Резервирование управления в Умном Доме

Запросы на резервирование управления в системе Умный Дом поступают уж очень часто, в каждом третьем запросе. Людей волнует, что случится при выходе из строя контроллера или каких-то ещё элементов системы, не останутся ли они при этом в темноте, тишине, без отопления и электричества. И это правильно, конечно, об этом надо думать при проектировании системы и подборе оборудования.

Один клиент очень здорово сказал: «Если меня достанет этот умный дом, я хочу рубильник нажать, чтобы он отключился вообще, но всё продолжало работать». Совсем без потерь функционала отключить умный дом не получится, но и без электричества и света вы не останетесь.

Сторонники KNX любят повторять, что в шинной системе при отказе компонента основная часть системы продолжает работать, тогда как в системе на центральном контроллере при отказе перестаёт работать всё. Отчасти это правда, но только в теории. Практика такова, что тогда как в шинной системе точек отказа достаточно много (каждый модуль с микроконтроллером KNX), то в системе на ПЛК — только сам ПЛК. И список возможных проблем с ним достаточно ограничен, все они могут быть предупреждены. К тому же, есть варианты из системы на ПЛК сделать такую же частично распределённую систему, что я почти всегда и проектирую в последние годы.

При проектировании системы управления квартирой или домом следует помнить, что с оборудованием автоматики всегда может что-то случиться, программный сбой или отказ. Не буду оценивать вероятность проблемы (хотя, по запросу поделюсь статистикой отказов разных контроллеров), но предполагать такой вариант надо.

Чуть подробнее я писал в статье «Про надёжность умного дома».

С системой отопления всё достаточно просто. При пропадании напряжения с контроллера приводы на радиаторах открываются, на тёплых полах закрываются, так что дом приходит в состояние отсутствия системы управления отоплением, что при правильно сбалансированной системе отопления и работе погодозависимой автоматики обеспечит нам равномерно тёплый дом. Разве что температура будет отличаться от привычной на пару градусов. Квартира придёт в состояние 99% квартир, в которых никакого управления радиаторами нет. Можно открутить от радиатора привод управления и накрутить обычный регулировочный колпачок. В общем, никакой беды не произойдёт, просто некоторые временные неудобства.

Шторы могут управляться либо вручную (рукой, если привод карниза поддерживает такое управление), либо с радиоканального пульта. При покупке приводов штор лучше предусмотреть хотя бы один пульт на всю квартиру для резервного управления.

У ворот и калиток, как и всей системы контроля доступа, разумеется, есть собственное управление с радиопультов, домофона или бесконтактных ключей, умный дом просто дублирует управление ими.

Видеонаблюдение и аудиосистема также работают отдельно, у них своё оборудование и своё приложение для управления.

То есть, стоит во всех системах заранее предусматривать возможность автономной работы. Контроль протечки воды и сигнализацию можно построить на базе собственных контрольных панелей с дублированием вывода сигнала тревоги и управления на контроллер Умного Дома, но тогда система будет гораздо менее функциональной — мы не сможем видеть в приложении состояние датчиков. Я, как правило, датчики системы контроля протечки воды подключаю в проекте напрямую к контроллеру, а вот датчики охранной и пожарной сигнализации — к отдельной панели. Так что сигнализация как особо ответственная система может работать полностью автономно.

Группы розеток и мощные потребители управляются через контакторы. Контакторы ABB с током до 24 ампер могут быть нормально-открытые (НО, по-английски NO) и нормально-закрытые (НЗ, по-английски NC). НЗ контакторы зачастую ставить практичнее, так как при аварийном отключении контроллера и на период ремонта, когда контроллер ещё не подключен, розетки будут работать. НО контактор при пропадании сигнала с контроллера отключит розетки, но всегда можно предусмотреть рядом с ним автомат или рубильник, который либо пропустит ток через себя, либо подаст управляющее напряжение на контактор.

Более удобный вариант — контакторы с ручным переключением, например, ABB EN20-20N.

На контакторе мы видим ручку, которая переключает его в состояние Выключен, Включен или Авто. Авто — это работа по управляющему сигналу от контроллера. Если управлять не получается, то вручную можем либо включить, либо выключить контактор, что крайне удобно.

Перейдём к самому важному — к свету.

Резервирование управления светом

Если светом или какими-то электроприборами управляет центральный контроллер, у которого входы и выходы находятся в одном корпусе (например, EasyHomePLC, Larnitech Metaforsa, hev-контроллеры KNX), то при отключении этого контроллера свет работать перестаёт. Выключатели подают сигнал на входы контроллера, свет работает от выходов контроллера, так что управляющее напряжение пропадает. Что делать? Только целенаправленно продумывать резервное управление.

Если управление идёт через отдельные реле

Такой вариант бывает в системах, у которых оборудование системы Умный Дом не имеет собственных встроенных реле, а только подаёт сигналы на внешние реле. Например, Beckhoff и прочие ПЛК.

У реле есть НО и НЗ контакты. На COM подаётся питания 230В. Если на контактах А1 и А2 нет управляющего напряжения (обычно 24В), то СОМ и NO разомкнуты, а COM и NC замкнуты. Подаём напряжение — реле щёлкает и становится наоборот — COM и NO замыкаются, а COM и NC размыкаются. Мы можем подключить свет так, чтобы для его включения надо было подать управление на реле, а можем так, чтобы для включения его надо было убрать.

Получается, что если мы хотим выделить группы дежурного света, который должен гореть при отключении контроллера или на время ремонта (когда контроллер ещё не запущен), то мы подключаем такой свет на NC контакты реле. А в настройках контроллера указываем выход, соответствующий таким группам света, как инвертированный, то есть, на выход будет подаваться управляющий сигнал, когда свет нужно выключить.

Отключение такого дежурного света производится отключением автомата. Неудобно, согласен.

И другой вариант резервирования управления светом: поставить где-то в щитовой резервные выключатели, которые будут физически подавать питание на свет, подключенные параллельно светильнику на реле.

Такой вариант подойдёт, если система уже установлена, и надо организовать возможность резервного управления.

Прямое управление выходами от входов на Wirenboard

Гораздо удобнее организовать отказоустойчивое управление светом через средства самого контроллера. Вот 6-канальное реле Wirenboard WB-MR6

У него сверху 6 выходов реле, а снизу 7 входов. В настройках модуля мы можем задать триггерный режим работы — это прямая зависимость выходных реле от входов. То есть, получаем импульс с выключателя на вход — переключается соответствующее реле. А вход номер 0 — это выключение всех выходов. То есть, такой модуль будет работать при отключении контроллера или пропадании шины modbus. Важно только, чтобы питание модуля не пропадало.

Я считаю, что даже если заказчику не нужен весь этот умный дом с управлением со смартфона, голосовыми помощниками, сценариями и прочими фишками автоматики, но в квартире или доме продуман достаточно сложный свет с большим количеством проходных выключателей и диммированием, то имеет смысл реализовать управление светом на таких модулях, а также на диммерах того же Wirenboard. Получится гибко и удобно. Можно будет легко перекоммутировать любой выключатель на любой свет или на отключение группы света, решится проблема проходных диммеров (диммирование будет длинным нажатием на клавишу), а при желании можно будет впоследствии легко расширить систему. Плюс на выключатели ведём не силовой кабель, а витую пару, что увеличивает электробезопасность в деревянном доме.

Прямое управление выходами от входов на Z-Wave

В системах на оборудовании Z-Wave всё так же просто. Модули управления светом и шторами устанавливаются под выключателями, к ним подключаются светильники и клавиши выключателя.

То есть, при нажатии на клавишу свет срабатывает мгновенно, без связи с контроллером. Это сработает при полном отсутствии контроллера в сети. Когда свет управляется с нескольких точек, я предусматриваю в проекте соединительные кабели между подрозетниками, чтобы нажатие проходного выключателя приходило на вход модуля напрямую, без радиоканала, это обеспечит отказоустойчивую мгновенную работы света.

Также в системах Z-Wave есть возможность прямой отправки команды от модуля ввода сигнала на модуль-исполнитель. В этом смысле системы на Z-Wave одни из самых надёжных. Контролер отвечает за управление с приложения и сценарии.

Резервирование управления на Larnitech

В шинной системе Larnitech резервирование сделано подобно KNX. Модули входов и выходов имеют свои микроконтроллеры, в которых хранится логика работы. Если при нажатии на выключатель, подключенный ко входу одного модуля, должен сработать выход другого модуля, то при отключении контроллера от шины эта логика сработает. Причём записываются эти алгоритмы работы в модули автоматически. Но мы можем и вручную при настройке системы прописать что-то более сложное в сам модуль.

Вот в этом видео показывают, как работают модули без контроллера: https://youtu.be/WY46w1jucG8

Главное, как я написал выше, защитить питание всех модулей, так как при отказе блока питания гарантированно отключится всё. Защита блока питания — это, во-первых, его резервирование, во-вторых, предохранители на отходящие слаботочные линии.

Резервирование управления на ПЛК

У контроллера Beckhoff модули расширения входов и выходов никакой собственной логикой не обладают, собственно, поэтому они значительно дешевле, чем модули входов-выходов в KNX или Larnitech. Аналогично и модули ввода-вывода Овен, которые просто принимают команды от контроллера по Modbus.

Надо заметить, что надёжность работы Beckhoff гораздо выше, чем у систем, в которых модули расширения подключены по шине modbus, так как модули Beckhoff плотно пристыкованы друг к другу, отвалиться разъём шины или питания никак не может. Питание «мозгов» модулей изолировано от питания выходов модулей. Никаких сторонних программных модулей и процессов (как в Wirenboard), кроме основной программы, прошитой в контроллер, которые могли бы зависнуть, нет.

В контроллере EasyHomePLC вообще нет операционной системы (Windows или Linux), он не работает через среду Codesys, там прямое программирование микроконтроллера TI. То есть, опять-таки, зависание самого контроллера крайне маловероятно. Но есть модули входов и выходов, подключенные по modbus!

Тут самый очевидный способ резервирования управления светом — использовать модули ввода-вывода с возможностью прямого управления выходами от входов, как у Wirenboard. Например, модуль 6-канального диммера EasyHomeDIM имеет 6 универсальных выходов и 6 входов для выключателей, выходы могут работать напрямую от входов.

Другой вопрос состоит в том, надёжнее ли использовать для управления светом подключенный по modbus модуль, чем собственные входы и выходы на шине k-bus (в случае с Beckhoff). Но на EasyHomePLC мы точно можем сделать резервированное управление светом, если подключим свет на отдельные модули EasyHomeDIM, а все прочие нагрузки на входы и выходы самого контроллера.

Как минимум на двух объектах (загородных домах) я участвовал в реализации схемы отказоустойчивого управления светом на импульсных реле. Работало так. От выключателей, подключенных витой парой, приходил в случае нажатия импульс 24 вольта, что переключало импульсное реле с катушкой 24 вольта в другое состояние. У импульсного реле две группы коммутации, одна коммутирует 230 вольт на свет, а другая 24 вольта, приходящие на вход контроллера. Контроллер таким образом знает состояние каждого света и может отрабатывать сценарии, например, при выключении всего он подаёт импульс только на те реле, которые включены.

Минусов у такой схемы два: импульсные реле дороже обычных реле в несколько раз (они ведь не простые, а с двумя группами контактов и катушкой 24В), импульсные реле переключаются гораздо громче обычных. Ну и по сравнению со стандартной схемой подключения выключателей и света на входы и выходы контроллера мы теряем возможность изменения назначения выключателей с приложения, создания сценариев, в которых длительное нажатие делает что-то другое или разные действия по нажатию выполняются в разное время суток.

В общем, чем больше добавляем в систему отказоустойчивости, тем больше теряем возможностей так или иначе, по-другому не выходит. Надо только решать в каждом случае, что важнее, функциональность или резервирование. Если подключим датчики охранной сигнализации ко входам контроллера, то получим отображение сработавшего датчика в интерфейсе и удобное управление, но потеряем сигнализацию при отключении контроллера. А если подключим на отдельную панель сигнализации, то будет не так удобно, зато она будет работать независимо.

Запасной контроллер и БП

Это наиболее простой и радикальный вариант — предусмотреть запасной контроллер системы и блоки питания, чтобы в случае сбоя просто заменить они на другой.

Подойдёт для любой проводной системы. В шинной системе Larnitech контроллер заменить проще — вынимаем клемник шины из контроллера и вставляем в другой. В Wirenboard к контроллеру могут быть подключены модули расширения, надо будет их переключить на другой контроллер. У Beckhoff также может быть заменён контроллер, тоже не элементарно просто.

В EasyHomePLC или Metaforsa на самом контроллере есть входы и выходы, их надо будет достаточно долго переключать, проще конфигурацию восстановить.

В общем, для быстрого восстановления системы на ответственном объекте есть смысл приобрести запасной контроллер. Надо только при изменении настроек системы дублировать эти настройки на запасной контроллер.

С запасным блоком питания проще. Блоки питания, к сожалению, тоже иногда несмотря на все защиты и предосторожности выходят из строя, всегда в самый неподходящий момент. Диагностировать поломку блока питания несложно, переключиться с одного на другой тоже. Можно либо купить запасной блок и хранить как запчасть, либо заранее поставить на DIN рейку и подключить питание через автомат.