Судя по последним событиям в секторе промышленного производства, рынок промышленной автоматизации и управления остается в фазе быстрого роста. В результате роста затрат на рабочую силу, необходимости сокращения расходов и повышения эффективности, а также острой необходимости производителей соблюдать сроки, спрос на технологии автоматизации управления на заводах достиг беспрецедентного уровня. Согласно статистике и прогнозам Grand View Research, рынок промышленной автоматизации и управления в прошлом году оценивался примерно в 194,99 миллиарда долларов, а к 2030 году эта цифра, по прогнозам, достигнет 379,93 миллиарда долларов.
Китайский рынок промышленного контроля становится крупным игроком
Рынок промышленного контроля Китая также претерпел значительные изменения. Согласно национальным данным, промышленный сектор Китая сохранил устойчивый рост в 2023 году, при этом новые драйверы роста ускоряются. Среди крупных-промышленных предприятий добавленная стоимость производства оборудования увеличилась на 6,8 % в-по сравнению с-годом, что составляет 33,6 % от общей добавленной стоимости крупных-промышленных предприятий. Добавленная стоимость высокотехнологичного производства выросла на 2,7 %, составив 15,7 % от общей добавленной стоимости крупных-промышленных предприятий.
Почему существует определенный разрыв между мировым и внутренним рынками? Во многом это связано с государственной политикой поддержки трансформации и модернизации производства. С момента опубликования 14-го пятилетнего-летнего плана страна уделяла беспрецедентное внимание преобразованию и модернизации промышленного производственного сектора. В целях повышения основной конкурентоспособности производства особое внимание уделяется разработке оборудования промышленного управления, такого как распределенные системы управления и программируемые логические контроллеры, а также достижению прорывов в таких компонентах, как усовершенствованные контроллеры и высокоточные-системы сервоприводов. Быстрое развитие таких востребованных отраслей, как автомобили на новых источниках энергии, привело к цифровой трансформации предприятий: провинции и города внедряют политику субсидирования для демонстрационных заводов с использованием цифровых интеллектуальных технологий.
Промышленный контроль в цепочке поставок, добыче, переработке и переработке
Далее давайте рассмотрим восходящие, средние и нисходящие цепочки поставок промышленного контроля. Восходящий поток в основном состоит из микросхем управления/связи, IP-конструкций, датчиков, компонентов и печатных плат. Средний поток, основанный на различных процессах промышленного управления, разделен на уровень исполнения, уровень привода, уровень управления и эксплуатационный мониторинг. Исполнительный уровень включает регулирующие клапаны и электроприводы; уровень привода включает приводы с регулируемой частотой и сервосистемы; уровень управления охватывает HMI, РСУ и ПЛК; а оперативный мониторинг включает в себя инструменты и системы промышленного зрения. Перерабатывающий сегмент промышленного контроля охватывает множество специализированных отраслей, в том числе несколько, которые получили значительное распространение в последние годы: производство 3C, новые энергетические транспортные средства, хранение энергии, серверы, нефтехимия и железнодорожный транспорт.
С точки зрения полупроводников, сектор промышленного управления можно разделить на четыре основных сегмента: промышленные датчики, микросхемы промышленного управления, интеллектуальные разработки и промышленные FPGA. Промышленные датчики, как основные компоненты уровня восприятия (или уровня обратной связи) в процессе промышленного контроля, играют жизненно важную роль в оптимизации производственных процессов и обеспечении мониторинга и защиты активов. Среди зарубежных производителей — ON Semiconductor, Precision Electronics, SICK, Keyence, Beckhoff, Honeywell, Omron, Datalogic и Leica Geosystems. В число отечественных игроков входят SmartSens, NXMicro, Cognex, Beiyang Group, XCMG, Minghao Sensing, XiaoAowei, Meixin Semiconductor и Feien Microelectronics.
В секторе промышленных управляющих микросхем и модулей большинство производителей сосредотачивают свои усилия на разработке микроконтроллеров общего-назначения. В число ключевых игроков входят такие международные фирмы, как TI, ADI, ST, Microchip, Infineon, NXP, ON Semiconductor и Renesas, а также отечественные производители, такие как JiHai Semiconductor, Huada, Zhongying Electronics, Xinwang Microelectronics, Fengteng Technology, Artel, Jucheng Semiconductor, Nuvoton, Vanguard, Times, Hangshun, Saiyuan, Guoguo Technology, Dongtu Technology, Zhongke Jingshang, Xinhai Technology и Zhaoxin.
В то же время, по мере увеличения дифференцированных требований, интеллектуальная защита конструкции стала незаменимым компонентом для производителей исходных микросхем, охватывая как базовую IP, так и интерфейсную IP. Среди международных игроков — Arm, Synopsys, Cadence, Imagination, Renesas и Sifive, а среди отечественных — PingTouGe, Andes Technology, VeriSilicon и CanSemi.
Наконец, промышленные FPGA пользуются значительным спросом в быстро развивающихся отраслях, таких как промышленная робототехника и высокоточное оборудование, где много-осевое высокопроизводительное сервоуправление становится все более важным. Следовательно, FPGA по-прежнему широко используются в сервоприводах, системах ЧПУ и промышленной автоматизации. Они также находят применение в промышленной связи, например, в качестве ведущих или ведомых устройств EtherCAT. Международные производители включают AMD (Xilinx), Intel (Altera), Lattice и Microchip. Среди отечественных производителей — Gowin Semiconductor, Anlu Technology и Unisoc.
Далее мы будем использовать некоторые продукты разведки в качестве примеров, чтобы проиллюстрировать новые тенденции на рынке промышленного контроля. Во-первых, это управление двигателем робота. Промышленные приложения, требующие интеграции обработки данных и-связи в реальном времени-например, управление двигателем робота,-требуют более высокой производительности обработки-в режиме реального времени, поддерживая при этом широкий спектр промышленных протоколов связи. Однако также важно выбрать микроконтроллер с достаточным запасом производительности для будущего расширения и дополнительных функций.
В таких интегрированных архитектурах для управления двигателем часто требуется один микроконтроллер для управления несколькими осями. Следовательно, MCU должен включать в себя высокопроизводительные-ядра обработки в реальном времени-, такие как R5F или DSP, а также интерфейсы связи в реальном времени,-такие как EtherCAT. В качестве примера возьмем многоядерный промышленный микроконтроллер AM2343x компании TI, показанный на схеме. Он может включать до четырех ядер Cortex-R5F, обеспечивая достаточную производительность для управления многоосными двигателями в робототехнике, а также поддерживая расширение с помощью промышленных протоколов связи, таких как EtherCAT.
Далее идет полностью интегрированный чип управления сервоприводом. Сервоконтроллеры — это устройства, используемые для регулирования серводвигателей и являющиеся жизненно важным компонентом современных систем управления движением. Они широко используются в автоматизированном оборудовании, таком как промышленные роботы и обрабатывающие центры с ЧПУ. Чипы сервоуправления обеспечивают управление ориентацией магнитного поля двигателей, обеспечивая при этом более высокую эффективность привода и динамические характеристики. На схеме показано полностью интегрированное решение Shijian для управления серводвигателями на базе TMC4671, обеспечивающее-ориентированное управление бесщеточными двигателями постоянного тока, синхронными двигателями с постоянными магнитами, двухфазными шаговыми двигателями, коллекторными двигателями постоянного тока и двигателями со звуковой катушкой. Его называют «полностью интегрированным», поскольку все функции управления объединены в аппаратном обеспечении вместе со встроенными АЦП, интерфейсами датчиков положения и интерполяторами положения. Следовательно, это решение контроллера подходит для различных сервоприводов.
Далее давайте рассмотрим HMI уровня управления. Если взять в качестве примера высокопроизводительные-промышленные HMI, то им требуется поддержка нескольких-дисплеев, более высокое разрешение и частота кадров, а также улучшенная графическая производительность для обеспечения более сложных проектов визуального взаимодействия. В качестве примера возьмем микроконтроллер серии HPM6800 от Xianji Semiconductor. Помимо интеграции высокопроизводительного-ядра RISC-V, этот чип также включает в себя IP-адрес графического процессора VeriSilicon 2.5D, обеспечивающий достаточную графическую производительность для приложений HMI. Помимо этого, HMI без-сенсорного голосового-управления часто отдают предпочтение компактным конструкциям, но при этом требуют поддержки заранее запрограммированных и многоязычных команд ввода. Голосовой HMI ASSP MCU компании Renesas, R9A06G150, является примером такого подхода.
Улучшение мониторинга состояния и диагностики при одновременной общей оптимизации системы представляет собой основную задачу в современном использовании механического оборудования и технических систем. Эта тема становится все более важной не только в промышленных условиях, но и везде, где используются механические системы. Традиционно машины обслуживались в соответствии с графиками, а задержка с обслуживанием грозила простоем производства. Сегодня люди прогнозируют оставшийся срок службы машин, анализируя эксплуатационные данные. Ключевые параметры, такие как температура, шум и вибрация, можно использовать на основе записанных данных для определения оптимальных условий эксплуатации и даже требуемых интервалов технического обслуживания. Такой подход предотвращает ненужный износ, обеспечивая при этом раннее обнаружение потенциальных проблем и их коренных причин.
Аналогичным образом, датчики изображения для промышленного визуального контроля пользуются растущим спросом в секторе промышленного оборудования для повышения эффективности производства и обеспечения выхода продукции. В этом контексте датчики изображения, используемые для машинного зрения, должны не только воспринимать видимый свет, но и усиливать свою способность обнаруживать свет в невидимых длинах волн, таких как коротковолновый инфракрасный спектр (SWIR). В качестве примера возьмем датчики изображения Sony IMX992/993. В них используется запатентованная технология Sony SenSWIR, объединяющая пиксели размером 3,45-микрона. IMX992 имеет разрешение 5,32 мегапикселя, что позволяет получать изображения с высоким разрешением и повышает точность в различных приложениях промышленного контроля и измерений.
Для определенных промышленных протоколов связи, таких как EtherCAT, часто требуются специализированные чипы. Являясь одним из первых китайских производителей, выпустивших чипы ведомого контроллера EtherCAT, компания Yasin Electronics представила AX58100 в 2019 году. Впоследствии она выпустила двухъядерные ведомые контроллеры EtherCAT с 2/3 портами, обеспечивающие более высокую эффективность и возможность взаимодействия со всеми системами, поддерживающими стандартные протоколы связи EtherCAT. Приложения включают управление вводом-выводом цифровых сигналов, сбор данных датчиков, управление роботизированными осями и функции главного шлюза EtherCAT-to-IO-Link. На изображении справа показана промышленная базовая плата TL3568, разработанная компанией Chuanglong Technology с использованием полностью отечественных компонентов. Разработанный на базе процессора Rockchip RK3568, он также может использоваться для создания мастеров EtherCAT. Главным устройствам EtherCAT не требуются выделенные чипы; они могут быть реализованы чисто программно. Например, интеграция главного протокола EtherCAT в RT-Thread позволяет в реальном-времени управлять серводвигателями и осуществлять удаленный ввод-вывод.
Наконец, промышленные FPGA предлагают аппаратную логическую реализацию с такими преимуществами, как высокая-скоростная параллельная обработка, большое количество блоков ввода-вывода и функциональное мультиплексирование. Однако они сталкиваются с ограничениями в гибком управлении и сложными протоколами связи. Это приводит нас к SoC FPGA, которые интегрируют процессоры с ядром-в архитектуру FPGA. Это снижает энергопотребление и стоимость системы, одновременно минимизируя занимаемую площадь материнской платы. Они сохраняют программируемую гибкость FPGA, сохраняя при этом совместимость с экосистемой жестких процессоров. В качестве примера возьмем FPSoC серии SALDRAGON от Anlu Technology, выпущенный в прошлом году: он предлагает дополнительную интеграцию либо двухъядерного-Arm Cortex-A35, либо одноядерного-64-разрядного процессора RISC-V, что позволяет полностью использовать обе экосистемы.
Промышленная связь: доминирование Ethernet продолжает укрепляться
После десятилетий эволюции и итераций методы промышленной связи в основном делятся на три категории в зависимости от физической реализации: промышленный Ethernet, полевая шина и промышленные беспроводные сети. В настоящее время в промышленном Ethernet доминируют новые технологии, такие как EtherCAT, PROFINET и EtherCAT. Системы Fieldbus включают PROFIBUS DP, Modbus-RTU и CC-Link. Промышленные беспроводные сети, которые появились в промышленных сетях совсем недавно, включают в себя хорошо-известные решения для подключения, такие как Wi-Fi, Bluetooth и 5G.
Согласно статистике HMS, промышленный Ethernet продолжал доминировать в установке новых узлов в 2023 году, при этом его рыночная доля выросла с 68% в предыдущем году до 71%-, что означает значительный рост на 12%. Хотя PROFINET, EtherNet/IP и EtherCAT остаются тремя доминирующими игроками на рынке, популярность PROFINET и EtherCAT неуклонно растет. По сравнению с беспроводной связью, полевая шина по-прежнему составляет значительную часть новых узлов. Однако она потеряла достаточную рыночную динамику и полагается исключительно на оборудование, машины и заводы, продолжающие использовать эти хорошо-функционирующие,-проверенные временем устройства полевой шины.
Беспроводное соединение обеспечивает общую стабильность. Несмотря на настойчивые призывы к созданию полностью беспроводных заводов, внедрение остается ограниченным из-за необходимости масштабной перепрокладки кабелей-и проблем создания сред, поддерживающих беспроводной доступ к машинам и мобильному промышленному оборудованию.
Снижение доли рынка промышленных шин связано, прежде всего, с существенными преимуществами, предлагаемыми Industrial Ethernet по сравнению с традиционными промышленными шинами. Главным преимуществом является скорость: в отличие от промышленных шин с последовательным-промышленным Ethernet, Industrial Ethernet обеспечивает значительно более высокие скорости, превышающие 100 Мбит/с. Даже наиболее широко используемая промышленная шина PROFIBUS, особенно высокоскоростной вариант-PROFIBUS DP для автоматизации производства, имеет максимальную настраиваемую скорость, ограниченную 12 Мбит/с. Во-вторых, это более гибкая топология. При развертывании сложных промышленных сетей промышленные шины с использованием крупных шлейфовых-цепных конфигураций создают сети, очень подверженные сбоям. Однако в промышленном Ethernet используются гибкие топологии, такие как звездообразные сети, для создания более быстрых и надежных промышленных сетей.
Наконец, отраслевые альянсы способствуют внедрению. Возьмем в качестве примера Profinet (доминирует в промышленном Ethernet) и Profibus (доминирует в промышленных шинах): хотя PI продвигает оба, с 2016 года Profinet превзошел Profibus в установке новых узлов устройств. Благодаря тому, что теперь доступны комплексные решения по миграции на существующие и новые предприятия, этот разрыв продолжает увеличиваться.
По мере того, как все больше устройств, датчиков и систем подключаются к промышленным сетям, базовые беспроводные технологии, такие как Wi-Fi, LoRaWAN и DECT-2020 NR, открывают возможность беспроводного сбора и обмена критически важными промышленными данными. Однако по мере развертывания 5G и технологического развития рынок промышленного производства все больше обращает свое внимание на технологии сотовых сетей, которые ранее редко использовались в промышленных сетях из-за опасений по поводу скорости и задержек. Несмотря на это, промышленные беспроводные сети по-прежнему сложно использовать в качестве основного решения в некоторых суровых радиочастотных условиях. Более того, сотовые беспроводные сети, такие как 5G, с трудом могут гарантировать требуемое качество сети в заводских настройках, если их не поддерживают операторы связи.
Что касается доли рынка, внедрение 5G в промышленных беспроводных сетях остается ограниченным. Это связано с тем, что промышленные беспроводные сети 5G развертываются иначе, чем другие сетевые методы, в первую очередь за счет прямого строительства полностью подключенных заводов 5G. Благодаря инициативе «Промышленный Интернет 5G+» количество проектов по всей стране превысило 8000. Министерство промышленности и информационных технологий (МИИТ) выбрало и опубликовало «Справочник заводов 2023 5G», в котором представлены эталонные проекты, общий объем инвестиций в строительство которых достиг 9,73 млрд юаней. Три крупнейших оператора связи также активно участвовали в непосредственном строительстве промышленных сетей для заводов 5G.
Заключительные мысли
Рыночные тенденции указывают на то, что сектор промышленной автоматизации и управления по-прежнему находится на этапе быстрого развития, особенно в Китае, где национальная политика, поддерживающая трансформацию и модернизацию производства, дала значительный импульс. Во-вторых, благодаря достижениям в полупроводниковой промышленности, сектор промышленной автоматизации Китая переходит от расширения масштабов к повышению качества. Внутренняя замена высококачественного промышленного оборудования управления-больше не является просто лозунгом. В сфере промышленных коммуникаций, в то время как промышленные шинные системы сталкиваются с проблемами роста, темпы замены промышленного Ethernet ускоряются. Промышленные беспроводные сети демонстрируют небольшое общее замедление роста, однако развертывание заводских сетей 5G ускоряется, особенно на внутреннем рынке.