培养一支技术人员队伍需要多长时间?
培养一名有经验的控制技术人员或能够设计、修改和修理工业控制和自动化系统的电气/机械工程师需要多长时间?
能在十年内完成吗?
我们是否可以使用通常与开源社区相关的工具和技术来加速学习体验?
本简介探讨了在工业控制和自动化背景下框架下的传统开源硬件计划的交集。我们展示了将这些领域融合在一起的新兴技术存在重叠。基于树莓派和Arduino基础(如图1所示)的可编程逻辑控制器(PLCs)是很好的案例研究。像这样的设备是开放软件和开放硬件计划的核心。
当我们考虑到劳动力限制以及对电气和机械技术人员、装配工和工程师的苛刻和广泛的教育要求时，这种交叉就变得更加有趣了。作为一种行动呼吁，开源社区有可能减少培养一支经验丰富的劳动力所需的时间。
什么是开源硬件?
开源硬件与开源软件共享一个共同的定义。作为一个一般原则，开放产品的设计是为了让任何人都可以研究、改变、适应，然后再分发产品。这些概念通常是在大型支持性社区中构建的，这些社区是通过使用我们的全球网络进行自由开放的全球交流而实现的。
开源软件通常与计算机代码有关，而开源硬件则更为复杂。然而，我们可以争辩说，现代硬件设计通常包括操作PLC的软件。还需要描述物理属性的其他材料，包括电线图、PCB文件、CAD图纸以及传感器和执行器等现场设备的物理放置。这也可以扩展到被控制的机器或过程的物理描述和一组设计文件。
开源计划的核心是关注用户的权利。 我们也可以认为，这些权利与教育密切相关，因为学习、改变和适应这些行为动词是任何教育的关键要素。
图 1 :Kunbus Revolution pi和Opta等PLCs提供了开放软件和开放硬件领域之间的桥梁。
哪些设备传统上被认为是开源硬件运动的一部分?
一个答案可能是通过检查已经被开源硬件协会认证的项目。根据最近开源硬件状态声明，该领域主要由电子和3D打印主导。对于熟悉Arduino社区的DigiKey读者来说，这并不奇怪，他们使用的设备如Arduino Uno和衍生产品如Sparkfun Pro Mini，如图2所示。诸如此类的产品一直是许多基于社区的开源计划的引擎。通过访问Instructableas等网站，我们可以找到许多电子项目、3D打印、激光切割以及这三者的组合，这一观察得到了进一步的支持。另一个例子是DigiKey托管的Maker.IO平台。最近的欢迎页面如图3所示。特色树莓派与Arduino链接完全符合我们的讨论。
图 2 :Arduino UNO和Sparkfun Pro Mini的图片，这两个被广泛认可的设备是许多开放硬件计划的核心。同样，像这样的设备也是许多教育开源计划的核心。
从开源软件计划中跨界
如上所述，Arduino和树莓派是创客空间和开放软件社区中的两个知名品牌。这两个社区的工业控制器都能买到也就不足为奇了。在图1中，我们看到具有代表性的Kunbus Revolution Pi和Arduino Opta可编程逻辑控制器(plc)。在内部，Kunbus PLC使用树莓派计算模块，Arduino使用嵌入式处理器，似乎与Arduino H7 PORTENTA Pro共享硬件。
图 3 : DigiKey的功能页面Maker.IO于2024年4月26日被捕获。请注意Arduino与树莓派的文章。
什么构成了纯开源硬件设计 ?
让我们花点时间认识到，关于开放硬件，存在着灰色地带。例如，我们可以争辩说树莓派不是纯开源的，因为我们无法访问内部计算模块原理图。然而，Kunbus确实提供了RevPi PLC的原理图。同样，Arduino提供了相关设备(如PORTENTA Pro H7)的原理图，但不提供Opta PLC本身的原理图。
一个具有挑战性的开源硬件项目是将两个PLC设备结合起来。例如，从纯粹的硬件角度来看，我们可以生产一个具有RevPi接口电路和Arduino H7大脑的新设备。
为什么不是所有的设备都是开源的 ?
从纯粹主义者的角度来看，如果我们能够完全访问与特定产品相关的所有文档和程序，那就太好了。与此同时，我们应该认识到，将完整的配方隐藏起来是有原因的。就像Kunbus和Arduino的例子一样，它们也有局限性。关于专利、商业秘密、资本密集型项目的投资回报，我还是留给大家来讨论吧。
大组件 vs 小组件
人们很容易从电阻器、晶体管、微控制器的角度来考虑开源硬件。一个很好的例子就是Arduino Mega。Mega一度被作为参考设计纳入Eagle CAD软件。从教育的角度来看，这是非常棒的，因为学生可以探索设计的多个方面。举个例子，我曾经布置了一项作业，计算与Mega电源相关的散热器的尺寸。这包括将热量从板的一侧传递到另一侧的散热器。
我们应该从更高的层面来看待工业开放硬件的想法
不应该在组件级别查看工业控制。而不是探索稳压器，mosfet，光耦合器和微控制器，我们应该专注于线图，用户界面组件和模块级组件，如PLC和电机驱动器。
同样重要的是描述如何监测和控制机器或工业过程的算法。这是对开源硬件与开源软件不可分割的另一种认识。探索PLC的梯形逻辑程序与探索c++或python源代码一样重要。
这个想法抓住了工业控制开源硬件计划的核心。正是在这个层面上，每个人都可以自由地研究、改变、调整产品以适应新的情况。任何给定的项目都有成千上万种硬件组合。同时，执行任务的方法也不止一种。控制过程的机器可以通过改变传感器的类型、控制算法或各种机器硬件和执行器来改进。
工业控制和自动化的开源计划的现状如何 ?
我们应该认识到，工业控制的构建是为了承受恶劣的环境和不那么温和的操作员。这些坚固的部件与较高的成本相关联，从而使许多想要做实验的人无法进入。沿着同样的路线，工业控制用于时间和金钱敏感的工业过程。我们知道，设备的可靠性直接影响到公司的底线，因为停机时间每分钟可能花费数百到数千美元。换句话说，几乎没有时间和金钱来进行实验。
安全是另一个需要考虑的问题。缺乏经验或粗心的开发人员可能会造成危险的情况。举个简单的例子，考虑一台带有光幕的机器。很明显，当光幕被打破时，机器就会停止工作。但是，我们需要仔细考虑机器将如何重新启动。我们必须考虑人类将如何与机器互动，以清除堵塞或部分完成的工作组件。一个简单的错误就可能损坏机器，伤害甚至杀死一个人。
然而，这并不是故事的结局。
将工业开放硬件倡议的重点放在课堂环境上，这是一个很好的理由。另一种说法是，我们也有理由支持师徒关系的悠久传统。这是一种认识，即课堂经验不会让你成为专家。相反，作为你几十年学习经验的一部分，你可以在导师的监督下制造机械和工业控制。这与开源软件和硬件社区相结合，可以比单打独打产生更好的结果。
劳动力压力会扩大开源计划吗 ?
未来很难预测。然而，我们可以诚实地看待我们的现状，并推测事情将如何变化。当我们审视工业自动化时，我们看到了一些趋势:
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技术的复杂性在增加。部分原因是计算能力的提高。这是工业4.0的一部分，它可以实现视觉识别甚至先进的人工智能功能。沿着同样的思路，控制算法的复杂性也在增加。
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随着网络安全的复杂性和危害的增加，网络也有增加的趋势。这属于工业4.0的范畴，远程控制和监控用于提高内部效率(以时间和能源消耗衡量)，并优化工厂与更大物流链的整合。
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扩大自动化以执行以前由人类完成的任务的压力越来越大。
我们当然可以扩大这个列表，但可以肯定地说，工业控制和自动化是一个不断增长的领域。与此同时，我们需要认识到，培养熟练的技术人员和工程师需要付出很大的努力。在过去，当学生学习继电器和阶梯逻辑时，我们可能已经满足了。考虑到我们乐观地认为系统复杂性随着网络组件的扩展而增加，这似乎是不完整的。
也许这就是我们最需要开放硬件倡议的地方。开源社区可以真正帮助指导和培养未来的技术人员和工程师。这些社区参考设计和案例研究对于潜在地减少我们未来劳动力增长所需的时间将具有巨大的价值。
其他想法
在我们结束之前，我们应该反思开源计划的挑战和机遇，特别是当我们包括制造业时。与教育的联系可能是最重要的方面，特别是当我们认识到培养一支称职的劳动力所需的时间和奉献精神时。研究、改变和适应的核心开源概念在应用于工业控制和自动化时可能会产生积极的好处。它们有可能减少学习时间，同时让学生充分发挥现代控制和技术的潜力。
我相信，这篇简介已经有效地为未来的辩论提供了框架，这些辩论将包括专业爱好者和教育工作者。与此同时，我坦率地承认，这篇摘要仅仅触及了一个高度复杂的话题的表面。请分享你的想法和你对开源硬件项目的贡献链接。你的工作可能有助于缩短未来技术人员和工程师长达数十年的培训时间。