Реальность и фантастика контроллеров: от смартхауса до такси самообслуживания. Часть 1
Содержание страницы
ХХІ в. отметился двумя знаковыми событиями: появлением смартфонов и признанием их банками в качестве средств платежа. Теперь можно платить на ходу, например, гуляя в парке. Упрощение процесса оплаты предопределяет быстрый рост торговли и услуг самообслуживания. В торговых автоматах не нужны больше монетоприемники. Появятся новые услуги, которые в прошлом веке были невозможны. Это означает, что спрос на промышленные контроллеры (англ. PLC, компьютеры для управления чем-либо) будет быстро расти. И здесь резко обозначится проблема мировой автоматики — отсутствие единого стандарта того, как делать контроллеры. В результате они дорогo стоят. Решить проблему можно, и у России есть шанс заявить о себе как о высокотехнологической державе, не говоря уже о будущей прибыли от продажи как самих устройств, так и программного обеспечения.
Следует помнить, что 30 лет назад американцы внедрили стандарт, как делать персональные компьютеры (ПК), и теперь весь мир платит им дань, покупая лицензии на операционные системы и программы, хотя сами ПК делаются главным образом в Азии. Потенциально рынок контроллеров сопоставим по размеру с рынком ПК. Теперь конкретно о том, как это можно осуществить.
1. КОНТРОЛЛЕР
Первый промышленный контроллер разработала фирма Modicon в конце 70-х гг. прошлого века. Фактически это было начало революциив автоматике. Вместо разработки нового или изменения существующего «шкафа» управления теперь можно было просто поменять программу, без сверления, перепайки или замены элементов.
Идея понравилась и быстро прижилась. Сейчас производством контроллеров занимаются сотни фирм. Однако никаких стандартных решений относительно того, как делать контроллеры, в автоматике пока нет.
В конце ХХ в. был разработан стандартный язык программирования контроллеров IEC 61131-3. Но широкого внедрения данного языка не произошло. Ведущие фирмы предлагают программистам наряду со стандартным программным решением также и свои собственные пакеты, которые обычно лучше, проще, нагляднее и содержат меньше ошибок. Поэтому большинство разработчиков автоматических устройств предпочитают работать с одной фирмой, т. е. покупать у одного продавца и «железо», и программы. В результате цены высокие, выбор ограничен. Изменить ситуацию можно, выполнив несколько шагов.
Во-первых, необходимо разработать универсальный контроллер и опубликовать его данные (механические размеры, электрические параметры и протоколы обмена данными) так, чтобы любая фирма могла при минимальных затратах изготовить если не сам контроллер, то по крайней мере сопрягающие компоненты (например, рутер, счетчик электроэнергии, модем для мобильной связи и т. д.).
Пример возможной реализации контроллера показан на рис. 1. Контроллер состоит из корпуса 1 с размерами 90 х 90 мм (высота х глубина). Ширину корпуса выбирает разработчик. С левой стороны находится разъем 2 типа D-Sub15 (15 штырей) для подключения к источнику питания. С правой стороны — разъем 3 типа D-Sub25 (25 гнезд) для подключения последующих устройств. Разумеется, разъемы могут быть и другими, но они должны быть свободны для копирования. Узел 4 шины связи служит для коммуникации с отдаленными устройствами по стандарту MODBUS RS485 RTU. На нем находятся четыре клеммы (две — для питания на 24 вольта постоянного напряжения, а также непосредственно шина связи). Разъем 5 типа RJ45 служит как для программирования устройства, так и для подключения к сетям Ethernet. Светодиодные индикаторы 6 показывают состояние контроллера.
На рис. 2 показан пример реализации источника питания. Источник питания устанавливается слева от контроллера. С правой стороны подключаются дополнительные устройства, их может быть много и самых разных: входы и выходы (как дискретные, так и аналоговые), переводчики с одного языка роботов на другой (например, для поключения к ProfiBus, CAN, CCLink и т. д.). Каждый, кто захочет, может разработать, изготовить и продавать то, что ему нужно.
На рис. 3 показан возможный вариант исполнения хорошо известного рутера.
На рис. 4 показан сетевой хранитель информации NAS (Network Attached Storage).
И рутер, и хранитель информации пользуются напряжениями от центрального источника питания и сделаны в стандартных корпусах. Кроме того, внутренние платы также должны быть стандартизированы, т. е. иметь одинаковые размеры, отверстия для крепления с уже разведенными шинами питания и передачи информации. Разработчик скачивает полуфабрикат платы и добавляет то, что ему нужно. Если одной платы недостаточно, можно взять несколько, сделать «этажерку» и потом выбрать корпус подходящей ширины. Проще всего использовать уже сложившуюся практику, например использовать Eagle www.cadsoft. de. После окончания работы разработчику требуется только послать по электронной почте файл в формате *.brd какой-нибудь фирме, изготавливающей печатные платы.
Такой подход значительно упростит разработку, сократит сроки внедрения и снизит расходы на производство. Не только фирмы, но даже любители смогут изготавливать высококачественные электронные устройства для автоматики. Помощь инженера-механика им больше не требуется.
Несмотря на изобилие контроллеров на мировом рынке, (в России производством контроллеров занимается московская фирма «Овен»), «рассекреченных» пока нет, что гарантирует успех тому, кто сделает это первым. Разумеется, просто раскрыть недостаточно, необходимо также наладить массовое производство и продажу и, кроме того, разработать и предложить компьютерные программы для программирования контроллеров и дисплеев.
Во-вторых, нужно разработать ряд устройств, в которых данный контроллер будет использован. Начать их производство и продажу. И при этом объявить их открытыми проектами (open source: то, что можно свободно копировать и продавать) и опубликовать конструкционную документацию (но не технологическую!). Технологию же продавать всем желающим вместе с оборудованием для производства устройств.
Открытость проектов является обязательным условием успеха. Без этого привлечь на рынок участников и инвесторов будет трудно.
Проектов может быть очень много. Наиболее важными, на мой взгляд, являются домашняя автоматизация и транспорт. При этом домашней автоматизации практически пока еще нет. Она начнется с введения стандарта на контроллеры. В транспорте проявится возможность осуществить модульный принцип в разработке и изготовлении автомобилей, т. е. разделить автомобиль на стандартные и легко взаимозаменяемые модули (что приведет к обвалу цен на рынке) и создать новый вид транспорта, предназначенный для краткосрочной аренды.
2. ДОМАШНЯЯ АВТОМАТИКА
Из-за отсутствия подходящих контроллеров о «смартхаузах» в основном пока только пишут. Отопление, вентиляция, датчики взлома, пожара, отравляющих газов, кровати с автоматическим подогревом, массажем (если нужно, с регулярным переворачиванием больного), счетчики воды, газа, электричества а также рутер, устройства управления бассейном, аквариумом и т. д. могут быть соединены по одной шине (например, Modbus RS485) с центральным контроллером, который, в свою очередь, соединен с интернет-провайдером.
На рис. 5 показан пример реализации домашнего электрощита. Кроме привычных электросчетчика и автоматов защиты, в нем находятся источник питания, контроллер, рутер и хранитель информации. Данные всех счетчиков (электричество, вода, газ), а также жизненно важных датчиков взлома, пожара, наличия опасных газов и т. д. отсылаются автоматически через Интернет. При этом все компоненты питаются от одного источника питания ±24 В и используют один дисплей для контроля и мониторинга, что позволит снизить стоимость и упростить эксплуатацию (не надо заморачиваться с батарейками). Сам дисплей, например 7-дюймовую панель с Андроидом и RS485 терминалом, уже сегодня можно купить дешевле 100 €. Еще дешевле использовать для контроля уже имеющиеся спаренные c рутером смартфоны.
В каждом доме узел отопления является одним из наиболее дорогих устройств. Подключение к центральному контроллеру позволит значительно снизить его стоимость, экономить топливо и улучшить качество жизни. Программу для отопления можно выбирать с помощью смартфона в зависимости от ситуации (например, «Нормальный», «Праздник», «Все уехали» и т. д.). Температуру в течение суток можно задавать поминутно, в зависимости от дня недели и выбранной ситуации. При этом находиться дома необязательно. Можно менять ситуацию, посылая сообщения со смартфона.
Другим применением должны быть автоматически управляемые устройства вентиляции. Применяемые сейчас форточки неэффективны. Включение и выключение по заданной программе позволит снизить расходы на отопление и поддерживать воздух всегда свежим.
Централизованный контроль позволит значительно снизить стоимость многих бытовых приборов. Например, электродуховки, стиральные и посудомоечные машины можно делать без кнопок управления, переключателей и дисплеев, если их также подключить к общей шине управления. Управлять ими можно будет с помощью смартфона. При этом при желании включаться они могут автоматически тогда, когда тариф на электричество минимален. Цены уменьшатся в разы, а качество возрастет. Произойдет разделение между фирмами, изготавливающими «железо», и теми, кто только пишет программы. У потребителей появится возможность пробовать различные программы для своих устройств. Подключение устройств для приготовления пищи к центральному контроллеру значительно упростит их эксплуатацию. Достаточно будет просто сосканировать рецепт приготовления на упаковке с помощью смартфона и положить еду в печку.
Появится возможность разрабатывать и недорого производить новые приборы, например кровати с подогревом, температура у которых может задаваться поминутно, а также с автоматическим массажем или изменением позы спящего, распылением лечебных аэрозолей и т. д. Их появление станет реальностью, поскольку узел управления — самая дорогая часть — не нужен вообще. Его функции переходят к центральному контроллеру и смартфону.
Другим новым устройством может стать дополнительный санузел в спальной комнате, состоящий из комбинации унитаза-биде, совмещенного с душем и мини-сауной. И опять, включить душ или сауну можно будет, не вставая с кровати, с помощью смартфона. Установка второго туалета с душем в спальной стала в последние годы устойчивой тенденцией. Управление от внешнего контроллера позволит иметь дополнительные функции без удорожания устройства.
Еще может быть лифт индивидуального пользования. Использование смартфона для управления им позволит не только снизить цену, но и повысить безопасность. Дети не смогут сами, без контроля взрослых им пользоваться.
Возможность такой установки должна быть заложена изначально в проект здания, предоставляя хозяевам возможность выбора: кладовка, лифт, сауна…
Примеров может быть много — аквариумы, бассейны, спортивные тренажеры, кухонные приборы, телевизоры, радио, освещение, усилители звука — везде переход на центральное управление позволит значительно снизить цену. В каждом устройстве должен быть свой слейв, микроконтроллер для периферийных датчиков и актюаторов, цена которого при массовом производстве будет сопоставима с ценой бутерброда.
Объем рынка для контроллеров бытового использования — десятки миллионов в год и в несколько раз больше для периферийных устройств.
3. ТАКСИ САМООБСЛУЖИВАНИЯ И АРЕНДА… ПО МИНУТАМ
Автомобильные концерны по инерции продолжают делать то, что можно продать.
Ежегодно в мире изготавливают порядка 60 … 80 миллионов легковых автомобилей, которые большую часть времени стоят, занимая место, и ржавеют. Но чтобы перебраться из одной точки в другую, иметь автомобиль не нужно, можно арендовать его на несколько минут с помощью смартфона. В перспективе, такси самообслуживания будут самым удобным и дешевым видом транспорта. В некоторых странах они уже имеются. Однако из-за отсутствия транспортных средств, пригодных для данной цели, успех незначителен. Причина неудачи в том, что выпускаемые сейчас автомобили слишком дороги как в изготовлении, так и в эксплуатации. Россия может перехватить инициативу, разработать стандарт и начать массовое производство малогабаритного городского транспорта, затем предложить всем желающим присоединиться. По принципу: делай с нами, делай, как мы, делай лучше.
При этом каждый транспорт (пример реализации показан на рис. 6–9) состоит из стандартных и легко стыкуемых модулей.
Вид салона показан на рис. 7. Автомобиль содержит всего одну дверь спереди, как у «Изетты», производимой в 50-х и 60-х гг. прошлого века по лицензии концерном БМВ. Такой дизайн позволяет добиться минимального веса и соответственно — расхода топлива.
«Изетта» весила около 370 кг (максимальный вес с нагрузкой 600 кг) и расходовала с мотором объемом 250 см3 — 3,7 литра бензина на 100 километров при максимальной скорости 85 км/час. Габариты: длина — 2,36 м, ширина — 1,38 м и высота 1,34 м. Предназначалась для перевозки максимум двух взрослых и одного ребенка. «Изетта» идеально подходит как прототип для создания такси самообслуживания (автомобиля для краткосрочной аренды, который можно взять где угодно, поехать куда нужно и оставить там, куда приехали.). Но, поскольку речь идет о создании такси, ширина может быть увеличена до 1,5 м и высота до 1,5 … 1,7 м — для обеспечения большего полезного объема для пассажиров и багажа. Свободные от проемов боковые поверхности обеспечивают жесткость кузова и позволяют сделать приводную часть легко разъемной в виде стандартного, универсального модуля.
В кузове находятся два сиденья. Одно — для водителя, другое, расширенное, — для двух пассажиров (один взрослый и один подросток). Сиденье пассажира откидывается для облегчения доступа к сиденью водителя. Сиденья должны быть простыми, недорогими и легко моющимися. Сзади находится багажное отделение, в котором расположено раскладное детское кресло, которое может быть сложено, чтобы освободить место для груза. Ради экономии установка встроенных дисплеев в салоне не предусмотрена. Вся информация выводится водителю на его собственный смартфон, который может быть использован также для контроля над вентиляцией, температурой в салоне, радиоприемником и т. д. Форточек в базовом варианте также быть не должно. Свежий воздух подается в салон через отверстие (при необходимости охлажденный).
Кроме того, смартфон используется как ключ для входа в систему, после чего разблокируется дверь автомобиля, и пассажиры могут занять свои места. Далее с помощью смартфона происходит выбор цели поездки. Система рассчитывает маршрут и указывает ожидаемые время поездки и стоимость проезда. После подтверждения согласия пассажиром кнопка стартера разблокируется, и такси готово к движению. Во время движения смартфон используется как навигатор или по желанию водителя — как радио или плеер. По окончании поездки водитель глушит мотор, пассажиры покидают салон, предварительно проверив (все ли чисто?). Далее водитель отсылает сообщение об оценке чистоты салона перед поездкой и о качестве поездки, что является сигналом овыходе из системы. В ответ система шлет подтверждение о выходе и о реальной сумме стоимости проезда, которая снята со счета ответственного пассажира. Такси остается там же в ожидании следующего пассажира.
Устройство автомобиля показано на чертежах. Большинство элементов не требует комментариев. Новым является центральный блок управления, расположенный в кузове (рис. 8). Блок состоит из источника питания, контроллера, который, в отличие от контроллера, показанного на рис. 1, дополнительно содержит дискретные входы для подключения датчиков, аналоговые входы для подключения аналоговых входов/выходов, входы для датчиков (например, температуры), выходы для устройств, управляемых аналоговым сигналом (например, гидроприводы колес или звуковые динамики салона), и дискретные выходы для подключения ламп, светодиодов, соленоидов, актюаторов и т. д., трекер (англ. tracker), устройства для автоматического определения местонахождения и отсылания информации по мобильной связи в центр управления. Трекер содержит разъем для подключения спутниковой антенны, разъем для антенны мобильной связи, отсек для SIM-карты а также заглушку (если нет больше устройств для подключения).
Блок питания аналогичен показанному на рис. 2, за исключением напряжения питания. Единого бортового напряжения для автомобилей нет. Хотя большинство легковых автомобилей используют 12 В постоянного напряжения, предлагаю сделать 24 В, как в промышленности. Медь подорожала, и большинство грузовых автомобилей используют 24 В. То есть 24 В может стать стандартным напряжением как для промышленности, так и для всей транспортной автоматики. Это удобно, так как одни и те же контроллеры могут применяться повсеместно.
Для пользования услугой необходима регистрация и внесение залога (или подключение личной кредитной карточки). После успешного входа в систему с помощью смартфона двигатель может быть запущен нажатием на кнопку стартера. Программа, установленная на смартфоне, указывает направление движения, фактическую и максимально разрешимую скорость движения, сколько километров осталось ехать до цели, а также плату за проезд. По завершении поездки пассажир забирает свой смартфон и выходит из автомобиля, с помощью смартфона выходит из системы. Такси самообслуживания теперь свободно для следующего пассажира.
Мотоблок показан на рис. 9. Он состоит из корпуса, изготовленного в виде легко стыкуемого модуля, с двигателем внутреннего сгорания (другой версией может быть электродвигатель, работающий от аккумуляторов). Тепло, выделяемое в двигателе, отводится через обогреватель в салон и/или наружу с помощью радиатора охлаждения. Потоки антифриза, протекающие через обогреватель и радиатор, регулируются автоматически, в зависимости от заданной и фактической температуры в салоне или вручную. Блок вентиляции и кондиционирования воздуха забирает воздух снаружи, охлаждает его, если температура в салоне выше заданной, и направляет в салон. Контролировать вентиляцию можно вручную с помощью рычагов на двигателе или автоматически, задавая нужный уровень с помощью смартфона.
Для прокладки электрокабеля и тросиков (гидрошлангов) между салоном и мотоблоком имеются специальные отверстия. Кузов и мотоблок крепятся друг к другу с помощью винтов (например, М6), доступ к которым осуществляется в салоне.
Соответствующие им резьбовые отверстия в мотоблоке расположены в два ряда, нижний вертикально и верхний под углом 45 градусов для облегчения доступа при сборке и разборке. Для сборки и разборки автомобиля требуется специальная платформа к которой обе части, кузов и мотоблок крепятся раздельно. Кузов поддерживается домкратами, а мотоблок крепится к откидному трапу, с помощью которого автомобиль въезжает на платформу перед разборкой и съезжает после сборки (рис. 10).
Главный контроллер (мастер) находится в кузове, другой контроллер (слейв) находится в мотоблокеи соединены они по шине Modbus. К данной шине же могут быть подсоединены сотни других устройств самого различного назначения. Все управляются мастером. Дополнительные слейвы необходимы для двери (управление дворником, замком и т. д.), стойки смартфона (интерфейс между смартфоном и контроллером как при входе в систему, так и во время езды), дополнительные устройства для многочисленных специальных применений. Например, медицинское оборудование, если кузов оборудован как «Скорая помощь», печь для разогрева или приготовления еды и т. д. При этом устройства могут располагаться в салоне, прицепе или еще где-либо.
Для управления автомобилем используется смартфон пассажира. В связи с этим к смартфону и к стойке, где он крепится, предъявляются особые требования:
Смартфон должен быть надежно закреплен во время езды. Решением могут быть механическая фиксация, встроенные в корпус магниты или вакуумная присоска (в этом случае в автомобиле требуется наличие генератора вакуума).
Сама стойка должна быть соединена с контроллером через Modbus, а со смартфоном через Bluetooth с использованием NFC (Near Field Communication) — датчиков для быстрого и надежного спаривания смартфона и контроллера.
В процессе езды должна происходить автоматическая беспроводная подзарядка смартфона. Например, с применением уже внедренного Qi-стандарта.
В настоящее время и NFC-датчики, и Qi-адаптеры устанавливаются только в дорогих смартфонах, но в недалеком будущем они, вероятно, станут обязательными для всех моделей.
4. ОБСЛУЖИВАНИЕ. САМЫЙ СЛОЖНЫЙ ВОПРОС
Данный вопрос является одним из наиболее сложных в проекте. Обычно водитель сам заправляет машину топливом, проверяет периодически наличие тормозной жидкости в машине, а также жидкости в бачке омывателя лобового стекла и уровень масла в двигателе. Он же отвечает и за чистоту автомобиля как внутри, так и снаружи, и сам же его обычно и моет. В данном случае речь идет об общественном транспорте, в котором пассажир является также и водителем.
Поэтому необходимо создание сети специализированных центров технического обслуживания, в которых автомобили будут заправляться топливом, будет проверяться наличие в них масла и других жидкостей, а также будут мыться снаружи и изнутри. При этом мытье снаружи уже широко применяется, существуют полуавтоматические моечные линии.
Для мытья салона придется разрабатывать специальные устройства с автоматической подачей моющей смеси, последующим отсосом и сушкой. Для измерения уровня жидкостей возможны два подхода. Первый — периодически, когда время подошло или вышел километраж. При этом при въезде в центр обслуживания автомобиль автоматически идентифицируется, и оператор на табло видит, какие работы необходимо осуществить. Второй — оснащение автомобиля специальными датчиками, информирующими о том, что необходимо делать, например добавить жидкость в бак омывателя.
Разумеется, все это должно быть заложено в конструкцию, чтобы максимально упростить процессы заправки топливом, помывки и проверки наличия необходимых жидкостей, проверки качества тормозов и т. д.
Кроме центров обслуживания, потребуется также разработать и специальный автомобиль для обслуживания. Функции те же: заправка, обслуживание, ремонт, помывка на месте, плюс возможность транспортировки автомобиля до ближайшей ремонтной станции. Каждый специалист по обслуживанию закреплен за определенной территорией. Показателями качества работы инженера по обслуживанию являются среднее время простоя машин на закрепленной территории, а также пробег машины до следующей поломки. Вся информация о машинах, проведенных ремонтах и о людях, их осуществлявших, должна храниться в центральной базе данных, что позволит оценить качество работы и квалификацию каждого исполнителя.
(Окончание следует)
Статья была опубликована в июньском номере журнала «Наука и техника» за 2019 год