Głównym elementem odpowiedzialnym za kontrolę naszego systemu nawadniania jest sterownik EATON easyE4 o oznaczeniu EASY-E4-UC-12RC1P, którego pełną specyfikację znajdziecie tutaj: https://www.eaton.com/pl/pl-pl/skuPage.197504.html

Sterownik easyE4 oferuje elastyczne możliwości programowania, zarówno bezpośrednio na urządzeniu, jak i poprzez oprogramowanie easySoft, które w wersji V8.30 zostało wykorzystane do stworzenia tego programu przy użyciu języka ST. Dodatkowo ta wersja oprogramowania (easySoft) udostępnia użytkownikowi narzędzie o nazwie WebVisu, które w łatwy sposób pozwala na stworzenie prostej i przejrzystej wizualizacji, z możliwością dopasowania rozdzielczości do różnych urządzeń np. smartfon czy tablet. Dostęp do niej jest możliwy dzięki wbudowanemu serwerowi sieci Web.

Poniżej przedstawione zostały fragmenty kodu wraz z opisem, które pozwolą zrozumieć ideę jego działania.

Kontrola poziomu wody w zbiorniku

Kontrola poziomu wody w zbiorniku odbywa się przy pomocy sygnałów cyfrowych, pochodzących z trzech czujników: I01 – poziom min, I02 – poziom 50% oraz I03 – poziom max.

W przypadku wystąpienia błędu któregokolwiek z czujników poziomu (Rys 2-5) uruchamiany jest timer T01 (5 sekund), jeżeli w zadanym czasie błąd nie ustąpi generowany jest alarm (M08) „Błąd czujnika poziomu”, który powoduje blokadę pracy pompy oraz uniemożliwia otwarcie elektrozaworu.

Sterowanie elektrozaworem

Jeżeli ilość wody w zbiorniku spadnie poniżej poziomu minimum nastąpi automatyczne otwarcie elektrozaworu w celu jej uzupełnienia. Sterowany jest on przy pomocy wyjścia cyfrowego Q02. Elektrozawór pozostaje otwarty do momentu, gdy poziom wody w zbiorniku osiągnie 50%.
W przypadku, gdy poziom wody opadł podczas podlewania praca pompy jest natychmiast blokowana, aby ją zabezpieczyć przed uszkodzeniem (suchobiegiem).

Sterowanie – tryb ręczny

Wybór sterowania pomiędzy trybem automatycznym, a ręcznym został zrealizowany w oparciu o licznik zliczający impulsy. Pojawienie się pierwszego impulsu z wejścia cyfrowego (I04) (przycisk zewnętrzny) lub z przycisku dostępnego na wizualizacji spowoduje wybór sterowania ręcznego oraz uruchomienie podlewania. Czas trwania nawadniania w trybie ręcznym został zdefiniowany przy pomocy timera T02 (15 minut). Po jego upływie zostanie wygenerowany kolejny impuls, który zakończy podlewanie, a sterowanie powróci do trybu automatycznego. Jeżeli zajdzie taka potrzeba, możliwe jest również przerwanie podlewania w dowolnym momencie – wystarczy ponownie nacisnąć przycisk (zewnętrzny) lub przycisk na wizualizacji.

Sterowanie – tryb automatyczny

Sterowniki easyE4 udostępniają moduły sterujące WT (WeekTable). Za pomocą tygodniowego zegara sterującego w prosty sposób zostało sparametryzowane powtarzalne zdarzenie przełączania – podlewanie w trybie automatycznym. Odbywa się ono od poniedziałku do piątku, rozpoczyna się o 5:30 i trwa przez 15 minut.

Wyświetlacz easyE4

Urządzenia podstawowe easyE4 udostępniają 32 moduły znaczników tekstowych (Display). Każdy moduł umożliwia wydawanie indywidualnie zaprogramowanego wyświetlania tekstu na wyświetlaczu urządzenia easyE4 lub innym zewnętrznym wyświetlaczu cyfrowym, a także indywidualnie zaprogramowane wprowadzanie za pomocą przycisków P urządzenia.

Każde wyświetlanie tekstu składa się z 6 wierszy po 16 znaków. Łącznie ma zatem 96 znaków. Dostępny jest edytor tekstu w ramach easySoft 8. Na pulpicie roboczym można umieszczać makra graficzne, tekst, wskazania wartości, wskaźniki słupkowe, tekst kroczący, teksty komunikatów oraz wskazania daty i tekstu.

Wywoływanie w programie następuje za pomocą wejścia modułu EN. Jest w ten sposób aktywowane wskazanie tekstowe.

– czas pracy pompy / otwarcia elektrozaworu

Przycisk P1

easyE4 udostępnia 4 moduły licznika godzin pracy, dwa z nich zostały wykorzystane do zliczania czasu pracy pompy oraz czasu otwarcia elektrozaworu. Sygnałami wyzwalającymi liczniki są odpowiednio sygnał DO załączenia pompy do pracy oraz otwarcia elektrozaworu. Stany obu liczników pozostają zachowane po zaniku napięcia, ale dostępna jest opcja ich skasowania przy pomocy przycisku P7 [DEL]. Powrót do ekranu głównego następuje po naciśnięciu przycisku P6 [ESC].

Konfiguracja ekranu odbywa się w prosty sposób przy pomocy edytora znaczników tekstowych.

– kontrola programu

Przycisk P3

Ekran służy do kontroli wszystkich sygnałów DI oraz DO z programu: kontrola poziomu wody w zbiorniku oraz czujników, stanu pracy zaworu oraz pompy, a także aktualnego trybu pracy. Powrót do ekranu głównego następuje po naciśnięciu przycisku P6 [ESC].

Konfiguracja ekranu odbywa się w prosty sposób przy pomocy edytora znaczników tekstowych.

>> Pełny kod programu do pobrania w pliku:

Artykuł Kontrola poziomu wody w zbiorniku na deszczówkę, sterowanie elektrozaworem i automatyczne nawadnianie ogrodu z easyE4 pochodzi z serwisu Elektryka Prąd Nie Tyka - instalacje elektryczne w praktyce.

Załóżmy, że potrzebujemy sterownik mający cztery wejścia i dwa wyjścia analogowe 4-20 mA, trzy cyfrowe wyjścia oraz sześć cyfrowych wejść np. na przyciski. Sama jednostka centralna PLC to koszt rzędu kilka-kilkanaście tysięcy złotych. Przekaźnik programowalny to zaledwie kilka stówek, ale… Sama jednostka popularnego modelu przekaźnika programowalnego ma 8 wejść cyfrowych i 4 wyjścia przekaźnikowe. Jeśli wyjścia mają pracować maksymalnie szybko i bardzo często to wyjścia przekaźnikowe odpadają i trzeba dodać moduł wyjść tranzystorowych.

Cztery wejścia analogowe to aż dwa moduły z dwoma wejściami. Dwa wyjścia analogowe to kolejny moduł. Razem z jednostką centralną, mamy pięć modułów. Do zaprogramowania trzeba jeszcze zakupić licencję na oprogramowanie, które oczywiście wymaga posiadania komputera często z płatnym systemem operacyjnym. Moduły z licencją wyjdą łącznie nieco ponad dwa i pół tysiąca złotych netto. Do kosztu trzeba jeszcze doliczyć licencję na system operacyjny i czas potrzebny na naukę egzotycznego obrazkowego języka programowania.

Ktoś tu może rzucić słowo: Arduino. Moja odpowiedź brzmi: i tak i nie. Wiele osób próbowało użyć płytki prototypowej z tej rodziny i po udanym starcie, przyszło rozczarowanie w postaci częstych awarii powodujących straty wielokrotnie przekraczające koszt PLC czy przekaźnika programowalnego.

Płytki prototypowe Arduino to nic innego jak płytka PCB z jakimś mikrokontrolerem, gniazdami i paroma elementami na krzyż. Pierwotnie miało to służyć do obniżenia kosztów nauki programowania mikrokontrolerów i ułatwienia wejścia w tą drogę. Jednak wiele osób wręcz zaczęło to uważać za budulec wszelakiej elektroniki i z braku wiedzy oraz jakiejkolwiek chęci do nauki, używać to do celów, w których zwykły przekaźnik lub nawet pojedynczy tranzystor zrobi dokładnie to samo, ale lepiej, taniej i bardziej bezawaryjnie.

Nie znaczy to jednak iż to nie jest kompletnie przydatne w automatyce. Oczywiście awaryjność i znacznie utrudniony montaż niemal całkowicie wykreśla to z zastosowań w automatyce, ale nazwa płytka prototypowa chyba jasno wskazuje iż służy to do prototypowania.

Najpopularniejsze płytki Arduino zawierają w sobie mikrokontroler z rodziny ATmega, który może w większości modeli nie należy do bestii wydajności czy możliwości, ale niski koszt, mały rozmiar i bezawaryjność samego mikrokontrolera, powoduje, że jest w masowej produkcji wiele urządzeń korzystających z niego.

Dla przypomnienia, mikrokontroler (μC) to układ scalony zawierający w jednej małej obudowie procesor, pamięć RAM, pamięć programu, układ wejścia-wyjścia i często pamięć flash na dane nieulotne. Wiele z nich do działania wymaga paru drobnych elementów, np. rezystor i kondensator do zresetowania po włączeniu. Niektóre nawet nie potrzebują kompletnie nic – no może tylko zasilanie.

Docelowy sterownik można wykonać na samodzielnie zaprojektowanej i nawet samodzielnie wykonanej PCB, a przy odrobinie wprawy można nieco uprościć stosując płytkę uniwersalną.

Wejścia analogowe 4-20 mA nie są wielkim problemem. Rezystorem “zamieniamy” prąd na napięcie i pozbywamy się zakłóceń kondensatorem. Popularna ATmega328P ma sześć wejść przetwornika ADC który ma rozdzielczość 10 bit, co w wielu wypadkach jest nadto wystarczające. Zawsze można się pokusić o optoizolację lub o lepsze wykorzystanie rozdzielczości przetwornika za pomocą wzmacniacza operacyjnego, poprzez offset tych 4 mA.

Gdyby ilość wyprowadzeń (z wejściami analogowymi na czele) nie byłaby wystarczająca, to oprócz układów na magistrali I2C, można wykorzystać innym mikrokontroler, np. ATmega32A, ATmega2560 lub coś z rodziny STM 32 – zwłaszcza jeśli potrzebujemy coś szybszego. W każdym razie oczywiście trzeba zbuforować wyjścia oraz wejścia – nawet jeśli nie potrzebujemy 24 V, gdyż wyładowanie elektrostatyczne oraz napięcia indukowane podczas pobliskich przepięć, mogą skutecznie uśmiercić strukturę krzemową. Lepiej wymienić groszowy scalak w podstawce, niżeli mikrokontroler montowany powierzchniowo i jeszcze ponownie go programować.

Z wyjściem analogowym w atmegach nie jest aż tak prosto, gdyż nie ma wbudowanego przetwornika DAC. Najprościej można wykorzystać wyjścia PWM i zamienić PWM na sygnał analogowy za pomocą dwóch filtrów RC na każde wyjście.

Sygnał PWM wymaga odfiltrowania i oferuje zaledwie 8-bitową rozdzielczość. Jeśli to nie jest wystarczające, do wyboru jest dużo niedrogich przetworników DAC, jak na przykład 12-bitowy MCP3204.

Jako obudowę takiego sterownika, można wykorzystać obudowę uniwersalną do montażu na szynie TH35, albo obudowę jakiegoś bardzo starego lub zepsutego sterownika. W drugim przypadku będzie więcej miejsca na “wysokość”, dzięki czemu bez problemu umiejscowimy wewnątrz wyświetlacz LCD, np. 4×20 znaków na bazie popularnego sterownika HD44780.

Klawiaturę można wykonać na wiele sposobów. Tanią, trwałą i zarazem efektowną klawiaturę membranową można zaprojektować i zamówić lub zamówić wraz z zaprojektowaniem, co wbrew pozorom nie jest ani skomplikowane ani drogie.

Jak czas lub koszt bardzo gra rolę, to można przylutować zwykłe microswitche do płytki uniwersalnej oraz przewiercić otwory na przyciski. Warto wtedy skorzystać z drukarki etykiet lub zwykłej drukarki, nożyczek i kleju, gdyż prędzej czy później zapomni się co jest co.

Mikrokontroler oczywiście trzeba zaprogramować. Do popularnych rodzin μC istnieje pełno oprogramowania oraz programatory, które obecnie są okrutnie tanie. Złącza JTAG, USB czy ISP nie są żadnym problemem. W przypadku ISP można pisać zarówno w klasycznym C i ulubionym edytorze albo w razie braku czasu skorzystać z Arduino, zawierającego dość dużo bibliotek do obsługi peryferiów.

Użytkownicy systemów Linuksowych, oprócz bardzo bogatego oprogramowania, mogą wykorzystać jakikolwiek edytor oraz oskryptować kompilację wraz z programowaniem – często to są aż trzy etapy, gdyż kod często kompilowany jest do postaci szesnastkowej, co trzeba skonwertować do binarki, a następnie z tego pliku uruchomić proces flashowania.

Programowanie wykonywane przez człowieka, tak jak każda inna czynność, narażona jest na błędy, więc bardzo pomocne mogą być diody LED sygnalizujące stan wyjść czy nawet wejść.

Koszt całego przedsięwzięcia to między pięćdziesiąt a kilkaset złotych oraz kilka godzin pracy. W porównaniu do przekaźnika programowalnego jest nieco taniej i dzięki temu mamy możliwość wykorzystania “normalnego” języka programowania, zamiast obrazkowego – którego trzeba się nauczyć, zapłacić za oprogramowanie i liczyć na to, że będzie spełniać nasze potrzeby.

Oczywiście wiele fabrycznych sterowników PLC umożliwia zaprogramowanie ich w C, ale trzeba dopisać co najmniej jedno zero do faktury. Nie wspominając o własnościowym oprogramowaniu, często wymagającym posiadania konkretnej wersji Windowsa. Obecnie każdy mikrokontroler można bez najmniejszego problemu zaprogramować w systemach *nix (FreeBSD, OpenBSD, Linux, OSX), nie martwiąc się o brak kompatybilności oprogramowania czy konieczności posiadania wydzielonego osobnego starego komputera, który zepsuje się szybciej niż PLC.

Przy większych projektach, może być potrzebna magistrala CAN lub sieć Ethernet. Przy Atmegach na bardzo upartego można dodać transceiver CAN i ewentualnie drugi mikrokontroler do jego osobnej obsługi. Lepszym pomysłem wydaje się być ESP32 który posiada między innymi CAN oraz WiFi. Niektóre modele z rodziny STM32 posiadają Ethernet oraz jedną-dwie CAN z niewielkim buforem.

Przy projektach z siecią Ethernet popularny jest Raspberry Pi, ale jego koszt i niska dostępność mogą być zniechęcające. Z racji iż to jest wydajny komputer z zewnętrzną pamięcią DDR, to zaprojektowanie własnej płytki nie jest ani proste ani szybkie. W jego miejsce można wykorzystać podobne mikrokomputery z takimi samymi wyprowadzeniami GPIO – obecnie chyba najpopularniejsze to Orange Pi, Banana Pi oraz Radxa.

Dla niektórych mogą wydawać się kuszące płytki z procesorem x86, jak w większości komputerów biurkowych i laptopów, jednak często są dość drogie, wymagają większego chłodzenia oraz większego i droższego zasilacza. No może nie dotyczy to Intel Atom, ale kosztem ułamka wydajności nieco archaicznego RK3399.

Artykuł Tania automatyka, czyli co zamiast sterownika PLC? pochodzi z serwisu Elektryka Prąd Nie Tyka - instalacje elektryczne w praktyce.

Artykuł Pierwsze kroki z Arduino pochodzi z serwisu Elektryka Prąd Nie Tyka - instalacje elektryczne w praktyce.

Artykuł Montaż klimatyzatora w CSS pochodzi z serwisu Elektryka Prąd Nie Tyka - instalacje elektryczne w praktyce.