểu mẫu lập sẵn.
1.4.3 Điều khiển cao cấp
Chức năng điều khiển cao cấp được hiểu là chức năng điều khiển tự động
nằm phía trên điều khiển cơ sở, khơng làm việc trực tiếp với tín hiệu vào/ra.
NGUYỄN HỒNG – CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN KHĨA 2005-2007
TỰ ĐỘNG HĨA TỊA NHÀ
6
Chức năng điều khiển cao cấp có thể tự động tạo giá trị đặt hoặc can thiệp vào
các tham số điều khiển cơ sở. Thông thường, chức năng điều khiển cao cấp được
đặt ở phía trên hoặc cùng cấp với vận hành và giám sát.
1.4.4 An toàn hệ thống
Để đảm bảo vận hành hệ thống một cách an toàn và để bảo vệ con người, các
thiết bị máy móc và mơi trường xung quanh trong các trường hợp xảy ra sự cố.
Chính vì tầm quan trọng của vấn đề an tồn, chi phí cho đảm bảo chức năng này
đối với một số hệ thống có thể vượt xa chi phí cho thực hiện các chức năng điều
khiển thuần túy. Chức năng ghi chép (Recording), hiển thị (Indication), và báo
động (Alarm) giúp người vận hành theo dõi được các tình huống bất thường của
hệ thống, qua đó có những thao tác thích hợp. Cần lưu ý rằng, một hệ thống thiết
bị tự động tối tân nhất cũng có thể bị lỗi, ngay cả khi có cơ chế dự phịng thích
hợp. Một người vận hành có trình độ cao và giầu kinh nghiệm cũng khơng tránh
khỏi có thể mắc sai lầm. Vì vậy, một hệ thống phải có khả năng ngăn cản các
thao tác vận hành sai cũng như tự động phát hiện các tình huống nguy hiểm và tự
động thưc hiện các chức năng bảo vệ như ngắt cách ly hoặc dừng khẩn cấp.
Việc thực hiện các biện pháp đó dựa vào điều khiển khố liên động (Interlock
Control) cùng với các trang thiết bị an toàn, thiết bị bảo vệ (cơng tắc an tồn,
nút dừng khẩn cấp, rơle an toàn, ...).
1.5 BMS với giải pháp điều khiển phân tán
Hệ thống điều khiển và giám sát (HTĐK&GS) được ứng dụng trong tự động
hóa q trình (Process Automation), tự động hóa xí nghiệp (Factory
Automation), tự động hóa tịa nhà (Building Automation). Như đã đề cập ở
phần trước, HTĐK&GS trong tự động hóa tịa nhà chính là BMS. Hệ BMS được
ứng dụng ở công sở, trung tâm thương mại, khách sạn, nhà ga, sân bay, bệnh
viện, ... Ở đây có rất nhiều hệ thống con như hệ thống sưởi, hệ thống điều hòa,
hệ thống thang máy, hệ thống chiếu sáng, hệ thống cung cấp điện, hệ thống cung
cấp nước, hệ thống cung cấp gas, hệ thống thơng gió, hệ thống báo cháy, hệ
thống an ninh, hệ thống máy phát, ... Đặc điểm là trong một phạm vi tương đối
hẹp nhưng mức độ hỗn tạp cao, số lượng thiết bị lớn. Vì vậy, ứng dụng BMS
trong tự động hóa tịa nhà với giải pháp điều khiển phân tán được coi là giải pháp
lý tưởng.
NGUYỄN HỒNG – CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN KHĨA 2005-2007
TỰ ĐỘNG HĨA TỊA NHÀ
7
Một số hệ thống như hệ thống điện, hệ thống nước, hệ thống gas trang bị cho
tòa nhà trước đây chỉ được điều khiển hết sức thơ sơ. Tức là chỉ có hệ thống
đóng/cắt, như cấp điện hoặc không cấp điện, bơm nước hoặc không bơm nước.
Hay như hệ thống thang máy khơng có giao tiếp với hệ thống ĐK&GS và các hệ
thống khác. Và không phải tịa nhà nào cũng có hệ thống điều hịa trung tâm, hệ
thống an ninh, hệ thống quản lý vào/ra... Trang bị BMS cho tịa nhà thì trước hết
phải trang bị hệ thống điều khiển và chấp hành tốt cho các hệ thống con. Sau đó
mới tính đến việc tích hợp hệ thống, để các hệ thống con có thể giao tiếp với
máy tính vận hành, máy tính giám sát để có được hệ BMS hồn chỉnh. Bước đầu
ta có thể khẳng định, tịa nhà có lắp đặt các hệ thống con kể trên, các hệ thống
con được điều khiển tốt, các bộ điều khiển được nối mạng để có thể quản lý và
giám sát là xu hướng tất yếu trong xây dựng tòa nhà ở hiện tại và tương lai. Bởi
lợi ích của việc trang bị cho tịa nhà là khơng phải bàn cãi. Đó là tạo ra một mơi
trường sống và làm việc tiện nghi, an tồn. Những chi phí tăng do trang bị BMS
sẽ nhanh chóng được đền bù trong quá trình vận hành nhờ giảm chi phí vận hành
do tiết kiệm lao động, tiết kiệm năng lượng, tăng tuổi thọ thiết bị. Sau này khi đi
sâu hơn vào các bài tốn điều khiển, bài tốn tích hợp hệ thống ta sẽ thấy điều
này rõ hơn.
1.6 Lợi ích của việc trang bị hệ thống BMS cho tòa nhà
Những lợi ích của việc trang bị hệ thống BMS cho tịa nhà:
• Giảm chi phí do năng lượng tiêu thụ giảm.
• Giảm chi phí bảo dưỡng, vận hành do cần ít người tham gia vận hành,
giảm sai sót có thể xảy ra trong q trình vận hành.
• Tạo mơi trường thân thiện.
• Cải thiện năng lực và tiện nghi của người sử dụng.
• Đảm bảo an ninh tốt.
1.7 Thành phần cơ bản của hệ BMS
Hệ thống BMS bao gồm các thiết bị phần cứng và phần mềm. Một hệ BMS
thơng thường sẽ cần được trang bị:
• Phần cứng BMS:
• Hệ thống điều khiển HVAC.
• Hệ thống điều khiển chiếu sáng.
NGUYỄN HỒNG – CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN KHĨA 2005-2007
TỰ ĐỘNG HĨA TỊA NHÀ
8
Hệ thống giao tiếp với hệ thống báo cháy.
Hệ thống giao tiếp với hệ thống điện.
Hệ thống giao tiếp với hệ thống máy phát điện.
Hệ thống giao tiếp với hệ thống thang máy.
Hệ thống giao tiếp với tổng đài PBAX.
Hệ thống điều khiển cung cấp nước.
Hệ thống giao tiếp với hệ thống an ninh (Card truy cập/CCTV).
Hệ thống giao tiếp với các hệ thống con trong trung tâm dữ liệu (Điện,
chiếu sáng, hệ thống báo cháy, hệ thống phát hiện chất lỏng, hệ thống
điều hồ thơng gió, UPS).
• Phần mềm BMS:
• Phần mếm BMS cung cấp khả năng thu nhận thông tin, điều khiển,
giám sát, cấu hình trực tiếp từng bộ điều khiển tại các lớp mạng khác
nhau trong hệ thống.
• Cung cấp giao diện điều khiển thống nhất cho các hệ thống con.
• Giám sát hệ thống theo thời gian thực.
• Quản lý cảnh báo.
• Quản lý năng lượng.
• Quản lý vận hành.
• Lập lịch cho các thiết bị.
• Phân tích dữ kiện vận hành lịch sử.
•
•
•
•
•
•
•
•
1.8 Các bước khi thiết kế hệ BMS
Để thiết kế hệ BMS có nhiều cách tiếp cận khác nhau, trong đó kinh nghiệm
của thiết kế đóng vai trị quan trọng. Ta biết rằng, yêu cầu đầu tiên của hệ BMS
là hồn thành tốt các bài tốn điều khiển cơ sở. Với một hệ BMS thơng thường
có rất nhiều bài toán điều khiển. Với mỗi bài toán điều khiển người thiết kế cần
lựa chọn thiết bị đo, thiết bị chấp hành và bộ điều khiển. Ở thời điểm hiện nay,
việc ghép nối giữa bộ điều khiển với cảm biến và cơ cấu chấp hành, giữa các bộ
điều khiển trong hệ thống điều khiển phân tán, giữa bộ điều khiển và trạm vận
hành, sử dụng mạng truyền thông công nghiệp thay thế cho cách nối dây truyền
thống là không phải bàn cãi. Việc lựa chọn thiết bị là rất quan trọng, đặc biệt là
đối với bộ điều khiển. Yêu cầu khi lựa chọn thiết bị là đủ tính năng kỹ thuật để
hồn thành nhiệm vụ điều khiển và chi phí ít nhất. Ngưịi kỹ sư thiết kế hệ BMS
phải có cái nhìn tổng thể để đưa ra quy hoạch điều khiển cho tồn hệ thống. Tức
NGUYỄN HỒNG – CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN KHÓA 2005-2007
TỰ ĐỘNG HĨA TỊA NHÀ
9
là có bộ điều khiển dùng để điều khiển nhiều thiết bị, có bộ điều khiển dùng cho
một thiết bị, có thiết bị cần nhiều bộ điều khiển, có thiết bị cần cơ chế dự phịng
nóng, và phải tính đến khả năng mở rộng của hệ thống. Sau đó là lựa chọn cấu
trúc mạng truyền thơng thích hợp, lựa chọn cáp truyền thơng, lựa chọn Router,
Gateway, bộ lặp, bộ nối, lựa chọn cấu hình cho Server, cho trạm vận hành. Cuối
cùng là lựa chọn phần mềm BMS. Cách thiết kế trên là khơng chính thống, đi từ
dưới nên trên, mất nhiều thời gian nhưng thực tế lại được dùng nhiều.
Cách tiếp cận thứ hai thường được những người có nhiều kinh nghiệm thiết
kế áp dụng. Đầu tiên là ước lượng số bài toán điều khiển để lựa chọn cấu trúc
mạng điều khiển. Sau đó mới triển khai đến các bài toán điều khiển cơ sở. Nếu
khi triển khai nhận thấy cấu trúc này không phù hợp thì chọn lại cấu trúc mạng.
Cuối cùng là lựa chọn phần mếm BMS. Cả hai cách thiết kế trên có thể tóm tắt
như hình vẽ 1.8
Hình 1.8: Thiết kế BMS thông thường
Với cả hai cách thiết kế trên thường được áp dụng với tất cả hệ ĐK&GS chứ
không chỉ riêng hệ BMS. Ở đây ta chỉ nêu ra các bước thiết kế chính, cịn đi vào
chi tiết khi thiết kế hệ thống mạng thì có rất nhiều u cầu, kiến thức này sẽ
được trình bày ở phần tích hợp hệ thống. Để các đối tác truyền thơng có thể trao
NGUYỄN HỒNG – CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN KHĨA 2005-2007
TỰ ĐỘNG HĨA TỊA NHÀ
10
đổi dữ liệu với nhau thì cần có qui định về giao thức truyền thơng, kiến thức này
cũng sẽ được trình bày ở một phần riêng.
Do đặc thù BMS là hệ ĐK&GS trong tự động hóa tịa nhà nên thiết kế BMS
cũng có những điểm khác so với thiết kế hệ ĐK&GS thông thường. Hiện nay
chúng ta chưa có tiêu chuẩn thiết kế hệ BMS, các tập đoàn như ALC, Siemen,
ABB ... đều đưa ra các thiết kế mẫu. Chúng ta có thể tham khảo từ các thiết kế
này nhưng không nên quá phụ thuộc. Ở phần sau của luận văn tác giả sẽ giới
thiệu một ví dụ với phương pháp thiết kế: lựa chọn cấu trúc mạng và giao thức
truyền thông BACnet làm nền tảng trong thiết kế hệ BMS. Từ đó triển khai
các bài toán điều khiển cơ sở, và lựa chọn phần mềm BMS. Những ưu điểm của
phương pháp này so với các phương pháp truyền thống người đọc dễ nhận thấy
sau khi đọc hết chương 4 và chương 5.
Cần chú ý rằng, ở tất cả các phần trên tác giả đều dùng cụm từ “lựa chọn
phần mềm BMS”. Việc tự viết chương trình phần mềm khơng được bàn đến
trong bản luận văn này. Theo ý kiến cá nhân, mua và khai thác tốt phần mềm là
giải pháp hợp lý. Nếu có cơng ty trong nước có ý định đầu tư để xây dựng phần
mềm BMS thì cũng rất đáng hoan nghênh. Nhưng cần lưu ý là chi phí để đầu tư
là lớn, cần đội ngũ nhân lực trình độ cao, phần mềm phải đạt được một số chứng
chỉ tiêu chuẩn quốc tế về tự động hóa tịa nhà. Ví dụ như : BMA, BTL, IBC, ...
Việc đạt được các chứng chỉ trên là điều kiện bắt buộc ở nhiều nước để phần
mềm được phép sử dụng.
Điều cuối cùng cần bàn trong phần này là không phải bao giờ kỹ sư thiết kế
cũng được tham gia vào công việc từ đầu. Thiết kế hệ thống hồn tồn mới thì có
nhiều giải pháp lựa chọn. Thiết kế hệ thống khi đã có một số hệ điều khiển của
hệ con thì cần cân nhắc xem có thể sử dụng các thiết kế cũ hay cần thay mới
hoàn toàn.
1.9 Về nội dung của luận văn
Chương 2 tiếp theo trình bày những vấn đề về cấu trúc hệ thống, mơ hình
phân cấp chức năng, và giải pháp điều khiển phân tán trong tự động hóa tịa nhà.
Chương 3 đưa ra một số bài toán điều khiển cơ sở, cách phân tích, lập biểu đồ
điều khiển, bảng tổng kết về các điểm điều khiển giám sát.
Chương 4 giới thiệu cấu trúc mạng và giao thức truyền thông BACnet, giải
pháp đã được chứng minh là phù hợp với tự động hóa tịa nhà.
Chương 5 bàn về vấn đề tích hợp hệ thống, một số tiêu chuẩn với phần mềm
BMS. Một ví dụ về thiết kế hệ BMS đã được triển khai trong thực tế.
NGUYỄN HOÀNG – CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN KHÓA 2005-2007
TỰ ĐỘNG HĨA TỊA NHÀ
11
Chương 6 chỉ ra sự cần thiết phải xây dựng một bộ tiêu chuẩn về tự động hóa
tịa nhà ở Việt Nam. Đưa ra một khung các lựa chọn với hệ BMS để chủ đầu tư
có thể tham khảo khi ra bài toán, khi lựa chọn bài tốn thiết kế hệ BMS.
NGUYỄN HỒNG – CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN KHÓA 2005-2007
TỰ ĐỘNG HĨA TỊA NHÀ
12
Chương 2:
Cấu trúc hệ thống
2.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống BMS
Cấu trúc cơ bản của một hệ BMS khơng khác gì cấu trúc cơ bản của một hệ
ĐK&GS thơng thường, trích dẫn từ tài liệu [1].
Hình 2: Cấu trúc cơ bản của hệ BMCS
Hình 2.1: Cấu trúc cơ bản của hệ thống ĐK&GS
Hệ BMS có các thành phần cơ bản sau:
• Hệ thống máy tính điều khiển hoặc bộ điều khiển chuyên dụng: Các hệ
thống máy tính điều khiển chun dụng hoặc phổ thơng, hoặc các bộ điều
chuyên dùng trong ứng dụng tự động hóa tịa nhà.
NGUYỄN HỒNG – CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN KHĨA 2005-2007
TỰ ĐỘNG HĨA TỊA NHÀ
13
• Giao diện q trình: Giao diện giữa các máy tính điều khiển với hệ thống
kỹ thuật thông qua các thiết bị đo lường và truyền động.
• Hệ thống điều khiển giám sát: Các thiết bị và phần mềm giao diện người
máy, các trạm kỹ thuật, các trạm vận hành, giám sát và điều khiển cao cấp.
• Hệ thống truyền thơng: Ghép nối điểm-điểm, bus cảm biến/chấp hành, bus
trường, bus hệ thống.
• Hệ thống bảo vệ: Các thiết bị bảo vệ và cơ chế thực hiện chức năng an
tồn hệ thống.
So với thời kì đầu xuất hiện vào những năm 1950, hệ ĐK&GS ứng dụng
trong tự động hóa tịa nhà đã có nhiều thay đổi cả về phạm vi và cấu hình hệ
thống. Cũng như trong các lĩnh vực tự động hóa q trình và tự động hóa xí
nghiệp, lĩnh vực tự động hóa tịa nhà ngày nay chuyển hướng sang cấu trúc phân
tán. Nguyên nhân chủ yếu là tiến bộ của các hệ thống bus trường cùng với sự
phổ biến của các thiết bị cận trường thông minh. Sự phân tán mang lại nhiều ưu
thế so với cấu trúc xử lý thông tin cổ điển, như độ tin cậy và tính linh hoạt của hệ
thống, nhưng mặt khác cũng tạo ra hàng loạt thách thức cho giới sản xuất và
người tiêu dùng. Một trong những vấn đề thường gặp là tích hợp hệ thống. Tích
hợp theo chiều ngang đòi hỏi khả năng tương tác giữa các thiết bị tự động hóa
của nhiều nhà sản xuất khác nhau. Bên cạnh đó, tích hợp theo chiều dọc đòi hỏi
khả năng kết nối giữa các ứng dụng cơ sở như đo lường, điều khiển với các ứng
dụng cao cấp hơn như điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (Supervisory
Control and Data Acquisition, SCADA), giao diện người máy (Human
Machine Interface, HMI), và hệ thống điều hành sản xuất (Manufactoring
Exection System, MES). Vấn đề tích hợp hệ thống sẽ được thảo luận kĩ hơn ở
phần sau.
2.2 Mơ hình phân cấp chức năng cho hệ tự động hóa nói
chung
Mơ hình phân cấp chức năng cho hệ thống tự động hóa nói chung thường
được áp dụng như hình vẽ 2.2
NGUYỄN HỒNG – CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN KHĨA 2005-2007
TỰ ĐỘNG HĨA TỊA NHÀ
14
Hình 2.2: Mơ hình phân cấp chức năng hệ thống tự động hóa trong cơng nghiệp
• Định nghĩa các cấp theo chức năng, không phụ thuộc lĩnh vực cơng nghiệp
cụ thể. Mỗi cấp có chức năng và đặc thù khác nhau.
• Với mỗi ngành cơng nghiệp, lĩnh vực ứng dụng có thể có các mơ hình
tương tự với số cấp nhiều hoặc ít hơn.
• Ranh giới giữa các cấp khơng phải bao giờ cũng rõ ràng.
• Càng ở những cấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn
và địi hỏi u cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng.
• Càng ở cấp trên quyết định càng quan trọng hơn, lượng thông tin cần trao
đổi và xử lý càng lớn hơn.
• Phân cấp tiện lợi cho cơng việc thiết kế hệ thống.
2.3 Mơ hình phân cấp chức năng cho hệ tự động hóa tịa
nhà
Lĩnh vực tự động hóa tịa nhà có đặc điểm riêng khác với lĩnh vực tự động
quá trình và tự động hóa xí nghiệp. Trong hai lĩnh vực tự động hóa kia, mục đích
của hệ thống ĐK&GS là để sản xuất tốt, tạo ra sản phẩm công nghiệp đủ tiêu
chuẩn chất lượng. Vì vậy, bài tốn điều khiển thường tương đối phức tạp, các bài
toán điều khiển thường có liên hệ chặt chẽ trực tiếp với nhau. Ở lĩnh vực tự động
NGUYỄN HOÀNG – CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN KHÓA 2005-2007
TỰ ĐỘNG HĨA TỊA NHÀ
15
hóa tịa nhà, các bài tốn điều khiển thường là bài tốn điều khiển nhỏ. Ít có mối
liên hệ trực tiếp giữa các bài tốn điều khiển này. Tuy nhiên trong một phạm vi
địa lý hẹp, mức độ hỗn tạp cao thì tích hợp hệ thống là vấn đề khó khăn nhất.
Cũng cần nói thêm về nguyên nhân gây ra sự hỗn tạp này là ta thưịng chọn
nhiều bộ điều khiển có cơng năng nhỏ để điều khiển các bài toán đơn giản (khi
chọn thiết bị điều khiển cũng như thiết bị trường ta chọn thiết bị đạt yêu cầu chứ
không phải thiết bị mạnh nhất hay đắt nhất), chọn các bộ điều khiển chuyên dụng
có cơng năng lớn hơn cho một số bài tốn phức tạp như điều khiển hệ thống
HVAC. Và thêm một nguyên nhân là q trình đầu tư xây dựng khơng phải bao
giờ cũng đồng bộ, một số hệ thống được đầu tư bổ sung so với cơng trình ban
đầu. Mơ hình phân cấp chức năng cho lĩnh vực tự động hóa tịa nhà do vậy cũng
có một chút khác biệt thường như hình vẽ 2.3
MANAGEMENT
LEVEL
Peripheral
Divices
OPERATIONS
LEVEL
Peripheral
Divices
SYSTEM
LEVEL
CONTROLER
ZONE LEVEL
CONTROLER
AND
INTELIGENT
SENSORS
AND
ACTUATORS
To
Sensors
and
Actuator
s
A
To Sensors
and
Actuators
Actuator
Hình 2.3: Mơ hình phân cấp chức năng tự động hóa tịa nhà
NGUYỄN HỒNG – CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN KHÓA 2005-2007
TỰ ĐỘNG HĨA TỊA NHÀ
16
Cấp dưới cùng là cấp trường gồm các bộ điều khiển trường và các thiết bị
cảm biến, chấp hành (ZONE LEVEL CONTROLER AND INTELIGENT
SENSORS AND ACTUATORS). Nó tương ứng vói cấp chấp hành và cấp điều
khiển trong mơ hình phân cấp chức năng trong cơng nghiệp. Bộ điều khiển cấp
trường là bộ điều khiển số (DDC-Digital Direct Controler), điều khiển trực tiếp
các thiết bị trường. Phần mềm quản lý năng lượng cũng có thể cài đặt ở các bộ
điều khiển này. Tại cấp trường, các cảm biến và cơ cấu chấp hành giao tiếp trực
tiếp với bộ điều khiển. Một hệ bus truyền thông nối mạng các bộ điều khiển cấp
trường với nhau, vì vậy thơng tin về các điểm điều khiển có thể được chia sẻ
giữa các bộ điều khiển khi cần thiết. Các bộ điều khiển này cũng sẵn sàng cung
cấp thông tin cho bộ điều khiển cấp trên hoặc cấp điều hành, cấp quản lý khi
được yêu cầu.
Cấp điều khiển hệ thống (SYSTEM LEVEL CONTROLER) gồm các bộ
điều khiển cấp hệ thống, đó là các bộ điều khiển có nhiều tính năng, khả năng
điều khiển hơn bộ điều khiển cấp trường. Thường bộ điều khiển cấp hệ thống
thực hiện chương trình điều khiển phức tạp, điều khiển các thiết bị quan trọng
như Chiller, Boiller, thang máy, ... Đây cũng là đặc trưng riêng biệt ở hệ thống tự
động hóa tịa nhà, trên cấp điều khiển không phải là cấp điều khiển giám sát. Vì
khi phân loại các bài tốn điều khiển trong tịa nhà, có một số bài tốn điều khiển
lớn, cần sử dụng các bộ điều khiển chuyên dụng có nhiều chức năng hơn. Thiết
kế hệ thống như vậy thể hiện tính module, sẽ có nhiều thuận lợi cho việc tích
hợp cũng như mở rộng hệ thống (nếu có). Chức năng điều khiển giám sát được
thực hiện ở cấp trên.
Cấp điều hành (OPERATIONS LEVEL) thường là các máy tính, người vận
hành có thể can thiệp vào sự vận hành của các thiết bị qua các máy tính này. Các
màn hình giám sát cũng được lắp đặt ở cấp này. Một số phần mềm ứng dụng
thường được cài đặt ở cấp vận hành là:
• Hệ thống bảo mật: Giới hạn sự truy nhập và vận hành của người vận hành
ở mức cho phép.
• Hệ thống truy nhập: Cho phép người ta có thể lựa chọn và lấy ra dữ liệu.
Hệ thống bảo mật và truy nhập có thể gộp lại làm một gọi là hệ thống an
ninh mạng, mỗi người được phép truy nhập sẽ được cấp một Password
riêng, thông qua Password sẽ phân cấp quyền truy nhập, như chỉ được
phép đọc một số thông tin, được phép lấy dữ liệu, được phép chỉnh sửa dữ
liệu, hay có thể thay đổi chương trình điều khiển…Vấn đề an ninh mạng
và sự bảo mật không được bàn đến ở đây, nhưng phải khẳng định rằng đó
là vấn đề hết sức quan trọng trong hệ thống tịa nhà, và cần phải được đầu
NGUYỄN HỒNG – CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN KHÓA 2005-2007
TỰ ĐỘNG HĨA TỊA NHÀ
•
•
•
•
•
•
17
tư đúng mức. Đặc biệt ở các tòa nhà hiện đại, trên Sever cài đặt phần mềm
trên nền Web, đảm bảo khả năng truy nhập thông tin từ mọi nơi có nối
mạng, thì cũng dễ bị tấn cơng từ bên ngồi. Tùy theo mức độ quan trọng
của tịa nhà có thể u cầu giải pháp an ninh mạng khác nhau.Ví dụ như,
máy tính có thể khóa với phương tiện lưu trữ của nó là ổ khố; bạn chỉ có
một cách duy nhất có thể sử dụng là thơng qua các Terminal (thiết bị cuối)
từ xa, có trang bị màn hình nhưng khơng có ổ đĩa. Cũng cần lưu ý thêm
rằng, sự an tồn khơng được ngăn trở người quản lý, người vận hành trong
công việc. Lời khuyên tốt nhất là tìm đến các chuyên gia an ninh mạng
ngay từ khi bắt đầu xây dựng hệ thống mạng.
Phần mềm định dạng dữ liệu: Dữ liệu được mã hoá, truyền tải, hiển thị, in
ấn đều theo định dạng chung.
Chương trình tùy chỉnh (Custom Programming): Các chương trình được
phát triển ở cấp vận hành, sau đó được Down load xuống các bộ điều
khiển cấp hệ thống và điều khiển cấp trường.
Đồ thị: Xây dựng những đường đồ thị, biểu diễn cả dữ liệu động và tĩnh.
Lập báo cáo: Tự động cung cấp báo cáo theo định kỳ về tình trạng làm
việc, hoạt động cảnh báo, phân tích, đánh giá, tổng kết chung về thời gian
làm việc, hiệu suất, hoạt động bảo dưỡng và thời gian cần bảo dưỡng,
chẩn đoán lỗi nếu có.
Lập lịch: Có khả năng lập lịch, thay đổi lịch theo yêu cầu cho thiết bị làm
việc.
Tích hợp hệ thống: Cung cấp khả năng tích hợp với một số hệ con, một số
thiết bị của nhà cung cấp khác, giao diện khi tích hợp.
Cấp quản lý (MANAGEMENT LEVEL): Là các máy tính, sử dụng bởi
người quản lý, có chức năng thu thập, lưu trữ, và xử lý dữ liệu. Lập báo cáo về
năng lượng sử dụng, chi phí vận hành, các hoạt động cảnh báo. Đây là cấp cao
nhất trong mơ hình phân cấp chức năng, nó có thể truy cập dữ liệu cũng như đến
tận các điểm điều khiển của các cấp thấp hơn. Trong nhiều trường hợp, cấp quản
lý thông tin được kết hợp với cấp điều hành thông tin.
2.4 Điều khiển phân tán (Distributed Control, Decentralized
Control)
NGUYỄN HỒNG – CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN KHĨA 2005-2007
