Умный Дом на центральном контроллере. Введение.

Автор: | Июль 2, 2019
3+

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.

Распределенный умный дом схема

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.

Схема центральной системы Умный Дом

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:

Умный Дом на центральном контроллере. Введение.

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 заходим, 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, KNXи прочие. Например, мы можем использовать настенную сенсорную панельку, работающую по RS485, такие есть у производителя ICPDAS (https://icp-das.ru/catalog/paneli-operatora-i-monitory/paneli-operatora/). 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).

18,655 просмотров всего, 11 просмотров сегодня

3+
Я занимаюсь проектированием систем Умный Дом, слаботочных систем, электрики. Описание задач и вопросы можно присылать на mail@home-matic.ru. Подробнее (в частности, стоимость) можно прочитать здесь.

Умный Дом на центральном контроллере. Введение.: 2 комментария

  1. Михаил

    А для чего подключать датчик температуры пола к датчику воздуха, чет не понял.

    1. Роман Автор записи

      Это частный случай работы датчиков с выходом 0-10В производства easysmartbox. Датчик воздуха является преобразователем питания для датчика пола, получается, что мы тянем один кабель FTP от контроллера к датчику воздуха, а уже к нему подключается сенсор пола и, при необходимости, сенсор влажности воздуха.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.