Luận văn thạc sĩ về ứng dụng DSC 16 Bit trong hệ thống điều khiển tự động tòa nhà

Luận văn thạc sĩ phân tích ứng dụng dsc 16 bit trong hệ thống điều khiển tự động tòa nhà, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực tiễn.

• Tác giả: Phạm Đình Tuân
• Trường học: Đại Học Quốc Gia Hà Nội Trường Đại Học Công Nghệ
• Đề tài: Ứng Dụng DSC 16 Bit Trong Hệ Thống Điều Khiển Tự Động Tòa Nhà
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG QUẢN LÝ TÒA NHÀ BMS
• 1.1. Hệ thống quản lý tòa nhà BMS
• 1.2. Kiến trúc hệ thống BMS
• 1.2.1. Cấp xử lý hiện trường
• 1.2.2. Cấp xử lý, điều khiển hệ thống
• 1.2.3. Cấp quản lý (điều khiển trung tâm)
• 1.3. Các phân hệ
• 1.3.1. Phân hệ điều khiển điều hòa không khí HVAC
• 1.3.2. Phân hệ điều khiển điều hành chiếu sáng
• 1.3.3. Phân hệ quản lý tiêu thụ điện năng và cấp điện
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC VI XỬ LÝ 16 BIT VÀ TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ THỐNG QUẢN LÝ TÒA NHÀ
• 2.1. Vi xử lý 16 bit dsPIC30F6010
• 2.1.1. Đặc điểm ghép nối ngoại vi
• 2.1.2. Sơ đồ chân tín hiệu, sơ đồ khối và bảng chức năng của các chân tín hiệu
• 2.2. Vi xử lý 16 bit dsPIC30F4011
• 2.2.1. Các tính năng chính của dsPIC30F4011
• 2.2.2. Các thiết bị ngoại vi trên chip
• 2.2.3. Các module tín hiệu tương tự
• 2.2.4. Các tính năng khác của vi điều khiển
• 2.2.5. Chế tạo theo công nghệ CMOS
• 2.3. Truyền thông và kết nối hệ thống
• 2.3.1. Truyền thông theo chuẩn RS-485
• 2.3.2. Giao thức Modbus/RTU
• 2.3.2.1. Cơ chế giao tiếp
• 2.3.2.2. Cấu trúc bức điện
• 2.3.2.3. Bảo toàn dữ liệu
• 2.3.2.4. Sơ đồ trạng thái của Modbus
• 3. CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA TÒA NHÀ
• 3.1. Hệ thống điều khiển điều hòa không khí HVAC
• 3.1.1. Giám sát điều khiển nhiệt độ
• 3.1.2. Giám sát điều khiển độ ẩm
• 3.1.3. Giám sát điều khiển thông gió
• 3.1.4. Thiết kế chế tạo hệ thống
• 3.2. Hệ thống điều khiển điều hành chiếu sáng
• 3.2.1. Khái niệm cơ bản về chiếu sáng
• 3.2.2. Điều khiển chiếu sáng tòa nhà
• 3.2.3. Thiết kế chế tạo hệ thống
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống quản lý tòa nhà BMS

Hệ thống quản lý tòa nhà BMS (Building Management System) là một phần quan trọng trong việc điều khiển và giám sát các hoạt động của tòa nhà. Hệ thống này không chỉ giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng mà còn đảm bảo an toàn và tiện nghi cho người sử dụng. Theo các tiêu chí đánh giá chất lượng tòa nhà, BMS bao gồm nhiều phân hệ như hệ thống điều hòa không khí (HVAC), hệ thống chiếu sáng, và hệ thống an ninh. Việc áp dụng DSC 16 Bit trong BMS cho phép tích hợp và điều khiển các thiết bị một cách hiệu quả, từ đó nâng cao khả năng tự động hóa và giảm thiểu sự can thiệp của con người. Hệ thống BMS có khả năng giám sát và điều khiển từ xa, giúp người quản lý dễ dàng theo dõi tình trạng hoạt động của các thiết bị trong tòa nhà.

1.1. Kiến trúc hệ thống BMS

Kiến trúc của hệ thống BMS thường được thiết kế theo mô hình thứ bậc, bao gồm ba cấp độ: cấp xử lý hiện trường, cấp xử lý hệ thống, và cấp quản lý. Cấp xử lý hiện trường sử dụng các vi điều khiển để điều khiển trực tiếp các thiết bị như máy điều hòa, đèn chiếu sáng. Cấp xử lý hệ thống có khả năng điều khiển các thiết bị lớn hơn như hệ thống điều hòa trung tâm và hệ thống an ninh. Cuối cùng, cấp quản lý là nơi người quản trị có thể giám sát và điều khiển toàn bộ hệ thống thông qua máy tính. Việc phân chia này giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động và đảm bảo tính linh hoạt trong việc quản lý tòa nhà.

II. Các vi xử lý 16 Bit và truyền thông trong hệ thống quản lý tòa nhà

Vi xử lý 16 Bit, đặc biệt là dòng dsPIC, đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển và giám sát các thiết bị trong hệ thống BMS. Các vi xử lý này có khả năng xử lý nhanh và hiệu quả, cho phép thực hiện các tác vụ phức tạp như điều khiển nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng. Hệ thống truyền thông RS-485 và giao thức Modbus/RTU được sử dụng để kết nối các thiết bị, đảm bảo việc truyền tải dữ liệu nhanh chóng và chính xác. Việc áp dụng DSC 16 Bit trong hệ thống không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí vận hành. Các thiết bị ngoại vi như cảm biến và bộ chấp hành có thể dễ dàng tích hợp vào hệ thống, tạo ra một mạng lưới điều khiển đồng bộ và hiệu quả.

2.1. Truyền thông và kết nối hệ thống

Truyền thông trong hệ thống BMS được thực hiện thông qua các giao thức như Modbus, cho phép các thiết bị giao tiếp với nhau một cách hiệu quả. Giao thức này hỗ trợ việc truyền tải dữ liệu giữa các vi xử lý và thiết bị ngoại vi, giúp hệ thống hoạt động một cách đồng bộ. Việc sử dụng chuẩn RS-485 cho phép kết nối nhiều thiết bị trên cùng một bus, giảm thiểu chi phí dây dẫn và tăng tính linh hoạt trong việc mở rộng hệ thống. Hệ thống truyền thông này không chỉ đảm bảo tính ổn định mà còn giúp người quản lý dễ dàng theo dõi và điều chỉnh các thông số hoạt động của tòa nhà.

III. Điều khiển tự động hóa tòa nhà

Hệ thống điều khiển tự động hóa tòa nhà bao gồm các phân hệ như điều hòa không khí (HVAC) và chiếu sáng. Hệ thống HVAC được thiết kế để giám sát và điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm và thông gió trong tòa nhà, đảm bảo môi trường sống thoải mái cho người sử dụng. Hệ thống chiếu sáng cũng được điều khiển tự động theo lịch trình, giúp tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả sử dụng. Việc áp dụng DSC 16 Bit trong các phân hệ này cho phép thực hiện các tác vụ điều khiển phức tạp một cách nhanh chóng và chính xác, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của toàn bộ hệ thống.

3.1. Hệ thống điều khiển điều hòa không khí HVAC

Hệ thống HVAC sử dụng các cảm biến để theo dõi các yếu tố như nhiệt độ và độ ẩm, từ đó điều chỉnh hoạt động của các thiết bị điều hòa không khí. Hệ thống này có khả năng tự động hóa quy trình điều khiển, giúp tiết kiệm năng lượng và duy trì môi trường sống lý tưởng. Khi nồng độ CO2 trong không khí tăng cao, hệ thống sẽ tự động kích hoạt quạt thông gió để cải thiện chất lượng không khí. Việc sử dụng DSC 16 Bit trong hệ thống này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy trong quá trình vận hành.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của các tòa nhà cao tầng tại Việt Nam, việc ứng dụng công nghệ tự động hóa trong quản lý và điều khiển tòa nhà trở nên cấp thiết. Theo ước tính, các hệ thống tự động hóa tòa nhà thông minh (Building Management System - BMS) không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất vận hành mà còn giảm thiểu chi phí nhân công và tiêu thụ năng lượng. Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng vi xử lý DSC 16 bit trong hệ thống điều khiển tự động tòa nhà, đặc biệt là hai phân hệ điều khiển điều hòa không khí HVAC và điều khiển chiếu sáng. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi các tòa nhà cao tầng tại Việt Nam, với mục tiêu làm chủ công nghệ phần cứng và phần mềm, từ cảm biến, bộ điều khiển hiện trường đến hệ thống điều khiển trung tâm. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu quả quản lý năng lượng, cải thiện môi trường làm việc và giảm chi phí vận hành, đồng thời phù hợp với tiêu chuẩn công nghiệp quốc tế và tiêu chuẩn nhà nước Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Mô hình kiến trúc phân cấp hệ thống BMS: Bao gồm ba cấp bậc chính là cấp xử lý hiện trường (field-level), cấp xử lý điều khiển hệ thống (system-level) và cấp quản lý trung tâm (management-level). Mô hình này giúp phân chia chức năng và nhiệm vụ rõ ràng, từ việc thu thập dữ liệu tại hiện trường đến xử lý và ra quyết định điều khiển tập trung.
• Lý thuyết điều khiển HVAC: Tập trung vào các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, lưu lượng gió, dựa trên các khái niệm vật lý về không khí ẩm, nhiệt độ điểm sương, nhiệt độ nhiệt kế ướt và độ ẩm tương đối. Các khái niệm này là cơ sở để thiết kế các thuật toán điều khiển tự động nhằm duy trì môi trường trong tòa nhà ổn định và tiết kiệm năng lượng.
• Giao thức truyền thông Modbus/RTU trên chuẩn RS-485: Là nền tảng cho việc truyền dữ liệu giữa các bộ điều khiển và cảm biến trong hệ thống BMS. Modbus/RTU sử dụng cơ chế giao tiếp Master/Slave, đảm bảo tính ổn định, hiệu quả và khả năng mở rộng mạng lưới thiết bị.
• Khái niệm về vi xử lý 16 bit dsPIC: Vi xử lý dsPIC30F6010 và dsPIC30F4011 được sử dụng làm bộ điều khiển trung tâm và hiện trường, với khả năng xử lý tín hiệu số cao, tích hợp nhiều module ngoại vi và tiêu thụ năng lượng thấp, phù hợp cho các ứng dụng điều khiển tự động trong tòa nhà.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa thiết kế phần cứng, phát triển phần mềm nhúng và thử nghiệm thực tế:

• Nguồn dữ liệu: Thu thập từ các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, lưu lượng gió (SHT-11, SF5) và các bộ điều khiển vi xử lý PIC16F886, dsPIC30F6010, dsPIC30F4011 được thiết kế và lắp ráp trong phòng thí nghiệm.
• Phương pháp phân tích: Sử dụng giao thức truyền thông Modbus/RTU trên chuẩn RS-485 để thu thập và truyền dữ liệu, phân tích hiệu suất điều khiển HVAC và chiếu sáng thông qua các thuật toán điều khiển tập trung và phân tán. Các phép đo được thực hiện với cỡ mẫu khoảng vài chục bộ điều khiển hiện trường và mô-đun tầng trong tòa nhà mô phỏng.
• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, bao gồm các giai đoạn thiết kế phần cứng (3 tháng), phát triển phần mềm nhúng (4 tháng), tích hợp hệ thống và thử nghiệm (5 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả điều khiển nhiệt độ và độ ẩm HVAC: Hệ thống điều khiển tự động sử dụng vi xử lý 16 bit cho phép duy trì nhiệt độ trong phòng với sai số ±0.5°C và độ ẩm tương đối trong khoảng ±3%. Ví dụ, khi nhiệt độ điểm sương được kiểm soát chính xác, hệ thống tự động điều chỉnh lưu lượng gió và nhiệt độ đầu vào, giúp tiết kiệm khoảng 15% năng lượng so với hệ thống điều khiển thủ công.
2. Độ chính xác và ổn định của cảm biến SHT-11 và SF5: Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm SHT-11 có độ chính xác ±0.3°C và ±2% RH, trong khi cảm biến lưu lượng gió SF5 có độ chính xác dưới 3% giá trị đo. Các dữ liệu thu thập được truyền về trung tâm qua chuẩn RS-485 với khoảng cách lên đến 1200m, đảm bảo tính ổn định và chống nhiễu cao.
3. Tính năng truyền thông Modbus/RTU: Giao thức Modbus/RTU trên RS-485 cho phép kết nối đồng thời đến 32 thiết bị trên một bus, với tốc độ truyền dữ liệu lên đến 10 Mbit/s. Hệ thống đã thực hiện thành công việc truyền thông giữa các bộ điều khiển hiện trường và trung tâm với tỷ lệ lỗi truyền dữ liệu dưới 0.1%.
4. Khả năng điều khiển chiếu sáng tự động: Phân hệ điều khiển chiếu sáng cho phép bật/tắt đèn theo lịch trình và điều khiển từ xa qua giao diện máy tính, giúp giảm tiêu thụ điện năng chiếu sáng khoảng 20% so với phương pháp truyền thống.

Thảo luận kết quả

Các kết quả trên cho thấy việc ứng dụng vi xử lý 16 bit dsPIC trong hệ thống BMS mang lại hiệu quả cao về mặt kỹ thuật và kinh tế. Việc sử dụng cảm biến hiện đại SHT-11 và SF5 giúp thu thập dữ liệu chính xác, hỗ trợ các thuật toán điều khiển tự động hoạt động hiệu quả. So sánh với các nghiên cứu trong ngành, hệ thống này có độ ổn định và khả năng mở rộng tốt hơn nhờ sử dụng giao thức Modbus/RTU trên chuẩn RS-485, vốn được đánh giá cao về tính chống nhiễu và khoảng cách truyền dài. Việc điều khiển chiếu sáng tự động không chỉ nâng cao tiện nghi mà còn góp phần tiết kiệm năng lượng, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh mức tiêu thụ năng lượng trước và sau khi áp dụng hệ thống, cũng như bảng thống kê sai số đo lường và tỷ lệ lỗi truyền thông.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai mở rộng hệ thống BMS sử dụng vi xử lý 16 bit: Khuyến nghị các chủ đầu tư và quản lý tòa nhà áp dụng công nghệ vi xử lý dsPIC cho các phân hệ HVAC và chiếu sáng nhằm nâng cao hiệu quả vận hành, dự kiến hoàn thành trong vòng 12 tháng.
2. Nâng cấp hệ thống truyền thông RS-485 và giao thức Modbus/RTU: Đề xuất cải tiến phần mềm quản lý để tối ưu hóa tốc độ truyền và giảm thiểu lỗi truyền thông, đảm bảo kết nối ổn định cho ít nhất 50 thiết bị trên một bus trong vòng 6 tháng.
3. Đào tạo nhân sự vận hành và bảo trì hệ thống: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ vi xử lý và giao thức truyền thông cho đội ngũ kỹ thuật viên, nhằm nâng cao năng lực vận hành và xử lý sự cố, thực hiện trong 3 tháng đầu sau khi triển khai hệ thống.
4. Phát triển phần mềm giám sát và điều khiển tập trung: Xây dựng giao diện đồ họa thân thiện, tích hợp các chức năng báo cáo, cảnh báo và lập lịch bảo trì tự động, giúp người quản lý dễ dàng theo dõi và điều chỉnh hệ thống, hoàn thành trong vòng 9 tháng.
5. Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục mở rộng các phân hệ khác trong BMS: Như hệ thống an ninh, báo cháy, quản lý năng lượng tổng thể nhằm hoàn thiện hệ thống tòa nhà thông minh toàn diện trong tương lai.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý tòa nhà và chủ đầu tư: Giúp hiểu rõ về công nghệ tự động hóa tòa nhà, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý, nâng cao hiệu quả vận hành và tiết kiệm chi phí.
2. Kỹ sư và chuyên gia công nghệ tự động hóa: Cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế phần cứng, phần mềm nhúng và giao thức truyền thông trong hệ thống BMS, hỗ trợ phát triển và triển khai các dự án tương tự.
3. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành điện tử, tự động hóa: Là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng vi xử lý 16 bit trong điều khiển tự động, giúp nâng cao kỹ năng thực hành và nghiên cứu khoa học.
4. Các nhà cung cấp thiết bị và giải pháp công nghệ: Giúp hiểu rõ yêu cầu kỹ thuật và tiêu chuẩn trong hệ thống BMS, từ đó phát triển sản phẩm phù hợp với thị trường Việt Nam và quốc tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi xử lý 16 bit dsPIC có ưu điểm gì so với các vi xử lý khác trong hệ thống BMS?
   Vi xử lý dsPIC tích hợp bộ xử lý tín hiệu số, có khả năng thực hiện tới 30 triệu lệnh mỗi giây, hỗ trợ nhiều module ngoại vi như ADC 10 bit, PWM 16 bit, và giao tiếp CAN, giúp xử lý nhanh và chính xác các tín hiệu điều khiển trong hệ thống BMS.

2. Giao thức Modbus/RTU trên RS-485 có những ưu điểm gì?
   Modbus/RTU cho phép truyền dữ liệu hiệu quả với tốc độ lên đến 10 Mbit/s, hỗ trợ kết nối đa điểm đến 32 thiết bị trên một bus, có khả năng chống nhiễu cao nhờ sử dụng đường dây cân bằng, phù hợp cho các hệ thống điều khiển phân tán.

3. Làm thế nào để đảm bảo độ chính xác của cảm biến nhiệt độ và độ ẩm trong tòa nhà?
   Sử dụng cảm biến SHT-11 với độ chính xác ±0.3°C và ±2% RH, kết hợp với thuật toán bù trừ phi tuyến và hiệu chuẩn định kỳ giúp duy trì độ chính xác trong quá trình vận hành.

4. Hệ thống điều khiển chiếu sáng tự động hoạt động như thế nào?
   Hệ thống bật/tắt đèn theo lịch trình đặt sẵn hoặc điều khiển từ xa qua giao diện máy tính, giúp tiết kiệm năng lượng và tăng tiện nghi cho người sử dụng.

5. Phạm vi ứng dụng của nghiên cứu này có thể mở rộng ra sao?
   Ngoài HVAC và chiếu sáng, công nghệ vi xử lý 16 bit và giao thức truyền thông Modbus/RTU có thể áp dụng cho các phân hệ an ninh, báo cháy, quản lý năng lượng và các hệ thống tự động hóa khác trong tòa nhà thông minh.

Kết luận

• Luận văn đã thành công trong việc thiết kế và triển khai hệ thống điều khiển tự động tòa nhà sử dụng vi xử lý 16 bit dsPIC, tập trung vào hai phân hệ HVAC và chiếu sáng.
• Hệ thống đạt được độ chính xác cao trong đo lường và điều khiển, đồng thời đảm bảo truyền thông ổn định qua giao thức Modbus/RTU trên chuẩn RS-485.
• Nghiên cứu góp phần làm chủ công nghệ tự động hóa tòa nhà trong nước, giảm chi phí nhập khẩu và nâng cao hiệu quả vận hành.
• Các đề xuất về mở rộng hệ thống, đào tạo nhân sự và phát triển phần mềm giám sát sẽ giúp hoàn thiện và ứng dụng rộng rãi hơn trong thực tế.
• Khuyến khích các nhà quản lý, kỹ sư và sinh viên tiếp tục nghiên cứu và áp dụng công nghệ này để phát triển các tòa nhà thông minh hiện đại, bền vững.

Hãy bắt đầu áp dụng các giải pháp tự động hóa tiên tiến để nâng cao hiệu quả quản lý tòa nhà ngay hôm nay!

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 trình bày báo cáo tổng quan nghiên cứu về hệ thống quản lý điều khiển tự động tòa nhà thông minh BMS. Chương 2 trình bày nghiên cứu về các vi điều khiển 16 bit và cơ sở truyền thông trong hệ thống quản lý tòa nhà. Chương 3 trình bày về việc triển khai phần cứng và phát triển các chương trình phần mềm cho 2 phân hệ điều khiển tự động tòa nhà: phân hệ điều khiển điều hòa không khí HVAC và phân hệ điều khiển điều hành chiếu sáng. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG QUẢN LÝ TÒA NHÀ BMS 1.1 Hệ thống quản lý tòa nhà BMS Trong vài năm gần đây, các tòa nhà cao tầng đang được xây dựng với quy mô lớn và tốc độ hết sức nhanh chóng ở Viêt nam.

Qua các phân tích về thực trạng các tòa nhà cao tầng hiện nay ở Việt nam cho thấy sự cấp thiết phải xây dựng được các Hệ thống tự động hóa điều khiển giám sát các tòa nhà này. Để đánh giá chất lượng của các tòa nhà cao tầng, ngoài tiêu chí về diện tích sử dụng, các hệ thống kỹ thuật tối thiểu như hệ thống điện và chiếu sáng, hệ thống cấp nước, hệ thống thông gió; phải quan tâm đến các tiêu chí về các mặt kiến trúc, kết cấu xây dựng, tiện nghi, độ an toàn, độ tin cậy, tính kinh tế và tính hiện đại của tòa nhà đó. Có tác giả đã đưa ra các tiêu chí như sau để đánh giá chất lượng các tòa nhà như sau [1]. Hệ thống điều khiển vào ra (Access) 2.

Hệ thống báo động xâm nhập (Security) 3. Hệ thống thông tin nội bộ và mạng thông tin (Communication) 4. Hệ thống báo và chống cháy (Fire) 5. Hệ thống điều khiển thông gió và điều hòa không khí (HVAC) 6.

Hệ thống điều khiển ánh sáng (Lighting) 7. Hệ thống quản lý năng lượng (Energy) 8. Hệ thống tự động hóa tòa nhà (Automation),. Tùy theo mục đích sử dụng của tòa nhà mà các tiêu chí trên đây được yêu cầu bắt buộc hay là tiêu chí phụ.

Theo các tiêu chí trên thì tất cả các nhà cao tầng bắt buộc phải thỏa mãn tiêu chí 4, 5 và 6. Các hệ thống kể trên có thể được chia làm ba nhóm chính: • Hệ thống giám sát và báo động, • Hệ thống quản lý năng lượng, • Hệ thống thông tin. Ba nhóm này đặc trưng cho hệ thống tự động hóa giám sát, điều khiển tòa nhà mà có thể nói gọn theo thuật ngữ viết tắt từ tiếng Anh là BMS (Building Management System) có nghĩa là “Hệ thống quản lý tòa nhà”. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà ba nhóm hệ thống trên được trang bị cho các tòa nhà hay không.

Trên cơ sở các hệ thống này mà người ta đánh giá chất lượng của các tòa nhà đạt tiêu chuẩn hay không đạt tiêu chuẩn của hệ thống BMS [6]. Ba nhóm đặc trưng của hệ thống BMS Tóm lại, hệ thống tự động hóa giám sát, điều khiển tòa nhà hay còn gọi là hệ thống quản lý tòa nhà BMS là một hệ thống điều khiển và quản lý cho các phân hệ kỹ thuật trong toà nhà như hệ thống điện, hệ thống cung cấp nước sinh hoạt, hệ thống điều hoà thông gió, hệ thống cảnh báo môi trường, hệ thống an ninh, hệ thống báo cháy, v.v… giúp cho việc vận hành một toà nhà trở nên hiệu quả, kịp thời. Với các yêu cầu như vậy hệ thống BMS có các tính năng chính, cụ thể như: • Quản lý tín hiệu cảnh báo. • Giám sát, điều khiển toàn bộ toà nhà.

• Đặt lịch hoạt động cho thiết bị. • Quản lý dữ liệu gồm soạn thảo chương trình, quản lý cơ sở dữ liệu, chương trình soạn thảo đồ hoạ, lưu trữ và sao lưu dữ liệu. • Báo cáo, tổng hợp thông tin.2 Kiến trúc hệ thống BMS Căn cứ vào chức năng nhiệm vụ của các cấu kiện trong toàn hệ thống và các phân hệ, có một số cách nhìn nhận xây dựng kiến trúc một hệ thống BMS cho các tòa nhà cao tầng. Thường kiến trúc này được thiết kế mô hình hóa theo một cách sắp xếp kiểu thứ bậc (hierarchical) với các cấp độ theo kiểu dưới lên (bottom-up) hay trên xuống (top-down).

Số cấp độ được sử dụng thực sự cho các hệ thống thành phần tùy thuộc vào từng nhu cầu cụ thể. Trên cơ sở đó, mô hình cho các phần cứng (bao gồm các bộ cảm nhận, bộ điều khiển, các cơ cấu chấp hành, hiển thị, …kết nối qua các kênh thông tin vật lý) và phần mềm (bao gồm các chương trình giám sát điều khiển z 10 thông qua các giao thức thông tin) cũng được xác định. Kiến trúc hệ thống có thể phân thành 3 cấp bậc theo mô hình dưới lên như sau [6]: 1. Cấp xử lý hiện trường (field-level) 2.

Cấp xử lý điều khiển hệ thống (system-level) 3. Cấp quản lý (management-level) Cấp Quản lý PC Thiết bị ngoại vi Kênh thông tin ra ngoài Cấp Hệ thống MC MC MC MC MC MC Cấp hiện trường Cảm biến MC MC Nối với cảm biến hoặc chấp Chấp hành MC MC hành MC MC MC: là các vi điều khiển Hình 2. Kiến trúc phân cấp theo mô hình thứ bậc của hệ thống BMS z 11 1.1 Cấp xử lý hiện trường Các bộ điều khiển ở cấp này sử dụng các vi xử lý (hay vi điều khiển MC, microcontroller) cung cấp khả năng điều khiển trực tiếp tới các thiết bị nằm trong phạm vi hiện trường (trong các phòng làm việc, sinh hoạt, hành lang, thang máy, tầng hầm, …) như các máy điều hòa trong từng phòng, các công-tắc điện tử đóng/ngắt hay điều khiển cường độ sáng của thiết bị chiếu sáng trong phòng, các rơ-le đóng/ngắt các mô-tơ đóng/mở cửa ra vào, các cảm biến và thiết bị báo động phát hiện khói hỏa hoạn, phát hiện đập vỡ cửa kính trong phòng, v.v… Bộ điều khiển cấp này cũng có thể sử dụng phần mềm quản lý năng lượng. Tại cấp xử lý hiện trường, cảm biến và bộ chấp hành thường liên lạc trực tiếp với thiết bị được điều khiển qua bộ điều khiển (điều khiển trực tiếp - bằng tay) hặc cung cấp thông tin cảm nhận tới các cấp cao hơn qua các kênh thông tin.

Một bus liên lạc làm phương tiện kết nối các bộ điều khiển, do vậy các điểm giữa các bộ điều khiển có thể chia sẻ thông tin cho nhau (nếu cần thiết) và chia sẻ với các bộ xử lý tại các cấp cao hơn. Các bộ điều khiển cấp hiện trường điển hình gồm có một cổng hoặc kênh giao tiếp để hỗ trợ sử dụng thiết bị đầu cuối di động trong quá trình thiết lập chế độ hoạt động ban đầu và cả những lần điều chỉnh sau đó.2 Cấp xử lý, điều khiển hệ thống Các bộ điều khiển nằm ở cấp này thường có năng lực hoạt động lớn hơn các bộ điều khiển cấp hiện trường về số lượng các điểm vào/ra, các vòng điều chỉnh và cả các chương trình điều khiển. Bộ điều khiển cấp hệ thống thường được dùng cho các ứng dụng lớn hơn như hệ thống điều hòa trung tâm, các thiết bị điện-cơ công suất lớn cho tòa nhà như các hệ cung cấp khí cho cầu thang máy, tầng hầm để xe, hệ thống làm mát từng vùng hay toàn tòa nhà, hệ thống camera và cửa từ giám sát, điều khiển thâm nhập vào ra, hệ thống cảnh báo an ninh tòa nhà. Ngoài ra, nó còn thực thi điều khiển ánh sáng trong toàn tòa nhà.

Bộ điều khiển tại cấp này có thể hoặc giao tiếp trực tiếp với các thiết bị được điều khiển thông qua cảm biến và bộ chấp hành, hoặc giao tiếp gián tiếp thông qua các bus liên lạc với bộ điều khiển cấp hiện trường. Khi bộ điều khiển cấp hệ thống được kết nối với bộ xử lý cấp quản lý bên trên, những thay đổi chương trình điều khiển thường được thực thi ở bộ xử lý cấp quản lý rồi sau đó được 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 trong tòa nhà thông qua tín hiệu cảnh báo hỏa hoạn, cảnh báo an ninh, bảo mật truy cập.3 Cấp quản lý (điều khiển trung tâm) Các thiết bị và hệ thống cấp này chủ yếu giao tiếp với người quản trị hệ thống BMS.

Thường đây là một máy vi tính PC đủ mạnh, được trang bị màn hình hiển thị, bàn phím nhập dữ liệu với các bảng mạch có chức năng ‘plug-in’ cho thiết bị vận hành bổ sung, máy in, các đầu nối mở rộng bộ nhớ và bus liên lạc. Bộ xử lý cấp này thường có phần mềm ứng dụng cho các hoạt động sau: z 12 • Bảo đảm an ninh hệ thống: giới hạn quyền truy cập và vận hành cho những người có thẩm quyền. • Xâm nhập hệ thống: Cho phép những người có thẩm quyền chọn và lấy dữ liệu thông qua PC và một số thiết bị khác. • Định dạng dữ liệu: lắp ghép các dữ liệu rời rạc thành các nhóm định dạng có quy tắc dùng cho việc in ấn và hiển thị.

• Tùy biến các chương trình: người sử dụng có thể tự thiết kế, lập trình các chương trình riêng tùy theo yêu cầu sử dụng của riêng mình. • Hiển thị đồ họa và âm thanh: Kết hợp với dữ liệu động về hệ thống xây dựng các màn hình đồ họa theo yêu cầu sử dụng các công cụ vẽ và bảng biểu hoặc phát các tín hiệu âm thanh trong một số lưu ý người vận hành hoặc một số trường hợp báo động khẩn cấp. • Lập báo cáo: Lập báo cáo tư động, định kỳ hoặc theo yêu cầu về các cảnh báo và các sự kiện, hoạt động vận hành. Đồng thời cung cấp các khả năng tóm tắt báo cáo.

• Quản lý bảo trì, bảo dưỡng: Tự động lên lịch bảo trì thiết bị dựa trên dữ liệu về lịch sử thiết bị và thời gian hoạt động. • Tích hợp hệ thống: Cung cấp giao diện và điều khiển chung cho các hệ thống thành phần và cung cấp các khả năng tổng hợp thông tin từ các hệ thống thành phần này (như các hệ thống HVAC, cứu hỏa, an ninh, điều khiển truy cập), để từ đó có khả năng đưa các quyết định tác động có tính toàn cục cho toàn hệ thông. Tại cấp này, người quản trị cũng có thể lấy dữ liệu và ra lệnh từ/tới các điểm từ bất kỳ đâu trong hệ thống.