Bảo trì các hệ thống điều khiển tòa nhà

Mức độ cao cấp của một tòa nhà có liên quan trực tiếp tới cấp độ của hệ thống điều khiển cho tòa nhà đó. Chúng ta không thể quản lý một tòa nhà cao cấp nếu không có một hệ thống điều khiển cao cấp đi kèm

Để giám sát và quản lý một tòa nhà, chúng ta phải dựa vào các hệ thống điều khiển. Phần lớn chúng ta đều cho rằng một khi hệ thống điều khiển đã được cài đặt và cấu hình, nó sẽ hoạt động ổn định trong nhiều năm sau đó với rất ít lỗi xảy ra, và chúng ta cũng không phải quan tâm nhiều tới vấn đề bảo trì hệ thống. Trong thực tế, có một số hệ thống có thể hoạt động đáng tin cậy, ít gặp hỏng hóc nhưng phần lớn các hệ thống cần phải theo dõi và bảo trì thường xuyên. Theo thời gian, phần cứng sẽ gặp vấn đề, các thông số phần mềm của hệ thống sẽ bị “trôi” so với giá trị cấu hình ban đầu, và kết quả là hệ thống điều khiển sẽ bị sai lệch theo.

Phòng thí nghiệm Lawrence Berkley National đã tiến hành khảo sát đối với 60 tòa nhà và họ đã thu được kết quả là: tần số xuất hiện các vấn đề đối với các tòa nhà chủ yếu nằm ở hệ thống điều khiển. Còn theo nghiên cứu thống kê của Texas A&M, bảo dưỡng hệ thống điều khiển tòa nhà thường xuyên sẽ giúp tiết kiệm đáng kể năng lượng sử dụng: có tới 77% năng lượng sử dụng được tiết kiệm đến từ việc sửa chữa, hiệu chỉnh các vấn đề của hệ thống điều khiển.

Bảo trì một hệ thống điều khiển cao cấp liên quan tới các chiến lược về tổ chức phần mềm, quản lý dữ liệu và kế hoạch bảo dưỡng thiết bị. Các yếu tố có thể gây ra lỗi đối với hệ thống điều khiển tòa nhà cũng giống như các lỗi mà chúng ta hay gặp phải đối với một chiếc PC hay một chiếc smartphone vậy. Đó là các vấn đề liên quan tới phần mềm, phần cứng, mạng truyền thông và các lỗi do chính người sử dụng. Dưới đây là một cái nhìn tổng quan đối với các hệ thống điều khiển điển hình và một số giải pháp nhằm giúp cho hệ thống điều khiển hoạt động ổn định nhất.

Vấn đề phần mềm

Phần mềm có lẽ là vấn đề đáng quan tâm hàng đầu đối với bất kỳ hệ thống điều khiển nào. Nếu xem xét các hệ thống điều khiển có chức năng giám sát mạng, quản lý các điểm dữ liệu và chạy các chương trình điều khiển theo trình tự, vấn đề đối với phần mềm và quản lý dữ liệu sẽ trở nên rất rõ ràng. Sự cố có thể xảy ra do lỗi cấu hình ban đầu đối với các điểm dữ liệu của các hệ thống BMS. Trong các tòa nhà đang hoạt động, có thể dễ dàng tìm ra các thiếu sót trong bản vẽ điều khiển hoàn công, quản lý cơ sở dữ liệu nghèo nàn, những yếu tố gây khó khăn cho việc thu thập chính xác thông tin khi cấu hình hệ thống. Ngay cả khi có được thông tin chính xác của các điểm dữ liệu, ta cũng có thể gặp khó khăn đối với các sai sót do người vận hành khi đặt các điểm dữ liệu cho phần mềm. Nếu logic điều khiển giữa các thiết bị của hệ thống không giống nhau, hoặc các tham số cho điểm set-point cũng như dải của các biến dữ liệu không phù hợp, hệ thống điều khiển sẽ bị mất đi tính tối ưu của nó.

Hệ thống quản lý tòa nhà (BMS) - một hệ thống chuyên quản lý các bộ điều khiển giám sát, các điểm dữ liệu, thuật toán điều khiển… là một ví dụ điển hình nhất cho phần mềm điều khiển hệ thống. Rất nhiều vấn đề liên quan tới hệ thống BMS là các thiết bị IT (công nghệ thông tin). Thiết bị IT thường chứa cơ sở dữ liệu, hệ điều hành, các ứng dụng phần mềm, các ứng dụng về bảo mật. Nếu không có một nền tảng công nghệ thông tin đủ mạnh hoặc thiếu các chuyên gia về công nghệ thông tin, nguy cơ đối mặt với các vấn đề phần mềm sẽ ngày một gia tăng. Bên cạnh đó, hệ thống BMS còn có một vấn đề khác, đó là “sự hạn chế” các tính năng. Nhiều hệ thống BMS không có phần đồ họa, phần mềm phân tích hoặc các công cụ hỗ trợ các kỹ sư, người vận hành xác định nhanh sự cố.

Vấn đề truyền thông

Giả sử rằng phần mềm và phần cứng của hệ thống điều khiển đều hoạt động ổn định, khi đó vấn đề về truyền thông trong mạng sẽ liên quan tới các lỗi của dây cáp, tràn băng thông hoặc là do lỗi của các thiết bị IT trong mạng. Dây cáp bị hỏng sẽ làm cho kết nối mạng bị đứt, dẫn tới mất tín hiệu truyền thông trong mạng. Trong trường hợp dùng mạng không dây, mất tín hiệu có thể đến từ việc sử dụng tần số không được cấp phép hoặc do nhiễu trong môi trường truyền.

Việc giao tiếp giữa một hệ thống điều khiển với một thiết bị khách (client) trong mạng cũng có thể là một nguyên nhân gây ra các vấn đề truyền thông. Sự cố có thể không chỉ nằm ở các dây cáp mạng tới thiết bị Switch, mà còn có thể do các thiết bị như gateway hay router nữa. Khi truyền giao thức điều khiển và định dạng dữ liệu không đúng với tiêu chuẩn, các thiết bị khác trong mạng sẽ không nhận được đúng thông tin cần thiết.

Đối với các thiết bị điều khiển hiện trường, bộ điều khiển sử dụng tín hiệu analog để giao tiếp với các thiết bị trường như cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất,… vấn đề sẽ nằm ở thao tác hiệu chỉnh thiết bị (calibration). Một cảm biến điển hình thường truyền tín hiệu trên nền dòng điện một chiều (tín hiệu dòng 4-20mA, tương ứng với giá trị vật lý min-max mà cảm biến đo được). Liên kết truyền thông này cũng cần phải được hiệu chỉnh, chỉnh định để đảm bảo bộ điều khiển sẽ lấy được giá trị đo lường chính xác.

Vấn đề phần cứng

Cũng giống như phần mềm, phần cứng của hệ thống điều khiển cũng đóng vai trò rất quan trọng. Một khi thiết bị phần cứng bị lỗi, toàn bộ thiết bị kết nối tới nó sẽ bị ảnh hưởng. Ở cấp độ điều khiển thấp nhất trong hệ thống điều khiển, chúng ta có các thiết bị cung cấp các dữ liệu giám sát cho hệ thống. Dữ liệu ở đây thường là giá trị đo lường hoặc trạng thái của một thiết bị. Đó là các cảm biến, rơ le và các bộ cảm biến. Ngoài các lỗi do hỏng hóc thiết bị này, chúng ta còn phải đối mặt với các sai số của thiết bị. Bởi thế, việc hiệu chỉnh thiết bị thường xuyên là hết sức cần thiết, mặc dù nhiều người quản lý chưa bao giờ đánh giá cao công việc này. Kết quả ở đây là hệ thống điều khiển sẽ nhận được các dữ liệu không chính xác và do đó có các tác động điều khiển không chính xác. Cũng ở cấp độ điều khiển này, còn có các thiết bị mà sẽ do hệ thống quản lý và điều khiển, hay còn gọi là thiết bị chấp hành. Đó là các van điều khiển, các damper hay các bộ biến tần. Lỗi của các thiết bị chấp hành, ví dụ như rò rỉ van, có ảnh hưởng thực sự tới tổng quan điều khiển của hệ thống điều khiển trong tòa nhà. Không chỉ có vậy, bản thân bộ điều khiển cũng có lỗi. Các lỗi này xuất phát từ các bo mạch, các linh kiện trên mạch cũng như các thành phần khác liên quan tới bo mạch.

Vấn đề người vận hành

Vấn đề người vận hành ở đây muốn đề cập tới khía cạnh người điều khiển và vận hành hệ thống. Một ví dụ điển hình là khi một kỹ sư, kỹ thuật viên điều khiển một điểm đặt, nhưng không ghi lại sự thay đổi điểm đặt đó. Hành động đó rõ ràng có ảnh hưởng đến hệ thống điều khiển và càng trở nên tai hại nếu như các kỹ sư khác đang làm việc ở một bộ phận có liên quan trong hệ thống lại không được thông báo về sự thay đổi thông tin nêu trên. Ví dụ cho thấy, bất kỳ một kỹ sư vận hành nào, nếu chủ quan hoặc không tuân thủ, hoặc không được đào tạo về bảo trì hệ thống, sẽ có thể gây lỗi hệ thống ở một mức độ không nhỏ.

Các biện pháp phòng ngừa rủi ro

Trên cơ sở các vấn đề đối với hệ thống điều khiển được mô tả ở trên, chúng ta cần phải thay đổi quan điểm về sự cần thiết và ảnh hưởng của hệ thống điều khiển trong việc quản lý và giám sát tòa nhà. Để phòng ngừa và giảm thiểu được các sai số đối với hệ thống, có thể theo các bước sau:

1. Thường xuyên hiệu chỉnh các cảm biến cũng như các tín hiệu analog truyền từ thiết bị trường tới bộ điều khiển
2. Thu thập và quản lý dữ liệu liên quan tới hệ thống điều khiển như các bản vẽ hoàn công, danh sách các điểm điều khiển. Đừng đợi tới khi hệ thống xảy ra sự cố mới lo tìm kiếm thông tin để khắc phục
3. Kiểm tra, đánh giá các bộ điều khiển đang hoạt động: các thiết bị dự phòng đang còn hay không, dịch vụ bảo trì còn bao lâu,…
4. Xây dựng biện pháp khắc phục lỗi một cách chi tiết và rõ ràng dưới dạng văn bản. Ví dụ, có thể bắt đầu với thông tin từ BMS, kiểm tra các bộ điều khiển và các thiết bị IT có liên quan, những vị trí có thể giúp khoanh vùng lỗi. Sau đó, có thể sử dụng các công cụ chuyên dùng để kiểm tra cáp, tín hiệu truyền thông, điện áp, dòng điện của các thiết bị hiện trường hay cơ cấu chấp hành…
5. Đánh giá nhu cầu của chủ đầu tư và đội ngũ vận hành tòa nhà. Việc sử dụng hệ thống BMS để quản lý tòa nhà là một giải pháp chuyên nghiệp và hiệu quả hơn nhiều so với việc sử dụng hệ thống quản lý tòa nhà bị phân tách thành nhiều vùng nhỏ.
6. Xác định nhu cầu đối với các ứng dụng phần mềm. Ít nhất nên có ứng dụng quản lý năng lượng và ứng dụng phân tích, nhằm phục vụ cho phát hiện và chẩn đoán lỗi hệ thống
7. Đánh giá về nhu cầu nâng cấp phần mềm. Cân nhắc về chi chí bảo dưỡng cho hệ thống cũ so với việc tiết kiệm năng lượng khi sử dụng một hệ thống mới hơn.

Kết luận

Mức độ cao cấp của một tòa nhà liên quan trực tiếp tới cấp độ điều khiển của hệ thống điều khiển trong tòa nhà đó. Chúng ta không thể quản lý một tòa nhà cao cấp mà không có một hệ thống điều khiển cao cấp. Chính bởi thế, việc bảo trì hệ thống điều khiển trong tòa nhà là một công việc phải được xem xét cẩn thận, kỹ lưỡng và đặc biệt là phải được tiến hành đúng định kỳ, nhằm mang lại độ ổ định cao nhất cho hệ thống