Техническое задание (ТЗ) на автоматизацию

1. вентиляция (flat);
2. защита от протечки (flat);
3. полив растений (dacha);
4. пожарно-охраная сигнализация (dacha);
5. сбор показаний со счётчиков воды (flat);
6. сбор показаний со счётчика электроэнергии Меркурий 230 (dacha);
7. сбор показаний со счётчика электроэнергии Меркурий 200 (flat);
8. отопление (термостат для электрических обогревателей)  (dacha).

• принимать уставки пользователя, отдавать оперативные данные;
• считывать данные с проводных датчиков;
• автономно выполнять сценарии на основании уставок и данных с датчиков;
• управлять исполнительными конечными устройствами (реле);
• работать с проводными сигнальными шинами. 

Важно отметить, что выход из строя верхнего уровня никак не влияет на работу нижнего уровня (ПЛК). Более того, управлять уставками и мониторить текущее состояние нижнего уровня можно напрямую без промежуточного сервера, например, с телефона, поставив бесплатный клиент Modbus-tcp.

Почему был выбран именно ПЛК Beckhoff?

Сначала таблица, из контрой будет понятно, почему был выбран именно ПЛК, а не иное решение на базе ПК или одноплатного ПК с обычной OS:     

• бюджет со всеми модулями расширения под реальный проект (~24 DI, ~24 DO, ~8 AI, RS485)  до 30 тыс. руб;
• встроенный run-time codesys (как самый хорошо документированный);
• гибкая масштабируемость модулями DI/DO/AO/AI/ и т.д., когда есть возможность добавить ровно столько портов, сколько нужно и каких нужно - то выбор резко сузится, а именно, останется только Beckhoff, причём б.у. Меня факт б.у. не смутил, всё-таки промышленная автоматика делается с хорошим запасом прочности, такая техника крайне редко ломается по причине неисправности МК/ПЛК. Пример - ЭБУ в авто.  

Из всего разнообразия ПЛК Beckhoff с учётом доп. фильтров, можно обратить внимание на: BC9000, CX9000, CX9010, CX10**, CX80**. Важно, чтобы ПЛК имел встроенный TwinСat-runtime. Один из главных параметров - это тип шины для подключения модулей -  EL* или KL*. KL чуть дешевле. 

Итак, ПЛК CX9000/CX9010 можно сторговавшись купить на ebay за:

•  непосредственно сам ПЛК ~10 тыс. руб (ПЛК Beckhoff всегда без модулей);
• 1 порт в 8-портовом модуле (DI, DO) обойдётся с учётом доставки 250-300 руб;  
• аналоговые порты (AI, AO) дороже - от 400 руб. за порт; 
• самый дорогой модуль - RS485 около 5 тыс. руб; 
• заглушка к шине KL  ~1500 руб.

На ПЛК устанавливаем, при необходимости, последние прошивки:

 Прошивка CX9000.

 Прошивка CX9010.

 Инструкция по прошивке.

Не используйте руссифицированную инструкцию, в ней есть неточности!

Инструкция по настройке.

Видео по настройке.

Связываем Twincat System Manager и Twincat PLC Control:

после сохранения проекта в Twincat PLC Control (закрывать не надо) переключаемся в Twincat System Manager, правой кнопкой нажимаем по пункту в дереве "PLC Configuration" -> "Append PLC Project", выбираем файл в каталоге, где сохранили до этого проект.

Инструкция по привязке проекта.

Связь программных переменных с реальными портами

    HW_heat_first_floor AT %QX0.0:BOOL; (* Отопление 1 этаж *).

Адрес "QX0.0" длиной 1 бит , пока он не привязан к реальному порту.

В System Manager (если настроена связь с проектом), как только появится такая строка (после сохранения проекта в PLC control) - сам предложит привязать уже к реальному физ. порту. После настройки связи, необходимо сохранить и активировать конфигурацию "Actions-Activate Configuration..."

Память в ПЛК

• FLASH (16-32 MB) - с которой грузится OS реального времени (Win CE 5.0 или 6.0), сам Twincat-runtime, который будет исполнять проект, подготовленный и откомпилированный на компьютере разработчика. Проект, файлы конфигурации также хранятся на FLASH. Сама OS и Twincat-runtime с FLASH в режиме записи не работает, поэтому FLASH служит долго. Внутри программы проекта можно вызывать спец. функцию и явно писать данные на FLASH, но делать это не рекомендуется, в связи с ограниченным числом циклов записи.
• RAM  (64-128 MB) - оперативная память. Для проектов УД хватает с огромным запасом.
• NOV-RAM (128 KB) - энергонезависимая память. Отлично подходит для сохранения уставок и важных показаний, которые нельзя терять при перезагрузке ПЛК.  

• убрать галку с поля "Clear Invalid Persistent Data":

 В Twincat PLC Control во вкладке "Resources"-"Global variables" создаём объект "Global_variables_persistent" :

 "VAR_GLOBAL PERSISTENT" 

 ...

 "END_VAR" 

 объявленные переменные c типом "Q"(выходные) будут сохранятся в NOVRAM.

Адрес "*" означает, что адрес в памяти будет назначен автоматически. "System manager" вернёт в "PLC Control" привязку в объекте "Resources"-"Global variables"-"TwinCAT Configuration". "System Manager" если предложит привязать к реальным портам эти переменные - надо отказаться. На warning-и по поводу этих не привязанных переменных - не обращать внимания.

Связь ПЛК с внешним миром

• ADS

ADS - родной встроенный открытый протокол. Есть драйвер для iobroker. Минимум настроек, автоматическая синхронизация имён переменных , созданных на стороне ПЛК (есть проблема с максимальным экспортируемым количеством переменных (проблема только для TwinCat 2) ~ 64 шт., возможно будет исправлено в новых версиях драйвера).  Переменные на обоих сторонах доступны для записи и чтения.

• Modbus-tcp 

В PLC Control создаём переменные с типом "M" - memory:

M1T1 AT %MW0 :REAL;  (* modbus address 12288 *)                

M1T2 AT %MW4 :REAL;  (* modbus address 12290 *)

Несмотря на то, что указано "W" (word), длина REAL - 4 байта, поэтому следующая переменная начинается с 4-го байта памяти. Modbus-регистр занимает всегда 2 байта, поэтому для передачи REAL будет задействовано 2 modbus-регистра. Если надо передать 1 бит (BOOL - состояние порта TRUE/FALSE), то всё равно надо будет задействовать 2 байта памяти ПЛК и 1 modbus регистр. Переменные типа "M" автоматически мапируются в holding-регистры modbus-tcp сервера ПЛК, начиная с адреса 12288.  Особенность в том, что обычно holding регистры  начинаются с адреса 40000, а некоторые утилиты modbus-tcp  не могут объединить modbus-функцию № 3 и нестандартный адресный диапазон с абсолютного 12288 адреса.  

В свойствах драйвера modbus "Интервал опроса" не влияет на скорость обмена данными, данные синхронизируются в обе стороны моментально. Переменные на обоих сторонах доступны для записи и чтения.

 На ПЛК можно в проект внедрить MQTT-клиент. Упрощённый, но вполне рабочий.     

Необходимо установить пакет TS6310-0030-TCP-IP-CE.exe на компьютер разработчика, и 1 файл (TcTCPIPSvrCe.ARMV4I.CAB), после инсталляции, загрузить на сам ПЛК (если он уже не установлен).  

Инструкция.

 В проекте подключить соответствующие либы:

Пояснения подсистемам

Ниже представлены реально работающие подсистемы. Ссылки на программный код в текстовом формате для ПЛК приведены для ознакомительной цели и без других частей кода проекта TwinCAT 2 код не заработает. Код представлен для того, чтобы показать несложность PASCAL-подобного языка программирования - ST, широко применяемого для ПЛК. Полные рабочие проекты для TwinCAT2 :

• flat.pro
• dacha.pro  

Описание Самодельной Приточной Установки (СПУ) из канальных элементов вентиляции с увлажнением и с интеграцией в систему Умного дома (УД) (flat). СПУ без рекуперации, по причине невозможности обеспечить ТЗ при низких температурах. 

1. СПУ должна работать постоянно круглый год.
2. Мощность СПУ должна адаптироваться к реальному потреблению воздуха людьми по датчикам CO2.
3. Уровень шума в спальных комнатах <30 дБА.
4. СПУ должна работать совместно со стационарным увлажнителем.
5. Работа СПУ должна быть согласована с работой кухонной надплитной вытяжки. 
6. Возможность с помощью уставок через WEB интерфейс УД  задавать параметры: 

• макс. уровень CO2;
• темп. притока /-5;
• миним. уровень влажности;
• включение и отключение СПУ (отдельно Приточного и Вытяжного вентилятора);
• включение и отключение Увлажнителя;
• включение и отключение Подогрева притока.

В квартирах, в большинстве случаев, законно сделать приточно-вытяжную вентиляцию нельзя.

Читать всё по ссылке!              

 Цитата из ссылки:"Проблем нет, пока интересы окружающих не затрагиваются - это стандартный принцип развитого общества, который можно взять на вооружение при реализации современного вент. проекта в квартире. Об этом чиновники и говорят."

При бездумной работе механической вентиляции может нарушиться работа естественной вентиляции (ЕВ) у соседей вашего подъезда. Лучший вариант - если у вас вентканал индивидуальный до кровли и без объединения с общим вентканалом. Средний вариант - если ваш вентканал всё таки объединяется с общим, но соотношение площади проходного сечения общего вентканала  к вашему индивидуального вентканалу-спутнику (15*15 см) больше чем ~10 к 1. То есть сечение магистрального канала > ~2250 кв.см. Плохой вариант, если соотношение менее ~5 к 1. Чем выше соотношение, тем меньше влияние вашего вытяжного вента на работу ЕВ у соседей. При очень высоком соотношении никто даже не заметит изменения в работе их штатной ЕВ и не пожалуется, что вы своим вытяжным вентилятором (до 200-300 м.куб. в час) опрокинули им тягу. Ещё надо учесть, что зимой ЕВ работает отлично, и своей работающей вентиляцией вы соседям тягу не опрокинете. Но чем ближе уличная температура к комнатной (22-24 градуса), тем эта вероятность выше. Точное значение - сколько кубов воздуха в час можно подавать в вашу ЕВ безопасно для соседей (актуально для среднего и плохого варианта) рассчитать очень сложно. Проще сделать замеры опытном путём и потом ориентироваться на них. Управляющая компания расчётами заморачиваться не будет, и если будут жалобы - попросит вас убрать вытяжной вент. Поэтому, прежде чем что-то проектировать/устанавливать, узнайте тет-а-тет со специалистами из УК, как устроена вентиляция в вашей квартире, и какая реакция на самовольную установку ПВ системы. Возможно, нужен тех. проект от фирмы с лицензией, хотя бы формальный. 

Главные исходные данные - это количество людей и требования к шуму. Санитарные нормы по содержанию CO2 едины для всех. В моём примере - это 5 человек и шум до 30 db в спальных комнатах. Для 5 человек минимально надо 5*30=150 м. куб. час производительности. Оптимально 5*(50-60)=250-300. Итого каждый вентилятор (приточный и вытяжной) должен давать 250 м.куб в час с учётом сопротивления вентканала и быть не шумнее 40 db в неспальных (30 db в спальных комнатах). Сопротивление приточного вентканала измеряется в паскалях (Pa) и зависит от:  - общей длины воздуховодов, - площади проходного сечения воздуховода и канальных элементов: - входной решётки - приточного клапана - фильтра грубой очистки  G3 - подогревателя воздуха - фильтра тонкой очистки EURO7 - шумоглушителя - приточной решётки - поворотов, переходников, тройников... Сопротивление каждого элемента зависит от скорости прохождения воздуха через них (производительности).

Определения сопротивления.

Значения сопротивления можно также определить по графику в паспорте или на сайте производителя элемента. Все воздуховоды и элементы вентиляции делать только из оцинковки, никакого пластика. Для шумо - и огнеизоляции вентканалы можно обернуть спец. базальтовым рулонным материалом. В квартире на этапе ремонта, если позволяет высота потолка, можно заложить диаметр воздуховода не менее 160 мм. Чем больше сечение - тем тише и тем выше КПД установки в целом. Также  вентилятор на бОльшем диаметре, как правило, работает на меньших оборотах (для той же производительности) и с запасом мощности (видно из графиков). Если потолок низкий, то можно провести воздуховод в углу на стыке стены и потолка, обшив гкл. Разводка вентканалов - это компромис между дизайном и ТЗ, всё очень индивидуально. Если людей в квартире проживает  трое, то наверное можно ограничиться 125 мм диаметром. Но не менее.  Самый шумный элемент - вентилятор, его следует располагать как можно дальше от спального места, например, в кладовке, гардеробной, на балконе.

Пример определения "рабочей точки" вентилятора, имея на входе 2 главных параметра:

•  сопротивление линии  180 Pa;
• требуемая производительность - 250 м. куб в час:

5 синих линий соответствуют напряжению трансформатора (80,105,130,160,220 Вольт).

Как видно по графику, "рабочая точка" почти попала в желаемые параметры. Ниже в таблице указаны расчётные параметры для пользовательских условий: 

• Working air flow - 247 m³/h;
• Working static pressure 176 Pa.

Исходные данные: 

• поток - 180 м.куб;
•  температура снаружи -20;
•  температура притока 18.

Получаем: 2100 Ватт.

Выбираем из прайсов на 160 мм, к примеру, АРКТОС PB160-2.2 Для управления калорифером нужен регулятор мощности REGIN/D (позволяет держать точно заданную температуру притока, например 18).  терморезистивный датчик к нему TGK-330. Датчик врезается в вентканал после калорифера.

Исходные данные для расчёта необходимой мощности для самого тяжелого режима и, кстати, самого нужного (зимнего):

• Т снаружи -20 град.
• Влажность снаружи - 80%.
• Т внутри 24 (не путать с Т притока!).  
• Влажность внутри - 40%.
• Расход воздуха - 240 м. куб.

Расчёт показывает, что требуется испарять 1.8 кг. в час. Из имеющихся на рынке РФ решений выбираем с производительностью 2 кг. в час, и конечно же, имеющий интерфейс RS485 для возможности интеграции в систему УД - Polar bear mini 3m.

ventcontrol.txt

ventpower.txt

vent.txt

 с оперативными данными: climate_table.txt

содержимое графика для отображения исторических данных: web_chart.txt

Предварительно в драйвере flot создаём графики для CO2, Температуры и Влажности и вставляем сгенерированные url-ы в переменные co2_url, hum_url, temp_url. В редакторе VIS создаём страницу с таблицами, графиками, кнопками.

elements-climate.txt (для загрузки в редакторе VIS ioBroker используйте "Элементы-> Импорт элементов"  . 

Пользовательский Web-интерфейс:

На стадии ремонта был предусмотрительно проложен кабель utp5 и сделаны розетки RJ11 для датчиков (2 провода - питание DC 12V, 2 провода - RS485). Если бы не было кабельной разводки, то можно было использовать беспроводной датчик, через шлюз (iobroker), передающий показания в ПЛК.  Но при беспроводном способе, надёжность работы в целом будет объективно ниже. Для прямого подключения к ПЛК можно использовать шину RS485 с протоколом modbus. В моём случае, я собрал комбайн из:

• RS485/UART конвертор.
• DC/DC регулятор для питания CO2 датчика (DC 5V).
• CO2 датчик SenseAir S8.
• Датчик Температуры и влажности.

Датчики позволяют менять адрес modbus, поэтому к 1 шине можно подключить несколько таких датчиков. В датчике MH-Z19B адрес изменить невозможно, поэтому в проекте "dacha" через реле происходит коммутация шины RS485, чтобы опрашивать 2 датчика MH-Z19B поочерёдно. Если нет желания возиться - можно купить (будет примерно в 2 раза дороже) готовый датчикокомбайн от WirenBoard (RS485, modbus).

• 9 DO портов ПЛК (4 - трансформатор, 1 - вытяжной вент, 1 - надплитная вытяжка, 1 - перекл. режима обогрева, 1 - ТЭН, 1 - увлажнитель.
• 5 DI порта ПЛК (2 - приточный клапан, 1 - реле давления, 1 - выключатель надплитной вытяжки, 1 - физ.кнопка включения вентиляции).
• 2 AI порта ПЛК (1 - датчик T наружного воздуха, 1 - датчик T воздуха в канале после ТЭН).
• 1 AO порт ПЛК (1 - регулировка мощности вытяжного вентилятора DC 0-10V).
• RS485 порт ПЛК (для опроса датчиков и передачи уставки в увлажнитель).
• 4 шт комбинированных датчиков (CO2 Температура Влажность).

Вентиляционное оборудование (Приточный, Вытяжно вент, нагреватель, шумоглушитель, автоматика нагревателя, увлажнитель).  Вместо вычеркнутого фильтра грубой очистки, для компактности, лучше использовать "Ультракомпактный фильтр AIRONE FL 160".

• Контролировать 4 места протечек , (2 зоны с отсекающими кранами):

кухня (1 датчик протечки, 2 подводящих крана гор хол);

санузлы (3 датчика протечки, 2 подводящих крана гор хол).

• Возможность открывать/закрывать отсекающие краны с помощью физ. кнопок. 
• Возможность открывать/закрывать отсекающие краны с помощью web-интерфейса. 
• Возможность получать уведомление о сработке датчика через платформу УД.

fluid_bath.txt

Программная часть на ioBroker:  

скрипт для генерации голосовых сообщений, уведомлений в telegram, создания html-таблицы состояния:

 fluid.txt

sensors-vis_flat.txt

Web-интерфейс. При закрытии отсекающих кранов по датчикам или вручную - также переключается статус кнопок "Тревога" в положение "On":  

• 6 DI портов ПЛК (2 на кнопки, 4 на датчики);
• 2 DO порта ПЛК  (на 2 зоны кранов. Хол гор в каждой зоне перекрывается одновременно);
• 2 реле Finder   (Двойной перекидной контакт для смены полярности DC 12V);
• 4 накидных привода на кран;
• 4 датчика протечки;
• 2 физические кнопки Legrand. 

• включать на определённое время (1,2,3,4 часа) через web-интерфейс УД отсекающие краны, соответствующие зонам полива;
•  отключать принудительно отсекающие краны, соответствующие зонам полива через web-интерфейс УД.        

2. Автоматическое включение насоса после полного открытия отсекающего крана. 

3. Автоматическое отключение насоса после окончания полива.

4. Включать полив по расписанию.

poliv-plc.txt

В google-календаре в своей или специальной УЗ создаём "мероприятия" полива в желаемое время:

Скрипты:

• poliv_zapad.txt 
• calendar.txt

 Виджеты для редактора VIS:

• poliv-vis.txt

 Web-страница:

• 4 DO порта ПЛК (3 - на электроклапаны, 1 - насос);
• 4  реле Finder;

• 3 электроклапана.

1. Оповещение через локальный динамик(сирену) и интернет (почта, телеграмм) при срабатывании ПОС.
2. Возможность отключения конкретных датчиков.
3. Ограничение количество оповещений при сработке по каждому датчику (50 раз в сутки).
4. Журналирование событий, просмотр журнала через web.
5. Постановка и снятие с охраны через web-интерфейс.

Так как в алгоритме нет ответвлений, нет смысла представлять графически.

security-plc.txt

Программная часть на ioBroker.

Скрипт (реагирование на событие) :         

 pir_detect_terrasa.txt 

Скрипт (для журнала событий) :          

create_journal.txt 

journal-vis.txt для страницы журнала событий:   

sensors-vis.txt для страницы состояния датчиков:   

Web-страница журнала событий:

counters.txt

Для сохранения значений переменных используем память NOVRAM.

Программная часть на ioBroker.

counters-vis.txt

Web-страница:

• 4 DI порта ПЛК.
• Источник бесперебойного питания для ПЛК, при необходимости учитывать потребление воды во время долгого отключения э.э. в квартире.

Считывать данные со счётчика - в случае успешного считывания - присваивать данные соответствующей  переменной.

Для передачи статистики месячного потребления M1T1,M1T2...M12T1,M12T2 от ПЛК к iobroker  использованы протоколы mqtt и modbus-tcp. Для остальных данных - ADS.

• RS485_read.txt  (шаги 5-37) 
• Mqtt.txt

Программная часть на ioBroker.

Скрипт для формирования графиков:   

chart_urls.txt

Скрипт для формирования таблиц с оперативными и историческими данными:   

electro_status_table.txt

electro-vis.txt

Web-страница:

Считывать данные со счётчика - в случае успешного считывания - присваивать данные соответствующей переменной.

Для передачи статистики месячного потребления M1T1,M1T2...M12T1,M12T2 от ПЛК к iobroker  использованы протоколы mqtt и modbus-tcp. Для остальных данных - ADS.

• RS485_read_flat.txt  (шаги 79-80) 

Программная часть на iobroker.

Скрипт для формирования графиков:   

web_chart.txt

Скрипт для формирования таблиц с оперативными и историческими данными:   

electro_status_table_flat.txt

electro-vis_flat.txt

Web-страница:

Thermostat.txt

Для сохранения значений уставок используем память NOVRAM.

Программная часть на iobroker.

Скрипт конвертации данных:   

parse_sensors_values.txt

Скрипт генерации url для графиков:   

chart_urls.txt

Скрипт обработки уставок:   

set_temperature.txt

Скрипт создания таблицы оперативных данных:   

climate_table_dacha.txt

climate-vis_dacha.txt

Web-страница: