Sterowniki PLC, wynalezione na przełomie lat 60-tych i 70-tych w USA przez przemysł samochodowy, błyskawicznie pokazały swoją przewagę nad klasycznymi układami przekaźnikowostycznikowymi. Na przestrzeni kolejnych dekad stały się podstawą funkcjonowania wszelkiej automatyki, w tym i tej obecnej w domach. Nie oznacza to jednak, że przekaźniki odpadły z gry. One również zaliczyły ogromny skok rozwojowy i wciąż znajdują szereg zastosowań, m.in. w zautomatyzowanych domach, gdzie prym wiodą przekaźniki czasowe.

nowoczesne przekazniki i sterowniki plc w instalacjach automatyki domowejFot. 1. Przekaźnik czasowy MT-W-17S-11-240-M realizuje do 25 funkcji przy nastawie czasu od 0.1 sekundy do 100 godzin.

Sterowniki PLC i przekaźniki czasowe– krótkie przypomnienie podstaw

Przekaźniki czasowe

Zaczynając od tych drugich, można w dużym uogólnieniu stwierdzić że wspierają one pracę sterowników i uzupełniają ich działania i chociaż są znacznie prostszymi od nich urządzeniami, bez nich funkcjonalność wielu rozwiązań pozostawiałaby bardzo dużo do życzenia. Przekaźniki w ogólności służą m.in. jako elementy wykonawcze, separatory czy powielacze sygnałów, lecz na polu domowej automatyki – a właśnie takim instalacjom poświęcone jest niniejsze omówienie - ich zadaniem jest umożliwienie czasowego sterowania urządzeniami poprzez m.in. opóźnianie ich załączania i wyłączania, jak też załączanie lub wyłączanie według cykli czasowych. Uważny czytelnik zapewne biegnie już myślami do instalacji grzewczej, wentylacyjnej czy oświetleniowej, co jest jak najbardziej słuszne, gdyż faktycznie są one domenami przekaźników czasowych w nowoczesnych i inteligentnych domach naszpikowanych automatyką. Jednak z drugiej strony chodzi tu również o tak banalne sytuacje i miejsca, jak klatki schodowe w blokach i opóźnione wyłączanie oświetlenia na nich, gdy osoby korzystające przez chwilę ze światła już opuściły dane piętro lub budynek i dalsza praca oprawy oświetleniowej jest bezcelowa i kosztogenna. Z punktu widzenia systematyki w automatyce domowej spotyka się przekaźniki czasowe jedno-, dwu-, czy czterofunkcyjne, wielofunkcyjne – chyba najgwałtowniej rozwijane w ostatnich latach – oraz przekaźniki z tzw. opóźnionym odpadaniem. Te pierwsze nie wymagają komentarza i wyjaśnienia, choć warto zauważyć, że często jeden przekaźnik wielofunkcyjny z powodzeniem zastępuje kilka jedno- czy dwufunkcyjnych.

nowoczesne przekazniki i sterowniki plc w instalacjach automatyki domowej2Fot. 2. Przekaźnik RPI-1ZI-U24A dedykowany jest do obwodów o wysokim prądzie początkowym (obwody oświetleniowe). Fot. RELPOL


Zaś te ostatnie należy kojarzyć choćby z wentylatorem w hotelowej łazience, który co prawda uruchamia się równo ze światłem, lecz po wyjściu użytkownika wyłączany jest z 2-3 minutowym opóźnieniem w stosunku do światła. Ta sytuacja świetnie tą kwestię wyjaśnia: opóźnione odpadanie to po prostu czasowe podtrzymanie działania napędu urządzenia (przez przekaźnik) po tym, jak zasilanie zostanie wyłączone. Trzeba tu jeszcze wspomnieć o elemencie wykonawczym przekaźników, jakim jest styk roboczy – na polu automatyki domowej spotyka się najczęściej przekaźniki czasowe ze stykami przełącznymi, zwiernymi lub rozwiernymi. Dla styków roboczych każdy producent podaje wartość maksymalnego dopuszczalnego natężenia prądu (A), jaki może przez nie przepływać – to parametr istotny przy doborze przekaźników do konkretnej instalacji. Ważnymi parametrami przekaźników są też wartość i rodzaj napięcia zasilania cewki (jej napięcie znamionowe), ponieważ każdy przekaźnik zostaje zaprojektowany na prąd AC lub DC oraz na konkretne optymalne napięcie prądu elektrycznego, przy określeniu jego dopuszczalnej wartości minimalnej i maksymalnej. Wracając do styków (zwanych często zestykami), trzeba się też pochylić nad kwestią materiału z jakiego są wykonane, gdyż to wpływa na żywotność i niezawodność tych urządzeń. Ale o tym już w kolejnych rozdziałach.

nowoczesne przekazniki i sterowniki plc w instalacjach automatyki domowej3 Fot. 3. Sterowniki PLC sterują elementami domowej instalacji elektrycznej (oświetlenie, rolety, zraszacze). Fot. F&F FILIPOWSKI

Sterowniki PLC

Podobnie jak przekaźniki, programowalne sterowniki logiczne (w skrócie PLC) są bardzo zróżnicowaną grupą urządzeń stosowanych w automatyce i działających w oparciu o sygnały przekazywane w systemie binarnym (0 / 1). Dzięki odpowiednim algorytmom włączają i wyłączają pojedyncze urządzenia lub ich moduły wykonawcze za pośrednictwem impulsów elektrycznych. Sercem nowoczesnych sterowników PLC jest ich jednostka centralna (procesor CPU) pobierająca dane z pamięci urządzenia, następnie przetwarzająca je i na koniec wykonująca polecenia zakodowane w algorytmie programu. Moduły wejścia – głównie cyfrowe - odbierają sygnały z czujników i sond w postaci kodu binarnego i nawet jeśli dany sterownik wyposażony jest również w wejścia analogowe (np. ciągły pomiar ciśnienia), zmierzone wartości przekazywane w postaci sygnałów analogowych wpierw do przetworników, z których fi nalnie wychodzą już w postaci cyfrowej. Do sterowania dziesiątkami możliwych urządzeń wykonawczych służą moduły wyjściowe sterowników PLC – zarówno cyfrowe jak i analogowe. Za zasilanie odpowiadają zaś moduły stanowiące integralną część sterownika, lub też osobny komponent tej architektury. Zasilają one sterownik prądem zmiennym lub stałym. Nieodzownym modułem jest ten odpowiadający za komunikację sterownika z komputerem, czy panelem sterującym, jak też coraz częściej z innymi sterownikami. Niezbędna jest też oczywiście pamięć w której przechowywany jest program i w której wydzielona jest tzw. pamięć nieulotna. Z uwagi na budowę sterowniki PLC dzieli się na kompaktowe (1-modułowe), wielomodułowe w wersjach małych, średnich lub dużych (te ostatnie miewają po kilkaset wejść i wyjść i znajdują zastosowanie w przemyśle) oraz rozproszone, które stanowią swoistą sieć złożoną ze sterownika centralnego i rozproszonych modułów.

nowoczesne przekazniki i sterowniki plc w instalacjach automatyki domowej4Pięciokanałowy przekaźnik RH R5 z komunikacją radiową mocuje się na szynie DIN FF. Fot. F&F FILIPOWSKI

Nowoczesne przekaźniki czasowew automatyce domowej

Obecnie stosowane w inteligentnych i zautomatyzowanych domach przekaźniki czasowe to oczywiście wyroby którym należy dostarczyć wskazany przez producenta prąd stały lub zmienny. Każdy model cechuje się własną specyfi ką opisaną przez producenta. Standardowe napięcia prądu stałego (DC) to 12 V, 24 V i 48 V, zaś wymagany prąd zmienny (AC) to najczęściej prąd o napięciu 24V i 230V. Natomiast z punktu widzenia konfi guracji zestyków, przekaźniki czasowe można podzielić na takie, w których zastosowano zestyki zwierne (w spoczynku są otwarte), rozwierne (w spoczynku są zamknięte) oraz przełączne. Niezależnie jednak od tego, z która opcją mamy do czynienia, należy zwrócić uwagę na materiał z jakiego zestyki są wykonane. Najtańsze zestyki – te do obciążeń rezystancyjnych i w niewielkim stopniu indukcyjnych - wykonane są z połączenia srebra i niklu (AgNi), gdyż materiał ten przy niewielkim koszcie cechuje się niezłą odpornością na zgrzanie. Nieco wyżej w gradacji stoją zestyki z połączenia srebra i tlenku kadmu (AgCdO), których odporność na zgrzanie przy sporych obciążeniach prądem AC (obciążenia indukcyjne do 50A) jest wysoka. Kolejny poziom to materiał otrzymany z połączenia srebra i tlenku cyny (AgSnO2), którego odporność na zgrzanie jest doskonała i gwarantuje wytrzymałość na prądy szczytowe do 120 A. Natomiast najwyższy poziom jakości i wytrzymałości w kwestii materiałów użytych do wykonania zestyków to połączenie srebra i niklu z galwaniczną powłoką ze złota (AgNi oraz Au). Jeszcze jedna kwestia techniczna związana tym razem z montażem: najczęściej przekaźniki mocuje się na klasycznych szynach 35 mm za pomocą górnego i dolnego zaczepu. Jest to pewny sposób montażu, zapewniający jednocześnie łatwy ewentualny demontaż. Najnowocześniejsze przekaźniki stosowane w automatyce domowej to urządzenia wielofunkcyjne, wyposażone w programowalny wyświetlacz LCD i diody informujące o takich parametrach, jak m.in. zasilanie czy położenie styków. Wyświetlacze prezentują z reguły stan odmierzania każdego z nastawionych niezależnych czasów i nie raz pozwalają na wprowadzanie zmian w nastawach w trakcie działania przekaźnika, co da się zrobić nie tylko za pomocą przycisków lub pokręteł, ale też w niektórych modelach zdalnie, np. za pośrednictwem lokalnej sieci bezprzewodowej.

nowoczesne przekazniki i sterowniki plc w instalacjach automatyki domowej5Fot. 5. Dziś sterowniki w inteligentnych domach prawie zawsze wyposaża się w moduły bezprzewodowej komunikacji. Fot. PIXABAY

Najnowsze generacje sterownikóww instalacjach automatyki domowej.

Sterowniki PLC są urządzeniami o podobnych gabarytach i wyglądzie co opisane wyżej przekaźniki czasowe (wyświetlacze LCD, mocowanie na szynach TH35), jednak ich możliwości są znacznie szersze i po prostu inne. Jak nazwa mówi, urządzenia te sterują mechanizmami, napędami czy systemami, działając w oparciu o wpisane w nie programy. Dzięki temu realizują takie zadania jak m.in. sterowanie działaniem rolet okiennych, pracą oświetlenia w budynku, systemu przeciwpożarowego (kontrola nad siłownikami przy klapach pożarowych), czy silnika w nagrzewnicy wprzęgniętej w instalację inteligentnej wentylacji w budynku wyposażonym w system BMS. Tego typu standardowe sterowniki zostały już nie raz opisane na łamach „Fachowego Elektryka” i są czytelnikowi dobrze znane. Natomiast w dużych budynkach coraz częściej pojawiają się sterowniki wyższych generacji i bardziej złożone, posiadające wiele wspólnego z tymi, które z reguły kojarzone są z zastosowaniami w przemyśle. Najnowsze generacje tego rodzaju zaawansowanych sterowników programowalnych dość często wykorzystywane są na polu sterowania złożonymi układami oświetlenia, wentylacji czy ogrzewania w budynkach.

nowoczesne przekazniki i sterowniki plc w instalacjach automatyki domowej6Fot. 6. Programowanie sterowników może odbywać się z poziomu paneli obsługowych montowanych natynkowo lub podtynkowo.

Urządzenia te posiadają po 100-150 cyfrowych wejść / wyjść, co zapewnia bardzo szeroki zakres ich zastosowań. Cechują się m.in. opcjami szerokiej rozbudowy z kilkoma modułami rozszerzeń lokalnych na jednostkę podstawową oraz praktycznie nieograniczonymi możliwościami kombinacji jednostek podstawowych i modułów rozszerzeń przy ich mieszanym połączeniu(AC/DC/UC). Doskonałym przykładem takiego „kombajnu” jest seria urządzeń oferowanych na rynku pod nazwą easyE4 i zdatnych do pracy w zakresie od 110V do 240V zarówno dla napięć AC jak i DC. Oprócz uzupełniania modułów dedykowanych przemysłowi (pracujących w sposób uniwersalny w zakresie 12…24 V AC/DC), urządzenia te zastępują sterowniki programowalne (PLC) typowe dla automatyki budowlanej opartej na systemach o małej i średniej złożoności. EasyE4 jest bardzo ciekawym wyrobem z uwagi na fakt, iż w rzeczywistości jest pierwszym na rynku przekaźnikiem programowalnym, który działa w obszarach wcześniej zarezerwowanych dla sterowników PLC – właśnie dlatego nazywany jest sterownikiem. Jednostka podstawowa może być wyposażona w maksymalnie jedenaście modułów rozszerzeń o łącznej liczbie 188 wejść/wyjść cyfrowych.

nowoczesne przekazniki i sterowniki plc w instalacjach automatyki domowej7Fot. 7. Przekaźnik programowalny NEED-230AC-22-08-4R-D to 8 wejśc, 4 wyjścia i zasilanie 230V (AC). Fot. RELPOL

Nawet osiem jednostek podstawowych easyE4 może wymieniać między sobą dane w ramach sieci, w której może występować do 10 grup urządzeń. Co warto podkreślić – wyjścia analogowe tego sterownika mają wysoką rozdzielczość 12 bitów, co pozwala na znacznie dokładniejsze sterowanie (np. grzejnikami) niż to ma miejsce w przypadku standardowych 10-bitowych wyjść. Dzięki możliwości odczytu sygnałów DCF77, informacja o czasie w urządzeniu jest zawsze aktualna. Warte odnotowania jest to, że sterownik easyE4 może być programowany w czterech różnych językach programowania: schemacie blokowym funkcji, schemacie drabinkowym, tekście strukturalnym i własnym (stworzonym przez producenta) języku programowania „easy”. Po utworzeniu i zapisaniu programów można je załadować na urządzenie poprzez sieć lub przez zintegrowane gniazdo na kartę microSD.


Ponadto sterownik może być zintegrowany z rozwiązaniami wizualizacyjnymi, co zapewnia centralny przegląd wszystkich funkcji. Po połączeniu z lokalną z siecią, sterownik easyE4 może również wysyłać pocztą elektroniczną ostrzeżenia, które otrzymuje od przyłączonych czujników, dzięki czemu właściciele i mieszkańcy budynku (lub serwisanci) mogą zostać szybko poinformowani o awariach czy nieprawidłowościach (otwarte okna, przedostawanie się wody do piwnicy, awaria nagrzewnicy itp.). Na korzyść tego sterownika – który de facto jest programowalnym przekaźnikiem, przemawia też cena rynkowa, która w porównaniu do sterowników PLC stanowiących względny odpowiednik dla easyE4, jest znacząco niższa. W świecie automatyki domowej funkcjonują też sterowniki zaprojektowane do wykonywania szeregu akcji powiązań w instalacjach związanych z bezpieczeństwem, takich jak choćby instalacje przeciwpożarowe. Chodzi tu m.in. o sygnalizację pożaru pomiędzy różnymi systemami w celu wykonania całościowego scenariusza pożarowego w budynku.\

nowoczesne przekazniki i sterowniki plc w instalacjach automatyki domowej8Fot. 8. EasyE4 oferuje wizualizację dostępną poprzez wyświetlacz, Web Server oraz z wykorzystaniem Ethernet. Fot. EATON

Tego rodzaju programowalne sterowniki, nazywane sterownikami PPOŻ są projektowane w celu wsparcia funkcjonujących już w obiekcie innych systemów sygnalizacji pożaru i posiadają typowe cechy funkcjonalne sterowników wykorzystywanych w układach automatyki budynkowej BMS, jednocześnie spełniając rygorystyczne normy stawiane urządzeniom pożarowym. Niektóre modele sterowników PPOŻ umożliwiają sterowanie i monitorowanie stanu klap pożarowych odcinających, wyposażanych w inteligentne siłowniki przystosowane do współpracy np. z szyną komunikacyjną MP BUS. Dodatkowo urządzenia te wyposaża się w kilka wyjść przekaźnikowych umożliwiających sterowanie zewnętrznymi urządzeniami pożarowymi, oraz kilka wejść pozwalających na monitorowanie stanu urządzeń wykonawczych. Zaawansowane sterowniki PPOŻ wykonują zaprogramowane algorytmy sterujące na podstawie sygnałów sterujących pochodzących z zewnętrznych urządzeń kontrolnych i pracują zarówno autonomicznie jak i w sieciach. Komunikacja tych urządzeń w sieci może odbywać się po cyfrowej magistrali danych w oparciu o opracowane na ich potrzeby protokoły, co umożliwia wykonywanie złożonych algorytmów sterujących pomiędzy sterownikami wszystkich powiązanych instalacji.

W ramach podsumowania

Użytkownicy inteligentnych domów chętnie komunikują się z domową automatyką poprzez programowanie sterowników z poziomu urządzeń mobilnych lub komputera. Jednak oprócz nich funkcjonują również panele dotykowe montowane na ścianach (podtynkowo lub natynkowo) i dostępne w różnych wariantach wielkości – 7-10”, ale też i nawet 15-21”. Te estetyczne urządzenia dotykowe oferują szybki dostęp do ustawień systemu automatyki w całym domu i komunikują się ze sterownikami przy użyciu wielu różnych protokołów (np. BACnet MS/TP czy Modbus RTU). Bardzo często w codziennym języku ich użytkownicy nazywają je sterownikami, co jednak nie jest do końca słuszne – stanowią one raczej okno komunikacyjne, czyli interfejs dla wygody obsługi systemu.

Łukasz Lewczuk
Na podstawie materiałów publikowanych m.in. przez: Phoenix Contact,
Beckhoff Automation,
Bosh Rexroth,
Siemens,
Delta Electronics,
Hotpin Sp. z o.o.,
Zamel Sp. z o.o.,
Eaton Electric Sp. z o.o. oraz ETI Polam Sp. z o.o., F&F Filipowski Sp. j. i Relpol S.A.