Glede na nedavni razvoj v industrijskem proizvodnem sektorju ostaja trg industrijske avtomatizacije in nadzora v fazi hitre rasti. Zaradi naraščajočih stroškov dela, pritiska za zmanjšanje stroškov in povečanja učinkovitosti ter intenzivne potrebe proizvajalcev po izpolnjevanju rokov je povpraševanje po tehnologijah za avtomatiziran nadzor v tovarnah doseglo raven brez primere. Po statističnih podatkih in napovedih raziskave Grand View Research je bil trg industrijske avtomatizacije in krmiljenja lani ocenjen na približno 194,99 milijarde USD, pri čemer naj bi ta številka do leta 2030 dosegla 379,93 milijarde USD.
Kitajski trg industrijskega nadzora se pojavlja kot glavni igralec
Kitajski trg industrijskega nadzora je prav tako doživel pomembne spremembe. Po nacionalnih podatkih je kitajski industrijski sektor v letu 2023 ohranil stabilno rast, novi dejavniki rasti pa so se pospešili. Med velikimi-industrijskimi podjetji se je dodana vrednost proizvodnje opreme medletno--zvišala za 6,8 % in predstavlja 33,6 % celotne dodane vrednosti velikih-industrijskih podjetij. Dodana vrednost visoko{10}}tehnološke proizvodnje se je povečala za 2,7 %, kar predstavlja 15,7 % skupne dodane vrednosti velikih-industrijskih podjetij.
Zakaj obstaja določen razkorak med svetovnim in domačim trgom? To je v veliki meri posledica podpore nacionalne politike preoblikovanju in nadgradnji proizvodnje. Od izdaje 14. pet-letnega načrta je država dala izjemno pozornost preoblikovanju in nadgradnji sektorja industrijske proizvodnje. Znotraj cilja povečanja ključne konkurenčnosti proizvodnje je močan poudarek na razvoju opreme za industrijsko krmiljenje, kot so porazdeljeni nadzorni sistemi in programabilni logični krmilniki, hkrati pa doseganje prebojev v komponentah, kot so napredni krmilniki in visoko-precizni servo pogonski sistemi. Hiter razvoj vročih industrij, kot so nova energetska vozila, je spodbudil digitalno preobrazbo tovarn, pri čemer so province in mesta uvedle politiko subvencioniranja za predstavitvene tovarne digitalnih inteligentnih meril uspešnosti.
Industrijski nadzor zgornje, srednje in spodnje dobavne verige
Nato preučimo nabavno verigo industrijskega nadzora na zgornjem, srednjem in spodnjem toku. Navzgor se sestoji predvsem iz krmilnih/komunikacijskih čipov, konstrukcijskega IP-ja, senzorjev, komponent in tiskanih vezij. Vmesni tok, ki temelji na različnih procesih industrijskega nadzora, je razdeljen na izvedbeni sloj, pogonski sloj, nadzorni sloj in operativni nadzor. Izvedbeni sloj vključuje regulacijske ventile in motorne pogone; pogonska plast zajema pogone s spremenljivo frekvenco in servo sisteme; nadzorna plast zajema HMI-je, DCS in PLC-je; in operativni nadzor vključuje instrumente in sisteme industrijskega vida. Nadaljnji segment industrijskega nadzora zajema številne specializirane industrije, vključno s številnimi, ki so v zadnjih letih pridobile velik oprijem: proizvodnja 3C, nova energetska vozila, shranjevanje energije, strežniki, petrokemikalije in železniški tranzit.
Z vidika polprevodnikov lahko zgornji industrijski nadzorni sektor razvrstimo v štiri glavne segmente: industrijski senzorji, industrijski krmilni čipi, konstrukcijski IP in industrijski FPGA. Industrijski senzorji kot osrednji sestavni deli plasti zaznavanja (ali plasti povratnih informacij) v središču industrijskega nadzora igrajo ključno vlogo pri optimizaciji industrijskih procesov ter zagotavljanju spremljanja in zaščite sredstev. Tuji proizvajalci so ON Semiconductor, Precision Electronics, SICK, Keyence, Beckhoff, Honeywell, Omron, Datalogic in Leica Geosystems. Domači igralci vključujejo SmartSens, NXMicro, Cognex, Beiyang Group, XCMG, Minghao Sensing, XiaoAowei, Meixin Semiconductor in Feien Microelectronics.
V sektorju industrijskih krmilnih čipov in modulov se večina proizvajalcev osredotoča na razvoj-namenskih MCU-jev. Med ključnimi akterji so mednarodna podjetja, kot so TI, ADI, ST, Microchip, Infineon, NXP, ON Semiconductor in Renesas, poleg domačih proizvajalcev, kot so 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 in Zhaoxin.
Hkrati, ko se diferencirane zahteve povečujejo, je IP oblikovanja postal nepogrešljiva komponenta za proizvajalce čipov navzgor v verigi, ki zajema tako jedrni IP kot vmesnik IP. Mednarodni igralci vključujejo Arm, Synopsys, Cadence, Imagination, Renesas in Sifive, medtem ko domača podjetja vključujejo PingTouGe, Andes Technology, VeriSilicon in CanSemi.
Nazadnje, industrijske FPGA opažajo veliko povpraševanje v hitro razvijajočih se sektorjih, kot sta industrijska robotika in visoko-natančna oprema, kjer je več-osno, visoko-zmogljivo servo krmiljenje vse bolj kritično. Posledično se FPGA še vedno pogosto uporabljajo v servo pogonih, CNC sistemih in industrijski avtomatizaciji. Uporabljajo se tudi v industrijskih komunikacijah, na primer kot glavni ali podrejeni EtherCAT. Mednarodni proizvajalci vključujejo AMD (Xilinx), Intel (Altera), Lattice in Microchip. Domači proizvajalci vključujejo Gowin Semiconductor, Anlu Technology in Unisoc.
Nato bomo kot primere uporabili nekaj proizvodov, ki se razvijajo na trgu, za ponazoritev nastajajočih trendov na trgu industrijskega nadzora. Prvi je nadzor motorja robota. Industrijske aplikacije, ki zahtevajo integracijo obdelave in-komunikacije v realnem času-, kot je krmiljenje motorja robota,-zahtevajo višjo-zmogljivost obdelave v realnem času, medtem ko podpirajo širok nabor industrijskih komunikacijskih protokolov. Vendar pa je prav tako ključnega pomena, da izberete MCU z zadostno zmogljivostjo za prihodnjo širitev in dodatne funkcije.
Znotraj takšnih integriranih arhitektur nadzor motorja pogosto zahteva en MCU za upravljanje več osi. Posledično mora MCU vključevati visoko{1}}zmogljiva-obdelovalna jedra v realnem času, kot sta R5F ali DSP, poleg-komunikacijskih vmesnikov v realnem času, kot je EtherCAT. Kot primer vzemite večjedrni industrijski mikrokontroler AM2343x podjetja TI, prikazan na diagramu. Vključuje lahko do štiri jedra Cortex-R5F, kar zagotavlja dovolj zmogljivosti za več{11}}krmiljenje motorja v robotiki, hkrati pa podpira razširitev z industrijskimi komunikacijskimi protokoli, kot je EtherCAT.
Sledi popolnoma integriran servo nadzorni čip. Servo krmilniki so naprave, ki se uporabljajo za regulacijo servo motorjev in so bistvena komponenta v sodobnih sistemih za nadzor gibanja. Široko se uporabljajo v avtomatizirani opremi, kot so industrijski roboti in CNC obdelovalni centri. Servo krmilni čipi zagotavljajo nadzor usmerjenosti magnetnega polja za motorje, hkrati pa si prizadevajo za večjo učinkovitost pogona in dinamično zmogljivost. Diagram ponazarja Shijianovo popolnoma integrirano rešitev za krmiljenje servo motorjev, ki temelji na TMC4671, ki zagotavlja terensko usmerjeno krmiljenje brezkrtačnih enosmernih motorjev, sinhronskih motorjev s trajnimi magneti, dvofaznih koračnih motorjev, brušenih enosmernih motorjev in motorjev z glasovnimi tuljavami. Imenuje se "popolnoma integriran", ker so vse nadzorne funkcije združene v strojni opremi, poleg integriranih ADC-jev, vmesnikov senzorjev položaja in interpolatorjev položaja. Posledično je ta rešitev krmilnika primerna za različne servo aplikacije.
Nato preučimo HMI nadzornega sloja. Če vzamemo za primer vrhunske-industrijske HMI-je, potrebujejo podporo za več-zaslonske zmogljivosti, višje ločljivosti in hitrosti sličic ter izboljšano grafično zmogljivost, da omogočijo bolj zapletene zasnove vizualne interakcije. Za primer vzemite MCU serije HPM6800 podjetja Xianji Semiconductor. Poleg integracije visoko{6}}zmogljivega jedra RISC-V ta čip vključuje tudi VeriSiliconov 2.5D GPU IP, ki zagotavlja zadostno grafično zmogljivost za aplikacije HMI. Poleg tega HMI-ji brez{10}}glasovnega{11}}nadzora na dotik pogosto dajejo prednost kompaktnim oblikam, medtem ko zahtevajo podporo za vnaprej-programirane in večjezične vnose ukazov. Renesasov glasovni HMI ASSP MCU, R9A06G150, ponazarja ta pristop.
Izboljšanje spremljanja stanja in diagnostike ob doseganju splošne optimizacije sistema predstavlja ključni izziv pri današnji uporabi mehanskih naprav in tehničnih sistemov. Ta tema je vedno bolj kritična ne samo v industrijskih okoljih, temveč povsod, kjer se uporabljajo mehanski sistemi. Tradicionalno so bili stroji vzdrževani po načrtih, pri čemer je zamuda pri vzdrževanju tvegala izpad proizvodnje. Danes ljudje napovedujejo preostalo življenjsko dobo stroja z analizo operativnih podatkov. Ključne parametre, kot so temperatura, hrup in vibracije, je mogoče uporabiti na podlagi zabeleženih podatkov za določitev optimalnih delovnih pogojev in celo zahtevanih vzdrževalnih intervalov. Ta pristop preprečuje nepotrebno obrabo, hkrati pa omogoča zgodnje odkrivanje morebitnih težav in njihovih temeljnih vzrokov.
Podobno narašča povpraševanje po slikovnih senzorjih za industrijsko vizualno inšpekcijo v sektorju industrijske opreme za izboljšanje učinkovitosti proizvodnje in zagotavljanje stopenj izkoristka izdelkov. V tem kontekstu slikovni senzorji, ki se uporabljajo za pregledovanje strojnega vida, ne smejo samo zaznavati vidne svetlobe, ampak tudi okrepiti svojo sposobnost zaznavanja svetlobe v nevidnih valovnih dolžinah, kot je kratko{1}}valovni infrardeči (SWIR) spekter. Za primer vzemimo Sonyjeva slikovna tipala IMX992/993. Integrirajo Sonyjevo lastniško tehnologijo SenSWIR, ki združuje 3,45-mikronske slikovne pike. IMX992 doseže 5,32 milijona slikovnih pik, kar omogoča slikanje z visoko ločljivostjo in izboljša natančnost pri različnih industrijskih pregledih in merilnih aplikacijah.
Za specifične industrijske komunikacijske protokole, kot je EtherCAT, so pogosto potrebni posebni čipi. Yasin Electronics je kot eden prvih kitajskih proizvajalcev, ki je predstavil čipe podrejenih krmilnikov EtherCAT, leta 2019 predstavil AX58100. Kasneje je izdal dvojedrne-podrejene krmilnike EtherCAT z 2/3 vrati, ki zagotavljajo večjo učinkovitost, hkrati pa omogočajo medsebojno povezavo z vsemi sistemi, ki podpirajo standardne komunikacijske protokole EtherCAT. Aplikacije vključujejo krmiljenje V/I digitalnega signala, zajemanje podatkov senzorja, robotsko krmiljenje osi in funkcije glavnega prehoda EtherCAT-to-IO-Link. Slika na desni prikazuje ploščo z industrijskim jedrom TL3568, ki jo je razvil Chuanglong Technology z uporabo popolnoma domačih komponent. Zasnovan na podlagi Rockchipovega procesorja RK3568, ga je mogoče uporabiti tudi za izdelavo masterjev EtherCAT. Masterji EtherCAT ne potrebujejo namenskih čipov; jih je mogoče implementirati izključno v programski opremi. Na primer, integracija glavnega protokola EtherCAT v RT-Thread omogoča-nadzor servo motorjev in oddaljenih V/I v realnem času.
Nazadnje, industrijske FPGA ponujajo implementacijo strojne logike s prednostmi, kot so visoka-hitra vzporedna obdelava, številne V/I enote in funkcionalno multipleksiranje. Vendar se soočajo z omejitvami pri prilagodljivem nadzoru in kompleksnih komunikacijskih protokolih. To nas pripelje do procesorjev SoC FPGA, ki integrirajo trdo{3}}procesorje v arhitekturo FPGA. To zmanjša porabo energije in stroške sistema, hkrati pa zmanjša odtis matične plošče. Ohranjajo programljivo prilagodljivost FPGA, medtem ko ohranjajo združljivost z ekosistemom trdih procesorjev. Vzemimo za primer serijo FPSoC SALDRAGON družbe Anlu Technology, ki je bila izdana lani: ponuja izbirno integracijo dvojedrnega-Arm Cortex-A35 ali eno{10}}jedrnega 64-bitnega procesorja RISC-V, kar omogoča popolno uporabo obeh ekosistemov.
Industrijske komunikacije: Prevlada Etherneta se še naprej krepi
Po desetletjih evolucije in ponavljanja industrijske komunikacijske metode primarno spadajo v tri kategorije glede na fizično izvedbo: industrijski Ethernet, fieldbus in industrijska brezžična omrežja. Znotraj industrijskega Etherneta zdaj prevladujejo nastajajoče tehnologije, kot so EtherCAT, PROFINET in EtherCAT. Sistemi Fieldbus vključujejo PROFIBUS DP, Modbus-RTU in CC-Link. Industrijska brezžična omrežja, ki so se šele pred kratkim pojavila v industrijskih omrežjih, vključujejo dobro-znane rešitve povezovanja, kot so Wi-Fi, Bluetooth in 5G.
Po statističnih podatkih HMS je industrijski Ethernet leta 2023 še naprej prevladoval pri namestitvah novih vozlišč, pri čemer se je njegov tržni delež zvišal z 68 % prejšnje leto na 71 %-, kar je znatno povečanje za 12 %. Medtem ko PROFINET, EtherNet/IP in EtherCAT ostajajo trije prevladujoči igralci na trgu, priljubljenost PROFINET-a in EtherCAT-a vztrajno narašča. V primerjavi z brezžično povezljivostjo fieldbus še vedno predstavlja pomemben delež novih vozlišč. Vendar je izgubil zadosten tržni zagon in se zanaša izključno na opremo, stroje in tovarne, ki še naprej uporabljajo te dobro-delujoče,-preizkušene naprave fieldbus.
Brezžična povezljivost ohranja splošno stabilnost. Kljub vztrajnim pozivom k popolnoma brezžičnim tovarnam je sprejetje še vedno omejeno zaradi potrebe po obsežni preusmeritvi kablov in izziva ustvarjanja okolij, ki podpirajo brezžični dostop do strojev in mobilne industrijske opreme.
Zmanjšanje tržnega deleža industrijskih avtobusov izvira predvsem iz znatnih prednosti, ki jih ponuja industrijski Ethernet pred tradicionalnimi industrijskimi avtobusi. Največja prednost je hitrost: za razliko od serijskih-industrijskih vodil dosega industrijski Ethernet znatno višje hitrosti, ki presegajo 100 Mb/s. Celo najbolj razširjeno industrijsko vodilo PROFIBUS, zlasti visokohitrostna-različica PROFIBUS DP za tovarniško avtomatizacijo, ima največjo nastavljivo hitrost omejeno na 12 Mbps. Drugič, njegova bolj prilagodljiva topologija. Za zapletene uvedbe industrijskih omrežij industrijska vodila, ki uporabljajo velike-verižne konfiguracije, ustvarijo omrežja, ki so zelo dovzetna za okvare. Industrijski Ethernet pa uporablja prilagodljive topologije, kot so zvezdasta omrežja, za gradnjo hitrejših in zanesljivejših industrijskih omrežij.
Nazadnje, industrijska zavezništva spodbujajo sprejemanje. Kot primera vzemite Profinet (prevladujoč v industrijskem Ethernetu) in Profibus (prevladujoč v industrijskih vodilih): čeprav oba promovira PI, je Profinet od leta 2016 presegel Profibus pri namestitvah novih vozlišč naprav. Ker so zdaj na voljo celovite rešitve za migracijo degradiranih in zelenih območij, se ta vrzel še povečuje.
Ker se vse več naprav, senzorjev in sistemov povezuje z industrijskimi omrežji, osnovne brezžične tehnologije, kot so Wi-Fi, LoRaWAN in DECT-2020 NR, omogočajo izvedljivost brezžičnega zbiranja in deljenja kritičnih industrijskih podatkov. Vendar ko uvedba 5G in tehnološki razvoj dozorevata, trg industrijske proizvodnje vse bolj usmerja svojo pozornost na tehnologije celičnih omrežij, ki so se prej redko uporabljale v industrijskih omrežjih zaradi skrbi glede hitrosti in zakasnitve. Kljub temu je industrijska brezžična omrežja še vedno težko sprejeti kot primarno rešitev v nekaterih težkih okoljih RF. Poleg tega, razen če jih podpirajo telekomunikacijski operaterji, mobilna brezžična omrežja, kot je 5G, težko zagotavljajo zahtevano kakovost omrežja v tovarniških nastavitvah.
Kar zadeva tržni delež, je uvedba 5G v industrijskih brezžičnih omrežjih še vedno omejena. To je zato, ker so industrijska brezžična omrežja 5G razporejena drugače kot druge metode povezovanja v omrežja, predvsem z neposredno gradnjo popolnoma povezanih tovarn 5G. Na podlagi pobude 5G+Industrial Internet je število projektov po vsej državi preseglo 8000. Ministrstvo za industrijo in informacijsko tehnologijo (MIIT) je izbralo in objavilo "2023 5G Factory Directory", ki vsebuje primerjalne projekte, s skupnimi naložbami v gradnjo, ki so dosegle 9,73 milijarde juanov. Trije veliki telekomunikacijski operaterji so aktivno sodelovali tudi pri neposredni izgradnji industrijskih omrežij za tovarne 5G.
Končne misli
Tržni trendi kažejo, da je sektor industrijske avtomatizacije in krmiljenja še vedno v fazi hitrega razvoja, zlasti na Kitajskem, kjer so nacionalne politike, ki podpirajo preoblikovanje in nadgradnjo proizvodnje, zagotovile pomemben zagon. Drugič, podprt z napredkom v industriji polprevodnikov, se kitajski sektor industrijske avtomatizacije preusmerja s širitve obsega na izboljšanje kakovosti. Domača zamenjava-za vrhunsko industrijsko nadzorno opremo ni več le slogan. V industrijskih komunikacijah, medtem ko se sistemi industrijskih vodil soočajo z izzivi rasti, industrijski Ethernet pospešuje tempo zamenjave. Industrijska brezžična omrežja kažejo rahlo splošno upočasnitev rasti, vendar se tovarniške uvedbe 5G pospešujejo, zlasti na domačem trgu.