Ранее на нашем ресурсе мы рассматривали преимущественно распределенные системы автоматизации. Обычная схема в этом случае выглядит так: центральный контроллер плюс различные датчики и исполнительные устройства «на местах». Связь между элементами осуществляется по кабелям (например, KNX) или без проводов (в частности, Z-Wave). Преимуществами таких решений являются масштабируемость, гибкость выбора и изменения конфигурации, частичная независимость элементов (при выходе из строя датчика, все остальное продолжит работать). В беспроводном варианте есть также существенный плюс — возможность построения системы автоматизации без прокладки новых кабелей и ремонта. Основной недостаток напрямую следует из преимуществ — наличие относительно сложных «мозгов» в элементах системы отражается в их стоимости. Кроме того, в особенности стоит записать ограниченный, по сравнению с «обычным» сегментом электроустановочного оборудования, ассортимент компонентов (например, сенсоров или выключателей), хотя, справедливости ради, это редко является проблемой.
Другим вариантом системы является схема с центральным контроллером. В этом случае все вычислительные и исполнительные элементы находятся в одном устройстве — контроллере. Управление он осуществляет через обычные реле, а информацию собирает с простых датчиков без собственных микроконтроллеров. В результате стоимость проекта обычно получается существенно ниже. Можно использовать любые выключатели, источники света, жалюзи и т. п. Кроме того, в такой системе при необходимости можно заменить и сам контроллер на другую модель, поскольку его внешние интерфейсы стандартны. Основным минусом решения является необходимость прокладки отдельных кабелей от каждого управляемого или управляющего элемента до места установки контроллера. Понятно, что это возможно только на этапе строительства или с серьезным ремонтом. Еще один момент, который нужно будет учитывать, — возможные потери или искажения некоторых сигналов при большой длине кабеля или неправильной прокладке.
Конечно, нельзя однозначно говорить о том, что один из подходов является правильным, лучшим, оптимальным, выгодным и так далее. Выбор будет зависеть преимущественно от требований и возможностей пользователя.
В этом материале мы познакомимся с одной из реализаций центральной системы. В данном случае ее ключевым элементом будет выступать программируемый логический контроллер (ПЛК, PLC) EasyHomePLC. Это относительно недорогое устройство выпускается отечественной компанией и ориентировано на работу с программным обеспечением EasyHome. При этом низкоуровневые операции программирования в данном продукте скрыты от пользователя и ему для настройки алгоритмов работы предоставляются удобные графические интерфейсы, что позволяет самостоятельно программировать и перепрограммировать продукт непосредственно конечным потребителем без привлечения специалистов.
Решение поставляется как в виде компонентов, так и как готовые комплекты для реализации наиболее востребованных сценариев, например управления температурой в квартире.
Продукт рассчитан на установку самими пользователями и инсталляторами, в том числе и без специальной подготовки. В настоящий момент, по информации от производителя, на первую группу приходится более половины продаж.
Поскольку с подобным оборудованием мы встречаемся в первый раз, то материал разделен на две части — в первой мы опишем оборудование, его возможности и подключения, а вторая будет посвящена непосредственно программированию схем, алгоритмов и пользовательских интерфейсов.
Контроллер EasyHomePLC
Устройство выполнено в формате для установки на стандартную DIN-рейку в электрощит, как и другие аналогичные продукты, и занимает на ней девять мест (габаритные размеры 160×57×90 мм). Однако для подключения кабеля локальной сети потребуется дополнительное пространство слева. Внешний корпус изготовлен из серого пластика. На верхней панели приводится информация об устройстве, а также есть логотипы производителя и значки совместимых с фирменным приложением операционных систем.
И сверху и снизу находятся колодки для подключения кабелей исполнительных устройств, датчиков, интерфейсов и прочего оборудования. Все они подписаны, так что разобраться будет несложно. Одной из основных характеристик контроллеров на базе ПЛК является набор предусмотренных производителем входов и выходов. Он должен соответствовать разработанному проекту автоматизации и/или обеспечивать возможности расширения.
В контроллере EasyHomePLC предусмотрены следующие входы и выходы:
- 9 реле бистабильного типа, максимальный ток 16 А;
- 9 выходов на транзисторных ключах (до 60 мА);
- 32 входа для бинарных датчиков;
- 16 аналоговых входов от датчиков 0..10 В (совмещены с цифровыми входами);
- выход 12 В 250 мА для питания датчиков;
- 6 каналов ШИМ с собственным питанием 5..32 В до 1,4 А каждый;
- два интерфейса RS-485;
- два интерфейса RS-232 (5 В);
- один порт для подключения к локальной сети (100 Мбит/с);
- отдельный вход питания контроллера DC 18..27 В.
Большинство портов имеют светодиодные индикаторы, что упрощает настройку и диагностику. Встроенные реле собраны в три группы по три и для каждой предусмотрены отдельные входы. Так что можно коммутировать не только 220 В, но и другие напряжения при наличии внешних блоков питания. Отметим только что входные клеммы третьего блока совмещены со входом встроенного блока питания самого контроллера.
По информации производителя, в контроллере используется процессор с архитектурой Cortex M4F производства TI, работающий на частоте 120 МГц. Потребление самого контроллера заявлено на уровне 3 Вт и обеспечивается или подачей внешнего постоянного напряжения или через встроенный блок питания от сети 220 В.
В базовом комплекте поставки с контроллером дополнительно идет флэш-накопитель с программным обеспечением и документацией и две клеммные колодки Wago на десять линий каждая для установки на DIN-рейку, что частично компенсирует ограниченное число контактов питания и земли на самом контроллере.
Жаль только, что некоторая электронная документация отформатирована для печати в портретном режиме, более удобно, наш взгляд, использовать ландшафтный. Его и с экрана читать удобнее, да и повернуть бумагу не сложно.
На первый взгляд, контроллер не имеет больше никаких органов управления. Однако на самом деле верхнюю крышку корпуса можно снять и таким образом получить доступ к кнопкам сброса (сетевых настроек и конфигурации в целом), переключателям и порту USB для обновления прошивки устройства. Правда печатная плата из-за наличия большого числа перемычек выглядит несколько похожей на отладочный продукт, чем на законченное решение. Хотя конечно на работоспособность это не влияет.
Датчики
Для подключения внешних датчиков применяются цифровые и аналоговые входы. Напомним, что все датчики должны подключаться непосредственно к контроллеру, каждый своим кабелем на свой входной порт. Одним из наиболее распространенных в автоматизации является датчик движения. В данном случае можно использовать любые модели от стандартных охранных систем с питанием 12 В и встроенным реле на замыкание. При желании можно подключить к контроллеру и кнопку открытия корпуса датчика. В данном тестировании использовалась модель FP0572 компании Pyronix.
Второй распространенный сенсор — датчик температуры. Специально для контроллеров данного типа компания предлагает собственную линейку, доступную в различных конфигурациях. В ней применяется единая печатная плата, рассчитанная на обслуживание до трех сенсоров в разных сочетаниях.
В частности, это могут быть температуры (от одного до трех сенсоров, в том числе выносные, например, для пола, улицы или специальных помещений), влажность (один на плате) и освещенности (тоже один на плате). Датчик требует питания 12 В и имеет на плате микросхему операционного усилителя и другие компоненты.
Сценарий защиты от протечек может быть интересен и в городской квартире и в загородном доме. Для эффективной его реализации необходимо иметь не только датчик протечки, но и управляемый кран для блокировки подачи воды из стояка. Учитывая, что сенсор явно обычно будет стоять на значительном удалении от контроллера, использование электронной схемы с дискретным сигналом здесь вполне оправдано.
В данном случае использовалась модель «Альянс «Комплексная безопасность». Датчик имеет компактный корпус (защита уровня IP55) с парой электродов из нержавеющей стали. Расположить его нужно в непосредственной близости от пола или прямо на полу.
В общем случае, максимальная дальность установки датчиков зависит от их типа и наличия помех. Производительно заявляет, что для цифровых сенсоров можно использовать и несколько сотен метров.
Исполнительные устройства
В дополнение ко встроенным в контроллер реле, производитель предлагает внешний модуль для добавления еще девяти таких же реле на 16 А через интерфейс расширения (цифровые выходы транзисторных ключей).
Соответствующий блок выполнен в аналогичном контроллеру корпусе. Порты подключения также аналогичны — три независимых блока с собственным питанием по три реле.
Подключается блок обычным плоским кабелем, идущим в комплекте поставки.
Для тестирования также использовался внешний управляемый диммер Finder 15.11, который принимает на вход аналоговый сигнал от 0 до 10 В и в соответствии с ним регулирует нагрузку сети питания 220 В. Данная модель поддерживает работу с лампами накаливания до 400 Вт, а также со светодиодными и люминесцентными лампами до 100 Вт.
На корпусе предусмотрен переключатель режима, индикаторный светодиод и регулятор минимального уровня диммирования. Для подключения этого устройства к выходам контроллера с ШИМ потребуется дополнительная RC-цепочка.
В общем случае, реле и диммер покрывают большинство распространенных сценариев управления в системах автоматизации. В частности, реле может коммутировать не только свет, но и жалюзи, вентиляторы, ворота, краны, теплый пол и прочее «простое» оборудование.
GSM-модем
Поскольку сам контроллер работает с локальной сетью, в общем случае обычно можно реализовать взаимодействие с ним из любой точки мира, где есть доступ к интернету (не забывая о безопасности конечно). Но часто есть необходимость обеспечить и резервный канал или же контроль удаленного объекта, где нет подключения к интернету. В этой ситуации наиболее простым вариантом будет GSM-модем. Рассматриваемый контроллер имеет штатную поддержку подобного оборудования по стандартному последовательному интерфейсу. В частности, в тестировании использовался модем iRZ MC52iT.
Он выполнен в виде компактного блока с несколькими разъемами — питание, последовательный порт, вход внешней антенны, порт для гарнитуры. Все необходимые кабели идут в комплекте поставки.
Полноразмерная SIM-карта устанавливается в лоток. Предусмотрен только один индикатор состояния. Модем поддерживает работу в сетях второго поколения, отправку и передачу SMS, а также подключение к интернету через GPRS.
Сенсорная панель
Несмотря на то, что данное оборудование прекрасно работает с обычными выключателями, часто потребителям требуются более современные устройства контроля с расширенными возможностями. Так что в ассортименте продуктов компании присутствуют и специальные сенсорные панели, которые способны выполнять не только функции управления, но и отображать данные с контроллера, например, текущую температуру.
В линейку входят модели с экранами разных размеров. В данной публикации используется устройство с диагональю 2,8″. В настоящий момент эта версия уже не продается, но для иллюстрации возможностей она, конечно, подойдет. Кроме того, есть и панель с экраном в 17″. Также при необходимости вы можете использовать любой планшет с установленной программой EasyHome, так что по факту добавить удобное сенсорное управление и дисплей труда не составляет.
Рассматриваемая панель выполнена в формате для установки в прямоугольный подрозетник с габаритными размерами 10×6 сантиметров. Для ее работы потребуется подвести питание 5 В (примерно 1 Вт), а общение с контроллером производится через беспроводную сеть в диапазоне 2,4 ГГц (одна антенна, максимальная скорость подключения 65 Мбит/с).
Глубина самой панели — около 15 мм, так что в большинстве случаев можно будет уместить в коробке и блок питания. Крепление панели к коробке осуществляется с использованием специальной рамки и двух магнитов, что достаточно удобно.
Внешние размеры данной модификации составляют 8×12 сантиметров. Экран занимает примерно 4,5×6 см. Он имеет разрешение 240×320 точек, TN-матрицу и резистивный сенсор. Ориентация панели может быть только вертикальная. Так что конечно более интересно и красиво использовать смартфоны или планшеты, но для них нужно будет придумать удобное крепление.
Настройка подключения панели осуществляется встроенным в нее графическим меню. Панель может работать только с одним контроллером. Из-за конструкции панели, в частности металлической рамки, качество беспроводной связи невелико. С хорошим роутером на шести метрах через одну некапитальную стену уровень сигнала уже минимальный. По некоторым признакам, панель использует аппаратную платформу ESP. Для обновления встроенной прошивки на панели предусмотрен слот для карты памяти microSD.
На панели пользователь может запрограммировать несколько страниц с текстовой и графической информацией, на каждой разместить кнопки или отображать данные с контроллера. Для такой диагонали разумное число кнопок на одном экране — до девяти. Предусмотрена регулировка яркости и спящий режим с отключением экрана. Отметим, что если необходимо, то разработчики производителя по специальному запросу могут создать и другой вариант интерфейса.
Подключения и начало работы с системой
Перед конфигурацией контроллера стоит подготовить схему подключений, предусмотреть необходимые датчики и исполнительные устройства, продумать алгоритмы взаимодействия элементов системы. Эти вопросы выходят за рамки статьи, поскольку нас больше интересует, что же в целом можно сделать на базе этого контроллера и насколько это удобно.
При подключении устройств к контроллеру стоит учесть, что коннекторы для низковольтных коммуникаций очень мелкие. Так что, во-первых потребуется соответствующая отвертка, а во-вторых стоит предусмотреть внешние общие шины для земли и питания для датчиков, поскольку на самом контроллере штатно есть только одна земля и два выхода питания (частично этот вопрос решается комплектными клемниками Wago). Кроме того, если проводка использовала по какой-то причине толстые провода (например, для выключателей), нужно будет как-то их перевести на тонкие для ввода в контроллер. И конечно если делать все правильно с самого начала, стоит использовать экранированную витую пару. Поскольку она имеет много жил, удобно совмещать в одном месте клавишные выключатели и, например, датчики температуры.
Минимальный для работы набор подключений контроллера включает в себя питание и собственно датчики и исполнительные устройства. Но конечно стоит подключить и порт локальной сети, что позволит программировать устройство, а также обеспечить его оперативное управление по сети, в том числе и с описанной выше сенсорной панели. Питание, напомним, может быть как от 220 В, так от источника постоянного тока.
В локальной сети контроллер умеет использовать только постоянный адрес, получение его по DHCP не поддерживается. При необходимости изменения адреса потребуется сначала подключиться к старому. Возможно, для этого потребуется временно поменять адрес компьютера.
Обратим внимание, что сетевые коммуникации с контроллером, для которых применяется протокол ModbusTCP, защищены на минимальном уровне — паролем доступа по-умолчанию, который прописан в контроллере и в программе, а длина его составляет два байта. То есть любое устройство в локальной сети, на котором запущена программа, а в ней указан сетевой адрес контроллера, может сделать с ним все, что угодно, если этот пароль не был изменен установщиком. Дополнительно в контроллере можно прописать фильтр для MAC-адресов устройств, с которыми он будет работать. К сожалению, в документации этому вопросу не уделяется должного внимания. На наш взгляд, это достаточно серьезная проблема, с которой производителю необходимо разобраться как можно скорее, особенно если он рассчитывает на использование устройства на массовом рынке. Конечно, можно сказать, что вопрос перекладывается на плечи самого пользователя — что бы он сам обеспечил наличие в локальной сети только авторизованных устройств, отсутствие «зловредов» на компьютерах и тому подобное, это явно не прибавляет продукту привлекательности.
Далее производитель рекомендует воспользоваться инженерным интерфейсом комплектной программы EasyHome, доступной только для операционных систем семейства Windows. Интерфейс утилиты, честно говоря, комментировать не хочется.
Думаем, что по скриншотам можно составить о нем свое собственное впечатление, и маловероятно, что оно будет позитивным. Но в плюсы надо записать возможность создания собственного дизайна всех элементов в пользовательском интерфейсе, с которым и будет иметь дело потребитель.
В нашем случае программа искала контроллер не на том адресе, который в нем использовался по умолчанию, что неприятно. Так что пришлось потратить еще немного времени на разбор этой ситуации.
К счастью, это оказалось относительно несложно (учитывая, что в тестовой локальной сети применяется другая адресация) и в итоге мы получили подключение программы к контроллеру в штатном режиме. Кстати, что касается удаленного управления, то в данной системе нет для этого никаких специальных сервисов. Производитель рекомендует только общий вариант — подключение через роутер с белым адресом с пробросом порта или VPN для доступа клиента в локальную сеть с контроллером. Учитывая, что никаких паролей-пользователей-прав для доступа к контроллеру нет, первый вариант использовать сегодня просто противопоказано.
Аналоговые и цифровые датчики подключаются к соответствующим входам. Для большинства из них потребуется также питание, которое можно взять от встроенного в контроллер блока.
С подключением нагрузки к реле проблем нет. Если применяется питание контроллера от 220 В, то первые три реле также будут коммутировать это напряжение. Второй и третий более универсальны, поскольку имеют независимые входы. Заметим, что все реле работают только на включение (замыкание), но это не очень критично, поскольку в контроллере есть возможность на каждом порту использовать инверсию. Но сценарии переключения на штатных реле уже не реализовать. В этом случае потребуется установить дополнительные внешние реле и управлять ими от встроенных или через цифровые выходы контроллера (или потратить два внутренних реле, установив одно из них в режим инверсии).
Для выходов с ШИМ предусмотрена подача независимого питания 5—32 В постоянного тока, так что при необходимости можно иметь до шести достаточно мощных потребителей с регулировкой яркости. В случае, если нагрузка должна работать от 220 В переменного тока, потребуется добавить в схему управляемые диммеры и RC-цепочки для них. По умолчанию частота ШИМ составляет 100 Гц, при необходимости можно изменить ее через настройки регистров контроллера.
Модем подключается к одному из последовательных портов контроллера. Питание он тоже может получать от его встроенного блока питания, при этом предусмотрена возможность перезагрузки модема по питанию, если контроллер решит, что он не отвечает. Антенну можно вынести из щитка для обеспечения качественной связи.
Что касается других внешних устройств на RS-485 (в частности, интерфейсов для управления кондиционерами и бассейнами или считывания показаний электросчетчика), то для работы с ними на контроллере требуется явная поддержка конкретной модели (драйвер). На момент подготовки материала полного списка гарантированно работающих вариантов не было и для уточнения данной информации нужно обращаться непосредственно к производителю.
Сенсорная панель закрепляется в коробке на стене или другой вертикальной поверхности и к ней подводится питание. Для настройки подключения к беспроводной сети есть встроенное меню.
Поиск осуществляется автоматически, возможности подключения к скрытой сети нет. Для ввода пароля нужно будет использовать «телефонную» клавиатуру, что не очень удобно. Для повышения надежности есть возможность программирования дополнительной беспроводной сети. Кроме того, потребуется указать IP-адрес контроллера. При необходимости можно задать в ручном режиме и адрес самой панели.
Система может масштабироваться до десяти контроллеров с одним главным (управляющим). По информации производителя, в этом случае задержки при прохождении сигналов не превышают одной секунды. При этом протоколы связи между контроллерами закрыты, как и код самих контроллеров.
Нужно здесь отметить наличие возможности обновления прошивки самого контроллера, в новых версиях которой производитель реализует поддержку новых сценариев и алгоритмов автоматизации. При этом операция формально доступна и подготовленным пользователям, но сами файлы прошивки и необходимые утилиты отсутствуют в открытом доступе, а предоставляются техподдержкой. Процесс осуществляется фирменной утилитой при подключении компьютера с Windows к внутреннему USB-порту платы контроллера. На время обновления устройство должно быть переключено в специальный режим и не выполняет свои основные функции.
Еще одной полезной программой является утилита для доступа ко встроенной файловой системе контроллера через локальную сеть. Она также есть только в версии для операционной системы Windows.
Программа позволяет скачивать двоичные данные конфигурации контроллера с целью резервного копирования, а также загружать их обратно. Кроме того, именно через эту утилиту загружаются текстовые документы с сообщениями для сервиса SMS-оповещений.
Заключение
В данной статье мы познакомились с одним из доступных на рынке вариантов контроллера для построения систем автоматизации на базе PLC, который реализует схему с центральным управлением. Вопрос плюсов и минусов этой схемы и сравнение ее с другими вариантами, оборудованными более «умными датчиками», безусловно, интересен, но выходит за рамки материала. В любом случае при выборе решения нужно учитывать множество факторов, включая подготовку помещения, требования по коммуникациям, бюджет, планы расширения и многое другое, так что однозначного универсального ответа здесь быть не может.
Прежде всего, стоит озвучить стоимость рассмотренных продуктов. На момент подготовки статьи контроллер EasyHomePLC предлагался за 40 тысяч рублей. При этом в комплект входит лицензия на использование программы EasyHome для неограниченного числа клиентов при работе с этим контроллером. Что касается дополнительного оборудования, то приведем еще несколько цифр для ориентира: модем — 11 600 руб., панель 2,8″ — 7200 руб., датчики температуры/влажности/света — от 2550 до 3900 руб., датчики движения — от 790 руб., датчик протечки — 850 руб., датчики утечки газа — 2270 руб., датчик дыма — 2020 руб., блок реле — 13 750 руб., управляемый диммер — 4560 руб., шаровой кран — от 7400 руб. в зависимости от диаметра трубы. Напомним еще раз, что в данном контроллере используются простые интерфейсы — цифровые и аналоговые входы и выходы, так что вопрос совместимости не стоит. Потребитель может выбирать нужное ему оборудование из очень большого ассортимента, представленного на рынке. С другой стороны, если хочется чего-то необычного, например модем или сенсорную панель, то стоимость уже сложно назвать невысокой. В любом случае, проект нужно оценивать в комплексе с разработкой, оборудованием, установкой, настройкой и обслуживанием, а ориентироваться только на «железо» некорректно. Но все-таки заметим, что сравнение с доступными на нашем рынке продуктами с беспроводным стандартом Z-Wave уже не позволяет говорить про однозначное преимущество решения с центральным контроллером на базе PLC. Все будет зависеть от особенностей и условий проекта.
Благодаря наличию большого количества встроенных входов и выходов, EasyHomePLC позволяет создавать достаточно сложные проекты автоматизации для квартир и небольших объектов. Из плюсов также надо отметить наличие нескольких последовательных интерфейсов, каналы ШИМ, масштабируемость по числу контроллеров в одной системе, возможность простого добавления дискретных каналов, поддержку модемов и других внешних устройств по различным интерфейсам. Из того, что не очень понравилось, прежде всего отметим малое внимание разработчиков к безопасности. Иметь незащищенный доступ к управлению контроллером по сети сегодня просто противопоказано со всех точек зрения независимо от уровня проекта. Второй момент, который затрудняет знакомство с системой — неудобный интерфейс программы настройки. Конечно, хорошо, что она позволяет устанавливать большое количество внутренних параметров, однако отсутствие ясной и логичной документации очень запутывает новичков.
Во второй части статьи мы познакомимся с возможностями продукта при работе со сценариями автоматизации и созданием пользовательских интерфейсов.