開源硬件很有趣，但是不適合工業(yè)應(yīng)用

????????在過去十幾年全球“創(chuàng)客運動的推動下，人們對使用 PC 和微控制器來操作各種自己動手的項目充滿了熱情和創(chuàng)造力。在這過程中，小型，廉價的開源硬件發(fā)揮的巨大的推動力量。

????????早期人們使用的是各種MCU的評估板和開發(fā)板，它們的原始設(shè)計是MCU廠商開發(fā)的。其它廠商進行了各種裁剪和減低成本。這些開發(fā)板的接口，軟件環(huán)境以及開發(fā)工具區(qū)別很大，復(fù)雜而難以使用。這就推動了開源硬件的出現(xiàn)。

??????開源硬件大幅度地降低了嵌入式裝置的開發(fā)難度，對計算機硬件和底層軟件不甚了解的非計算機人員能夠快速地上手開發(fā)自己的項目。而開發(fā)工具更加人性化。

?????????兩個?領(lǐng)先的開源硬件產(chǎn)品是 Raspberry Pi 和 Arduino。?最初這兩個產(chǎn)品是為學(xué)生設(shè)計的，而現(xiàn)在已成為創(chuàng)客的最愛，在企業(yè)中，工程師們也拿來作為快速原型設(shè)計，評估硬件芯片和算法。硬件開源，有效的免費和廣泛的軟件庫，活躍的社區(qū)交流是開源硬件的成功因素。

????????伴隨者工業(yè)4.0的興起，越來越多的人和企業(yè)投入了工業(yè)自動化行業(yè)。嵌入式處理器芯片，5G，鴻蒙OS大數(shù)據(jù)，AI以及各種各樣的所謂“邊緣“設(shè)備橫空出世。但是這些產(chǎn)品和技術(shù)的落地遇到了各種阻力，令人沮喪。這其中的主要原因在于人們只是在推銷現(xiàn)場的技術(shù)與產(chǎn)品，沒有認(rèn)真深入地探究工業(yè)控制行業(yè)的背景。他們只是希望迅速地復(fù)制Raspberry Pi 和 Arduino商業(yè)上的成果。

???????開源硬件已經(jīng)引起?了工業(yè)自動化行業(yè)的注意，?因為工業(yè)項目也需要業(yè)余愛好者想要的功能?。?與工業(yè)自動化領(lǐng)域的控制設(shè)備相比，開源硬件只能說是消費級控制器，?一些最終用戶甚至將這些”消費級控制器“整合到?工業(yè)應(yīng)用中，但其中存在一些風(fēng)險。主要挑戰(zhàn)是：

無保護的裸電路板?和?消費級?設(shè)計?以保持經(jīng)濟性?

不是為滿足?工業(yè)應(yīng)用中存在的溫度、振動和電氣噪聲條件而設(shè)計的?

沒有?廣泛的?現(xiàn)場——?在典型的工業(yè)環(huán)境中測試?

缺乏使用典型工業(yè)信號的I/O??

沒有機構(gòu)批準(zhǔn)或?工業(yè)認(rèn)證。?

????????所以說，盡管開源硬件很有趣，?但許多問題阻礙了它們適用于工業(yè)應(yīng)用。開放性控制器的開發(fā)者們也在不斷地嘗試滲透到工業(yè)領(lǐng)域。比如最近ardunio就推出了Arduino Portenta X8?，號稱它是一個功能強大的工業(yè)級SOM（system on module）。

????????相比于AVR8bit 單片機，它的確夠強大，具有 NXP ? i.MX 8M Mini Cortex ? -A53 四核，每核高達(dá) 1.8GHz + 1x Cortex ? -M4 高達(dá) 400MHz，加上 STM32H747XI 雙核 Cortex ? -M7 高達(dá) 480Mhz +M4 32 bit Arm ? MCU 高達(dá) 240Mhz。當(dāng)然199歐元的價格和復(fù)雜性使用者是否買賬是另外一個問題。

????????與消費技術(shù)相比?，包括控制器在內(nèi)的工業(yè)自動化技術(shù)?通常被描述為發(fā)展速度較慢，?這是理所當(dāng)然的。之所以會出現(xiàn)這種滯后，是?因為?消費技術(shù)只有?在大眾市場得到驗證和接受后才會?被采用到更為保守和堅固的工業(yè)應(yīng)用?中。???

????????此外，由于工業(yè)應(yīng)用需要多年可靠地運行具有潛在危險的設(shè)備，因此對自動化產(chǎn)品進行精心制作和包裝更為重要。這意味著其他控制器功能，?例如易用性?和?良好的連接性，通常是?次要考慮因素。

????????早期采用新控制技術(shù)，將承擔(dān)很大的風(fēng)險，誰愿意成為第一個駕駛創(chuàng)新飛機進行商業(yè)飛行的人呢？風(fēng)險規(guī)避商業(yè)模式，加上“我們一直都是這樣”的心態(tài)，讓工控領(lǐng)域成為了一個創(chuàng)新難以進入的市場。

????????很顯然，直接將目前的開發(fā)板，或者開源硬件用于工業(yè)自動控制是不合適的。而基于IT行業(yè)的技術(shù)如果未加任何改造，也不一定合適。比如容器技術(shù)，云計算等等。滿腔熱情的IT工程師會發(fā)現(xiàn)，面對他們提出的種種新技術(shù)，OT行業(yè)幾乎油鹽不進。而OT行業(yè)的技術(shù)人員像極了打開了籠子后的小鳥，對外面的世界充滿期待，卻又小心翼翼。他們更希望自己來選擇IT行業(yè)的新技術(shù)并加以改造之后才放心地采納其中的一小部分。比如數(shù)據(jù)采集，OT工程師更傾向擴展PLC本地數(shù)據(jù)存儲的能力，上位機只能通過FTP協(xié)議批量地讀取PLC內(nèi)部的數(shù)據(jù)，而不是IT行業(yè)那樣采用TCP，websocket 等協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。如果IT行業(yè)的從業(yè)人員不是懷著一個對自動控制的敬畏之心，深入地了解OT行業(yè)，開出來的藥方難免是錯誤的。

開放性工業(yè)控制器

????????商業(yè)級開源硬件進入工業(yè)領(lǐng)域的問題，催生了開發(fā)性工業(yè)控制器的出現(xiàn)。利用開源優(yōu)勢的方法，以一種足夠強大的方式用于任何類型的商業(yè)或工業(yè)應(yīng)用。?一些工業(yè)供應(yīng)商?致力于將開源元素與工業(yè)外形，可靠性，安全性等因素相結(jié)合，以便最終用戶能夠?實現(xiàn)兩全其美并消除或顯著降低風(fēng)險?。

????????早期的倍福計算機就是采取了這樣的方式，它將PC機技術(shù)成功地融入工業(yè)控制領(lǐng)域。并且開發(fā)了適合工業(yè)控制領(lǐng)域的同步以太網(wǎng)協(xié)議EtherCAT，從而奠定了它的行業(yè)基礎(chǔ)。

????????????????開放性工業(yè)控制器充分吸納IT領(lǐng)域開放性控制器成功的經(jīng)驗和商業(yè)模式。按照工業(yè)自動化行業(yè)的要求，開發(fā)能夠在工業(yè)現(xiàn)場長期可靠安全運行的設(shè)備。

開放性工業(yè)控制器的主要特點：

開源硬件

工業(yè)IO接口，現(xiàn)場總線

模塊化

可重構(gòu)

工業(yè)設(shè)備外觀

可靠，安全

確定性和實時性

????????在開放型工業(yè)控制器的發(fā)展過程中，與OT行業(yè)的專家交流十分重要，事實上，OT行業(yè)的專家們也在努力地探討如何在自動控制技術(shù)的演進過程中，及時地采納IT新技術(shù)。他們也許更主張在PLC 的基礎(chǔ)上擴展其它IT功能，例如在PLC中增加運動控制模塊，與云端交互數(shù)據(jù)的事務(wù)交互模塊，圖像處理模塊，以及AI模塊。在很長一個階段，PLC依然是一個“指揮官“級別的主角。

????????另一方面，開放性工業(yè)控制器的出現(xiàn)將幫助小型企業(yè)創(chuàng)新產(chǎn)品的制造。

????????高端控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜，產(chǎn)品開發(fā)與制造成本越來越高。除了國際大廠具備批量制造PLC這樣的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品以外，小型技術(shù)型公司具有創(chuàng)新的思想，豐富的專業(yè)領(lǐng)域技術(shù)和經(jīng)驗以及出色的軟件和算法工程師。但是生產(chǎn)制造最終的硬件產(chǎn)品將耗費巨大的人力和物力。現(xiàn)代高端控制器涉及外觀設(shè)計，硬件設(shè)計，供應(yīng)鏈管理，質(zhì)量控制，倉儲等諸多環(huán)節(jié)。芯片原廠和第三方開發(fā)者為此開發(fā)了各種開發(fā)板和擴展板，它們部分解決了開發(fā)的難度，但是這些開發(fā)板不能直接用來作為產(chǎn)品使用，將開發(fā)板轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品的過程依然是昂貴和漫長的。

????????目前，世界范圍的半導(dǎo)體芯片短缺和疫情，民族主義盛行造成了電子產(chǎn)品供應(yīng)鏈的困難。小型創(chuàng)新企業(yè)小批量生產(chǎn)十分困難。開放性工業(yè)控制器將是小批量控制設(shè)備合適的硬件平臺。

開放工業(yè)控制器項目

????????筆者正在領(lǐng)導(dǎo)一個小組研究一個開放性工業(yè)控制器的項目，我們內(nèi)部的名稱是modular-2PRO

以Xilinx 公司ZYNQ 為基礎(chǔ)

????????Modular-2PRO 基于Xilinx 高性能Zynq 7000和Zynq UltraScale+ MPSoC 芯片構(gòu)成。充分發(fā)揮了zynq 中FPGA 實現(xiàn)外圍電路定制化，算法硬件化，可重構(gòu)和實時性優(yōu)勢。超越MCU 為基礎(chǔ)的控制器的性能和靈活性。

????????Zynq-7000 SoC 在單芯片上將雙核 ARM Cortex-A9 CPU 與一組豐富的標(biāo)準(zhǔn) I/O 外設(shè)和 SoC 處理系統(tǒng)域中的多端口內(nèi)存控制器結(jié)合在一起，可編程邏輯域中的 FPGA 架構(gòu)。超過 2,000 個互連將處理系統(tǒng)連接到可編程邏輯。這提供了處理和可編程邏輯之間的高性能、低延遲通信、擴展、靈活性和能力，使系統(tǒng)的軟件和硬件緊密結(jié)合。這是其他基于分立處理器通過印刷電路板和總線（PCIe，CAN，Ethernet）的設(shè)備連接到 FPGA 的系統(tǒng)無法實現(xiàn)的。

? ????????現(xiàn)在市面上有許多Arm 為基礎(chǔ)的SoC 芯片，但是大多數(shù)芯片是針對消費類電子產(chǎn)品設(shè)計的，例如機頂盒，智慧電視，手機，PAD，智能音箱等。它們并不適合工業(yè)控制領(lǐng)域使用。事實上許多大型PLC 廠商的MCU是定制化的。適合工業(yè)控制的通用芯片要數(shù)NXP公司的I.mx8 芯片。盡管如此，這些通用芯片的外圍電路，IO引腳等硬件資源都基本上是固定的。擴展性比較差。通過擴展FPGA 電路，可以獲得靈活定義硬件IP，但是MCU與FPGA 之間的總線有限。zynq 采取了ARM 硬核與FPGA 合并在一顆異構(gòu)芯片中。性能大幅提高，并給硬件重定義帶來可能。

模塊化（modular）

????????模塊化是自動化設(shè)備中普遍采用的方法，通過模塊化設(shè)計能夠滿足各種應(yīng)用場合。modular-2PRO 設(shè)計中完全采納了模塊化設(shè)計理念，結(jié)合Xilinx 的zynq 處理器的靈活性，在軟件，FPGA IP和IO接口板三個層面的模塊化設(shè)計。軟件采用的C++ 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計理念和IEC61499 功能塊庫的方法，開發(fā)面向應(yīng)用的軟件庫和功能塊庫。硬件方面可以提供各種HDL IP庫和IO接口板。

可重構(gòu)（reconfiguration）

????????Modular-2PRO 充分利用了現(xiàn)代FPGA 局部可重構(gòu)技術(shù)，相同的高速IP板可以下載不同的HDL IP與之對應(yīng)。用戶也可以將matlab/simulink的程序或者功能塊轉(zhuǎn)換成HDL IP 下載到FPGA 的局部分區(qū)運行。實現(xiàn)硬件加速和計算。

滿足工業(yè)控制設(shè)備的要求

????????modular-2PRO 按照工業(yè)控制設(shè)備的技術(shù)要求設(shè)計，能夠在工業(yè)現(xiàn)場長期可靠運行。在硬件設(shè)計方面，充分考慮:

采用控制行業(yè)的接插件

接口電路防護，隔離

高可靠性電源

工業(yè)級防護等級

滿足電磁兼容性，安全等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

能夠承受惡劣條件正常運行

軟件方面：

多種語言編程：C++，Python

與matlab/simulation 兼容

支持實時同步以太網(wǎng)協(xié)議（IEEE1588/PTP）

內(nèi)部架構(gòu)

?

構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)

????????開放性工業(yè)控制器的特征是構(gòu)建一個生態(tài)系統(tǒng)，modular-2PRO 著力于通過開放性硬件平臺和基礎(chǔ)軟件，構(gòu)建一個分布式控制與測量設(shè)備與技術(shù)的生態(tài)系統(tǒng)。以ZYNQ 處理器為核心，構(gòu)成以硬件IO模塊，FPGA IP核，程序庫，IEC61499 功能塊庫組成的生態(tài)系統(tǒng)。

????????構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵是開放性，但是核心產(chǎn)品和技術(shù)在初始階段的“殺手級”應(yīng)用，客戶體驗，關(guān)鍵用戶也是至關(guān)重要的因素。在產(chǎn)品的設(shè)計階段就要與行業(yè)專家充分地討論和協(xié)作。在某一個領(lǐng)域推廣開之后，后續(xù)的發(fā)展就順理成章了。

開放控制器的市場策略

在半自動化領(lǐng)域率先應(yīng)用

????????在推廣的初期，可以在各種半工業(yè)應(yīng)用，例如環(huán)境控制或?qū)嶒炇覂x器，數(shù)據(jù)采集，matlab/simulink快速原型設(shè)計，算法驗證等領(lǐng)域使用。? 在這些領(lǐng)域，人們對可靠性的擔(dān)憂相對要小一些。

超越PLC

????????隨著PLC的全面應(yīng)用和大批量制造，PLC 的價格不斷地下降，如果在性能上不能夠超越PLC 的話，OT工程師更傾向于采用PLC解決更多的問題。即便是遠(yuǎn)程控制，數(shù)據(jù)采集等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，前端設(shè)備中也大量地采用PLC，變頻器設(shè)備。新技術(shù)，新產(chǎn)品無法撼動PLC的地位，只會讓PLC進一步地擴展它的應(yīng)用范圍。

開放性工業(yè)控制要解決目前PLC還不能實現(xiàn)的功能。modular-2PRO將應(yīng)用的重點放在下面幾個領(lǐng)域：

高速數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號處理（設(shè)備健康檢測，信號分析）

數(shù)字化智能儀表 示波器，頻譜分析，多功能信號發(fā)生器（面向教育和實驗室）

視覺處理（例如ADAS）

matlab/simulink 算法驗證，在環(huán)仿真

特殊運動控制（比如數(shù)字液壓伺服控制，電機控制）

做強大的配角

????????前面已經(jīng)提到，PLC在工業(yè)控制行業(yè)的地位在短期內(nèi)是無法撼動的。盡管新的控制設(shè)備算力強大，處理能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了現(xiàn)有PLC的能力，在系統(tǒng)集成過程中，最好的方法是作為一個“強大的配角。比如在搬運機器人系統(tǒng)中，視覺識別的處理的算法復(fù)雜性和所需的算力要比PLC強大的多，但是最好它以“視覺識別”模塊的形式出現(xiàn)。

視覺模塊以PLC的控制協(xié)議（比如modbus TCP）與PLC 交互數(shù)據(jù)和狀態(tài)。

結(jié)束語

? ? ? ?像Raspberry Pi 和 Arduino這樣的開源控制器非常有趣，但是將它們直接應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域是有風(fēng)險的。自動控制領(lǐng)域可以導(dǎo)入商業(yè)級開源硬件的商業(yè)模式和理念，發(fā)展開放性工業(yè)控制器。本文討論了開放性工業(yè)控制器的相關(guān)問題，以及我們正在做的項目

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的从开源硬件到开放型工业控制器的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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