开源硬件是开放自动化不可缺失的重要一环

Posted 2022-01-19 姚家湾

        

 

        开放自动化系统的概念越来越热。 普遍认为是自动化行业未来发展的方向。开放，意味着打破过去由传统厂商构建的边界，让更多的人可以参与其中。无论是国内的自动控制设备厂商，还是IT企业，互联网企业以及运营商都普遍认为是一个新发展的契机。

        对于国内的企业而言，该从何处切入？扮演什么样的角色？笔者认为不外乎如下几种。

集成商

             在商业化开放自动化平台上做系统集成，例如施耐德的EAE 系统下开发应用项目，根据项目的需求开发相应的功能块库，数据模型以及上层软件。这和目前的系统集成商没有太大的差别。团队要适当增加IT 软件工程师。

第三方软件开发商

        开放性自动化平台为第三方独立软件开发商提供了机会。他们可以独立地为开放性平台开发专业的功能块库和软件中间件。大型厂商正在为第三方软件产品提供交易平台。不过这项业务也许要等上一段时间。只有开放平台非常普及，并且用户养成了购买第三方软件的习惯之后，才能蓬勃发展起来。

 解决方案提供商

      为PLC和边缘设备厂商提供开发环境，SCADA，和运行时等全套解决方案。最成功的当数codesys。这将是一个专业的小型团队。在团队早期发展阶段，投入大，周期长，盈利比较困难。

设备提供商

  购买商业化的解决方案，开发开放性自动化设备。许多小型PLC 厂商大多数采取这种方案。这种模式的弊端是需要缴纳技术授权费用，产品同质化现象严重。而且受制于方案提供商。

独立的软硬件开发商

          对于规模比较大，人力资源和资金能力强的企业，可以自己组建软硬件团队开发整个开放自动化系统。不过，毕竟投入巨大，在发展的早期，他们也不敢贸然进入。大多数处于观望的阶段，就像天空上的秃鹰，等待时机。

         如此看来，似乎没有一个理想的方式，让大量小型创业团队进入开放自动化行业。笔者个人认为，从开源软件入手，并且在此基础上开发开源硬件设备，也许是重要的一环。主要基于下面几个原因：

    软硬件解耦，意味着独立硬件厂商的出现

           开放自动化系统的一个重要的特征就是软硬件解耦。这将会催生一批独立硬件厂商的出现。这种方式在手机，个人电脑行业的发展过程中都已经被采纳。相信这种趋势会在自动化行业出现。

小型企业开发和制造硬件设备的门槛较高

        开发自动化系统的出现，降低了自动化软件研发的难度，使许多的IT行业的工程师和企业有机会进入自动化控制，物联网等领域。甚至电信运营商也利用其通信网络和云端平台优势，积极地发展各种工业物联网，工业云系统。小型初创型公司，大学老师和学生也尝试进入工业控制行业。他们将是开放自动化生态系统中的生力军。不过，尽管他们在软件开发方面具有人才和技术的优势，在硬件设备开发，制造方面却不是强项。

          工业控制行业使用的CPU以及各种外围电路已经变得越来越复杂，需要富有经验的专业硬件工程师，机械结构设计师，工业设计师相互协同工作才能完成设备的开发，而产品试制，外壳模具制造的耗费的人力物力是非常巨大的。当产品刚进入市场时，小批量产品制造，供应链管理成本高居不下。

      嵌入式SOC 芯片技术的性能已经有巨大的提升，多核，异构，丰富的IO资源的产品大量推出，例如NXP 公司的 i.mx8 ，RT1070系列产品。ST的STM32MP157D 系列产品都具有非常强的性能。与此同时，基于这些高性能SOC 的硬件设备的设计和制造远比原来的单片机复杂的多。BGA封装，高时钟频率都不是单片机时代小型公司或者个人的络铁能够解决问题的。技术进步推高批量生产的门槛。

       笔者年轻时在具有一定规模的电子企业工作时就有一句行话-“卡壳”，电子工程师做产品最难的不是电路设计和软件开发，而外壳设计和制造。设计再好的电路和软件，却装进了自己也不自信的外壳中。现在的情况有了很大的改观，但是仍然有许多产品被装在了仿照旧的西门子PLC 外壳中。或者就是铝型材加端盖，白色公版塑胶外壳中。  

目前流行的开源硬件和开发板不适合工业现场使用

        市面上也有许多的开源硬件设备，最为出名的是树莓PI和ardunio 。它们价格低廉，使用简单，完全开源。受到个人爱好者，大学师生的普遍欢迎。而且已经形成了良好的生态系统。但是令人遗憾的是，这些产品只能用来设计和搭建原型机，不能够直接在工业环境中可靠地长期使用。如果希望开发最终产品，仍然需要重新设计。

      另一方面，半导体厂商和专业的第三方公司开发了大量的开发板和廉价板级产品。不过这些产品主要是为了评估CPU而设计的。不适合在工业环境长期使用。

        国内开发板厂商的另一个重要的市场是学校实训，创新大赛的需要，它们的产品设计面向小车控制，LCD 显示等初级的应用场合。

接插件公司进入自动化设备市场

        目前有一个趋势，就是国外的接插件企业开始向上游自动化控制设备渗透。

        许多国外原本的接插件厂商，比如菲尼克斯，wago，harting 等公司利用他们在接插件制造，精密模具，以及市场的优势，开始进入自动化设备制造的领域。他们推出了远端IO模块，工业路由器，电源，边缘设备产品。相比传统自动控制系统大厂，它们的价格也具有竞争能力。这些企业最有可能成为开发自动化生态系统中得益的硬件厂商。它们将伴随着开发自动化生态的建立而发展成为新型的自动控制设备厂商。在开放自动化的声浪中，它们也是最活跃的。笔者认为，这一类企业会对国内自动化设备厂商造成非常大的压力。

    就目前而言，这些国际大厂的产品普遍价格偏高。而国内的接插件，壳体制造企业显然没有转型的能力和愿望。它们提供的都是老旧的仿照国外过气产品的外壳。

开源硬件的商业机会   

     笔者认为，既然高性能嵌入式控制设备的制造难度提高了，为小型初创公司，大学师生提供高性价比的开源硬件产品就存在商业机会。

  尽管自动控制行业对硬件产品的性能与可靠性要求比较高。但是IO模块，主处理器模块都趋向标准化，技术也相对成熟。专业硬件设计公司完全能够研发这些模块。

       国际大厂的自动化控制设备基本上是一个封闭式系统，为了保护它们的知识产权，通常采用了内部定制的CPU 已经专用ASIC 电路。它们的研发周期和产品升级换代比较慢。大量先进的SOC 集成电路没有及时地得到应用。相反，对于小型初创公司而言，它们没有历史包袱，研发速度可以超过国际大厂。迅速地开发基于最新SOC芯片的开源硬件。

         开源自动控制设备的出现将推动开放型自动化系统的生态建立。国内更多的小型初创公司，甚至个人都可以基于开源硬件开发出各种具有自己优势的开放型自动化产品。毕竟，大炮不能上刺刀，产品化需要硬件才能实现。尤其是在国内，更是如此。

结束语

     缺失性价比高的硬件设备是小型初创公司进入开放性自动化领域的一大障碍。发展开源的自动化硬件产品是一种解决之道。希望富有远见和勇气的人士投身于此。