Basert på den siste utviklingen i den industrielle produksjonssektoren, er markedet for industriell automatisering og kontroll fortsatt i en fase med rask vekst. Drevet av økende lønnskostnader, press for å redusere utgifter og øke effektiviteten, og produsentenes intense behov for å overholde tidsfrister, har etterspørselen etter automatiseringskontrollteknologier i fabrikker nådd enestående nivåer. I følge statistikk og anslag fra Grand View Research ble markedet for industriell automatisering og kontroll verdsatt til omtrent 194,99 milliarder dollar i fjor, med dette tallet anslått til å nå 379,93 milliarder dollar innen 2030.
Kinas industrielle kontrollmarked fremstår som en viktig aktør
Kinas industrielle kontrollmarked har også gjennomgått betydelige endringer. I følge nasjonale data opprettholdt Kinas industrisektor jevn vekst i 2023, med nye vekstdrivere som akselererte. Blant store-industribedrifter økte merverdien av utstyrsproduksjon med 6,8 %-til-år, og utgjorde 33,6 % av den totale merverdien til store-industribedrifter. Merverdien til høyteknologisk produksjon økte med 2,7 %, som representerer 15,7 % av den totale merverdien til store{13}}industribedrifter.
Hvorfor eksisterer det et visst gap mellom det globale og hjemmemarkedet? Dette kan i stor grad tilskrives den nasjonale politiske støtten for produksjonstransformasjon og -oppgradering. Siden utgivelsen av den 14. fem-årsplanen har nasjonen lagt enestående vekt på transformasjon og oppgradering av den industrielle produksjonssektoren. Innenfor målet om å forbedre kjernekonkurranseevnen til produksjon, er det et sterkt fokus på å utvikle industrielt kontrollutstyr som distribuerte kontrollsystemer og programmerbare logiske kontrollere, samtidig som det oppnås gjennombrudd i komponenter som avanserte kontrollere og høy-presisjons servodrivsystemer. Den raske utviklingen av varme næringer som nye energikjøretøyer har drevet fabrikkens digitale transformasjon, med provinser og byer som ruller ut subsidiepolitikk for digitale intelligente benchmark-demonstrasjonsfabrikker.
Industriell kontroll oppstrøms, midtstrøms og nedstrøms forsyningskjede
La oss deretter undersøke oppstrøms, midtstrøms og nedstrøms forsyningskjeden for industriell kontroll. Oppstrømmen består primært av kontroll/kommunikasjonsbrikker, design IP, sensorer, komponenter og PCB. Midtstrømmen, basert på ulike industrielle kontrollprosesser, er delt inn i utførelseslag, drivlag, kontrolllag og operasjonell overvåking. Utførelseslaget inkluderer kontrollventiler og motordrev; drivlaget omfatter frekvensomformere og servosystemer; kontrolllaget dekker HMI-er, DCS-er og PLS-er; og driftsovervåking inkluderer instrumenter og industrielle synssystemer. Nedstrømssegmentet for industriell kontroll omfatter en rekke spesialiserte industrier, inkludert flere som har fått betydelig innpass de siste årene: 3C-produksjon, nye energikjøretøyer, energilagring, servere, petrokjemikalier og jernbanetransport.
Fra et halvlederperspektiv kan den oppstrøms industrielle kontrollsektoren kategoriseres i fire hovedsegmenter: industrielle sensorer, industrielle kontrollbrikker, design IP og industrielle FPGAer. Industrielle sensorer, som kjernekomponenter i persepsjonslaget (eller tilbakemeldingslaget) midt i industriell kontroll, spiller en viktig rolle i å optimalisere industrielle prosesser og gi aktivaovervåking og beskyttelse. Utenlandske produsenter inkluderer ON Semiconductor, Precision Electronics, SICK, Keyence, Beckhoff, Honeywell, Omron, Datalogic og Leica Geosystems. Innenlandske aktører omfatter SmartSens, NXMicro, Cognex, Beiyang Group, XCMG, Minghao Sensing, XiaoAowei, Meixin Semiconductor og Feien Microelectronics.
I industribrikke- og modulsektoren fokuserer de fleste produsenter på å utvikle MCU-er for generelle-formål. Nøkkelaktører inkluderer internasjonale firmaer som TI, ADI, ST, Microchip, Infineon, NXP, ON Semiconductor og Renesas, sammen med innenlandske produsenter 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 og Zhaoxin.
Samtidig, ettersom differensierte krav øker, har design-IP blitt en uunnværlig komponent for oppstrømsbrikkeprodusenter, og omfatter både kjerne-IP og grensesnitt-IP. Internasjonale aktører inkluderer Arm, Synopsys, Cadence, Imagination, Renesas og Sifive, mens innenlandske firmaer inkluderer PingTouGe, Andes Technology, VeriSilicon og CanSemi.
Til slutt ser industrielle FPGA-er betydelig etterspørsel i raskt utviklende sektorer som industrirobotikk og høy-presisjonsutstyr, der servokontroll med flere-akser og høy-ytelse blir stadig mer kritisk. Følgelig forblir FPGA-er utbredt i servodrifter, CNC-systemer og industriell automasjon. De finner også applikasjoner innen industriell kommunikasjon, for eksempel å tjene som EtherCAT-mestere eller slaver. Internasjonale produsenter inkluderer AMD (Xilinx), Intel (Altera), Lattice og Microchip. Innenlandske produsenter inkluderer Gowin Semiconductor, Anlu Technology og Unisoc.
Deretter vil vi bruke noen oppstrømsprodukter som eksempler for å illustrere nye trender i det industrielle kontrollmarkedet. Først er robotmotorstyring. Industrielle applikasjoner som krever integrering av prosessering og sanntidskommunikasjon-som robotmotorstyring-krever høyere sanntidsbehandlingsytelse samtidig som de støtter et bredt spekter av industrielle kommunikasjonsprotokoller. Det er imidlertid også avgjørende å velge en MCU med tilstrekkelig ytelseshøyde for fremtidig utvidelse og tilleggsfunksjoner.
Innenfor slike integrerte arkitekturer krever motorstyring ofte en enkelt MCU for å administrere flere akser. Følgelig må MCU-en inkorporere høy-ytelse sanntids-behandlingskjerner, som R5F eller DSP, sammen med sanntidskommunikasjonsgrensesnitt som EtherCAT. Ta TIs AM2343x multi-industriell MCU vist i diagrammet som et eksempel. Den kan integrere opptil fire Cortex-R5F-kjerner, og gir rikelig ytelse for fleraksemotorkontroll i robotikk, samtidig som den støtter utvidelse med industrielle kommunikasjonsprotokoller som EtherCAT.
Neste er den fullt integrerte servokontrollbrikken. Servokontrollere er enheter som brukes til å regulere servomotorer, og fungerer som en viktig komponent i moderne bevegelseskontrollsystemer. De er utbredt i automatisert utstyr som industriroboter og CNC maskineringssentre. Servokontrollbrikker gir magnetfeltorienteringskontroll for motorer samtidig som de streber etter høyere driveffektivitet og dynamisk ytelse. Diagrammet illustrerer Shijians fullt integrerte servomotorstyringsløsning basert på TMC4671, og gir felt-orientert kontroll for børsteløse likestrømsmotorer, synkronmotorer med permanent magnet, 2-fase trinnmotorer, børstede likestrømsmotorer og talespolemotorer. Det kalles "fullt integrert" fordi alle kontrollfunksjoner er konsolidert i maskinvaren, sammen med integrerte ADC-er, posisjonssensorgrensesnitt og posisjonsinterpolatorer. Følgelig er denne kontrollerløsningen egnet for ulike servoapplikasjoner.
La oss deretter undersøke kontrolllagets HMI. Med høye-industrielle HMI-er som eksempel, krever de støtte for multi-skjermfunksjoner, høyere oppløsninger og bildefrekvenser og forbedret grafikkytelse for å muliggjøre mer komplekse visuelle interaksjonsdesign. Ta HPM6800-seriens MCU fra Xianji Semiconductor som et eksempel. I tillegg til å integrere en-høyytelses RISC-V-kjerne, inkluderer denne brikken også VeriSilicons 2.5D GPU IP, som gir tilstrekkelig grafikkytelse for HMI-applikasjoner. Utover dette prioriterer ikke-berøringsstemme{11}}styrte HMI-er ofte kompakte design mens de krever støtte for forhånds-programmerte og flerspråklige kommandoinnganger. Renesas' stemme HMI ASSP MCU, R9A06G150, eksemplifiserer denne tilnærmingen.
Å forbedre tilstandsovervåking og diagnostikk samtidig som man oppnår total systemoptimalisering representerer en kjerneutfordring i dagens bruk av mekaniske anlegg og tekniske systemer. Dette emnet blir stadig mer kritisk, ikke bare i industrielle omgivelser, men uansett hvor mekaniske systemer brukes. Tradisjonelt ble maskiner vedlikeholdt i henhold til tidsplaner, med forsinket vedlikehold som risikerte produksjonsstans. I dag forutsier folk gjenværende levetid for maskinen ved å analysere driftsdata. Nøkkelparametere som temperatur, støy og vibrasjoner kan utnyttes fra registrerte data for å bestemme optimale driftsforhold og til og med nødvendige vedlikeholdsintervaller. Denne tilnærmingen forhindrer unødvendig slitasje samtidig som den muliggjør tidlig oppdagelse av potensielle problemer og deres underliggende årsaker.
Tilsvarende ser bildesensorer for industriell synsinspeksjon økende etterspørsel i industriutstyrssektoren for å øke produksjonseffektiviteten og sikre produktutbytte. I denne sammenhengen må bildesensorer som brukes til inspeksjon av maskinsyn ikke bare oppfatte synlig lys, men også styrke deres evne til å oppdage lys i usynlige bølgelengder, som for eksempel det kort-infrarøde (SWIR)-spekteret. Ta Sonys IMX992/993 bildesensorer som et eksempel. De integrerer Sonys proprietære SenSWIR-teknologi, som kombinerer 3,45 {{10}mikron piksler. IMX992 oppnår 5,32 megapiksler, noe som muliggjør høyoppløselig bildebehandling og forbedrer nøyaktigheten i ulike industrielle inspeksjons- og måleapplikasjoner.
Spesialiserte brikker er ofte nødvendig for spesifikke industrielle kommunikasjonsprotokoller, for eksempel EtherCAT. Som en av Kinas første produsenter som lanserte EtherCAT-slavekontrollerbrikker, introduserte Yasin Electronics AX58100 i 2019. Deretter ga den ut doble-EtherCAT-slavekontrollere med 2/3-porter, noe som gir høyere effektivitet samtidig som det muliggjør sammenkobling med alle systemer som støtter standard EtherCAT-kommunikasjonsprotokoller. Applikasjoner inkluderer digital signal I/O-kontroll, sensordatainnsamling, robotaksekontroll og EtherCAT-to-IO-Link hovedgateway-funksjoner. Bildet til høyre viser det industrielle kjernekortet TL3568 utviklet av Chuanglong Technology ved bruk av helt innenlandske komponenter. Designet rundt Rockchips RK3568-prosessor, kan den også brukes til å bygge EtherCAT-mastere. EtherCAT-mastere krever ikke dedikerte brikker; de kan implementeres rent i programvare. Integrering av EtherCAT-hovedprotokollen i RT-Thread muliggjør for eksempel sanntidskontroll av servomotorer og ekstern I/O.
Til slutt tilbyr industrielle FPGA-er maskinvarelogikkimplementering med fordeler som høyhastighets-parallell prosessering, rikelig med I/O-enheter og funksjonell multipleksing. Imidlertid møter de begrensninger i fleksibel kontroll og komplekse kommunikasjonsprotokoller. Dette fører oss til SoC FPGAer, som integrerer hard-prosessorer i FPGA-arkitekturen. Dette reduserer systemets strømforbruk og kostnader samtidig som hovedkortets fotavtrykk minimeres. De beholder den programmerbare fleksibiliteten til FPGA-er samtidig som de opprettholder kompatibiliteten med hardprosessorens økosystem. Ta Anlu Technologys SALDRAGON-serie FPSoC utgitt i fjor som et eksempel: den tilbyr valgfri integrasjon av enten en dual-Arm Cortex-A35 eller en enkelt-64-biters RISC-V-prosessor, som tillater full utnyttelse av begge økosystemene.
Industriell kommunikasjon: Ethernets dominans fortsetter å styrkes
Etter tiår med evolusjon og iterasjon faller industrielle kommunikasjonsmetoder primært inn i tre kategorier basert på fysisk implementering: industriell Ethernet, feltbuss og industrielle trådløse nettverk. Innen industriell Ethernet dominerer nå fremvoksende teknologier som EtherCAT, PROFINET og EtherCAT. Feltbussystemer omfatter PROFIBUS DP, Modbus-RTU og CC-Link. Industrielle trådløse nettverk, som først nylig har dukket opp i industrielle nettverk, inkluderer-kjente tilkoblingsløsninger som Wi-Fi, Bluetooth og 5G.
I følge HMS-statistikk fortsatte Industrial Ethernet å dominere nye nodeinstallasjoner i 2023, med markedsandelen som økte fra 68 % året før til 71 %-en betydelig økning på 12 %. Mens PROFINET, EtherNet/IP og EtherCAT fortsatt er de tre dominerende aktørene i markedet, vokser populariteten til PROFINET og EtherCAT jevnt og trutt. Sammenlignet med trådløs tilkobling, utgjør feltbussen fortsatt en betydelig del av nye noder. Den har imidlertid mistet tilstrekkelig markedsmomentum og er utelukkende avhengig av at utstyr, maskineri og fabrikker fortsetter å bruke disse vel-fungerende, tids-testede feltbussenhetene.
Trådløs tilkobling opprettholder total stabilitet. Til tross for vedvarende krav om fullstendig trådløse fabrikker, er bruken fortsatt begrenset på grunn av behovet for omfattende kabelomføring- og utfordringen med å skape miljøer som støtter trådløs maskintilgang og mobilt industrielt utstyr.
Uthulingen av markedsandeler for industrielle busser stammer først og fremst fra de betydelige fordelene som Industrial Ethernet tilbyr fremfor tradisjonelle industribusser. Den fremste fordelen er hastighet: I motsetning til serielle-baserte industribusser, oppnår Industrial Ethernet betydelig høyere hastigheter, over 100 Mbps. Selv den mest brukte PROFIBUS industribussen, spesielt den høyhastighets PROFIBUS DP-varianten for fabrikkautomatisering, har en maksimal konfigurerbar hastighet begrenset til 12 Mbps. For det andre er dens mer fleksible topologi. For komplekse industrielle nettverksdistribusjoner skaper industribusser som bruker store daisy-kjedekonfigurasjoner nettverk som er svært utsatt for feil. Industrielt Ethernet bruker imidlertid fleksible topologier som stjernenettverk for å bygge raskere, mer pålitelige industrielle nettverk.
Til slutt, bransjeallianser driver adopsjon. Ta Profinet (dominerende i industriell Ethernet) og Profibus (dominerende i industribusser) som eksempler: Selv om begge er promotert av PI, har Profinet siden 2016 overgått Profibus i nye enhetsnodeinstallasjoner. Med omfattende brownfield- og greenfield-migrasjonsløsninger som nå er tilgjengelige, fortsetter dette gapet å øke.
Etter hvert som flere enheter, sensorer og systemer kobles til industrielle nettverk, gjør underliggende trådløse teknologier som Wi-Fi, LoRaWAN og DECT-2020 NR mulighet for trådløs innsamling og deling av kritiske industrielle data. Men etter hvert som 5G-distribusjon og teknologisk utvikling modnes, retter det industrielle produksjonsmarkedet i økende grad oppmerksomheten mot mobilnettverksteknologier – tidligere sjelden brukt i industrielle nettverk på grunn av bekymringer over hastighet og latens. Til tross for dette er industrielle trådløse nettverk fortsatt utfordrende å ta i bruk som den primære løsningen i visse tøffe RF-miljøer. Dessuten, med mindre de støttes av teleoperatører, sliter mobilnettverk som 5G med å garantere den nødvendige nettverkskvaliteten i fabrikkinnstillingene.
Når det gjelder markedsandel, er 5G-adopsjon i industrielle trådløse nettverk fortsatt begrenset. Dette er fordi 5G industrielle trådløse nettverk distribueres annerledes enn andre nettverksmetoder, først og fremst gjennom direkte bygging av fullt tilkoblede 5G-fabrikker. Drevet av initiativet 5G+Industrielt Internett, har antall prosjekter over hele landet passert 8000. Ministeriet for industri og informasjonsteknologi (MIIT) har valgt ut og publisert «2023 5G Factory Directory» med benchmark-prosjekter, med totale byggeinvesteringer på 9,73 milliarder yuan. De tre store teleoperatørene har også deltatt aktivt i direkte bygging av industrielle nettverk for 5G-fabrikker.
Siste tanker
Markedstrender indikerer at industriautomatiserings- og kontrollsektoren fortsatt er i en rask utviklingsfase, spesielt i Kina, der nasjonale retningslinjer som støtter produksjonstransformasjon og -oppgradering har gitt betydelig impuls. For det andre, styrket av fremskritt i oppstrøms halvlederindustrien, skifter Kinas industrielle automasjonssektor fra skalautvidelse til kvalitetsforbedring. Innenlandsk erstatning for avansert-industrielt kontrollutstyr er ikke lenger bare et slagord. Innen industriell kommunikasjon, mens industrielle busssystemer står overfor vekstutfordringer, akselererer industriell Ethernet utskiftningstakten. Industrielle trådløse nettverk viser en liten generell nedgang i veksten, men 5G-fabrikkdistribusjonen akselererer, spesielt i hjemmemarkedet.