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工业市场承压,自动化控制与通信技术如何破局

时间:2024-06-27 阅读量:33

从工业制造行业近年来的发展来看,目前工业自动化与控制市场仍处于快速发展期,在人力成本上升、降本增效和制造商按时完成任务的巨大压力下,工厂使用自动化控制技术的需求已经达到新高。根据GrandView Research的统计与预测数据,去年工业自动化与控制市场总值约为1949.9亿美元,而这一数字预计将在2030年达到3799.3亿美元。

 

中国工业控制市场异军突起

中国的工业控制市场也发生了不小的变动,从国家公布的数据来看,2023 年我国工业依然实现稳健增长,新动能在加快培育。在规模以上工业中,装备制造业增加值比上年增长 6.8%,占规模以上工业增加值比重为 33.6%;高技术制造业增加值增长 2.7%,占规模以上工业增加值比重为15.7%。
尽管有所增长,2023年工业自动化复苏迹象并不算明显,世界范围内面临着经济复苏动力不足的困境,国内则面临着有效需求不足的现状。与此同时,国内工业控制与自动化行业竞争依旧十分激烈,西门子、ABB、三菱、安川、欧姆龙、松下等欧美、日本厂商仍然占据主要份额。汇川、禾川和雷赛等国产自动化厂商在上游厂商的支持下,已经开始从做大往做强转型。
为何世界范围内与国内存在一定的差距,这也得益于国家对制造业转型和升级的政策扶植。从十四五规划发布以来,国家对于工业制造产业的转型和升级提出了前所未有的重视。在提高制造业核心竞争力的目标中,也要求重点研制分散式控制系统、可编程逻辑控制器等工业控制装备,并在先进控制器、高精度伺服驱动系统等部件上实现突破。随着新能源汽车等热门产业的快速发展,带动了工厂数字化转型,各省市也发布了对数字化智能标杆示范工厂的补贴政策。

 

工业控制上下游产业链

接着我们来看看工业控制的上中下游产业链,上游主要分为控制/通信芯片、设计IP、传感器、元器件和PCB等,而中游根据工业控制的不同流程,则分为执行层、驱动层、控制层和运行监控等。其中,执行层包括 调节阀、电机传动,驱动层包括变频器、伺服系统等,控制层则包括HMI、DCS、PLC,运行监控则包含了仪表和工业视觉系统等。工业控制的下游细分产业很多,不乏一些近年来比较发展比较热门的产业,包括3C制造、新能源汽车、储能、服务器、石化和轨道交通等。
从半导体的角度看工控上游,我们可以将其分为四个大类,分别是工业传感器,工业控制芯片、设计IP以及工业FPGA。工业传感器作为工业控制中游感知层或者说反馈层的核心部件之一,起到了改善工业流程并提供资产监控与保护的作用。其中国外厂商有安森美、精量电子、西克、基恩士、倍福、霍尼韦尔、欧姆龙、得利捷、劳易测。国内厂商有思特威、纳芯微、康耐视、北洋集团、西人马、明皜传感、芯奥微、美芯半导体、飞恩微电子等。
工业控制芯片和模组这块,大部分厂商以开发通用MCU为主,主要厂商包括国外的TI、ADI、ST、Microchip、英飞凌、恩智浦、安森美、瑞萨,国内厂商有极海半导体、华大、中颖电子、芯旺微电子、峰岹科技、雅特力、聚辰半导体、新唐、万高、时代、航顺、赛元、国民技术、东土科技、中科晶上、芯海科技、兆芯等等。
同时随着差异化需求的提高,设计IP也成了上游芯片厂商们不可忽略的一环,无论是核心IP还是接口IP。国外厂商包括Arm、新思、Cadence、Imagination、瑞萨、Sifive,国内厂商包括平头哥、晶心科技、芯原、灿芯半导体等。
最后是工业FPGA,随着工业机器人、高精密设备等行业的快速发展,多轴、高性能伺服的寻求也越发凸显,所以目前FPGA在伺服驱动、数控和工业自动化领域仍有着广泛应用。且FPGA在工业通信领域也有了不少应用场景,比如用于EtherCAT的主站或从站等。国外厂商有AMD(Xilinx)、Intel(Altera)、Lattice、Microchip等,国内厂商包括高云半导体、安路科技、紫光同创等。
接着我们以一些上游产品为例,来展示工业控制市场出现的一些市场趋势。首先就是机器人电机控制,对于需要将处理和实时通信结合的工业应用,比如机器人电机控制等,需要更高的实时处理性能,同时支持丰富的工业通信协议。但也要选择拥有足够性能余量的MCU,用于未来的扩展和附加功能。
而这种集成式架构中电机控制往往需要用一个MCU控制多个轴控制,所以MCU需要高性能实时处理内核,比如R5F或DSP等,也需要EtherCAT这样的实时通信接口。以图中TI的AM2343x多核工业MCU为例,就最多可集成4个Cortex-R5F核心,为机器人多轴电机控制提供足够的性能,同时也能支持EtherCAT等工业通信协议的扩展。

世健基于TMC4671的全集成伺服电机控制方案
其次是全集成伺服控制芯片,伺服控制器是用来控制伺服电机的一种控制器,是现代运动控制的重要组成部分,被广泛应用于工业机器人及数控加工中心等自动化设备中。伺服控制芯片在为电机提供磁场定向控制的同时,追求更高的驱动效率和动态性能。图中展示了世健基于TMC4671的全集成伺服电机控制方案,为直流无刷电机、永磁同步电机、2相步进电机、直流有刷电机和音圈电机提供磁场定向控制。之所以被称为全集成,是因为所有的控制功能都被集成在硬件上,同时集成了ADCs、位置传感器接口、位置差值器,所以该控制器方案适用于各种伺服应用。
接着我们来看下控制层的HMI,以高端工业HMI为例,需要支持多路显示,甚至要支持更高的分辨率和帧率,以及拥有更强的图形显示性能才能支持更复杂的可视化交互设计。以先楫半导体的HPM6800系列MCU为例,该芯片除了集成了高性能的RISC-V内核外,还集成了芯原的2.5D GPU IP,为HMI提供了足够的图形性能。除此之外,还有非触控式的语音控制HMI,这类应用往往追求更加紧凑的设计,且必须支持预编程和多语言命令输入,瑞萨的语音HMI ASSP MCU R9A06G150就是一个很好的例子。
改善状态监控和诊断并实现整体系统优化,是当今人们在使用机械设施和技术系统时面临的部分核心挑战。这个话题不仅在工业领域,在任何使用机械系统的地方都愈加重要。以往,都是根据计划来维护机器,延迟维护可能会面临生产停工的风险。如今,人们通过处理机器的数据来预测其剩余的使用寿命。尤其是温度、噪声和振动等关键参数,可以利用记录的这些数据来确定优质运行状态,甚至是所需的维护次数。此举可以避免造成不必要的磨损,并且能够尽早发现潜在的问题和原因。
上图就展示了世健基于ADI ADXL355/357的数字型三轴振动传感器参考设计,其中PC GUI对振动传感器采集到的数据进行FFT、FIR等时域/频域分析,可以广泛用于电梯状况监控、数控机床状态反馈、气泵液泵状态监控、电机和齿轮箱状态监控、风力发电机状态监控以及机械臂起重机等工业设备的状态反馈和监控。
同样的还有工业视觉检测的图像传感器,在工业设备领域,为了提高生产效率并保证产品良率的需求持续增加。在这种情况下,针对用于机器视觉检测的图像传感器不仅需要感知可见光的能力,也需要加强感知不可见波段光线的能力,比如短波红外焦段。以索尼的IMX992/993图像传感器为例,就集成了其自研的SenSWIR技术,拼接3.45微米的像素大小,IMX992做到了532万像素,可以实现高精细的成像,提高在各类工业检查和测量应用中的精度。
在特定的工业通信协议中,往往也需要用到专用的芯片,比如EtherCAT。亚信电子是国内首批推出EtherCAT从站控制器芯片的厂商,自2019年发布AX58100后,亚信电子又推出了2/3端口的EtherCAT从站双核控制器,做到更高效能的同时,可以所有支持标准EtherCAT通信协议的系统互联。可用于数字信号IO控制、传感器数据收集、机器人转轴控制以及EtherCAT转IO-Link主站网关等。右图为创龙科技基于全国产器件打造的工业核心板TL3568,基于瑞芯微的RK3568处理器设计,也可用于打造EtherCAT主站。EtherCAT主站并不需要专用的芯片,只需要在软件上实现即可,比如在RT-Thread端集成EtherCAT主站协议,对伺服电机和远程IO进行实时控制。
最后是工业FPGA,FPGA可以实现硬件逻辑功能,且具备高速并行处理性能、丰富IO单元和功能复用等优势,但涉及灵活的控制和复杂的通信协议时,并不占优势。所以我们引出了SoC FPGA,SoC FPGA在FPGA架构中集成了硬核处理器,从而降低系统功耗和成本,减小主板面积。在具备FPGA可编程灵活性的同时,也兼容硬核处理器的生态。以安路科技去年发布的SALDRAGON系列FPSoC为例,就可选集成双核Arm Cortex-A35或单核64位芯来RISC-V处理器的版本,从而充分利用两者的生态系统。

 

工业通信,以太网主导地位继续加固

工业通信方式经过数十年的演变迭代,基于物理实现方式主要分为工业以太网、现场总线以及工业无线网,其中工业以太网中占主导的为EtherCAT、PROFINET以及EtherCAT等后起之秀,而现场总线则包括了PROFIBUS DP、Modbus-RTU、CC-Link等,近年来才开始在工业网络中现身的工业无线网,则包括大家熟知的Wi-Fi、蓝牙和5G等连接方式。

2023年新增节点各工业通信方式占比 / HMS
根据HMS的统计,在2023年的新增节点中,工业以太网依然占据主导地位,份额更是从前年的68%提高至71%,增长高达12%。虽然市面上依然是PROFINET、EtherNet/IP、和EtherCAT三家独大的局面,但PROFINET、EtherCAT的受欢迎程度在逐渐提高。相较无线连接,现场总线依然占据新增节点的很大一部分,但失去了足够的市场动力,只是依赖于设备、机器和工厂继续沿用这些功能良好,且久经验证的现场总线设备。
无线连接整体保持稳定的状态,虽然打造全无线工厂的口号一直不绝于耳,但对于工厂环境而言,需要重新更换电缆布局,打造一个无线机器访问和移动工业设备的环境,接受度仍有待提高。
之所以工业总线的市场份额在被逐渐蚕食,还是因为工业以太网相比工业总线存在不小的优势。首先就是更快的速度:相较于串联通信的工业总线,工业以太网可以实现更高的速度,甚至超过100Mbps,而最常用的PROFIBUS工业总线,即便是用于工厂自动化的高速版本PROFIBUS DP,最高可配置速度也只有12Mbps。其次是更灵活的拓扑结构,对于更复杂的工业网络部署,工业总线如果采用大型菊花链的形式部署,则会形成一个对故障极为敏感的工业网络。而工业以太网通过星型等灵活拓扑结构,打造更加高速可靠的工业网络。
最后则是产业联盟的推动,以工业以太网中占比最高的Profinet和工业总线中占比最高的Profibus为例,尽管PROFIBUS和PROFINET都是由PI推广的,但从2016年开始后者的新增设备节点数就已经开始超过前者了,在已经具备完整的棕地和绿地迁移方案的助力下,这一差距还在继续扩大。
随着越来越多的设备、传感器和系统接入工业网络,Wi-Fi、LoRaWan和DECT-2020 NR等底层无线连接技术提供了无线收集和共享这些工业关键数据的可行性。但5G部署和技术演进逐步成熟,工业制造市场已经开始将目光放向曾经因为速率和延迟而极少用于工业网络中的蜂窝网络技术。尽管对于一些RF环境恶劣的工业场景而言,工业无线网还是很难作为首选,而且除非有电信运营商的介入,5G之类的蜂窝无线网很难保证在工厂环境发挥出其应有的网络质量。

国内5G工厂发展 / 工信部
单看占比,5G在工业无线网中落地还不算多,这是因为5G工业无线网的普及方式相较其他布网方式有所不同,多以直接建设全连接5G工厂为主。在5G+工业互联网的推动下,全国项目数已经超过8000个。工信部也针对其中的标杆项目,遴选并发布了《2023年5G工厂名录》,建设投资总额达到了97.3亿元。三大运营商也纷纷参与到了5G工厂的工业网络直接建设中来。

 

写在最后

从市场趋势来看,工业自动化与控制市场仍处于快速发展期,尤其是中国,国家政策支持制造业转型和升级起到了极大的助力。其次,得益于上游芯片产业的发展,国产工业自动化产业开始从做大往做强转型,高端工控设备的国产替代已经不再只是说说而已。而在工业通信上,工业总线增长动力不足,工业以太网正加快替代速度。工业无线网整体增速略有下滑,但5G工厂布局加快,尤其是国内市场。

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