Умный Дом на центральном контроллере (ПЛК)

Небольшой ликбез про построение системы Умный Дом на центральном контроллере (ПЛК).

Что такое ПЛК

Пишу не для программистов и не для инженеров, а для конечных пользователей системы или людей, желающих разобраться в такой системе. Нюансов программирования, кода, алгоритмов работы или детальных схем подключения оборудования не будет. Будут общие принципы, нюансы сборки систем, монтажа кабельных трасс и использования. В качестве примера рассматриваю контроллеры Овен (Россия) и Beckhoff (Германия), также мне очень нравится EasyHomePLC и Wiren Board, но есть и множество других производителей. Центральными системами также называются системы не на промышленном контроллере, а на программируемых реле, например, Овен ПР, Siemens Logo, X-Logic. У программируемых реле гораздо меньший функционал, зато в разы меньше и стоимость решения и проще установка и настройка.

Все описанные решения многократно проверены на реальных объектах: квартирах и загородных домах уровня от эконома до «luxury».

Начнём с того, что подразумевает собой «умный дом» в данном случае.

Если мы говорим об умном доме на промышленном контроллере (далее буду писать ПЛК — программируемый логический контроллер), то основная идея — централизация управления. «Подключить к умному дому» подразумевает подключение к ПЛК.

Распределенная (шинная) система Умный Дом

Сначала расскажу чуть-чуть про распределённую систему. Распределённая система — это не система на ПЛК. Это, скажем так, конкурент. Точнее, альтернатива.

Распределённая (шинная) система — это широко известные KNX/EIB, HDL, Clipsal, Crestron — достаточно долго существующие и распространённые по всему миру системы. Это системы, заточенные именно под Умный Дом. Производители — Gira, BTicino, Jung, ABB (хотя ABB и ПЛК выпускает) и многие другие. Европейские производители с мировым именем. Crestron — это США.

Вот шинная система. Шина — это кабель типа витой пары (рекомендуется специальный кабель для сетей KNX 2x2x0.8), который обходит все «умнодомные» устройства, все они общаются по своему протоколу, в каждом из них есть свой «мозг». У каждого модуля есть адрес. Например, мы нажимаем на кнопку №2 выключателя №3. В его процессоре запрограммировано, что при нажатии на эту кнопку надо отправить в шину сигнал на включение лампочки №10, что он и делает: отправляет адрес актуатора, управляющего лампочкой №10, на включение, команду получают все устройства на шине, но то, которому команда была адресована, выполняет её. То же касается и датчиков температуры/движения/газа и так далее — они висят на шине вместе с выключателями, у каждого свой процессор, каждый посылает сигнал в шину о своих событиях.

Актуатор — это устройство, которое что-то запускает. От слова act — действовать. Это реле, диммер, модуль управления шторой, модуль управления каким-либо приводом. Все актуаторы также висят на шине, их можно разнести по дому.

Плюсы распределённой системы:

• Простота расширяемости. Докупаем актуаторы и красивые выключатели, вешаем на шину и настраиваем. Топология шины может быть любой. Главное, чтобы кабель был протянут в нужное место.
• Большое количество производителей компонентов, можно выбирать внешний вид на свой вкус, всё будет работать друг с другом.
• Высокая надёжность системы при качественных компонентах. Если вдруг один актуатор или выключатель откажет, остальная система будет продолжать работать.

Минусы распределённой системы:

• Самый главный минус — цена системы. В каждом выключателе находится процессор для общения с шиной и передачи/приёма команд, поэтому стоят они достаточно много. Выключатели (самые обычные, не сенсорные и без экрана) — от 150 евро, актуаторы примерно от 100 евро за выход, диммеры от 200 евро за канал, блоки питания шины от 350 евро (за всего 320 миллиампер) и так далее. Всякие мелочи вроде накладок, рамок, клавиш — очень дорогие. Использовать обычные «классические» выключатели мы сможем через специальный KNX-переходник, который будет стоить не меньше специального knx-выключателя. Цены я привёл за оборудование Jung, есть производители дешевле, например, HDL или Zennio.
• Соответственно, датчики всех типов также очень дорогие. Движения — от 200 евро, температуры — запросто от 300 евро, метеостанция — 500 евро. Подключить обычные аналоговые датчики температуры или движения можно, но нужны модули ввода аналоговых сигналов.
• Для программирования системы нужно купить программное обеспечение, достаточно недешёвое. Называется ETS.

Центральная система

Центральная система — это система, в которой всем управляет центральный контроллер (ПЛК), провода от всех-всех подключенных устройств идут к контроллеру.

От выключателей — слаботочные кабели в щит (обычно это FTP 5 категории), а от лампочек, вентиляторов, розеток, сервоприводов — силовые кабели в щит. В щите стоит центральный контроллер, который через реле или диммеры управляет электроприборами.

Датчики всех типов также подключаются к ПЛК, от каждого датчика отдельный провод.

Плюсы центральной системы

• Мы можем использовать любые выключатели, любые датчики температуры, движения и всего остального. Следствие — сильное удешевление системы и свобода выбора компонентов.
• Кабели от всех компонентов приходят в щит, следовательно, мы в щите можем собрать что угодно, хоть вообще не делать умный дом.
• При навыках работы с ПЛК (программирования) пользователь может самостоятельно всё настраивать. Не нужно покупать программное обеспечение. Вы не зависите от интегратора, программиста ПЛК найти проще, чем наладчика KNX.
• Практически неограниченная интеграция с разным оборудованием. Можно даже использовать красивые настенные панели KNX при желании, Beckhoff с ними совместим.
• Промышленный контроллер гарантирует крайне высокую надёжность системы при должной защите от замыканий и скачков, а эту защиту обеспечить несложно.

Минусы центральной системы

• Отсутствие красивых настенных панелей как у KNX, но это устранимо (см. преимущество №4)
• Если контроллер выйдет из строя, то система встанет. Это часто повторяют сторонники шинных систем. Но см. преимущество №5.
• Так как от каждого устройства управления идёт свой кабель в щит, то кабеля будет больше, чем в шинной системе. Но кабель FTP недорогой, в отличие от шинного кабеля для систем KNX. И при разводке кабеля для центральной системы мы получим универсальный вариант, в будущем можно уйти от умного дома в сторону почти классической электрики либо поменять систему на другую.

Кстати, на базе ПЛК мы можем построить такую «центрально-распределённую» систему, в которой будет несколько контроллеров в одной сети Ethernet, или можно использовать шину Beckhoff E-bus, которая позволяет разносить модули расширения по большой площади. Можно объединять несколько контроллеров в одной сети Ethernet, если программное обеспечение это позволяет. НО! Для подавляющего большинства квартир и домов (даже крупных) будет гораздо удобнее, если щит будет один большой, чем несколько поменьше. Удобнее для сборки, для обслуживания. И дешевле. А вот в другую постройку можно поставить отдельный контроллер, это будет лучше, чем тащить пучок кабелей под землёй.

Вот небольшая статья О кабелефобии для тех, кто боится большого количества кабелей.

Я являюсь сторонником центральной системы. Она мне нравится за свободу выбора компонентов, за бОльшую гибкость, за возможность сделать систему совсем недорогой. Мне не нравится зависимость от одного производителя или одного протокола, я люблю универсальность.

ПЛК, входы и выходы

Логический контроллер — это устройство, используемое для управления различными техпроцессами. Включать свет по датчику движения или таймеру — это уже некий техпроцесс. Программируемый логический контроллер — контроллер, программу которого мы можем написать сами. Промышленный контроллер отличается тем, что у него гораздо более высокая надёжность (отказоустойчивость). Вот немецкий промышленный контроллер Beckhoff CX8080:

У контроллера есть входы и выходы. Входы — это разъёмы для подключения к контроллеру чего-то, что посылает на него информацию. Например, датчиков всех типов. Выходы — это разъёмы, которые меняют своё состояние согласно программе контроллера. Входы и выходы могут быть дискретными или аналоговыми. Дискретный — это либо наличие, либо отсутствие сигнала. То есть, логический 0 или 1. Датчик движения подаёт сигнал на дискретный вход контроллера, так как сигнал с него либо идёт либо не идёт. Контроллер подаёт на лампочку дискретный сигнал включиться или не включаться.

Аналоговый вход — это вход, способный видеть не только наличие-отсутствие сигнала, но и его значение. Например, сигнал с датчика температуры — аналоговый. Аналоговый выход — сигнал на диммирование лампочки или изменение скорости вращения вентилятора конвектора или вентиляции.

	Вход	Выход
Дискретный (0 или 1)	Датчик движения Выключатель клавишный Датчик протечки воды Датчик утечки газа Счётчик Вход от внешней системы (например, панели пожарной сигнализации или кодовой клавиатуры) Допконтакты автоматов и УЗО	Реле для управления любым электроприбором или лампочкой Сервопривод отопления Штора с электроприводом Сигнал «сухой контакт» на внешнюю систему
Аналоговый (значение)	Датчик температуры Датчик влажности Датчик уровня освещённости Любой другой датчик с аналоговым выходом	Диммер для освещения Регулятор скорости вращения вентилятора

Вот тут-то и удобство системы на ПЛК — мы можем подключать любые устройства, какие захотим, напрямую к контроллеру. То есть, можем решить почти любую задачу в пределах поддерживаемых типов сигналов входа-выхода контроллера. А количество сигналов зависит от производителя ПЛК.

Например, простые и недорогие контроллеры X-Logic (китайский клон Siemens Logo) поддерживают следующие сигналы:

	Вход	Выход
Дискретный (0 или 1)	0/24В	релейный 3-10А транзисторный 0,3А
Аналоговый (значение)	0-10В PT100 (резистивные датчики температуры)	0-10В 0-20мА

Ещё у них есть модуль RS485 (с ограниченной функциональностью) и Ethernet для управления контроллерами по ModBus.

Овен — это уже профессиональные отечественные промышленные контроллеры. Отличаются в хорошую сторону наличием на сайте инструкций и видеоуроков по программированию, а также быстрой и грамотной техподдержкой. На самом ПЛК есть некоторое количество входов и выходов (достаточно для многих задач), есть дополнительные модули, подключаемые по RS485. Минус системы — при большом количестве модулей расширения входов-выходов (более 2) система начинает ощутимо тормозить, то есть, на опрос модулей расширения по шине RS485 требуется некоторое время (порядка секунды на модуль), команды срабатывают с запаздыванием. Если речь идёт о подключении на дополнительные модули управления климатом, то никто не заметит задержки (скажем, тёплый пол включится на секунду позже), а если свет будет включаться с задержкой даже в секунду, это может немного раздражать. При количестве управляемых электроприборов до 30 Овен будет хорошим решением, при бОльшем — можно задуматься о переходе на Beckhoff или что-то со своей шиной связи.

Beckhoff (Германия) — суперпрофессиональные промышленные контроллеры мирового уровня, у них есть модули расширения на всё, что можно представить, всё работает мгновенно и беспроблемно благодаря собственной шине K-Bus. Поэтому я на них и строю систему чаще всего при большом количестве входов-выходов.

Три основных преимущества системы умный дом на промышленном контроллере:

1. На промышленном контроллере мы можем сделать всё что угодно.  Совместиться с любой системой по протоколу, установить выключатели или панели любого типа, написать приложение для управления для любой системы. Написать любой алгоритм работы, какой только можно придумать. Ограничения могут быть только в связи с закрытыми протоколами других систем..
2. Система универсальна. При желании можно будет поменять центральный контроллер на другую модель, все датчики и исполнительные устройства подойдут. Даже сама программа, скорее всего, будет перенесена на новый контроллер без особой доработки.
3. Мы не привязаны ни к какому производителю. Все элементы системы могут быть такими, какими захочется, лишь бы они выдавали универсальный сигнал известного промышленного протокола, «сухой контакт» или 0-10, 4-20мА. Любые датчики, любые выключатели, любые приводы. И, если уж на то пошло, не нужно искать интегратора конкретной системы, всегда можно найти программиста ПЛК, способного разобраться с системой.

Управление системой на ПЛК

Способы управления системой автоматики на промышленном контроллере следующие:

• Через входы контроллера, то есть, с обычных выключателей. Нажимаем на выключатель, контроллер видит нажатие на своём дискретном входе и делает что-то согласно своей программе. Включает свет или открывает штору или ставит на охрану или запускает какой-то сценарий. Я считаю, что все основные функции (свет, шторы) должны иметь возможность управляться с обычных выключателей, не с приложения и не с панелей.
• Через интерфейсы RS485, RS232, KNX и прочие. Например, мы можем использовать настенную сенсорную панельку, работающую по RS485 или по ModbusTCP (EasyHomeTPD). Или GSM модем по RS232 сообщает о том, что пришло управляющее смс-сообщение.
• Через Ethernet, то есть, компьютерную сеть. Работа идёт по протоколу ModBusTCP, у контроллера есть определённый IP адрес в локальной сети. Возможен доступ к контроллеру через интернет при соответствующих настройках роутера. У контроллеров Beckhoff, Овен, EasyHomePLC и ещё многих нет web-интерфейса, только передача команд по ModBusTCP. У контроллеров WirenBoard и RazumDom есть web-интерфейс для настройки. В любом случае, контроллер может управляться с приложения на любой системе, которое будет отправлять команды и запросы на IP адрес и порт контроллера. Бесплатных программ громадное количество, платные профессиональные программы EasyHome (заточен именно под ПЛК, максимально прост в настройке интерфейса) и Iridium Mobile (работает с большим количеством систем, сложнее в настройке интерфейса).

Статьи в продолжение темы:

Сравнение контроллеров Beckhoff CX, EasyHomePLC и Овен ПЛК

Умный Дом на ПЛК — управление климатом

Умный Дом на ПЛК — управление освещением

Входы и выходы контроллера