工業(yè)微控制器的開源優(yōu)勢及開源控制器的應(yīng)用

盡管工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)與我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷南M(fèi)級(jí)硬件和軟件差別很大，但是工業(yè)微控制器正使工業(yè)應(yīng)用獲益于開放源代碼。工業(yè)控制器技術(shù)正在縮小與消費(fèi)級(jí)技術(shù)之間的差距，這為最終用戶帶來了一些重大而意外的收獲。

一般認(rèn)為，與消費(fèi)者技術(shù)相比，包括控制器在內(nèi)的工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展緩慢。滯后的原因是只有在消費(fèi)市場得到證明之后，一些先進(jìn)技術(shù)才會(huì)被用于更保守、更嚴(yán)酷的工業(yè)應(yīng)用中。

由于工業(yè)應(yīng)用需要連續(xù)多年、安全、可靠地操作具有潛在危險(xiǎn)的設(shè)備，因此，精心設(shè)計(jì)和包裝的自動(dòng)化產(chǎn)品顯得尤為重要。這意味著控制器的其它功能，例如易用性和良好的連接性，通常是次要考慮的因素。

過去15年，消費(fèi)領(lǐng)域的“創(chuàng)客”文化獲得了長足的發(fā)展。這個(gè)社區(qū)為使用PC和微控制器來操作各種“DIY”項(xiàng)目帶來了激情和創(chuàng)造力。在這些開發(fā)人員中，大多數(shù)人將這些自制項(xiàng)目的源代碼開放，以供任何人使用，但是這些技術(shù)通常還不具備在工廠車間使用的條件。

工業(yè)化的微控制器，將開源優(yōu)勢與成熟的工業(yè)平臺(tái)相結(jié)合，為最終用戶提供了更多的自動(dòng)化選擇。

開源處理器

開源項(xiàng)目在許多方面與工業(yè)應(yīng)用相關(guān)。例如，在過去的幾年中，通用Linux開源操作系統(tǒng)被嵌入到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）設(shè)施中，作為運(yùn)行控制和可視化軟件的平臺(tái)，扮演著越來越重要的角色。

開源程序員通常免費(fèi)向所有用戶提供源代碼和程序。許多人會(huì)認(rèn)為，這種開放性對于實(shí)施人員來說，增加了一定的風(fēng)險(xiǎn)。但是，更大的開放性使任何人都可以查看代碼，并且大型的開發(fā)人員社區(qū)可以在發(fā)現(xiàn)問題時(shí)快速響應(yīng)。

從開放硬件的角度來看，兩種領(lǐng)先的微控制器是樹莓派（Raspberry Pi）和Arduino。前者更像是一個(gè)小型的單板PC，而后者則更簡單。對于Arduino，稱為Shields的可堆疊的附件板增加了以太網(wǎng)、Wi-Fi、GPS和其它擴(kuò)展功能，使這些系統(tǒng)非常適合原型設(shè)計(jì)人員和愛好者（圖1）。

圖1：Arduino和類似的微控制器，是創(chuàng)客社區(qū)的重要組成部分，幫助愛好者實(shí)現(xiàn)計(jì)算和自動(dòng)化項(xiàng)目。本文圖片來源：Automation Direct

像Arduino這樣的微控制器，是為學(xué)習(xí)C++編程的學(xué)生而創(chuàng)建的，旨在供有任何編程經(jīng)驗(yàn)的人們使用。有效、免費(fèi)、豐富的軟件庫，諸多低成本的硬件選擇，以及最終用戶的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，使這種開源概念成為創(chuàng)客社區(qū)的最愛。

微控制器的普及已引起工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)的關(guān)注，業(yè)余愛好者所需的許多功能，也是工業(yè)項(xiàng)目需要的。一些最終用戶甚至將消費(fèi)級(jí)微控制器應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域，但是商業(yè)和工業(yè)規(guī)格之間的差異，會(huì)帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2：Automation Direct公司的Productivity Open等新產(chǎn)品，提供了一種將工業(yè)規(guī)格的開源微控制器功能與I/O設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法。

開源編程的好處

選擇開放源代碼實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化項(xiàng)目，最終用戶肯定會(huì)受益于現(xiàn)代編程選項(xiàng)與成熟的工業(yè)實(shí)用性之間的融合。用戶可以混合搭配多種方法來獲得所需的東西。

有時(shí)，在添加聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)化開放式控制器以執(zhí)行專門的任務(wù)或計(jì)算時(shí)，繼續(xù)使用基于可編程邏輯控制器（PLC）具有現(xiàn)實(shí)意義。在某些情況下，用戶可以在開放式控制器中，開發(fā)所有控制邏輯和通用計(jì)算，然后使具有輸入/輸出（I/O）的關(guān)聯(lián)設(shè)備自動(dòng)化。

另一個(gè)需要考慮的因素涉及設(shè)計(jì)和維護(hù)人員的技能。盡管目前的工業(yè)用戶，在職業(yè)生涯中已經(jīng)接受過PLC培訓(xùn)，但下一代用戶可能更適應(yīng)在開源硬件中使用現(xiàn)代技術(shù)和編程語言。

新的平臺(tái)可以在開放式控制器與PLC和I/O之間建立橋梁，工業(yè)制造商可以利用當(dāng)前的技能，利用新員工來培養(yǎng)技術(shù)人員，他們希望在現(xiàn)代開源平臺(tái)上工作。

圖3：與消費(fèi)級(jí)控制器不同，工業(yè)控制器需要在極端條件下進(jìn)行測試，以確保現(xiàn)場的可靠性。

開源控制器的應(yīng)用

隨著工業(yè)開源的發(fā)展勢頭越來越強(qiáng)勁，用戶將繼續(xù)尋找新的應(yīng)用。使用開源控制器的一種基本方法是將其配置為數(shù)據(jù)記錄器，即使對于C++ 的新手來說也很容易。原始設(shè)備制造商（OEM）可以將開放式控制器作為操作機(jī)器的一站式解決方案，同時(shí)提供比PLC更先進(jìn)的算法和數(shù)據(jù)處理功能。

開源也非常適合各種半工業(yè)應(yīng)用，例如環(huán)境控制或?qū)嶒?yàn)室設(shè)備監(jiān)控。自動(dòng)化煙熏烤架、家庭自動(dòng)化和農(nóng)業(yè)項(xiàng)目等更多面向消費(fèi)者的應(yīng)用，也可以通過工業(yè)化開源平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。園藝愛好者可以為后院的蔬菜溫室和灌溉系統(tǒng)，配置一個(gè)微控制器。在工作中，他們可以利用相同的概念，來實(shí)現(xiàn)大型農(nóng)業(yè)系統(tǒng)和設(shè)備的自動(dòng)化。在家中使用微控制器來遠(yuǎn)程控制燈光和其它設(shè)備的人，也可以將相同概念擴(kuò)展到商業(yè)或工業(yè)設(shè)施中照明和環(huán)境控制的自動(dòng)化上。

圖4：新增的圖形編程軟件，為最終用戶提供了另一種可訪問的方式，可以將開源Arduino微控制器功能集成到他們的工業(yè)項(xiàng)目中。

適用于工業(yè)環(huán)境的開源選項(xiàng)

對于機(jī)器制造商而言，消費(fèi)級(jí)微控制器由于硬件成本低廉，可能是一個(gè)誘人的自動(dòng)化選項(xiàng)。但是，由于高達(dá)20％的運(yùn)營支出通常與維護(hù)相關(guān)，因此無法承受嚴(yán)酷工業(yè)環(huán)境的這些控制器會(huì)消耗支持預(yù)算。

現(xiàn)在，PLC和可編程自動(dòng)化控制器（PAC）技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可以提供工業(yè)化的開放源代碼硬件選項(xiàng)，最終用戶可以使用他們需要的強(qiáng)大平臺(tái)來整合他們想要的現(xiàn)代自動(dòng)化系統(tǒng)。（作者：Bill Dehner）
編輯：hfy