Hệ thống Quản lý Tòa nhà (BMS): BACnet Đầu cuối Mở và Các Mô hình Cải tạo

Tác giả: EcoXplore

Hệ thống Quản lý Tòa nhà (BMS) là lớp điều khiển quyết định khi nào máy làm lạnh chạy, các van điều tiết hoạt động ra sao, các mạch chiếu sáng có được cấp điện hay không, và khi nào một cửa kiểm soát ra vào được mở khóa. Trên một công trình được thiết kế tốt, hệ thống này biến mất vào hậu cảnh. Trên một công trình thiết kế kém, nó chính là lý do khiến các bộ xử lý không khí xung đột với nhau và hệ thống nước lạnh phải chạy để duy trì một điểm đặt mà không một người sử dụng nào quan tâm.

Trang này trình bày về những gì một BMS điều khiển và những gì nó cố ý không điều khiển, các giao thức và kiến trúc đầu cuối mà EcoXplore triển khai, mô hình cải tạo để phủ một BMS lên một hệ thống lắp đặt cũ, và cách một BMS tích hợp với dữ liệu EMS và PQMS.

BMS điều khiển những gì

Phạm vi điển hình của một BMS:

HVAC. Các hệ thống nước lạnh (máy làm lạnh, bơm, tháp giải nhiệt), các bộ xử lý không khí, các đầu cuối lưu lượng khí thay đổi, các hệ thống hút thải, hệ thống tách ẩm.
Chiếu sáng. Tận dụng ánh sáng tự nhiên, điều chỉnh độ sáng theo sự hiện diện của người, các mạch theo lịch trình. Phạm vi chiếu sáng ngày càng được tách thành một hệ thống điều khiển chuyên dụng giao tiếp với BMS qua BACnet/IP thay vì nằm bên trong nó.
Tích hợp kiểm soát ra vào và an toàn sinh mạng. Trạng thái cửa, trạng thái thang máy, trạng thái máy phát điện, kiểm soát khói. BMS đọc các thông số này; nó không sở hữu chúng. Các bảng điều khiển báo cháy (FACP) vẫn được quản lý bởi SS 575, NFPA 72, hoặc tiêu chuẩn tương đương tại địa phương và không được thay thế bằng một chức năng của BMS.
Các hệ thống cấp thoát nước. Trạng thái bơm tăng áp, mực nước trong bồn chứa, cảnh báo rò rỉ.
Thu thập dữ liệu công tơ phụ. Ở những nơi không triển khai một EMS tích hợp, BMS thường đóng vai trò là bộ tổng hợp công tơ cho các công tơ phụ tiện ích.

Một BMS không vận hành Bảng điều khiển Báo cháy. Ranh giới này quan trọng tại Singapore, nơi SCDF yêu cầu FACP phải là một hệ thống độc lập, được chứng nhận và niêm yết. Một BMS giám sát trạng thái FACP qua một tiếp điểm rơ-le là chấp nhận được. Một BMS phát lệnh báo cháy là không tuân thủ.

Đầu cuối mở so với đầu cuối độc quyền

Đầu cuối BMS là lớp phần mềm giám sát nơi các điểm dữ liệu được trực quan hóa, các lịch trình được thiết lập, và các xu hướng được lưu trữ. Lựa chọn đầu cuối chi phối mọi quyết định sau này về mở rộng, tích hợp, và sự lệ thuộc vào nhà thầu.

Đầu cuối mở giao tiếp nguyên bản với BACnet/IP, BACnet MS/TP, Modbus TCP, và OPC UA. Một nhà thầu mới có thể kết nối thiết bị mới mà không phải trả phí bản quyền cho mỗi lần tích hợp. Niagara Framework, các đầu cuối dựa trên Tridium, và một số biến thể Schneider EcoStruxure thuộc nhóm này.

Đầu cuối độc quyền giao tiếp nguyên bản với giao thức của nhà cung cấp (ví dụ Johnson Metasys N2, Siemens APOGEE FLN, Honeywell C-Bus). Việc tích hợp một thiết bị bên ngoài đòi hỏi một cổng phiên dịch, điều này làm tăng chi phí bảo trì và tạo ra một điểm hỏng hóc đơn lẻ.

Đối với các công trình xây mới, EcoXplore khuyến nghị đầu cuối mở trong gần như mọi trường hợp. Nhà cung cấp sẽ thu hồi lợi nhuận của họ qua phần cứng, vận hành thử, và dịch vụ. Khách hàng giữ được quyền chọn một đơn vị tích hợp khác trong lần nâng cấp tiếp theo.

Tại sao BACnet quan trọng

BACnet (ASHRAE 135) là giao thức mở chiếm ưu thế cho điều khiển tòa nhà tại Đông Nam Á, Bắc Mỹ, và châu Âu. Giao thức này định nghĩa:

Các kiểu đối tượng tiêu chuẩn (đầu vào tương tự, đầu ra nhị phân, lịch trình, nhật ký xu hướng, v.v.) để một bộ điều khiển từ Nhà cung cấp A có thể được đọc bởi một đầu cuối từ Nhà cung cấp B mà không cần trình điều khiển tùy chỉnh.
BIBBs (Các Khối Xây dựng Khả năng Tương tác BACnet) chỉ định chính xác những dịch vụ mà một thiết bị phải hỗ trợ để tuyên bố sự tuân thủ ở một cấp độ nhất định.
Một khung kiểm thử thông qua BACnet International để các tuyên bố tuân thủ có thể được kiểm chứng.

Modbus cũ hơn, đơn giản hơn, và rất phổ biến ở cấp công tơ và VFD, nhưng Modbus không có mô hình đối tượng tích hợp sẵn. Mỗi lần tích hợp Modbus là một bài tập ánh xạ thanh ghi tùy chỉnh. Các lần tích hợp BACnet thì có thể lặp lại được.

Để đặc tả công việc BMS tại Singapore, tài liệu tham chiếu tiêu chuẩn là ASHRAE Guideline 13 (đặc tả điều khiển DDC) và các sổ tay cơ điện Green Mark của BCA.

Mô hình cải tạo: phủ lên các hệ thống lắp đặt cũ

Hầu hết công việc BMS trong các tòa nhà đã hoàn thiện là cải tạo. Mô hình thành công:

Khảo sát những gì đang tồn tại. Đi qua các tủ điều khiển cùng đội bảo trì hiện hữu. Lập bản đồ mọi bộ điều khiển, cổng, và giao thức. Chụp ảnh hệ thống dây tại từng tủ. Các hệ thống lắp đặt Honeywell hoặc Siemens cũ thường có hệ thống dây hiện trường không được lập tài liệu mà không còn ai sống sót nhớ đến.
Quyết định giữ lại những gì. Một bộ điều khiển AHU đang hoạt động còn ba năm tuổi thọ không phải là ứng viên để thay thế. Một bộ điều khiển dàn quạt đang hỏng mà không có phụ tùng thay thế thì có thể. Hãy giữ lại những gì còn hoạt động.
Chọn một ranh giới tích hợp. Thường ở lớp bộ điều khiển tầng hoặc khu vực, để nguyên các bộ điều khiển đầu cuối và phủ lên một đầu cuối giám sát mới. BACnet/IP tại ranh giới; bất kể giao thức hiện trường hiện hữu nào nằm bên dưới nó.
Chạy song song. Đưa đầu cuối mới vào chế độ chỉ giám sát trong hai đến bốn tuần. So sánh các lệnh của nó với hệ thống hiện hữu trước khi chuyển giao quyền điều khiển.
Chuyển đổi và ngừng sử dụng. Di chuyển từng khu vực hệ thống một. Giữ đầu cuối cũ chạy ở chế độ chỉ đọc thêm hai tuần nữa như một lưới an toàn.

Bỏ qua bước 4 chính là cách những ngày chuyển đổi trở thành những khoảnh khắc lên sóng CNN.

Tích hợp với EMS và PQMS

Một BMS là hệ thống vận hành. Một EMS là hệ thống báo cáo năng lượng. Một PQMS là hệ thống giám sát chất lượng nguồn cấp. Cả ba tích hợp tại các điểm giao được xác định rõ:

BMS ↔ EMS. BACnet/IP để chia sẻ điểm dữ liệu trực tiếp (kW, kWh, trạng thái). EMS cũng có thể kéo dữ liệu lịch sử trực tiếp từ BMS ở những nơi đầu cuối BMS phơi bày các nhật ký xu hướng của nó qua một giao diện SQL hoặc REST.
BMS ↔ PQMS. Ít phổ biến hơn ở lớp điều khiển trực tiếp vì các sự kiện PQ diễn ra ở mức dưới một chu kỳ và tốc độ quét của BMS tính bằng giây. Ở những nơi điều này quan trọng (ví dụ một sơ đồ chuyển đổi máy phát điện), các sự kiện PQ kích hoạt một đầu ra cảnh báo rời rạc đến BMS thay vì truyền dữ liệu PQ theo luồng.
EMS ↔ PQMS. Các công tơ doanh thu dùng chung khi phần cứng hỗ trợ cả hai. Xem so sánh EMS vs PQMS.

Việc đặc tả sự tích hợp trong các yêu cầu của dự án, chứ không phải dưới dạng một lệnh thay đổi trong quá trình vận hành thử, chính là sự khác biệt giữa một hệ thống hoạt động được và một loạt rơ-le được chắp vá lại với nhau lúc bàn giao.

Cách tiếp cận của EcoXplore

Hoạt động BMS của EcoXplore vận hành dựa trên một tập hợp nhỏ các quan điểm:

Đầu cuối mở là mặc định. Các hệ thống đóng chỉ ở những nơi một yêu cầu cụ thể của khách thuê hoặc một hợp đồng nhà cung cấp hiện hữu khiến chúng trở thành bắt buộc.
Đặc tả ưu tiên BACnet. Modbus ở những nơi hợp lý (công tơ, VFD), BACnet/IP ở mọi nơi khác.
Vận hành thử có tài liệu. Các bài kiểm tra từng điểm một với hồ sơ có ký xác nhận, các bài kiểm tra trình tự vận hành đối chiếu với tài liệu ý định thiết kế, đào tạo được cung cấp cho đội bảo trì tại chỗ.
Năng lực địa phương. BCA ME02 L5 nghĩa là đội ngũ đủ năng lực để dẫn dắt công việc cơ điện tại Singapore. Các kiểm soát chất lượng ISO 9001 mở rộng đến các hồ sơ vận hành thử, không chỉ các quy trình văn phòng.

Các câu hỏi thường gặp

Tôi có thể dùng BMS như một Hệ thống Quản lý Năng lượng không? Một phần. Một BMS thu thập dữ liệu công tơ trực tiếp và có thể tạo ra các bảng điều khiển. Nó thường không tạo ra các báo cáo theo định dạng ISO 50001 hoặc chuẩn hóa mức tiêu thụ theo các biến tác động. Đối với mục đích tuân thủ, hãy phủ một EMS chuyên dụng lên trên.

Sự khác biệt giữa một BMS và một EMS là gì? Một BMS điều khiển thiết bị. Một EMS đo lường và báo cáo. Chúng thường là các hệ thống riêng biệt chia sẻ dữ liệu qua BACnet/IP.

Tôi có cần thay thế đầu cuối, hay hệ thống hiện hữu có thể được mở rộng? Thường thì hệ thống hiện hữu có thể được mở rộng qua một cổng. Việc thay thế là hợp lý khi đầu cuối hiện hữu đã hết vòng đời (không có phụ tùng, không hỗ trợ firmware) hoặc khi sự lệ thuộc độc quyền đang cản trở các tích hợp cần thiết.

Một dự án cải tạo mất bao lâu? Một dự án cải tạo từng tầng một trên một tòa nhà thương mại cỡ trung mất từ bốn đến chín tháng từ lúc khởi động đến lúc chuyển đổi hoàn toàn, tùy thuộc vào sự hợp tác của khách thuê và các khung thời gian làm việc ngoài giờ.

BACnet có an toàn không? BACnet/IP chạy trên các mạng IP tiêu chuẩn và kế thừa các thực hành bảo mật mạng tiêu chuẩn. Việc phân đoạn vào một VLAN điều khiển chuyên dụng với các quy tắc tường lửa là mức cơ bản. BACnet/SC (BACnet Secure Connect) bổ sung TLS ở lớp giao thức cho các hệ thống lắp đặt mới.