CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Lịch sử phát triển ⧫ Giai đoạn hình thành (1980s – 1990s) Đầu những năm của thập niên 1980, xuất hiện các hệ thống tự động hoá toà nhà (BAS) riêng biệt, do các công ty khác nhau xây dựng và phát triển. Sử dụng các giao thức độc quyền. Năm 1990, Hiệp hội EIB (European Installation Bus) được thành lập với mục tiêu thống nhất một tiêu chuẩn duy nhất cho hệ thống BAS tại châu Âu.
Tiêu chuẩn EIB 1.0 ra đời năm 1994 sử dụng cáp xoắn đôi để truyền tín hiệu. ⧫ Giai đoạn phát triển (1999 – nay) Năm 1999, tiêu chuẩn EIB 2.0 được ra mắt, bổ sung các tính năng mới như truyền thông hai chiều, kết nối internet. Năm 2003 Hiệp hội EIB đổi tên thành Hiệp hội KNX. Năm 2004, tiêu chuẩn KNX TP 1 được ra mắt, sử dụng cáp Ethernet để truyền tín hiệu.
Từ đó, KONNEX (KNX) có mặt trên hơn 100 quốc gia và vùng lãnh thổ trên thế giới, trở thành tiêu chuẩn quốc tế (EN 50090, ISO/IEC 14543) cho tự động hoá trong xây dựng và thương mại. Đặc biệt là nhà thông minh. 1 Công nghệ KNX trong tự động hoá toà nhà 15 1. Lý do chọn đề tài Ở Việt Nam, khái niệm hệ thống tòa nhà thông minh cũng không còn là điều gì mới mẻ.
Khi nhịp độ xây dựng các tòa nhà, văn phòng cao cấp, các trung tâm thương mại ngày càng tăng. Công nghệ toà nhà thông minh ngày một phổ biến, bởi các tính năng và hiệu quả kinh tế mà nó mang lại cho các tòa nhà đó là rất lớn. Các giải pháp công nghệ tòa nhà thông minh đã được nhiều hãng Lagrand (Pháp), hãng Comfort (Singapore), hãng Siemens (Đức) có những chi nhánh toàn cầu với những mẫu nhà đa dạng theo từng yêu cầu của khách hàng. Với các loại công nghệ thông minh như: X10 Compatible, X10 Wireless, Insteon, ZigBee, HomePlug, Bluetooth, KNX.
Nổi bật trong số đó là công nghệ KNX, với KNX tất cả các thành phần như thiết bị, tính năng và chức năng của chúng đều có thể giao tiếp với nhau thông qua một ngôn ngữ chung. Trong khoảng thời gian Việt Nam chúng ta đang trong giai đoạn đại dịch Covid- 19, để hạn chế tối đa việc lây lan Covid thì nhu cầu sử dụng các phương pháp điều khiển không tiếp xúc ( điều khiển từ xa ) trong hệ thống quản lý toà nhà được đánh giá cao. KNX Sever là thiết bị có thể kết hợp với hệ thống quản lý toà nhà thông minh để giao tiếp với các thiết bị KNX khác thông qua Internet. Nhưng với giá thành rất cao cùng với giao diện điều khiển không tuỳ biến.
Kết hợp với hướng phát triển của những đề tài đã được nghiên cứu trước đó, nhóm tác giả đã bắt đầu nghiên cứu giải pháp tự động hoá toà nhà sử dụng công nghệ KNX và S7-1200 như là một sự kết hợp mới mẽ trong điều khiển và giám sát toà nhà. Đây là một hướng đi mới trong công nghệ toà nhà thông minh. Đó cũng chính là trọng tâm nghiên cứu trong bài viết này. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu giải pháp tự động hoá toà với công nghệ KNX và S7-1200 - Hiểu biết tổng quan hơn về tự động hoá toà.
16 - Làm quen với thiết bị KNX, PLC S7-1200, LOGO 8 để có thể lập trình và sử dụng được các tính năng của thiết bị. - Tìm ra giải pháp tự động hoá mới mẽ và tối ưu công nghệ toà nhà thông minh. - Đánh giá được mức độ hiệu quả của việc kết hợp thiết bị chuẩn KNX và PLC S7-1200 trong tự động hoá toà nhà. - Thiết kế mô hình truyền thông KNX với PLC S7-1200 ứng dụng vào việc học tập và nghiên cứu cho sinh viên.
Nội dung nghiên cứu Bài viết này tập trung nghiên cứu về tiêu chuẩn KNX trong công nghệ toà nhà thông minh, lắp đặt, kết nối và vận hành. Giao tiếp truyền thông và giám sát qua giao diện giám sát của PLC Siemens S7-1200. Ý nghĩa thực tiễn Gần đây việc xây dựng tòa nhà thông minh là một vấn đề rất được quan tâm, góp phần nâng cao hiệu quả vận hành, khai thác cho tòa nhà và cải thiện điều kiện làm việc của con người. Nghiên cứu giải pháp tự động hoá toà nhà với công nghệ KNX và S7-1200 là một cách tiếp cận mới mang lại độ chính xác cao và tối ưu hoá hơn so với các phương pháp trước đây.
Xây dựng tòa nhà thông minh theo tiêu chuẩn KNX kết hợp PLC S7-1200 giúp việc quản lý tòa nhà linh hoạt, tiết kiệm năng lượng, vận hành dài lâu, dễ thay đổi và sửa chữa. 17 CHƯƠNG 2: KIẾN THỨC CHUNG VỀ TỰ ĐỘNG HOÁ TOÀ NHÀ VÀ CÔNG NGHỆ KNX 2. Giới thiệu công nghệ KNX 2. Khái niệm về công nghệ KNX KNX là một tiêu chuẩn quốc tế cho những toà nhà thông minh chất lượng cao.
Nó tích hợp hoàn toàn cho tự động hóa nhà ở gia đình và tòa nhà bởi vì tính linh hoạt, hiệu quả về chất lượng và chi phí. Tính linh hoạt về chức năng của nó không chỉ được sử dụng trong các công trình lắp đặt đơn giản và hạn chế mà còn tạo ra các giải pháp cho toàn bộ lĩnh vực xây dựng. 1 Công nghệ KNX 2. Thành phần thiết bị cốt lõi - Thiết bị hệ thống: Nguồn cấp, bus dữ liệu, giao diện nối tiếp (RS-232), cổng kết nối, phân nguồn, phân tuyến và phân vùng.
- Cảm biến: Nút nhấn, bộ chuyển đổi ( gió, mưa, ánh sáng, nhiệt độ ), bộ điều khiển nhiệt độ, đầu vào tương tự. - Chấp hành: Chấp hành chuyển mạch, chấp hành điều chỉnh tăng/giảm, chấp hành cho rèm, chấp hành cho cuộn sưởi. 18 - Bộ điều khiển: Cảm biến và chấp hành có thể được kết nối logic với nhau bằng các phương pháp điều khiển thể hợp lý (đơn vị logic, module logic hay tương tự) để giải quyết các chức năng phức tạp. Mô hình giao tiếp kết nối - Hệ thống hoạt động KNX/EIB là hệ phi tập trung và không yêu cầu một máy tính hay bất kỳ khối điều khiển đặc biệt sau khi khởi động.
Các "Thông minh" hay đúng hơn là các chức năng lập trình được lưu trữ trong các trạm (STNs – Thiết bị KNX). Mỗi thiết bị có thể trao đổi thông tin theo phương pháp gửi nhận với các thiết bị khác bằng tín hiệu điện. 2 Giao tiếp kết nối kiểu bus trong một hệ thống KNX - Hai thiết bị STNs có thể phối hợp với nhau bằng nguồn cấp thông qua bus nhánh với các quy mô nhỏ. Các bus cài đặt dần sẽ thương thích với quy mô của hệ thống và các chức năng cần thiết, có thể mở rộng lên đến 45,000 thiết bị.
Đường bus kết nối với các thiết bị. Khuyến cáo nên sử dụng cáp kết nối được chứng nhận bởi hiệp hội KNX/EIB. Ngoài các yêu cầu vật lý cho dây cáp tín hiệu (số lượng lõi, tiết diện, cách ly điện áp, vv), các đường bus có thể được ngay lập tức phân biệt với các đường điện truyền thông khác. Đường bus của KNX/EIB có thể được đặt theo cách gần như bất kỳ.
Cấu trúc liên kết tuyến có thể nối tiếp, hình sao, hình cây. Nhưng không thể theo kiểu mạch khép kín KNX/EIB không yêu cầu thiết bị điện trở đầu cuối. Tất cả các thiết bị liên kết với tuyến và nguồn điện cũng được cũng cấp trên cùng đường bus. Kết nối thiết bị trong hệ thống KNX 2.
Đường truyền Bus - Các thiết bị KNX sẽ được kết nối với nhau qua một đường dây truyền thông chung. Gọi là đường truyền Bus. Vì vậy, tất cả chúng đều nhìn thấy cùng một thông tin. Hầu hết dữ liệu là các thông tin địa chỉ (nghĩa là dữ liệu đến từ đâu và sẽ đến đâu).
Mỗi thiết bị sẽ được định một địa chỉ cụ thể trong đường truyền. 3 Đường truyền Bus trong hệ thống KNX - Một đặc điểm quan trọng của hệ thống KNX là cấu trúc điều khiển phân tán. Lợi thế lớn của cấu trúc điều khiển phân tán là nếu một thiết bị bị lỗi, các thiết bị khác vẫn tiếp tục hoạt động, do cấu hình được thực hiện riêng lẻ, ở cấp độ thiết bị. Chỉ những ứng dụng phụ thuộc vào thiết bị bị lỗi sẽ bị gián đoạn.
- Các thiết bị trong hệ thống nhà thông minh KNX được liên kết nối tiếp với nhau thông qua một dây cáp (BUS) với điện áp 30VDC. Các thiết bị nhận tín hiệu (công tắc, cảm ứng chuyển động, cảm nhận sự hiện diện,.) nhận lệnh và chuyển tín hiệu điều khiển đến các cơ cấu chấp hành (switch loader, dimmer,…) để đóng mở đèn, quạt, bình nóng lạnh, rèm cửa và các thiết bị điện khác theo ý muốn. Các loại đường truyền KNX bus Tiêu chuẩn đường truyền KNX được thiết kế rất linh hoạt. Về cơ bản bạn có thể lắp đặt các đường truyền với mọi loại công trình xây dựng và trong các điều kiện môi trường khác nhau: trong nhà, ngoài trời, ẩm, ướt.
Đối với các công trình xây mới, thông thường các kỹ sư hệ thống sẽ thiết lập đường truyền bus KNX bằng cáp TP 20 (Twisted Pair), nhưng đối với các công trình đã có sẵn, việc đi lại hệ thống dây truyền dẫn không phải lúc nào cũng khả thi. KNX cung cấp một số loại đường truyền bus cơ bản: - KNX Twisted Pair (KNX TP) – sử dụng cáp đôi vặn xoắn. - KNX Powerline (KNX PL) - sử dụng mạng lưới điện sẵn có. - KNX Tần số radio (KNX RF) – sử dụng giao tiếp không dây qua tín hiệu radio.
- KNX IP – sử dụng giao tiếp qua Ethernet. Định địa chỉ vật lý cho thiết KNX Địa chỉ vật lý hiển thị vị trí vật lý mà thiết bị đặt vào hệ thống, mỗi thiết bị sẽ được gán 1 địa chỉ ID vật lý duy nhất bằng phần mềm lập trình ETS. Thiết bị được định địa chỉ như sau : A( area).C(device) Trong đó A là khu vực mà tổng số lượng thiết bị tối đa có thể giao tiếp trong KNX, B là line : nhánh hoặc tuyến – chỉ rõ số lượng tối đa giao tiếp trong nhiều nhánh trong cùng 1 khu vực, C là số lượng tối đa có thể giao tiếp trong 1 nhánh. 4 Sơ đồ khu vực trong KNX/EIB Như hình trên, ta thấy trong cấu trúc KNX/EIB được tạo bởi 15 khu vực (được đánh số từ 1.0), được liên kết bằng một đường xương sống ( backbone 21 line).
Tiếp theo trong mỗi khu vực có 15 nhánh (tuyến) ghép lại với nhau thành với nhau tạo thành mainline ( tuyến chính ), 15 nhánh đó trong mạng KNX được đánh số từ 1. 5 Sơ đồ nhánh tuyến KNX/EIB Cuối cùng trong mỗi 1 nhánh (tuyến), số lượng thiết bị có thể được gắn vào 64 thiết bị.