«Умный» дом на программируемых логических контроллерах

Почему ПЛК?

Автоматизация жилых зданий — быстро развивающаяся, но сравнительно молодая область техники, поэтому здесь, особенно на уровнях управления инженерными системами и системами жизнеобеспечения, практически еще нет устоявшихся, традиционных технических решений, выходящих за рамки частных решений отдельных организаций. Поэтому разработчики вольно или невольно обращают внимание на наработки, существующие в системах промышленной автоматизации, и берут во внимание технический задел по автоматизированным системам управления технологическим процессом (АСУ ТП). Опыт разработки говорит о том, что принципы создания АСУ ТП и систем автоматизации зданий в целом схожи, и использование отработанных в промышленности решений позволяет быстро создать качественную автоматизированную систему управления «умный» дом (АСУ УД). А при оптимальном подборе комплектующих (элементов АСУ ТП) техническое решение по каждой АСУ УД будет оптимальным.

За последние годы значительно изменился российский рынок АСУ ТП. Зарубежные производители активно открывают торговые представительства, постепенно отказываясь от услуг дистрибьюторов. Конкуренция среди производителей ПЛК значительно возросла. Крупные заказчики уже не ищут, у кого приобрести оборудование, ибо производители сами приходят к ним со своими решениями и предложениями автоматизировать все «под ключ». Причем применение ПЛК в АСУ УД — очень перспективное направление не только для производителей ПЛК, но и для производителей компонентов и комплектующих АСУ ТП: ПИД-регуляторов, реле времени, счетчиков, нормирующих преобразователей, коммутационных устройств и пр. Разработка и изготовление АСУ УД — это почти всегда единичное производство, неповторимое техническое решение. Дом как объект автоматизации уникален и неповторим. Уникальность и неповторимость определяется количеством датчиков, исполнительных устройств, их типами и моделями, а также количеством уже встроенных типовых (или не типовых) инженерных систем.

Конфигурация каждой инженерной системы чаще всего индивидуальна. Прибавим к этому географические особенности нашей страны, от Крыма до Крайнего Севера, то есть условия эксплуатации системы. ПЛК — это готовое решение для разработки и изготовления АСУ УД. Причем пестрая палитра элементов автоматизации и исполнительных устройств в жилом доме достаточно легко конфигурируется в единую систему управления и сбора данных с применением ПЛК.

Модульный ПЛК FASTWEL-I/O

Исходя из текущего состояния рынка АСУ ТП, компанией Fastwel была разработана целая серия изделий, объединенная использованием фирменной шины передачи данных FASTWELBUS (FBUS). Изначально она разрабатывалась как внутренняя шина передачи данных между контроллером и модулями ввода/вывода. Шина имеет ряд существенных преимуществ, повышающих надежность передачи данных. Модульный ПЛК FASTWEL-I/O представляет собой семейство ПЛК с переменным составом модулей. Совокупность модулей системы, связанных с конкретным объектом автоматизации, образует узел системы сбора и обработки данных. Такой узел может быть установлен в непосредственной близости от объекта автоматизации, что позволяет сократить длину соединительных проводов, упростить монтаж оборудования, а также устраняет необходимость применения кросс-панелей.

Функционально модули FASTWEL-I/O могут быть следующих типов:

• контроллеры узла сети;
• модули дискретного ввода;
• модули дискретного вывода;
• модули аналогового ввода;
• модули аналогового вывода;
• модули измерения температуры;
• модули сетевых интерфейсов;
• модули питания;
• прочие модули.

На рис. 1 приведен внешний вид контроллера узла сети CPM713, а на рис. 2 — «батарея» контроллера узла сети с модулями ввода/вывода.

Рис. 1. Контроллер узла сети CPM713

Отметим некоторые особенности распределенной системы ввода/вывода FASTWEL-I/O.

ПЛК FASTWEL, как распределенная система сбора данных и управления, разрабатывалась для АСУ ТП. При разработке системы ставилась задача совместимости с любыми имеющимися промышленными сетями передачи данных. На аппаратном уровне для перехода на любую сеть достаточно сменить контроллер узла сети, при этом модули ввода/вывода вместе с присоединенными к ним датчиками не требуют замены и демонтажа. Идеология FASTWEL-I/O основана на предоставлении разработчику максимальных возможностей в конфигурировании, наращивании и обслуживании системы. Контроллеры узла сети обеспечивают возможность исполнения прикладных программ, реализующих алгоритмы сбора, обработки данных и управления, разработанных при помощи адаптированной среды разработки CoDeSys.

Рис. 2. Контроллер узла сети с модулями ввода/вывода

Аппаратно-программные средства Fastwel-I/O могут использоваться для построения как автономных программируемых контроллеров, так и распределенных систем сбора данных и управления. Компания Fastwel поставляет семь типов контроллеров узла сети с сетевыми интерфейсами CAN, RS-485, Ethernet, Profibus DP, MODBUS; 15 типов модулей дискретного ввода/вывода; 12 типов модулей аналогового ввода/вывода; четыре типа модуля питания; четыре типа вспомогательных модулей (модуль оконечной нагрузки шины, модуль интерфейсный RS-485 и др.). Номенклатура модулей FASTWEL-I/O оптимизирована таким образом, чтобы быть минимально достаточной для большинства возможных применений. Модули обеспечивают подключение датчиков и исполнительных устройств, а также содержат цепи гальванической развязки и индикации состояния.

Узел сети состоит из контроллера узла сети, модулей ввода/вывода и вспомогательных модулей. Контроллер узла сети служит для исполнения прикладной программы, разработанной в среде CoDeSys, обмена данными с модулями ввода/вывода, а также информационного обмена по внешней сети. Он интегрирует возможности ПЛК и подчиненного узла сети. Контроллер узла сети имеет два основных интерфейса: внешний и внутренний. Внешний интерфейс учитывает особенности и обеспечивает выполнение требований конкретной полевой шины (CAN, MODBUS, MODBUS TCP). Внутренний интерфейс, специально разработанный для системы FASTWEL-I/O, — это шина FBUS. Он обеспечивает обмен данными и служебной информацией между модулями ввода/вывода и контроллером узла сети. Контроллер узла сети имеет также служебный интерфейс и индикаторы состояния. В узле сети реализована функциональная система подачи питающих напряжений на датчики и исполнительные устройства. Для любой задачи можно выбрать подходящий модуль ввода или вывода. Распределенная система ввода/вывода FASTWEL-I/O отличается не только хорошим составом оборудования, но и мощным программным обеспечением. А учитывая, что при внедрении систем практически всегда ставятся очень жесткие сроки, высокая степень готовности программно-аппаратной части системы приобретает конкретный экономический смысл. Зарубежные компании тоже работают над созданием аппаратных средств автоматизации, которые эксплуатируются в расширенном температурном диапазоне и в жестких условиях. Однако потенциальным потребителям надо учитывать, что в России на правительственном уровне поддерживается доктрина всемерного содействия развитию и использованию отечественных разработок. В соответствии с ней крупным заказчикам рекомендовано создавать системы автоматизации на базе средств и решений отечественных производителей. Особенно ярко эта доктрина проявляется в действующих положениях о проведении тендеров, согласно которым при прочих равных условиях преимущество отдается именно российскому производителю. Но даже без учета этого административного фактора, а принимая во внимание только высокий уровень разработок, современное производственное оборудование и строгий контроль качества, можно с должной степенью объективности делать выбор в пользу российской компании Fastwel, которая выпускает контроллеры стабильно высокого качества, хорошо зарекомендовавшие себя в различных ответственных применениях.

АСУ УД на ПЛК FASTWEL–I/O

Предпочтительными для массового внедрения АСУ УД будут доступные, однотипные недорогие системы с возможностью наращивания количества управляемых локальных инженерных систем дома. Любой ПЛК, который будет удовлетворять требованиям для недорогих типовых систем АСУ УД, обязательно будет востребуем в таких системах. Модульные ПЛК FASTWEL-I/O позволяют выполнить АСУ УД фактически под любые требования заказчика. Пожалуй, несомненный плюс узла сети ПЛК FASTWEL — доступная для монтажа и эксплуатации аппаратная часть. Кроме того, имеется возможность увеличения количества модулей ввода/вывода в узле сети, а также, при необходимости, увеличение количества самих узлов сети в распределенной системе управления и сбора данных. Отличает ПЛК FASTWEL от зарубежных аналогов наличие полноценной эксплуатационной документации. Имеется техническое описание на каждый отдельный модуль. ПЛК FASTWEL-I/O зарегистрирован в государственном реестре средств измерений.

Рассмотрим построение АСУ УД на примере дома, расположенного в сельской местности Средней полосы России. Основные инженерные системы, которые можно автоматизировать и встроить в АСУ УД:

• обогрев и отопление;
• охранная сигнализация (охрана дома и внешнего периметра);
• пожарная сигнализация;
• приточно-вытяжная вентиляция;
• контроль температуры (дома и дворовых постройек);
• управление освещением (дома и приусадебной территории);
• электропитание.

Структурная схема АСУ УД на базе ПЛК FASTWEL приведена на рис. 3.

Рис. 3. Принципиальная схема АСУ УД на базе ПЛК FASTWEL

Для построения АСУ УД в одном доме (в доме с одними хозяевами) вполне будет достаточно одного узла сети. Узел сети состоит из одного контроллера узла сети, модулей ввода/вывода и вспомогательных модулей. Количество модулей ввода/вывода и вспомогательных модулей определяется датчиками и исполнительными устройствами инженерных систем. Наличие в инженерных системах сетевых интерфейсов облегчает на аппаратном уровне задачу сопряжения с узлом сети. В одном узле сети можно совместить несколько напряжений питания, независимых друг от друга, например цепи с напряжением питания 24 В постоянного тока и цепи с питанием 220 В переменного тока. С помощью специальных боковых контактов модули могут брать питание на внешние цепи от соседнего модуля, что значительно упрощает монтаж всей системы. Все сигналы для управления исполнительными устройствами в инженерных системах будут гальванически развязаны. Параметры и режимы работ можно задать с АРМ диспетчера или панели управления. Для узла сети, а также некоторых инженерных систем целесообразно предусмотреть резервированные источники питания. На аппаратном уровне подключение каких-то новых инженерных систем или модернизация старых с целью повышения функциональности сводится к подключению в узле сети дополнительных модулей ввода/вывода. К контроллеру узла сети можно подключить до 64 модулей ввода/вывода. На рис. 3 показаны модули FASTWEL-I/O, которые могут быть задействованы в АСУ УД.

Рассмотрим на аппаратном уровне построение узла сети для управления некоторыми инженерными системами дома.

Система обогрева и отопления

В настоящее время почти в каждом сельском доме для его обогрева стоит газовый котел (и это понятно — газификация страны достигает 80%). Кроме того, для обогрева подсобных помещений могут быть задействованы электронагреватели. В жилых помещениях в качестве основных или дополнительных могут быть установлены такие системы, как теплый пол (инфракрасный или электрический). Рассмотрим АСУ такими системами с помощью модулей FASTWEL-I/O.

В схеме, представленной на рис. 4, задействовано всего шесть типов модулей FASTWEL-I/O. На практике количество модулей в узле сети будет определяться конкретной системой обогрева и отопления. Настройка узла сети включает в себя два этапа: установка аппаратных средств (контроллера и модулей ввода/вывода) и разработка прикладной программы и конфигурации контроллера узла сети.

Рис. 4. Структурная схема системы обогрева на базе узла сети FASTWEL

При работе только с ручного пульта управления предполагается, что рабочая программа будет «зашита» в контроллер узла сети CPM713.

Все модули ввода/вывода имеют унифицированное конструктивное исполнение, позволяющее оптимальным образом учесть требования конкретной системы автоматизации. Для подключения датчиков и исполнительных устройств к каналам модулей ввода/вывода используются надежные пружинные контакты фирмы WAGO. Как правило, модуль содержит восемь внешних пружинных контактов. Модули устанавливаются на стандартную DIN-рейку и закрепляются на ней при помощи фиксатора. Модули FASTWEL-I/O имеют от двух до восьми каналов ввода/вывода. Такой выбор числа каналов позволяет уменьшить избыточность системы. В каждом модуле предусмотрен контакт защитного заземления. Практически все модули имеют контакты для питания управляющих цепей датчиков сигнала. Такие контакты могут быть объединены для группы модулей в шины питания, образуя тем самым сегменты с изолированным питанием внешних цепей. Состояние каналов модулей дискретного ввода/вывода показывают светодиодные индикаторы. Следует отметить, что у ряда модулей FASTWEL-I/O есть контакты, предназначенные для питания внешних цепей. Такие модули имеют выступающие с левой стороны ножки, соединенные с вышеуказанными контактами, а с правой стороны находится пружинная клемма, также соединенная с контактом. Она расположена внутри модуля, крышка которого имеет паз с отверстием над клеммой.

Рис. 5. Функциональная схема подключения модуля дискретного вывода DIM713

При установке модулей рядом друг с другом ножи одного модуля входят в пружинную клемму другого модуля, образуя при этом шину питания. Таким образом исключается возможность касания шин питания персоналом, обслуживающим объект. На рис. 5 приведена функциональная схема сопряжения модуля дискретного вывода DIM713 c модулем питания ОМ752.

Питание +24 В с внешнего источника питания поступает на клеммы лицевой панели ОМ752 и, через внутренние контакты, на DIM713. Структурная схема системы контроля температуры показана на рис. 6.

Рис. 6. Структурная схема системы контроля температуры на базе узла сети FASTWEL

В номенклатуре модулей FASTWEL-I/O имеются модули аналогового ввода сигналов с термопар и термометров сопротивления AIM724 и AIM725 соответственно. К ним датчики температуры подключаются непосредственно. Для датчиков с токовыми выходами 0–20 мА, 4–20 мА (если нормирующий преобразователь встроен в датчик) имеются модули AIM721, AIM722, AIM723.

* * *
Модульные ПЛК FASTWEL позволяют выполнить АСУ УД практически под любые требования заказчика. Аппаратные и программные ресурсы распределенной системы ввода/вывода FASTWEL-I/O допускают ее применение для типового, комплексного решения АСУ УД. Идеология FASTWEL-I/O основана на предоставлении разработчику максимальных возможностей в конфигурировании, наращивании и обслуживании распределенной системы сбора данных и управления. Контроллеры узла сети обеспечивают возможность исполнения прикладных программ, реализующих алгоритмы сбора, обработки данных и управления, разработанных при помощи адаптированной среды разработки CoDeSys 2.3 фирмы 3S Smart Software Solutions. Номенклатура выпускаемых модулей FASTWEL-I/O оптимизирована для большинства возможных применений.