HỆ THỐNG QUẢN LÝ TOÀ NHÀ (BMS-BUILDING MANAGEMENT SYSTEM)
Bộ môn Thiết bị điện-điện tử, Viện Điện ĐHBK Hà Nội
NỘI DUNG
Ø KHÁI NIỆM CHUNG
Ø PHẦN TỬ, THIẾT BỊ HỆ BMS
Ø CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN HỆ BMS
Ø HỆ THỐNG GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG
Ø THIẾT KẾ HỆ BMS
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Engineering Manual of Automatic Control for Commercial Buldings, Honeywell - 1997
[2] Hướng dẫn thiết kế hệ thống quản lý toà nhà, Nhà xuất bản xây dựng - 2010
[3] Web: www.scribd.com/document/Bulding-Program- BMS
KHÁI NIỆM CHUNG
1.1. Tổng quan hệ thống BMS
1.2. Chức năng, lợi ích hệ thống BMS
1.3. Phân cấp hệ thống
1.4. Hệ thống quản lý năng lượng (EMS-Energy Management System)
1.1 Tổng quan hệ thống BMS
§ Hệ BMS có thể hiểu như Hệ thống tự động toà nhà (BAS -
Building Automation System), Hệ thống quản lý và điều khiển toà nhà (BMCS – Building Management & Control System), Điều khiển số trực tiếp (DDC – Direct Digital Control) § Một số thuật ngữ đi cùng với hệ thống điều khiển: • SCADA (Supevisory, Control & Data Acquisition) - Giám sát,
điều khiển và thu thập dữ liệu
• PLC – Progammable Logic Controller • EMS (Energy Management System) - Hệ thống quản lý năng
lượng
• Các giao thức truyền thông như Modbus, Lonworks, Bacnet…
1) Một số thuật ngữ sử dung trong hệ BMS:
5
1.1 Tổng quan hệ thống BMS
§ BMS là hệ điều khiển dựa trên bộ vi xử lý “thông minh”
(Intelligent) được cài đặt để giám sát và điều khiển các hệ thống dịch vụ kỹ thuật của tòa nhà như điều hòa không khí, thông gió, chiếu sáng và thủy lực…
§ BMS liên kết chức năng của từng bộ phận thiết bị trong toà nhà để
chúng hoạt động như một hệ thống tích hợp hoàn chỉnh
§ BMS đã được cài đặt trong nhiều tòa nhà có khả năng tích hợp trực tiếp vào tất cả các dịch vụ của toà nhà như hệ thống cung cấp điện, camera an ninh, cứu hỏa, thang máy và các hệ thống khác liên quan đến đời sống của cư dân
2) BMS là gì?
§ BMS thế hệ hiện nay dựa trên các giao thức truyền thông mở kết nối với WEB cho phép tích hợp các hệ thống từ nhiều nhà cung cấp và truy cập từ mọi nơi trên thế giới
6
1.1 Tổng quan hệ thống BMS 3) Điều khiển vi sử lý thông minh là gì?
CPU
Khái niệm: § Bộ vi sử lý trung tâm (CPU) § Lấy các tín hiệu vào (INPUTS) § Đưa các tín hiệu ra (OUTPUTS) § Kết nối truyền
thông (NETWORK)
7
1.1 Tổng quan hệ thống BMS 3) Điều khiển vi sử lý thông minh là gì?
Hệ BMS:
Valve Actuators
Pumps Fans Motors
§
Variable Speed Drivers
Chillers/Boilers Cooling Towers
INPUTS: các tín hiệu vào cho biết hiện trạng Điện, Nước, Khí, Nhiệt độ, Độ ẩm, Khí CO2…
Dumper Actuators
Electricity
Temperature Humidity CO2
§ OUTPUTS: Các tín hiệu ra điều khiển Điều hoà trung tâm, tốc độ bơm, quạt, van nước, khí…
Air Flows Pressures
Water Flows Pressures
8
1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS
1) Chức năng hệ BMS:
BMS Features….
- user friendly - for operators… - engineers…. - and building managers
Ø Giao diện người – máy: Tương tác kết nối với các • Man / Machine Interface - interact with the connected thiết bị được tích hợp trong technical building equipment. hệ thống; Sử dụng thân thiện trong vận hành và quản lý
• System Security
- To prevent unauthorized use - Password protection - Operator specific access - Operator log summary
9
LOG-IN
File Number
5
BMS Features….
• Man / Machine Interface
- interact with the connected
technical building equipment.
- user friendly
- for operators…
- engineers….
- and building managers
1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS
• System Security
- To prevent unauthorized use
Ø An toàn hệ thống: Ngăn chặn sử dụng trái phép với mật khẩu bảo vệ; Truy cập cụ thể, kịp thời của người vận hành/điều hành cùng với nhật ký vận hành
- Password protection
- Operator specific access
- Operator log summary
1) Chức năng hệ BMS:
LOG-IN
File Number
5
10
1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS
1) Chức năng hệ BMS:
BMS Features….
Ø Quản lý số liệu/dữ liệu thân thiện: Sơ đồ mặt bằng + thiết bị toà nhà được biểu diễn bằng đồ hoạ; Luồng thông tin của hệ thống thông qua đồ hoạ
• User-friendly data presentation - co-ordination of the flow of
information through the system by implementing customized graphics.
- floor plans of the building - graphical representation of the
equipment.
• Alarm Management
- the presentation in the sequence of
11
importance and time of..
(cid:138) potentially dangerous situations
(cid:138) process value deviations
- guiding the operator to take
appropriate action through..
(cid:138) audible and visual indications
(cid:138) Email, SMS
- alarm summary
(cid:138) Time, date, priority and description
File Number
6
BMS Features….
• User-friendly data presentation - co-ordination of the flow of
information through the system by implementing customized graphics.
1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS
equipment.
- floor plans of the building - graphical representation of the 1) Chức năng hệ BMS:
• Alarm Management
- the presentation in the sequence of
File Number
6
Ø Quản lý báo động: - Báo cáo theo trình tự mức độ quan trọng và thời gian của các tình huống nguy hiểm so với các giá trị importance and time of.. đặt (cid:138) potentially dangerous situations (cid:138) process value deviations - Hướng dẫn người vận hành thực - guiding the operator to take appropriate action through.. hiện hành động thích hợp thông qua (cid:138) audible and visual indications các chỉ dẫn bằng âm thanh, hình (cid:138) Email, SMS - alarm summary ảnh, thư điện tử (Email), tin nhắn (cid:138) Time, date, priority and description (SMS) - Tổng hợp các báo động mô tả theo trình tự thời gian, mức độ
12
1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS
1) Chức năng hệ BMS:
BMS Features….
• Reporting
data
- actual or historical state - export as a word or excel
Ø Báo cáo: - Trình bày các dữ liệu tùy chỉnh theo người sử - present customized subsets of dụng cho biết trạng thái thực tế hoặc lịch sử thiết bị, hệ thống
document or.. - to a printer. - Thể hiện dưới dạng file
word, file excel hoặc bản in • Data Logging
13
- The automatic gathering and storage of data from the field equipment for later analysis and reporting
- Dynamically or historical - Customized charts and graphs
- Tabular reports
File Number
7
BMS Features….
• Reporting
- present customized subsets of
data
- actual or historical state - export as a word or excel
1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS
document or..
- to a printer.
• Data Logging
1) Chức năng hệ BMS:
Ø Thu thập dữ liệu: - Tự động thu thập và lưu - The automatic gathering and trữ dữ liệu từ thiết bị hiện storage of data from the field trường để phân tích và báo equipment for later analysis and reporting cáo sau này dưới dạng động - Dynamically or historical hoặc dạng lịch sử - Customized charts and graphs - Tabular reports - Dữ liệu được thu thập dạng bảng, biểu đồ hay đồ thị tùy chỉnh
File Number
7
14
1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS
1) Chức năng hệ BMS:
BMS Features….
• Time Scheduling
- time-based start/stop of the
equipment
operation
control
Ø Lập kế hoạch/lịch: - Thời gian khởi động/dừng của các thiết bị nhằm tiết kiệm năng lượng và hoạt động hiệu quả - saves energy cost and efficient - Kế hoạch có thể lập hàng - effective for lighting, occupancy ngày, hàng tuần, cho ngày lễ hoặc các sự kiện - can be as daily, weekly, for holidays
or events
• Event recording
- automatic logging of…
(cid:138) operator activities and commands
(cid:138) processes related to connected
15
devices
(cid:138) workstations and printers.
File Number
8
BMS Features….
• Time Scheduling
- time-based start/stop of the
equipment
- saves energy cost and efficient
operation
- effective for lighting, occupancy
control
- can be as daily, weekly, for holidays
or events
1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS
• Event recording
- automatic logging of…
1) Chức năng hệ BMS:
devices
(cid:138) workstations and printers.
Ø Ghi sự kiện: Tự động thu thập, ghi các sự kiện vận hành, lệnh điều (cid:138) operator activities and commands hành và các quy trình liên (cid:138) processes related to connected quan đến kết nối các thiết bị, sự kiện các trạm (workstations) và máy in
File Number
8
16
1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS
1) Chức năng hệ BMS:
BMS Features….
• Remote connectivity
- provide remote access to
the system with full functionality through.. (cid:138) local area network (cid:138) dial-up (cid:138) internet via web browser
Ø Kết nối từ xa: Cho phép truy cập từ xa vào hệ thống với đầy đủ chức năng thông qua - Mạng cục bộ - Điện thoại - Mạng internet thông qua trình duyệt web
File Number
17
9
1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS
Ø BMS dựa trên nền tảng của hệ điều khiển phân tán
(DCS - Distributed Control System)
Ø Phần mềm điều khiển đóng vai trò giao diện người
máy (HMI) giữa máy tính điều khiển với các bộ điều khiển số trực tiếp (DDC)
Ø Giám sát và vận hành theo thời gian thực (Real time) Ø Quan sát toàn diện và điều khiển đơn giản thông qua
giao diện người dùng thân thiện
1) Chức năng hệ BMS:
18
1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS
Ø Quản lý tất cả các điểm dữ liệu Ø Cung cấp khả năng lưu trữ và hiển thị lại dữ liệu trong
quá khứ cho người sử dụng khi có yêu cầu
Ø Trao đổi dữ liệu với các hệ thống kết nối tới BMS Ø Cung cấp khả năng truy cập vào hệ thống từ Internet
Explorer bằng user name và mật khẩu
Ø Các hoạt động truy cập đều sẽ được ghi lại, và tự động
truy xuất khỏi hệ thống sau thời gian không dùng
1) Chức năng hệ BMS:
19
1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS
2) Lợi ích hệ BMS:
BMS Benefits….
Ø Cải thiện chất lượng môi trường trong toà • Improved indoor environment nhà
environment – domestic or commercial
- Better temperature and humidity
control
quality - Môi trường sống và làm - Comfortable living and working việc thoải mái - Kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm tốt hơn - Chất lượng không khí tốt
- Good air quality
• Faster response to ..
- occupant needs - end-user complaints
- trouble conditions
File Number
20
10
BMS Benefits….
• Improved indoor environment
quality - Comfortable living and working
environment – domestic or commercial
1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS
- Better temperature and humidity
control
- Good air quality
• Faster response to ..
- occupant needs - end-user complaints - trouble conditions
Ø Phản ứng nhanh hơn: - Theo nhu cầu của cư dân - Theo khiếu nại của cư dân - Khi gặp các điều kiện rắc rối trong toà nhà
File Number
2) Lợi ích hệ BMS:
10
.
21
1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS
2) Lợi ích hệ BMS:
BMS Benefits….
Ø Tiết kiệm trong bảo trì,
bảo dưỡng:
• Maintenance Savings.
strain of mechanical equipment.
- provides longer life - runtime monitoring alerts timely
maintenance of equipment - avoids expensive failures
- Kiểm soát hiệu quả ít - efficient control gives less wear and hao mòn và biến dạng, hư hỏng các thiết bị. - Tăng tuổi thọ các thiết bị - Giám sát thời gian bảo trì thiết bị kịp thời - Tránh những sai lầm tốn • Energy Savings kém
- eliminates unnecessary system
operation.
- accurate energy usage information - helps you to take steps to reduce
22
energy consumption like…
(cid:138) Optimum-Start
(cid:138) Night-Purging
(cid:138) Time-Scheduling
File Number
11
BMS Benefits….
• Maintenance Savings.
- efficient control gives less wear and
strain of mechanical equipment.
1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS
- provides longer life - runtime monitoring alerts timely
2) Lợi ích hệ BMS:
maintenance of equipment - avoids expensive failures
• Energy Savings
- eliminates unnecessary system
operation.
energy consumption like… (cid:138) Optimum-Start (cid:138) Night-Purging (cid:138) Time-Scheduling
File Number
11
Ø Tiết kiệm năng lượng: - Hạn chế, loại bỏ những hoạt động hệ thống không cần thiết. - accurate energy usage information - helps you to take steps to reduce - Cung cấp thông tin năng lượng sử dụng chính xác - Trợ giúp thực hiện các bước để giảm tiêu thụ năng lượng: tối ưu khởi động/dừng thiết bị, lập kế hoạch vận hành…
23
1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS
2) Lợi ích hệ BMS:
BMS Benefits….
Ø Giám sát, điều khiển hợp nhất dễ dàng: Consolidated facility control… - Vận hành tập trung - One point centralized operation - Simpler operation - Vận hành đơn giản - Reduces time and resources - Giảm thời gian và tài nguyên
.
24
• Reduced operator training - on-screen instructions - user-friendly graphic displays - simpler operation programmed for routine and repetitive operation
File Number
12
BMS Benefits….
Consolidated facility control…
- One point centralized operation
- Simpler operation
- Reduces time and resources
1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS
Ø Đào tạo vận hành dễ
2) Lợi ích hệ BMS:
dàng:
File Number
12
• Reduced operator training - on-screen instructions - Hướng dẫn đào tạo trên - user-friendly graphic displays màn hình - simpler operation programmed for - Màn hình đồ họa thân routine and repetitive operation thiện với người dùng - Chương trình vận hành đơn giản hơn được lập trình cho các hoạt động thường xuyên và lặp đi lặp lại
25
1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS
2) Lợi ích hệ BMS:
BMS Benefits….
Ø Cải thiện quản lý báo
to printers, emailed
- or sent via SMS
• Timely and effective control
cáo: • Improved management reporting - Provides valuable real-time data - Cung cấp dữ liệu thời - Creates reports, charts… gian thực - Critical information immediately sent - Thiết lập báo cáo - Thông tin quan trọng được gửi ngay lập tức đến máy in, qua thư điện tử email hoặc gửi tin nhắn SMS
26
- alerts your employees when your facility is not operating correctly - reduce troubleshooting and down
time.
- Remote access connectivity without
site visits.
File Number
13
BMS Benefits….
• Improved management reporting
- Provides valuable real-time data
- Creates reports, charts… - Critical information immediately sent
to printers, emailed
1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS
- or sent via SMS
• Timely and effective control
2) Lợi ích hệ BMS:
time.
- Remote access connectivity without
site visits.
File Number
13
Ø Giám sát, điều khiển kịp thời, hiệu quả: - Thông báo cho nhân - alerts your employees when your viên khi thiết bị hệ thống facility is not operating correctly hoạt động không chính - reduce troubleshooting and down xác - Giảm thời gian xử lý sự cố - Kết nối truy cập từ xa mà không cần truy cập trang web.
27
1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS
2) Lợi ích hệ BMS:
BMS Benefits….
Ø Nâng cao hiệu suất: - Đo lường hiệu suất tổng thể hệ thống - So sánh với điểm chuẩn hiệu suất đã cài đặt
• Performance Benchmarking
- Facilitates the overall system
performance measurement
- Comparison with set benchmarks
.
File Number
28
14
1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS
Ø Đảm bảo chất lượng Ø Hoạt động tin cậy Ø Hiệu suất cao Ø Kéo dài tuổi thọ Thông thường hệ BMS tồn tại khoảng 40-50 năm theo vòng đời của các toà nhà, luôn phải bảo dưỡng, thay thế cập nhật àlưu ý rằng chi phí đầu tư ban đầu của một tòa nhà hiện đại (khoảng 11%) sẽ nhỏ hơn nhiều so với tổng chi phí vận hành (khoảng 75%) trong thời gian tồn tại
3) Yêu cầu đối với hệ BMS:
29
1.3 Phân cấp hệ thống BMS
Typical System Components - Networks
1) Hệ thống BMS:
1.3 Phân cấp hệ thống BMS
Hệ thống BMS có cấu trúc một hệ thống điều khiển phân tán (DCS – Distributed Control System), được phân thành 3 cấp chính: Ø Cấp vận hành giám sát và quản lý (Management Level)
Ø Cấp điều khiển hệ thống (Control Level)
Ø Cấp trường (Field Level)
31
1.3 Phân cấp hệ thống BMS
Components of BMS 2) Cấp trường:
- Centralized WorkStation Computer (cid:138) With powerful user-friendly software. (cid:138) Used for everyday building operation.
Bao gồm: Ø Các thiết bị chấp hành được tích hợp vào hệ BMS: camera an ninh, thang máy, điều hoà trung tâm, thông gió, chiếu sáng, năng lượng ….
- DDC Controllers
- Field devices
Ø Các bộ điều khiển riêng (cid:138) Micro-processor based DDC cho từng thiết bị (cid:138) Pre-configured / Freely programmable chấp hành kết nối dạng số (cid:138) Controls the HVAC equipment of the building DI/DO, dạng tương tự AI/AO hoặc kết nối mạng đa năng theo các giao thức (cid:138) Temperature, Humidity, Pressure sensors (cid:138) Valves, Actuators chuẩn Modbus, RS232…
File Number
32
4
Components of BMS
- Centralized WorkStation Computer
(cid:138) With powerful user-friendly software.
(cid:138) Used for everyday building operation.
- DDC Controllers
1.3 Phân cấp hệ thống BMS
(cid:138) Micro-processor based (cid:138) Pre-configured / Freely programmable (cid:138) Controls the HVAC equipment of the building
Ø Các hệ cảm biến trong bộ điều khiển riêng: nước sạch,
- Field devices
nhiệt độ, độ ẩm, báo cháy, năng lượng…
(cid:138) Temperature, Humidity, Pressure sensors (cid:138) Valves, Actuators
File Number
2) Cấp trường:
4
Ø Bộ điều khiển khu vực sẽ nối với nhau trên 1 bus, chia xẻ 33 thông tin với cấp Control Level và Management Level
1.3 Phân cấp hệ thống BMS
Bao gồm: Ø Card giao tiếp mạng (Network
3) Cấp điều khiển hệ thống:
Components of BMS
Interface Card) có cấu hình lớn hơn nhiều so với bộ điều khiển khu vực ở - Centralized WorkStation Computer cấp trường: số lượng tín hiệu vào/ra; (cid:138) With powerful user-friendly software. vòng điều chỉnh; chương trình điều (cid:138) Used for everyday building operation. khiển
- DDC Controllers
Ø Điều khiển hệ thống được tích hợp các chức năng quản lý, lưu trữ, có thể trực tiếp điều khiển các thiết bị chấp hành (hệ thống chấp hành lớn như điều hoà trung tâm) hoặc kết nối với điều khiển khu vực cấp trường
(cid:138) Micro-processor based (cid:138) Pre-configured / Freely programmable (cid:138) Controls the HVAC equipment of the building
- Field devices
(cid:138) Temperature, Humidity, Pressure sensors
(cid:138) Valves, Actuators
File Number
34
4
1.3 Phân cấp hệ thống BMS 4) Cấp vận hành, giám sát và quản lý:
Giao tiếp với cấp điều khiển qua chuẩn Ethernet TCP/IP (Giao thức liên mạng Internet Protocol Suite) Bao gồm: Ø 1 bộ máy chủ Server + màn hình hệ BMS có chức năng thu thập dữ liệu từ DDC lên hệ BMS và chia xẻ dữ liệu với các máy trạm các hệ thống khác.
What is BMS?
- A micro-processor based system which centralizes and simplifies…
Ø 1 bộ máy tính vận hành + màn hình máy trạm hệ BMS có chức năng theo dõi, điều khiển trực tiếp các thiết bị của toà nhà thông qua giao diện đồ hoạ trực quan
(cid:138) controlling (cid:138) monitoring (cid:138) operation and… (cid:138) management
35
…of heating, air-conditioning, ventilation & other building services to
achieve…
» safe and comfortable working environment
» energy saving & efficient operation
» at reduced time & cost
File Number
2
1.4 Hệ thống quản lý năng lượng (EMS)
Ø EMS điển hình có chức năng của một bộ vi sử lý (microprocessor) trên cơ sở bộ điều khiển DDC.
Ø Trong hầu hết các tòa nhà cỡ vừa đến lớn, quản lý năng
lượng là một phần không thể thiếu của BMCS (Management & Control), với điều khiển tối ưu hóa được thực hiện ở cấp hệ thống, thông tin quản lý và quyền truy cập của người dùng được cung cấp bởi máy chủ BMS.
1) EMS (Energy Management System) là gì?
36
1.4 Hệ thống quản lý năng lượng (EMS)
Ø Với EMS các thiết bị điện trong toà nhà (điều hoà, thông gió, thang máy, chiếu sáng…) được vận hành với chi phí nhỏ nhất, hiệu suất cao nhất theo nhu cầu sử dụng nhờ các hệ thống mạng giám sát và điều khiển.
Ø Thực chất hệ EMS là hệ thống tiết kiệm năng lượng (chỉ tiêu rất quan trọng trong chính sách của Nhà nước) trong quản lý, vận hành: kiểm soát nhu cầu cùng với cân bằng phụ tải và chế độ vận hành các thiết bị điện
1) EMS (Energy Management System) là gì?
37
1.4 Hệ thống quản lý năng lượng (EMS)
Máy chủ BMS quản lý năng lượng phải đảm bảo các chức năng: Ø Giám sát, ghi lại hiệu suất Ø Giám sát, ghi lại năng lượng sử dụng Ø Tổng năng lượng tiêu thụ theo thời gian, khu vực cho các
chức năng của toà nhà
Ø Biểu đồ năng lượng và xu thế
2) Chức năng hệ EMS
38
1.4 Hệ thống quản lý năng lượng (EMS)
Ø Tiếp cận các chiến lược quản lý năng lượng để điều chỉnh
liên tục và thích ứng với các nhu cầu thay đổi
- Lịch, kế hoạch sử dụng - Thông số sử dụng hợp lý, thoải mái - Điều chỉnh các tham số các vòng điều khiển DDC - Cài đặt lại thông số đặt. VD áp lực, nhiệt độ,…
Ø Sửa đổi và thêm vào các chương trình điều khiển DDC
2) Chức năng hệ EMS
39