Elektrotechnik: Heimautomation/Hausautomatisierung mit einer SPS

Eine Hausautomatisierung mit einer SPS ist nicht gerade eine besonders häufig anzutreffenden Lösung im so genannten "Smart-Home"-Geschehen. Da ich sie aber für ziemlich gut halte, stelle ich sie hier vor.

Links zu den wesentlichen Programm-Bausteinen

• Der "Monoflop-Eltako"-Funktionsbaustein zur universellen Steuerung von Verbrauchern im Haushalt
• Der "Mehrfach-Taster"-Funktionsbaustein zur Auswertung gewöhnlicher Tastersignale

Das Gesamtkonzept im relativ knappen Überblick

Aller sichtbaren Schalterelemente im Haus sind Taster eines beliebigen Herstellers gewöhnlicher Haushaltsschalter- und Steckdosenserien. Zusätzlich gibt es Sensoren im weitesten Sinne, also Bewegungsmelder, berührungslose Näherungsschalter, Lichtschranken oder ähnliches. Diese werden wie bei SPSen üblich mit 24 V Funktionskleinspannung betrieben und liefern digitale Eingangssignale. Die Ausgangssignale der SPS steuern fast immer über Koppelrelais 230 V-Niederspannungsstromkreise an. Damit werden also Licht, Lüftung, Pumpen, Magnetventile usw. geschaltet. Es gibt auch einige Kleinspannungsstromkreise für Türöffner, Heizungsventile usw.

Es gibt fünf Unterverteilungen in denen die Sensor-/Aktorsignal dezentral erfasst bzw. ausgegeben werden. Drei davon versorgen je eine (bis auf die Steuerung autonome) Wohneinheit im Haus. Zwei machen allgemeine Dienste wie Beleuchtung im Keller, auf dem Dachboden, im Treppenhaus, den Türöffner, Pumpen, Ventile zur Gartenbewässerung, Gasverbrauch zählen und Außenbeleuchtung. Sämtliche Logik wird aber zentral in der CPU bearbeitet.

Die Elektroinstallation selbst, also die Leitungen, ist für jede Verteilung zentral, sternförmig aufgebaut. Es geht also von jeder Leuchte, von jeder Steckdose eine eigene Leitung in die Unterverteilung, so dass von dort alles einzeln geschaltet werden kann. Das gleiche gilt für alle Schalter oder Sensoren. Man kann sagen alle Leitungen einer Wohneinheit/Etage landen ohne eine Klemmstelle in der dortigen Unterverteilung. Sämtliche Sensorik nur mit "Telefonleitungen" (J-Y(St)Y) verdrahtet.

Die Verbindung zwischen CPU und der dezentralen Peripherie erfolgt über Profibus (lila Kabel) und Profinet (über gewöhnliche Ethernet-Kabel), die Verwendung von Profibus hat historische Gründe und ist auch eine Preisfrage, weil diese Komponenten ziemlich günstig gebraucht zu bekommen sind.

Die grundsätzliche Funktionalität der Gesamtanlage

Da alle Taster wie gewöhnliche Schalter aussehen, wie man sie halt von Haushaltsinstallationen kennt, ist das System sehr unauffällig und verhält sich zunächst auch so: Einmal drücken Licht an, nochmal drücken Licht aus.

Wenn man nun fragt, was soll das alles, das ist doch irgendwie nur das, was eine gewöhnliche Schaltung mit Stromstoßrelais (Markenname "Eltako") kann, dann stimmt das in der einfachsten Bedienung, wenn man nichts von der dahinterliegenden Technik weiß. Tatsächlich wird aber jeder Schalter/Sensor einzeln von einem Erfassungsbaustein ausgewertet, und jeder Aktor über einen speziellen Baustein einzeln angesteuert.

Der Aktuator-Baustein erscheint wie ein Stromstoßrelais, ist aber intern auch eine Art Treppenlicht, denn es läuft immer eine Zeit, nach der das Licht automatisch ausgeht. Diese Zeit ist im Allgemeinen für die Wohnräume recht lang, also einige Stunden, aber wenn man das Licht vergisst, geht es eben doch irgendwann von selbst aus. Und es liegen immer zwei Zeiten hinter der Funktion: eine kurze und eine lange. Für die "normalen" Räume ist das eher unwichtig, aber für ein Treppenhaus, das normalerweise nur 5 min an ist, will man manchmal doch, dass es länger bis zum Ausschalten dauert. Drückt man länger auf den Taster, läuft alles mit der "langen" Zeit ab. Jede Zeit ist natürlich individuell parametrierbar, und wenn man den Taster vor Ablauf der Zeit einfach noch einmal betätigt, geht das Licht auch wieder aus. Daher das Prädikat "unauffällig".

Entstanden ist das alles mal aus dem Wunsch, einen wirklich guten "Treppenhausautomaten" zu programmieren. Dieser sollte auch von Personen, die von aller dahinterliegender Technik nichts wissen (also auch von Menschen, die nur zu Besuch sind) möglichst ohne Rückfragen bedient werden können bzw. sich selbst bedienen (im Falle von Bewegungsmeldern).

Da alles zentral verarbeitet wird, sind alle möglichen Funktionen denkbar. Prinzipiell könnte jeder Schalter jede beliebige Leuchte oder jede andere Funktion steuern. Daher sind auch Programmierungen implementiert, dass überall im Haus das Licht ausgeht, wenn man einen bestimmten Taster sehr lange betätigt. Es gibt auch eine Panik-Funktion, die alle Leuchten im Haus einschaltet, wenn man bestimmte Taster mehrmals betätigt.

Dadurch wird mit einem gewöhnlichen Taster sehr viel möglich: Einfach drücken = Deckenlicht, zweimal die Leseleuchte rechts und dreimal die Leseleuchte links. Damit ist alles denkbar, was man sich im Alltag zu merken bereit ist.

Über die sonstige Sensorik, vom Bewegungsmelder über Lichtschranke zum Näherungsschalter gibt es ein eigenes Kapitel.

HMI im Haushalt? - Funktionell, aber teuer und nicht besonders schön

Außer den normalen Lichtschaltern gibt es fast keine weiteren Bedienelemente. Zwar gibt es ein Bedienpanel, also ein Visualisierung auf einem Touchpanel, aber die ist halt sehr "industriemäßig" und nicht sonderlich schön. Das liegt daran, dass die kleinen industriellen Touchpanels einen wirklich sehr kleinen Bildschirm, mit heutzutage unterirdisch schlechter Auflösung haben und immer noch ziemlich teuer sind. Dagegen sind Lösungen auf einen "ausrangierten iPad" zwar prinzipiell denkbar, aber sie setzen oft viel zusätzliche Soft- und mindestens einen kleinen Server als zusätzliche Hardware voraus.

Tastenfelder mit Profinet-Anschluss sind ebenfalls recht teuer, aber natürlich sehr einfach zu verdrahten (nur eine Netzwerkleitung und 24 V-Spannungsversorgung) und ziemlich flexibel (auch in der Anzeige durch die eingebaute Tastenbeleuchtung).

Erster Einblick in die Programmierung

Das Grundgerüst aller Funktionalität besteht aus nur zwei Funktionsbausteinen (das sind sozusagen "Unterprogramme" einer SPS) von denen einer jeweils einen Schalter auswertet und der andere ein Koppelrelais ansteuert. Dazu kommt natürlich einiges an "Kleinigkeiten", die SPS weiß auch wie spät es ist (und auch welches Datum wir haben) und ein Sensor misst auch die Umgebungshelligkeit, um eine Entscheidungsgrundlage zu haben, ob ein Bewegungsmelder das Licht wirklich anmachen soll.

Die Bausteine sind alle in SCL (normgerecht heißt die Sprache ST) programmiert, das eigentliche Programm in KOP. Wer die Bausteine ausprobieren will, kann sie von meiner Web-Seite kopieren. Die Anleitung dazu ist aber noch nicht wirklich gut.

So etwas wie ein Fazit

• Ist das besser als WLAN-Komponenten in Abzweigdosen (gemeint sind "Shellys", die sehr wohl ihre Berechtigung in der Nachrüstung haben!)?
  Natürlich ja.
• Braucht es eine Cloud?
  Natürlich nicht! - Aber Bedienung von Ferne ist ein Problem, dessen Erläuterung hier den Rahmen sprengt.
• Haben irgendwelche Geräte Akkus, die man aufladen muss?
  Bis auf zwei Experimental-Shellys, nein!
• Ist es besser als KNX?
  Ja, vielleicht, vielleicht auch eher nein ... aber sicher viel billiger in den Komponenten! KNX macht Visualisierung wesentlich besser und die Eingangsdaten sind auch leichter zu erfassen, weil es eben eine Busleitung gibt und schon jeder einzelne Schalter "intelligent" ist, es aber auch sein muss und daher teuer ist. Mit der SPS können beliebige, sehr einfache, sehr gute Schalter verwendet werden,es gibt keine Einschränung in der Auswahl. Die Erfassung von Analogwerten wie Temperatur und Luftfeuchte ist mit KNX aber wiederum viel einfacher.
• Kann man das kombinieren?
  Ja, sicher, hier läuft auch ein ioBroker für ein paar Shellys die MQTT sprechen, für eine Anzeige und für Experimente mit KNX. Ich bin in der Programmierung zwar wesentlich flexibler als KNX, aber ich muss wirklich alles selbst erfinden und es ist eben auch nicht dezentral, wenn hier die SPS-CPU ausfällt, ist alles dunkel, das ist bei KNX anders.
• Was würde ich grundsätzlich empfehlen?
  Wann immer man eine Elektrik erneuert, sollte man Leitungen zu allen Verbrauchern sternförmig aus der Unterverteilung ziehen, egal, welches System man dort einbaut! - Und wenn man dort nur günstige Stromstoßschalter ohne jegliche Intelligenz installiert. Genau das gleiche gilt für die Schalter oder Sensoren: Eigene Leitungen (Kleinspannung genügt!) zu jedem Schalter. Keine Frage, hier wäre ein Bussystem wesentlich besser, aber eben auch wesentlich teurer. - Wenn Shelly endlich ein KNX-Eingangsmodul für die Montage in tiefen Dosen für 15 EUR rausbringt, kommt KNX auch für "Normalverbraucher" in Betracht, derzeit ist es nur etwas für "Besserverdienende" (oder wenn man es gesponsert bekommt).
• Was sind grundsätzliche Probleme?
  Analogwerte erfassen ist mit einer SPS mindestens schwierig, vor allem aufwändig und relativ teuer.
  Die originäre Visualisierung ist nicht gerade schön und ebenfalls erstaunlich teuer. So etwas Elegantes wie einen "Glastaster", der en passant die Raumtemperatur erfasst und nebenbei einiges anzeigt, vermisst man eben doch.
• Bin ich zufrieden?
  Im Alltag sehr, sonst hätte ich schon etwas geändert. An mit ein paar Funktionen experimentiere ich noch. Das nächste größere Projekt ist die zentrale Steuerung der Heizkörperventile ...

So viel zum Kurzabriss, Genaueres zur Programmierung in den Links zu den Bausteinquellen oben, aber das ist immer "in Arbeit" und nie so recht abgeschlossen, weil es mir ja vor allem Spaß machen soll.