BMS – Hệ thống quản lý tòa nhà

Thông tin cơ bản về BMS – Hệ thống quản lý tòa nhà. Mục tiêu của hệ BMS là tập trung hóa và đơn giản hóa giám sát, hoạt động và quản lý một hay nhiều tòa nhà để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của tòa nhà bằng cách giảm chi phí nhân công và lượng tiêu thụ điện năng, và cung cấp môi trường làm việc an toàn, thoải mái hơn cho người cư ngụ. Trong quá trình đáp ứng các mục tiêu này, BMS đã “tiến hóa” từ hệ điều khiển giám sát đơn giản trở thành hệ điều khiển vi tính hóa tích hợp toàn diện (totally integrated computerize control).

Một số lợi ích của hệ BMS có thể kể đến là: •Hoạt động đơn giản hơn với những chức năng lập trình lặp đi lặp lại để thiết lập chế độ vận hành tự động
•Giảm thời gian huấn luyện vận hành viên nhờ các hướng dẫn và hỗ trợ trực quan trên màn hình đồ họa
•Đáp ứng các nhu cầu của người cư ngụ và phản ứng với các điều kiện rắc rối nhanh hơn và hiệu quả hơn
•Giảm lượng điện năng tiêu thụ thông qua khả năng điều khiển quản lý tập trung và chương trình quản lý điện năng
•Quản lý cơ sở/tài sản hiệu quả hơn nhờ các báo cáo ghi lại quá trình hoạt động, bảo trì, và chức năng tự động gửi cảnh báo
•Lập trình linh hoạt theo nhu cầu của từng tòa nhà, tổ chức và yêu cầu mở rộng.
•Nâng cao hoạt động nhờ tích hợp phần mềm và phần cứng của nhiều hệ thống phụ như điều khiển số trực tiếp (DDC – Direct Digital Control), hệ thống báo cháy, an ninh, điều khiển truy nhập hoặc điều khiển ánh sáng.
Trước đây, khi chỉ có hệ thống máy tính kồng kềnh, thì hệ BMS chỉ được sử dụng trong những tòa nhà văn phòng và các trường đại học lớn. Với việc ra đời các bộ điều khiển sử dụng bộ vi xử lý để điều khiển số trực tiếp, thì chi phí tích hợp chức năng quản lý tòa nhà vào bộ điều khiển nhỏ đến mức mà một BMS là sự lựa chọn đầu tư đúng chỗ cho các tòa nhà thương mại ở mọi kích cỡ, kiểu dáng.
BMS – Những điều cơ bản
Thuật ngữ BMS ra đời vào đầu những năm 1950. Và từ đó tới nay nó đã thay đổi rất nhiều kể cả trên phương diện phạm vi và cấu hình hệ thống. Cách thức liên lạc của hệ thống phát triển từ đi dây cứng tới đi dây hỗn hợp (multiplex) và giờ đây là hệ thống hai dây liên lạc số hoàn toàn. EMS và BMCS phát triển từ giao thức poll-response với bộ xử lý điều khiển trung tâm tới giao thức peer-to-peer với hệ thống điều khiển phân tán.

Quản lý điện năng
Quản lý điện năng là chức năng tiêu biểu của bộ điều khiển DDC sử dụng bộ vi xử lý. Trong hầu hết các tòa nhà có quy mô từ vừa tới lớn, quản lý điện năng là một phần không thể thiếu của BMCS, với chức năng điều khiển tối ưu thực thi tại cấp độ hệ thống, và với thông tin quản lý và truy cập người sử dụng do BMS chủ cung cấp.
Một mạng bộ điều khiển điều hành thiết bị để giảm thiểu chi phí vận hành, và điều chỉnh nhiệt độ đủ để đem lại mức độ thoải mái cho người sử dụng
Chức năng hệ thống quản lý điện năng của BMS chủ gồm có:
•Giám sát – ghi hiệu suất
•Giám sát – ghi mức độ sử dụng điện năng
•Thống kế mức tiêu thụ điện năng: Mức tiêu thụ theo nguồn và định kỳ
•Biểu đồ xu hướng tiêu thụ
•Truy cập dữ liệu chiến lược quản lý điện năng nhằm liên tục điều chỉnh theo nhu cầu:
oLịch sử dụng toà nhà
oGiới hạn nhiệt độ đem lại mức độ thoải mái
oThống số điều chỉnh của vòng DDC
•Bổ sung chương trình DDC
Hệ thống quản lý năng lượng tòa nhà có trước hệ DDC khoảng 10 năm. Nó có kiến trúc số gồm một máy tính trung tâm tích hợp khả năng điều khiển, giám sát và panel thu thập dữ liệu từ xa giao tiếp với các thiết bị điện, khí nén và hệ thống điều khiển điện tử cục bộ. Máy tính trung tâm của kiến trúc xuất các lệnh khởi động/dừng và điều chỉnh bộ điều khiển nhiệt độ cục bộ.

Hệ thống quản lý cơ sở vật chất
Hệ thống quản lý cơ sở vật chất được giới thiệu vào cuối thập niên 1980. Sự ra đời của nó đã mở rộng thêm phạm vi của điều khiển trung tâm, gồm cả quản lý toàn bộ cơ sở vật chất của tòa nhà. Ví dụ, trong một nhà máy sản xuất ô tô, lịch sản xuất và giám sát có thể kết hợp với giám sát và điều khiển môi trường BMS. Nhân viên bộ phận BMS và sản xuất có thể điều hành hệ thống điều khiển riêng biệt để quản lý đầu ra và đầu vào, tuy nhiên hai hệ thống này có thể traođổi dữ liệu cho nhau để tối ưu hóa thông tin và lập ra bản báo cáo chính xác nhất. Chẳng hạn như, chi phí cho lượng nhiệt, gió trên mỗi đầu xe được xuất xưởng sẽ là thông tin quan trọng để tính toán chi phí tổng trên mỗi xe thành phẩm.
Hệ thống quản lý cơ sở vật chất phải giải quyết được hai mức độ hoạt động: giám sát hoạt động hàng ngày (day-to-day operation) và quản lý/giám sát hoạt động dài hạn. Giám sát hoạt động hàng ngày đòi hỏi hệ thống liên tục giám sát và điều khiển thời gian thực toàn bộ cơ sở và môi trường. Giám sát/quản lý/hoạch định hoạt động dài hạn yêu cầu hệ thống ghi lại dữ liệu phân tích/hoạch định xu hướng lâu dài, và lấy đó làm dữ liệu so sánh với mục tiêu hoạt động. Do vậy, mục tiêu chính yếu của mức hoạch định và quản lý là thu thập, xử lý dữ liệu về lịch sử hoạt động.

Một số thuật ngữ trong tự động hóa tòa nhà
1.Building Control System (BCS): Hệ thống điều khiển tòa nhà. Nó mang đến sự tiện nghi và an toàn cho ngôi nhà bạn.
2.Building Management and Control System (BMCS): Hệ thống điều khiển và quản lý tòa nhà. Nó là sự kết hợp của BMS và BCS.
3.Building Management System: Hệ thống quản lý tòa nhà. Nó tập trung hóa giám sát, hoạt động và quản lý tòa nhà nhằm tối ưu hiệu suất hoạt động.
4.Building Automation and Control Network (BACnet) Protocol: Giao thức mạng điều khiển và tự động hóa tòa nhà (BACnet). Một giao thức liên lạc cho BMCS do hiệp hội kỹ sư ASHRAE phát triển. (ASHRAE – American Society of Heating, Refrigerating, and Air Conditioning Engineers)
5.Dynamic Display Data: Dữ liệu hiển thị động. Là loại dữ liệu được hiển trị tại các trạm làm việc BMCS mà được cập nhật định kỳ, chẳng hạn như trang thái nhiệt độ hoặc ON/OFF.
6.Energy Management System (EMS): Hệ thống quản lý năng lượng. Nó tối ưu hóa hoạt động, nhiệt độ, và quá trình của hệ thống HVAC trong tòa nhà. Ngoại trừ một số hệ thống lỗi thời, thì hầu như bất cứ một hệ BCS hoặc BMCS đều có toàn bộ chức năng của hệ EMS.

Một hệ BMS gồm cấu hình phần cứng và hệ thống liên lạc cần thiết để truy cập dữ liệu trong toàn bộ tòa nhà hoặc truy cập từ các tòa nhà từ xa khác sử dụng đường truyền điện thoại.

Cấu hình phần cứng
Bộ điều khiến sử dụng vi xử lý tạo nên cấu hình theo kiểu cấp bậc cho hệ thống BMS. Hình dưới mô tả đa cấp bậc hay còn gọi là lớp (tier) của bộ xử lý.
- Cấp xử lý quản lý
- Cấp xử lý hoạt động
- Cấp xử lý hệ thống
- Cấp xử lý vùng
Cấp độ được sử dụng thực sự cho hệ thống phụ thuộc vào từng nhu cầu của tòa nhà hay một tổ hợp tòa nhà. Cấp độ xử lý vùng có thể kết hợp các bộ actuator và cảm biến sử dụng vi xử lý thông minh. Tiếp sau đây

Bộ điều khiển cấp vùng. Đây là bộ điều khiển sử dụng bộ vi xử lý. Nó cung cấp khả năng điều khiển trực tiếp tới các thiết nằm trong phạm vi cấp vùng, như bơm nhiệt, hộp điều lượng gió (VAV – Variable Air Volume), thiết bị cấp gió đơn vùng. Bộ điều khiển cấp này cũng có thể sử dụng phần mềm quản lý năng lượng. Tại cấp xử lý vùng, cảm biến và actuator giao liên lạc trực tiếp với thiết bị được điều khiển. Một bus liên lạc làm phương tiện kết nối các bộ điều khiển, do vậy các điểm thông tin giữa các bộ điều khiển có thể chia sẻ cho nhau và chia sẻ với các bộ xử lý tại hệ thống và ở cấp xử lý hoạt động. Các bộ điều khiển cấp vùng tiêu biểu có một cổng hoặc kênh giao tiếp để hỗ trợ sử dụng thiết bị đầu cuối di động trong quá trình thiết lập ban đầu và cả những lần điều chỉnh sau đó.
Bộ điều khiển cấp hệ thống. Bộ điều khiển cấp này có công suất lớn hơn bộ điều khiển cấp vùng nếu xét trên phương diện các điểm, vòng DDC và chương trình điều khiển. Bộ điều khiển cấp hệ thống thường được dùng để điều khiển các thiết bị cơ khí như các hệ cung cấp khí, hệ VAV trung tâm và hệ thống làm mát. Ngoài ra, nó còn thực thi điều khiển ánh sáng. Bộ điều khiển tại cấp này giao tiếp trực tiếp với các thiết bị được điều khiển thông qua actuator và cảm biến, hoặc giao tiếp gián tiếp thông qua các bus liên lạc với bộ điều khiển cấp vùng. Bộ điều khiển cấp hệ thống có một cổng để kết nối với các thiết bị đầu cuối lập trình và vận hành cầm tay trong suốt quá trình cài đặt ban đầu và cả các lần điều chỉnh sau này. Khi bộ điều khiển cấp hệ thống được kết nối với bộ xử lý cấp hoạt động, những thay đổi chương trình điều khiển thường được thực thi ở bộ xử lý cấp hoạt động và sau đó 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 thông qua tín hiệu cảnh báo hỏa hoạn, cảnh báo an ninh, bảo mật truy cấp.

Bộ xử lý cấp hoạt động. Bộ xử lý cấp này giao tiếp chủ yếu với vận hành viên hệ BMCS. Trong mọi ứng dụng, nó thường là PC được trang bị màn hình hiển thị và các bảng mạch có chức năng ‘plug-in’ cho thiết bị vận hành bổ sung, printer, mở rộng bộ nhớ và bus liên lạc. Bộ xử lý cấp này thường có phần mềm ứng dụng, để:
- Bảo đảm an ninh hệ thống: Hạn chế truy cập và hoạt động 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: Tập hợp các điểm hệ thống ngẫu nhiên thành định dạng nhóm logic để hiện thị và in ấn.
- Tách dữ liệu
- Lập trình tùy biến: Phát triển các chương trình DDC theo nhu cầu tại cấp độ hoạt động rồi tải xuống từng bộ điều khiển cấp hệ thống và cấp vùng chuyên biệt hoặc từ xa
- Đồ họa: Kết hợp với dữ liệu động về hệ thống xây dựng các màn hình đồ họa theo yêu cầu.
- Report chuẩn: Tự động cung cấp các report chuẩn theo định kỳ và theo yêu cầu hoạt động.
- Report theo yêu cầu: Là các bảng dữ liệu, file định dạng Word, và quản lý cơ sở dữ liệu.
- Quản lý bảo trì: Tự động lên lịch bảo trì thiết bị dựa trên dữ liệu về lịch sử thiết bị và thời gian hoạt động.
- Tùy chỉnh khu vực theo nhu cầu
- Tích hợp hệ thống: Cung cấp cổng liên lạc và chức năng điều khiển cho các hệ thống phụ (HVAC, cứu hỏa, an ninh, điều khiển truy cập).
Bộ xử lý cấp quản lý. Đây là cấp cao nhất trong cấu trúc của hệ BMCS. Nó thực thi điều khiển và quản lý thông qua các hệ thống phụ. Tại cấp này, vận hành viên có thể yêu cầu dữ liệu và ra lệnh tới các điểm từ bất kỳ đâu trong hệ thống. Vận hành hoạt động thường nhật là chức năng thông thường của bộ xử lý cấp hoạt động. Tuy nhiên, điều khiển toàn bộ có thể được chuyển sang cho bộ xử lý cấp quản lý trong những trường hợp khẩn cấp. Bộ xử lý cấp quản lý thu thập, lưu trữ, xử lý dữ liệu lịch xử như mức độ tiêu thụ điện năng, chi phí vận hành và hoạt động cảnh báo, các báo cáo để làm cơ sở hoạt định quản lý và vận hành nhà máy lâu dài.
Giao thức liên lạc
Giao thức liên lạc là một nhân tố thiết yếu trong cấu hình hệ thống BMCS vì lượng dữ liệu truyền từ điểm này tới điểm khác và do bộ xử lý phần tán có thể phụ thuộc, hỗ trợ lẫn nhau để truyền dữ liệu. Các link hoặc bus liên lạc thường sử dụng giao thức liên lạc ‘poll/response hoặc ‘peer’. Các hệ BMCS đầu tiên sử dụng giao thức poll/response – trong đó các quá trình xử lý dữ liệu và trí tuệ hệ thống nằm cả ở bộ xử lý trung tâm. Vào giữa những năm 1990, mọi hệ thống BMCS sử dụng giao thức “peer”. Kiểu giao thức này không có thiết bị master mà nó chia đều giao thức cho mọi thiết bị bus.
Giao thức liên lạc peer
So với giao thức liên lạc poll/response thì giao thức Peer có những lợi thế sau:
- Liên lạc không có thiết bị nào làm master
- Liên lạc trực tiếp giữa các thiết bị kết nối bus, không phải thông qua bộ xử lý BMS trung tâm
- Thông điệp được truyền tới mọi thiết bị kết nối bus.

Một số thuật ngữ trong tự động hóa tòa nhà

1. Building Control System (BCS): Hệ thống điều khiển tòa nhà. Nó mang đến sự tiện nghi và an toàn cho ngôi nhà bạn.
2. Building Management and Control System (BMCS): Hệ thống điều khiển và quản lý tòa nhà. Nó là sự kết hợp của BMS và BCS.
3. Building Management System: Hệ thống quản lý tòa nhà. Nó tập trung hóa giám sát, hoạt động và quản lý tòa nhà nhằm tối ưu hiệu suất hoạt động.
4. Building Automation and Control Network (BACnet) Protocol: Giao thức mạng điều khiển và tự động hóa tòa nhà (BACnet). Một giao thức liên lạc cho BMCS do hiệp hội kỹ sư ASHRAE phát triển. (ASHRAE – American Society of Heating, Refrigerating, and Air Conditioning Engineers)
5. Dynamic Display Data: Dữ liệu hiển thị động. Là loại dữ liệu được hiển trị tại các trạm làm việc BMCS mà được cập nhật định kỳ, chẳng hạn như trang thái nhiệt độ hoặc ON/OFF.
6. Energy Management System (EMS): Hệ thống quản lý năng lượng. Nó tối ưu hóa hoạt động, nhiệt độ, và quá trình của hệ thống HVAC trong tòa nhà. Ngoại trừ một số hệ thống lỗi thời, thì hầu như bất cứ một hệ BCS hoặc BMCS đều có toàn bộ chức năng của hệ EMS.