Bài giảng Hệ thống quản lý toà nhà (BMS-Building Management System) - Chương 1: Khái niệm chung

HỆ THỐNG QUẢN LÝ TOÀ NHÀ (BMS-BUILDING MANAGEMENT SYSTEM) Bộ môn Thiết bị điện-điện tử, Viện Điện ĐHBK Hà Nội 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 NỘI DUNG [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 TÀI LIỆU THAM KHẢO 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) KHÁI NIỆM CHUNG 51.1 Tổng quan hệ thống BMS 1) Một số thuật ngữ sử dung trong hệ 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 62) BMS là gì? § 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 § 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 1.1 Tổng quan hệ thống BMS 73) Điều khiển vi sử lý thông minh là gì? 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) CPU 1.1 Tổng quan hệ thống BMS 83) Điều khiển vi sử lý thông minh là gì? Hệ BMS: § INPUTS: các tín hiệu vào cho biết hiện trạng Điện, Nước, Khí, Nhiệt độ, Độ ẩm, Khí CO2 § OUTPUTS: Các tín hiệu ra điều khiển Điều hoà trung tâm, tốc độ bơm, quạt, van nước, khí Electricity Water Flows Pressures Air Flows Pressures Temperature Humidity CO2 Pumps Fans Motors Dumper Actuators Variable Speed Drivers Valve Actuators Chillers/Boilers Cooling Towers 1.1 Tổng quan hệ thống BMS 91.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS 1) Chức năng hệ BMS: Ø Giao diện người – máy: Tương tác kết nối với các thiết bị được tích hợp trong hệ thống; Sử dụng thân thiện trong vận hành và quản lý 5 File Number LOG-IN BMS Features. • Man / Machi e Interfa e - interact with the connected technical building equipme t. - user friendly - for operators - engineers. - and building managers • System Security - To prevent unauthorized use - Password protection - Operator specific access - Operator log summary 10 1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS 1) Chức năng hệ BMS: 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 5 File Number LOG-IN BMS Features. • Man / Machine Interface - interact with the connected technical building equipment. - user friendly - for operators - engineers. - and building managers • System Security - To prevent unauthorized use - Password protection - Operator specific access - Operator log summary 11 1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS 1) Chức năng hệ BMS: 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 6 File Number BMS Features. • 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 importance and time of.. Š potentially dangerous situations Š process value deviations - guiding the operator to take appropriate action through.. Š audible and visual indications Š Email, SMS - alarm summary Š Time, date, priority and description 12 1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS 1) Chức năng hệ BMS: 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 đặt - Hướng dẫn người vận hành thực hiện hành động thích hợp thông qua các chỉ dẫn bằng âm thanh, hình ảnh, thư điện tử (Email), tin nhắn (SMS) - Tổng hợp các báo động mô tả theo trình tự thời gian, mức độ 6 File Number BMS Features. • 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 importance and time of.. Š potentially dangerous situations Š process value deviations - guidi g the operator to take appropriate action through.. Š audible and visual indications Š Email, SMS - alarm summary Š Time, date, priority and description 13 1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS 1) Chức năng hệ BMS: Ø Báo cáo: - Trình bày các dữ liệu tùy chỉnh theo người sử dụng cho biết trạng thái thực tế hoặc lịch sử thiết bị, hệ thống - Thể hiện dưới dạng file word, file excel hoặc bản in 7 File Number BMS Features. • Reporting - present customized subsets of data - actual or historical state - export as a word or excel document or.. - to a printer. • Data Logging - 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 14 1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS 1) Chức năng hệ BMS: Ø Thu thập dữ liệu: - Tự động thu thập và lưu trữ dữ liệu từ thiết bị hiện trường để phân tích và báo cáo sau này dưới dạng động hoặc dạng lịch sử - Dữ liệu được thu thập dạng bảng, biểu đồ hay đồ thị tùy chỉnh 7 File Number BMS Features. • Reporting - present customized subsets of data - actual or historical state - export as a word or excel document or.. - to a printer. • Data Logging - 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 15 1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS 1) Chức năng hệ BMS: Ø Lập kế hoạch/lịch: - Thời gian khởi động/dừng của các thiết bị nhằm tiết kiệm năng lượng và hoạt động hiệu quả - Kế hoạch có thể lập hàng ngày, hàng tuần, cho ngày lễ hoặc các sự kiện 8 File Number 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 • Event recording - automatic logging of Š operator activities and commands Š processes related to connected devices Š workstations and printers. 16 1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS 1) Chức năng hệ BMS: Ø Ghi sự kiện: Tự động thu thập, ghi các sự kiện vận hành, lệnh điều hành và các quy trình liên quan đến kết nối các thiết bị, sự kiện các trạm (workstations) và máy in 8 File Number 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 • Event recordi - automatic logging of Š operator activities and commands Š processes related to connected devices Š workstations and printers. 17 1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS 1) Chức năng hệ BMS: 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 9 File Number BMS Features. • Remote connectivit - provide remote access to the system with full functionality through.. Š local area network Š dial-up Š internet via web browser 18 1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS 1) Chức năng 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 19 1) Chức năng 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 1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS 20 2) Lợi ích hệ BMS: Ø Cải thiện chất lượng môi trường trong toà nhà - Môi trường sống và làm việc thoải mái - Kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm tốt hơn - Chất lượng không khí tốt 1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS 10 File Number BMS Benefits. • Improved indoor environment quality - Comfortable living and working environment – domest c or commercial - Better temperature and humidity control - Good air quality • Faster response to .. - occupant needs - end-user complaints - trouble conditions 21 2) Lợi ích hệ BMS: 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 . 1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS 10 File Number BMS Benefits. • Improved indoor environment quality - Comfortable living and working environment – domestic or commercial - Better temperature and humidity control - Good air quality • Faster response to .. - occupant needs - end-user complaints - trouble conditions 22 2) Lợi ích hệ BMS: Ø Tiết kiệm trong bảo trì, bảo dưỡng: - Kiểm soát hiệu quả ít 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 kém 1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS 11 File Number BMS Benef ts. • Maintenance Savings. - efficient control gives less wear and strain of mechanical equipment. - provides lo ger life - runtime monitoring alerts timely maintenance of equipment - avoids expensive failures • Energy Savings - eliminates unnecessary system operation. - accurate energy usage information - helps you to take steps to reduce energy consumption like Š Optimum-Start Š Night-Purging Š Time-Scheduling 23 2) Lợi ích hệ BMS: Ø Tiết kiệm năng lượng: - Hạn chế, loại bỏ những hoạt động hệ thống không cần thiết. - 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 1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS 11 File Number BMS Benefits. • Maintenance Savings. - efficient control gives less wear and strain of mechanical equipment. - provides longer life - runtime monitoring alerts timely maintenance of equipment - avoids expensive failures • Energy Savings - eliminates unnecessary system operation. - accurate energy usage information - helps you to take steps to reduce energy consumption like Š Optimum-Start Š Night-Purging Š Time-Scheduling 24 2) Lợi ích hệ BMS: Ø Giám sát, điều khiển hợp nhất dễ dàng: - Vận hành tập trung - Vận hành đơn giản - Giảm thời gian và tài nguyên . 1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS 12 File Number BMS Benefits. Consolidated facility control - One point centralized operation - Simpler operation - Reduces time and resources • Reduced operator training - on-screen instructions - user-friendly graphic displays - simpler operation programmed for routine and repetitive operation 25 2) Lợi ích hệ BMS: Ø Đào tạo vận hành dễ dàng: - Hướng dẫn đào tạo trên màn hình - Màn hình đồ họa thân 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 1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS 12 File Number BMS Benefits. Consolidated facility control - One point centralized operation - Simpler operation - Reduces time and resources • Reduced operator training - on-screen instructions - user-friendly graphic displays - simpler operation programmed for routine and repetitive operation 26 2) Lợi ích hệ BMS: Ø Cải thiện quản lý báo cáo: - Cung cấp dữ liệu thời gian thực - 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 1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS 13 File Number BMS Benefits. • Improved management reporting - Provides valuable real-time data - Creates reports, charts - Critical information immediately sent to printers, emailed - or sent via SMS • Timely and effective control - alerts your employees when your facility is not operating correctly - reduce troubleshooting and down time. - Remote access connectivity without site visits. 27 2) Lợi ích hệ BMS: Ø Giám sát, điều khiển kịp thời, hiệu quả: - Thông báo cho nhân viên khi thiết bị hệ thống hoạt động không chính xác - Giảm thời gian xử lý sự cố - Kết nối truy cập từ xa mà không cần truy cập trang web. 1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS 13 File Number BMS Benefits. • Improved management reporting - Provides valuable real-time data - Creates reports, charts - Critical information immediately sent to printers, emailed - or sent via SMS • Timely and effective control - alerts your employees when your facility is not operating correctly - reduce troubleshooting and down time. - Remote access connectivity without site visits. 28 2) Lợi ích hệ BMS: Ø Nâng cao hiệu suất: - Đo lường hiệu suất tổng thể hệ thống - So sánh với điểm chuẩn hiệu suất đã cài đặt . 1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS 14 File Number BMS Benefits. • Performance Benchmarking - Facilitates the overall system performance measurement - Comparison with set benchmarks 29 3) Yêu cầu đối với 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 à lưu 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 1.2 Chức năng, lợi ích hệ BMS 1.3 Phân cấp hệ thống BMS 1) Hệ thống BMS:Typical System Components - Networks 31 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) 1.3 Phân cấp hệ thống BMS 32 2) Cấp trường: 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 . 1.3 Phân cấp hệ thống BMS 4 File Number Components of BMS - Centralized WorkStation Computer Š With powerful user-friendly software. Š Used for everyday building operation. - Field devices Š Temperature, Humidity, Pressure sensors Š Valves, Actuators - DDC Controllers Š Micro-processor based Š Pre-configured / Freely programmable Š Controls the HVAC equipment of the building Ø Các bộ điều khiển riêng DDC cho từng thiết bị chấp hành kết nối dạng số DI/DO, dạng tương tự AI/AO hoặc kết nối mạng đ năng theo các giao thức chuẩn Modbus, RS232 33 2) Cấp trường: Ø Các hệ cảm biến trong bộ điều khiển riêng: nước sạch, nhiệt độ, độ ẩm, báo cháy, năng lượng Ø Bộ điều khiển khu vực sẽ nối với nhau trên 1 bus, chia xẻ thông tin với cấp Control Level và Management Level 1.3 Phân cấp hệ thống BMS 4 File Number Components of BMS - Centralized WorkStation Computer Š With powerful user-friendly software. Š Used for everyday building operation. - Field devices Š Temperature, Humidity, Pressure sensors Š Valves, Actuators - DDC Controllers Š Micro-processor based Š Pre-configured / Freely programmable Š Controls the HVAC equipment of the building 34 3) Cấp điều khiển hệ thống: Bao gồm: Ø Card giao tiếp mạng (Network Interface Card) có cấu hình lớn hơn nhiều so với bộ điều khiển khu vực ở cấp trường: số lượng tín hiệu vào/ra; vòng điều chỉnh; chương trình điều khiển 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 1.3 Phân cấp hệ thống BMS 4 File Number Components of BMS - Centralized WorkStation Computer Š With powerful user-friendly software. Š Used for everyday building operation. - Field devices Š Temperature, Humidity, Pressure sensors Š Valves, Actuators - DDC Controllers Š Micro-processor based Š Pre-configured / Freely programmable Š Controls the HVAC equipment of the building 35 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. 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 1.3 Phân cấp hệ thống BMS 2 File Number What is BMS? - A micro-processor based system which centralizes and simplifies Šcontrolling Šmonitoring Šoperation and Šmanagement of heating, air-conditioning, ventilation & other building services to achieve » safe and comfortable working environment » energy saving & efficient operation » at reduced time & cost 36 1) EMS (Energy Management System) là gì? 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. 1.4 Hệ thống quản lý năng lượng (EMS) 37 1) EMS (Energy Management System) là gì? 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 1.4 Hệ thống quản lý năng lượng (EMS) 38 2) Chức năng hệ 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 1.4 Hệ thống quản lý năng lượng (EMS) 39 2) Chức năng hệ 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 1.4 Hệ thống quản lý năng lượng (EMS)