Mở ra trải nghiệm thông minh mới với Bộ điều khiển tòa nhà thế hệ tiếp theo 

Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học công nghệ và việc con người theo đuổi chất lượng cuộc sống cao hơn, các tòa nhà thông minh đã trở thành một xu hướng quan trọng cho sự phát triển kiến ​​trúc trong tương lai. Sự xuất hiện của các tòa nhà thông minh chủ yếu là để kiểm soát và tối ưu hóa môi trường tòa nhà một cách thông minh. Sự tích hợp liền mạch giữa cấu trúc, thiết bị và dịch vụ giúp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, an toàn, tiện nghi và bền vững, thúc đẩy sự phát triển cho các thành phố thông minh.

Trong khi đó, những thách thức toàn cầu như đô thị hóa và biến đổi khí hậu đang thúc đẩy nhu cầu về các tòa nhà thông minh. Bằng cách sử dụng nhiều nguồn dữ liệu trong các hệ thống an toàn, có thể mở rộng và kết nối với nhau, các quyết định hiệu quả có thể được đưa ra trong thời gian thực, tạo ra môi trường tiết kiệm năng lượng và hiệu quả hơn. Dữ liệu có độ chính xác cao cho phép tương tác và phản hồi theo thời gian thực giữa các tòa nhà và người dùng, tạo ra không gian an toàn và hiệu quả áp dụng trong các lĩnh vực kinh doanh thương mại, dân cư và thậm chí trong cả các ngành công nghiệp.

Hình 1. Hệ thống điều khiển tòa nhà

Hệ thống tự động hóa tòa nhà có thể tối đa hóa sự thoải mái, an toàn và hiệu quả năng lượng đồng thời hỗ trợ khả năng mở rộng. Từ HVAC đến chiếu sáng, việc tối đa hóa hiệu suất công việc này đòi hỏi một mạng phức tạp và đáng tin cậy cung cấp dữ liệu và kết nối chính xác. Khi các hệ thống điều khiển tòa nhà ngày càng được bản địa hóa hơn, các giải pháp nền tảng đang xuất hiện có thể tiết kiệm thời gian và chi phí. Những giải pháp thông minh này có mức tiêu thụ điện năng thấp và tính linh hoạt, giúp các tòa nhà dễ dàng cấu hình lại để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng. Giải pháp công nghệ hệ thống tự động hóa tòa nhà của ADI được thiết kế để quản lý sự gia tăng nhanh chóng cho các thiết bị được kết nối, tạo điều kiện thuận lợi cùng sự phát triển của các tòa nhà thông minh. Các giải pháp nhỏ hơn có thể mở rộng, tiêu thụ điện năng thấp sẽ hỗ trợ việc sử dụng các phương pháp tiếp cận nền tảng điều khiển tòa nhà để giám sát, kiểm soát và cấu hình lại ở cấp độ cục bộ hoặc cao hơn. Chúng không chỉ phù hợp với cấu trúc và tiêu chuẩn mạng xây dựng hiện có mà còn phù hợp với công nghệ mới, tiên tiến hơn. Như thể hiện minh hoạ trong Hình 2, hệ thống tự động hóa tòa nhà được chia thành bốn lớp. Lớp đầu tiên từ trên xuống dưới là lớp quản lý, nơi triển khai các thiết bị máy chủ và công nghệ quản lý lớp trên. Lớp này cho phép truy cập trạng thái làm việc hiện tại của từng hệ thống con thông qua các máy chủ trên máy tính.Lớp thứ hai là Lớp phân phối/tích hợp mạng. Lớp này giao tiếp với từng thiết bị điều khiển và mỗi hệ thống con trong lớp tích hợp có thể quản lý một hệ thống nhỏ hơn, chẳng hạn như hệ thống chiếu sáng, nhiệt độ hoặc HVAC. Sự sắp xếp này không chỉ tạo điều kiện thuận lợi cho việc quản lý được phân loại mà còn cho phép mở rộng sang các hệ thống phức tạp hơn. Tiếp theo là lớp Bộ điều khiển, đi sâu vào kiểm soát phi tập trung như đã thảo luận ở trên; đây là nơi đặt các thiết bị cốt lõi để quản lý phân tán. Có thể hiểu nó như một bộ não tại chỗ để qua đó đưa ra các quyết định nhanh chóng. Ví dụ: nếu phát hiện nhiệt độ cao, nó có thể sử dụng thuật toán PID tích hợp để điều khiển quạt hoạt động nhanh hơn, từ đó giảm nhiệt độ. Do đó, bộ điều khiển tòa nhà sẽ có số lượng lớn I/O cảm biến tương tự. Lớp dưới cùng là lớp Cảm biến trường. Lớp này kết nối với vô số cảm biến để phát hiện tình trạng của địa điểm hoặc toàn bộ tòa nhà, khiến việc thu thập thông tin trở nên quan trọng. Ngoài ra còn có lớp thiết bị cuối cùng, bao gồm các thiết bị như máy nén. Lớp này đôi khi cũng được kết nối với lớp điều khiển, về cơ bản bao gồm các thiết bị lắp đặt tại chỗ.

Hình 2: Hệ thống tự động hóa tòa nhà 

Hệ thống tự động hóa tòa nhà hiện đại kết nối thang máy, máy bơm nước, quạt, điều hòa không khí, HVAC và thiết bị chiếu sáng để giám sát trực tuyến. Bằng cách lắp đặt các cảm biến thích hợp, nhiệt độ, độ ẩm và mức độ chiếu sáng có thể được điều khiển tự động thông qua các công tắc. Là thiết bị cốt lõi trong tự động hóa tòa nhà, bộ điều khiển tòa nhà (Bộ điều khiển kỹ thuật số trực tiếp) nhận các cài đặt từ hệ thống giám sát, dữ liệu thời gian thực từ các cảm biến tại chỗ và đưa ra các hành động điều khiển, từ đó triển khai một hệ thống điều khiển vòng kín thực sự. Bộ điều khiển tòa nhà, còn được gọi là bộ điều khiển kỹ thuật số, chủ yếu cảm nhận đầu vào/đầu ra của tín hiệu tương tự và kỹ thuật số bên ngoài. Chúng được trang bị nhiều bộ điều khiển PID cần thiết cho việc tự động hóa tòa nhà, điều khiển toàn bộ hệ thống. Analog Devices Inc. (ADI) cung cấp nhiều loại sản phẩm trong hệ thống điều khiển tòa nhà, thường được phân loại thành Phần mềm IO, 10Base-T1L, RS-485 và SPoE, cùng nhiều sản phẩm khác.

Giới thiệu sản phẩm ADI

Đầu vào/đầu ra và đầu vào/đầu ra analog là các giao diện tín hiệu chính và giao diện hành động cho các thiết bị điều khiển tòa nhà. Hệ thống điều khiển truyền thống sử dụng một bộ mô-đun kênh phức tạp, bộ chuyển đổi tín hiệu analog và kỹ thuật số. Đầu vào/đầu ra có dây riêng biệt để giao tiếp với cảm biến đòi hỏi phải cấu hình thủ công tốn kém và tốn nhiều công sức của con người.Việc ADI ra mắt chip I/O để điều khiển tòa nhà và tự động hóa quy trình giúp giảm đáng kể độ khó của thiết kế. Nó sử dụng các giao diện chung để đáp ứng các nhu cầu khác nhau, giúp đơn giản hóa đáng kể sự phức tạp của thiết kế phần cứng. Ngoài ra, chúng cho phép các nhà sản xuất và nhà khai thác công nghiệp cấu hình linh hoạt các chức năng kênh tại chỗ. Hợp tác với ADI trong hơn ba mươi năm, Excelpoint đã phát triển nhiều giải pháp phù hợp để đáp ứng nhu cầu ứng dụng của khách hàng. Tập trung vào hai loại liên kết truyền dẫn, Excelpoint hiện có AD74412R/AD74413R là thế mạnh sản phẩm kinh doanh chính trên thị trường.

Hình 3: Sơ đồ khối AD74412R/AD74413R

Cả hai sản phẩm đều có các kênh mô-đun có thể cấu hình lại, cho phép thiết kế các hệ thống điều khiển từ xa một cách nhanh chóng và dễ dàng mà không cần phải đi dây nhiều. Điều này làm tăng đáng kể tốc độ và tính linh hoạt trong việc triển khai của các nhà sản xuất và nhà khai thác công nghiệp, cho phép họ thực hiện các thay đổi mà không làm tăng đáng kể chi phí và thời gian ngừng hoạt động. AD74412R và AD74413R  là các giải pháp đầu vào/đầu ra có thể cấu hình bằng phần mềm bốn kênh để xây dựng và ứng dụng điều khiển quy trình. Chúng bao gồm các chức năng đo đầu ra analog, đầu vào analog, đầu vào kỹ thuật số và máy dò nhiệt độ điện trở (RTD), tất cả đều được tích hợp vào giải pháp một chip thông qua Giao diện ngoại vi nối tiếp (SPI). Bộ sản phẩm này có bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) 16 bit Σ-Δ và bốn bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC) 13 bit có thể định cấu hình, cung cấp bốn kênh đầu vào/đầu ra có thể định cấu hình và một bộ chức năng chẩn đoán. Cả AD74412R và AD74413R đều có nguồn điện áp tham chiếu bên trong 2,5 V có độ chính xác cao để điều khiển DAC và ADC, cung cấp nhiều chế độ đầu vào/đầu ra.

Công nghệ kết nối tiên tiến ADI: 10Base-T1L

Các tòa nhà mới được trang bị công nghệ tiên tiến có thể điều khiển từ xa hệ thống HVAC, phát hiện tình trạng sử dụng không gian, tự động điều khiển ánh sáng và giám sát các điều kiện về môi trường, giúp các tòa nhà này bền vững hơn đồng thời cải thiện sự an toàn và thoải mái cho người cư ngụ trong tòa nhà. ADI đã phát triển các công nghệ đo lường, kết nối và xử lý tiên tiến nhằm cải thiện tính bền vững của cả tòa nhà mới và tòa nhà hiện có. Những công nghệ cặp xoắn và kết nối các hệ thống hiện đại thông qua Ethernet 10BASE-T1L này sẽ hỗ trợ sự phát triển lành mạnh cho các tòa nhà, tạo điều kiện thuận lợi cho việc cải tạo tòa nhà để tái sử dụng cơ sở hạ tầng. Sự khác biệt cơ bản giữa 10Base-T1L và Ethernet truyền thống là việc sử dụng hai dây. Ethernet thông thường thường sử dụng ba dây trở lên và việc giảm số lượng dây sẽ làm giảm đáng kể yêu cầu lắp đặt tổng thể. Ethernet truyền thống yêu cầu cáp chuyên dụng, trong khi 10Base-T1L có thể hoạt động với cáp xoắn đôi tiêu chuẩn, giải quyết các thách thức về bố trí và lắp đặt tại chỗ. Về cơ bản, nó cho phép đạt được tốc độ Ethernet 10 Mbps bằng cách sử dụng cáp xoắn đôi thông thường. Hình 4 cho thấy cấu trúc liên kết chung của toàn bộ liên kết truyền thông trong tự động hóa tòa nhà. Sự gia tăng khối lượng dữ liệu đã dẫn đến việc nhận ra rằng các giải pháp truyền thống đang tiến gần đến ngưỡng vật lý của chúng. Di chuyển trí thông minh đến rìa, cho phép các cảm biến và bộ truyền động trao đổi khối lượng dữ liệu lớn. Vì vậy, bộ điều khiển tòa nhà ở giữa đóng vai trò quan trọng trong việc thu hẹp khoảng cách, chuyển đổi các tín hiệu analog được thu thập tại chỗ thành tín hiệu số và cuối cùng gửi chúng đến máy chủ.

Hình 4: Sơ đồ đơn giản hóa quy trình liên kết truyền thông tự động hóa tòa nhà 

RS-485 vẫn là một phương pháp tương đối phổ biến trong tự động hóa tòa nhà, đã được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp và dân dụng trong nhiều thập kỷ. Tính năng chính của nó là hệ thống hai dây, rất thuận tiện khi sử dụng. Cấu hình chuỗi vòng cũng dễ cài đặt và thiết lập, với tốc độ và khoảng cách liên lạc lần lượt đạt tới 38,4kbps và 1,2km. Mặc dù RS-485 được sử dụng rộng rãi trong tự động hóa tòa nhà nhưng vẫn cần có sự đổi mới công nghệ. Trong những năm gần đây, một số vấn đề đã nảy sinh, chẳng hạn như khó khăn trong việc gỡ lỗi kiến ​​trúc. Lỗi trong một nút thiết bị có thể ảnh hưởng đến toàn bộ mạng lưới bus, đòi hỏi phải tháo dỡ và kiểm tra một cách có hệ thống trước khi cài đặt lại. Các tòa nhà thông minh lớn như sân bay, sân vận động hoặc các công trình thương mại, vấn đề này có thể chuyển thành gánh nặng vận hành đáng kể. Các tòa nhà thông minh điển hình bao gồm các bộ điều khiển và các nút khác nhau tạo nên hệ thống tự động hóa tòa nhà và việc kết nối dễ dàng với tất cả các thiết bị này không hề đơn giản. Excelpoint khuyến nghị sản phẩm chuyển mạch cổ điển của ADI, ADIN2111, tương thích với các tiêu chuẩn IEEE 802.3cg và 10BASE-T1L. Nó tạo điều kiện thuận lợi cho việc đưa Ethernet vào cấu hình mạng điểm-điểm và mạng vòng cho bộ điều khiển và nút biên, giảm tải cho bộ điều khiển và đơn giản hóa việc nâng cấp.ADIN2111 là bộ chuyển mạch cổng Ethernet kép có công suất thấp, độ phức tạp thấp. Nó kết hợp PHY 10BASE-T1L và cổng Giao diện ngoại vi nối tiếp (SPI), được thiết kế cho các nút bị hạn chế về năng lượng thấp. Nó hướng tới các ứng dụng Ethernet công nghiệp và tuân thủ tiêu chuẩn Ethernet IEEE® 802.3cg-2019™, giúp nó phù hợp với Ethernet cặp đơn (SPE) 10 Mbps ở khoảng cách xa.

Hình 5: ADIN2111

Bộ chuyển mạch (cắt xuyên hoặc lưu trữ và chuyển tiếp) hỗ trợ các cấu hình định tuyến khác nhau giữa hai cổng Ethernet và cổng máy chủ SPI, cung cấp giải pháp linh hoạt cho các cấu trúc liên kết mạng đường dây, chuỗi hoặc vòng. ADIN2111 có thể được sử dụng trong các cấu hình không được quản lý trong đó thiết bị tự động chuyển tiếp lưu lượng giữa hai cổng Ethernet. ADIN2111 hỗ trợ cáp đạt tới 1700 mét và có mức tiêu thụ điện năng cực thấp 77 mW. Hai lõi PHY của nó hỗ trợ các mức truyền tải 1,0 V p-p và 2,4 V p-p như được xác định trong tiêu chuẩn IEEE 802.3cg và nó có thể được cấp nguồn bằng một đường ray điện 1,8 V hoặc 3,3 V duy nhất. Thiết bị tích hợp bộ chuyển mạch, hai lõi lớp vật lý Ethernet (PHY) với giao diện MAC và tất cả các mạch tương tự liên quan cũng như bộ đệm đồng hồ đầu vào và đầu ra. Thiết bị này bao gồm các hàng đợi bộ đệm bên trong, các thanh ghi SPI và hệ thống con, cũng như logic điều khiển để quản lý việc thiết lập lại và điều khiển đồng hồ cũng như cấu hình chân phần cứng. ADIN2111 có mạch giám sát nguồn điện áp tích hợp và mạch đặt lại bật nguồn (POR) để cải thiện độ bền ở cấp độ hệ thống. SPI 4 dây để liên lạc với máy chủ có thể được cấu hình thành OPEN Alliance SPI hoặc SPI chung. Cả hai chế độ đều hỗ trợ bảo vệ dữ liệu tùy chọn hoặc kiểm tra dự phòng theo chu kỳ (CRC).

Giải pháp cấp nguồn qua Ethernet (PoE)

SPoE (Cấp nguồn qua Ethernet một cặp), trước đây gọi là PoDL (Cấp nguồn qua đường dữ liệu), được thiết kế để bổ sung cho công nghệ 10base-T1L đã đề cập trước đó. Ví dụ: sau khi khách hàng sử dụng công nghệ Ethernet 10base-T1L hai dây và yêu cầu tự cấp nguồn, tính năng này cho phép điểm cuối vừa truyền dữ liệu vừa cấp nguồn qua một cặp xoắn đơn, cho phép tạo ra các bảng rất mỏng. các điểm cuối tự cấp nguồn có thể chủ động truyền tải các cập nhật trạng thái định kỳ và theo lịch trình, thay vì chỉ nhận các truy vấn thụ động từ trạm chính. Excelpoint khuyến nghị LTC9111 là bộ điều khiển thiết bị cấp nguồn qua Ethernet (SPoE) một cặp tuân thủ IEEE 802.3cg. Khả năng phạm vi hoạt động rộng từ 2,3V đến 60V, kết hợp với hiệu chỉnh phân cực, khiến LTC9111 đặc biệt phù hợp với các hệ thống dựa trên phân loại trong tự động hóa tòa nhà và nhà máy.

Hình 6: Sơ đồ khối LTC9111 

Phân loại dựa trên SCCP đảm bảo rằng Thiết bị cấp nguồn (PSE) chỉ cung cấp điện áp hoạt động đầy đủ khi một PD hợp lệ được kết nối. LTC9111 điều khiển hai công tắc MOSFET kênh N bên ngoài trong quá trình phân loại bằng hoạt động vi điện để giảm thiểu yêu cầu về tụ điện của hồ chứa. Công tắc MOSFET kênh N bên ngoài sẽ cách ly điện dung đầu ra khỏi đầu nối trong quá trình phân loại và khởi động. Khi điện áp đầu vào PD vượt quá ngưỡng điện áp BẬT của lớp được định cấu hình hoặc sau độ trễ bắt buộc, bộ giám sát điện áp có thể kích hoạt MOSFET bên ngoài. Đầu ra EN được xác nhận sau khi tăng tốc có kiểm soát của chân GATE. MOSFET bị tắt khi điện áp đầu vào giảm xuống dưới ngưỡng điện áp TẮT đối với lớp được định cấu hình. LTC9111 điều khiển một cặp MOSFET kênh N phía thấp bên ngoài có điện áp khởi động thấp là 1,6V để điều chỉnh phân cực nhằm giảm tổn thất điện năng.

Bản tóm tắt kết luận

Excelpoint tin tưởng rằng chuyên môn về hệ thống và công nghệ tiên tiến của ADI đang giúp định hình tương lai của ngành công nghệ tòa nhà thông minh. Các sản phẩm và giải pháp của họ cung cấp các xu hướng phát triển có thể cấu hình, đơn giản hóa và hiệu suất cao cho hệ thống điều khiển tòa nhà thông minh, đồng thời đặt nền tảng cho những đổi mới công nghệ trong tương lai trên thị trường, điều này giúp chúng ta chuẩn bị tốt hơn cho các thách thức khác nhau khi ứng dụng.