Hệ thống thông minh giám sát quản lý tòa nhà, giải pháp tiết kiệm năng lượng cho các cao ốc intelligent bullding management system (ibms)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------------------

NGUYỄN TẤN TỒN

HỆ THỐNG THƠNG MINH GIÁM SÁT –
QUẢN LÝ TÒA NHÀ, GIẢI PHÁP TIẾT
KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO CÁC CAO ỐC
Intelligent BUILDING MANAGEMENT
SYSTEM (Ibms)

Chuyên ngành: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11 NĂM 2009


1

Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS

MỤC LỤC
Chương 1: Giới thiệu giải pháp iBMS
1.1. Giới thiệu đề tài luận văn
1.2. Mục tiêu của đề tài luận văn
1.3. Mục tiêu và phạm vi của giải pháp iBMS
1.4. Các hệ thống cơ điện – lạnh trong một cao ốc
1.5. Phương diện kinh tế - kỹ thuật của giải pháp iBMS
1.6. Định nghĩa các thuật ngữ sử dụng trong giải pháp iBMS

1.7. Cấu hình phần cứng của giải pháp iBMS
Chương 2: Các thông số kỹ thuật mà iBMS phải thu thập, giám sát và xử lý
2.1. Tín hiệu đường vào (Input) và đường ra (Output)
2.2. Các thông số kỹ thuật mà iBMS phải thu thập, giám sát và xử lý
Chương 3: Mạng truyền thông trong giải pháp iBMS
3.1. Giao thức truyền thông trong giải pháp iBMS
3.2. Mạng truyền thông trong giải pháp iBMS
Chương 4: Phần mềm trong giải pháp iBMS
4.1. Tính năng phần mềm hệ thống
4.2. Phương thức vận hành hệ thống
Chương 5: Nghiên cứu ứng dụng giải pháp iBMS cho cơng trình cao ốc Trung Tâm Thương Mại
Dầu Khí Hà Nội
5.1. Cơ sở kinh tế - kỹ thuật của việc ứng dụng giải pháp iBMS
5.2. Kiến trúc tổng quan hệ thống iBMS
5.3. Sơ đồ thiết kế tổng thể giải pháp iBMS
5.4. Ứng dụng giải pháp iBMS để điều khiển quản lý toàn bộ hệ thống kỹ thuật
5.5. Ứng dụng giải pháp iBMS đem lại khả năng tích hợp tồn bộ hệ thống kỹ thuật
5.6. Nhận xét kết quả
Chương 6: Giải pháp iBMS với mục tiêu tiết giảm năng lượng
6.1 Giải pháp tiết giảm điện năng với hệ thống điều khiển chiếu sáng
6.2 Giải pháp tiết giảm điện năng với hệ thống điều hịa khơng khí
Chương 7: Kết luận & Nhận định của đề tài luận văn

Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS. Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn

Trang 1


2

Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS

Đề tài:
HỆ THỐNG THÔNG MINH GIÁM SÁT - QUẢN LÝ TÒA NHÀ
GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO CÁC CAO ỐC
iBMS (intelligent BUILDING MANAGEMENT SYSTEM)

Chương 1: Giới thiệu giải pháp iBMS (intelligent BUILDING
MANAGEMENT SYSTEM)
1.1 Giới thiệu đề tài luận văn:
a. Bối cảnh thế giới:
Thuật ngữ BMS (BUILDING MANAGEMENT SYSTEM) ra đời vào những năm 1970.
Khởi nguyên của BMS xuất phát từ EMS (Energy Management System) là hệ thống quản lý và
giám sát năng lượng của hệ thống HVAC (Heating& Ventilating Air Conditioning) – hệ thống
nhiệt lạnh và điều hịa khơng khí của các tịa nhà lớn – EMS ra đời từ yêu cầu phải quản lý và
giám sát hệ thống HVAC mà theo thống kê phụ tải HVAC chiếm tới 65% tổng phụ tải tiêu thụ
trong một tòa cao ốc.
Trong quá trình phát triển của mình, iBMS đã thay đổi rất nhiều kể cả trên phương diện phạm
vi và cấu hình hệ thống. Cùng với sự tiến bộ vượt bậc của ngành công nghệ thông tin và viễn
thông, iBMS đã “tiến hóa” từ hệ thống điều khiển giám sát đơn giản trở thành hệ thống điều
khiển vi tính hóa tích hợp tồn diện các hệ thống trong vận hành một cao ốc (totally integrated
computerize control).
Mặt khác về phương diện kỹ thuật, iBMS là một cơng nghệ mang tính giải pháp cho nên ứng
với một dự án cụ thể thì sẽ có những giải pháp riêng đáp ứng u cầu của chủ đầu tư đặt ra,
tương ứng với một giải pháp thiết kế kỹ thuật, cung cấp thiết bị lắp đặt kèm theo của những
công ty chuyên gia về cơng nghệ tự động hóa - kỹ thuật điện như Honeywell, Johnson Controls,
Siemens, t.a.c-Schneider Electric…. Tuy nhiên các giải pháp-thiết kế kỹ thuật tạo nên thuật ngữ
iBMS này đều có thể nhận diện và nghiên cứu chúng bằng những cấu trúc – thiết kế kỹ thuật
mang tính chung nhất.

Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS. Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn

Trang 2


3

Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS
b. Bối cảnh Việt Nam:

Làn sóng đầu tư bất động sản của các nhà đầu tư nước ngoài vào các cao ốc ở Việt Nam, đặc
biệt ở TP.HCM những năm 1995-1997 làm diện mạo thành phố thay đổi rất nhiều với các cao
ốc, khách sạn như New World Hotel, Saigon Trade Center, Saigon Center, Metropolitan, Saigon
Tower, Sheraton Hotel, Sofitel Plaza…những cơng trình tạo nên dấu ấn của một TPHCM hiện
đại cho đến ngày nay; Tuy nhiên thế mà công nghệ iBMS vẫn chưa được ứng dụng vào các cơng
trình nêu trên.
Chỉ đến khi làn sóng đầu tư thứ hai bắt đầu từ năm 2006 khi Việt Nam có sự hịa nhập mạnh
mẽ với nền kinh tế lớn tồn cầu, Việt Nam gia nhập WTO…thì những cơng trình cao ốc đẳng
cấp cao cấp với những ứng dụng iBMS đã và đang được triển khai lắp đặt và vận hành như:
cơng trình Hilton Ha Noi Opera Hotel, Sân Vận Động Quốc Gia Mỹ Đình, cơng trình cao ốc
khách sạn 5 sao quốc tế Times Square- 43 tầng, cơng trình cao ốc “Bitexco Financial Tower”-68
tầng, cơng trình tịa nhà đài truyền hình Tp.HCM - HTV, cơng trình cao ốc Trung Tâm Thương
Mại Dầu Khí Hà Nội.
Điều đó cho thấy cơng nghệ iBMS chỉ mới được ứng dụng vào lắp đặt cho các cao ốc đẳng
cấp cao cấp ở Việt Nam chưa đầy 5 năm nay. Tuy nhiên iBMS ở Việt Nam hiện nay chỉ đang
giới hạn trong phạm vi thi công lắp đặt, còn lĩnh vực nghiên cứu về thiết kế kỹ thuật-cơng nghệ,
hệ thống hóa lý thuyết về ngun lý thiết kế-vận hành, truyền thơng…của một iBMS hồn chỉnh
chưa hề được quan tâm. Thậm chí tình hình này cũng đang là đặc điểm chung trên thế giới ngày
nay. Công nghệ iBMS đang nằm trong tay một số công ty nước ngồi chun nghiên cứu về
ngành tự động hóa –cơng nghiệp điện năng như Honeywell, Johnson Controls, Siemens, t.a.cSchneider Electric; Và mỗi công ty nghiên cứu phát triển iBMS về thiết kế và sản phNm theo

hướng riêng của mình như là một bí mật cơng nghệ riêng. Điều này gây khó khăn rất lớn cho
các Kỹ Sư chuyên về tư vấn thiết kế hệ thống Cơ-Điện Lạnh cho các cao ốc khi muốn tiếp cận
với cơng nghệ thiết kế iBMS, cịn các Kỹ Sư Việt Nam thực hành công việc lắp đặt iBMS tại
các cao ốc cũng đang gặp phải nhiều khó khăn do chưa có những tài liệu nghiên cứu về nguyên
lý thiết kế kỹ thuật, nguyên lý vận hành& điều khiển cũng như truyền thơng của iBMS một cách
hồn chỉnh.
1.2 Mục tiêu của đề tài luận văn:
Luận văn “Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát Quản Lý Tịa Nhà’ – giải pháp iBMS chủ yếu
hướng đến hai mục tiêu chính sau:
Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS. Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn

Trang 3


4

Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS
a. Nghiên cứu iBMS là giải pháp tiết kiệm năng lượng:

Vấn đề tiết kiệm năng lượng hiện nay đang ngày càng trở nên cấp thiết trong hoàn cảnh năng
lượng hóa thạch đã trở nên cạn kiệt. Việc nghiên cứu và ứng dụng iBMS cho các cao ốc cao cấp
vốn tiêu thụ một lượng năng lượng điện đáng kể có thể mang lại hiệu suất tiết kiệm điện năng
lên đến 30%; Mang lại một giá trị kinh tế thực tế đáng kể cho các chủ đầu tư dự án và đóng góp
vào thực hiện chủ trương tiết kiệm năng lượng phục vụ cho cộng đồng xã hội nói chung.
b. Yêu cầu thực tế về tài liệu cho giải pháp iBMS ở Việt Nam:
Việc nghiên cứu và hệ thống hóa các tài liệu rời rạc hiện nay của giải pháp iBMS cũng như
đúc kết những kinh nghiệm lắp đặt iBMS ở Việt Nam nhằm tạo thành một tài liệu mang tính học
thuật ở Việt Nam hiện nay đang là một yêu cầu cần thiết thực tế đối với các Kỹ Sư Việt Nam
đang làm việc trong lĩnh vực thiết kế và thực hành lắp đặt giải pháp iBMS, Cơ – Điện - Lạnh tại
các dự án xây dựng cao ốc lớn và cao cấp tại Việt Nam.

1.3 Mục tiêu và phạm vi ứng dụng của giải pháp iBMS:
a. Mục tiêu:
Giải pháp iBMS ứng dụng cho các cao ốc nhằm đạt đến hai mục tiêu chính:
•

Giải pháp tích hợp & tối ưu hóa vận hành tất cảc các hệ thống trong cao ốc: một hệ
thống iBMS thực thụ cho phép người quản lý điều khiển, phối hợp hoạt động và
giám sát từ trung tâm tồn bộ các hệ thống của tịa nhà nhằm đảm bảo quá trình vận
hành của các hệ thống này một cách tối ưu, chính xác và hiệu quả. Việc phối hợp các
hoạt động của các hệ thống này thông qua công cụ giao tiếp, thống kê, phát hiện tự
động… sẽ giúp đáp ứng tốt nhất các yêu cầu về mức độ sử dụng, đảm bảo an ninh,
bảo trì, bảo hành, an tồn, cũng như tạo ra một môi trường làm việc thân thiện, tiện
nghi, và thoải mái nhất cho những người tham gia hoạt động trong tòa nhà, góp phần
nâng cao hiệu quả hoạt động của tịa cao ốc và những người làm việc.

•

Giải pháp tiết kiệm năng lượng cho các cao ốc: chức năng tích hợp& tối ưu hóa vận
hành của các hệ thống cơ điện – lạnh, đặc biệt là hệ thống nhiệt lạnh và hệ thống đèn
chiếu sáng vốn chiếm đến 80% công suất phụ tải tiêu thụ đã đem lại khả năng tiết
giảm đến 30% tổng điện năng tiêu thụ của một cao ốc.

b. Phạm vi ứng dụng của giải pháp iBMS:
Tuy nhiên, ứng dụng công nghệ iBMS cho đến thời điểm hiện tại chỉ giới hạn trong các cơng
trình cao ốc qui mô lớn và đẳng cấp cao cấp, do các chủ đầu tư phải tính tốn cân nhắc giữa việc
Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS. Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn

Trang 4

5

Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS

đầu tư ban đầu vào iBMS vốn yêu cầu chi phí rất cao và hiệu quả kinh doanh – đẳng cấp của các
cơng trình cao ốc mà họ đang đầu tư.
1.4 Các hệ thống cơ điện-lạnh trong một cao ốc:
Hệ thống Cơ – Điện – Lạnh, đối tác làm việc của giải pháp iBMS trong một cao ốc bao gồm
các hệ thống:
•

Hệ thống cung cấp năng lượng điện (POWER SYSTEM)

•

Hệ thống chiếu sáng (LIGHTING SYSTEM)

•

Hệ thống điều hịa khơng khí – HVAC (HEATING VENTILATION AIR CONDITIONING)

•

Thang máy – (Vertical Transportation)

•

Hệ thống an ninh (SECURITY SYSTEM)

•

Hệ thống truy cập vào ra – (ACCESS CONTROL SYSTEM)

•

Hệ thống báo cháy và chữa cháy (FIRE ALARM & FIRE PROTECTION SYSTEM)

•

Hệ thống thơng tin liên lạc (TELECOMMUNICATION SYSTEM)

Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS. Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn

Trang 5


Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS

6

1.5 Phương diện kinh tế kỹ thuật của giải pháp iBMS:
Các tịa cao ốc khơng có giải pháp iBMS vẫn hoạt động bình thường. Tuy nhiên việc ứng dụng
giải pháp iBMS mang lại khả năng tối ưu hóa vận hành tịa nhà, đặc biệt là lợi ích to lớn về vấn
đề tiết giảm điện năng tiêu thụ xét trên phương diện kinh tế và kỹ thuật.
a. Cơ sở kinh tế:
Giải pháp iBMS thực sự đem lại lợi ích to lớn về kinh tế cho các chủ đầu tư thông qua việc tiết
giảm đáng kể nguồn điện năng tiêu thụ của hệ thống nhiệt lạnh-thơng gió và hệ thống chiếu sáng
vốn chiếm đến 80% tổng điện năng tiêu thụ khi vận hành tòa cao ốc.
Giải pháp iBMS đem lại khả năng tiết giảm đến 30% tổng điện năng tiêu thụ cho việc vận
hành một cao ốc.

Xét một cơng trình cao ốc khách sạn 5 sao đẳng cấp quốc tế tọa lạc tại trung tâm Tp.HCM, 43
tầng, diện tích sàn xây dựng lên đến khoảng 85000 m2.
Tổng vốn đầu tư cho cơng trình trình cao ốc khách sạn 5 sao quốc tế này khoảng 125 triệu USD.
Tổng công suất hệ thống điện: 10 MVA.
Tổng công suất điện cung cấp cho hệ thống Lạnh& Thơng gió: 6, 5 MVA
Tổng cơng suất điện cung cấp cho hệ thống đèn chiếu sáng: 1, 5 MVA.
Tổng công suất điện cung cấp cho các hệ thống khác: 20 MVA.
Điện năng tiêu thụ được tiết giảm theo tính tốn sơ lược như sau:
(Điện năng tiêu thụ của HT Lạnh &Thơng gió – Đèn chiếu sáng) x hệ số cơng suất x hệ số phụ
tải trung bình thực tế x thời gian hoạt động trung bình của tòa nhà x tiền điện theo giá kinh
doanh x số ngày hoạt động của tòa nhà trong 1 tháng x hệ số tiết giảm điện năng nhờ giải pháp
iBMS
(80% x 10 000 kVA) x 0,95 x 0,85 x 20 giờ x 2700 đồng/kWh x 30 ngày x 30% = 3,14 tỷ đồng
Tương đương tiết kiệm được 186 325 USD trong một tháng.
Khả năng thu hồi vốn đầu tư:
Theo thống kê của cơng ty tư vấn thiết kế thì suất đầu tư trung bình giải pháp iBMS cho cơng
trình cao ốc cao cấp là: 73, 5 USD/ m2
Tỷ suất đầu tư cho ứng dụng giải pháp iBMS:
73, 5 USD x 85 000 m2 / 125 triệu USD = 5 %
Vậy thời gian hoàn vốn đầu tư: 73, 5 USD x 85 000 m2 / 186 325 x 12 = 3 năm.
Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS. Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn

Trang 6


Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS

7

Trong khi đó, tuổi thọ hoạt động trung bình của một tịa cao ốc là 30 năm.

b. Cơ sở kỹ thuật:
b1. Yếu tố thiết kế: giải pháp iBMS mang lại khả năng tối ưu hóa vận hành tịa nhà.
Ngồi ra, nếu giải pháp iBMS được tính đến ngay từ giai đoạn thiết kế ban đầu thì “trục cáp
chính“(Backbone network) của các hệ thống sau sẽ được tích hợp trong một thiết kế tổng thể
của giải pháp iBMS:
•

Hệ thống an ninh (SECURITY SYSTEM)

•

Hệ thống truy cập vào ra – (ACCESS CONTROL SYSTEM)

•

Hệ thống báo cháy (FIRE ALARM SYSTEM)

Điều này có ý nghĩa tối ưu hóa trong khâu thiết kế và đương nhiên là dẫn đến tiết kiệm chi phí
đầu tư cho việc phải lắp đặt các “trục cáp chính” cho mỗi hệ thống trên một cách riêng biệt.
b2. Yếu tố vận hành các hệ thống trong cao ốc:
Trong một cụm cao ốc lớn và cao cấp, các hệ thống Cơ – Điện Lạnh, báo cháy, an ninh… hoạt
động rất phức tạp.
Giải pháp iBMS có thể gọi là “SCADA trong một cao ốc” với ý nghĩa: iBMS thu thập, giám
sát và xử lý các tín hiệu đầu vào của tất cả mọi hệ thống Cơ – Điện Lạnh, báo cháy, an ninh….
Xuất ra các cảnh báo, báo cáo, lập trình để tối ưu hóa cho hoạt động và tập trung hóa việc điều
khiển các của các hệ thống này do tính chất ”tích hợp” của nó.
Nói cách khác, iBMS là giải pháp giúp tối ưu hóa điều hành tất cả hệ thống Cơ – Điện Lạnh,
báo cháy, an ninh…một cách chuyên nghiệp hơn.
1.6 Định nghĩa các thuật ngữ sử dụng trong giải pháp iBMS:
a. Architecture – Cấu trúc trong giải pháp iBMS: là mơ hình cấu trúc mạng bao gồm một tổ

chức của các thành phần phần cứng và phần mềm tạo nên một hệ thống.
Trong cấu trúc phân lớp, những phân bậc sẽ được phân chia đảm nhận những chức năng khác
nhau.
b. Hardware - Phần cứng trong giải pháp iBMS: là toàn bộ các thiết bị nằm trong và tạo nên
cấu trúc mạng; bao gồm các bộ vi xử lý ở các cấp độ khác nhau, phần mềm tích hợp sẵn trong
các bộ vi xử lý, cáp nguồn và cáp truyền thông, các thiết bị hiển thị đèn LED của các bộ vi xử
lý, các loại thiết bị cảm biến, bộ chuyển đổi tín hiệu analogue

digital, các relay.

c. Software - Phần mềm trong giải pháp iBMS: Trong khi phần cứng cho phép người điều
khiển tương tác hoạt động, diễn đạt biểu lộ và in ra các dữ liệu thì phần mềm qui định sự tương
Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS. Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn

Trang 7


8

Hệ Thống
ng Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS

tác hoạt động đó diễn ra như
ư th
thế nào, dữ liệu được hiển thị ra sao, vàà ngõ ra của
c máy in được
định dạng ra sao.
d. Communication Photocol - Giao thức truyền thông: là ngôn ngữ thông tin liên
li lạc giữa các
thành phần trong cấu trúc của

ủa m
một iBMS, từ thiết bị đầu cuối (RTU) với
ới các thiết
thi bị cảm biến
(Sensor) đặt tại chỗ các đối tác llàm việc của iBMS (Hệ thống cơ điện-lạnh),
nh), từ RTU đến các bộ
điều khiển số trực tiếp (DDC),
), ttừ các DDC đến hệ thống máy tính trung tâm.
f. Bộ lặp - Repeter:

Thiết bị dùng để mở rộng
ng mộ
một mạng truyền thông ra khỏi một phân vùng. Nó khuyếch đại và
tái xuất lại tín hiệu. Trong các mạng máy tính
tính, đây là một thiết bị thuộc phần cứng,
cứng được sử
dụng để phát triển cự ly ghép nối mạng bằng cách khuếch đại rồi truyền thông tin chạy qua suốt
mạng.
g. Cầu nối - Bridge:

Là thiết bị kết nối giữ 2 mạạng truyền thông nội bộ có chung tiêu chuNn
Nn nhưng
n
khác đường
cáp truyền dẫn,
n, cho chúng khả năng trao đổi dữ liệu với nhau. Sự định dạng
ạng địa
đị chỉ phải gíống
nhau cho cả 2 mạng này.
h. Cầu dẫn - Router:

Là thiết bị để kết nối vài mạạng truyền thông khác kiểu và khác nhau với
ới một
mộ lớp mạng truyền
thông chung.
Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguy
Nguyễn Hoàng Việt – TS. Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn
Nguy Tấn Toàn

Trang 8


9

Hệ Thống
ng Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS

i. Cổng nối - Gateway:

Là thiết bị kết nối giữaa 2 mạ
mạng truyền thông với nhau và đương
ng nhiên nó có ý nghĩa ứng dụng
của cả “ Bridge” và “Router”,
”, tuy nhiên ssự khác biệt là chức năng liên kết
ết giữa
gi 2 mạng truyền
thơng có cấu trúc mạng truyền
ền thông vvà môi trường truyền thông khác biệt
ệt nhau.
j. Số (Digital): là một chuỗi

ỗi các xung điện áp ở mức 0 hoặc 5V (10V) nhằm
ằm truyền
truy đạt đi một
thông tin có nội dung nào đó. Mã Morse là một ví dụ từ rất sớm của kỹ thuật
ật này.
n Phổ biến là bộ
xử lý của computer ngày
ày nay đđều sử dụng kỹ thuật số.
k. Thiết bị điều khiển số trực ti
tiếp - DCC (Digital Direct Controller) – là một
m mạch kín trong
đó bộ điều khiển vi xử lý trực
ực ti
tiếp điều khiển các thiết bị dựa trên
ên thông tin nhận
nh được từ các bộ
cảm biến đầu vào
ào và các thông ssố cài được cài đặt trước. Trình tự điều
u khiển được
đ
lập trình sẵn
sẽ ra các lệnh ở ngõ ra đếnn cho các thi
thiết bị hoạt động.

DDC
Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguy
Nguyễn Hoàng Việt – TS. Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn
Nguy Tấn Toàn

Trang 9

10

Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS

1.7 Cấu hình phần cứng của giải pháp iBMS:
Một hệ iBMS gồm cấu hình phần cứng và hệ thống liên lạc cần thiết để truy cập dữ liệu trong
tồn bộ tịa nhà hoặc truy cập từ các tịa nhà từ xa khác sử dụng đường truyền điện thoại.
Cấu hình phần cứng
Hệ thống giám sát - điều khiển sử dụng vi xử lý tạo nên cấu hình theo kiểu cấp bậc cho hệ thống
iBMS. Hình dưới mơ tả đa cấp bậc hay còn gọi là lớp (tier) của một cấu hình phần cứng và hệ
thống liên lạc điển hình của giải pháp iBMS:
- Cấp xử lý quản lý
- Cấp xử lý hoạt động
- Cấp xử lý hệ thống
- Cấp xử lý cấp vùng (cấp thiết bị đầu cuối).

a. Tầng điều khiển cấp vùng (cấp thiết bị đầu cuối) - Zone Level: đây là lớp điều khiển sử
dụng bộ vi xử lý. Nó cung cấp khả năng điều khiển trực tiếp tới các thiết bị nằm trong phạm vi
cấp vùng, như hộp điều lượng gió (VAV – Variable Air Volume), thiết bị cấp gió đơn vùng
(AHU: Air Handling Unit; FCU: Fan Coil Unit). Tại cấp xử lý vùng, cảm biến và thiết bị chấp
hành (actuator) liên lạc trực tiếp với thiết bị được điều khiển. Một bus liên lạc (Fieldbus) làm
Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS. Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn

Trang 10


11

Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS

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 cấp hệ thống và ở cấp xử lý hoạt động.
b. Tầng điều khiển cấp hệ thống – System Level: bộ điều khiển cấp này có cơng suất lớn hơn
bộ điều khiển cấp vùng nếu xét trên phương diện các điểm, vòng DDC (Direct Digital Controll)
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 thống cung cấp khơng khí sạch, hệ thống hút khơng khí ơ nhiễm, hệ
thống điều phối lưu lượng khơng khí trung tâm cho tịa nhà. Ngồi ra, nó còn thực thi điều khiển
chiếu 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 bằng 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 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 của tịa nhà thơng qua tín hiệu cảnh báo hỏa hoạn, cảnh báo an ninh, bảo mật truy cập.
c. Tầng xử lý cấp hoạt động: bộ xử lý cấp này giao tiếp chủ yếu với vận hành viên hệ thống
iBMS. 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 thNm quyền.
- Xâm nhập hệ thống: Cho phép những người có thNm 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.
- Tách dữ liệu.
- 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.

Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS. Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn

Trang 11


12

Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS

- Báo cáo chuNn: Tự động cung cấp các báo cáo chuNn theo định kỳ và theo yêu cầu hoạt
động.
- Báo cáo 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.
- Tùy chỉnh khu vực theo nhu cầu.
- Tích hợp hệ thống: Cung cấp cổng liên lạc và chức năng điều khiển cho các hệ thống phụ
(HVAC, điều khiển chiếu sáng, cứu hỏa, an ninh, điều khiển xuất nhập tòa nhà).
d. Tầng xử lý cấp quản lý: đây là cấp cao nhất trong cấu trúc của hệ iBMS. 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 tồn bộ có thể được
chuyển sang cho bộ xử lý cấp quản lý trong những trường hợp khNn cấp. Bộ xử lý cấp quản lý
thu thập, lưu trữ, xử lý dữ liệu lịch sử như mức độ tiêu thụ điện năng, chi phí vận hành và hoạt
động cảnh báo, các báo cáo để làm cơ sở hoạch định, quản lý và vận hành tòa nhà lâu dài.
Phương tiện truyền dẫn:
Các phương tiện truyền dẫn chủ yếu bao gồm: cáp xoắn bằng đồng, cáp quang, đường điện
thoại.

Việc lựa chọn phương tiện truyền dẫn cho từng ứng dụng phụ thuộc vào tín hiệu, chi phí, và
khả năng nhiễu tác động lên đường truyền.
•

Cáp xoắn bằng đồng: các loại dây dẫn kiểu cáp xoắn bằng đồng có kích thước từ 1,307
mm2 đến 0.2051 mm2 thường được sử dụng và là giải pháp kinh tế nhất trong việc
truyền dẫn trong toà nhà. Chiều dài của đường truyền lên đến 1200 M mà không cần đến
bất kỳ thiết bị kéo dài nào. Khi sử dụng các thiết bị kéo dài đường truyền (repeater), có
thể kéo dài đường truyền dữ liệu lên đến gấp 3, 4 lần.

•

Cáp quang: phù hợp với các ứng dụng trong mơi trường có nhiễu lớn, tuy nhiên chi phí
đầu tư cao.

•

Đường điện thoại: cho phép kết nối giữa các tồ nhà với nhau thơng qua mođem.

Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS. Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn

Trang 12


13

Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS

Chương 2: Các thông số kỹ thuật mà iBMS phải thu thập, giám sát và
xử lý.

2.1 Tín hiệu đường vào (Input) và đường ra (Output) :
Tín hiệu đường vào là tồn bộ tín hiệu của các thơng số kỹ thuật được thu thập từ các thiết bị
đầu cuối, tại chỗ các đối tác làm việc của iBMS (Hệ thống cơ điện-lạnh).
Tín hiệu đường ra là tồn bộ tín hiệu của các thông số kỹ thuật được ra lệnh từ iBMS đến điều
khiển các thiết bị đầu cuối, tại chỗ các đối tác làm việc của iBMS (Hệ thống cơ điện-lạnh).
Tất cả mọi giao diện của tín hiệu đường vào và tín hiệu đường ra đều tuân thủ theo tiêu chuNn
sau:
•

DI (Digital Input) - Tín hiệu đường vào là dạng tín hiệu số nhị phân (Binary input): dạng
tiếp điểm khơ (voltage-free contact).

•

DO (Digital Output) - Tín hiệu đường ra là dạng tín hiệu số nhị phân (Binary input):
dạng tiếp điểm khơ (voltage-free contact).

•

AI (Analogue Input) - Tín hiệu đường vào là dạng tín hiệu tương tự (Analog input): 010V, 4-20mA DC.

•

AO (Analogue Output) - Tín hiệu đường ra là dạng tín hiệu tương tự (Analog Output): 010V, 4-20mA DC.

2.2 Các thông số kỹ thuật mà iBMS phải thu thập, giám sát và xử lý:
(File Excel khổ giấy A3 kèm theo)

Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS. Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn

Trang 13


14

Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS

Chương 3: Mạng truyền thông trong giải pháp iBMS
3.1 Giao thức truyền thông trong giải pháp iBMS (Communication Protocol):
3.1.1 Giao thức truyền thơng là gì?
Giao thức truyền thơng là một qui ước dùng để tạo lập sự định dạng và nội dung của những
thông điệp giữa những bộ xử lý.
3.1.2 Giao thức truyền thông sở hữu độc quyền, Giao thức truyền thông mở, và Giao thức
truyền thông chu n- Sự khác biệt:
Giao thức độc quyền và giao thức mở
Ban đầu giao thức truyền thông của mạng truyền thông trong giải pháp iBMS do các nhà sản
xuất thiết bị phát triển riêng cho mình. Các giao thức được phát triển riêng (Giao thức độc
quyền) như thế gây bất tiện cho người dùng. Việc phát triển hệ thống khi cần bị giới hạn, phải
sử dụng thiết bị mở rộng cùng với thiết bị chuyên biệt hoặc bắt buộc phải thay các thiết bị hiện
hữu của hệ thống để theo một giao thức của nhà sản xuất khác.
Từ sự bất tiện này và sự phát triển rộng rãi của giải pháp iBMS, cần thiết phải có một chuNn
mở. Sự cần thiết trên đã thúc đNy nhiều tổ chức của một số quốc gia.Tuy nhiên, một chuNn được
chấp nhận rộng rãi vẫn được hình thành một cách chậm chạp.
Lợi ích trực tiếp của giao thức mở:
Có thể vận hành kết hợp giữa các thiết bị của nhiều nhà cung cấp khác nhau.
Có ít giao thức hơn trong mạng.
Giảm chi phí về phần mềm.
Không cần thiết bị chuyển giao thức.
Giảm tiến độ phân phối hàng.
Giảm cơng tác kiểm tra, bảo trì và huấn luyện.

Có tài liệu chứng minh sự phát phát triển rộng rãi.
Có thể được cung cấp dịch vụ kiểm tra độc lập.
Lợi ích dài hạn của giao thức mở:
Dễ dàng mở rộng hệ thống.
Đời sống của thiết bị dài hơn.
Có được nhiều giá trị gia tăng từ nhiều nhà cung cấp thiết bị.
Có thể nhanh chóng chuyển qua cơng nghệ mới.
Giảm quản lý vận hành chuyên biệt.
Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS. Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn

Trang 14


15

Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS

Các giao thức sử dung trong giải pháp iBMS:
A. Giao thức truyền thông chu n trong giải pháp iBMS – BACnet Protocol (Building
Automation and Control networks) – Giao thức mạng thông tin liên lạc trong điều khiển
tự động hóa tịa nhà):
BACnet là một giao thức mở, chuNn cho phép các hệ thống tự động hóa tịa nhà, hoặc các hệ
thống điều khiển thứ cấp từ những nhà sản xuất khác nhau có thể chia sẻ thơng tin và kiểm soát
các chức năng. Giao thức này được xác lập bởi ANSI/ASHRAE Standard 135, công bố đầu tiên
vào tháng 8 năm 1995, và do ASHRAE (American Society of Heating, Refregerating and Air
Conditioning Engineers - Hiệp hội kỹ sư điều hòa khơng khí-điện lạnh Mỹ) quản lý.
Tiêu chuNn này mơ tả giao thức giao tiếp theo kiểu kỹ thuật số được tối ưu hóa cho các ứng
dụng điều khiển tịa nhà. Mặc dù giao thức BACnet được xác lập bởi ASHRAE, nó cũng được
thiết kế để làm nền tảng giao tiếp cho tất cả các loại khác của hệ thống điều khiển tòa nhà, bao
gồm HVAC, hệ thống điều khiển chiếu sáng, an ninh, cứu hỏa.

Giao thức BACnet xác nhận một vài loại đối tượng chuNn, mỗi loại có một danh sách xác định
về ứng dụng điều khiển. BACnet cũng xác nhận các ứng dụng kiểm sốt tịa nhà nói chung,
chẳng hạn như lập kế hoạch, dự báo và quản lý báo động. Điểm mạnh của BACnet đến từ một
thực tế đó là các ứng dụng và các đối tượng này do tiêu chuNn ASHRAE chứng nhận. Chúng
được công bố và tồn tại với bất cứ ai và chúng còn phù hợp theo thời gian. Vì thế, các nhà sản
xuất có thể phát triển các sản phNm BACnet tương thích một cách độc lập. Khi những sản phNm
này kết nối tại nơi lắp đặt, chúng có thể giao tiếp mà khơng cần cổng kết nối lập trình tùy chỉnh.
BACnet hoạt động tốt cho việc giao tiếp giữa những bộ quản lý theo cấp độ hệ thống, cho
phép các hệ thống con như là HVAC và hệ thống chiếu sáng có thể trao đổi thông tin thông qua
giao diện người dùng kép. BACnet cũng hoạt động tốt khi cung cấp việc điều khiển tập trung
của một hay nhiều tòa nhà.
B. Giao Thức Lontalk:
Lontalk là một giao thức giao tiếp do tập đoàn Echelon phát triển và thực hiện như một giao
thức mở, chuNn bởi ANSI/EIA standard 709-1. Rất nhiều ngành công nghiệp, gồm cả HVAC, hệ
thống chiếu sáng và cứu hỏa, đang bắt đầu sử dụng giao thức giao tiếp Lontalk trong sản phNm
của mình. LonTalk sử dụng các loại mạng chuNn biến thiên (Standard Network Variable Type SNVT) và các loại mạng chuNn cấu hình tài sản (Standard Configuration Property Type - SCPT)
Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS. Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn

Trang 15


16

Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS

để chia sẻ thông tin giữa các thiết bị. SNVTs và SCPTs là các yếu tố phần mềm giống các đối
tượng chuNn BACnet.
“The LonMark Interoperability Association” là một tổ chức bao gồm các nhà sản xuất và
người dùng sản phNm của LonTalk. Tổ chức này xác định cách dùng tiêu chuNn và hướng dẫn
thực hiện cho giao thức Lontalk. Dữ liệu về các chức năng của LornMark được viết để mơ tả: dữ

liệu đó là gì, cách sử dụng SNVTs và SCPTs, phải được làm cho có sẵn tới các thành phần hệ
thống được đưa ra. Các dữ liệu chức năng được xác lập sẵn có cho nhiều thành phần hệ thống
HVAC, gồm có cảm biến nhiệt độ, bộ điều khiển biến đổi tốc độ động cơ, các dàn lạnh FCU
(Fan Coil Unit), chillers, cũng như các thành phần khác của hệ thống tòa nhà.
LonTalk đặc biệt phù hợp cho sự giao tiếp với bộ quản lý ở cấp đơn vị. Giao thức LonTalk
được thiết kế trên một chip bộ vi xử lý gọi là Neuron. Điều này cung cấp một biện pháp hiệu
quả về chi phí cho việc phát triển thêm giao tiếp giao thức chuNn, mở với nhiều bộ phận quản lý
cấp thấp hơn mà không muốn chi thêm cho chi phí phát sinh mở rộng.
Giao thức mạng truyền thơng điển hình trong giải pháp iBMS
-

Các thiết bị như đồng hồ đo, hệ thống giám sát điện năng, hệ thống máy lạnh hoặc chiếu
sáng sử dụng giao thức Modbus có thể được giám sát bởi iBMS trung tâm.

-

Bộ điều khiển cấp cao tịa nhà truyền thơng với các bộ điều khiển số trực tiếp (DDC) sử
dụng giao thức Lontalk.

-

iBMS và các thành phần hoàn toàn tương thích với mạng BACnet IP. Các máy chủ có

thể giao tiếp với các thiết bị BACnet của hãng thứ ba.
Có một vài quan điển trong ngành tự động hóa tịa nhà cho rằng BACnet chỉ là một giao thức
giao tiếp chuNn và khả thi cho tự động hóa tịa nhà; Cịn những quan điểm khác thì đưa ra nhận
định tương tự cho LonTalk. Tuy nhiên, cả hai giao thức BACnet và Lontalk đều là các công cụ
quan trọng cho việc cung cấp khả năng tương tác. Trong khi giao thức LonTalk và BACnet chia
sẻ những mục tiêu chung, chúng cũng có những đặc tính độc đáo để làm cho chúng được trang
bị tốt nhất cho các phần khác nhau của hệ thống tự động hóa tịa nhà.

Việc thiết kế kiến trúc hệ thống tự động hóa tịa nhà (BAS) cố gắng tận dụng lợi thế sức mạnh
tương ứng của 2 giao thức BACnet và Lontalk, đưa ra cơ hội tốt nhất để cung cấp khả năng
tương tác trong khi giá cả là thấp nhất. Giao thức BACnet hiệu quả ở chỗ chuyển tải khối dữ
liệu lớn trên mạng tốc độ cao và cũng cho phép kết nối tương thích với mạng lưới internet. Giao
thức Lontalk thể hiện hiệu quả nhất khi giao tiếp từ các thiết bị điều khiển cấp đơn vị. Đây là
Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS. Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn

Trang 16


17

Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS

cơng cụ hiệu quả về chi phí cho sự giao tiếp giữa những bộ điểu khiển thiết bị hoặc giữa các
thiết bị thông minh đầu cuối (smart end devices), bởi vì người sản xuất có thể dễ dàng thực hiện
nó qua việc sử dụng chip Neuron và dữ liệu chức năng LonMark.
Hình dưới đây thể hiện kiến trúc mạng tự động hóa tịa nhà (BAS) theo dạng tầng lớp mà nó
sử dụng cả giao thức BACnet và LonTalk để cung cấp khả năng tương tác. Bộ phận quản lý ở
cấp độ đơn vị được kết nối với một mạng chuyên dụng và giao tiếp với một bộ phận quản lý ở
cấp độ hệ thống sử dụng LonTalk. Tất cả những bộ phận quản lý ở cấp độ hệ thống được kết nối
với một mạng nội bộ và giao tiếp với hệ thống tự động hóa tịa nhà sử dụng giao thức BACnet.

Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS. Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn

Trang 17


18

Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS

C. Giao Thức Modbus:
Modbus là giao thức do hãng Modicon phát triển. Theo mơ hình ISO/OSI thì Modbus thực
chất là một chuNn giao thức và dịch vụ thuộc lớp ứng dụng, vì vậy có thể được thực hiện trên
các cơ chế vận chuyển cấp thấp như TCP/IP, MAP (Manufacturing Message Protocol), và ngay
cả qua đường truyền nối tiếp RS-232.
Modbus định nghĩa một tập hợp rộng các dịch vụ phục vụ trao đổi dữ liệu quá trình, dữ liệu
điều khiển và chNn đoán. Tất cả các bộ điều khiển của Modicon đều sử dụng Modbus là ngôn
ngữ chung. Modbus mơ tả q trình giao tiếp giữa một bộ điều khiển với các thiết bị khác thông
qua cơ chế yêu cầu/đáp ứng. Vì lý do đơn giản nên Modbus có ảnh hưởng tương đối mạnh đối
với các hệ PLC của các nhà sản xuất. Cụ thể , trong mỗi PLC người ta cũng có thể tìm thấy một
tập hợp con các dịch vụ đã được đưa ra trong Modbus. Đặc biệt trong các hệ thống thu thập dữ
liệu và điều khiển giám sát, Modbus hay được sử dụng trên các đường truyền RS-232 ghép nối
giữa các thiết bị dữ liệu đầu cuối (PLC, PC,...) với thiết bị truyền dữ liệu (Modem).
Cơ chế giao tiếp:
a. Mạng Modbus chu n:
Các cổng Modbus chuNn trên các bộ điều khiển của Modicon cũng như một số nhà sản xuất
khác sử dụng giao diện nối tiếp RS-232. Các bộ điều khiển có thể được nối mạng trực tiếp hoặc
qua modem. Các trạm Modbus giao tiếp với nhau qua cơ chế chủ/ tớ (Master/Slave), trong đó
chỉ một thiết bị có thể chủ động gửi yêu cầu, còn lại các thiết bị tớ sẽ đáp ứng bằng dữ liệu trả
lại hoặc thực hiện một hành động nhất định theo như yêu cầu. Các thiết bị chủ thông thường là
các máy tính điều khiển trung tâm và các thiết bị lập trình, trong khi các thiết bị tớ có thể là PLC
hoặc các bộ điều khiển số chuyên dụng khác.
Một trạm chủ có thể gửi thơng báo u cầu tới riêng một trạm tớ nhất định hoặc gửi thông báo
đồng loạt tới tất cả các trạm tớ. Chỉ trong trường hợp nhận được yêu cầu riêng, các trạm tớ mới
gửi thông báo đáp ứng trả lại trạm chủ. Trong một thơng báo u cầu có chứa địa chỉ trạm nhận,
mã hàm dịch vụ bên nhận cần thực hiện, dữ liệu đi kèm và thông tin kiểm lỗi.
b. Modbus trên các mạng khác:
Với một số mạng như Modbus Plus và MAP sử dụng Modbus là giao thức cho lớp ứng dụng,

các thiết bị có thể giao tiếp theo cơ chế riêng của mạng đó, mỗi bộ điều khiển có thể đóng vai
trị là chủ hoặc tớ trong các lần giao dịch khác nhau.
Nhìn nhận ở mức giao tiếp thơng báo, giao thức Modbus vẫn tuân theo nguyên tắc chủ/ tớ mặc
Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS. Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn

Trang 18


19

Hệ Thống
ng Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS

dù phương pháp giao tiếp mạng
ạng ccấp thấp có thể là tay đơi. Khi một bộ điều
ều khiển
khi gửi một u
cầu thơng báo thì nó đóng
óng vai tr
trị là chủ và chờ đợi đáp ứng từ thiết bị tớ. Ngư
ược lại, một bộ
điều khiển sẽ đóng vai trị là tớ
ớ nếu nó nhận thơng báo u cầu từ một trạm
m khác và
v phải gửi trả
lại đáp ứng.
c. Chu trình u cầu đáp ứng
ứng:
Giao thức Modbus định
nh nghĩ

nghĩa khn dạng của thông báo yêu cầu cũng như
ư của
c thông báo đáp
ứng, như minh họa trên
ên hình vvẽ.

Một thơng báo yêu cầu gồm
ồm các ph
phần sau :
· Địa chỉ trạm nhận yêu cầu
ầu (0
(0-247), trong đó 0 là địa chỉ gửi đồng loạt.
· Mã hàm gọi chỉ thị hành động
ộng tr
trạm tớ cần thực hiện theo yêu cầu. Ví dụ, mãã hàm 03 yêu cầu
c
trạm tớ đọc nội dung các
ác thanh ghi llưu giữ và trả lại kết quả.
· Dữ liệu chứaa các thông tin bổ sung mà trạm tớ cần cho việc thực hiện hàm
àm được
đư gọi. Trong
trường hợp đọc thanh ghi, dữ
ữ li
liệu này chỉ rõ thanh ghi đầu tiên và số lượng
ng các thanh ghi cần
c
đọc.
· Thông tin kiểm lỗi giúp trạm
ạm ttớ kiểm tra nội dung thông báo nhận được.
Thông báo đáp ứng cũng

ng bao ggồm các thành phần giống như thông báo yêu cầu.
c Địa chỉ ở đây
là địa chỉ của chính trạm tớ đãã th
thực hiện yêu cầu và gửi lại đáp ứng. Trong trư
ường hợp bình
thường, mã hàm được giữ nguyên nh
như trong thông báo yêu cầu và dữ liệu
u chứa
chứ kết quả thực
hiện hành động, ví dụ nộii dung ho
hoặc trạng thái các thanh ghi. Nếu xảy ra lỗi,
ỗi, mã
m hàm quay lại
được sửa để chỉ thị đáp ứng làà m
một thông báo lỗi, cịn dữ liệu mơ tả chi tiết
ết lỗi đã
đ xảy ra. Phần
kiểm lỗi giúp trạm chủ xác định độ chính xác của nội dung thơng báo nhận đư
ược.

Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguy
Nguyễn Hoàng Việt – TS. Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn
Nguy Tấn Toàn

Trang 19


20

Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS

Chế độ truyền
a. Chế độ ASCII
Khi các thiết bị trong một mạng Modbus chuNn giao tiếp với chế độ ASCII, mỗi byte trong
thông báo được gửi thành hai ký tự ASCII 7 bit, trong đó mỗi ký tự biểu diễn một chữ số Hex.
Ưu điểm của chế độ truyền này là nó cho phép một khoảng thời gian trống tối đa một giây giữa
hai ký tự mà không gây ra lỗi.
Cấu trúc một ký tự khung gửi đi được thể hiện như sau :
Mỗi ký tự khung bao gồm :
· 1 bit khởi đầu (Start bit)
· 7 bit biểu diễn một chữ số hex của byte cần gửi dưới dạng kí tự ASCII (0-9 và A-F), trong đó
bit thấp nhất được gửi đi trước.
· 1 bit parity chẵn/lẻ, nếu sử dụng parity
· 1 bit kết thúc (Stop bit) nếu sử dụng parity hoặc 2 bit kết thúc nếu không sử dụng parity.
b. Chế độ RTU
Khi các thiết bị trong một mạng Modbus chuNn được đặt chế độ RTU (Remote Terminal
Unit), mỗi byte trong thông báo được gửi thành một ký tự 8 bit. Ưu điểm chính của chế độ
truyền này so với chế độ ASCII là hiệu suất cao hơn. Tuy nhiên, mỗi thông báo phải được
truyền thành một dịng liên tục. Cấu trúc một kí tự khung gửi đi được thể hiện như sau:
Mỗi ký tự khung bao gồm:
· 1 bit khởi đầu (Start bit)
· 8 bit của byte thơng báo cần gửi, trong đó bit thấp nhất được gửi đi trước
· 1 bit parity chẵn /lẻ, nếu sử dụng parity
D. Giao Thức TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol): Nguyên lý hoạt
động của giao thức TCP/IP và Internet.
Mạng máy tính ngày nay đã trở thành một thành phần quan trọng trong ngành truyền thông.
Trên thế giới, ban đầu chỉ có vài mạng máy tính được đưa vào sử dụng ở các viện nghiên cứu và
phục vụ cho quốc phòng. Cùng với thời gian, khoa học phát triển, giá máy giảm, mạng máy tính
đã có mặt ở khắp nơi, từ trường học, nhà máy đến các học viện. Đặc biệt sự bùng nổ của mạng
thơng tin tồn cầu Internet đã đưa khả năng sử dụng mạng đến từng người dân. Hàng ngày bạn

dạo chơi trên Internet, lướt trên các trang Web, có bao giờ bạn tự hỏi làm thế nào mà con người
có được khả năng truy cập thơng tin mạnh mẽ và tiện lợi đến như vậy?
Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS. Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn

Trang 20


21

Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS

Trả lời đầy đủ câu hỏi này quả là khơng đơn giản vì đó là thành quả của hàng ngàn con người,
lao động trong hàng chục năm, không thể trình bày gói gọn chỉ trong vài trang viết. Bài viết này
không đi vào chi tiết mà chỉ xin được cung cấp một số kiến thức cơ bản nhất về Internet và
ngun lý hoạt động của nó.
Mơ hình tổng quát của mạng Internet:
Như trong hình 1, kết cấu vật lý của mạng Internet gồm có mạng chính chứa các server cung
cấp dịch vụ cho mạng, mạng nhánh bao gồm các trạm làm việc sử dụng dịch vụ do Internet cung
cấp. "Đám mây Internet" hàm chứa vơ vàn mạng chính, mạng nhánh và bao phủ toàn thế giới.
Để một hệ thống phức tạp như vậy hoạt động trơn tru và hiệu quả thì điều kiện tiên quyết là mọi
máy tính trong mạng, dù khác nhau về kiến trúc, đều phải giao tiếp với mạng theo cùng một quy
luật. Đó là giao thức TCP/IP.

Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS. Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn

Trang 21


22

Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS

Quá trình truyền dữ liệu qua mạng Internet:
Nếu đã từng lập trình, bạn hẳn biết rằng một chương trình hồn chỉnh được tạo nên từ nhiều
module với các chức năng và nhiệm vụ khác nhau nhưng lại liên kết chặt chẽ với nhau. Quá
trình truyền dữ liệu cũng như vậy. Để có thể truyền qua mạng Internet, dữ liệu phải được xử lý
qua nhiều tầng. Một mạng intranet theo chuNn OSI thường có bảy tầng nhưng Internet chỉ có
bốn tầng xử lý dữ liệu là:
* Tầng application
* Tầng transport còn gọi là tầng TCP (Transmission Control Protocol)
* Tầng network còn gọi là tầng IP (Internet Protocol)
* Tầng Datalink/Physical
Giả sử bạn đang ở máy A và muốn gửi một thơng điệp tới máy B. Bạn dùng một trình soạn
thảo văn bản để soạn thư, sau đó nhấn nút Send. Tính từ thời điểm đó dữ liệu được xử lý lần
lượt như mô tả sau:
Đầu tiên, dữ liệu được xử lý bởi tầng application. Tầng này có nhiệm vụ tổ chức dữ liệu theo
khuôn dạng và trật tự nhất định để tầng application ở máy B có thể hiểu được. Điều này giống
như khi bạn viết một chương trình thì các câu lệnh phải tuân theo thứ tự và cú pháp nhất định thì
chương trình mới chạy được. Tầng application gửi dữ liệu xuống tầng dưới theo dòng byte nối
byte. Cùng với dữ liệu, tầng application cũng gửi xuống các thông tin điều khiển khác giúp xác
định địa chỉ đến, đi của dữ liệu.
Khi xuống tới tầng TCP, dòng dữ liệu sẽ được đóng thành các gói có kích thước không nhất
thiết bằng nhau nhưng phải nhỏ hơn 64 KB. Cấu trúc của gói dữ liệu TCP gồm một phần header
chứa thơng tin điều khiển và sau đó là dữ liệu. Sau khi đóng gói xong ở tầng TCP, dữ liệu được
chuyển xuống cho tầng IP.
Gói dữ liệu xuống tới tầng IP sẽ tiếp tục bị đóng gói lại thành các gói dữ liệu IP nhỏ hơn sao
cho có kích thước phù hợp với mạng chuyển mạch gói mà nó dùng để truyền dữ liệu. Trong khi
đóng gói, IP cũng chèn thêm phần header của nó vào gói dữ liệu rồi chuyển xuống cho tầng
Datalink/Physical.
Khi các gói dữ liệu IP tới tầng Datalink sẽ được gắn thêm một header khác và chuyển tới tầng

physical đi vào mạng. Gói dữ liệu lúc này gọi là frame. Kích thước của một frame hoàn toàn phụ
thuộc vào mạng mà máy A kết nối.

Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS. Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn

Trang 22


23

Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS

Trong khi chu du trên mạng Internet, frame được các router chỉ dẫn để có thể tới đúng đích
cần tới. Router thực ra là một module chỉ có hai tầng là Network và Datalink/Physical. Các
frame tới router sẽ được tầng Datalink/Physical lọc bỏ header mà tầng này thêm vào và chuyển
lên tầng Network (IP). Tầng IP dựa vào các thơng tin điều khiển trong header mà nó thêm vào
để quyết định đường đi tiếp theo cho gói IP.
Sau đó gói IP này lại được chuyển xuống tầng Datalink/Physical để đi vào mạng. Quá trình cứ
thế tiếp tục cho đến khi dữ liệu tới đích là máy B.
Khi tới máy B các gói dữ liệu được xử lý theo quy trình ngược lại với máy A. Theo chiều mũi
tên, đầu tiên dữ liệu qua tầng datalink/physical. Tại đây frame bị bỏ đi phần header và chuyển
lên tầng IP. Tại tầng IP, dữ liệu được bung gói IP, sau đó lên tầng TCP và cuối cùng lên tầng
application để hiển thị ra màn hình.
Hệ thống địa chỉ và cơ chế truyền dữ liệu trong mạng Internet:
Để một gói dữ liệu có thể đi từ nguồn tới đích, mạng Internet đã dùng một hệ thống đánh địa
chỉ tất cả các máy tính nối vào mạng như hình 3.

Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS. Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn

Trang 23

24

Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS

Để phân tích hệ thống tên/địa chỉ, hãy bắt đầu từ thấp lên cao:
a. Địa chỉ vật lý, cịn gọi là địa chỉ MAC:
Sở dĩ có tên gọi như vậy là vì địa chỉ này gắn liền với phần cứng và đại diện cho một thiết bị.
Thông thường địa chỉ vật lý được đặt ngay trên bảng mạch máy tính hay trên thiết bị kết nối trực
tiếp với máy (modem, card mạng...)
Địa chỉ vật lý được sử dụng như sau:
Thiết bị nhận dữ liệu kiểm tra địa chỉ vật lý đích của gói dữ liệu ở tầng vật lý. Nếu địa chỉ đích
này phù hợp địa chỉ vật lý của thiết bị thì gói dữ liệu sẽ được chuyển lên tầng trên, nếu khơng nó
sẽ bị bỏ qua.
b. SAP: Dùng để đại diện cho giao thức bên trên tầng MAC, ở đây là IP.
c. Địa chỉ mạng (network address)
Một thực thể trong mạng được xác định chỉ qua địa chỉ mạng mà không cần địa chỉ vật lý. Dữ
liệu được truyền qua mạng chỉ dựa vào địa chỉ mạng. Khi nào dữ liệu tới mạng LAN thì địa chỉ
vật lý mới cần thiết để đưa dữ liệu tới đích.
Ví dụ:
Máy gửi có địa chỉ 128.1.6.7 ->địa chỉ mạng là 128.1
Máy nhận có địa chỉ 132.5.8.12 ->địa chỉ mạng là 132.5
Mạng Internet có trách nhiệm dựa vào 2 địa chỉ mạng trên để đưa dữ liệu tới mạng 132.5. Khi
tới mạng 132.5 thì dựa vào địa chỉ 8.12 sẽ tìm ra địa chỉ vật lý thực để truyền dữ liệu tới đích.
Như vậy có một thắc mắc là: đã có địa chỉ vật lý rồi, tại sao lại cần thêm địa chỉ mạng?
Việc tồn tại 2 loại địa chỉ là do các nguyên nhân:
* 2 hệ thống địa chỉ được phát triển một cách độc lập bởi các tổ chức khác nhau.
* Địa chỉ mạng chỉ có 32 bit sẽ tiết kiệm đường truyền hơn so với địa chỉ vật lý 48 bit.
* Khi mạch máy hỏng thì địa chỉ vật lý cũng mất.

* Trên quan điểm người thiết kế mạng thì sẽ rất hiệu quả khi tầng IP khơng liên quan gì với các
tầng dưới.
Như trên đã nói, từ địa chỉ mạng có thể tìm được địa chỉ vật lý. Cơng việc tìm kiếm này được
thực hiện bởi giao thức ARP (Address Resolution Protocol). Nguyên tắc làm việc của ARP là
duy trì một bảng ghi tương ứng địa chỉ IP - địa chỉ vật lý. Khi nhận được địa chỉ IP, ARP sẽ
dùng bảng này để tìm ra địa chỉ vật lý. Nếu khơng thấy, nó sẽ gửi một gói dữ liệu, gọi là ARP

Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS. Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn

Trang 24