DIY Home Automation mit SPS

Home Automation, Smart Home bezeichnet Gebäude-/Raumautomation im Privatbereich. Der Anwender ist zugleich Eigentümer und Administrator. 

In konventionellen Installation sind Schalter gleichsam Aktoren und werden in Serie mit dem Verbraucher geschaltet.

Für Automationssysteme mit getrennten Sensoren und Aktoren (Modbus / KNX) sind andere Leitungsführungen zu bevorzugen. Die Verbraucher werden anstatt auf Schalter auf Aktoren verdrahtet. Im Einfamilienhaus sind dies zumeist 4/8-kanalige Geräte  für den Sicherungskasten/Kleinverteiler. Diese Aktoren sowie die Taster werden mittels Buskabel untereinander und mit dem Steuerungssytem verbunden. Geeignete Buskabel dürfen zusammen mit der 230V Versorgung in einem Rohr verlegt werden. Diese Automationslösung ist die mit Abstand kostengünstigste.

In Bestandsbauten, wo geeignete Verbindungen und Bauraum in Sicherungskasten/KV fehlen, sind für nachträgliche Automation oft Funk-Systeme die einzige Möglichkeit. Die pro-Kanal-Kosten sind dabei erheblich höher, jedoch werden dabei in der Regel wesentlich weniger Verbraucher einzeln geschaltet. 

Mit einem 4-poligen Buskabel ist die Installation bereit für KNX wie auch KN2. Das auf Modbus RTU basierende Kopplernetz KN2 System unterstützt dieselben Installationstopologien (Baum, Stern, Linie) wie KNX. Die wesentliche Unterscheidung liegt im Steuerungskonzept.  

• KNX definiert die Beziehungen der Geräte untereinander. Die möglichen Funktionen sind durch die verwendeten Geräte bestimmt. 
• KN2 Module verwenden eine um ein Vielfaches schnellere Kommunikation und erlauben damit die Funktion im übergeordneten Steuerungssystem durch (selber) programmierte Funktionsbausteine zu definieren.

Im Grundausbau, d.h. beim einfachen Schalten des Lichts und Jalousien sind die Kosten der beiden Systeme nahezu gleich. Zusätzliche Funktionen und Geräte erfordern bei KNX den Einbau entsprechender Geräte wie Schaltuhren Gateways etc., während bei KN2 dies allein durch Erweiterung des SPS-Programms realisiert wird.

Hausautomation im Einfamilienhaus ist oft keine statische Angelegenheit. Im Laufe der Zeit kommen Systeme hinzu, deren Einbindung reizvoll wären.  Das sind über Ethernet steuerbare Audio/Video Komponenten, Hue Lampen, Energiezähler,  Visualisierung, Klimasensoren, Entfeuchter,  Belüftung, Zutrittskontrollsystem, Anwesenheitssimulation, Alarmierung, Lastmanagement für Solaranlagen usw.  Während sich Grundfunktion wie Licht und Beschattung in der SPS durch verbinden vorgefertigter Funktionsbausteine des Applikationsframeworks realisieren lassen, erfordert das Erstellen eigener Funktionsbausteine Kenntnis in der Programmierung.
KNX Automation in dieser Ausbaustufe erfordert diverse Zusatzgeräte und letzten Endes sehr oft auch wieder eine SPS. 

Für Anwender mit Erfahrung in prozeduralen Sprachen (C, Pascal, Modula, Visual Basic) ist die SPS für fortgeschrittenere Automation die weitaus flexibelste und kostengünstigste Lösung. 

Das Abbilden der gesamten Automation, von der EA-Ebene bis zur Visualisierung in einer einzelnen integrierten Entwicklungsumgebung, schafft grösstmögliche Übersicht und unmittelbare Reaktionsgeschwindigkeit.

Abwägung: KNX für sich alleine kann die Grundfunktionalität lösen. Das kann eine günstigere konventionelle Installation aber ebenso. Wenn für fortgeschrittenere Automation ohnehin eine SPS benötigt wird, weshalb nicht alles in dieser SPS lösen, anstelle von Engineering in unterschiedlichen Systemen mit zusätzlichen Schnittstelleaufgaben ?

Nebst leistungsfähigen Bibliotheken für gängige Anwendungen bietet die SPS darüber hinaus die Möglichkeit die Funktionalität anzupassen und zu erweitern. Die Integration von Solaranlage, Wärmeerzeugung und Laststeuerung der Haushaltsverbraucher und E-Auto Ladestation ist eine typische SPS Domäne.

SPS bieten Unterstützung für nahezu jedes Bus- oder Funksystem und lassen sich beliebig um analoge und digitale Ein-/Ausgänge erweitern.

CODESYS CONTROL sind SoftSPS welche auf unterschiedlichen Platformen laufen - vom Raspberry Pi über industrielle SPS bis zum PC. Das KN2 Applikationsframework für CODESYS enthält Beispiele für die Automation von Büros oder Einfamilienhäusern. Anwendungsframework und CODESYS Entwicklungsumgebung sind kostenlos.

Die Lichtsteuerung in der EFH Beispielapplikation schaltet die Leuchten mit Special-Load-Relais. Die Philips HUE Leuchten werden von der SPS über die Bridge angesteuert. Im Aus-Zustand bleiben sie ebenfalls über Relais vom Netz getrennt. Alle weiteren Verbraucher wie HiFi, TV, Kaffemaschine, Monitore werden nur bei Anwesenheit versorgt. Hierarchisch aufgebaute Zentralsteuerfunktionen lassen einzelne Räume, Stockwerke oder das ganze Haus ausschalten - mit Ausnahme der Gefrier- und Kühlschränke, welche mittels der Handbedienschalter der Aktoren dauerhaft eingeschaltet sind.

Kopplernetz-IO werden direkt über ihre Adresschalter mit dem Prozessabbild verbunden. Das ist sogar noch einfacher als die Verwendung der E/A direkt an der SPS. Durch die freie Skalierbarkeit sind einfache Home-Automationslösungen mit minimalen Initialkosten (Raspberry, CODESYS SPS Lizenz,  ModbusTCP/RTU Gateway, 24V Speisung) möglich. 

Die Adressschalter der  KN2 E/A-Module identifizieren die Geräte sowohl optisch für den Anwender als auch elektronisch für das Steuerungssystem.  

Beispiel für 5 Räume mit durchschnittlich je zwei Bedienstellen, zwei Jalousieantrieben und 4 geschalteten Verbrauchern (Licht, Steckdosen). Aufgrund der sehr geringen Grundkosten für die Steuerung und Busankopplung bleiben die Kosten pro Kanal auch bei halb so grossem Ausbau ähnlich tief.  

Bei der Gegenüberstellung zur konventionellen Grundausstattung ist zu beachten:

• Bei der Automation werden üblicherweise weit mehr einzelne Kanäle geschaltet. Was eine Bus-Installation einsparen könnte, wird i.d.R. durch zusätzlichen Luxus/Installationen mehr als wettgemacht.
• Mit der erhöhten Anzahl Taster, Steckdosen und Lampenstellen werden auch zusätzliche Installationsrohre und Kabel erforderlich. 
• Jede vom 'Standard' abweichende Installationsart erhöht den Abstimmungsbedarf mit dem Installateur.
• Die Konfiguration/Programmierung, auch wenn selber gemacht, schafft einen einen Aufwand.