Плк своими руками

Обновлено: 08.07.2024

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.

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.

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:

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.

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:

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.

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:

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:

Управление системой на ПЛК

Способы управления системой автоматики на промышленном контроллере следующие:

Программируемые логические контроллеры входят в оборудование, отвечающее за автоматизацию процессов. Плк-системы используются в малых предприятиях, крупных производствах.

ПЛК — что это такое?

Плк-контроллер представляет собой микрокомпьютер с упрощенным алгоритмом, выполняющий типовые функции в заданном режиме. Применяют его и в бытовой технике, не только в сложных роботизированных устройствах. Унификация элементов, их взаимозаменяемость повышает надежность системы. Упрощает ремонт и отладку.

История создания

Упрощение отладки, замены.
Относительная дешевизна.
Гибкость, удобство модернизации.
Снижение риска отказов.

Терминология, объясняющая, что такое ПЛК (PLC), внесена в международные и европейские стандарты качества МЭК, EN.

Структура и устройство ПЛК

Принцип работы ПЛК

По сути, микроконтроллер достаточно близок к реле. Только вместо механических контактов и катушек в нем — электронные цепи. Понять принцип действия будет легко любому инженеру, знакомому со схемами, основами электротехники.

Датчик освещенности на входе подает сигнал в блок обработки данных. В нормальном состоянии процессор не реагирует. Как только сенсор определит падение освещения, изменится его сопротивление, центральный блок задействует цепи питания электроламп.

Сложные микроконтроллерные устройства обеспечивают охрану, защиту периметра (квартиры), включая связь с полицией (владельцем) через модем, подъем тревоги при проникновении нарушителей, разрушении механизма закрытия двери.

Первый этап работы устройства состоит из экспресс-теста задействованного оборудования. Одновременно идет загрузка операционной среды, управляющих программ. Все как в настольном ПК при старте Windows. Предусмотрена пошаговая отработка команд (отладка), при которой допускается мониторинг, корректировка переменных.

Типы ПЛК

В первом типе содержится полный набор входных, выходных цепей, процессор, источник энергии. Во втором предусмотрена сборка готового ПЛК из отдельных частей. Согласно МЭК 61131, количество и состав модулей варьируются в соответствии с назначением, характеристиками поставляемого заказчику устройства.

Модульный микроконтроллер может управлять посредством Ethernet соединения малопроизводительным собратом, выполняющим специфично назначенные функции (диагностика состояния периметра, безопасность охраняемой зоны). Маломощный адаптер питания в этом случае является отдельным модулем. Обобщенно функциональные возможности второго вида превосходят первый. Но в отдельных ситуациях (микроконтроллер управления чайником Berghof) достаточно моноблочного ПЛК.

Из нескольких ПЛК, смонтированных на стандартную рейку, набирается укрупненный узел управления. Первоначально конфигурация микроконтроллеров подразумевала замену существовавших релейных, полупроводниковых схем. Со временем задачи усложнились, но и сохранившиеся ограниченно производительные 8 и 16 разрядные процессоры по-прежнему востребованы в промышленности.

Ограничения ПЛК

Не стоит полагать, что наличие программируемого контроллера способно решить все глобальные проблемы пользователя. ПЛК, работающие на основе протоколов Codesys, Modbus (для модульных решений), обладают ограниченной сферой применения. Их выбор обусловлен поставленной задачей. Попытку создать универсальные ПЛК вряд ли можно признать целесообразной.

Подобный ход лишает технологический процесс гибкости. Создание требуемой конфигурации осуществляется комплектацией готового моноконтроллера, согласно проекту заказчика. В исключительных ситуациях проблему решают сборкой мегаустройства из дискретных блоков. Последний вариант предпочтительнее: каждый элемент допускается оборудовать индивидуальным пультом ввода команд, сенсорной панелью, устройством отображения данных.

Роль каналов обмена данными играют кабельные медные шины, оптоволоконная связь. Успешно используются варианты стандартизированных интерфейсов RS-232, RS-485 (кабель), промышленных Profibus или CAN. Не возбраняется коммутация по беспроводным линиям (Wi-Fi).

Место ПЛК в системе управления

Без микроконтроллеров не было бы РСУ, АСУ, сложных автоматных комплексов управления технологическими процессорами. Используя сетевой трафик, ПЛК анализируют данные, успевая проверять состояние портов входа. Главный недостаток, особенность микроконтроллеров состоит в необходимости прошивки, создания программы для работы.

Впрочем, его следует воспринимать двояко: индивидуально создаваемое ПО позволяет проектировать узкоспециализированные изделия под конкретные задачи.

Назначение переменных в ПЛК

Перед тем как начинать программирование, необходимо назначить переменные. Это условная метка (флаг) для обозначения отработки командного кода. Данные манипуляции характерны для единичных действий: запуск комплекса, когда требуется сброс состояния.

Подобная ситуация возникает при отключении электроэнергии. Зафиксированная переменная позволяет пропустить обмен сигналами, ускорить инициализацию ПЛК.

Основы программирования ПЛК. Реле и контроллер‌‌

Возможность программирования, безусловно, является главным достоинством систем с ПЛК. Чтобы сделать восприятие процесса предельно понятным, разработчики изобрели визуальное отображение управляющих цепей в виде релейных контактных блоков.

На профессиональном языке такой метод обозначается аббревиатурой LD (logo LAD). В дальнейшем работа ПЛК представляется как взаимодействие отдельных логических элементов. Они выполняют действия таймеров, релейных ячеек, счетчиков. Считается, что благодаря подобной унификации, освоить принципы программирования может каждый. Причем независимо от профильной профессии.

Среда программирования

Программисты предпочитают использовать для создания прикладных комплексов среду Си, Кодесис, как наиболее универсальную. Применение регламентируется стандартом IEC 61131. На базе Codesys пишутся языки программирования для ПЛК: LD, SFC, FBD, IL, STL.

Языки программирования ПЛК

Создатели микроконтроллеров обеспечили взаимодействие разрабатываемых устройств с несколькими универсальными языками программирования. Условно их разделяют на графические и текстовые. Это допускает компиляцию готового программного продукта из блоков, созданных на разных языках.

Обманчивая простота программирования скрывает трудности, с которыми обязательно столкнется излишне самоуверенный инженер. Составить простейшие команды под силу неопытному пользователю. Для реализации сложных понадобится получение специальных навыков.

Удаленное управление и мониторинг

Различные интерфейсы управления встраиваются в контролеры уже на стадии проектирования. Предусмотрена синхронизация с АСУ (SCADA и подобные). Оператор контактирует с ПЛК посредством интегрированной панели, устройства ввода-вывода, либо удаленно. Для этого по помехозащищенному каналу, кабельной сети к блоку подключается HMI, специализированный интерфейс взаимодействия между человеком и машиной.

Реализация веб-интерфейса допускается также и без проводов, в сети Wi-Fi. Описанные методы невероятно расширяют возможности оператора. Упрощают контроль работающего комплекса ПЛК.

Применение контроллеров

Энкодер, подключенный к контроллеру, применяется в автомобилестроении, реагируя на изменение угла поворота руля. Удобно использовать ПЛК при создании комплексов с ЧПУ, автоматизированных систем запуска аварийной откачки сточных вод в канализации. Видеонаблюдение, интегрированное в охранный пост, создаст полноценный обзор зоны наблюдения для оператора.

Все требуемые данные при этом будут сохранены на носителе информации (переданы в сеть), а в случае опасности сигнал тревоги будет подан автоматически. Цепочке контроллеров под силу управлять работой цеха металлообработки, пошивочной мастерской. В домашнем варианте ПЛК без участия человека включит свет, накачает воду из колодца в бак до требуемого уровня.

Производители ПЛК

Выбор конкретного решения зависит от предъявляемых заказчиком требований, условий работы. А чтобы разобраться, чем ПЛК100, ПЛК110 отличается от ПЛК160, ПЛК323 потребуется обладание квалификацией, возможно — консультации специалистов.

На что обращать внимание при покупке

До приобретения ПЛК нужно кое-что уточнить. Вот эти факторы:

Специализированное оборудование. Это микросистемы, ориентированные на работу с облачным сервисом (вариант оповещения по мобильной связи, почте).

Данный перечень создает направление для движения как покупателей, так и производителей. Какой из перечисленных критериев окажется в приоритете, решает заказчик. С дружественным ПО эксплуатация станет удобнее. Так утверждают опытные инженеры-наладчики.

Что же выбрать

Кому-то термины step7, ms4, opc, pixel ни о чем не говорят. Разобраться с каталогом, обилием информации помогут специалисты. Расшифровка обозначения микроконтроллера, выбор программы ПЛК для человека неосведомленного станут непосильной задачей. Отличие, оценка, сравнение представленных решений также достаточно сложны, чтобы приступать к ним без подготовки.

Выбрать свой прибор помогут отзывы, обзоры, опыт эксплуатации владельцев контроллеров. Нужный микронтролллер — не обязательно дорогой. Цена определяется выполняемыми функциями, маркой прибора. Описание, настройка параметров приводятся в паспорте устройства.

Там же находится перечень портов ввода-вывода, краткое пособие как подключать изделие. Для отдельных типов может понадобиться преобразователь напряжения, его характеристики производитель обязан указать в руководстве по эксплуатации. А хороший контроллер — тот, который справляется с поставленными задачами.

Читайте также: