从开源硬件到开放型工业控制器

开源硬件很有趣，但是不适合工业应用

在过去十几年全球“创客运动的推动下，人们对使用 PC 和微控制器来操作各种自己动手的项目充满了热情和创造力。在这过程中，小型，廉价的开源硬件发挥的巨大的推动力量。

早期人们使用的是各种MCU的评估板和开发板，它们的原始设计是MCU厂商开发的。其它厂商进行了各种裁剪和减低成本。这些开发板的接口，软件环境以及开发工具区别很大，复杂而难以使用。这就推动了开源硬件的出现。

开源硬件大幅度地降低了嵌入式装置的开发难度，对计算机硬件和底层软件不甚了解的非计算机人员能够快速地上手开发自己的项目。而开发工具更加人性化。

两个领先的开源硬件产品是 Raspberry Pi 和 Arduino。最初这两个产品是为学生设计的，而现在已成为创客的最爱，在企业中，工程师们也拿来作为快速原型设计，评估硬件芯片和算法。硬件开源，有效的免费和广泛的软件库，活跃的社区交流是开源硬件的成功因素。

伴随者工业4.0的兴起，越来越多的人和企业投入了工业自动化行业。嵌入式处理器芯片，5G，鸿蒙OS大数据，AI以及各种各样的所谓“边缘“设备横空出世。但是这些产品和技术的落地遇到了各种阻力，令人沮丧。这其中的主要原因在于人们只是在推销现场的技术与产品，没有认真深入地探究工业控制行业的背景。他们只是希望迅速地复制Raspberry Pi 和 Arduino商业上的成果。

开源硬件已经引起了工业自动化行业的注意，因为工业项目也需要业余爱好者想要的功能。与工业自动化领域的控制设备相比，开源硬件只能说是消费级控制器，一些最终用户甚至将这些”消费级控制器“整合到工业应用中，但其中存在一些风险。主要挑战是：

无保护的裸电路板和消费级设计以保持经济性
不是为满足工业应用中存在的温度、振动和电气噪声条件而设计的
没有广泛的现场—— 在典型的工业环境中测试
缺乏使用典型工业信号的I/O
没有机构批准或工业认证。

所以说，尽管开源硬件很有趣，但许多问题阻碍了它们适用于工业应用。开放性控制器的开发者们也在不断地尝试渗透到工业领域。比如最近ardunio就推出了Arduino Portenta X8 ，号称它是一个功能强大的工业级SOM（system on module）。

相比于AVR8bit 单片机，它的确够强大，具有 NXP ® i.MX 8M Mini Cortex ® -A53 四核，每核高达 1.8GHz + 1x Cortex ® -M4 高达 400MHz，加上 STM32H747XI 双核 Cortex ® -M7 高达 480Mhz +M4 32 bit Arm ® MCU 高达 240Mhz。当然199欧元的价格和复杂性使用者是否买账是另外一个问题。

与消费技术相比，包括控制器在内的工业自动化技术通常被描述为发展速度较慢，这是理所当然的。之所以会出现这种滞后，是因为消费技术只有在大众市场得到验证和接受后才会被采用到更为保守和坚固的工业应用中。

此外，由于工业应用需要多年可靠地运行具有潜在危险的设备，因此对自动化产品进行精心制作和包装更为重要。这意味着其他控制器功能，例如易用性和良好的连接性，通常是次要考虑因素。

早期采用新控制技术，将承担很大的风险，谁愿意成为第一个驾驶创新飞机进行商业飞行的人呢？风险规避商业模式，加上“我们一直都是这样”的心态，让工控领域成为了一个创新难以进入的市场。

很显然，直接将目前的开发板，或者开源硬件用于工业自动控制是不合适的。而基于IT行业的技术如果未加任何改造，也不一定合适。比如容器技术，云计算等等。满腔热情的IT工程师会发现，面对他们提出的种种新技术，OT行业几乎油盐不进。而OT行业的技术人员像极了打开了笼子后的小鸟，对外面的世界充满期待，却又小心翼翼。他们更希望自己来选择IT行业的新技术并加以改造之后才放心地采纳其中的一小部分。比如数据采集，OT工程师更倾向扩展PLC本地数据存储的能力，上位机只能通过FTP协议批量地读取PLC内部的数据，而不是IT行业那样采用TCP，websocket 等协议传输数据。如果IT行业的从业人员不是怀着一个对自动控制的敬畏之心，深入地了解OT行业，开出来的药方难免是错误的。

开放性工业控制器

商业级开源硬件进入工业领域的问题，催生了开发性工业控制器的出现。利用开源优势的方法，以一种足够强大的方式用于任何类型的商业或工业应用。一些工业供应商致力于将开源元素与工业外形，可靠性，安全性等因素相结合，以便最终用户能够实现两全其美并消除或显着降低风险。

早期的倍福计算机就是采取了这样的方式，它将PC机技术成功地融入工业控制领域。并且开发了适合工业控制领域的同步以太网协议EtherCAT，从而奠定了它的行业基础。

开放性工业控制器充分吸纳IT领域开放性控制器成功的经验和商业模式。按照工业自动化行业的要求，开发能够在工业现场长期可靠安全运行的设备。

开放性工业控制器的主要特点：

开源硬件
工业IO接口，现场总线
模块化
可重构
工业设备外观
可靠，安全
确定性和实时性

在开放型工业控制器的发展过程中，与OT行业的专家交流十分重要，事实上，OT行业的专家们也在努力地探讨如何在自动控制技术的演进过程中，及时地采纳IT新技术。他们也许更主张在PLC 的基础上扩展其它IT功能，例如在PLC中增加运动控制模块，与云端交互数据的事务交互模块，图像处理模块，以及AI模块。在很长一个阶段，PLC依然是一个“指挥官“级别的主角。

另一方面，开放性工业控制器的出现将帮助小型企业创新产品的制造。

高端控制系统越来越复杂，产品开发与制造成本越来越高。除了国际大厂具备批量制造PLC这样的标准化产品以外，小型技术型公司具有创新的思想，丰富的专业领域技术和经验以及出色的软件和算法工程师。但是生产制造最终的硬件产品将耗费巨大的人力和物力。现代高端控制器涉及外观设计，硬件设计，供应链管理，质量控制，仓储等诸多环节。芯片原厂和第三方开发者为此开发了各种开发板和扩展板，它们部分解决了开发的难度，但是这些开发板不能直接用来作为产品使用，将开发板转化为最终产品的过程依然是昂贵和漫长的。

目前，世界范围的半导体芯片短缺和疫情，民族主义盛行造成了电子产品供应链的困难。小型创新企业小批量生产十分困难。开放性工业控制器将是小批量控制设备合适的硬件平台。

开放工业控制器项目

笔者正在领导一个小组研究一个开放性工业控制器的项目，我们内部的名称是modular-2PRO

以Xilinx 公司ZYNQ 为基础

Modular-2PRO 基于Xilinx 高性能Zynq 7000和Zynq UltraScale+ MPSoC 芯片构成。充分发挥了zynq 中FPGA 实现外围电路定制化，算法硬件化，可重构和实时性优势。超越MCU 为基础的控制器的性能和灵活性。

Zynq-7000 SoC 在单芯片上将双核 ARM Cortex-A9 CPU 与一组丰富的标准 I/O 外设和 SoC 处理系统域中的多端口内存控制器结合在一起，可编程逻辑域中的 FPGA 架构。超过 2,000 个互连将处理系统连接到可编程逻辑。这提供了处理和可编程逻辑之间的高性能、低延迟通信、扩展、灵活性和能力，使系统的软件和硬件紧密结合。这是其他基于分立处理器通过印刷电路板和总线（PCIe，CAN，Ethernet）的设备连接到 FPGA 的系统无法实现的。

现在市面上有许多Arm 为基础的SoC 芯片，但是大多数芯片是针对消费类电子产品设计的，例如机顶盒，智慧电视，手机，PAD，智能音箱等。它们并不适合工业控制领域使用。事实上许多大型PLC 厂商的MCU是定制化的。适合工业控制的通用芯片要数NXP公司的I.mx8 芯片。尽管如此，这些通用芯片的外围电路，IO引脚等硬件资源都基本上是固定的。扩展性比较差。通过扩展FPGA 电路，可以获得灵活定义硬件IP，但是MCU与FPGA 之间的总线有限。zynq 采取了ARM 硬核与FPGA 合并在一颗异构芯片中。性能大幅提高，并给硬件重定义带来可能。

模块化（modular）

模块化是自动化设备中普遍采用的方法，通过模块化设计能够满足各种应用场合。modular-2PRO 设计中完全采纳了模块化设计理念，结合Xilinx 的zynq 处理器的灵活性，在软件，FPGA IP和IO接口板三个层面的模块化设计。软件采用的C++ 面向对象程序设计理念和IEC61499 功能块库的方法，开发面向应用的软件库和功能块库。硬件方面可以提供各种HDL IP库和IO接口板。

可重构（reconfiguration）

Modular-2PRO 充分利用了现代FPGA 局部可重构技术，相同的高速IP板可以下载不同的HDL IP与之对应。用户也可以将matlab/simulink的程序或者功能块转换成HDL IP 下载到FPGA 的局部分区运行。实现硬件加速和计算。

满足工业控制设备的要求

modular-2PRO 按照工业控制设备的技术要求设计，能够在工业现场长期可靠运行。在硬件设计方面，充分考虑:

采用控制行业的接插件
接口电路防护，隔离
高可靠性电源
工业级防护等级
满足电磁兼容性，安全等技术标准
能够承受恶劣条件正常运行

软件方面：

多种语言编程：C++，Python
与matlab/simulation 兼容
支持实时同步以太网协议（IEEE1588/PTP）

内部架构

构建生态系统

开放性工业控制器的特征是构建一个生态系统，modular-2PRO 着力于通过开放性硬件平台和基础软件，构建一个分布式控制与测量设备与技术的生态系统。以ZYNQ 处理器为核心，构成以硬件IO模块，FPGA IP核，程序库，IEC61499 功能块库组成的生态系统。

构建生态系统的关键是开放性，但是核心产品和技术在初始阶段的“杀手级”应用，客户体验，关键用户也是至关重要的因素。在产品的设计阶段就要与行业专家充分地讨论和协作。在某一个领域推广开之后，后续的发展就顺理成章了。

开放控制器的市场策略

在半自动化领域率先应用

在推广的初期，可以在各种半工业应用，例如环境控制或实验室仪器，数据采集，matlab/simulink快速原型设计，算法验证等领域使用。在这些领域，人们对可靠性的担忧相对要小一些。

超越PLC

随着PLC的全面应用和大批量制造，PLC 的价格不断地下降，如果在性能上不能够超越PLC 的话，OT工程师更倾向于采用PLC解决更多的问题。即便是远程控制，数据采集等物联网应用中，前端设备中也大量地采用PLC，变频器设备。新技术，新产品无法撼动PLC的地位，只会让PLC进一步地扩展它的应用范围。

开放性工业控制要解决目前PLC还不能实现的功能。modular-2PRO将应用的重点放在下面几个领域：

高速数据采集和数字信号处理（设备健康检测，信号分析）
数字化智能仪表示波器，频谱分析，多功能信号发生器（面向教育和实验室）
视觉处理（例如ADAS）
matlab/simulink 算法验证，在环仿真
特殊运动控制（比如数字液压伺服控制，电机控制）

做强大的配角

前面已经提到，PLC在工业控制行业的地位在短期内是无法撼动的。尽管新的控制设备算力强大，处理能力远远超过了现有PLC的能力，在系统集成过程中，最好的方法是作为一个“强大的配角。比如在搬运机器人系统中，视觉识别的处理的算法复杂性和所需的算力要比PLC强大的多，但是最好它以“视觉识别”模块的形式出现。

视觉模块以PLC的控制协议（比如modbus TCP）与PLC 交互数据和状态。

结束语

像Raspberry Pi 和 Arduino这样的开源控制器非常有趣，但是将它们直接应用于工业控制领域是有风险的。自动控制领域可以导入商业级开源硬件的商业模式和理念，发展开放性工业控制器。本文讨论了开放性工业控制器的相关问题，以及我们正在做的项目