Đồ án Nghiên Cứu Xây Dựng Hệ Thống Giám Sát Tiêu Thụ Năng Lượng Điện Tại Bệnh Viện Đa Khoa

Nghiên cứu hệ thống giám sát tiêu thụ năng lượng điện tại bệnh viện đa khoa nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng và tiết kiệm năng lượng.

• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Công Nghệ
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Đồ Án Nghiên Cứu Xây Dựng Hệ Thống Giám Sát Tiêu Thụ Năng Lượng Điện Hướng Tới Việc Sử Dụng Hiệu Quả Tiết Kiệm Tại Bệnh Viện Đa Khoa
• Loại tài liệu: Đồ Án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHỤ TẢI DÙNG ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG BỆNH VIỆN ĐA KHOA
• 1.1. Thiết bị chiếu sáng
• 1.1.1. Định nghĩa và phân loại
• 1.1.2. Các khái niệm liên quan
• 1.1.3. Tiêu chuẩn chiếu sáng trong nhà
• 1.2. Thiết bị khám chữa bệnh
• 1.2.1. Máy móc và các phụ tải điện dùng trong chẩn đoán
• 1.2.2. Máy móc và phụ tải điện sử dụng lâu dài
• 1.2.3. Máy móc và các phụ tải điện dùng trong điều trị
• 1.2.4. Máy móc và các phụ tải điện sử dụng trong phòng thí nghiệm y tế
• 1.3. Nhóm thiết bị sưởi, thông gió, điều hòa
• 1.3.1. Các tác dụng của nhóm thiết bị sưởi, thông gió, điều hòa
• 1.3.2. Các tiêu chuẩn thiết kế hệ thống thông gió, điều hòa không khí trong bệnh viện
• 2. CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG GIÁM SÁT, QUẢN LÝ VÀ ĐIỀU HÀNH THIẾT BỊ ĐIỆN THÔNG MINH CHO MÔI TRƯỜNG BỆNH VIỆN SỬ DỤNG KẾT NỐI KNX
• 2.1. Một số giải pháp quản lý toà nhà hiện nay
• 2.1.1. Hệ thống quản lý toàn nhà BMS
• 2.1.2. Hệ thống KNX - giải pháp tối ưu, tiết kiệm cho quản lý và điều khiển toà nhà
• 2.2. Hệ thống KNX và nguyên tắc hoạt động
• 2.2.1. Đường truyền Bus KNX
• 2.2.2. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống KNX
• 2.2.3. Hệ sinh thái KNX và Khả năng tích hợp vào các kiểu công trình
• 2.2.3.1. Hệ sinh thái KNX
• 2.2.3.2. Khả năng tích hợp lên mọi công trình
• 2.2.4. KNX có thể kết hợp với các hệ thống khác
• 2.2.5. Khả năng quản lý, tiết kiệm năng lượng của hệ thống KNX
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT, QUẢN LÝ VÀ TỐI ƯU HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TẠI CÁC BỆNH VIỆN, ĐA KHOA
• 3.1. Cấu trúc hệ thống
• 3.2. Chi tiết các thiết bị phần cứng
• 3.2.1. Bộ điều khiển Logic Machine 5
• 3.2.2. Nguồn 24VDC Mealwell
• 3.2.3. Nguồn Bus – Choke N120/2 Siemen
• 3.2.4. Bộ Switching Actuator Siemen
• 3.2.5. Bộ Binary Input Siemen
• 3.2.6. Cảm biến KNX
• 3.2.7. Cảm biến chuyển động the ben
• 3.3. Phần mềm thiết kế
• 3.3.1. Phần mềm ETS 5
• 3.3.2. Ngôn ngữ lập trình Lua
• 3.4. Xây dựng hệ thống
• 3.4.1. Mô tả nguyên lý hoạt động của hệ thống
• 3.4.2. Xây dựng hệ thống trên phần mềm ETS 5
• 3.4.3. Thiết kế giao diện Web Server
• 3.4.4. Thuật toán lập trình cho đối tượng trên Logic Machine 5
• 3.4.5. Chạy thực nghiệm và đánh giá kết quả
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống giám sát tiêu thụ năng lượng điện tại bệnh viện

Hệ thống giám sát tiêu thụ năng lượng điện là một công cụ quan trọng giúp các bệnh viện quản lý và tối ưu hóa việc sử dụng điện năng. Việc áp dụng công nghệ hiện đại vào giám sát tiêu thụ điện không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao hiệu quả hoạt động của bệnh viện. Theo thống kê, mức tiêu thụ điện năng tại các bệnh viện đa khoa hiện nay đang ở mức cao, gây áp lực lên ngân sách và môi trường. Do đó, việc xây dựng một hệ thống giám sát hiệu quả là cần thiết.

1.1. Định nghĩa và vai trò của hệ thống giám sát năng lượng

Hệ thống giám sát năng lượng là một tập hợp các thiết bị và phần mềm giúp theo dõi, phân tích và quản lý tiêu thụ năng lượng. Vai trò của hệ thống này là cung cấp thông tin chính xác về mức tiêu thụ điện, từ đó đưa ra các giải pháp tiết kiệm năng lượng hiệu quả.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng hệ thống giám sát tại bệnh viện

Việc sử dụng hệ thống giám sát giúp bệnh viện giảm thiểu chi phí điện năng, nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị và cải thiện chất lượng dịch vụ. Hệ thống này còn giúp phát hiện kịp thời các sự cố về điện, từ đó đảm bảo an toàn cho bệnh nhân và nhân viên y tế.

II. Vấn đề tiêu thụ năng lượng điện tại bệnh viện đa khoa hiện nay

Tiêu thụ năng lượng điện tại các bệnh viện đa khoa đang gặp nhiều thách thức. Nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng cao do số lượng thiết bị y tế và hoạt động khám chữa bệnh liên tục. Điều này dẫn đến việc tiêu thụ điện năng vượt mức cho phép, gây áp lực lên hệ thống điện và ngân sách của bệnh viện.

2.1. Nguyên nhân dẫn đến tiêu thụ điện năng cao

Có nhiều nguyên nhân dẫn đến việc tiêu thụ điện năng cao tại bệnh viện, bao gồm số lượng thiết bị y tế lớn, hoạt động 24/7 và thói quen sử dụng không hợp lý. Việc quản lý điện năng chưa hiệu quả cũng là một yếu tố quan trọng.

2.2. Hệ quả của việc tiêu thụ điện năng không hiệu quả

Việc tiêu thụ điện năng không hiệu quả không chỉ gây lãng phí tài chính mà còn ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ y tế. Điều này có thể dẫn đến việc bệnh viện không đáp ứng được nhu cầu khám chữa bệnh của người dân.

III. Phương pháp xây dựng hệ thống giám sát tiêu thụ năng lượng điện

Để xây dựng một hệ thống giám sát tiêu thụ năng lượng điện hiệu quả, cần áp dụng các công nghệ hiện đại và phương pháp quản lý thông minh. Việc thiết kế hệ thống cần đảm bảo tính linh hoạt và khả năng mở rộng để đáp ứng nhu cầu sử dụng trong tương lai.

3.1. Công nghệ sử dụng trong hệ thống giám sát

Công nghệ IoT và các cảm biến thông minh là những yếu tố quan trọng trong việc xây dựng hệ thống giám sát. Những công nghệ này giúp thu thập dữ liệu chính xác và nhanh chóng, từ đó đưa ra các phân tích và báo cáo hiệu quả.

3.2. Thiết kế giao diện điều khiển cho hệ thống

Giao diện điều khiển cần được thiết kế thân thiện và dễ sử dụng, cho phép người quản lý dễ dàng theo dõi và điều chỉnh các thông số tiêu thụ điện năng. Việc tích hợp giao diện trên nền tảng di động cũng là một giải pháp hữu ích.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống giám sát tại bệnh viện đa khoa

Hệ thống giám sát tiêu thụ năng lượng điện đã được áp dụng tại nhiều bệnh viện đa khoa và mang lại nhiều kết quả tích cực. Việc theo dõi và phân tích dữ liệu tiêu thụ điện giúp bệnh viện đưa ra các quyết định chính xác trong việc quản lý năng lượng.

4.1. Kết quả đạt được từ việc áp dụng hệ thống

Nhiều bệnh viện đã ghi nhận sự giảm thiểu đáng kể trong chi phí điện năng sau khi áp dụng hệ thống giám sát. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm ngân sách mà còn nâng cao chất lượng dịch vụ y tế.

4.2. Các mô hình thành công trong việc tiết kiệm năng lượng

Một số bệnh viện đã triển khai thành công các mô hình tiết kiệm năng lượng, như sử dụng đèn LED, hệ thống điều hòa thông minh và tối ưu hóa quy trình sử dụng thiết bị y tế.

V. Kết luận và tương lai của hệ thống giám sát năng lượng tại bệnh viện

Hệ thống giám sát tiêu thụ năng lượng điện tại bệnh viện đa khoa không chỉ là một giải pháp tiết kiệm chi phí mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Tương lai của hệ thống này hứa hẹn sẽ phát triển mạnh mẽ với sự hỗ trợ của công nghệ mới.

5.1. Triển vọng phát triển hệ thống giám sát

Với sự phát triển của công nghệ, hệ thống giám sát sẽ ngày càng hoàn thiện hơn, giúp bệnh viện quản lý năng lượng hiệu quả hơn. Các giải pháp mới như trí tuệ nhân tạo và học máy sẽ được áp dụng để tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng.

5.2. Tác động tích cực đến môi trường và xã hội

Việc tiết kiệm năng lượng không chỉ giúp giảm chi phí cho bệnh viện mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Điều này sẽ tạo ra một tương lai bền vững hơn cho ngành y tế và cộng đồng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Năng lượng điện đóng vai trò huyết mạch trong việc vận hành các trang thiết bị kỹ thuật phục vụ công tác khám chữa bệnh tại các cơ sở y tế. Theo số liệu thống kê năm 2021 được tác giả trích dẫn từ Báo Hà Nội, các bệnh viện tuyến tỉnh có mức tiêu thụ điện năng rất lớn trong các khung giờ cao điểm, điển hình như Bệnh viện Đa khoa Vinh đạt mức 140.000 kWh/tháng và Bệnh viện Đa khoa Hà Tĩnh đạt mức 133.000 kWh/tháng. Nguyên nhân chính dẫn đến nhu cầu tiêu thụ điện luôn ở mức cao xuất phát từ ba yếu tố thực tiễn:

1. Nhu cầu khám chữa bệnh liên tục, bệnh viện vận hành 24/24 giờ.
2. Số lượng trang thiết bị y tế và kỹ thuật phụ trợ lớn, hoạt động thường xuyên trong khi công tác quản lý điện năng chưa tối ưu.
3. Thói quen vận hành các hệ thống chiếu sáng, điều hòa không khí không đúng mục đích và thiếu kiểm soát tập trung.

Mức tiêu thụ điện năng quá lớn không chỉ gây áp lực kinh tế và nguy cơ thiếu hụt nguồn điện duy trì sản xuất, sinh hoạt mà còn gián tiếp gia tăng phát thải từ các nhà máy nhiệt điện, làm trầm trọng thêm ô nhiễm không khí và hiệu ứng nhà kính. Do đó, việc ứng dụng công nghệ điều khiển tự động nhằm tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng là yêu cầu cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu:

• Tìm hiểu và nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát tiêu thụ năng lượng điện hướng tới việc sử dụng hiệu quả, tiết kiệm tại bệnh viện đa khoa.
• Thiết kế phần cứng và giao diện điều khiển trên nền tảng hệ sinh thái tiêu chuẩn KNX.
• Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát từ xa qua Web Server cho thiết bị di động (Smartphone).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống giám sát phụ tải tiêu thụ điện hướng tới mục tiêu tiết kiệm và hiệu quả.
• Phạm vi nghiên cứu: Áp dụng trong môi trường bệnh viện đa khoa; tập trung vào thiết kế hệ thống giám sát, điều khiển thông minh các nhóm thiết bị điện có thể can thiệp tự động hóa (hệ thống chiếu sáng và hệ thống điều hòa, thông gió).

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

• Ý nghĩa khoa học: Thiết lập mô hình giám sát và điều khiển phân tán dựa trên giao thức chuẩn hóa quốc tế KNX nhằm tối ưu hóa năng lượng cho môi trường bệnh viện.
• Ý nghĩa thực tiễn: Cung cấp giải pháp kỹ thuật có tính khả thi cao, có khả năng áp dụng trực tiếp tại các cơ sở y tế thực tế và mở rộng triển khai cho các công trình tòa nhà công nghiệp, dân dụng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các tiêu chuẩn thiết kế quốc gia và tiêu chuẩn giao thức truyền thông công nghiệp:

• Tiêu chuẩn thiết kế kỹ thuật y tế: Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 4470:2012 (Bệnh viện Đa khoa - Tiêu chuẩn thiết kế) và TCVN 5687:2010 (Thông gió - Điều hòa không khí - Tiêu chuẩn thiết kế), quy định cụ thể về độ rọi chiếu sáng, dải nhiệt độ, độ ẩm và bội số trao đổi không khí cho từng phân khu chức năng.
• Hệ thống quản lý tòa nhà (BMS - Building Management System): Khung kiến trúc 4 cấp gồm cấp chấp hành (cảm biến, cơ cấu chấp hành), cấp điều khiển khu vực (DDC, VAV), cấp điều khiển hệ thống (PLC, PAC, DDC) và cấp quản lý (Main Server, HMI).
• Tiêu chuẩn tự động hóa KNX (KONNEX): Chuẩn giao tiếp phi tập trung được công nhận quốc tế qua các tiêu chuẩn: ISO/IEC 14543-3 (2006), EN 50090 (2003), EN 13321-1 và EN 13321-2 (2006), ANSI/ASHRAE 135 (2005), GB/T 20965 (2007).

Tiêu chuẩn kỹ thuật chiếu sáng và vi khí hậu trong bệnh viện

Khu vực chức năng	Tiêu chuẩn độ rọi (lux)	Nhiệt độ (°C)	Độ ẩm (%)	Bội số luân chuyển khí (lần/giờ)
Khu vực văn phòng	400 – 500	—	—	—
Sảnh, hành lang	100 – 150	—	—	—
Phòng máy, phòng kỹ thuật	150 – 200	—	—	—
Phòng bệnh	200 – 250	—	—	—
Điều trị tích cực	—	21 – 24	70	10 – 15
Kỹ thuật can thiệp	—	20 – 24	70	10 – 15
Phòng xét nghiệm, X-quang, siêu âm	—	21 – 26	70	3 – 5
Phòng mổ, hồi tỉnh, hành lang vô khuẩn	—	21 – 24	60 – 70	15 – 20
Tiền mê, hành lang sạch	—	21 – 26	70	5 – 15
Khu vực Lamina HOT	—	19 – 22	60	20

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả kết hợp các phương pháp kỹ thuật thực nghiệm:

• Phương pháp phân tích - khảo sát: Đánh giá đặc thù vận hành của các nhóm phụ tải điện thực tế trong bệnh viện đa khoa để xác định bài toán kỹ thuật.
• Phương pháp so sánh và lựa chọn công nghệ: Đối chiếu ưu nhược điểm giữa mô hình BMS truyền thống và hệ sinh thái KNX phân tán.
• Phương pháp thiết kế và thực nghiệm mô hình: Tích hợp phần cứng (Logic Machine 5, Siemens, Theben, Meanwell), cấu hình truyền thông trên phần mềm ETS5, lập trình thuật toán điều khiển nhúng bằng ngôn ngữ Lua và chạy nghiệm thu trên mô hình thử nghiệm.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc điều khiển phân tán kết hợp giám sát tập trung qua mạng IP và đường truyền bus chuyên dụng.

Cấu hình phần cứng hệ thống

Tên thiết bị / Phần cứng	Nhà sản xuất / Mã hiệu	Thông số kỹ thuật và chức năng chính
Bộ điều khiển trung tâm	Logic Machine 5	Tích hợp 2x RS485, 1x RS485/RS-232, 1x Ethernet 10/100 (hỗ trợ PoE), 1x KNX TP1, 1x CAN FT, 1x USB 2.0. Hỗ trợ BACnet IP, Modbus RTU/TCP, DMX 512; tích hợp Web Server và điều khiển giọng nói.
Nguồn DC phụ trợ	Meanwell 24VDC	Công suất 15W – 150W, công suất không tải < 0,3W, gắn thanh ray TS-35/7.5 hoặc TS-35/15.
Nguồn Bus - Choke	Siemens N120/2	Điện áp định mức 29VDC, dòng định mức 640mA, cung cấp nguồn cho đường bus EIB/KNX, hỗ trợ tối đa 64 thiết bị trên một phân đoạn bus.
Bộ chuyển mạch chấp hành	Siemens Switching Actuator N 530D51	8 kênh đầu ra nhị phân (Binary output 8 x AC 230V, 6 AX), nhận telegram điều khiển đóng cắt tải trực tiếp.
Bộ đầu vào nhị phân	Siemens Binary Input	Nguồn AC 230V (+10%/-15%), công suất tiêu thụ tối đa 1,7W; tiếp nhận tín hiệu đầu vào Digital/Analog từ công tắc hoặc tiếp điểm.
Cảm biến KNX	Cảm biến đa năng KNX	Kết hợp công nghệ sóng siêu âm và hồng ngoại thụ động (PIR); phạm vi phát hiện hiện diện 28 m², phát hiện chuyển động 79 m²; tích hợp đo độ rọi và nhiệt độ.
Cảm biến chuyển động	Theben theMura S180-100 UP WH	Công nghệ PIR, góc quét 170°, vùng phủ 14x17m (238 m²); tích hợp đo sáng hỗn hợp, nút bấm gắn tường và cơ chế ngắt mạch "Zero-cross switching".

Nền tảng phần mềm và giải thuật lập trình

• Phần mềm ETS (Engineering Tool Software): Sử dụng phiên bản ETS5 (cụ thể là ETS 5.6) do Hiệp hội KNX (Brussels, Bỉ) phát triển. Phần mềm dùng để nhập cấu hình thiết bị từ cơ sở dữ liệu nhà sản xuất, thiết lập địa chỉ vật lý, liên kết địa chỉ nhóm (Group Objects), vận hành chế độ S-Mode và tích hợp cơ chế bảo mật KNX Secure.
• Ngôn ngữ lập trình Lua: Được sử dụng để viết mã kịch bản nhúng trực tiếp trên bộ điều khiển Logic Machine 5. Các module chương trình xử lý bao gồm: thuật toán quét phím, thuật toán đọc và xử lý trạng thái đầu vào nhị phân, logic điều khiển bật/tắt thiết bị theo ngưỡng sáng và sự hiện diện.
• Giao diện Web Server: Xây dựng trên nền tảng nhúng của Logic Machine 5, cung cấp giao diện trực quan cho phép giám sát trạng thái phụ tải theo từng phòng bệnh và điều khiển từ xa thông qua trình duyệt web trên máy tính hoặc điện thoại thông minh (hỗ trợ điều khiển qua mạng di động/Wi-Fi).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về phụ tải dùng điện trong hệ thống bệnh viện đa khoa

Chương này phân tích toàn diện các phân khu chức năng (hành chính, điều trị nội/ngoại trú, kỹ thuật, cận lâm sàng, giặt là, xử lý chất thải) và đặc tính tiêu thụ điện của các nhóm phụ tải:

• Thiết bị chiếu sáng: Phân loại các nhóm đèn (sợi đốt, huỳnh quang, LED âm trần); hệ thống hóa các đại lượng quang học (quang thông, độ rọi, độ chói, nhiệt độ màu, chỉ số hoàn màu CRI). Nêu rõ chiếu sáng chiếm khoảng 20 – 45% tổng tiêu thụ năng lượng của tòa nhà thương mại và 3 – 10% trong công nghiệp. Trích xuất bảng tiêu chuẩn độ rọi theo từng phòng chức năng.
• Thiết bị khám chữa bệnh: Khảo sát các phân nhóm máy móc y tế gồm thiết bị chẩn đoán hình ảnh (X-quang, CT scan, MRI, siêu âm); thiết bị sử dụng lâu dài (máy thở, máy chạy thận, bơm tiêm điện, nệm áp lực); thiết bị điều trị can thiệp (phẫu thuật LASIK, laser y tế); thiết bị phòng thí nghiệm (máy phân tích khí máu, điện giải, huyết học, nước tiểu).
• Nhóm thiết bị sưởi, thông gió, điều hòa (HVAC): Làm rõ vai trò duy trì chất lượng không khí, lọc mầm bệnh nguy hiểm (vi khuẩn MRSA, trực khuẩn lao, Legionella, virus cúm) và bảo vệ bệnh nhân suy giảm miễn dịch. Trích dẫn đầy đủ quy định nhiệt độ, độ ẩm, bội số luân chuyển khí theo TCVN 4470:2012.
• Luận điểm cốt lõi: Tác giả khẳng định ngoại trừ các thiết bị y tế chuyên dụng không thể can thiệp phần cứng vì yêu cầu an toàn điều trị, hai nhóm phụ tải chiếu sáng và HVAC hoàn toàn có thể tích hợp vào hệ thống IoT để điều khiển tự động nhằm tiết kiệm điện.

Chương 2: Hệ thống giám sát, quản lý và điều hành thiết bị điện thông minh cho môi trường bệnh viện sử dụng kết nối KNX

Chương 2 thực hiện nghiên cứu so sánh giải pháp công nghệ:

• Phân tích hệ thống BMS: Mô tả cấu trúc 4 cấp và tổng hợp chức năng của các phân hệ thông minh (BAS, HVAC, chiếu sáng, thang máy, PCCC, an ninh, thông tin liên lạc). Đánh giá nhược điểm của BMS là chi phí đầu tư và vận hành rất lớn (hàng trăm nghìn USD), cấu trúc phức tạp và tính cộng tác giữa các thiết bị khác hãng bị hạn chế.
• Phân tích hệ thống tiêu chuẩn KNX: Làm rõ nguyên lý hoạt động phi tập trung (distributed intelligence) giúp hệ thống không bị tê liệt khi một thiết bị gặp sự cố. Trình bày 4 phương thức truyền dẫn (KNX TP dùng cáp xoắn đôi, KNX PL qua đường điện lực, KNX RF qua sóng vô tuyến, KNX IP qua Ethernet).
• Hệ sinh thái và khả năng tương thích: Tiêu chuẩn KNX được quản lý bởi KNX Association với hơn 458 nhà sản xuất (Siemens, ABB, Schneider, Panasonic, Daikin, Theben...) và khả năng quản lý lên tới 50.000 thiết bị trong một hệ thống. Hệ thống có khả năng kết nối linh hoạt với Modbus, DALI, BACnet/IP thông qua các thiết bị Gateway chuyên dụng.
• Luận điểm kết luận chương: KNX là giải pháp tối ưu cho môi trường bệnh viện nhờ độ ổn định cao, thời gian phản hồi tức thời, chi phí hợp lý và khả năng mở rộng linh hoạt.

Chương 3: Thiết kế hệ thống giám sát, quản lý và tối ưu hoạt động của các thiết bị điện tại các bệnh viện, đa khoa

Chương 3 trình bày chi tiết quá trình thiết kế, đấu nối phần cứng và phát triển phần mềm:

• Thiết kế kiến trúc phần cứng: Xây dựng sơ đồ kết nối bus KNX TP1 kết hợp đường truyền IP. Sử dụng nguồn Siemens N120/2 để cấp nguồn bus, bộ chuyển mạch Siemens N 530D51 để điều khiển tải đóng cắt, bộ Siemens Binary Input và các cảm biến hiện diện/chuyển động Theben, KNX để thu thập tín hiệu môi trường.
• Cấu hình trên ETS5: Thiết lập thông số vận hành cho từng thiết bị theo chuẩn S-Mode, cấu hình các telegram truyền thông và liên kết các đối tượng nhóm.
• Lập trình điều khiển trên Logic Machine 5: Sử dụng ngôn ngữ Lua để xây dựng các thuật toán quét phím, đọc trạng thái đầu vào và kịch bản điều khiển logic tự động theo sự hiện diện của con người và cường độ ánh sáng tự nhiên.
• Thiết kế Web Server: Xây dựng giao diện đồ họa trực quan hiển thị danh mục các phòng điều khiển, trạng thái hoạt động thực tế của thiết bị và cho phép người vận hành can thiệp trực tiếp từ xa.
• Thực nghiệm mô hình: Đấu nối mô hình thực tế, kiểm tra độ nhạy của cảm biến và tốc độ phản hồi của cơ cấu chấp hành, xác nhận hệ thống vận hành đúng theo thiết kế.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

• Thiết kế và lắp ráp hoàn chỉnh mô hình phần cứng giám sát, điều khiển thiết bị điện thông minh dựa trên đường truyền bus KNX TP1 và bộ điều khiển trung tâm Logic Machine 5.
• Tích hợp thành công các thiết bị phần cứng đa hãng trong cùng một hệ thống (Siemens, Theben, Meanwell) thông qua việc cấu hình chuẩn hóa trên phần mềm ETS 5.6.
• Xây dựng thành công các tập lệnh điều khiển tự động bằng ngôn ngữ Lua trên Logic Machine 5, cho phép xử lý dữ liệu đầu vào nhị phân và tín hiệu cảm biến chuyển động/độ rọi để tự động hóa việc đóng cắt tải.
• Triển khai giao diện Web Server đa phòng trực quan, cho phép người quản lý giám sát trạng thái và điều khiển thiết bị điện từ xa thông qua điện thoại thông minh và mạng IP.

Đóng góp của luận văn

• Đề xuất giải pháp kiến trúc phi tập trung sử dụng chuẩn KNX kết hợp bộ điều khiển mã nguồn mở Logic Machine 5, giải quyết được bài toán cân bằng giữa chi phí đầu tư và hiệu quả kỹ thuật so với các hệ thống BMS truyền thống đắt đỏ.
• Hệ thống hóa đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia về chiếu sáng và thông gió - điều hòa không khí (TCVN 4470:2012, TCVN 5687:2010) áp dụng cho việc thiết kế hệ thống quản lý năng lượng trong các cơ sở y tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế: Hệ thống mới dừng lại ở việc thiết kế, lập trình và thử nghiệm kiểm chứng trên mô hình thực nghiệm (demo); chưa triển khai lắp đặt thực tế trên quy mô toàn bộ các khối nhà của một bệnh viện đa khoa thực địa. Ngoài ra, nghiên cứu chỉ tập trung can thiệp nhóm tải chiếu sáng và điều hòa cơ bản, chưa can thiệp sâu vào các hệ thống máy móc khám chữa bệnh chuyên dụng do ràng buộc an toàn y tế.
• Hướng phát triển: Mở rộng tích hợp các cổng giao tiếp Gateway chuẩn DALI để điều khiển chiếu sáng chuyên sâu (dimming) và gateway BACnet/IP để kết nối đồng bộ với hệ thống chiller/HVAC trung tâm công suất lớn; mở rộng kết nối số lượng phòng bệnh và phát triển các thuật toán quản lý phụ tải nâng cao.

Giá trị tham khảo

• Đối tượng thụ hưởng: Luận văn là tài liệu tham khảo hữu ích cho học viên cao học, sinh viên ngành Kỹ thuật điện, Tự động hóa, Kỹ thuật công trình xây dựng/Tòa nhà thông minh (Smart Building), cũng như các kỹ sư thiết kế hệ thống M&E và cán bộ quản lý năng lượng tại các bệnh viện.
• Nội dung giá trị: Các bảng tra cứu tiêu chuẩn chiếu sáng và vi khí hậu y tế theo TCVN; phương pháp lựa chọn và cấu hình thiết bị phần cứng KNX trên phần mềm ETS5; cấu trúc lập trình điều khiển nhúng bằng ngôn ngữ Lua trên thiết bị Logic Machine 5.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài lại lựa chọn tiêu chuẩn KNX thay vì chỉ sử dụng hệ thống BMS truyền thống?

Hệ thống BMS truyền thống có chi phí đầu tư, vận hành rất cao (lên đến hàng trăm nghìn USD), cấu trúc tập trung phức tạp và hạn chế khả năng tương thích giữa thiết bị của các hãng khác nhau. Ngược lại, KNX hoạt động theo nguyên tắc điều khiển phi tập trung (nếu một thiết bị lỗi thì các thiết bị khác vẫn hoạt động bình thường), có hệ sinh thái mở với hơn 458 nhà sản xuất, dễ dàng mở rộng và tối ưu hóa chi phí cho bệnh viện.

2. Nhóm phụ tải điện nào trong bệnh viện được tác giả đề xuất can thiệp tự động hóa để tiết kiệm điện?

Tác giả đề xuất can thiệp vào nhóm thiết bị chiếu sáng (chiếm 20 – 45% điện năng tiêu thụ tòa nhà) và nhóm thiết bị sưởi, thông gió, điều hòa không khí (HVAC). Nhóm thiết bị khám chữa bệnh chuyên dụng (máy chẩn đoán, máy phẫu thuật, máy xét nghiệm...) không can thiệp phần cứng nhằm đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người bệnh và tuân thủ quy trình y tế.

3. Bộ điều khiển Logic Machine 5 đóng vai trò gì và có những đặc tính kỹ thuật nào?

Logic Machine 5 đóng vai trò là bộ điều khiển logic và cổng truyền thông trung tâm. Thiết bị sở hữu các cổng giao tiếp: 2x RS485, 1x RS485/RS-232, 1x Ethernet 10/100 (PoE), 1x KNX TP1, 1x CAN FT, 1x USB 2.0; hỗ trợ các chuẩn BACnet IP, Modbus RTU/TCP, DMX 512; tích hợp máy chủ Web Server phục vụ điều khiển qua trình duyệt/smartphone và cho phép lập trình kịch bản linh hoạt bằng ngôn ngữ Lua.

4. Cảm biến Theben theMura S180-100 UP WH và cảm biến KNX trong đề tài có tính năng gì nổi bật?

Cảm biến Theben theMura S180-100 UP WH sử dụng công nghệ hồng ngoại thụ động PIR, góc phát hiện 170° trong phạm vi 238 m², tích hợp đo sáng hỗn hợp, công nghệ đóng ngắt tại điểm 0 của dòng xoay chiều (Zero-cross switching) và có nút bấm tích hợp. Cảm biến KNX kết hợp sóng siêu âm và PIR, cho phép phát hiện hiện diện 28 m², phát hiện chuyển động 79 m², đồng thời tích hợp đo nhiệt độ và độ rọi.

5. Quy chuẩn TCVN 4470:2012 quy định nhiệt độ, độ ẩm và bội số luân chuyển khí tại phòng mổ và khu điều trị tích cực như thế nào?

Theo bảng quy định trong TCVN 4470:2012 được trích dẫn: Khu vực Điều trị tích cực yêu cầu nhiệt độ 21 – 24°C, độ ẩm 70%, bội số luân chuyển không khí 10 – 15 lần/giờ; Khu vực Phòng mổ, phòng hồi tỉnh, hành lang vô khuẩn yêu cầu nhiệt độ 21 – 24°C, độ ẩm 60 – 70%, bội số luân chuyển không khí 15 – 20 lần/giờ.

Kết luận

Luận văn của tác giả Nguyễn Văn Hà đã giải quyết bài toán cấp thiết về quản lý và tiết kiệm năng lượng điện trong môi trường bệnh viện đa khoa thông qua việc ứng dụng công nghệ tự động hóa tòa nhà. Bằng việc phân tích kỹ lưỡng các tiêu chuẩn chiếu sáng, thông gió y tế và so sánh ưu nhược điểm của các giải pháp công nghệ, đề tài đã thiết kế và thử nghiệm thành công mô hình giám sát - điều khiển dựa trên nền tảng tiêu chuẩn mở KNX, bộ điều khiển Logic Machine 5 và phần mềm ETS5. Kết quả nghiên cứu chứng minh tính khả thi về mặt kỹ thuật, mang lại giải pháp điều khiển phân tán linh hoạt, ổn định và có tiềm năng ứng dụng thực tế cao cho các cơ sở y tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHỤ TẢI DÙNG ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG BỆNH VIỆN ĐA KHOA Cùng với sự tiến bộ vượt bậc của nền y tế hiện đại ngày nay, không khó khăn để bắt gặp các loại máy móc và thiết bị trong lĩnh vực y tế hiện đại trong bệnh viện để phục vụ công tác chữa trị và chuẩn đoán cho người bệnh. Về cơ bản, có rất nhiều loại thiết bị được dùng trong bệnh viện và các phòng khám tùy theo nhu cầu và mục đích sử dụng. Phụ tải điện là bất kỳ thiết bị nào tiêu thụ năng lượng điện và biến nó thành một dạng khác. Các thiết bị này sẽ tiêu thụ năng lượng điện dưới dạng dòng điện và biến đổi thành dạng khác.

Năng lượng điện thường được biến đổi thành các dạng như ánh sáng, chuyển động hoặc nhiệt điện. Bệnh viện đa khoa gồm nhiều khu để thực hiện các chức năng khác nhau: - Khu hành chính - Khu điều trị - Khu kỹ thuật - Khu điều trị nội trú - Khu điều trị ngoại trú - Khu cận lâm sàng - Khu giặt là - Khu xử lý chất thải Với mỗi khu vực các loại phụ tải và lượng điện năng tiêu thụ là khác nhau vì vậy cần có sự giám sát và điều khiển để sử dụng điện năng hiệu quả. Thiết bị chiếu sáng 1. Định nghĩa và phân loại Là những thiết bị có khả năng chuyển hóa năng lượng điện tiêu thụ thành năng lượng ánh sáng.

Theo nguyên lí hoạt động ta có thể phân chia các đèn chiếu sáng thành ba nhóm lớn: - Đèn nóng sáng là loại đèn được phát sáng khi đốt nóng: điện năng chuyển thành nhiệt năng rồi lại chuyển tiếp thành quang năng. Trong đèn sợi đốt có hai loại là đèn sợi đốt thông thường và đèn sợi đốt có bổ sung khí halogen.1: Đèn sợi đốt - Đèn phóng điện là loại đèn sử dụng phương pháp phóng điện hồ quang để chiếu sáng. Các loại đèn phóng điện trong chất khí gồm các nhóm: đèn huỳnh quang, đèn cao áp thủy ngân, đèn natri và đèn halogen kim loại.2: Đèn huỳnh quang - Đèn LED ( lighting emitting diode): đi ốt phát quang khi có dòng điện 1 chiều chạy qua, chuyển từ điện năng sang quang năng.3: Đèn LED âm trần 1. Các khái niệm liên quan - Quang thông (đơn vị lumen) là giá trị đo tổng lượng ánh sáng phát ra từ một đèn.

- Độ rọi (đơn vị lux) là lượng quang thông chiếu tới một đơn vị diện tích bề mặt. - Độ chói (cd/m2) là cường độ sáng phát ra từ bề mặt nguồn sáng hoặc bề mặt phản xạ theo một hướng xác định, gây nên cảm giác sáng đối với mắt, giúp nhận biết vật. - Độ đồng đều là tỷ số giữa giá trị tối thiểu và giá trị trung bình của độ rọi. Nó thể hiện tỉ lệ đồng đều của ánh sáng trên bề mặt chiếu sáng thông qua tỉ số của độ rọi.

- Chỉ số chói lóa mặt tiện nghi đặc trưng mức độ gây ra cảm giác khó chịu khi các phần của trường nhìn quá chói so với độ chói xung quanh mà mắt đẵ thích nghi. - Nhiệt độ màu là đại lượng đặc trưng của ánh sáng, cho biết ánh sáng phát ra có màu gì và thuộc ánh sáng ấm hay lạnh. Đơn vị đo nhiệt độ màu là Kevin (viết tắt là K) Kelvin dao động trong khoảng 1000K - 10,000K tương ứng các gam màu từ ấm đến lạnh. 12 - Chỉ số hoàn màu được ký hiệu là CRI (color rendering index) phản ánh độ trung thực màu sắc của vật khi được nguồn sáng chiếu tới.

Tiêu chuẩn chiếu sáng trong nhà Khu vực chiếu sáng Tiêu chuẩn độ rọi (lux) Khu vực văn phòng 400-500 Sảnh, hành lang 100-150 Phòng máy, phòng kỹ thuật 150-200 Phòng vệ sinh 100-150 Cầu thang bộ 150-200 Khu tiếp tân 250-300 Phòng kho 100-200 Tầng hầm, bãi đỗ xe >75 Phòng bệnh 200-250 Theo ước tính, tiêu thụ năng lượng của việc chiếu sáng chiếm khoảng 20 – 45% tổng tiêu thụ năng lượng của một toà nhà thương mại và khoảng 3 – 10% trong tổng tiêu thụ năng lượng của một nhà máy công nghiệp. Trong bệnh viện gần như toàn bộ khu vực đều cần thiết bị chiếu sáng vì vậy việc quản lý để tiến hành tiết kiệm năng lượng là rất cần thiết. Thiết bị khám chữa bệnh 1. Máy móc và các phụ tải điện dùng trong chẩn đoán Thiết bị chẩn đoán có thể là bất kỳ thiết bị hay dụng cụ y tế nào được sử dụng trong các cơ sở y tế, phòng khám với mục đích duy nhất là chẩn đoán tình trạng của bệnh nhân.

Dựa trên các triệu chứng được bệnh nhân mô tả, bác sĩ sẽ thực hiện những xét nghiệm chẩn đoán bằng cách sử dụng những dụng cụ y tế thích hợp để đánh giá nội bộ bệnh nhân. Các bác sĩ hay kỹ thuật viên sẽ tìm kiếm bất kỳ sự bất thường nào trong các cơ quan hoặc bộ phận bị ảnh hưởng trong cơ thể gây ra các biểu hiện triệu chứng. 13 Dưới đây là một số loại thiết bị và dụng cụ y tế chẩn đoán được sử dụng phổ biến nhất trong các cơ sở y tế, phòng khám, bệnh viện: Máy đọc hình ảnh dùng trong y tế – Là một sản phẩm được ứng dụng công nghệ, được sử dụng để tạo ra hình ảnh hiển thị bên trong cơ thể con người. Hình ảnh trực quan do thiết bị tạo ra được sử dụng để phân tích lâm sàng và can thiệp y tế.

Có rất nhiều thiết bị trong chẩn đoán hình ảnh, chẳng hạn như X-quang (máy X-quang), chụp cắt lớp vi tính (CT scan), chụp cộng hưởng từ (chụp MRI), máy siêu âm và siêu âm tim. Ngoài các loại máy dùng trong chẩn đoán hình ảnh y tế còn có các loại thiết bị khác được sử dụng để chẩn đoán tình trạng người bệnh. Một trong số đó còn bao gồm cân, ống nghe, doppler và máy đo oxy xung.4: Máy móc và các thiết bị dùng trong chẩn đoán y tế 14 1. Máy móc và phụ tải điện sử dụng lâu dài Loại thiết bị y tế này được sử dụng chủ yếu nhằm cung cấp các lợi ích trong điều trị cho một số tình trạng hoặc bệnh tật.

Việc sử dụng những thiết bị này phải có chỉ định của bác sĩ, được thiết kế để phục vụ cho mục đích y tế. Những thiết bị này được sử dụng trong thời gian dài và có thể tái sử dụng trong bệnh viện hoặc tại nhà để chăm sóc bệnh nhân. Một số loại thiết bị có tuổi thọ sử dụng lâu bên như: - Xe lăn tay hoặc lăn điện - Giường bệnh - Xe tập, nạng, gậy (các thiết bị hỗ trợ vận động) - Thiết bị kéo - Nệm áp lực - Bơm insulin - Máy hút sữa - Máy phun sương - Thang máy dành cho bệnh nhân - Máy chạy thận - Bình oxy cố định hoặc di động - Máy thở oxy Hình 1.5: Máy móc và các thiết bị có tuổi thọ sử dụng lâu dài Thuật ngữ “lâu bền” bắt nguồn từ việc các loại máy móc thiết bị thường xuyên được kiểm tra chất lượng hoạt động. Các thiết bị này được thiết kế để cung cấp cho 15 người bệnh sự an toàn và thoải mái.

Ngoài ra, những thiết bị này còn bao gồm tính năng chống trượt và độ chịu lực bền bỉ. Máy móc và các phụ tải điện dùng trong điều trị Thiết bị điều trị dùng trong y tế là bất kỳ loại thiết bị hoặc dụng cụ y tế nào được thiết kế để điều trị một tình trạng bệnh lý cụ thể. Các máy móc thiết bị này được ứng dụng công nghệ hiện đại để giải quyết bất kỳ bất thường nào nhằm phục hồi chức năng của các cơ quan hoặc mô bị ảnh hưởng trong cơ thể người bệnh. Điều này được bao gồm các vật tư phẫu thuật được thiết kế để điều trị một số tình trạng cần can thiệp phẫu thuật.

- Thiết bị phẫu thuật LASIK: Việc sử dụng công nghệ LASIK chủ yếu để điều trị các bệnh về mắt. Thiết bị này được thiết kế để sử dụng cho những bệnh nhân có vấn đề về mắt như cận thị, viễn thị hoặc loạn thị.6: Thiết bị phẫu thuật LASIK - Thiết bị Laser y tế: Là một thiết bị mang tính cách mạng về công nghệ, sử dụng trong lĩnh vực y tế để điều trị các loại bệnh lý khác nhau. Đây là loại thiết bị có thể phát ra bước sóng bức xạ điện từ cho các ứng dụng về lâm sàng. Các bước sóng này sẽ thay đổi khi đạt mức năng lượng và thời lượng xung.

Máy móc và các phụ tải điện sử dụng trong phòng thí nghiệm y tế Những loại thiết bị này được sử dụng nhằm phân tích nhóm máu, nước tiểu, gen và các vật liệu sinh học khác. 16 Một số ví dụ phổ biến nhất về phụ tải phòng thí nghiệm được sử dụng trong lĩnh vực y tế: - Máy phân tích khí máu - Máy phân tích hóa học - Máy phân tích điện giải - Bộ đếm vi sai - Máy phân tích thử nghiệm thuốc - Máy phân tích đông máu - Máy phân tích huyết học - Máy phân tích nước tiểu Hình 1.7: Máy phân tích huyết học 1. Nhóm thiết bị sưởi, thông gió, điều hòa. Định nghĩa Là các thiết bị đảm nhiệm kiểm soát về độ ẩm, nhiệt độ, chất lượng không khí trong bệnh viện.

Có thể kể đến một vài thiết bị ở đây như: điều hòa, quạt treo tường, hệ thống thông gió,.8: Hệ thống thông gió trong một phòng bệnh. Mục tiêu của nhóm thiết bị này là phải đảm bảo cho không khí trong lành, sạch các mầm mống bệnh cũng như tạo một nhiệt độ thích hợp cho quá trình hồi phục của bệnh nhân, do đó việc điều khiển nhóm thiết bị này là vô cùng phức tạp và có nhiều tiêu chuẩn. Các tác dụng của nhóm thiết bị sưởi, thông gió, điều hòa Ngoài việc đảm chất lượng không khí, hệ thống các thiết bị trên còn có các tác dụng khác như: - Duy trì chất lượng không khí: Việc kiểm soát hiệu quả chất lượng không khí và nhiệt độ và độ ẩm trong tất cả các bệnh viện là giải pháp để giữ an toàn cho bệnh nhân, và trong một số trường hợp, thậm chí còn là một phần trong việc điều trị của họ. Các hệ thống thông gió trong bệnh viện sẽ được thiết kế sao cho việc chăm sóc bệnh nhân được tốt nhất, kiểm soát chính xác các yêu cầu về không khí, nhiệt độ và độ ẩm tại từng khu vực khác nhau trong bệnh viện.

Đồng thời đóng vai tròn làm hạn chế sự di chuyển và lây lan của khí độc, vi khuẩn, các chất gây ô nhiễm khác trong không khí.