Mở đầu 1.1 Thế nào là hệ thống tự động hóa tòa 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 tòa 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 tòa 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 tòa 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 hòa không khí, thông 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 hoá văn phòng.
Toàn 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 thông báo nếu xảy ra sự cố ra màn hình, loa, NGUYỄN HOÀNG – CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN KHÓA 2005-2007 TỰ ĐỘNG HÓA TÒA 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 tòa nhà tự động ? Câu trả lời đơn giản nhất có lẽ là tòa 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 không làm thoả mãn chúng ta. Có lẽ khi đánh giá về tòa nhà, ta hay dùng cụm từ “ Tòa nhà có mức độ tự động hóa cao”, nhưng thế nào là tự động hóa cao thì không có một định nghĩa rõ ràng.
Trước khi có một tiêu chuẩn để phân loại mức độ tự động hóa tòa nhà, ta tạm hiểu khi nhắc đến tự động hóa tòa nhà là nói đến tòa nhà có qui mô 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 tòa 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 ngôi nhà thông minh cũng là trang bị hệ điều khiển giám sát tốt cho ngôi nhà. Nhưng ngôi nhà thông minh muốn nhắc đến ngôi nhà có qui mô 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 tòa nhà chỉ trang bị hệ thống thang máy, hệ thống báo cháy, hệ thống thông gió; có tòa nhà trang bị hệ thống điều khiển chiếu sáng, hệ thống quản lý năng lượng; có tòa 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 tòa 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 tòa nhà. Tức là, khi xây dựng những tòa nhà mới, nếu chưa đủ điều kiện thì kĩ sư xây dựng phải tính đến không 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 tòa nhà cần phải làm gì ? Câu trả lời sẽ có ở những phần sau khi chúng ta đã tìm hiểu nhiều hơn về BMS.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 HÓA TÒA NHÀ 3 Đề tài luận văn cao học: “NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN THIẾT KẾ HỆ TỰ ĐỘNG HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN TÒA NHÀ TẠI VIỆT NAM” được tôi chọn vì những lý do sau: • Nhu cầu xây dựng tòa 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 tòa nhà cần được trang bị hệ tự động hóa tòa nhà (BMS). Nhưng hiểu tường tận thế nào là tự động hóa tòa nhà là không dễ khi chưa hề có một bộ tiêu chuẩn đầy đủ về tự động hóa tòa nhà được đưa ra từ cơ quan quản lý nhà nước. Và cũng chưa có môn học của bất cứ nghành học nào chuyên sâu về tự động hóa tòa nhà, cùng với đó là không 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 công trình dù không khó khăn về vốn nhưng vẫn không 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 không có nhiều thông tin hữu ích, và các bản thiết kế thường mang tính tự phát, dựa nhiều vào kinh nghiệm. Các nhà thầu thường không 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 tòa nhà, làm tài liệu tham khảo hữu ích cho các kĩ sư thiết kế hệ thống tự động hóa tòa nhà, xây dựng một khung về các lựa chọn hệ BMS để chủ đầu tư dựa vào đó ra bài toán 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 tòa nhà ở Việt Nam. Để đạt được mục đích trên, tôi 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. Tôi mong muốn bản luận văn của mình không chỉ có ý nghĩa khoa học, mà còn có ích trong thực tiễn thiết kế hệ BMS ở Việt Nam.4 BMS hay HTĐK&GS BMS thực chất là hệ thống điều khiển và giám sát (HTĐK&GS) trong tự động hóa tòa nhà.
Vì vậy, BMS có đầy đủ chức năng của HTĐK&GS thông NGUYỄN HOÀNG – CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN KHÓA 2005-2007 TỰ ĐỘNG HÓA TÒA NHÀ 4 thường. Để người đọc (nhất là các bạn sinh viên) có hệ thống kiến thức đầy đủ trong tài liệu này, tôi xin trích dẫn một số kiến thức cơ bản từ tài liệu [1], [2].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 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 không biết trước). NGUYỄN HOÀNG – CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN KHÓA 2005-2007 TỰ ĐỘNG HÓA TÒA 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 quá trình công nghiệp với mục đích đưa quá trình kĩ thuật qua một trình tự các trạng thái riêng biệt.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.