Hệ thống tự động hóa tòa nhà hiện đại sử dụng mạng Fieldbus và Ethernet để kết nối các thiết bị, bộ điều khiển và nền tảng BMS. Một tòa nhà cũng có thể sử dụng cáp quang, mạng không dây và cáp chuyên dụng cho hệ thống an toàn. Tuy nhiên, Fieldbus và Ethernet là hai phương tiện truyền thông quan trọng, với những yêu cầu khác nhau đối với cáp. Mỗi công nghệ có đặc tính điện, hiệu suất mạng và môi trường lắp đặt riêng. Vì vậy, bước đầu tiên là xác định giao thức và giao diện vật lý mà từng hệ thống yêu cầu, sau đó mới lựa chọn loại cáp phù hợp.
Hướng dẫn này trình bày cách lựa chọn cáp Fieldbus và Ethernet của LAPP phù hợp với các hệ thống trong tòa nhà. Nội dung được phát triển dựa trên các bài viết trước của chúng tôi về cáp BMS và DCIM cho trung tâm dữ liệu, cách lựa chọn cáp PROFINET và cáp đấu nối Industrial Ethernet (Patch Cord), đồng thời tập trung vào khía cạnh chưa được đề cập trước đó: hệ thống tổng thể của các tòa nhà thương mại và công trình công cộng.
Loại cáp Fieldbus nào phù hợp với từng hệ thống trong tòa nhà?
Việc lựa chọn cáp phụ thuộc vào ứng dụng và hệ thống bus tương ứng. Mỗi bus có những yêu cầu điện riêng, vì vậy không nên mặc định rằng loại cáp được thiết kế cho một giao thức cũng sẽ phù hợp với giao thức khác. Trước tiên, cần xác định các hệ thống chiếu sáng, HVAC, kiểm soát ra vào và đo đếm của tòa nhà thực tế đang sử dụng những giao thức nào. Trên thực tế, các dự án tại Đông Nam Á thường kết hợp nhiều giao thức khác nhau vì mỗi hạng mục kỹ thuật có hệ thống thiết bị riêng.
KNX thường được sử dụng trong các hệ thống chiếu sáng, rèm tự động và điều khiển phòng. Những hệ thống này truyền các tín hiệu điều khiển công suất thấp trên toàn bộ tầng, do đó cáp cần được thiết kế phù hợp với bus tương ứng. UNITRONIC® BUS EIB là dòng cáp bus KNX/EIB dành cho quản lý tòa nhà. Theo danh mục của LAPP, sản phẩm được sử dụng để điều khiển phân tán các hệ thống chiếu sáng, sưởi ấm, điều hòa không khí, thông gió, quản lý năng lượng, rèm tự động, quản lý thời gian và hệ thống khóa. Dòng sản phẩm này cũng có phiên bản không chứa Halogen (Halogen-free), phù hợp với những công trình có yêu cầu hạn chế Halogen trong các khu vực có người sử dụng.
Các thiết bị đo đếm, bộ điều khiển HVAC và những thiết bị truyền thông nối tiếp tương tự thường sử dụng Modbus RTU thông qua RS-485. Đối với các hệ thống dựa trên RS-485 và RS-422, LAPP cung cấp UNITRONIC® BUS LD – dòng cáp lắp đặt cố định với lớp chống nhiễu dạng lưới bện bằng đồng mạ thiếc, trong đó Modbus được nêu là một ứng dụng tiêu biểu. BACnet MS/TP cũng hoạt động trên nền tảng RS-485. Tuy nhiên, một loại cáp phù hợp với lớp giao diện vật lý RS-485 không đồng nghĩa với việc nó sẽ tự động phù hợp với mọi hệ thống lắp đặt BACnet MS/TP. Các yếu tố như trở kháng đặc tính, điện dung, chiều dài cáp, cấu trúc mạng và thông số kỹ thuật của thiết bị vẫn cần được xem xét. Vì vậy, hãy kiểm tra các yêu cầu này với nhà sản xuất thiết bị và đối chiếu với thông số của dự án trước khi chỉ định loại cáp.
Một số hệ thống thiết bị chuyên dụng và thiết bị được tích hợp thành cụm có thể sử dụng bus riêng. PROFIBUS DP không phải là giao thức mặc định trong các hệ thống dịch vụ tòa nhà, nhưng có thể xuất hiện trong các hệ thống thiết bị công nghiệp hoặc thiết bị đóng gói tích hợp. Trong trường hợp này, UNITRONIC® BUS PB Yv là loại cáp tương ứng được LAPP liệt kê dành cho PROFIBUS DP. Các thiết bị sử dụng CAN lại cần một loại cáp khác. Theo thông tin từ LAPP, UNITRONIC® BUS CAN được thiết kế dành cho mạng CAN và CAN FD.
Bài viết trước của chúng tôi về BMS đã đề cập rằng Modbus qua RS-485, BACnet, PROFINET và Ethernet thông thường đều có những yêu cầu khác nhau về số cặp dây, lớp chống nhiễu và trở kháng. Đây chính là lý do cần xác định giao thức trước khi lựa chọn cáp.
Ethernet được sử dụng ở đâu trong tòa nhà thông minh?
Ethernet được sử dụng để kết nối các bộ điều khiển tòa nhà, phần mềm giám sát, camera IP và các điểm truy cập mạng không dây (Wireless Access Point). Công nghệ này ngày càng được mở rộng đến các thiết bị hiện trường có kết nối IP. Cùng một nhóm giao thức có thể hoạt động trên các phương tiện truyền thông khác nhau: BACnet/IP và Modbus TCP hoạt động trên nền tảng Ethernet, trong khi BACnet MS/TP và Modbus RTU sử dụng RS-485. Vì vậy, cần kiểm tra giao diện vật lý của từng thiết bị, thay vì chỉ dựa vào tên giao thức.
Đối với các tuyến cáp ngang lắp đặt cố định, ETHERLINE® LAN Cat.6 F/UTP 4x2xAWG23 LSZH là một lựa chọn đáng cân nhắc. LAPP liệt kê sản phẩm này dành cho hệ thống cáp cấu trúc trong tòa nhà theo tiêu chuẩn EN 50173 và ISO/IEC 11801. Cáp có lớp vỏ không chứa Halogen (Halogen-free), đạt cấp phân loại phản ứng với lửa Eca theo CPR và hỗ trợ công nghệ cấp nguồn qua Ethernet (Power over Ethernet – PoE) lên đến tiêu chuẩn IEEE 802.3bt (4PPoE). Đặc tính cuối cùng này đặc biệt hữu ích đối với các điểm truy cập mạng và camera sử dụng chung một sợi cáp để truyền dữ liệu và nhận nguồn điện.
Chiều dài cáp vẫn là yếu tố quyết định trong thiết kế hệ thống. Một kênh Ethernet sử dụng cáp đồng theo cấu trúc tiêu chuẩn thường cho phép chiều dài tối đa 90 m đối với Permanent Link, cộng thêm tối đa 10 m cho tổng chiều dài cáp thiết bị và Patch Cord, tùy thuộc vào tiêu chuẩn áp dụng và yêu cầu của từng ứng dụng. Nếu thiết bị nằm ngoài giới hạn này, cần lựa chọn phương án kết nối khác thay vì kéo dài thêm tuyến cáp. Có thể sử dụng một Industrial Switch để tạo phân đoạn mạng mới, chẳng hạn như switch không quản lý ETHERLINE® ACCESS U05T-E-T (7433507951).
Đối với các tuyến cáp dài hơn, chẳng hạn như tuyến cáp trục đứng (Riser) hoặc kết nối đến một tòa nhà kỹ thuật riêng biệt, kết nối bằng cáp quang sẽ giúp khắc phục giới hạn về chiều dài của cáp đồng và tránh nhiễu điện từ. Một ví dụ là cáp quang single-mode HITRONIC® HUN1500. Ngoài ra, một số thiết bị cũng có thể sử dụng các công nghệ mở rộng khoảng cách truyền dẫn chuyên biệt theo từng ứng dụng.
Tại điểm kết nối đầu cuối, việc sử dụng Patch Cord lắp ráp sẵn giúp loại bỏ công đoạn đấu nối trực tiếp tại hiện trường. ETHERLINE® LAN Cat.6A Patch Cord được chống nhiễu hoàn toàn (S/FTP), sử dụng đầu nối RJ45 được sản xuất theo tiêu chuẩn IEC 60603-7-51. Tuy nhiên, một Patch Cord chất lượng tốt chỉ là một phần của toàn bộ đường truyền. Vì vậy, cần kiểm tra hiệu suất của toàn bộ kênh truyền dẫn, thay vì chỉ đánh giá riêng sợi cáp đấu nối.
Nếu một phần của tòa nhà sử dụng PROFINET, chẳng hạn như khu vực hệ thống kỹ thuật trung tâm hoặc cụm thiết bị tích hợp phục vụ vận hành tòa nhà (Building-services Skid), ETHERLINE® PN Cat.5e FRNC FLEX FC là lựa chọn cáp mềm, không chứa Halogen (Halogen-free) mà LAPP cung cấp cho PROFINET Type B. Thiết kế Fast Connect giúp rút ngắn thời gian lắp ráp. Trước khi đặt hàng, hãy đối chiếu thông tin trên trang sản phẩm với các yêu cầu kỹ thuật về cáp của dự án.
Làm thế nào để Fieldbus và Ethernet cùng hoạt động trong tòa nhà mà không gây nhiễu lẫn nhau?
Có ba yếu tố cần kiểm tra để đảm bảo hệ thống lắp đặt kết hợp nhiều loại mạng hoạt động ổn định.
Thứ nhất, cần đảm bảo việc phân tách với hệ thống dây dẫn điện, khả năng tương thích điện từ (EMC), tính liên tục của lớp chống nhiễu và hệ thống liên kết đẳng thế (Bonding) theo các tiêu chuẩn lắp đặt liên quan. Fieldbus và Ethernet không phải lúc nào cũng cần được bố trí trong các hệ thống máng hoặc ống dẫn riêng biệt với nhau. Mối quan tâm lớn hơn là các tuyến cáp nguồn được lắp đặt song song bên cạnh chúng.
Trang sản phẩm ETHERLINE® LAN Cat.6 liệt kê cấp phân loại phân tách C theo tiêu chuẩn EN 50174-2. Đơn vị thi công cần đối chiếu cấp phân loại này với các loại cáp nguồn thực tế được bố trí trong cùng máng cáp. Bài viết không nhắc lại các khoảng cách phân tách cụ thể vì những khoảng cách này phụ thuộc vào tiêu chuẩn áp dụng và điều kiện lắp đặt.
Thứ hai, cần lựa chọn đặc tính phản ứng với lửa phù hợp với từng khu vực và hiểu rõ phạm vi áp dụng của từng cấp phân loại. IEC 60332 quy định về khả năng hạn chế sự lan truyền ngọn lửa; IEC 60754 liên quan đến đặc tính khí axit sinh ra từ Halogen; còn CPR Eca là cấp phân loại phản ứng với lửa. Những tiêu chuẩn này không thể thay thế cho nhau.
LAPP liệt kê cáp UNITRONIC® BUS EIB có đặc tính chống cháy lan theo tiêu chuẩn IEC 60332-1-2, trong khi cáp Cat.6 được liệt kê là không chứa Halogen theo IEC 60754-2 và đạt cấp phân loại CPR Eca. Trước khi đặt hàng, hãy kiểm tra các yêu cầu từ cơ quan quản lý địa phương và thông số kỹ thuật của dự án, vì các dòng sản phẩm thường có cả phiên bản không chứa Halogen và phiên bản PVC tiêu chuẩn với tên gọi tương tự nhau.
Thứ ba, không sử dụng cáp dành cho lắp đặt cố định trong các ứng dụng yêu cầu chuyển động. Các dòng cáp Bus và LAN được đề cập ở trên đều được liệt kê dành cho lắp đặt cố định. Đối với những vị trí cần chuyển động, chẳng hạn như cửa trượt hoặc giá đỡ cảm biến xoay, cần lựa chọn loại cáp khác phù hợp với ứng dụng. Vì vậy, hãy kiểm tra loại hình lắp đặt và bán kính uốn cong trên trang sản phẩm trước khi đưa ra thông số kỹ thuật.
Những yếu tố kiểm tra này cần được xem xét song song với các quy tắc về giao thức, vốn thuộc trách nhiệm của đơn vị thiết kế hệ thống tòa nhà. Thông số kỹ thuật của cáp có vai trò hỗ trợ thiết kế giao thức, chứ không thay thế cho thiết kế đó.
Ứng dụng thực tế trong một tòa nhà sẽ như thế nào?
Hãy xem xét một tòa nhà văn phòng có quy mô trung bình, gồm nhiều tầng và có hệ thống Chiller trung tâm được đặt tại một khu nhà kỹ thuật riêng biệt. Hệ thống chiếu sáng và rèm tự động trên mỗi tầng sử dụng KNX, do đó cáp UNITRONIC® BUS EIB được triển khai để kết nối các bộ điều khiển phòng với bộ ghép nối đường truyền (Line Coupler) của từng tầng.
Các đồng hồ đo năng lượng và bộ điều khiển Chiller sử dụng Modbus RTU và BACnet MS/TP thông qua RS-485. Vì vậy, đơn vị thiết kế cần xác nhận các yêu cầu của thiết bị trước khi chỉ định loại cáp Bus phù hợp, chẳng hạn như UNITRONIC® BUS LD.
Trên mỗi tầng, cáp Cat.6 LSZH được sử dụng để kết nối các bộ điều khiển tầng, camera IP và các điểm truy cập mạng không dây (Wireless Access Point) về phòng thiết bị mạng của tầng. Công nghệ PoE được sử dụng để cấp nguồn cho camera và các điểm truy cập này.
Tuyến cáp trục đứng (Riser) kết nối các phòng thiết bị mạng của từng tầng với phòng máy chủ BMS, cũng như tuyến kết nối đến khu nhà kỹ thuật Chiller, đều có chiều dài vượt quá giới hạn cho phép của kênh truyền dẫn cáp đồng. Vì vậy, các tuyến này sử dụng cáp quang single-mode.
Ba loại phương tiện truyền dẫn được sử dụng, mỗi loại đều được lựa chọn sau khi giao thức và giao diện vật lý tương ứng được xác định rõ ràng.
Trao đổi với đội ngũ kỹ sư của chúng tôi
Nếu dự án tự động hóa tòa nhà tại Đông Nam Á của bạn kết hợp KNX, Modbus RTU, BACnet MS/TP hoặc các bus chuyên dụng cho hệ thống thiết bị kỹ thuật với Ethernet, đội ngũ hỗ trợ kỹ thuật của LAPP có thể kiểm tra việc lựa chọn cáp dựa trên danh mục sản phẩm của LAPP, đồng thời tư vấn những phiên bản sản phẩm hoặc giải pháp lắp ráp sẵn giúp tiết kiệm thời gian thi công.
Hãy liên hệ với đội ngũ hỗ trợ kỹ thuật LAPP thông qua trang gửi yêu cầu tư vấn của LAPP SEA và cung cấp các thông tin về giao thức, giao diện vật lý, chiều dài tuyến cáp lớn nhất, điều kiện môi trường lắp đặt, yêu cầu về khả năng chống cháy và các nhu cầu sử dụng PoE (nếu có).
