培養一支技術人員隊伍需要多長時間?
培養一名有經驗的控制技術人員或能夠設計、修改和修理工業控制和自動化系統的電氣/機械工程師需要多長時間?
能在十年內完成嗎?
我們是否可以使用通常與開源社群相關的工具和技術來加速學習體驗?
本簡介探討了在工業控制和自動化背景下框架下的傳統開源硬體計劃的交集。我們展示了將這些領域融合在一起的新興技術存在重疊。基於樹莓派和 Arduino 基礎（如圖1所示）的可程式邏輯控制器（PLC）是很好的案例研究。像這樣的設備是開放軟體和開放硬體計劃的核心。
當我們考慮到勞動力限制以及對電氣和機械技術人員、裝配工和工程師的苛刻和廣泛的教育要求時，這種交叉就變得更加有趣了。作為一種行動呼籲，開源社群有可能減少培養一支經驗豐富的勞動力所需的時間。
什麼是開源硬體?
開源硬體與開源軟體共享一個共同的定義。作為一個一般原則，開放產品的設計是為了讓任何人都可以研究、改變、適應，然後再分發產品。這些概念通常是在大型支持性社群中建構的，這些社群是透過使用我們的全球網路進行自由開放的全球交流而實現的。
開源軟體通常與電腦程式碼有關，而開源硬體則更為複雜。然而，我們可以爭辯說，現代硬體設計通常包括操作 PLC 的軟體。還需要描述物理屬性的其他材料，包括電線圖、PCB 文件、CAD 圖紙以及感測器和執行器等現場設備的物理放置。這也可以擴展到被控制的機器或過程的物理描述和一組設計文件。
開源計劃的核心是關注用戶的權利。我們也可以認為，這些權利與教育密切相關，因為學習、改變和適應這些行為動詞是任何教育的關鍵要素。
圖 1：Kunbus Revolution pi 和 Opta 等 PLC 提供了開放軟體和開放硬體領域之間的橋樑。
哪些設備傳統上被認為是開源硬體運動的一部分?
一個答案可能是通過檢查已經被開源硬體協會認證的項目。根據最近開源硬體狀態聲明，該領域主要由電子和 3D 列印主導。對於熟悉 Arduino 社群的 DigiKey 讀者來說，這並不奇怪，他們使用的設備如 Arduino Uno 和衍生產品如 Sparkfun Pro Mini ，如圖2所示。諸如此類的產品一直是許多基於社區的開源計劃的引擎。透過訪問 Instructableas 等網站，我們可以找到許多電子項目、3D 列印、雷射切割以及這三者的組合，這項觀察得到了進一步的支持。另一個例子是 DigiKey 託管的 Maker.IO 平台。最近的歡迎頁面如圖 3 所示。 特色樹莓派與 Arduino 連結完全符合我們的討論。
圖 2：Arduino UNO 和 Sparkfun Pro Mini 的圖片，這兩個被廣泛認可的設備是許多開放硬體計畫的核心。同樣，像這樣的設備也是許多教育開源計畫的核心。
從開源軟體計畫中跨界
如上所述，Arduino 和樹莓派是創客空間和開放軟體社群中的兩個知名品牌。這兩個社區的工業控制器都能買到也就不足為奇了。在圖 1 中，我們看到具有代表性的 Kunbus Revolution Pi 和 Arduino Opta 可程式邏輯控制器（PLC）。在內部，Kunbus PLC 使用樹莓派運算模組，Arduino 使用嵌入式處理器，似乎與 Arduino H7 PORTENTA Pro 共享硬體。
圖 3：回顧 DigiKey 的功能頁面 Maker.IO 於2024年4月26日 被展示。請注意 Arduino 與樹莓派的文章。
什麼構成了純開源硬體設計 ?
讓我們花點時間認識到，關於開放硬件，存在著灰色地帶。例如，我們可以爭辯說樹莓派不是純粹開源的，因為我們無法存取內部計算模組原理圖。然而，Kunbus 確實提供了 RevPi PLC 的原理圖。同樣，Arduino 提供了相關設備（如 PORTENTA Pro H7）的原理圖，但不提供 Opta PLC本身的原理圖。
一個具有挑戰性的開源硬體專案是將兩個 PLC 設備結合。 例如，從純粹的硬體角度來看，我們可以生產一個具有 RevPi 介面電路和 Arduino H7 大腦的新設備。
為什麼不是所有的設備都是開源的 ?
從純粹主義者的角度來看，如果我們能夠完全存取與特定產品相關的所有文件和程序，那就太好了。同時，我們應該認識到，將完整的配方隱藏起來是有原因的。就像 Kunbus 和 Arduino 的例子一樣，它們也有限制。關於專利、商業機密、資本密集專案的投資回報，我還是留給大家來討論吧。
大元件 vs 小元件
人們很容易從電阻、電晶體、微控制器的角度來考慮開源硬體。一個很好的例子就是 Arduino Mega。Mega 曾被納入 Eagle CAD 軟體作為參考設計。從教育的角度來看，這是非常棒的，因為學生可以探索設計的多個方面。舉個例子，我曾經佈置了一項作業，計算與 Mega 電源相關的散熱器的尺寸。這包括將熱量從板的一側傳遞到另一側的散熱器。
我們應該從更高的層面來看待工業開放硬體的想法
不應該在元件層級查看工業控制。而不是探索穩壓器，MOSFET，光耦合器和微控制器，我們應該專注於線圖，使用者介面組件和模組級組件，如 PLC 和馬達驅動器。
同樣重要的是描述如何監控和控制機器或工業過程的演算法。這是對開源硬體與開源軟體不可分割的另一種認知。探索 PLC 的梯形邏輯程式與探索 C++ 或 python 原始碼一樣重要。
這個想法抓住了工業控制開源硬體計劃的核心。正是在這個層面上，每個人都可以自由地研究、改變、調整產品以適應新的情況。任何給定的項目都有成千上萬種硬體組合。同時，執行任務的方法也不只一種。 控制過程的機器可以透過改變感測器的類型、控制演算法或各種機器硬體和執行器來改進。
工業控制和自動化的開源計劃的現狀如何 ?
我們應該認識到，工業控制的建構是為了承受惡劣的環境和不那麼溫和的操作員。這些堅固的部件與較高的成本相關聯，使許多想要做實驗的人無法進入。沿著同樣的路線，工業控制用於時間和金錢敏感的工業過程。我們知道，設備的可靠性直接影響公司的底線，因為停機時間每分鐘可能花費數百到數千美元。換句話說，幾乎沒有時間和金錢來進行實驗。
安全是另一個需要考慮的問題。缺乏經驗或粗心的開發人員可能會造成危險的情況。舉個簡單的例子，考慮一台有光幕的機器。很明顯，當光幕被打破時，機器就會停止工作。但是，我們需要仔細考慮機器將如何重新啟動。我們必須考慮人類將如何與機器互動，以清除堵塞或部分完成的工作組件。一個簡單的錯誤就可能損壞機器，傷害甚至殺死一個人。
然而，這並不是故事的結局。
將工業開放硬體倡議的重點放在課堂環境上，這是一個很好的理由。另一種說法是，我們也有理由支持師徒關係的悠久傳統。這是一種認識，即課堂經驗不會讓你成為專家。相反，作為你幾十年學習經驗的一部分，你可以在導師的監督下製造機械和工業控制。這與開源軟體和硬體社群相結合，可以比單打獨打產生更好的結果。
勞動力壓力會擴大開源計畫嗎 ?
未來很難預測。然而，我們可以誠實地看待我們的現狀，並推測事情將如何變化。當我們審視工業自動化時，我們看到了一些趨勢:
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技術的複雜性正在增加。部分原因是計算能力的提升。這是工業 4.0 的一部分，它可以實現視覺識別甚至先進的人工智慧功能。沿著同樣的思路，控制演算法的複雜度也在增加。
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隨著網路安全的複雜性和危害的增加，網路也有增加的趨勢。這屬於工業 4.0 的範疇，遠端控制和監控用於提高內部效率（以時間和能源消耗衡量），並優化工廠與更大物流鏈的整合。
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擴大自動化以執行以前由人類完成的任務的壓力越來越大。
我們當然可以擴大這個列表，但可以肯定地說，工業控制和自動化是一個不斷增長的領域。同時，我們需要認識到，培養熟練的技術人員和工程師需要付出很大的努力。在過去，當學生學習繼電器和階梯邏輯時，我們可能已經滿足了。考慮到我們樂觀地認為系統複雜性隨著網路組件的擴展而增加，這似乎是不完整的。
也許這就是我們最需要開放硬體倡議的地方。開源社群可以真正幫助指導和培養未來的技術人員和工程師。這些社區參考設計和案例研究對於潛在地減少我們未來勞動力成長所需的時間將具有巨大的價值。
其他想法
在我們結束之前，我們應該反思開源計畫的挑戰和機遇，特別是當我們包括製造業時。與教育的連結可能是最重要的方面，特別是當我們認識到培養稱職的勞動力所需的時間和奉獻精神時。研究、改變和適應的核心開源概念在應用於工業控制和自動化時可能會產生積極的好處。 它們有可能減少學習時間，同時讓學生充分發揮現代控制和技術的潛力。
我相信，這篇簡介已經有效地為未來的辯論提供了框架，這些辯論將包括專業愛好者和教育工作者。同時，我坦率地承認，這篇摘要僅僅觸及了一個高度複雜的話題的表面。請分享你的想法和你對開源硬體專案的貢獻連結。你的工作可能有助於縮短未來技術人員和工程師長達數十年的訓練時間。