Đồ án ứng dụng BMS điều khiển giám sát hệ thống PAC tại Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Giải pháp ứng dụng BMS điều khiển giám sát hệ thống PAC cho trung tâm dữ liệu giúp tối ưu hiệu suất làm mát, tiết kiệm năng lượng và vận hành ổn định.

• Tác giả: Nguyễn Tiến Đạt
• Người hướng dẫn: ThS. Trần Tùng Giang
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử
• Đề tài: Ứng dụng BMS điều khiển, giám sát hệ thống PAC cho phòng trung tâm dữ liệu
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan ứng dụng BMS điều khiển giám sát hệ thống PAC

Hệ thống điều hòa không khí chính xác PAC đóng vai trò sống còn trong việc kiểm soát môi trường trung tâm dữ liệu. Khác với máy lạnh dân dụng, PAC duy trì tải nhiệt cao liên tục và điều tiết độ ẩm khắt khe. Nền tảng quản lý tòa nhà BMS kết nối các thiết bị kỹ thuật thành mạng lưới vận hành tập trung. Đề tài tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM khai thác mô hình này nhằm tự động hóa quy trình quản trị nhiệt độ cho máy chủ. Cấu trúc hệ thống chia thành ba phân tầng cơ bản: cấp trường, cấp điều khiển và cấp quản lý. Cấp trường tập hợp cảm biến cùng cơ cấu chấp hành vật lý. Cấp điều khiển vận hành logic trung gian bằng bộ lập trình khả trình PLC. Cấp quản lý cung cấp giao diện trực quan hỗ trợ kỹ sư theo dõi dữ liệu thời gian thực. Việc tích hợp này loại bỏ hoàn toàn các thao tác thủ công rủi ro. Cơ sở hạ tầng trung tâm dữ liệu nhờ đó luôn duy trì độ tin cậy và tiết kiệm điện năng.

1.1. Khái niệm và cấu trúc phân tầng kiến trúc BMS

Hệ thống quản lý tòa nhà BMS tổ chức theo cấu trúc phân tầng tiêu chuẩn. Tầng cấp trường gồm các cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm, áp suất chênh lệch và rò rỉ nước. Các cơ cấu chấp hành như quạt hút, van tuyến tính và điện trở sưởi cũng thuộc tầng này. Tầng điều khiển sử dụng thiết bị PLC S7-1200 tiếp nhận tín hiệu vật lý. Bộ xử lý trung tâm tính toán thuật toán và gửi lệnh phản hồi liên tục. Tầng quản lý trên cùng sử dụng giao diện HMI hoặc SCADA hiển thị toàn bộ sơ đồ công nghệ. Nhân viên vận hành dễ dàng nắm bắt thông số môi trường mà không cần tiếp cận trực tiếp thiết bị. Cấu trúc ba tầng giúp hệ thống vận hành ổn định và độc lập.

1.2. Vai trò cốt lõi của máy lạnh chính xác PAC

Máy lạnh chính xác PAC chuyên dùng cho các phòng máy chủ và trung tâm dữ liệu mật độ cao. Thiết bị sở hữu tỷ lệ nhiệt hiện cao vượt trội, tập trung làm mát thiết bị thay vì khử ẩm đơn thuần. PAC duy trì lưu lượng tuần hoàn khí liên tục suốt hai mươi bốn giờ mỗi ngày. Khả năng lọc bụi hạt mịn của thiết bị bảo vệ bo mạch máy tính khỏi nguy cơ chập cháy. Ngoài ra, PAC tích hợp các cụm gia nhiệt và tạo ẩm điện cực nhằm kiểm soát độ ẩm phòng ở mức lý tưởng. Khi kết hợp với nền tảng BMS, PAC vận hành đồng bộ và luân phiên tải nhiệt. Điều này giúp kéo dài tuổi thọ thiết bị và ngăn chặn sự cố quá nhiệt bất ngờ.

II. Phân tích thách thức nhiệt ẩm và giám sát hệ thống PAC

Trung tâm dữ liệu tiêu thụ lượng điện khổng lồ và phát thải nhiệt liên tục từ các phiến máy chủ. Nếu nhiệt độ phòng vượt ngưỡng cho phép, linh kiện bán dẫn sẽ suy giảm hiệu năng nhanh chóng. Hiện tượng điểm nóng cục bộ xuất hiện khi luồng khí lạnh phân phối không đồng đều giữa các tủ rack. Độ ẩm môi trường cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ phần cứng. Độ ẩm quá cao gây ngưng tụ sương dẫn đến hiện tượng đoản mạch vi sai. Ngược lại, độ ẩm quá thấp tạo ra hiện tượng phóng tĩnh điện phá hủy các vi mạch nhạy cảm. Phương pháp vận hành truyền thống bộc lộ nhiều lỗ hổng do phụ thuộc vào con người ghi chép định kỳ. Nhân sự kỹ thuật không thể phản ứng kịp thời khi xảy ra dao động nhiệt đột ngột. Việc thiếu hụt cơ chế tự động điều phối khiến năng lượng làm lạnh bị lãng phí nghiêm trọng. Một giải pháp giám sát thông minh là yêu cầu cấp thiết để bảo vệ hệ thống server an toàn.

2.1. Yêu cầu khắt khe về vi khí hậu phòng máy chủ

Tiêu chuẩn quốc tế ASHRAE quy định dải nhiệt độ tối ưu cho phòng trung tâm dữ liệu từ mười tám đến hai mươi bảy độ C. Độ ẩm tương đối cần duy trì nghiêm ngặt trong khoảng bốn mươi đến sáu mươi phần trăm. Sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ làm suy giảm tuổi thọ các tụ điện và ổ đĩa lưu trữ. Áp suất tĩnh trong phòng cũng cần kiểm soát để tránh bụi bẩn xâm nhập từ môi trường bên ngoài. Hệ thống điều hòa thông thường không có khả năng ổn định các chỉ số này một cách đồng bộ. Thiết bị PAC chuyên dụng được tính toán nhằm triệt tiêu chính xác các tải nhiệt cục bộ phát sinh liên tục trong quá trình điện toán.

2.2. Mô phỏng luồng khí CFD và rủi ro vận hành thủ công

Nghiên cứu ứng dụng phần mềm SimScale để mô phỏng động lực học chất lưu CFD cho không gian phòng máy. Kết quả phân tích chỉ ra thiết kế thổi gió âm sàn giúp phòng mát mẻ hơn hẳn phương pháp thổi trực diện. Khí lạnh đi qua sàn nâng sẽ tiến thẳng vào cửa trước của các rack máy chủ mà không bị phân tán. Ngược lại, nếu vận hành thủ công không có BMS, áp suất gió sàn nâng dễ bị mất cân bằng khi mở thêm tủ rack. Kỹ sư không thể phát hiện các điểm nghẽn khí ngầm dưới sàn. Tình trạng máy nén hoạt động quá tải không được cảnh báo sớm gây nguy cơ hỏng hóc dây chuyền cho toàn trạm.

III. Giải pháp tự động hóa BMS điều khiển giám sát hệ thống PAC

Giải pháp kỹ thuật xây dựng trên nền tảng PLC S7-1200 kết hợp bộ phần mềm TIA Portal V16 hiện đại. Hệ thống xử lý tín hiệu analog từ các cảm biến nhiệt ẩm thông qua hai thuật toán chuẩn hóa NORM_X và SCALE_X. Tín hiệu số hóa sau khi tinh chỉnh được đưa vào thuật toán điều khiển PID chuyên sâu. Vòng lặp PID tự động hiệu chỉnh tần số làm việc của biến tần điều khiển quạt gió và máy nén. Khi áp suất đường ống vượt ngưỡng an toàn, bộ điều khiển kích hoạt van bypass để bảo vệ đường ống gas lạnh. Hệ thống kiểm soát độ ẩm hai chiều nhờ bộ tạo ẩm điện cực và thanh điện trở sưởi. Chế độ điều khiển AUTO vận hành độc lập theo kịch bản lập trình sẵn mà không cần can thiệp ngoại lực. Nếu xuất hiện sự cố, hệ thống chuyển sang chế độ dự phòng và kích hoạt còi báo động qua SCADA. Kỹ sư có thể chuyển sang chế độ MAN để bảo trì thiết bị an toàn.

3.1. Thuật toán điều khiển PID và xử lý tín hiệu analog

Quy trình xử lý tín hiệu trong PLC bắt đầu từ khối lệnh NORM_X. Khối này chuyển đổi giá trị nguyên từ cảm biến thành số thực chuẩn hóa từ không đến một. Tiếp theo, khối SCALE_X ánh xạ giá trị về thang đo vật lý thực tế của nhiệt độ và độ ẩm. Tín hiệu phản hồi được cấp vào khối PID Compact để tính toán độ sai lệch tức thời. Bộ điều khiển liên tục xuất xung PWM hoặc điện áp tương tự để điều chỉnh góc mở van và tốc độ quạt thổi. Cơ chế bù sai lệch giúp nhiệt độ buồng máy luôn bám sát điểm đặt cài đặt trước với độ vọt lố tối thiểu.

3.2. Thiết lập chế độ AUTO MAN và giám sát HMI SCADA

Hệ thống cung cấp ba chế độ hoạt động linh hoạt gồm AUTO, MAN và OFF. Chế độ AUTO tự động hóa toàn diện quá trình làm mát, tạo ẩm, xả nhiệt và điều tiết áp suất. Chế độ MAN cho phép kỹ sư vận hành thử nghiệm từng thiết bị riêng lẻ phục vụ công tác sửa chữa. Giao diện HMI SCADA thiết kế trực quan trên nền tảng WinCC. Màn hình hiển thị đầy đủ thông số động học, trạng thái đóng cắt động cơ và đồ thị xu hướng thời gian thực. Hệ thống tích hợp tính năng cảnh báo sự cố nhiều cấp độ giúp kỹ thuật viên xử lý kịp thời các nguy cơ tiềm ẩn trong trung tâm dữ liệu.

IV. Đánh giá ứng dụng BMS điều khiển giám sát hệ thống PAC

Đề tài tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã giải quyết thành công bài toán tự động hóa phòng server. Việc ứng dụng BMS mang lại khả năng quản lý vi khí hậu chính xác, giảm thiểu phụ thuộc vào con người. Cơ chế điều khiển vòng kín PID giúp các thiết bị lạnh vận hành đúng công suất thực tế. Lượng điện năng tiêu thụ giảm thiểu đáng kể so với phương pháp đóng cắt relay thông thường. Các lỗi áp suất đường ống hay quá nhiệt phòng máy đều được phát hiện sớm và xử lý triệt để. Hệ thống đảm bảo tính dự phòng cao, sẵn sàng duy trì hoạt động ngay cả khi xuất hiện sự cố đơn lẻ. Mô hình này mở ra giải pháp khả thi cho các trung tâm dữ liệu giáo dục và doanh nghiệp. Xu hướng tích hợp trí tuệ nhân tạo và giao thức IoT hứa hẹn nâng cao hơn nữa hiệu suất hệ sinh thái BMS trong tương lai.

4.1. Hiệu quả tiết kiệm năng lượng và độ tin cậy

Ứng dụng BMS mang lại lợi ích kép về mặt chi phí và an toàn thiết bị. Việc điều khiển biến tần theo thuật toán PID giúp tiết kiệm điện năng đáng kể so với việc chạy quạt hết công suất. Hệ thống van bypass tự động xả áp bảo vệ máy nén khỏi nguy cơ phá hủy cơ học. Cơ chế đảo tải định kỳ giữa các cụm PAC giữ cho độ hao mòn thiết bị đạt mức cân bằng. Dữ liệu vận hành được lưu trữ liên tục tạo điều kiện thuận lợi cho việc lập kế hoạch bảo dưỡng định kỳ. Sự an toàn tuyệt đối của trung tâm dữ liệu là minh chứng rõ nét cho tính thực tiễn của giải pháp.

4.2. Khả năng mở rộng và triển vọng công nghệ tương lai

Mô hình điều khiển tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM có tính module hóa cao. Kiến trúc này dễ dàng mở rộng để tích hợp thêm các phòng máy chủ mới khi có nhu cầu. Nền tảng PLC S7-1200 hỗ trợ kết nối mạng truyền thông công nghiệp như Modbus TCP/IP và BACnet. Trong tương lai, hệ thống có thể kết nối với điện toán đám mây để phân tích dữ liệu nhiệt lớn. Thuật toán học máy sẽ dự đoán trước phụ tải nhiệt dựa trên lưu lượng truy cập của người dùng. Từ đó, bộ điều khiển sẽ tự động làm mát trước thời điểm máy chủ tăng tải nhằm nâng cao hiệu quả vận hành toàn diện.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của hạ tầng công nghệ thông tin, trung tâm dữ liệu (Data Center) đóng vai trò nền tảng cho việc lưu trữ và xử lý thông tin của các tổ chức và doanh nghiệp. Theo số liệu từ Uptime Institute (2024), có hơn 90% doanh nghiệp lớn trên quy mô toàn cầu đang trực tiếp vận hành trung tâm dữ liệu riêng hoặc sử dụng các hạ tầng dịch vụ đám mây. Mật độ thiết bị máy chủ gia tăng kéo theo lượng nhiệt phát sinh rất lớn trong không gian kín, đòi hỏi hệ thống làm mát phải duy trì hoạt động liên tục 24/7. Thống kê từ Green Grid chỉ ra rằng năng lượng tiêu thụ cho hệ thống làm mát chiếm khoảng 40% tổng điện năng tiêu thụ của toàn bộ trung tâm dữ liệu. Do đó, việc tối ưu hóa hiệu quả nhiệt và giảm chỉ số hiệu quả sử dụng năng lượng (PUE) dưới ngưỡng 1.5 theo tiêu chuẩn ASHRAE 90.4 là một yêu cầu kỹ thuật cấp thiết.

Hệ thống điều hòa không khí chính xác (Precision Air Conditioning - PAC) có nhiệm vụ duy trì nghiêm ngặt các thông số vi khí hậu. Nếu nhiệt độ và độ ẩm vượt khỏi ngưỡng an toàn do Hiệp hội Kỹ sư Hệ thống sưởi, Thông gió và Điều hòa không khí Hoa Kỳ (ASHRAE) khuyến nghị, phần cứng CNTT có nguy cơ giảm hiệu suất hoặc hư hỏng vật lý. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài đồ án tốt nghiệp "Ứng dụng BMS điều khiển, giám sát hệ thống PAC cho phòng trung tâm dữ liệu" được thực hiện nhằm xây dựng giải pháp tự động hóa quá trình điều khiển, giám sát hệ thống làm mát, đảm bảo độ tin cậy vận hành và tiết kiệm điện năng.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành 5 nội dung chính:

1. Tìm hiểu các tiêu chuẩn về điều kiện môi trường vi khí hậu trong phòng trung tâm dữ liệu (ASHRAE TC 9.9, ASHRAE 90.4, TIA-942).
2. Lựa chọn các thiết bị phần cứng gồm bộ điều khiển lập trình được (PLC S7-1200), màn hình giao diện người – máy (HMI) và các cảm biến, thiết bị chấp hành cho hệ thống PAC.
3. Lập trình bộ điều khiển PLC S7-1200 để xử lý tín hiệu analog/digital, cấu hình điều khiển biến tần và giao diện HMI.
4. Thiết kế giao diện giám sát, điều khiển từ xa trên nền tảng Web Server sử dụng Node-RED và ngôn ngữ lập trình JavaScript.
5. Thi công tủ điện, lắp đặt và vận hành mô hình thực nghiệm để kiểm chứng giải pháp.

Bên cạnh các nhiệm vụ trên, đồ án xác định 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

• Phân tích nguyên tắc, tiêu chuẩn làm mát trung tâm dữ liệu theo ASHRAE TC 9.9 và ASHRAE 90.4 để làm cơ sở xây dựng giải pháp BMS.
• So sánh hiệu quả kỹ thuật giữa các cấu hình điều hòa CRAC và CRAH.
• Đề xuất giải pháp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống HVAC nhằm cắt giảm mức tiêu thụ điện năng so với điều khiển truyền động cố định.
• Phân tích, đánh giá thực nghiệm các thông số vận hành của mô hình thực tế.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống HVAC phục vụ phòng trung tâm dữ liệu, tập trung vào máy lạnh chính xác kết hợp nguồn nước lạnh từ Chiller, các kỹ thuật ngăn luồng khí nóng/lạnh và giải pháp kiểm soát nhiệt ẩm theo chuẩn ASHRAE. Phạm vi nghiên cứu về mặt tính toán áp dụng cho phòng máy chủ quy mô 32 tủ rack (công suất nhiệt 5 kW/rack, tổng tải 160 kW, diện tích mặt sàn 15 m × 8 m) đặt tại TP. Hồ Chí Minh; phạm vi chế tạo và thử nghiệm tập trung vào mô hình điều khiển PAC quy mô phòng thí nghiệm, tích hợp PLC Siemens S7-1200, biến tần điều khiển động cơ quạt bằng thuật toán PID, van điện, cảm biến và hệ thống giám sát phân tầng qua HMI và Web Server.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế và giáo trình chuyên ngành:

• Tiêu chuẩn ASHRAE TC 9.9 quy định các dải nhiệt độ và độ ẩm cho thiết bị CNTT theo bốn phân lớp môi trường (A1 đến A4). Trong đó, điều kiện vận hành khuyến nghị (Recommended) chung cho cả bốn lớp là nhiệt độ bầu khô từ 18°C đến 27°C, độ ẩm tương đối tối đa 60% RH và nhiệt độ điểm sương từ -9°C DP đến 15°C DP.

Lớp môi trường	Nhiệt độ bầu khô cho phép (°C)	Độ ẩm tương đối cho phép (% RH)	Điểm sương tối đa (°C DP)	Giới hạn độ cao (m)
A1 (Khắt khe nhất)	15 đến 32	8 đến 80	17	3050
A2 (Trung bình)	10 đến 35	8 đến 80	21	3050
A3 (Linh hoạt)	5 đến 40	8 đến 85	24	3050
A4 (Linh hoạt tối đa)	5 đến 45	8 đến 90	24	3050

• Tiêu chuẩn ASHRAE 90.4 và các tài liệu của TIA-942, Uptime Institute, Green Grid cung cấp phương pháp luận đánh giá hiệu quả năng lượng qua các chỉ số:
  • Hệ số hiệu quả sử dụng năng lượng: $\text{PUE} = \frac{P_{cc}}{P_{tt}}$ (với $P_{cc}$ là tổng công suất điện cấp cho toàn trung tâm dữ liệu, $P_{tt}$ là công suất tiêu thụ riêng của thiết bị CNTT; yêu cầu chuẩn đạt mức dưới 1.5).
  • Hệ số hiệu quả làm lạnh: $\text{COP} = \frac{P_{lv}}{P_{tt}}$ (tỷ số giữa công suất làm lạnh cung cấp và điện năng tiêu thụ của thiết bị).
  • Độ chênh nhiệt độ nước cấp và hồi ($\Delta T$).
• Kỹ thuật quản lý luồng khí (Aisle Containment): Phân tách lối đi lạnh (Cold Aisle) và lối đi nóng (Hot Aisle) kết hợp sàn nâng (Raised Floor) nhằm ngăn chặn việc hòa trộn khí, dựa trên các dữ liệu phân tích động lực học chất lưu tính toán (CFD) từ phần mềm SimScale.
• Giáo trình "Thiết kế hệ thống điều hòa không khí" (PGS.TS Nguyễn Đức Lợi, 2023) làm cơ sở cho chuỗi công thức tính toán cân bằng nhiệt ẩm:
  • Tổng tải nhiệt: $Q_{total} = Q_{tb} + Q_{vd} + Q_{mt} + Q_{nc}$.
  • Công suất máy sản xuất nước lạnh: $P_{chiller} = \frac{Q_{total}}{\text{COP}}$.
  • Lưu lượng không khí cần cung cấp: $L_{air} = \frac{Q_{total} \cdot H}{C_p \cdot \Delta t}$.
  • Cân bằng ẩm: $W_{total} = W_{people} + W_{infitration} + W_{equipment}$.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích lý thuyết, khảo sát thực tế, tính toán thiết kế kỹ thuật và chế tạo mô hình thực nghiệm:

• Phân tích và lựa chọn cấu hình máy lạnh chính xác: So sánh hệ thống giãn nở trực tiếp (CRAC) và hệ thống dùng nước lạnh từ Chiller (CRAH).

Tiêu chí	CRAC (Computer Room Air Conditioning)	CRAH (Computer Room Air Handler)
Cơ chế làm mát	Môi chất lạnh gas trực tiếp	Bộ trao đổi nhiệt nước lạnh từ Chiller
Quy mô áp dụng	Trung tâm dữ liệu quy mô nhỏ đến vừa	Trung tâm dữ liệu lớn, phụ tải cao
Hiệu suất năng lượng	Tiêu thụ điện năng cao hơn, PUE lớn hơn	Tiết kiệm năng lượng hơn, PUE thấp hơn
Kiểm soát độ ẩm	Nguy cơ giảm ẩm không kiểm soát	Kiểm soát độ ẩm ổn định hơn
Khả năng mở rộng	Giới hạn khi trung tâm dữ liệu mở rộng	Dễ tích hợp theo quy mô hệ thống Chiller

• Tính toán kỹ thuật cho phòng máy chủ thiết kế giả định: Với 32 tủ rack công suất 5 kW/tủ ($Q_{tb} = 160\text{ kW}$), phòng không có người thường trực ($Q_{vd} = 0$), đặt tại tầng hầm ($Q_{mt} \approx 0$), công suất chiếu sáng $Q_{nc} = 0.2\text{ kW}$, tổng nhiệt tải là $160.2\text{ kW}$ (tính toán mở rộng đạt $161.2\text{ kW}$). Với $\text{COP} = 4$, công suất Chiller yêu cầu là $40.3\text{ kW}$ (chọn 2 Chiller $50\text{ kW}$ để đảm bảo dự phòng $N+1$). Với nhiệt độ ngoài trời tại TP. Hồ Chí Minh trung bình $27^\circ\text{C}$ và $\Delta t = 8^\circ\text{C}$, lưu lượng gió tính toán là $20.15\text{ m}^3/\text{s}$ (tương đương $72.540\text{ m}^3/\text{h}$); đồ án chọn 4 quạt ly tâm SystemFan SCD-B7 ($5.5\text{ kW}$, dải lưu lượng $22.000 - 25.000\text{ m}^3/\text{h}$).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển và giám sát BMS cho mô hình PAC được thiết kế theo cấu trúc phân tầng tiêu chuẩn công nghiệp:

1. Kiến trúc phân tầng BMS

• Cấp trường (Field Level): Bao gồm mạng lưới cảm biến và các thiết bị chấp hành cơ điện. Cảm biến thực hiện đo đạc nhiệt độ, độ ẩm phòng, áp suất nước đường ống, độ chênh áp qua phin lọc HEPA để báo bẩn lọc, và cảm biến điện cực phát hiện rò rỉ nước sàn. Thiết bị chấp hành gồm van cấp nước lạnh (CHWI), van hồi nước lạnh (CHWO), van bypass cân bằng áp suất, biến tần điều khiển động cơ quạt cấp, quạt thải khí nóng, máy tạo ẩm vi sóng và điện trở sưởi sấy ẩm.
• Cấp điều khiển (Control Level): Đặt tại tủ điện điều khiển trung tâm, sử dụng PLC Siemens SIMATIC S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC), kết hợp module mở rộng ngõ vào tương tự SM 1231 (8 AI) và module mở rộng ngõ ra tương tự SM 1232 (4 AO). Cấp này thực thi các thuật toán logic thời gian thực và vòng điều khiển phản hồi PID.
• Cấp quản lý (Management Level): Bao gồm màn hình HMI Siemens KTP700 Basic gắn tại mặt tủ điện và một máy chủ Web Server xây dựng trên nền Node-RED, kết nối với PLC thông qua giao thức Ethernet công nghiệp.

2. Danh mục thiết bị phần cứng chính

TT	Thiết bị / Model	Thông số kỹ thuật chính	Chức năng trong hệ thống
1	PLC Siemens S7-1200	CPU 1214C DC/DC/DC	Xử lý logic trung tâm, điều khiển chu trình
2	Module Analog Input	SM 1231 (8 AI)	Đọc tín hiệu cảm biến nhiệt, ẩm, áp suất
3	Module Analog Output	SM 1232 (4 AO)	Xuất tín hiệu $0 - 10\text{ V}$ điều khiển biến tần, van
4	Biến tần LS SV022iG5A-4	$2.2\text{ kW}$, 3 pha $380\text{ V}$	Điều khiển vô cấp tốc độ động cơ quạt cấp
5	Màn hình HMI	SIMATIC KTP700 Basic	Giám sát trạng thái và cài đặt tham số tại tủ
6	Switch Ethernet	Chuẩn mạng LAN công nghiệp	Kết nối truyền thông giữa PLC, HMI và máy tính
7	Hệ van điện & Van bypass	Tín hiệu ON/OFF và Analog	Đóng/mở và xả áp đường ống nước lạnh
8	Hệ thống cảm biến	Cảm biến T/RH, áp suất, rò rỉ nước	Giám sát toàn diện môi trường và rủi ro rò rỉ
9	Thiết bị điều hòa vi khí hậu	Máy tạo ẩm, điện trở sưởi	Điều chỉnh độ ẩm hai chiều (tăng ẩm / sấy ẩm)
10	Phin lọc HEPA	Tiêu chuẩn lọc khí tinh	Làm sạch không khí tươi trước khi qua dàn lạnh

3. Thuật toán và phần mềm điều khiển

Chương trình điều khiển được lập trình bằng phần mềm TIA Portal V16. Tín hiệu tương tự từ cảm biến được chuẩn hóa qua các hàm NORM_X và SCALE_X trước khi đưa vào vòng xử lý logic. Hệ thống vận hành theo 3 chế độ:

• Chế độ OFF: Đảm bảo ngắt hệ thống tuần tự chống sốc áp thủy lực: Kích hoạt mở van bypass $\rightarrow$ duy trì thời gian trễ ổn định áp $\rightarrow$ đóng van nước hồi CHWO $\rightarrow$ duy trì thời gian trễ $\rightarrow$ đóng van nước cấp CHWI $\rightarrow$ ngắt toàn bộ quạt cấp, quạt thải, máy tạo ẩm và điện trở sưởi.
• Chế độ MAN (Manual): Cho phép người vận hành cưỡng bức độc lập từng cơ cấu chấp hành (đóng/mở van CHWI, CHWO, điều chỉnh góc mở van bypass, đặt tần số biến tần, bật/tắt thiết bị gia nhiệt, tạo ẩm) phục vụ bảo trì và kiểm thử.
• Chế độ AUTO:
  • Mở tuần tự van cấp CHWI và van hồi CHWO theo thời gian trễ định trước. Cảm biến áp suất liên tục giám sát đường ống; nếu áp suất vượt giá trị đặt, PLC lập tức mở van bypass để xả tải, triệt tiêu nguy cơ nứt vỡ đường ống.
  • Vòng lặp PID tự động tính toán sai số giữa nhiệt độ thực tế và nhiệt độ cài đặt để xuất giá trị điều khiển tần số đến biến tần LS SV022iG5A-4, làm thay đổi tốc độ quạt ly tâm theo phụ tải nhiệt.
  • Khâu điều chỉnh độ ẩm hai chiều: Nếu độ ẩm đo được $< 45%$ RH, kích hoạt máy tạo ẩm; nếu độ ẩm $> 55%$ RH, kích hoạt điện trở sưởi để hạ độ ẩm tương đối. Quạt thải được bật đồng thời để đối lưu khí thải nóng ra môi trường.

4. Giao diện giám sát Web Server

Hệ thống sử dụng nền tảng Node-RED chạy máy chủ cục bộ. Luồng dữ liệu (Flow) kết nối với PLC thông qua node giao tiếp S7 protocol, liên kết trực tiếp với các khối dữ liệu (Data Block) và vùng nhớ DB của PLC S7-1200. Các hàm chức năng viết bằng JavaScript kết hợp các khối http in và API RESTful để gửi/nhận tín hiệu điều khiển hai chiều, cập nhật trạng thái hoạt động của van, quạt, biến tần và xuất đồ thị giám sát nhiệt ẩm thời gian thực lên trình duyệt web.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương mở đầu trình bày tính cấp thiết của bài toán giải nhiệt trong trung tâm dữ liệu dựa trên báo cáo của Uptime Institute và Green Grid. Tác giả xác định mục tiêu xây dựng hệ thống điều khiển tự động hóa PAC ứng dụng PLC S7-1200, HMI và Web Server theo các khuyến nghị môi trường của ASHRAE. Chương này cũng phân định cụ thể đối tượng, phạm vi nghiên cứu, các phương pháp nghiên cứu áp dụng và sơ đồ quy trình 7 bước thực hiện đồ án.

Chương 2: Phân tích và yêu cầu hệ thống

Chương này tổng hợp các cơ sở lý thuyết chuyên sâu:

• Phân tích 4 lớp nhiệt ẩm A1–A4 theo ASHRAE TC 9.9.
• So sánh các đặc tính vận hành giữa hệ thống CRAC và CRAH.
• Phân tích kỹ thuật ngăn luồng khí lạnh (Cold Aisle Containment) và ngăn luồng khí nóng (Hot Aisle Containment), trích xuất kết quả mô phỏng nhiệt động học CFD bằng SimScale chỉ ra cấu hình ngăn luồng khí nóng đem lại hiệu quả tản nhiệt vượt trội cho phòng máy chủ.
• Trình bày kiến trúc hệ thống BMS 3 cấp (trường, điều khiển, quản lý) và các chỉ số hiệu suất PUE, COP, $\Delta T$.
• Triển khai tính toán thiết kế cho phòng server 32 tủ rack ($160\text{ kW}$): tính phụ tải nhiệt tổng hợp ($161.2\text{ kW}$), chọn 2 Chiller giải nhiệt nước $50\text{ kW}$, xác định lưu lượng gió ($72.540\text{ m}^3/\text{h}$) và chọn 4 quạt ly tâm SystemFan SCD-B7 ($5.5\text{ kW}$, lưu lượng $22.000 - 25.000\text{ m}^3/\text{h}$). Phân tích các giải pháp tiết kiệm điện: điều khiển theo nhu cầu, điều tốc biến tần theo định luật suy giảm công suất quạt (giảm 20% tốc độ giúp giảm gần 50% điện năng tiêu thụ), tối ưu hóa setpoint và phân vùng nhiệt.

Chương 3: Xây dựng và triển khai hệ thống

Chương 3 mô tả chi tiết toàn bộ quá trình thiết kế và tích hợp kỹ thuật:

• Bản vẽ sơ đồ nguyên lý hệ thống máy lạnh chính xác và quạt thải gió, kèm bảng danh mục điểm vào/ra (point list).
• Lựa chọn thiết bị phần cứng gồm PLC S7-1200 (CPU 1214C), module SM 1231, SM 1232, biến tần LS iG5A, HMI KTP700 Basic, cùng các cảm biến đo áp suất nước, chênh áp gió, nhiệt ẩm và rò rỉ nước.
• Bản vẽ bố trí thiết bị trong/ngoài tủ điện và sơ đồ đấu nối dây động lực, điều khiển.
• Thiết kế giải thuật điều khiển chi tiết qua các lưu đồ chương trình OFF, MAN, AUTO.
• Hiện thực hóa chương trình trên TIA Portal V16: khối chuẩn hóa tín hiệu NORM_X/SCALE_X, vòng điều khiển PID biến tần, thuật toán bảo vệ áp suất van bypass.
• Xây dựng giao diện Web Server trên Node-RED: cấu hình node S7, khai báo địa chỉ tag PLC, thiết lập API HTTP và hàm điều khiển JavaScript.
• Thiết kế giao diện HMI KTP700 Basic và hoàn thiện mô hình thực nghiệm buồng server, khối PAC mô hình và tủ điều khiển.

Chương 4: Vận hành và đánh giá hệ thống

Chương này mô tả quy trình đóng điện, kiểm tra an toàn áp suất, cấu hình địa chỉ thanh ghi biến tần và hiệu chỉnh thông số điều khiển. Kết quả chạy thử nghiệm hệ thống cho thấy các thông số môi trường được duy trì ổn định: nhiệt độ dao động trong khoảng 22°C đến 25°C, độ ẩm kiểm soát trong dải 45% đến 55%. Hệ thống tự động kích hoạt van bypass khi áp suất vượt ngưỡng an toàn và phản hồi linh hoạt trước các thay đổi phụ tải nhiệt.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương cuối cùng tổng kết các hạng mục đã hoàn thành so với mục tiêu ban đầu về phần cứng, phần mềm điều khiển và giao diện giám sát; đồng thời nêu rõ các định hướng mở rộng hệ thống trong các giai đoạn tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Mô hình thực nghiệm của đồ án đã đạt được các chỉ số vận hành kỹ thuật định lượng cụ thể:

• Duy trì ổn định môi trường vi khí hậu: Hệ thống giữ nhiệt độ phòng trung tâm dữ liệu trong khoảng 22°C – 25°C và độ ẩm tương đối trong khoảng 45% – 55%, đáp ứng nghiêm ngặt dải khuyến nghị của tiêu chuẩn quốc tế ASHRAE TC 9.9 đối với môi trường lớp A1.
• Chỉ số hiệu quả năng lượng: Hệ số PUE qua tính toán và đo đạc thực nghiệm trên mô hình đạt 1.47, thỏa mãn tiêu chuẩn ASHRAE 90.4 (yêu cầu PUE < 1.5 đối với trung tâm dữ liệu tối ưu năng lượng).
• Cơ chế an toàn thủy lực: Loại bỏ hiện tượng sốc áp đường ống nhờ thuật toán trễ liên động giữa van bypass và các van điện CHWI/CHWO trong cả chu trình dừng hệ thống (OFF) lẫn vận hành tự động (AUTO).
• Tối ưu hóa tiêu thụ điện quạt cấp: Ứng dụng vòng lặp điều khiển PID kết hợp biến tần LS SV022iG5A-4 điều chỉnh tốc độ quạt theo phụ tải thực tế, tận dụng đặc tính tỷ lệ bậc ba giữa công suất và lưu lượng gió (giảm 20% tốc độ giúp tiết kiệm xấp xỉ 50% điện năng so với quạt chạy định mức cố định).

Đóng góp kỹ thuật chính của công trình nằm ở việc xây dựng hoàn chỉnh một giải pháp tự động hóa tích hợp từ cấp trường đến cấp quản lý: kết hợp giám sát tại chỗ qua HMI công nghiệp và giám sát phân tán qua Web Server dựa trên Node-RED/JavaScript qua mạng Ethernet. Giải pháp đưa ra quy trình điều khiển ẩm hai chiều khép kín (bù ẩm bằng máy tạo ẩm, sấy khô bằng điện trở sưởi) và logic bảo vệ van bypass tự động, cung cấp một thiết kế tham chiếu thực nghiệm có khả năng ứng dụng trong các trung tâm dữ liệu vừa và nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo nội dung trình bày trong đồ án, hệ thống còn tồn tại một số điểm hạn chế:

• Hệ thống thực nghiệm chỉ dừng lại ở quy mô mô hình mô phỏng buồng server trong phòng thí nghiệm, công suất nhiệt thực tế chưa đạt tới mức tải danh định 160 kW của thiết kế lý thuyết.
• Cấu hình khí động học hiện thời lấy gió tươi trực tiếp từ bên ngoài qua bộ lọc HEPA, chịu ảnh hưởng lớn từ biến động độ ẩm môi trường tự nhiên (đặc biệt là mùa mưa tại TP. Hồ Chí Minh với độ ẩm lên tới 75% - 85%), đòi hỏi hệ thống xử lý ẩm phải làm việc liên tục.

Các hướng mở rộng nghiên cứu được tác giả đề xuất gồm:

• Hoàn thiện chu trình tuần hoàn khí hồi kết hợp hệ thống giải nhiệt tự do (Free Cooling) để tận dụng nhiệt độ thấp ngoài trời vào ban đêm hoặc mùa khô nhằm cắt giảm thời gian chạy Chiller.
• Nghiên cứu ứng dụng các thuật toán điều khiển hiện đại hoặc trí tuệ nhân tạo (AI/Machine Learning) nhằm dự báo phụ tải nhiệt theo thời gian thực để tối ưu điểm đặt (Setpoint Optimization).
• Tích hợp chuẩn truyền thông mở chuyên dụng cho tòa nhà như BACnet/IP hoặc Modbus TCP để tăng khả năng tương thích khi hòa mạng vào hệ thống quản lý tòa nhà BMS tổng thể.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện – Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Nhiệt – Điện lạnh (HVAC) và Kỹ thuật Hạ tầng Công nghệ thông tin.

Các nội dung có giá trị tham khảo trực tiếp bao gồm:

• Phương pháp tính toán phụ tải nhiệt, lưu lượng gió và chọn lựa thiết bị Chiller, quạt ly tâm cho trung tâm dữ liệu theo tiêu chuẩn ASHRAE TC 9.9 và ASHRAE 90.4.
• Sơ đồ nguyên lý P&ID và danh mục điểm vào/ra (Point List) của hệ thống điều hòa chính xác (PAC).
• Kỹ thuật lập trình PLC S7-1200 trên TIA Portal V16: xử lý hàm chuyển đổi tín hiệu analog NORM_X/SCALE_X, thiết lập vòng điều khiển PID cho biến tần, và thuật toán liên động van an toàn.
• Kiến trúc xây dựng giao diện điều khiển, giám sát thời gian thực bằng Node-RED và JavaScript qua giao thức truyền thông S7 Ethernet công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn cấu hình hệ thống CRAH kết hợp Chiller thay vì hệ thống CRAC cho bài toán thiết kế trung tâm dữ liệu 160 kW?
Dựa trên phân tích tiêu chuẩn ASHRAE 90.4 được trích dẫn trong Chương 2, hệ thống CRAC dùng gas trực tiếp chỉ phù hợp với các phòng máy chủ có phụ tải nhiệt dưới 150 kW do tiêu tốn nhiều điện năng và hệ số PUE cao. Đối với phòng máy chủ thiết kế gồm 32 tủ rack 5 kW (tổng nhiệt tải tính toán đạt 160.2 kW – vượt ngưỡng 150 kW), giải pháp CRAH kết hợp Chiller nước lạnh đem lại hiệu quả năng lượng cao hơn, PUE thấp hơn, kiểm soát độ ẩm ổn định hơn và có khả năng mở rộng linh hoạt theo quy mô công trình.

2. Thuật toán điều khiển nhiệt độ và độ ẩm trong chế độ AUTO được thiết lập cụ thể như thế nào?
Trong chế độ AUTO, PLC đọc tín hiệu cảm biến nhiệt độ và kích hoạt thuật toán điều khiển PID để tính toán giá trị ngõ ra analog đưa tới biến tần LS SV022iG5A-4, điều chỉnh vô cấp tốc độ quạt cấp gió lạnh. Về kiểm soát độ ẩm, hệ thống vận hành theo nguyên lý hai chiều: nếu độ ẩm phòng thấp hơn 45% RH, PLC sẽ bật máy tạo ẩm; nếu độ ẩm phòng cao hơn 55% RH, PLC kích hoạt điện trở sưởi để sấy không khí, đồng thời mở quạt thải để đẩy khí nóng ẩm ra ngoài.

3. Cơ chế bảo vệ đường ống chống sốc áp suất nước lạnh được xử lý ra sao trong quy trình OFF và AUTO?
Ở chu trình OFF, để tránh vỡ đường ống do áp suất dư khi đóng ngắt đột ngột, hệ thống tuân thủ nghiêm ngặt trình tự: mở van bypass trước để hồi nước về ống CHWI $\rightarrow$ trễ thời gian chờ van mở hẳn $\rightarrow$ đóng van nước hồi CHWO $\rightarrow$ trễ thời gian $\rightarrow$ đóng van nước cấp CHWI. Ở chế độ AUTO, cảm biến áp suất nước liên tục theo dõi đường ống; nếu áp suất đo được vượt ngưỡng cài đặt an toàn, PLC sẽ tự động mở van bypass để xả bớt lưu lượng, ổn định áp suất thủy lực.

4. Các thông số môi trường và hiệu suất năng lượng mà mô hình thực nghiệm đạt được là bao nhiêu?
Mô hình thực nghiệm sau khi cân chỉnh và vận hành thử nghiệm đã duy trì nhiệt độ buồng server ổn định trong khoảng 22°C đến 25°C, độ ẩm tương đối từ 45% đến 55% (tuân thủ tiêu chuẩn ASHRAE TC 9.9 lớp A1). Hệ số PUE thực nghiệm đạt 1.47, đáp ứng tiêu chuẩn hiệu quả năng lượng ASHRAE 90.4 (PUE < 1.5).

5. Hệ thống giám sát và điều khiển từ xa của đồ án được triển khai bằng những công nghệ nào?
Hệ thống sử dụng hai cấp giám sát: tại chỗ thông qua màn hình cảm ứng Siemens HMI KTP700 Basic kết nối Ethernet, và từ xa qua nền tảng Web Server xây dựng bằng Node-RED và ngôn ngữ JavaScript. Node-RED giao tiếp với PLC S7-1200 qua thư viện node S7 protocol, sử dụng các phương thức http in và hàm API để truyền nhận dữ liệu trạng thái thiết bị và cập nhật thông số điều khiển trực tiếp trên giao diện trình duyệt web.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã nghiên cứu và triển khai thành công mô hình hệ thống BMS điều khiển, giám sát máy lạnh chính xác (PAC) phục vụ phòng trung tâm dữ liệu theo các tiêu chuẩn quốc tế ASHRAE TC 9.9 và ASHRAE 90.4. Giải pháp tích hợp bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200, biến tần LS điều khiển PID quạt cấp, van bypass chống sốc áp, cùng hệ thống điều khiển ẩm hai chiều đã duy trì môi trường vi khí hậu ổn định (22°C–25°C, 45%–55% RH) và đạt hệ số năng lượng PUE 1.47. Nền tảng giám sát đa tầng thông qua HMI KTP700 và Web Server Node-RED khẳng định tính thực tiễn cao của mô hình trong việc nâng cao độ tin cậy và tối ưu hóa năng lượng cho hạ tầng trung tâm dữ liệu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Chương 3: Yêu cầu và thiết kế hệ thống. Chương 4: Xây dựng và triển khai hệ thống.

Chương 5: Vận hành và đánh giá hệ thống. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển.7 Quy trình thực hiện đồ án Hình 1.1: Quy trình thực hiện đồ án Trình tự các bước thực hiện đề tài được thể hiện tóm tắt trong hình 1. 3 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ YÊU CẦU HỆ THỐNG 2. Điều kiện hoạt động hệ thống Hệ thống thông gió PAC (Precision Air Conditioning) cho phòng server ph ải đảm bảo 4 lớp điều kiện nhiệt, ẩm A1, A2, A3, A4 do ASHRAE quy định.

• Đảm bảo thiết bị IT hoạt động ổn định, không hỏng hóc do quá nóng. • Cho phép thiết kế linh hoạt hơn trong hệ thống làm mát: từ môi trường được kiểm soát chặt (phòng lạnh kín) đến môi trường tiết kiệm năng lượng (sử dụng không khí tự nhiên). • Hướng dẫn về giới hạn nhiệt độ & độ ẩm phù hợp với từng loại thiết bị IT. Kiểm soát nhiệt độ, hệ thống cần duy trì nhiệt độ trong các khoảng sau để không ảnh hưởng đến thiết bị: • Lớp A1 ( mức độ kiểm soát chặt chẽ nhất): Nhiệt độ khuyến nghị nằm trong khoảng từ 15°C đến 32°C.

Dành cho các thiết bị truyền thống, yêu cầu hệ thống điều hòa ổn định. Phổ biến ở các data center lớn, chú trọng độ tin cậy tuyệt đối. • Lớp A2 ( mức độ kiểm soát trung bình): Nhiệt độ khuyến nghị nằm trong khoảng từ 10°C đến 35°C. Dành cho phần lớn thiết bị hiện đại, giúp tiết kiệm năng lượng hơn so với A1.

Dùng được trong môi trường ít khắt khe hơn. • Lớp A3 ( mức độ kiểm soát linh hoạt): Cho phép nhiệt độ lên tới 40°C. Dành cho thiết bị cao cấp, chịu nhiệt tốt hơn. Cho phép chạy ở nhiệt độ cao, phù hợp với data center có hạn chế về kinh phí (làm mát bằng không khí ngoài trời).

• Lớp A4 ( mức độ kiểm soát linh hoạt tối đa): Có thể chịu được nhiệt độ cao nhất tới 45°C. Dành cho thiết bị mới, chuyên dụng, có thể hoạt động trong môi trường rất nóng. Phù hợp khi muốn tiết kiệm tối đa năng lượng, giảm tải hệ thống PAC. Kiểm soát độ ẩm: • Khoảng độ ẩm tương đối được khuyến khích không vượt quá 60% RH trong điều kiện hoạt động.

• Đối với các điều kiện cho phép, lớp A1 có thể cho phép độ ẩm từ 8% đến 80% RH cùng với các điều kiện về nhiệt độ điểm sương. • Nên giữ điểm ngưng tụ trong khoảng từ -9°C DP đến 15°C DP cho các lớp A1 đến A4. Dành cho thiết bị mới, chuyên dụng, có thể hoạt động trong môi trường rất nóng. Phù hợp khi muốn tiết kiệm tối đa năng lượng, giảm tải hệ thống PAC.