Hệ thống BMS là gì? BMS (Building Management System) là hệ thống quản lý toà nhà: một hệ thống máy tính và bộ điều khiển dùng để giám sát, điều khiển tập trung các hệ thống kỹ thuật trong toà nhà như điện, điều hoà thông gió, chiếu sáng, báo cháy chữa cháy, an ninh và thang máy. Ngày nay hầu hết cao ốc văn phòng, trung tâm thương mại, bệnh viện và nhà máy đều có hệ thống quản lý toà nhà BMS ở mức độ khác nhau. Bài viết trình bày tính năng, cấu trúc ba cấp, ứng dụng thực tế và tiêu chí chọn máy chủ, trạm vận hành cho BMS.
1. Hệ thống quản lý toà nhà BMS là gì?
Hệ thống quản lý toà nhà BMS, viết tắt của Building Management System, là hệ thống đồng bộ cho phép điều khiển và quản lý các hệ thống kỹ thuật trong toà nhà như điện, nước, điều hoà, cảnh báo môi trường, an ninh, báo cháy và chữa cháy từ một trung tâm.
BMS là hệ thống thời gian thực, trực tuyến, nhiều người dùng. Thành phần gồm máy chủ và phần mềm giám sát ở trung tâm, các bộ điều khiển khu vực, thiết bị vào ra, cảm biến và thiết bị chấp hành. Mọi thiết bị được quản lý theo danh sách điểm (point list): mỗi cảm biến, mỗi lệnh đóng cắt là một điểm có địa chỉ, có giá trị và có ngưỡng cảnh báo.
Mục đích của BMS là vận hành thiết bị đúng thời điểm, đúng giá trị đặt, giữ an toàn cho người và tài sản, giảm tiêu thụ năng lượng và giảm chi phí vận hành. Thay vì mỗi hệ thống có tủ điều khiển và nhân viên trực riêng, người vận hành theo dõi toàn bộ toà nhà trên một màn hình.
1.1 BMS, BAS và SCADA khác nhau ở đâu
Trong tài liệu kỹ thuật còn gặp tên BAS (Building Automation System) và iBMS (BMS tích hợp). BAS thường chỉ phần tự động hoá cơ điện (HVAC, chiếu sáng), BMS bao trùm thêm quản lý, báo cáo và tích hợp an ninh, PCCC; iBMS là BMS tích hợp nhiều hệ thống của nhiều hãng trên một nền tảng. Bảng dưới so sánh BMS với hệ thống SCADA thường gặp trong nhà máy.
| Tiêu chí | BMS | SCADA |
|---|---|---|
| Đối tượng | Thiết bị cơ điện toà nhà: HVAC, chiếu sáng, điện, PCCC, an ninh | Dây chuyền sản xuất, trạm điện, nhà máy nước, đường ống |
| Bộ điều khiển cấp dưới | DDC, một số PLC | PLC, RTU |
| Giao thức phổ biến | BACnet MS/TP, BACnet/IP, LonWorks, Modbus | Modbus, Profinet, EtherNet/IP, IEC 60870, IEC 61850 |
| Chu kỳ dữ liệu | Giây đến phút | Mili giây đến giây |
| Mục tiêu chính | Tiện nghi, an toàn, tiết kiệm năng lượng | Sản lượng, chất lượng, an toàn quá trình |
2. Tính năng của hệ thống quản lý toà nhà BMS
Các tính năng cơ bản mà một hệ thống quản lý toà nhà BMS phải có:
- Điều khiển thiết bị và tiện ích trong toà nhà hoạt động đồng bộ theo lịch và theo lệnh của người vận hành.
- Kết nối mọi hệ thống điều khiển con qua cáp điều khiển và giao thức mạng chuẩn, cho phép thiết bị nhiều hãng cùng làm việc.
- Giám sát chất lượng không khí và điều kiện môi trường làm việc: nhiệt độ, độ ẩm, CO2, áp suất phòng.
- Kết nối với hệ thống an ninh, kiểm soát ra vào và báo cháy qua cổng giao diện mở.
- Cảnh báo sự cố theo mức ưu tiên, gửi tín hiệu tới người trực bằng màn hình, còi, email hoặc tin nhắn.
- Quản lý cơ sở dữ liệu, vẽ giao diện đồ hoạ, lưu trữ và sao lưu dữ liệu vận hành.
- Tổng hợp và xuất báo cáo: tiêu thụ điện, giờ chạy thiết bị, lịch sử cảnh báo.
- Mở rộng được: thêm tầng, thêm hệ thống, thêm điểm mà không thay đổi kiến trúc.
3. Hệ thống BMS điều khiển các hệ thống nào
Hệ thống quản lý toà nhà gom nhiều hệ thống con vào một trung tâm. Bảng dưới liệt kê các hệ thống tiêu biểu và nội dung mà BMS giám sát hoặc điều khiển.
| Hệ thống con | BMS giám sát | BMS điều khiển |
|---|---|---|
| Trạm phân phối điện | Điện áp, dòng, công suất, trạng thái máy cắt, sự cố | Cắt tải theo ưu tiên khi mất nguồn |
| Máy phát điện dự phòng | Trạng thái chạy, mức nhiên liệu, cảnh báo | Khởi động, chuyển nguồn tự động ATS |
| Chiếu sáng | Trạng thái bật tắt từng khu vực | Bật tắt, điều chỉnh độ sáng theo lịch và cảm biến |
| Điều hoà và thông gió HVAC | Nhiệt độ, độ ẩm, CO2, áp suất, trạng thái chiller, AHU, FCU, quạt | Giá trị đặt, van, biến tần, trình tự khởi động |
| Báo cháy và chữa cháy | Vùng báo cháy, trạng thái bơm chữa cháy | Dừng điều hoà, tăng áp cầu thang, mở thoát khói khi có cháy |
| Thang máy | Vị trí, trạng thái, lỗi | Chế độ khẩn cấp, đưa thang về tầng thoát hiểm |
| Âm thanh công cộng | Trạng thái bộ khuếch đại, loa | Phát thông báo tự động theo sự kiện |
| Kiểm soát ra vào | Sự kiện quẹt thẻ, cửa mở lâu | Mở cửa hàng loạt khi có báo cháy |
| An ninh, camera | Cảnh báo chuyển động, trạng thái camera | Bật chiếu sáng, gọi camera lên màn hình khi có sự kiện |
| Cấp thoát nước | Mức bể, áp suất, trạng thái bơm | Chạy bơm theo mức, luân phiên bơm |
4. Ưu điểm của hệ thống quản lý toà nhà BMS
4.1 Điều khiển toàn bộ toà nhà từ một trung tâm
BMS quản lý toà nhà theo hướng tự động hoá: dữ liệu từ hàng nghìn điểm được tổng hợp thành bức tranh tổng thể thay vì danh sách cảnh báo rời rạc. Người vận hành thấy ngay tổng tiêu thụ năng lượng, tình trạng tài sản và điều kiện từng khu vực theo thời gian thực.
4.2 Báo cáo tuỳ chỉnh
Báo cáo từ BMS được cấu hình theo nhu cầu của ban quản lý và đơn vị bảo trì. Một nền tảng phân tích tốt tạo ra báo cáo:
- Hiển thị xu hướng và đối chiếu với mục tiêu hiệu quả năng lượng.
- Đề xuất thay đổi giá trị đặt, lịch chạy để khắc phục vấn đề.
- Tạo theo yêu cầu hoặc tự động theo chu kỳ ngày, tuần, tháng.
- Gửi đúng bộ phận liên quan và truy cập được từ cổng web.
4.3 Hệ thống nội bộ được kết nối hợp lý
Các công cụ phân tích và thiết bị trường được nối thành một mạng, cho phép thu thập và phân tích liên tục dữ liệu từ nhiều loại thiết bị và cảm biến:
- Cảm biến chất lượng không khí trong nhà.
- Bộ điều khiển hệ thống HVAC.
- Bộ điều khiển chiếu sáng.
- Cảm biến hiện diện (occupancy sensor) để giảm điều hoà, chiếu sáng ở khu vực không có người.
4.4 Giám sát đồng hồ đo nước, khí và điện
Khi đồng hồ điện, nước, gas được nối về BMS, hệ thống trở thành một nền tảng quản lý năng lượng hoàn chỉnh:
- Xếp ưu tiên cảnh báo theo mức độ nghiêm trọng.
- Phát hiện rò rỉ, tiêu thụ bất thường mà kiểm tra thủ công dễ bỏ qua.
- Can thiệp trước khi thiết bị hỏng hoặc hệ thống dừng.
- Tránh lặp lại vận hành kém hiệu quả trong tương lai.
4.5 Tăng thời gian hoạt động của thiết bị
Giám sát liên tục hiệu suất thiết bị là điều kiện để giữ thời gian hoạt động của hệ thống, có giá trị cho chủ toà nhà lẫn đơn vị tích hợp, bảo trì và dịch vụ. Các hệ thống được theo dõi gồm cảnh báo BMS hiện có, máy phát điện, chiller, bơm và thiết bị trên mái.
4.6 Tăng hiệu quả sử dụng năng lượng
Hệ thống quản lý toà nhà BMS cung cấp dữ liệu cần thiết cho các sáng kiến tiết kiệm năng lượng. Với chủ toà nhà, đây thường là lý do đầu tư đầu tiên vì HVAC và chiếu sáng chiếm phần lớn hoá đơn điện.
Để cải thiện hiệu quả năng lượng, phần phân tích của BMS thực hiện:
- Theo dõi tiêu thụ và lập báo cáo hiệu quả năng lượng theo khu vực, theo hệ thống.
- Phân tích hoạt động của quạt AHU, dàn FCU và hệ thống lưu lượng gió thay đổi VAV, phát hiện sưởi và làm mát đồng thời.
- Kiểm tra lịch chạy sưởi và làm mát so với giờ sử dụng thực tế.
- Quản lý giá trị đặt thiết bị theo nhiệt độ ngoài trời và mức sử dụng.
- Phát hiện van rò, van kẹt qua sai lệch giữa lệnh và giá trị đo.
4.7 Tối ưu công việc bảo trì
Mô hình truyền thống bảo trì theo chu kỳ cố định, có lần cần có lần không. Với dữ liệu vận hành và phân tích tự động, bảo trì được tối ưu bằng cách bỏ những lần bảo trì không cần thiết, giám sát thiết bị để giảm sự cố, và tăng hiệu quả mỗi lần đi hiện trường nên nhóm bảo trì gọn hơn.
5. Cấu trúc của hệ thống quản lý toà nhà BMS
Một hệ thống BMS được tổ chức theo ba cấp. Bảng dưới tóm tắt thiết bị và giao thức ở mỗi cấp, chi tiết từng cấp trình bày ở các mục tiếp theo.
| Cấp | Thiết bị tiêu biểu | Tín hiệu, giao thức |
|---|---|---|
| Cấp chấp hành | Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, CO2, áp suất; van, damper, rơ le, biến tần, đồng hồ điện | 0–10 V, 4–20 mA, tiếp điểm khô, Modbus RTU |
| Cấp điều khiển | DDC, PLC, bộ điều khiển chuyên dụng cho chiller, thang máy | BACnet MS/TP trên RS-485, LonWorks, Modbus |
| Cấp điều khiển giám sát | Máy chủ BMS, trạm vận hành, máy chủ lưu trữ và web | BACnet/IP, Modbus TCP, OPC UA trên Ethernet |
5.1 Cấp chấp hành
Cấp chấp hành gồm cảm biến và thiết bị chấp hành lắp trực tiếp tại hiện trường. Nhiệm vụ của cấp này là đo lường, dẫn động và chuyển đổi tín hiệu để thiết bị hoạt động theo lệnh từ cấp điều khiển, với độ chính xác và thời gian đáp ứng đủ nhanh.
Nhiều cảm biến và thiết bị chấp hành hiện nay có sẵn vi xử lý, tự xử lý và chuẩn hoá dữ liệu trước khi truyền lên cấp điều khiển, giúp giảm tải cho bộ điều khiển và giảm sai số đường truyền.
Thiết bị chấp hành gồm quạt, máy điều hoà, đèn, còi, chuông, loa, bơm, van, động cơ. Thiết bị đo gồm cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng, camera, đầu đọc thẻ và đồng hồ đo điện, nước.
5.2 Cấp điều khiển
Cấp điều khiển gồm các bộ điều khiển DDC, PLC, PXC, PAC đặt trong tủ tại phòng kỹ thuật từng tầng. Bộ điều khiển nhận tín hiệu từ cảm biến, chạy thuật toán điều khiển và xuất lệnh xuống thiết bị chấp hành: mở đóng van, thay đổi tần số biến tần, đóng cắt rơ le. Cấp này vẫn điều khiển được khi mất kết nối với máy chủ.
Cấp điều khiển và cấp chấp hành thường gọi chung là cấp trường (field level), vì bộ điều khiển, cảm biến và thiết bị chấp hành đều lắp tại hiện trường, gần hệ thống kỹ thuật.
5.3 Cấp điều khiển giám sát
Cấp điều khiển giám sát quản lý toàn bộ quá trình kỹ thuật của toà nhà: cài đặt ứng dụng, giám sát vận hành, xử lý tình huống bất thường, lưu trữ lịch sử và lập báo cáo. Đây cũng là nơi thực hiện các bài toán điều khiển phức tạp như điều khiển phối hợp nhiều chiller, điều khiển trình tự khởi động và điều khiển theo công thức.
Phần cứng ở cấp này là máy chủ BMS và trạm vận hành. Với toà nhà nhỏ, một máy tính chạy cả phần mềm giám sát và cơ sở dữ liệu; với toà nhà lớn hoặc khu công nghiệp, máy chủ dữ liệu, máy chủ web và trạm vận hành được tách riêng. Do chạy liên tục nhiều năm trong phòng kỹ thuật, các máy này nên là máy tính công nghiệp thay vì máy tính văn phòng.
6. Ứng dụng thực tế của hệ thống quản lý toà nhà
- Khu phức hợp và cao ốc văn phòng, trung tâm thương mại, ngân hàng: tối ưu môi trường làm việc và tiết kiệm năng lượng.
- Toà nhà hành chính công: quản lý nhiệt độ, chiếu sáng và an ninh cho người sử dụng.
- Nhà máy sản xuất: điều hoà nhà xưởng, phòng sạch, thông gió, trạm điện và PCCC, tách khỏi hệ thống điều khiển sản xuất; dữ liệu năng lượng kết hợp với cảm biến IoT để báo cáo cho ban quản lý.
- Bệnh viện, nhà máy dược: kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm, áp suất phòng để bảo quản thuốc và an toàn cho bệnh nhân.
- Nhà ga, sân bay, tàu điện ngầm: quản lý điều hoà, chiếu sáng, thoát khói và an ninh cho hành khách.
- Khách sạn, nhà hàng: giữ tiện nghi cho khách và giảm chi phí vận hành.
- Trường học: điều khiển nhiệt độ, chiếu sáng phòng học theo thời khoá biểu.
- Trung tâm dữ liệu, trung tâm truyền hình: giám sát nguồn, làm mát và an ninh cho thiết bị.
- Nhà máy điện, hạ tầng kỹ thuật: giám sát toà nhà vận hành, trạm điện tự dùng và hệ thống an ninh.
Hệ thống quản lý toà nhà BMS là nền tảng để vận hành toà nhà hiện đại. Để khai thác hết giá trị, chủ đầu tư cần chọn nền tảng mở, đào tạo đội vận hành và cập nhật phần mềm, thiết bị định kỳ.
Chọn thiết bị cho máy chủ và trạm vận hành BMS
Máy chủ BMS và trạm vận hành chạy 24/7 nhiều năm trong phòng kỹ thuật, nơi ít điều hoà và có bụi. Ba tiêu chí khi chọn: máy không quạt, lưu trữ SSD công nghiệp để không có bộ phận cơ khí hỏng theo thời gian; có cổng RS-485 cách ly để nối trực tiếp bus BACnet MS/TP, Modbus RTU từ tủ DDC và đồng hồ điện; có từ hai cổng LAN trở lên để tách mạng BMS khỏi mạng văn phòng và nối thêm mạng camera.
Với vai trò máy chủ hoặc cổng gom dữ liệu đặt trong tủ, dòng máy tính công nghiệp không quạt như Advantech ARK-2121F có 6 cổng COM, ngõ vào ra số cách ly, nguồn 9–36 VDC và dải nhiệt độ làm việc -20 đến 70 °C khi dùng SSD và RAM nhiệt rộng, đủ để nối nhiều bus DDC của một toà nhà. Với toà nhà nhỏ hoặc mở rộng từng tầng, Advantech UNO-2271G kích thước bỏ túi, 2 cổng LAN, tuỳ chọn 2 cổng RS-232/422/485 và mô-đun iDoor cho giao thức fieldbus. Trạm vận hành tại phòng kỹ thuật dùng máy tính công nghiệp màn hình cảm ứng như Advantech PPC-3150, 15 inch không quạt, một cổng RS-422/485 cách ly, hai cổng LAN. Để rà nhanh theo điều kiện lắp đặt thực tế, dùng công cụ chọn máy theo điều kiện lắp đặt.
Câu hỏi thường gặp về hệ thống BMS
Hệ thống BMS là gì?
BMS (Building Management System) là hệ thống quản lý toà nhà: một hệ thống máy tính và bộ điều khiển giám sát, điều khiển tập trung các hệ thống kỹ thuật như điện, điều hoà thông gió, chiếu sáng, báo cháy, an ninh, thang máy. Mục tiêu là vận hành đúng, an toàn, tiết kiệm năng lượng và giảm nhân lực trực.
Hệ thống BMS gồm những cấp nào?
BMS có ba cấp: cấp chấp hành gồm cảm biến và thiết bị chấp hành tại hiện trường; cấp điều khiển gồm các bộ DDC, PLC đặt trong tủ tại phòng kỹ thuật từng tầng; cấp điều khiển giám sát gồm máy chủ BMS, trạm vận hành và phần mềm giám sát. Hai cấp dưới thường gọi chung là cấp trường.
BMS khác SCADA ở điểm nào?
BMS và SCADA cùng là hệ thống giám sát điều khiển bằng máy tính, nhưng BMS phục vụ thiết bị cơ điện của toà nhà với bộ điều khiển DDC và giao thức BACnet, còn SCADA phục vụ dây chuyền sản xuất, trạm điện, nhà máy nước với PLC, RTU và giao thức Modbus, IEC 61850. Trong khu công nghiệp, hai hệ thống thường cùng tồn tại và được gom về một phòng điều khiển.
Máy chủ BMS cần cấu hình như thế nào?
Máy chủ BMS chạy liên tục 24/7 trong phòng kỹ thuật, nên ưu tiên máy tính công nghiệp không quạt, có cổng RS-485 cách ly để nối bus BACnet MS/TP và Modbus RTU, từ hai cổng LAN để tách mạng BMS khỏi mạng văn phòng, nguồn DC dải rộng và dải nhiệt độ làm việc rộng. Với toà nhà lớn, tách riêng máy chủ dữ liệu và trạm vận hành.
BMS có lắp cho nhà máy được không?
Được. Nhà máy dùng BMS để quản lý điều hoà, thông gió nhà xưởng, phòng sạch, chiếu sáng, trạm điện, máy phát và PCCC, tách khỏi hệ thống điều khiển sản xuất. Dữ liệu năng lượng từ BMS còn được gom về hệ thống quản lý năng lượng và báo cáo cho ban quản lý.