Nachdem es um meine kleine Serie über Planung in den letzten Monaten etwas ruhig war, geht’s heute damit weiter. In diesem und dem nächsten Artikel geht es um die Auswahl der Geräte, die wir brauchen werden. Für die Planung einer Anlage unterscheidet man alle Geräte grob nach Art und Typ, wobei aus dem Typ die Art folgt, aber nicht umgekehrt.

Dazu ein Beispiel aus dem richtigen Leben: Wenn der Wasserkocher kaputt geht, aber wir in Zukunft weder auf heißen Tee verzichten, noch jedes Mal einen Topf Wasser aufsetzen wollen, wird uns nichts anderes übrig bleiben, als ein neues Gerät aus der Geräteart Wasserkocher zu kaufen. Also ziehen wir los und finden im gutsortierten Elektronikhandel was wir suchen, nämlich ein ganzes Regal voll mit verschiedenen Typen von Wasserkochern, z.B. von Cloer oder WMF oder der Hausmarke.

Anderes Beispiel: Wir brauchen ein neues Auto. Wir wissen zwar noch nicht genau was wir wollen, aber es soll von der Geräteart PKW sein. Damit sind schon einige Merkmale wie ungefähre Größe, Masse und Transportkapazität spezifiziert, aber da wir noch nicht wissen, welches Auto am besten zu uns passt, schauen wir uns auf dem Markt um. Da gibt es dann die Typen VW Golf, Mercedes Benz S-Klasse, Renault Twingo und so weiter.

Erinnern wir uns an den allerersten Beitrag: Da geht es darum, das Was? vom Wie? zu trennen, also zunächst zu spezifizieren, welches Problem zu lösen ist, bevor man sich an die Lösung macht. Allgemein ist in diesem Sinne die Geräteart die Antwort auf die Frage nach dem Was? und der daraus resultierende Gerätetyp die Antwort auf die Frage nach dem Wie?.

Beginnen wollen wir mit der Festlegung der Gerätearten. Wir werden Aktoren brauchen, mit denen wir den den Wasserfluss steuern, eine Steuerung, in der das Programm für die Bewässerung abläuft und Sensoren, durch die wir Informationen aus dem Feld erhalten. Heute behandeln wir die Auswahl einer geeigneten Steuerung. Ich fange deswegen mit der Steuerung an und nicht mit den Feldgeräten, weil das für meinen Fall die günstigere Reihenfolge ist. Oft hat man in der Anlagenplanung mit Änderungen an oder Erweiterungen von bestehenden Anlagen zu tun, in denen es schon eine bestimmte Art von Leittechnik gibt. Dann ist es naheliegender weise unzweckmäßig, für das Neue eine ganz andere Leittechnik zu planen. Aber auch bei kompletten Neubauten geht alles mit dem Leittechnischen Grundkonzept los und dafür ist die Auswahl der Steuerung natürlich eine wichtige Grundlage.

Das Wort Steuerung taucht hier in zwei Bedeutungen auf. Zum einen ist damit die Aufgabe gemeint, also das Ansteuern der Aktorik nach einem festgelegten Programm. Zum andern bezeichnet man auch die Hardware, auf der das Programm läuft inklusive der Signal-Ein- und Ausgänge (E/A) als Steuerung. Für Steuerungen aller Art gibt es einige generelle Anforderungen. Insbesondere muss eine Steuerung…

  • den notwendigen Funktionsumfang bieten
  • einfach konfigurier- und wartbar sein (Zur Wartung gehören auch Programmänderungen)
  • robust und zuverlässig sein – viele Steuerungen arbeiten jahrzehntelang ohne Unterbrechung
  • möglichst einfach aufzubauen sein
  • möglichst kostengünstig sein

Im Prinzip gibt es zwei Möglichkeiten, wie man eine Steueraufgabe lösen kann: Entweder gibt es eine Lösung von der Stange oder man muss eine maßgeschneiderte Lösung finden. In beiden Fällen sollte man sich Gedanken um die oben genannten Punkte machen.

Ersteres ist eigentlich immer zu bevorzugen. Mit Standardlösungen hat man in der Regel wenig Probleme, weil sie ausgereift und meistens auch günstig sind. Das ist besonders von Vorteil, wenn die Aufgabe besondere Spezialkenntnisse erfordert, wie z.B. eine Brennersteuerung oder der Maschinenschutz einer Dampfturbine. Anlagenplaner, die meistens eher Generalisten sind, greifen gerne auf die Fachkenntnisse einschlägig bekannter Firmen zurück, wenn sie können, besonders wenn es um sicherheitsgerichtete Anwendungen geht. Im Fall meiner Gartenbewässerung muss ich natürlich keine besonderen sicherheitstechnischen Anforderungen zu erfüllen. Aber ich habe ein paar Wünsche, die nicht direkt mit Gartenbewässerung zusammenhängen und damit die Verwendung eines Standardgerätes eher ausschließen:

  • Industrieübliche Ein- und Ausgangssignale[1], damit ich frei in der Auswahl von Sensoren und Aktoren bin
  • Verrohrung und Aktorik aus Metall
  • Einbindung von Sensoren für Temperatur, evtl. Bodenfeuchte und evtl. Durchfluss
  • Datenlogging
  • Evtl. Einbindung anderer Automatisierungssysteme
  • Evtl. Prozessvisualisierung

Im Folgenden finet Ihr eine kurze Liste von möglichen Systemen, die man für die Bewässerungssteuerung einsetzen kann, jeweils mit ihren spezifischen Vor- und Nachteilen.

Beispiele für Steuerungen

 

Fertige Bewässerungssteuerung

Da automatisierte Gartenbewässerung keine besonders exotische Anwendung ist, gibt es dafür von verschiedenen Herstellern fertige Steuerungen von unterschiedlicher Komplexität und Leistungsfähigkeit. Das geht bei einfachen Zeitschaltuhren für ein paar Euro los, die man direkt zwischen Wasserhahn und Schlauch schaltet. Komplexere Geräte sind schon programmierbar und haben evtl. mehrere Anschlüsse. Dann kommen die “richtigen” Steuerung für die Wandmontage. Diese bieten erweiterte Möglichkeiten zur Parametrierung, z.B. den Anschluss von Regensensoren und können mehrere Wasserlinien ansteuern. Dazu sind sie mit binären Ausgängen ausgerüstet, mit denen z.B. Magnetventile geschaltet werden können.

Bewässerungssteuerungen von der Stange sind für kleine Anwendungen verhältnismäßig günstig und leicht konfigurierbar. Dafür bieten sie nur eingeschränkten Funktionsumfang, sind nur teilweise individuell programmierbar und lassen sich schlecht skalieren. Außerdem können sie nicht mit beliebigen Sensoren und oft nicht mit beliebigen Aktoren gekoppelt werden. Oft ist man gezwungen, beim selben Hersteller zu bleiben. In der Regel ist fast alles aus Kunststoff gebaut, auch die Magnetventile. Das sieht nicht nur unschön aus, sondern ist evtl. auch empfindlicher gegenüber UV-Strahlung und basischen Böden.

 

Microcontroller

Eine kostengünstige und energiesparende Mölichkeit, eine Steuerung zu realisieren ist ein Microcontroller[2](µC). Microcontroller steuern heute alles – Kaffeemaschinen, Spülmaschinen, Telefone. Die kleinen, energiesparenden und sehr günstigen Prozessoren werden praktisch überall eingesetzt, ich könnte also damit auch die Bewässurung meines Gartens steuern. Ich könnte sie sogar als Ultra-Low-Power-Anwendung programmieren und den µC zwischen den Bewässerungsphasen schlafen schicken. Mit geeigneten Methoden ließe sich der Energiebedarf so tief drücken, dass ich die Steuerung mit einer Batterie versorgen könnte (größere Leistungen bräuchte ich dann nur für die Aktoren).

Der Nachteil ist, dass ich dann alles, aber auch wirklich alles von der Pike auf selber entwerfen müsste: Auswahl des µC, Auswahl der Peripherie, Signalanpassung für Ein- und Ausgangssignale (E/A), E/A-Schnittstellen, Entwurf der Platinen, Bestücken und Zusammensetzen derselben, Einbau in ein passendes Gehäuse, Entwurf des Anwederprogramms in C oder Assembler, usw. Davon abgesehen, dass ich jede Menge User Guides lesen müsste, die so dick sind, wie die Bibel, würde ich Wochen allein für Entwurf und Bau der Elektronik brauchen. Danach müsste ich alles intensiv testen, um sicher zu gehen, keinen Fehler gemacht zu haben.

 

Einplatinencomputer

Einplatinencomputer wie der Arduino sind im Prinzip µC mit leistungsfähigen Schnittstellen und deutlich größerem Programmspeicher oder, wie z.B. der Raspberry Pi richtige kleine Computer, auf denen richtige Betriebssysteme (in der Regel Linux) für Anwendungen mit hohem Rechenbedarf laufen können. Sie sind preiswert, kompakt und sehr flexibel. Sie brauchen keine besonders große elektrische Leistung und durch die großen Communities gibt es für viele Projekte passende Lösungen.

Dafür sind das Aufsetzen und die Programmierung mit viel Aufwand verbunden, wenn man davon keine Ahnung hat (Ich programmiere nicht gern frei. Meine letzte C-Praxis hatte ich im Studium). Außerdem muss man wie beim µC die E/A-Schnittstellen mit eigenen Peripheriegeräten aufbauen. So kann das 3,3V-Ausgangssignal des Controllers z.B. kein Ventil direkt schalten, sondern nur ein Relais, durch welches dann das Ventil geschaltet wird. Weil es keine Industriesteuerung, sondern Experimentierplattformen sind, können sie, wie Microcontroller, Industrieübliche Signale nicht direkt verarbeiten. Alle Mess- und Stellgeräte brauchen also ebenfalls eine extra Signalanpassung. Das muss man alles aus separaten Baugruppen zusammensetzen, die Kommunikation zur CPU aufbauen, usw. Viel Aufwand.

 

Klein-SPSn

In der Industrie wird der Großteil der Steueraufgaben durch SPSn (Speicher-Programmierbare Steuerungen) gelöst. Eine SPS ist auch im Prinzip ein kleiner Computer: Sie besteht häufig aus einer Prozessorbaugruppe, auf der das Anwederprogramm läuft und E/A-Baugruppen, vermittels derer sie Signale mit der zu steuernden Anlage austauschen kann. SPSn gehören zu den Leitsystemen und decken heute ein weites Spektrum ab. Waren sie bis Ende der 1990er Jahre noch vor allem für Maschinensteuerungen im Einsatz, können sie heute auch komplexe Regelaufgaben übernehmen und alle großen Hersteller bieten Möglichkeiten zur Prozessbedienung- und Beobachtung via PC an. SPSn gibt es in allen größen: für Maschinen mit Hunderten von Signalen, für große Chemieanlagen mit Tausenden von Signalen und für ganz kleine Anwendungen mit einigen Zehn Signalen. Für mich interessant ist natürlich der letzte Punkt, eine sogenannte Klein-SPS für das knappe Duzend Signale, das ich haben werde.

Der große Vorteil einer Klein-SPS ist, dass sie in einem Gerät alles kombiniert, was ich brauche: Einfach zu montieren, einfach zu skalieren, einfach zu parametrieren, alle E/A sind schon im Gerät integriert und sie können in der Automation übliche Signale verarbeiten. Für so manche Klein-SPS gibt es auch Communities im Netz, insbesondere in der Gebäudeautomation und in der Tat habe ich sogar einige Kollegen, die z.B. ihre Heizung, Rolläden und Beleuchtung zu Hause auf diese Weise steuern.

Klein-SPSn sind allerdings ein verhältnismäßig teurer Spaß. Auf Kosten von einigen Hundert € sollte man sich gefasst machen. Ich habe mir verschiedene Produkte von allen möglichen Herstellern angesehen (auch die auf dem Raspberry PI und Arduino basierenden Systeme) und preislich schenken sie sich in der Größe, die mir vorschwebt, nichts.

 

Warum ich mich für eine Klein-SPS enschieden habe

Obwohl sie ausgedrückt in Geldeinheiten die teuerste Lösung ist, habe ich mich für eine Klein-SPS zur Steuerung meiner Gartenbewässerung entschieden. Nach sorgfältiger Abwägung der Vor- und Nachteile verschiedener Lösungen kam ich zu folgendem Ergebnis:

Hätte mir eine fertige Steuerung das geboten, was ich wollte, wäre das meine erste Wahl gewesen. Es ist nicht immer notwendig oder gar gut, das Rad neu erfinden zu wollen und in der Regel kann man mit einer selbstgestrickten Lösung einen kommerziellen Anbieter, der die Vorteile der größeren Erfahrung und Economy Of Scale hat, preislich nicht schlagen. Schon gar nicht, wenn man die Zeit, die man investieren muss, auch nur mit einem Hungerlohn in den Kalkül zieht. Außerdem ist in der Automatisierungswelt der Standard der Kreativität generell vorzuziehen (darüber werde ich bei Gelegenheit auch mal einen eigenen Artikel schreiben). Leider habe ich in den Angeboten der einschlägigen Hersteller nichts passendes gefunden: Zu unflexibel, zu wenige Wasserlinien, zu kleiner Funktionsumfang, kaum Möglichkeiten zur Einbindung von anderen Systemen, schlecht skalierbar und für meinen Geschmack zu viel Kunststoff. Der letzte Punkt ist natürlich Gefühlssache. Die fertigen Steuerung haben natürlich ihre Berechtigung und passen sicher für das Gros der Anwender. Sonst würden sie sich ja nicht verkaufen. Nur für meine Zwecke sind sie nicht optimal.

Einplatinencomputer oder gar µC kämen mit dem Rechenaufwand für eine Bewässerungssteuerung spielend klar, die Programmiermöglichkeiten schränken mich praktisch überhaupt nicht ein und sie sind ziemlich kostengünstig. Dafür müsste ich mich erst mit viel Aufwand in ihre Funktion und Bedienung einlesen, mit kleineren Programmen Erfahrung sammeln, die ganze Peripherie mit E/A-Schnittstellen und Signalanpassung selbst entwickeln und aufbauen und allgemein eine Menge Zeit dafür aufbringen. Ganz davon abgesehen, dass mir Programmieren in C keinen Spaß macht.

Eine Klein-SPS ist zwar die teuerste Lösung, aber unterm Strich der für mich beste Kompromiss. Ich kenne mich mit SPSn gut aus, kann leicht und schnell Funktionspläne erstellen, kann mit den mir zur Verfügung stehenden Mitteln einen kleinen, sauber verdrahteten Schaltkasten aufbauen und habe alle Schnittstellen, die ich brauche sind schon im Gerät integriert. Außerdem habe ich noch ein paar kleine Ideen, eigentlich mehr Spielereien, die ich über kurz oder lang in meine Bewässerungssteuerung einbinden will und mit einer SPS ist das immer problemlos möglich. Ein weiterer nicht ganz unwichtiger Punkt ist die einfache Dokumentation: Herstellerunabhängige Stromlauf- und Funktionspläne sind auch in ausführlicher Form problemlos auf wenigen Seiten erstellbar. Und letzten Endes sind SPSn auch einfach, wie man in der Pfalz sagt, Was G’scheits, will sagen: Da sie für den industriellen Einsatz entwickelt wurden, sind sie stabil konstruiert, ausgiebig getestet, von benannten Stellen zertifiziert und von vornherein für Hutschienenmontage ausgelegt. Und sollte irgendwann mal was kaputt gehen, kann ich sicher sein, noch viele Jahre lang Ersatzteile direkt vom Hersteller beziehen zu können.

Da jetzt die Steuerung ausgewählt ist, steht Gerätearten für das Leitsystem fest. Der nächste Schritt wir die Auswahl der Gerätearten für Sensoren und Aktoren sein.

 

 


 

[1] In der Industrie sind für binäre Signale 24VDC (selten auch noch 24VAC) und für Analoge Signale 4…20 mA, seltener auch 0…20 mA entsprechend 0…100% üblich. In der Gebäudeautomation findet man für analoge Signale häufiger 0…10 V entsprechend 0…100 %. µC und Computer arbeiten in der Regel mit 5V- oder 3,3V-Pegeln.
[2] Ein Microcontroller ist ein Prozessor, der zusammen mit einem Programmspeicher, Peripheriegeräten und Ein-/Ausgabe-Schnittstellen als einzelnes Bauteil ausgeführt ist.

Kommentare (6)

  1. #1 Robert
    13. November 2017

    Das Gute an diesem Planspiel sind die grundsätzlichen Gedanken.
    Jeder ist schon mal in die Lage gekommen, wo er sich entscheiden muss, ob man mit dem vorhandenen Material auskommen muss, oder ob man einfach in den Baumarkt geht und eine Fertiglösung wählt.
    Die erste Methode ist die preisgünstigere. Die zweite Methode geht schneller, garantiert ein gutes Ergebnis, aber sie macht abhängig. wenn in zwei Jahren ein Ersatzteil gebraucht wird, das es wegen einem Modellwechsel nicht mehr gibt, dann ist die schöne Fertiglösung nutzlos. Bei der Selberplanmethode kann man sich selber helfen.
    Als Beispiel gibt Toyota für seine Modelle eine Garantie von 10 Jahren auf die Ersatzteile. Wenn im 11. Jahr nur ein Elektronikteil ausfällt und nicht ersetzt werden kann, dann können Sie ihr Auto auf den Schrottplatz bringen. Also die Fertigteilmethode ist sinnvoll bei genormten Bauteilen, die auch von anderen Herstellern erzeugt werden.

  2. #2 Laie
    13. November 2017

    @Robert
    SPS gibt es schon sehr lange und hat sich wegen der vielen Vorteile auch durchgesetzt in der Industrie. Bei uns Verbrauchern ist der Weg in Richtung fehlender Ersatzteile auch für die Hersteller ein Vorteil. Obwohl der Konsument immer nach Geräten mit austauschbaren Teilen nachfragt, kommt kein Angebot zustande. Frage mal einen Media-Markt-Verkäufer nach einer elektrischen Zahnbürste, deren Standar-NiMH-Akku ohne zerstörungsfrei getauscht werden kann!

    Warum versagt der Markt hier? Was meint die EU zum Umweltschutz durch diese Art von Wegwerfartikeln?

  3. #3 Robert
    14. November 2017

    Laie,
    Es gab ja schon Vorschläge die Ladegeräte zu standardisieren. Hat nicht geklappt, weil die Chinesen nicht mitmachen.
    Sogar unsere DIN Normen sind in Gefahr. Du findest heute kaum noch Fahrräder mit DIN Schrauben. Die kleinen Schräubchen, die die Laptops zusammenhalten haben keine DIN Norm mehr.
    Wenn es den Chinesen gelingt, ihre Standarts durchzusetzen, ist unsere Industrie in Gefahr.

  4. #4 Oliver Gabath
    14. November 2017

    Normen sind keine Gesetze – sie spezifizieren Standards. An die kann man sich halten (was viele Vorteile hat) oder nicht. Und es gibt deren viele – welche man nutzt, hängt von vielen Faktoren ab.

  5. #5 Laie
    14. November 2017

    @Robert
    Nicht so schlimm, dann müssen wir halt unsere Gewindebohrungen den chinesischen Anpassen. Auch die Amis haben Schrauben, die nicht überall reinpassen.

    Europa ist Absatzmarkt, Innovation findet wo anders statt. Da müssen schon wir uns anpassen, ob wir das wollen oder auch nicht. In der Breite ist die Tendenz der De-Industrialisierung fakt, China die Werkbank der Welt. (zum heutigen Stand)

    Ich finde kaum noch Fahrräder, die Qualität aufweisen und noch einigermassen preiswert sind – da sind mir die Schrauben nicht soo wichtig.

  6. #6 tomtoo
    14. November 2017

    @Robert
    ..Ladegeräte..
    Wieso ? Kannst fast alle Smartphones mit einem Standart USB Netzteil laden. Ist doch Fortschritt oder ?

    @Oliver
    Industriemensch. Das du dich für die SPS entscheidest war ja klar. Dabei könntest du mit einem Raspi den Wasserstandt deiner Regentonne viel schöner visualisieren evtl. sogar in 3D. ; )