Pe baza evoluțiilor recente din sectorul producției industriale, piața de automatizare și control industrial rămâne într-o fază de creștere rapidă. Impulsat de creșterea costurilor cu forța de muncă, presiunea de a reduce cheltuielile și de a crește eficiența și nevoia intensă a producătorilor de a respecta termenele limită, cererea de tehnologii de control al automatizării în fabrici a atins niveluri fără precedent. Potrivit statisticilor și proiecțiilor Grand View Research, piața de automatizare și control industrial a fost evaluată la aproximativ 194,99 miliarde de dolari anul trecut, această cifră estimată să ajungă la 379,93 miliarde de dolari până în 2030.
Piața de control industrial din China apare ca un jucător major
Piața de control industrial din China a suferit, de asemenea, schimbări semnificative. Potrivit datelor naționale, sectorul industrial al Chinei și-a menținut o creștere constantă în 2023, cu accelerarea noilor factori de creștere. În rândul întreprinderilor industriale la scară mare-, valoarea adăugată a producției de echipamente a crescut cu 6,8%-față de-anul an, reprezentând 33,6% din valoarea adăugată totală a întreprinderilor industriale-la scară largă. Valoarea adăugată a producției de-înaltă tehnologie a crescut cu 2,7%, reprezentând 15,7% din valoarea adăugată totală a întreprinderilor industriale-la scară largă.
De ce există un anumit decalaj între piața globală și cea internă? Acest lucru este în mare parte atribuit sprijinului politicii naționale pentru transformarea și modernizarea producției. De la lansarea celui de-al 14-lea plan cincinal-, națiunea a pus un accent fără precedent pe transformarea și modernizarea sectorului de producție industrială. În scopul de a spori competitivitatea de bază a producției, se pune un accent puternic pe dezvoltarea echipamentelor de control industrial, cum ar fi sistemele de control distribuit și controlere logice programabile, obținând, de asemenea, progrese în componente precum controlere avansate și sisteme de servomotor de înaltă-precizie. Dezvoltarea rapidă a industriilor fierbinți, cum ar fi vehiculele cu energie noi, a determinat transformarea digitală a fabricilor, provinciile și orașele lansând politici de subvenție pentru fabricile demonstrative de referință digitale inteligente.
Control industrial Upstream, Midstream și Downstream Supply Chain
În continuare, să examinăm lanțul de aprovizionare din amonte, mijloc și aval al controlului industrial. În amonte constă în principal din cipuri de control/comunicație, IP de proiectare, senzori, componente și PCB-uri. Fluxul mediu, bazat pe diferite procese de control industrial, este împărțit în stratul de execuție, stratul de antrenare, stratul de control și monitorizarea operațională. Stratul de execuție include supape de control și acționări cu motor; stratul de antrenare cuprinde variatoare de frecvență și sisteme servo; stratul de control acoperă HMI-uri, DCS și PLC-uri; iar monitorizarea operațională încorporează instrumente și sisteme de viziune industrială. Segmentul din aval al controlului industrial cuprinde numeroase industrii specializate, inclusiv câteva care au câștigat o tracțiune semnificativă în ultimii ani: producția 3C, vehicule cu energie nouă, stocarea energiei, servere, petrochimie și tranzit feroviar.
Dintr-o perspectivă a semiconductorilor, sectorul de control industrial din amonte poate fi clasificat în patru segmente majore: senzori industriali, cipuri de control industrial, IP de proiectare și FPGA-uri industriale. Senzorii industriali, ca componente de bază ale stratului de percepție (sau stratului de feedback) în mijlocul controlului industrial, joacă un rol vital în optimizarea proceselor industriale și în asigurarea monitorizării și protecției activelor. Producătorii străini includ ON Semiconductor, Precision Electronics, SICK, Keyence, Beckhoff, Honeywell, Omron, Datalogic și Leica Geosystems. Jucătorii autohtoni includ SmartSens, NXMicro, Cognex, Beiyang Group, XCMG, Minghao Sensing, XiaoAowei, Meixin Semiconductor și Feien Microelectronics.
În sectorul cipurilor și modulelor de control industrial, majoritatea producătorilor se concentrează pe dezvoltarea de MCU-uri cu scop general-. Jucătorii cheie includ firme internaționale precum TI, ADI, ST, Microchip, Infineon, NXP, ON Semiconductor și Renesas, alături de producători autohtoni precum JiHai Semiconductor, Huada, Zhongying Electronics, Xinwang Microelectronics, Fengteng Technology, Artel, Jucheng Semiconductor, Nuvoton, Hangzhou, Times, etc. Saiyuan, Guoguo Technology, Dongtu Technology, Zhongke Jingshang, Xinhai Technology și Zhaoxin.
Simultan, pe măsură ce cererile diferențiate cresc, design IP a devenit o componentă indispensabilă pentru producătorii de cipuri din amonte, cuprinzând atât IP-ul de bază, cât și IP-ul de interfață. Jucătorii internaționali includ Arm, Synopsys, Cadence, Imagination, Renesas și Sifive, în timp ce firmele interne includ PingTouGe, Andes Technology, VeriSilicon și CanSemi.
În cele din urmă, FPGA-urile industriale înregistrează o cerere semnificativă în sectoare în curs de dezvoltare, cum ar fi robotica industrială și echipamentele de{0}}înaltă precizie, unde controlul servo de înaltă-axă, de înaltă performanță este din ce în ce mai critic. În consecință, FPGA-urile rămân utilizate pe scară largă în servodriversări, sisteme CNC și automatizări industriale. De asemenea, găsesc aplicații în comunicațiile industriale, cum ar fi servirea ca master sau slave EtherCAT. Producătorii internaționali includ AMD (Xilinx), Intel (Altera), Lattice și Microcip. Producătorii interni includ Gowin Semiconductor, Anlu Technology și Unisoc.
În continuare, vom folosi câteva produse din amonte ca exemple pentru a ilustra tendințele emergente pe piața de control industrial. Primul este controlul motorului robotului. Aplicațiile industriale care necesită integrarea procesării și a-comunicației în timp real-cum ar fi controlul motorului robotului-cere performanță mai ridicată de procesare-în timp real, acceptând în același timp o gamă largă de protocoale de comunicații industriale. Cu toate acestea, este, de asemenea, crucial să selectați un MCU cu suficient spațiu de performanță pentru extinderea viitoare și funcții suplimentare.
În cadrul unor astfel de arhitecturi integrate, controlul motorului necesită adesea un singur MCU pentru a gestiona mai multe axe. În consecință, MCU trebuie să încorporeze nuclee de procesare-în timp real-de înaltă performanță, cum ar fi R5F sau DSP, alături de interfețe de comunicație-în timp real precum EtherCAT. Luați ca exemplu MCU industrial cu mai multe nuclee AM2343x de la TI prezentat în diagramă. Poate integra până la patru nuclee Cortex-R5F, oferind performanțe ample pentru controlul motorului cu mai multe-axe în robotică, susținând în același timp extinderea cu protocoale de comunicații industriale precum EtherCAT.
Urmează cipul de control servo complet integrat. Servocontrolerele sunt dispozitive utilizate pentru reglarea servomotoarelor, servind ca o componentă vitală în sistemele moderne de control al mișcării. Acestea sunt utilizate pe scară largă în echipamente automate, cum ar fi roboții industriali și centrele de prelucrare CNC. Chipurile de control servo asigură controlul orientării câmpului magnetic pentru motoare, urmărind în același timp o eficiență mai mare a acționării și o performanță dinamică. Diagrama ilustrează soluția complet integrată de control al servomotoarelor Shijian, bazată pe TMC4671, oferind control orientat pe câmp-motoarelor DC fără perii, motoarelor sincrone cu magnet permanent, motoarelor pas cu 2 faze, motoarelor DC cu perii și motoarelor cu bobină vocală. Este denumit „complet integrat” deoarece toate funcțiile de control sunt consolidate în hardware, alături de ADC-uri integrate, interfețe ale senzorilor de poziție și interpolatoare de poziție. În consecință, această soluție de controler este potrivită pentru diverse aplicații servo.
În continuare, să examinăm HMI-ul stratului de control. Luând ca exemplu HMI-urile industriale de ultimă generație, acestea necesită suport pentru capacități de afișare multi-, rezoluții și rate de cadre mai mari și performanțe grafice îmbunătățite pentru a permite proiecte de interacțiune vizuală mai complexe. Luați ca exemplu MCU din seria HPM6800 de la Xianji Semiconductor. Pe lângă integrarea unui nucleu-RISC-V de înaltă performanță, acest cip încorporează și IP-ul GPU 2.5D al VeriSilicon, oferind suficientă performanță grafică pentru aplicațiile HMI. În afară de aceasta, HMI-urile controlate cu voce ne-tactilă- prioritizează adesea design-urile compacte în timp ce necesită asistență pentru intrări de comandă pre-programate și multilingve. Vocea lui Renesas HMI ASSP MCU, R9A06G150, exemplifica această abordare.
Îmbunătățirea monitorizării și diagnosticării stării, în timp ce se realizează optimizarea generală a sistemului, reprezintă o provocare de bază în utilizarea de astăzi a instalațiilor mecanice și a sistemelor tehnice. Acest subiect este din ce în ce mai critic nu numai în mediile industriale, ci oriunde sunt folosite sisteme mecanice. În mod tradițional, mașinile erau întreținute conform programelor, întreținerea întârziată riscând oprirea producției. Astăzi, oamenii prezic durata de viață rămasă a mașinii prin analiza datelor operaționale. Parametrii cheie precum temperatura, zgomotul și vibrațiile pot fi utilizați din datele înregistrate pentru a determina condițiile optime de funcționare și chiar intervalele de întreținere necesare. Această abordare previne uzura inutilă, permițând în același timp detectarea timpurie a potențialelor probleme și a cauzelor lor fundamentale.
În mod similar, senzorii de imagine pentru inspecția vizuală industrială înregistrează o cerere în creștere în sectorul echipamentelor industriale pentru a spori eficiența producției și a asigura ratele de randament al produselor. În acest context, senzorii de imagine utilizați pentru inspecția vizuală artificială nu trebuie doar să perceapă lumina vizibilă, ci și să își întărească capacitatea de a detecta lumina la lungimi de undă invizibile, cum ar fi spectrul de infraroșu cu unde scurte-(SWIR). Luați ca exemplu senzorii de imagine IMX992/993 de la Sony. Acestea integrează tehnologia proprietară SenSWIR de la Sony, combinând pixeli de 3,45-microni. IMX992 atinge 5,32 megapixeli, permițând imagini de înaltă rezoluție și îmbunătățind acuratețea în diverse aplicații industriale de inspecție și măsurare.
Cipurile specializate sunt adesea necesare pentru protocoale de comunicații industriale specifice, cum ar fi EtherCAT. Fiind unul dintre primii producători din China care a lansat cipuri de control slave EtherCAT, Yasin Electronics a introdus AX58100 în 2019. Ulterior, a lansat controlere slave EtherCAT dual-core cu 2/3 porturi, oferind o eficiență mai mare, permițând în același timp interconectarea cu toate sistemele care acceptă protocoale de comunicație standard EtherCAT. Aplicațiile includ controlul I/O al semnalului digital, achiziția datelor senzorului, controlul axei robotice și funcțiile EtherCAT-la-IO{-Link gateway master. Imaginea din dreapta arată placa de bază industrială TL3568 dezvoltată de Chuanglong Technology folosind componente în întregime casnice. Proiectat în jurul procesorului Rockchip RK3568, acesta poate fi folosit și pentru a construi master EtherCAT. Master EtherCAT nu necesită cipuri dedicate; ele pot fi implementate exclusiv în software. De exemplu, integrarea protocolului master EtherCAT în RT-Thread permite controlul-în timp real al servomotoarelor și I/O la distanță.
În cele din urmă, FPGA-urile industriale oferă implementare a logicii hardware cu avantaje precum procesarea paralelă de mare-viteză, unități I/O abundente și multiplexare funcțională. Cu toate acestea, ei se confruntă cu limitări în controlul flexibil și protocoale complexe de comunicare. Acest lucru ne duce la SoC FPGA, care integrează procesoare hard-core în arhitectura FPGA. Acest lucru reduce consumul de energie și costul sistemului, minimizând în același timp amprenta plăcii de bază. Ele păstrează flexibilitatea programabilă a FPGA-urilor, păstrând în același timp compatibilitatea cu ecosistemul procesorului dur. Luați ca exemplu seria SALDRAGON de la Anlu Technology, FPSoC, lansată anul trecut: oferă integrarea opțională fie a unui procesor RISC-V dual-core Arm Cortex-A35, fie a unui procesor RISC-V de 64-biți unic-core, permițând utilizarea deplină a ambelor ecosisteme.
Comunicații industriale: dominația Ethernet continuă să se consolideze
După decenii de evoluție și iterare, metodele de comunicare industrială se încadrează în principal în trei categorii bazate pe implementarea fizică: Ethernet industrial, fieldbus și rețelele industriale fără fir. În Ethernet industrial, tehnologiile emergente precum EtherCAT, PROFINET și EtherCAT domină acum. Sistemele Fieldbus cuprind PROFIBUS DP, Modbus-RTU și CC-Link. Rețelele industriale fără fir, care au apărut doar recent în rețelele industriale, includ soluții de conectivitate bine-cunoscute, cum ar fi Wi-Fi, Bluetooth și 5G.
Conform statisticilor HMS, Industrial Ethernet a continuat să domine noile instalații de noduri în 2023, cota sa de piață crescând de la 68% anul precedent la 71%-o creștere semnificativă de 12%. În timp ce PROFINET, EtherNet/IP și EtherCAT rămân cei trei jucători dominanti pe piață, popularitatea PROFINET și EtherCAT este în continuă creștere. În comparație cu conectivitatea wireless, fieldbus încă reprezintă o parte semnificativă a nodurilor noi. Cu toate acestea, a pierdut un impuls suficient de piață și se bazează numai pe echipamente, mașini și fabrici care continuă să folosească aceste dispozitive fieldbus care funcționează bine-, au testat-timp.
Conectivitatea wireless menține stabilitatea generală. În ciuda solicitărilor persistente pentru fabrici complet wireless, adoptarea rămâne limitată din cauza necesității de re-reroutare extinsă a cablurilor și a provocării de a crea medii care să accepte accesul la mașini fără fir și echipamente industriale mobile.
Erodarea cotei de piață a autobuzelor industriale provine în primul rând din avantajele substanțiale oferite de Industrial Ethernet față de autobuzele industriale tradiționale. Cel mai important beneficiu este viteza: spre deosebire de autobuzele industriale-serial, Industrial Ethernet atinge viteze semnificativ mai mari, depășind 100 Mbps. Chiar și cea mai utilizată magistrală industrială PROFIBUS, în special varianta-PROFIBUS DP de mare viteză pentru automatizarea fabricii, are o viteză maximă configurabilă limitată la 12 Mbps. În al doilea rând este topologia sa mai flexibilă. Pentru implementări complexe de rețele industriale, autobuzele industriale care utilizează configurații mari-daisy lanț creează rețele foarte susceptibile la defecțiuni. Ethernet industrial, totuși, folosește topologii flexibile, cum ar fi rețelele stea, pentru a construi rețele industriale mai rapide și mai fiabile.
În cele din urmă, alianțele din industrie stimulează adoptarea. Luați ca exemple Profinet (dominant în Ethernet industrial) și Profibus (dominant în autobuzele industriale): deși ambele sunt promovate de PI, din 2016, Profinet a depășit Profibus în noile instalații de noduri de dispozitive. Cu soluții cuprinzătoare de migrare a zonelor dezafectate și verzi disponibile acum, acest decalaj continuă să se extindă.
Pe măsură ce mai multe dispozitive, senzori și sisteme se conectează la rețelele industriale, tehnologiile wireless subiacente precum Wi-Fi, LoRaWAN și DECT-2020 NR permit fezabilitatea colectării și partajării wireless a datelor industriale critice. Cu toate acestea, pe măsură ce implementarea 5G și evoluția tehnologică se maturizează, piața de producție industrială își îndreaptă din ce în ce mai mult atenția către tehnologiile de rețele celulare - utilizate anterior rar în rețelele industriale din cauza preocupărilor legate de viteză și latență. În ciuda acestui fapt, rețelele industriale fără fir rămân dificil de adoptat ca soluție principală în anumite medii RF dure. În plus, cu excepția cazului în care sunt susținute de operatorii de telecomunicații, rețelele celulare wireless precum 5G se luptă să garanteze calitatea necesară a rețelei în setările din fabrică.
În ceea ce privește cota de piață, adoptarea 5G în rețelele industriale fără fir rămâne limitată. Acest lucru se datorează faptului că rețelele wireless industriale 5G sunt implementate diferit față de alte metode de conectare în rețea, în primul rând prin construirea directă a fabricilor 5G complet conectate. Impulsat de inițiativa 5G+Industrial Internet, numărul de proiecte la nivel național a depășit 8.000. Ministerul Industriei și Tehnologiei Informației (MIIT) a selectat și publicat „2023 5G Factory Directory” cu proiecte de referință, investiția totală în construcții ajungând la 9,73 miliarde de yuani. Cei trei mari operatori de telecomunicații au participat activ și la construcția directă a rețelelor industriale pentru fabricile 5G.
Gânduri finale
Tendințele pieței indică faptul că sectorul de automatizare și control industrial se află într-o fază de dezvoltare rapidă, în special în China, unde politicile naționale care sprijină transformarea și modernizarea producției au dat un impuls semnificativ. În al doilea rând, susținut de progresele din industria semiconductoarelor din amonte, sectorul de automatizare industrială din China trece de la extinderea la scară la îmbunătățirea calității. Înlocuirea internă pentru echipamentele de control industrial de ultimă generație-nu mai este doar un slogan. În comunicațiile industriale, în timp ce sistemele de autobuze industriale se confruntă cu provocări de creștere, Ethernetul industrial își accelerează ritmul de înlocuire. Rețelele wireless industriale arată o ușoară încetinire generală a creșterii, totuși implementările 5G din fabrică se accelerează, în special pe piața internă.