開源技術(shù)在工業(yè)自動化領(lǐng)域的作用

在對互操作性、可互換性和便攜性需求不斷增長的推動下，工業(yè)自動化領(lǐng)域正在經(jīng)歷一場重大變革。這場變革的起點是開源技術(shù)的采用，從基于樹莓派的工業(yè)控制器到Linux邊緣設(shè)備，不一而足。這一轉(zhuǎn)變重塑了各行業(yè)實現(xiàn)自動化的方式，帶來了前所未有的靈活性和創(chuàng)新潛力。

開源解決方案在工業(yè)領(lǐng)域的崛起

開源解決方案可以根據(jù)特定需求進(jìn)行定制，因此在工業(yè)環(huán)境中深受歡迎。這種適應(yīng)性在復(fù)雜的制造流程中尤為重要，因為現(xiàn)成的解決方案可能無法滿足這些流程的要求。開源項目的社區(qū)驅(qū)動性質(zhì)加快了創(chuàng)新速度，從而縮短了開發(fā)周期，并有助于共同協(xié)作解決問題。

開源自動化極引人注目的優(yōu)勢之一是其成本效益。通過減少對專有系統(tǒng)的依賴，企業(yè)可以大幅降低初始投資和持續(xù)維護(hù)成本。[1]這種可獲取性使先進(jìn)自動化技術(shù)的獲取變得更加民主化，這對小型企業(yè)或預(yù)算有限的企業(yè)尤為有利。

開源自動化工具的優(yōu)勢

開源自動化工具擁有眾多優(yōu)勢，是復(fù)雜工業(yè)環(huán)境的理想選擇。從增強(qiáng)的互操作性到更大的供應(yīng)商獨(dú)立性，這些優(yōu)勢改變了公司處理自動化問題的方式。

增強(qiáng)的互操作性

開源解決方案在促進(jìn)不同設(shè)備和協(xié)議之間的無縫通信方面表現(xiàn)出色。這種互操作性在現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境中至關(guān)重要，因為來自不同制造商的設(shè)備必須協(xié)調(diào)工作。通過遵循開放標(biāo)準(zhǔn)，這些解決方案可確保自動化系統(tǒng)的不同組件能夠有效地相互"對話"，而不論其來源如何。

通過透明度提高安全性

雖然人們對開源軟件的安全性存在誤解，但卻認(rèn)可開源項目固有的透明度會帶來更強(qiáng)大的安全性。社區(qū)能夠仔細(xì)檢查代碼，從而更快地識別和解決漏洞。在系統(tǒng)完整性至關(guān)重要的工業(yè)環(huán)境中，這種協(xié)作式安全方法彌足珍貴。

供應(yīng)商獨(dú)立性

開源自動化非常顯著的優(yōu)勢之一是擺脫了供應(yīng)商的束縛。傳統(tǒng)的專有系統(tǒng)通常會將用戶與特定的供應(yīng)商捆綁在一起，以獲得升級、維護(hù)和支持。而開源替代方案則讓用戶可以靈活地從眾多服務(wù)提供商中進(jìn)行選擇，甚至開發(fā)內(nèi)部專業(yè)技術(shù)，從而確保長期支持和適應(yīng)性。

開源硬件解決方案

一系列開源硬件平臺正在推動工業(yè)自動化領(lǐng)域的變革。這些解決方案具有可擴(kuò)展性和靈活性，并支持廣泛使用的工業(yè)協(xié)議，因此對工程師和制造商來說非常寶貴。

KUNBUS Revolution Pi

Revolution Pi（RevPi）是基于樹莓派計算模塊的模塊化工業(yè)PC。這一創(chuàng)新平臺具有出色的擴(kuò)展靈活性，支持一系列廣泛的工業(yè)協(xié)議，包括開放平臺通信統(tǒng)一架構(gòu)（OPC UA）、消息隊列遙測傳輸（MQTT）)、Modbus和EtherNet/IP。[2]

實際上，RevPi已在各種制造環(huán)境中得到應(yīng)用。例如，它可以作為智能工廠的中央控制器，協(xié)調(diào)各種生產(chǎn)流程并收集實時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。它的模塊化特性使其能夠隨著生產(chǎn)需求的變化而輕松擴(kuò)展和調(diào)整。

Arduino Opta

Arduino以其用戶友好型開發(fā)板而聞名，現(xiàn)在又憑借Arduino Opta進(jìn)入了工業(yè)自動化領(lǐng)域。這款可編程邏輯控制器（PLC）既保持了與Arduino生態(tài)系統(tǒng)的兼容性，又滿足了工業(yè)應(yīng)用的嚴(yán)格要求。

Opta的優(yōu)勢在于編程簡便且與工業(yè)協(xié)議兼容。[3]它特別適合小型自動化項目和快速原型開發(fā)。例如，小型制造廠可以使用Opta實現(xiàn)包裝生產(chǎn)線的自動化，利用其直觀的編程界面快速實施和迭代控制邏輯。

其他值得關(guān)注的方案

雖然RevPi和Arduino Opta較為知名，但BeagleBoard和Olimex等其他開源硬件平臺也在工業(yè)自動化領(lǐng)域取得了進(jìn)展。[4],[5]這些平臺具有獨(dú)特的特性和功能，進(jìn)一步擴(kuò)大了自動化工程師的選擇范圍。

面向工業(yè)應(yīng)用的開源操作系統(tǒng)

開源軟件在管理和控制工業(yè)流程方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。這些軟件平臺具有高度可定制性和可擴(kuò)展性，能夠處理從監(jiān)控到自動化控制等各種應(yīng)用。

Zephyr實時操作系統(tǒng)

Zephyr是適用于嵌入式設(shè)備的輕量級可擴(kuò)展實時操作系統(tǒng)（RTOS）。它占用內(nèi)存少，可配置性強(qiáng)，非常適合資源有限的工業(yè)應(yīng)用。

Zephyr在需要精確計時和快速響應(yīng)的自動化任務(wù)中表現(xiàn)出色。例如，它可用于高速分揀系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，毫秒級的精度對正常運(yùn)行至關(guān)重要。

FreeRTOS

FreeRTOS已成為基于微控制器的自動化任務(wù)的熱門選擇。其廣泛的生態(tài)系統(tǒng)和易用性使其成為許多工業(yè)應(yīng)用中極受歡迎的解決方案。

分布式控制系統(tǒng)是FreeRTOS的一個非常好的應(yīng)用示例，在此系統(tǒng)中多個微控制器協(xié)同工作，管理復(fù)雜制造過程的不同方面。FreeRTOS強(qiáng)大的任務(wù)調(diào)度功能可確保及時、可預(yù)測地執(zhí)行關(guān)鍵操作。

實時Linux

實時Linux為需要完整操作系統(tǒng)功能的復(fù)雜自動化系統(tǒng)提供了一個理想的解決方案。通過修改標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核來支持實時操作，既可發(fā)揮Linux豐富的軟件生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)勢，又可滿足工業(yè)環(huán)境所需的確定性性能。

實時Linux可應(yīng)用于要求高性能計算和低延遲控制的場合。例如，它可以為高速生產(chǎn)線上的視覺質(zhì)量控制系統(tǒng)提供支持，實時處理圖像數(shù)據(jù)以識別缺陷。

開源軟件解決方案

隨著自動化的發(fā)展，開源控制軟件為傳統(tǒng)的硬件解決方案提供了具有成本效益的替代方案。這些項目使各行業(yè)能夠開發(fā)出靈活的、獨(dú)立于硬件的控制系統(tǒng)。

Rapid SCADA

Rapid SCADA是一個開源的工業(yè)控制和監(jiān)控系統(tǒng)，提供了廣泛的定制選項。其模塊化設(shè)計使其能夠適應(yīng)各種工業(yè)應(yīng)用。

Rapid SCADA可用于為水處理廠等應(yīng)用創(chuàng)建全面的監(jiān)控界面。其數(shù)據(jù)記錄功能可以跟蹤一段時間內(nèi)的水質(zhì)參數(shù)，而控制功能則可以根據(jù)實時數(shù)據(jù)管理處理過程。

ROS-Industrial

ROS-Industrial將機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）的功能擴(kuò)展到工業(yè)應(yīng)用中。這一開源框架為工業(yè)機(jī)器人的編程和控制提供了強(qiáng)大的工具。

ROS-Industrial的一個應(yīng)用實例是，一家汽車制造廠使用操作系統(tǒng)對執(zhí)行復(fù)雜裝配任務(wù)的一系列機(jī)械臂進(jìn)行編程和協(xié)調(diào)。該框架具有靈活性，可根據(jù)生產(chǎn)需求的變化快速重新配置機(jī)器人任務(wù)。

開源PLC項目

一些開源項目旨在提供基于軟件的傳統(tǒng)硬件PLC替代方案。其中著名的例子包括：

Autonomy OpenPLC，它提供了一個靈活、開源的PLC平臺，并擁有強(qiáng)大的社區(qū)支持。

KPA Automation SoftPLC，這是一種基于軟件的PLC解決方案，可提供獨(dú)立于硬件的自動化功能。

這些開源PLC在教育領(lǐng)域或小規(guī)模自動化項目中尤為重要，因為傳統(tǒng)硬件PLC的成本可能會過高。

開源通信協(xié)議

在現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境中，設(shè)備之間的無縫通信至關(guān)重要。開源通信協(xié)議可實現(xiàn)互操作性和實時數(shù)據(jù)交換，確保不同設(shè)備之間的順暢運(yùn)行。

OPC UA

OPC UA已成為工業(yè)自動化領(lǐng)域安全可靠的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。它與供應(yīng)商無關(guān)，兼容性廣，是創(chuàng)建可互操作系統(tǒng)的理想選擇。

在智能工廠環(huán)境中，OPC UA可作為數(shù)據(jù)通信的骨干，實現(xiàn)從數(shù)控機(jī)床到環(huán)境傳感器等各種設(shè)備之間的無縫信息流。

MQTT

MQTT的輕量級設(shè)計使其特別適合工業(yè)環(huán)境中的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用。它能夠高效處理高延遲或不可靠的網(wǎng)絡(luò)，因此非常適合連接遠(yuǎn)程傳感器或設(shè)備。

大規(guī)模農(nóng)業(yè)運(yùn)營是MQTT的一個應(yīng)用場景，在這里它可以收集和傳輸來自分散的土壤傳感器數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)精確的灌溉控制。

其他協(xié)議

Modbus、EtherNet/IP和EtherCAT等協(xié)議雖然本質(zhì)上不是開源的，但其開源實現(xiàn)在工業(yè)自動化中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。[6],[7]這些協(xié)議實現(xiàn)了不同工業(yè)設(shè)備之間的通信，構(gòu)成了許多自動化系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

開源自動化的未來

展望未來，開源技術(shù)在工業(yè)自動化領(lǐng)域的作用將進(jìn)一步擴(kuò)大。物聯(lián)網(wǎng)和人工智能（AI）技術(shù)的進(jìn)步可能會推動開源自動化解決方案的創(chuàng)新，為工業(yè)流程提供更大的靈活性和智能化。

在工業(yè)自動化領(lǐng)域采用開源技術(shù)不僅僅意味著技術(shù)變革，更代表著工業(yè)領(lǐng)域在控制和優(yōu)化方式上的根本性轉(zhuǎn)變。工業(yè)領(lǐng)域秉持開放與協(xié)作的理念，正在積極布局，以擁抱一個充滿創(chuàng)新與效率的未來。