Baserat på den senaste utvecklingen inom den industriella tillverkningssektorn är marknaden för industriell automation och kontroll fortfarande i en fas av snabb tillväxt. Drivet av stigande arbetskraftskostnader, trycket att minska utgifterna och öka effektiviteten, och tillverkarnas intensiva behov av att hålla deadlines, har efterfrågan på automationsstyrningstekniker i fabriker nått oöverträffade nivåer. Enligt statistik och prognoser från Grand View Research värderades marknaden för industriell automation och kontroll till cirka 194,99 miljarder dollar förra året, med denna siffra som beräknas nå 379,93 miljarder dollar år 2030.
Kinas industriella kontrollmarknad framstår som en viktig aktör
Kinas industriella kontrollmarknad har också genomgått betydande förändringar. Enligt nationella uppgifter upprätthöll Kinas industrisektor en stadig tillväxt under 2023, med nya tillväxtfaktorer som accelererade. Bland storskaliga industriföretag ökade mervärdet av utrustningstillverkning med 6,8 %-från-år, vilket motsvarar 33,6 % av det totala mervärdet för storskaliga industriföretag. Mervärdet av högteknologisk tillverkning ökade med 2,7 %, vilket motsvarar 15,7 % av det totala mervärdet för stora-industriföretag.
Varför finns det ett visst gap mellan den globala och den inhemska marknaden? Detta beror till stor del på det nationella politiska stödet för omvandling och uppgradering av tillverkning. Sedan den 14:e femårsplanen släpptes- har nationen lagt oöverträffad tonvikt på omvandlingen och uppgraderingen av den industriella tillverkningssektorn. Inom målet att förbättra tillverkningens kärnkonkurrenskraft ligger det ett starkt fokus på att utveckla industriell styrutrustning som distribuerade styrsystem och programmerbara logiska styrenheter, samtidigt som man uppnår genombrott inom komponenter som avancerade styrenheter och hög-precisionsservodrivsystem. Den snabba utvecklingen av heta industrier som nya energifordon har drivit på fabrikens digitala transformation, med provinser och städer som rullar ut subventionspolicyer för digitala intelligenta benchmark-demonstrationsfabriker.
Industriell kontroll Upstream, Midstream och Downstream Supply Chain
Låt oss sedan undersöka uppströms-, mittströms- och nedströmsförsörjningskedjan för industriell kontroll. Uppströmmen består i första hand av styr-/kommunikationschip, design-IP, sensorer, komponenter och PCB. Mellanströmmen, baserad på olika industriella styrprocesser, är uppdelad i exekveringsskiktet, drivskiktet, styrskiktet och driftövervakningen. Utförandeskiktet inkluderar styrventiler och motordrivningar; drivskiktet omfattar drivenheter med variabel frekvens och servosystem; kontrollskiktet täcker HMI, DCS och PLC; och operativ övervakning inkluderar instrument och industriella visionsystem. Nedströmssegmentet för industriell kontroll omfattar många specialiserade industrier, inklusive flera som har fått betydande dragkraft under de senaste åren: 3C-tillverkning, nya energifordon, energilagring, servrar, petrokemi och järnvägstransitering.
Ur ett halvledarperspektiv kan den uppströms industriella styrsektorn kategoriseras i fyra huvudsegment: industriella sensorer, industriella kontrollchips, design-IP och industriella FPGA:er. Industriella sensorer, som kärnkomponenter i perceptionslagret (eller återkopplingsskiktet) i mitten av industriell kontroll, spelar en viktig roll för att optimera industriella processer och tillhandahålla tillgångsövervakning och skydd. Utländska tillverkare inkluderar ON Semiconductor, Precision Electronics, SICK, Keyence, Beckhoff, Honeywell, Omron, Datalogic och Leica Geosystems. Inhemska aktörer omfattar SmartSens, NXMicro, Cognex, Beiyang Group, XCMG, Minghao Sensing, XiaoAowei, Meixin Semiconductor och Feien Microelectronics.
Inom sektorn för industriella styrchips och moduler fokuserar de flesta tillverkare på att utveckla MCU:er för allmänna-ändamål. Nyckelaktörer inkluderar internationella företag som TI, ADI, ST, Microchip, Infineon, NXP, ON Semiconductor och Renesas, tillsammans med inhemska tillverkare som JiHai Semiconductor, Huada, Zhongying Electronics, Xinwang Microelectronics, Fengteng Technology, Artel, Jucheng Semiconductor, Nuvoton, Vanguard, Times, Vanguard, Times Saiyuan, Guoguo Technology, Dongtu Technology, Zhongke Jingshang, Xinhai Technology och Zhaoxin.
Samtidigt, när de differentierade kraven ökar, har design-IP blivit en oumbärlig komponent för uppströmschiptillverkare, som omfattar både kärn-IP och gränssnitts-IP. Internationella aktörer inkluderar Arm, Synopsys, Cadence, Imagination, Renesas och Sifive, medan inhemska företag inkluderar PingTouGe, Andes Technology, VeriSilicon och CanSemi.
Slutligen ser industriella FPGA:er en betydande efterfrågan inom snabbt växande sektorer som industriell robotik och hög-precisionsutrustning, där fler-, hög-högpresterande servokontroll blir allt viktigare. Följaktligen är FPGA:er fortfarande allmänt utplacerade i servodrifter, CNC-system och industriell automation. De hittar också tillämpningar inom industriell kommunikation, som att fungera som EtherCAT-mästare eller -slavar. Internationella tillverkare inkluderar AMD (Xilinx), Intel (Altera), Lattice och Microchip. Inhemska tillverkare inkluderar Gowin Semiconductor, Anlu Technology och Unisoc.
Därefter kommer vi att använda några uppströmsprodukter som exempel för att illustrera framväxande trender på den industriella kontrollmarknaden. Först är robotmotorstyrning. Industriella applikationer som kräver integrering av bearbetning och-realtidskommunikation-som robotmotorstyrning-kräver högre bearbetningsprestanda i realtid samtidigt som de stöder ett brett utbud av industriella kommunikationsprotokoll. Det är dock också viktigt att välja en MCU med tillräckligt hög prestanda för framtida expansion och ytterligare funktioner.
Inom sådana integrerade arkitekturer kräver motorstyrning ofta en enda MCU för att hantera flera axlar. Följaktligen måste MCU:n inkludera högpresterande-realtidsbearbetningskärnor, såsom R5F eller DSP, tillsammans med-realtidskommunikationsgränssnitt som EtherCAT. Ta TI:s AM2343x multi-industriell MCU som visas i diagrammet som ett exempel. Den kan integrera upp till fyra Cortex-R5F-kärnor, vilket ger riklig prestanda för multi-motorstyrning inom robotik samtidigt som den stöder expansion med industriella kommunikationsprotokoll som EtherCAT.
Nästa är det fullt integrerade servokontrollchippet. Servokontroller är enheter som används för att reglera servomotorer och fungerar som en viktig komponent i moderna rörelsekontrollsystem. De används i stor utsträckning i automatiserad utrustning som industrirobotar och CNC-bearbetningscentra. Servokontrollchips ger magnetfältsorienteringskontroll för motorer samtidigt som de eftersträvar högre driveffektivitet och dynamisk prestanda. Diagrammet illustrerar Shijians helt integrerade servomotorstyrningslösning baserad på TMC4671, som tillhandahåller fält-orienterad styrning för borstlösa likströmsmotorer, permanentmagnet synkronmotorer, 2-fas stegmotorer, borstade likströmsmotorer och talspolemotorer. Det kallas "helt integrerat" eftersom alla styrfunktioner är konsoliderade i hårdvaran, tillsammans med integrerade ADC:er, positionssensorgränssnitt och positionsinterpolatorer. Följaktligen är denna kontrolllösning lämplig för olika servoapplikationer.
Låt oss sedan undersöka kontrolllagrets HMI. Med avancerade industriella HMI:er som ett exempel, kräver de stöd för multi-skärmsfunktioner, högre upplösningar och bildhastigheter och förbättrad grafikprestanda för att möjliggöra mer komplexa visuella interaktionsdesigner. Ta HPM6800-seriens MCU från Xianji Semiconductor som ett exempel. Förutom att integrera en-högpresterande RISC-V-kärna, innehåller detta chip även VeriSilicons 2,5D GPU IP, vilket ger tillräcklig grafikprestanda för HMI-applikationer. Utöver detta prioriterar icke-beröringsröst-HMI:er ofta kompakta konstruktioner samtidigt som de kräver stöd för för-förprogrammerade och flerspråkiga kommandoinmatningar. Renesas röst HMI ASSP MCU, R9A06G150, exemplifierar detta tillvägagångssätt.
Att förbättra tillståndsövervakning och diagnostik samtidigt som man uppnår övergripande systemoptimering är en kärnutmaning i dagens användning av mekaniska anläggningar och tekniska system. Detta ämne blir allt mer kritiskt, inte bara i industriella miljöer utan överallt där mekaniska system används. Traditionellt underhålls maskiner enligt scheman, med försenat underhåll som riskerar produktionsstopp. Idag förutsäger människor återstående maskinlivslängd genom att analysera driftsdata. Nyckelparametrar som temperatur, buller och vibrationer kan utnyttjas från registrerade data för att fastställa optimala driftsförhållanden och till och med nödvändiga underhållsintervall. Detta tillvägagångssätt förhindrar onödigt slitage samtidigt som det möjliggör tidig upptäckt av potentiella problem och deras grundorsaker.
På liknande sätt ser bildsensorer för industriell syninspektion en växande efterfrågan inom industriutrustningssektorn för att förbättra produktionseffektiviteten och säkerställa produktutbytet. I detta sammanhang måste bildsensorer som används för inspektion av maskinseende inte bara uppfatta synligt ljus utan också stärka deras förmåga att upptäcka ljus i osynliga våglängder, såsom kort-infrarött (SWIR) spektrum. Ta Sonys IMX992/993 bildsensorer som exempel. De integrerar Sonys egenutvecklade SenSWIR-teknik, som kombinerar 3,45 {{10}mikronpixlar. IMX992 uppnår 5,32 megapixlar, vilket möjliggör högupplöst bildbehandling och förbättrar noggrannheten i olika industriella inspektions- och mättillämpningar.
Specialiserade chips krävs ofta för specifika industriella kommunikationsprotokoll, såsom EtherCAT. Som en av Kinas första tillverkare att lansera EtherCAT slavkontrollkretsar, introducerade Yasin Electronics AX58100 2019. Därefter släppte man dubbla -EtherCAT slavkontroller med 2/3 portar, vilket ger högre effektivitet samtidigt som det möjliggör sammankoppling med alla system som stöder standard EtherCAT kommunikationsprotokoll. Tillämpningar inkluderar digital signal I/O-kontroll, sensordatainsamling, robotaxelstyrning och EtherCAT-to-IO-Link master gateway-funktioner. Bilden till höger visar den industriella kärnskivan TL3568 utvecklad av Chuanglong Technology med helt inhemska komponenter. Designad kring Rockchips RK3568-processor, kan den också användas för att bygga EtherCAT-masters. EtherCAT-mästare kräver inga dedikerade chips; de kan implementeras enbart i mjukvara. Till exempel, genom att integrera EtherCAT-masterprotokollet i RT-Thread möjliggör-realtidskontroll av servomotorer och fjärr-I/O.
Slutligen erbjuder industriella FPGA:er hårdvarulogikimplementering med fördelar som höghastighets-parallell bearbetning, många I/O-enheter och funktionell multiplexering. De möter dock begränsningar i flexibel kontroll och komplexa kommunikationsprotokoll. Detta leder oss till SoC FPGA, som integrerar hård-processorer i FPGA-arkitekturen. Detta minskar systemets energiförbrukning och kostnader samtidigt som moderkortets fotavtryck minimeras. De behåller den programmerbara flexibiliteten hos FPGA:er samtidigt som de bibehåller kompatibiliteten med hårdprocessorns ekosystem. Ta Anlu Technologys SALDRAGON-serie FPSoC som släpptes förra året som ett exempel: den erbjuder valfri integration av antingen en arm Cortex-A35 med dubbla kärnor eller en enkel-kärnig 64-bitars RISC-V-processor, vilket möjliggör fullt utnyttjande av båda ekosystemen.
Industriell kommunikation: Ethernets dominans fortsätter att stärkas
Efter decennier av utveckling och iteration faller industriella kommunikationsmetoder främst in i tre kategorier baserade på fysisk implementering: industriellt Ethernet, fältbuss och industriella trådlösa nätverk. Inom industriellt Ethernet dominerar nu framväxande teknologier som EtherCAT, PROFINET och EtherCAT. Fältbusssystem omfattar PROFIBUS DP, Modbus-RTU och CC-Link. Industriella trådlösa nätverk, som nyligen har dykt upp i industriella nätverk, inkluderar väl-kända anslutningslösningar som Wi-Fi, Bluetooth och 5G.
Enligt HMS-statistik fortsatte Industrial Ethernet att dominera nya nodinstallationer under 2023, med dess marknadsandel ökade från 68 % föregående år till 71 %-en betydande ökning med 12 %. Medan PROFINET, EtherNet/IP och EtherCAT fortfarande är de tre dominerande aktörerna på marknaden, växer populariteten för PROFINET och EtherCAT stadigt. Jämfört med trådlös anslutning står fältbuss fortfarande för en betydande del av nya noder. Det har dock tappat tillräckligt med marknadsmomentum och förlitar sig enbart på att utrustning, maskiner och fabriker fortsätter att använda dessa väl-fungerande, tids-testade fältbussenheter.
Trådlös anslutning bibehåller övergripande stabilitet. Trots ihärdiga krav på helt trådlösa fabriker är användningen fortfarande begränsad på grund av behovet av omfattande kabelomläggningar- och utmaningen att skapa miljöer som stöder trådlös maskinåtkomst och mobil industriell utrustning.
Urholkningen av marknadsandelar för industribussar härrör främst från de betydande fördelar som Industrial Ethernet erbjuder jämfört med traditionella industribussar. Den främsta fördelen är hastigheten: Till skillnad från seriella-baserade industribussar, uppnår Industrial Ethernet betydligt högre hastigheter som överstiger 100 Mbps. Till och med den mest använda PROFIBUS-industribussen, särskilt den höghastighets-PROFIBUS DP-varianten för fabriksautomation, har en maximal konfigurerbar hastighet på 12 Mbps. För det andra är dess mer flexibla topologi. För komplexa industriella nätverksinstallationer skapar industribussar som använder stora daisy-kedjekonfigurationer nätverk som är mycket känsliga för fel. Industriellt Ethernet använder dock flexibla topologier som stjärnnätverk för att bygga snabbare, mer pålitliga industriella nätverk.
Slutligen, branschallianser driver adoption. Ta Profinet (dominerande inom industriellt Ethernet) och Profibus (dominerande inom industribussar) som exempel: även om båda marknadsförs av PI, har Profinet sedan 2016 överträffat Profibus i nya enhetsnodinstallationer. Med omfattande brownfield- och greenfield-migreringslösningar som nu finns tillgängliga, fortsätter denna klyfta att öka.
Allt eftersom fler enheter, sensorer och system ansluter till industriella nätverk, möjliggör underliggande trådlös teknik som Wi-Fi, LoRaWAN och DECT-2020 NR möjligheten att trådlöst samla in och dela viktig industriell data. Men i takt med att 5G-utbyggnaden och den tekniska utvecklingen mognar, vänder den industriella tillverkningsmarknaden i allt högre grad sin uppmärksamhet mot mobilnätsteknik - som tidigare sällan använts i industriella nätverk på grund av oro över hastighet och latens. Trots detta är industriella trådlösa nätverk fortfarande utmanande att använda som den primära lösningen i vissa tuffa RF-miljöer. Dessutom, såvida de inte stöds av telekomoperatörer, kämpar cellulära trådlösa nätverk som 5G för att garantera den erforderliga nätverkskvaliteten i fabriksinställningarna.
När det gäller marknadsandelar är 5G-användningen i industriella trådlösa nätverk fortfarande begränsad. Detta beror på att 5G industriella trådlösa nätverk distribueras annorlunda än andra nätverksmetoder, främst genom direkt konstruktion av fullt uppkopplade 5G-fabriker. Drivet av initiativet 5G+Industriellt Internet har antalet projekt i hela landet passerat 8 000. Ministeriet för industri och informationsteknologi (MIIT) har valt ut och publicerat "2023 5G Factory Directory" med benchmarkprojekt, med totala bygginvesteringar på 9,73 miljarder yuan. De tre stora telekomoperatörerna har också aktivt deltagit i direktbyggandet av industriella nätverk för 5G-fabriker.
Slutliga tankar
Marknadstrender tyder på att den industriella automations- och kontrollsektorn fortfarande befinner sig i en snabb utvecklingsfas, särskilt i Kina, där nationell politik som stöder tillverkningsomvandling och -uppgradering har gett betydande impulser. För det andra, förstärkt av framsteg i uppströms halvledarindustrin, går Kinas industriella automationssektor från skalexpansion till kvalitetsförbättring. Inhemsk ersättning för avancerad industriell kontrollutrustning är inte längre bara en slogan. Inom industriell kommunikation, medan industriella bussystem står inför tillväxtutmaningar, accelererar industriellt Ethernet sin ersättningstakt. Industriella trådlösa nätverk visar en liten övergripande avmattning i tillväxten, men 5G-fabriksinstallationerna accelererar, särskilt på den inhemska marknaden.