BMS là gì? Tổng quan hệ thống quản lý tòa nhà thông minh

Trong bối cảnh đô thị hóa diễn ra nhanh chóng, các tòa nhà cao tầng phục vụ mục đích thương mại, văn phòng và sinh hoạt ngày càng mọc lên dày đặc tại các thành phố lớn của Việt Nam. Đi kèm với quy mô công trình ngày càng đồ sộ là sự gia tăng số lượng và độ phức tạp của các hệ thống kỹ thuật vận hành bên trong: hệ thống điện, chiếu sáng, cấp nước, thông gió, điều hòa không khí, an ninh, báo cháy, thông tin nội bộ.

Khi các hệ thống này hoạt động rời rạc, thiếu sự phối hợp, bài toán vận hành, giám sát và tiết kiệm năng lượng cho tòa nhà sẽ trở nên rất khó giải quyết. Đây chính là bối cảnh ra đời và phát triển của hệ thống quản lý tòa nhà BMS (Building Management System) – nền tảng cốt lõi của mọi tòa nhà thông minh hiện đại.

Bài viết này cung cấp một cái nhìn tổng quan về khái niệm BMS là gì, bản chất công nghệ nền tảng phía sau hệ thống, cùng những lợi ích thực tế đã được kiểm chứng khi ứng dụng BMS vào công trình. Đây là nền tảng kiến thức đầu tiên trước khi đi sâu vào kiến trúc phân cấp, giao thức truyền thông hay các thiết bị điều khiển cụ thể ở các bài viết tiếp theo.

Thuật ngữ BMS xuất hiện lần đầu vào đầu những năm 1950, nhưng phải đến khoảng 20-30 năm trở lại đây, hệ thống này mới được ứng dụng phổ biến nhờ sự phát triển của công nghệ tự động hóa và khả năng tích hợp hệ thống ngày càng hoàn thiện.

Các tòa nhà thông thường buộc phải có tối thiểu ba nhóm hệ thống kỹ thuật: hệ thống cung cấp điện và chiếu sáng, hệ thống cung cấp nước, và hệ thống thông gió. Khi nhu cầu sử dụng tăng cao, tòa nhà còn được trang bị thêm hệ thống điều hòa không khí, hệ thống điều khiển ra vào và giám sát, hệ thống báo động – báo cháy – báo khói, cùng hệ thống thông tin nội bộ. Toàn bộ các hệ thống này có thể quy về ba nhóm chính: hệ thống giám sát và báo động, hệ thống quản lý năng lượng, và hệ thống thông tin.

Dưới đây là bảng so sánh dưới đây tổng hợp lại sự khác biệt giữa hai nhóm tòa nhà nói trên.

Từ thực trạng trên có thể thấy tính cấp thiết của việc trang bị hệ thống BMS cho các tòa nhà cao tầng tại Việt Nam. Một tòa nhà hiện đại ngày nay không chỉ được đánh giá qua diện tích sử dụng, mà còn phải đạt các tiêu chí về tiết kiệm điện năng, thân thiện môi trường, tiện nghi, hệ thống thông tin và an ninh.

Tùy vào loại hình và mục đích sử dụng, hệ thống BMS được lựa chọn và cấu hình cho phù hợp. Hiện nay, các hệ thống BMS đã được chuẩn hóa và sử dụng rộng rãi trên thế giới, với sự hiện diện của nhiều hãng cung cấp lớn tại thị trường Việt Nam như Johnson Control, Siemens, Honeywell và Yamatake.

Chức năng chính của hệ thống quản lý tòa nhà BMS (Building Management System) là tích hợp, phân tích và xử lý dữ liệu nhận được từ các hệ thống kỹ thuật liên quan trong tòa nhà, từ đó đưa ra phương hướng xử lý và vận hành sao cho đạt được mức tối ưu nhất. Khi hệ thống được tích hợp ở mức độ cao hơn, thông minh hơn, người ta thường gọi là IBMS (Intelligent Building Management System) — hệ thống quản lý tòa nhà thông minh.

Trong một tòa nhà có rất nhiều hệ thống kỹ thuật khác nhau, sử dụng công nghệ khác nhau và có mức độ tự động hóa khác nhau. Vì vậy, BMS đóng vai trò tích hợp toàn bộ các hệ thống này thành một thể thống nhất, thông qua mạng truyền thông sử dụng các giao thức quốc tế như BACnet, Modbus, LonWorks, Profibus hay OPC.

Các hệ thống có thể trao đổi thông tin với nhau, và BMS sử dụng chính những thông tin này để tối ưu hóa hoạt động của toàn bộ hệ thống kỹ thuật tòa nhà. Đối với những hệ thống con không có khả năng “thông minh” (không tự xử lý được), các dịch vụ này sẽ được điều khiển trực tiếp thông qua bộ mã hóa của BMS hoặc kết nối trực tiếp tới bộ điều khiển tương ứng.

Về mặt kỹ thuật, hệ thống BMS được xây dựng dựa trên nền tảng của hệ điều khiển phân tán DCS (Distributed Control System). Trong mô hình này, phần mềm điều khiển đóng vai trò giao diện người – máy (HMI) giữa máy tính điều khiển trung tâm với các bộ điều khiển kỹ thuật số tại hiện trường.

Đặc điểm quan trọng của kiến trúc phân tán là hệ thống vẫn hoạt động ổn định tại các thiết bị điều khiển số DDC (Direct Digital Controller) ngay cả khi xảy ra gián đoạn truyền thông trong mạng điều khiển, hoặc khi có sự cố đối với máy tính điều khiển ở cấp quản lý tại phòng điều khiển trung tâm.

Đây chính là ưu điểm cốt lõi giúp BMS đảm bảo tính sẵn sàng cao cho các hệ thống kỹ thuật quan trọng như báo cháy, thang máy hay điều hòa không khí, dù mạng giám sát trung tâm gặp sự cố tạm thời.

Theo tài liệu kỹ thuật, một hệ thống BMS được thiết kế nhằm đạt được các mục tiêu vận hành cụ thể sau đây.

• Hệ thống phải cung cấp chức năng giám sát và vận hành theo thời gian thực đối với toàn bộ thiết bị kỹ thuật.
• Hệ thống cho phép quan sát toàn diện và điều khiển đơn giản thông qua giao diện người dùng thân thiện.
• Hệ thống phải quản lý được tất cả các điểm dữ liệu (data points) phát sinh từ các thiết bị hiện trường.
• Hệ thống cần có khả năng lưu trữ và hiển thị lại dữ liệu quá khứ khi người dùng có yêu cầu tra cứu. Thứ năm, hệ thống phải trao đổi dữ liệu thông suốt với các hệ thống con được kết nối tới BMS.

Về mặt hạ tầng truy cập, máy trạm của hệ thống BMS có thể được đặt tại phòng điều khiển trung tâm hoặc ngay tại hiện trường, kết nối tới hệ thống thông qua mạng LAN, đồng thời hỗ trợ kết nối nhiều máy trạm cùng một thời điểm.

Hệ thống còn cung cấp khả năng truy cập từ xa qua trình duyệt Internet Explorer bằng tên đăng nhập và mật khẩu; toàn bộ hoạt động truy cập đều được ghi chép lại và tài khoản sẽ tự động đăng xuất khỏi hệ thống sau một khoảng thời gian đủ dài không có thao tác, nhằm đảm bảo an toàn thông tin vận hành.

Ưu điểm lớn nhất mà hệ thống BMS mang lại là tạo ra một môi trường làm việc thoải mái, an toàn và tiện lợi cho người sử dụng, đồng thời giúp chủ sở hữu và đơn vị vận hành tiết kiệm năng lượng, giảm bớt nguồn nhân lực vận hành và đảm bảo các thiết bị kỹ thuật hoạt động ổn định, bền bỉ. Cụ thể, việc ứng dụng giải pháp quản lý tích hợp mang lại các nhóm lợi ích chính sau đây.

Các thủ tục và chức năng có tính lặp đi lặp lại trong quá trình vận hành tòa nhà được chương trình hóa để thực hiện tự động, giúp giảm đáng kể khối lượng công việc thủ công của đội ngũ kỹ thuật.

Song song đó, nhờ có các chỉ dẫn trực tiếp hiển thị ngay trên màn hình cùng giao diện người – máy trực quan, thời gian đào tạo nhân viên vận hành mới được rút ngắn đáng kể so với việc vận hành từng hệ thống rời rạc. Nhân viên vận hành cũng có thể thực hiện được nhiều chức năng quản lý hơn nhờ khai thác đồng thời nhiều nguồn thông tin được BMS tổng hợp sẵn.

BMS cho phép quản lý tập trung việc điều khiển và sử dụng năng lượng trong toàn bộ tòa nhà. Các biện pháp thường được áp dụng bao gồm điều khiển và duy trì nhiệt độ ở mức đã đặt trước, hoặc chủ động sử dụng khí trời (free cooling) khi điều kiện thời tiết cho phép nhằm giảm tải cho hệ thống điều hòa của tòa nhà. Đây là một trong những lợi ích được các chủ đầu tư và đơn vị vận hành quan tâm hàng đầu, do chi phí năng lượng thường chiếm tỷ trọng lớn trong tổng chi phí vận hành công trình.

Nhờ việc tập trung toàn bộ thông tin thiết bị về một đơn vị xử lý trung tâm, đội ngũ vận hành có thể dễ dàng xác định trạng thái thiết bị, từ đó xử lý và khắc phục nhanh chóng các sự cố như mất điện, báo khói hay báo cháy.

Hệ thống dữ liệu lưu trữ kết hợp với chương trình bảo trì – bảo dưỡng định kỳ và cơ chế tự động báo cáo cảnh báo giúp BMS phản ứng nhanh với cả yêu cầu của người sử dụng lẫn các sự cố kỹ thuật phát sinh trong quá trình vận hành.

Hệ thống BMS có khả năng lập trình linh hoạt theo nhu cầu sử dụng, quy mô công trình, cách thức tổ chức vận hành và các yêu cầu mở rộng trong tương lai. Đồng thời, việc tích hợp phần mềm và phần cứng của nhiều hệ thống con khác nhau như báo cháy, an toàn, điều khiển truy nhập hay điều khiển chiếu sáng giúp cải tiến đáng kể hiệu quả vận hành tổng thể của toàn bộ công trình, thay vì phải quản lý từng hệ thống một cách rời rạc như trước đây.

Xét theo vòng đời khoảng 40 năm của một công trình, chi phí đầu tư ban đầu trở nên rất nhỏ bé so với tổng chi phí vận hành trong suốt vòng đời đó. Theo số liệu được trích dẫn, chi phí vận hành chiếm khoảng 75% tổng chi phí vòng đời công trình, trong khi chi phí đầu tư cho thiết kế và xây dựng cơ bản chỉ chiếm khoảng 11%, phần còn lại (khoảng 14%) thuộc về các chi phí khác như tài chính, đất đai.

Đây chính là luận điểm kinh tế quan trọng nhất lý giải vì sao các chủ đầu tư nên coi hệ thống BMS là một khoản đầu tư dài hạn thay vì một chi phí phát sinh, bởi phần chi phí vận hành chiếm tỷ trọng áp đảo mới là nơi BMS phát huy hiệu quả tiết kiệm rõ rệt nhất.

Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng, các tòa nhà hiện đại ngày nay bắt buộc phải đạt được bốn yêu cầu cốt lõi: đảm bảo chất lượng dịch vụ, hoạt động tin cậy trong suốt vòng đời sử dụng, đạt hiệu suất vận hành cao, và kéo dài tuổi thọ của thiết bị kỹ thuật.

Việc ứng dụng giải pháp tích hợp BMS cho phép tập trung hóa và đơn giản hóa toàn bộ công tác giám sát, vận hành và quản lý tòa nhà, đồng thời quản lý thiết bị hiệu quả hơn nhờ dữ liệu lịch sử, chương trình bảo trì bảo dưỡng và hệ thống cảnh báo, từ đó giảm đáng kể xác suất xảy ra lỗi trong toàn bộ hệ thống.

Hệ thống BMS không chỉ là một giải pháp công nghệ đơn thuần mà còn là một quyết định đầu tư mang tính chiến lược đối với chủ sở hữu công trình. Từ việc đơn giản hóa vận hành, rút ngắn đào tạo nhân sự, tiết kiệm năng lượng, đảm bảo an toàn cho đến hiệu quả kinh tế vượt trội theo vòng đời công trình, BMS đang dần trở thành tiêu chuẩn bắt buộc cho các tòa nhà cao tầng hiện đại tại Việt Nam.

Ở bài viết tiếp theo, chúng ta sẽ đi sâu vào kiến trúc phân cấp ba lớp của hệ thống BMS cấp trường, cấp điều khiển và cấp quản lý giám sát để hiểu rõ hơn cách các thành phần trong mô hình Hình 1 phối hợp với nhau.

Hệ thống BMS/IBMS là gì? Toàn tập kiến thức quản lý tòa nhà thông minh cho kỹ sư M&E