Виходячи з останніх подій у секторі промислового виробництва, ринок промислової автоматизації та керування залишається у фазі швидкого зростання. Попит на технології автоматизованого керування на підприємствах досяг безпрецедентного рівня через зростання вартості робочої сили, тиску щодо скорочення витрат і підвищення ефективності, а також гострої потреби виробників дотримуватись термінів. Згідно зі статистичними даними та прогнозами Grand View Research, минулого року ринок промислової автоматизації та управління оцінювався приблизно в 194,99 мільярда доларів, а до 2030 року ця цифра, за прогнозами, досягне 379,93 мільярда доларів.
Китайський ринок промислового контролю стає головним гравцем
Китайський ринок промислового контролю також зазнав значних змін. Згідно з національними даними, у 2023 році промисловий сектор Китаю зберіг стабільне зростання, прискорюючись прискоренням нових факторів зростання. Серед великих-промислових підприємств додана вартість виробництва обладнання зросла на 6,8% у річному--році, становлячи 33,6% загальної доданої вартості великих-промислових підприємств. Додана вартість високотехнологічного виробництва зросла на 2,7%, що становить 15,7% від загальної доданої вартості великих{13}}промислових підприємств.
Чому існує певний розрив між світовим і внутрішнім ринками? Це значною мірою пояснюється національною політикою підтримки трансформації та модернізації виробництва. Після виходу 14-го п’ятирічного-плану країна приділила безпрецедентну увагу трансформації та модернізації промислового виробничого сектора. У рамках цілі підвищення основної конкурентоспроможності виробництва велика увага приділяється розробці промислового контрольного обладнання, такого як розподілені системи керування та програмовані логічні контролери, а також досягненню прориву в таких компонентах, як передові контролери та високо-системи сервоприводів високої точності. Швидкий розвиток гарячих галузей промисловості, як-от транспортних засобів на новій енергії, сприяв цифровій трансформації заводів, коли провінції та міста запровадили політику субсидій для демонстраційних заводів із цифровими інтелектуальними тестами.
Промисловий контроль ланцюгів постачання на видобутку, у середовищі та в нижній течії
Далі розглянемо ланцюг постачання промислового контролю вгору, всередині та вниз за течією. Вихідна частина в основному складається з чіпів керування/комунікацій, дизайну IP, датчиків, компонентів і друкованих плат. Проміжний потік, заснований на різних процесах промислового контролю, поділяється на рівень виконання, рівень приводу, рівень керування та рівень оперативного моніторингу. Виконавчий рівень включає регулюючі клапани та моторні приводи; рівень приводу охоплює приводи змінної частоти та сервосистеми; рівень керування охоплює HMI, DCS та PLC; і оперативний моніторинг включає прилади та системи промислового бачення. Низхідний сегмент промислового контролю охоплює численні спеціалізовані галузі, включно з кількома, які набули значного поширення в останні роки: виробництво 3C, транспортні засоби на новій енергії, накопичувачі енергії, сервери, нафтохімія та залізничний транспорт.
З точки зору напівпровідників, промисловий сектор управління можна розділити на чотири основні сегменти: промислові датчики, промислові чіпи управління, проектування IP і промислові FPGA. Промислові датчики, як основні компоненти рівня сприйняття (або рівня зворотного зв’язку) у середині промислового контролю, відіграють життєво важливу роль в оптимізації промислових процесів і забезпеченні моніторингу та захисту активів. Серед іноземних виробників – ON Semiconductor, Precision Electronics, SICK, Keyence, Beckhoff, Honeywell, Omron, Datalogic і Leica Geosystems. Серед вітчизняних гравців – SmartSens, NXMicro, Cognex, Beiyang Group, XCMG, Minghao Sensing, XiaoAowei, Meixin Semiconductor і Feien Microelectronics.
У секторі чіпів і модулів промислового керування більшість виробників зосереджені на розробці-мікроконтроллерів загального призначення. Серед ключових гравців такі міжнародні компанії, як TI, ADI, ST, Microchip, Infineon, NXP, ON Semiconductor і Renesas, а також вітчизняні виробники, такі як 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 і Zhaoxin.
Водночас із зростанням диференційованих вимог IP дизайну став незамінним компонентом для виробників мікросхем, охоплюючи як основну IP, так і IP інтерфейсу. Міжнародні гравці включають Arm, Synopsys, Cadence, Imagination, Renesas і Sifive, тоді як вітчизняні фірми включають PingTouGe, Andes Technology, VeriSilicon і CanSemi.
Нарешті, промислові ПЛІС користуються значним попитом у таких секторах, що швидко розвиваються, як промислова робототехніка та високо-точне обладнання, де багато-високо-продуктивне сервокерування стає все більш критичним. Отже, FPGA залишаються широко розгорнутими в сервоприводах, системах ЧПУ та промисловій автоматизації. Вони також знаходять застосування в промислових комунікаціях, наприклад, як провідні або підлеглі EtherCAT. Міжнародні виробники включають AMD (Xilinx), Intel (Altera), Lattice і Microchip. Серед вітчизняних виробників – Gowin Semiconductor, Anlu Technology і Unisoc.
Далі ми використаємо деякі продукти, що розвиваються, як приклади, щоб проілюструвати нові тенденції на ринку промислового керування. По-перше, це керування двигуном робота. Промислові програми, які вимагають інтеграції обробки-зв’язку в реальному часі-такі як керування двигуном робота-вимагають вищої-продуктивності обробки в реальному часі при підтримці широкого діапазону промислових протоколів зв’язку. Однак також важливо вибрати MCU з достатнім запасом продуктивності для майбутнього розширення та додаткових функцій.
У таких інтегрованих архітектурах для керування двигуном часто потрібен один MCU для керування декількома осями. Отже, MCU має включати високо{1}}ядра обробки-в реальному часі, такі як R5F або DSP, поряд із інтерфейсами-зв’язку в реальному часі, такими як EtherCAT. Візьмемо для прикладу багатоядерний промисловий MCU AM2343x TI, показаний на схемі. Він може інтегрувати до чотирьох ядер Cortex-R5F, забезпечуючи достатню продуктивність для багато{11}}керування двигуном у робототехніці, а також підтримує розширення за допомогою промислових протоколів зв’язку, таких як EtherCAT.
Далі йде повністю інтегрована мікросхема керування сервоприводом. Сервоконтролери — це пристрої, що використовуються для регулювання серводвигунів, що є життєво важливим компонентом сучасних систем керування рухом. Вони широко використовуються в автоматизованому обладнанні, такому як промислові роботи та обробні центри з ЧПК. Мікросхеми керування сервоприводом забезпечують керування орієнтацією магнітного поля для двигунів, одночасно прагнучи до підвищення ефективності приводу та динамічних характеристик. На схемі показано повністю інтегроване рішення Shijian для керування серводвигунами на основі TMC4671, яке забезпечує-орієнтоване керування безщітковими двигунами постійного струму, синхронними двигунами з постійними магнітами, двофазними кроковими двигунами, щітковими двигунами постійного струму та двигунами зі звуковою котушкою. Його називають «повністю інтегрованим», оскільки всі функції керування консолідовані в апаратному забезпеченні разом із інтегрованими АЦП, інтерфейсами датчиків положення та інтерполяторами положення. Отже, це рішення контролера підходить для різноманітних сервоприводів.
Далі розглянемо HMI рівня керування. Візьмемо для прикладу високоякісні-промислові HMI. Вони потребують підтримки кількох-дисплеїв, вищої роздільної здатності та частоти кадрів, а також покращеної графічної продуктивності для створення складніших дизайнів візуальної взаємодії. Візьмемо для прикладу MCU серії HPM6800 від Xianji Semiconductor. Крім інтеграції високопродуктивного ядра RISC-V, цей чіп також містить 2.5D GPU IP VeriSilicon, що забезпечує достатню графічну продуктивність для програм HMI. Окрім цього, не{10}}сенсорні голосові-керовані HMI часто віддають перевагу компактним конструкціям, вимагаючи підтримки попередньо-запрограмованих і багатомовних вводів команд. Голосовий HMI ASSP MCU від Renesas, R9A06G150, є прикладом цього підходу.
Удосконалення моніторингу стану та діагностики при досягненні загальної оптимізації системи є основною проблемою в сучасному використанні механічних засобів і технічних систем. Ця тема стає все більш критичною не тільки в промислових умовах, але й там, де використовуються механічні системи. Традиційно технічне обслуговування машин проводилося згідно з графіком, а затримка технічного обслуговування створювала ризик простою виробництва. Сьогодні люди прогнозують термін служби машини, що залишився, аналізуючи робочі дані. Такі ключові параметри, як температура, шум і вібрація, можна використовувати із записаних даних для визначення оптимальних умов експлуатації та навіть необхідних інтервалів технічного обслуговування. Такий підхід запобігає непотрібному зносу, одночасно дозволяючи завчасно виявити потенційні проблеми та їх основні причини.
Подібним чином датчики зображення для промислового огляду користуються зростаючим попитом у секторі промислового обладнання для підвищення ефективності виробництва та забезпечення продуктивності продукції. У цьому контексті датчики зображення, які використовуються для перевірки машинного зору, повинні не лише сприймати видиме світло, але й покращити свою здатність виявляти світло в невидимих довжинах хвиль, таких як короткохвильовий інфрачервоний (SWIR) спектр. Візьмемо для прикладу датчики зображення Sony IMX992/993. Вони інтегрують власну технологію Sony SenSWIR, поєднуючи пікселі розміром 3,45-мікрона. IMX992 досягає 5,32 мегапікселя, що забезпечує зображення з високою роздільною здатністю та покращує точність у різноманітних промислових інспекціях та вимірюваннях.
Спеціалізовані мікросхеми часто потрібні для конкретних промислових протоколів зв’язку, таких як EtherCAT. Будучи одним із перших виробників у Китаї, який випустив мікросхеми підлеглих контролерів EtherCAT, Yasin Electronics представила AX58100 у 2019 році. Згодом вона випустила двоядерні-підлеглі контролери EtherCAT із 2/3 портами, що забезпечує вищу ефективність і забезпечує взаємозв’язок із усіма системами, що підтримують стандартні протоколи зв’язку EtherCAT. Додатки включають керування вводом/виводом цифрового сигналу, збір даних датчиків, керування віссю робота та функції головного шлюзу EtherCAT-to-IO-Link. На зображенні праворуч показана промислова основна плата TL3568, розроблена компанією Chuanglong Technology з використанням повністю вітчизняних компонентів. Розроблений на базі процесора Rockchip RK3568, його також можна використовувати для створення майстрів EtherCAT. Майстри EtherCAT не потребують виділених чіпів; вони можуть бути реалізовані чисто програмно. Наприклад, інтеграція головного протоколу EtherCAT у RT-Thread дає змогу-керувати серводвигунами та віддаленим вводом/виводом у реальному часі.
Нарешті, промислові ПЛІС пропонують реалізацію апаратної логіки з такими перевагами, як високо-швидкісна паралельна обробка, велика кількість блоків вводу/виводу та функціональне мультиплексування. Однак вони стикаються з обмеженнями в гнучкому контролі та складних протоколах зв’язку. Це привело нас до SoC FPGA, які інтегрують жорсткі-процесори в архітектуру FPGA. Це зменшує енергоспоживання системи та вартість, мінімізуючи площу материнської плати. Вони зберігають програмовану гнучкість FPGA, зберігаючи при цьому сумісність з екосистемою жорстких процесорів. Візьмемо для прикладу FPSoC серії SALDRAGON від Anlu Technology, випущений минулого року: він пропонує опціональну інтеграцію або двоядерного-Arm Cortex-A35, або одно{10}}ядерного 64-розрядного процесора RISC-V, що дозволяє повністю використовувати обидві екосистеми.
Промисловий зв'язок: домінування Ethernet продовжує зміцнюватися
Після десятиліть еволюції та ітерацій промислові методи зв’язку в основному поділяються на три категорії на основі фізичної реалізації: промисловий Ethernet, польова шина та промислові бездротові мережі. Зараз у промисловому Ethernet домінують новітні технології, такі як EtherCAT, PROFINET і EtherCAT. Системи Fieldbus включають PROFIBUS DP, Modbus-RTU та CC-Link. Промислові бездротові мережі, які нещодавно з’явилися в промислових мережах, включають добре-відомі рішення для підключення, такі як Wi-Fi, Bluetooth і 5G.
Згідно зі статистичними даними HMS, у 2023 році Industrial Ethernet продовжував домінувати в нових вузлах, а його частка на ринку зросла з 68% у попередньому році до 71%-, що становить значне збільшення на 12%. Хоча PROFINET, EtherNet/IP і EtherCAT залишаються трьома домінуючими гравцями на ринку, популярність PROFINET і EtherCAT постійно зростає. Порівняно з бездротовим підключенням, польова шина все ще становить значну частину нових вузлів. Однак він втратив достатній ринковий імпульс і покладається виключно на обладнання, машини та заводи, які продовжують використовувати ці добре-функціонуючі, перевірені часом-пристрої польової шини.
Бездротове підключення забезпечує загальну стабільність. Незважаючи на наполегливі заклики до створення повністю бездротових фабрик, впровадження залишається обмеженим через потребу у великій-прокладці кабелю та складність створення середовищ, які підтримують бездротовий доступ машин і мобільного промислового обладнання.
Зменшення частки промислових шин на ринку в першу чергу пояснюється суттєвими перевагами Industrial Ethernet перед традиційними промисловими шинами. Головною перевагою є швидкість: на відміну від послідовних-промислових шин, Industrial Ethernet досягає значно вищої швидкості, що перевищує 100 Мбіт/с. Навіть найпоширеніша промислова шина PROFIBUS, зокрема високошвидкісний-варіант PROFIBUS DP для автоматизації виробництва, має максимальну конфігуровану швидкість до 12 Мбіт/с. По-друге, його більш гнучка топологія. Для розгортання складних промислових мереж промислові шини з використанням великих шлейфових-конфігурацій створюють мережі, дуже вразливі до збоїв. Проте промисловий Ethernet використовує гнучкі топології, такі як зіркоподібні мережі, для створення швидших і надійніших промислових мереж.
Нарешті, галузеві альянси стимулюють впровадження. Візьмемо Profinet (домінуючий у промисловому Ethernet) та Profibus (домінуючий у промислових шинах) як приклади: хоча обидва рекламуються PI, з 2016 року Profinet перевершив Profibus у встановленні нових вузлів пристроїв. Оскільки тепер доступні комплексні рішення для міграції із застарілих і нових територій, цей розрив продовжує збільшуватися.
Оскільки все більше пристроїв, датчиків і систем під’єднується до промислових мереж, базові бездротові технології, такі як Wi-Fi, LoRaWAN і DECT-2020 NR, дають можливість бездротового збору та обміну критичними промисловими даними. Однак у міру того, як розгортання 5G і технологічна еволюція стають зрілими, ринок промислового виробництва все більше звертає свою увагу на технології стільникових мереж, які раніше рідко використовувалися в промислових мережах через побоювання щодо швидкості та затримки. Незважаючи на це, промислові бездротові мережі все ще важко прийняти як основне рішення в певних жорстких радіочастотних середовищах. Крім того, без підтримки операторів зв’язку стільникові бездротові мережі, такі як 5G, не можуть гарантувати необхідну якість мережі в заводських налаштуваннях.
З точки зору частки ринку, застосування 5G у промислових бездротових мережах залишається обмеженим. Це пов’язано з тим, що промислові бездротові мережі 5G розгортаються інакше, ніж інші методи мереж, насамперед шляхом прямого будівництва повністю підключених заводів 5G. Завдяки ініціативі 5G+Industrial Internet кількість проектів по всій країні перевищила 8000. Міністерство промисловості та інформаційних технологій (MIIT) вибрало та опублікувало «2023 5G Factory Directory», в якому представлені еталонні проекти, загальний обсяг інвестицій у будівництво яких досягає 9,73 мільярда юанів. Три великі телекомунікаційні оператори також активно брали участь у безпосередньому будівництві промислових мереж для заводів 5G.
Заключні думки
Ринкові тенденції вказують на те, що сектор промислової автоматизації та управління залишається на фазі швидкого розвитку, особливо в Китаї, де національна політика підтримки трансформації та модернізації виробництва дала значний поштовх. По-друге, підкріплений прогресом у напівпровідниковій промисловості, сектор промислової автоматизації Китаю переходить від розширення масштабу до підвищення якості. Внутрішня заміна-на висококласне промислове контрольне обладнання більше не є просто гаслом. У промислових комунікаціях, хоча промислові шинні системи стикаються з проблемами зростання, промисловий Ethernet прискорює темпи заміни. Промислові бездротові мережі демонструють невелике загальне уповільнення зростання, але розгортання 5G на заводах прискорюється, особливо на внутрішньому ринку.