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

開源解決方案在工業領域的崛起

開源解決方案可以根據特定需求進行定制，因此在工業環境中深受歡迎。這種適應性在復雜的制造流程中尤為重要，因為現成的解決方案可能無法滿足這些流程的要求。開源項目的社區驅動性質加快了創新速度，從而縮短了開發周期，并有助于共同協作解決問題。

開源自動化極引人注目的優勢之一是其成本效益。通過減少對專有系統的依賴，企業可以大幅降低初始投資和持續維護成本。[1]這種可獲取性使先進自動化技術的獲取變得更加民主化，這對小型企業或預算有限的企業尤為有利。

開源自動化工具的優勢

開源自動化工具擁有眾多優勢，是復雜工業環境的理想選擇。從增強的互操作性到更大的供應商獨立性，這些優勢改變了公司處理自動化問題的方式。

增強的互操作性

開源解決方案在促進不同設備和協議之間的無縫通信方面表現出色。這種互操作性在現代工業環境中至關重要，因為來自不同制造商的設備必須協調工作。通過遵循開放標準，這些解決方案可確保自動化系統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，但卻認可開源項目固有的透明度會帶來更強大的安全性。社區能夠仔細檢查代碼，從而更快地識別和解決漏洞。在系統完整性至關重要的工業環境中，這種協作式安全方法彌足珍貴。

供應商獨立性

開源自動化非常顯著的優勢之一是擺脫了供應商的束縛。傳統的專有系統通常會將用戶與特定的供應商捆綁在一起，以獲得升級、維護和支持。而開源替代方案則讓用戶可以靈活地從眾多服務提供商中進行選擇，甚至開發內部專業技術，從而確保長期支持和適應性。

開源硬件解決方案

一系列開源硬件平臺正在推動工業自動化領域的變革。這些解決方案具有可擴展性和靈活性，并支持廣泛使用的工業協議，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PC。這一創新平臺具有出色的擴展靈活性，支持一系列廣泛的工業協議，包括開放平臺通信統一架構（OPC UA）、消息隊列遙測傳輸（MQTT）)、Modbus和EtherNet/IP。[2]

實際上，RevPi已在各種制造環境中得到應用。例如，它可以作為智能工廠的中央控制器，協調各種生產流程并收集實時數據進行分析。它的模塊化特性使其能夠隨著生產需求的變化而輕松擴展和調整。

Arduino Opta

Arduino以其用戶友好型開發板而聞名，現在又憑借Arduino Opta進入了工業自動化領域。這款可編程邏輯控制器（PLC）既保持了與Arduino生態系統的兼容性，又滿足了工業應用的嚴格要求。

Opta的優勢在于編程簡便且與工業協議兼容。[3]它特別適合小型自動化項目和快速原型開發。例如，小型制造廠可以使用Opta實現包裝生產線的自動化，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自動化領域取得了進展。[4],[5]這些平臺具有獨特的特性和功能，進一步擴大了自動化工程師的選擇范圍。

面向工業應用的開源操作系統

開源軟件在管理和控制工業流程方面發揮著至關重要的作用。這些軟件平臺具有高度可定制性和可擴展性，能夠處理從監控到自動化控制等各種應用。

Zephyr實時操作系統

Zephyr是適用于嵌入式設備的輕量級可擴展實時操作系統（RTOS）。它占用內存少，可配置性強，非常適合資源有限的工業應用。

Zephyr在需要精確計時和快速響應的自動化任務中表現出色。例如，它可用于高速分揀系統，在該系統中，毫秒級的精度對正常運行至關重要。

FreeRTOS

FreeRTOS已成為基于微控制器的自動化任務的熱門選擇。其廣泛的生態系統和易用性使其成為許多工業應用中極受歡迎的解決方案。

分布式控制系統是FreeRTOS的一個非常好的應用示例，在此系統中多個微控制器協同工作，管理復雜制造過程的不同方面。FreeRTOS強大的任務調度功能可確保及時、可預測地執行關鍵操作。

實時Linux

實時Linux為需要完整操作系統功能的復雜自動化系統提供了一個理想的解決方案。通過修改標準Linux內核來支持實時操作，既可發揮Linux豐富的軟件生態系統優勢，又可滿足工業環境所需的確定性性能。

實時Linux可應用于要求高性能計算和低延遲控制的場合。例如，它可以為高速生產線上的視覺質量控制系統提供支持，實時處理圖像數據以識別缺陷。

開源軟件解決方案

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

Rapid SCADA

Rapid SCADA是一個開源的工業控制和監控系統，提供了廣泛的定制選項。其模塊化設計使其能夠適應各種工業應用。

Rapid SCADA可用于為水處理廠等應用創建全面的監控界面。其數據記錄功能可以跟蹤一段時間內的水質參數，而控制功能則可以根據實時數據管理處理過程。

ROS-Industrial

ROS-Industrial將機器人操作系統（ROS）的功能擴展到工業應用中。這一開源框架為工業機器人的編程和控制提供了強大的工具。

ROS-Industrial的一個應用實例是，一家汽車制造廠使用操作系統對執行復雜裝配任務的一系列機械臂進行編程和協調。該框架具有靈活性，可根據生產需求的變化快速重新配置機器人任務。

開源PLC項目

一些開源項目旨在提供基于軟件的傳統硬件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，并擁有強大的社區支持。

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

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

開源通信協議

在現代工業環境中，設備之間的無縫通信至關重要。開源通信協議可實現互操作性和實時數據交換，確保不同設備之間的順暢運行。

OPC UA

OPC UA已成為工業自動化領域安全可靠的數據交換標準協議。它與供應商無關，兼容性廣，是創建可互操作系統的理想選擇。

在智能工廠環境中，OPC UA可作為數據通信的骨干，實現從數控機床到環境傳感器等各種設備之間的無縫信息流。

MQTT

MQTT的輕量級設計使其特別適合工業環境中的物聯網（IoT）應用。它能夠高效處理高延遲或不可靠的網絡，因此非常適合連接遠程傳感器或設備。

大規模農業運營是MQTT的一個應用場景，在這里它可以收集和傳輸來自分散的土壤傳感器數據，從而實現精確的灌溉控制。

其他協議

Modbus、EtherNet/IP和EtherCAT等協議雖然本質上不是開源的，但其開源實現在工業自動化中發揮著至關重要的作用。[6],[7]這些協議實現了不同工業設備之間的通信，構成了許多自動化系統的基礎。

開源自動化的未來

展望未來，開源技術在工業自動化領域的作用將進一步擴大。物聯網和人工智能（AI）技術的進步可能會推動開源自動化解決方案的創新，為工業流程提供更大的靈活性和智能化。

在工業自動化領域采用開源技術不僅僅意味著技術變革，更代表著工業領域在控制和優化方式上的根本性轉變。工業領域秉持開放與協作的理念，正在積極布局，以擁抱一個充滿創新與效率的未來。