Pamatojoties uz jaunākajām norisēm rūpnieciskās ražošanas sektorā, rūpnieciskās automatizācijas un vadības tirgus joprojām ir straujas izaugsmes fāzē. Pieaugošās darbaspēka izmaksu, spiediena samazināšanas izdevumu un efektivitātes palielināšanas, kā arī ražotāju intensīvās nepieciešamības ievērot termiņus, pieprasījums pēc automatizācijas vadības tehnoloģijām rūpnīcās ir sasniedzis vēl nebijušu līmeni. Saskaņā ar Grand View Research statistiku un prognozēm, rūpnieciskās automatizācijas un vadības tirgus pagājušajā gadā tika novērtēts aptuveni USD 194,99 miljardu apmērā, un tiek prognozēts, ka šis rādītājs līdz 2030. gadam sasniegs 379,93 miljardus USD.
Ķīnas rūpniecības kontroles tirgus kļūst par galveno spēlētāju
Būtiskas izmaiņas ir notikušas arī Ķīnas rūpnieciskās kontroles tirgū. Saskaņā ar nacionālajiem datiem Ķīnas rūpniecības sektors 2023. gadā saglabāja stabilu izaugsmi, palielinoties jauniem izaugsmes virzītājiem. Lielo-rūpniecības uzņēmumu vidū iekārtu ražošanas pievienotā vērtība pieauga par 6,8% gadā-salīdzinājumā ar-gadu, veidojot 33,6% no lielo-lielo rūpniecības uzņēmumu kopējās pievienotās vērtības. Augsto tehnoloģiju ražošanas pievienotā vērtība pieauga par 2,7%, veidojot 15,7% no lielo rūpniecības uzņēmumu kopējās pievienotās vērtības.
Kāpēc pastāv zināma plaisa starp globālo un vietējo tirgu? Tas lielā mērā ir saistīts ar valsts politikas atbalstu ražošanas pārveidošanai un modernizācijai. Kopš 14. piecgada{2}}plāna izdošanas valsts ir likusi nebijušu uzsvaru uz rūpnieciskās ražošanas nozares pārveidošanu un modernizāciju. Lai palielinātu ražošanas galveno konkurētspēju, liela uzmanība tiek pievērsta rūpnieciskās vadības aprīkojuma, piemēram, dalītās vadības sistēmu un programmējamo loģisko kontrolleru, izstrādei, vienlaikus panākot sasniegumus tādās komponentēs kā uzlabotas kontrolierīces un augstas-precizitātes servopiedziņas sistēmas. Tādu karsto nozaru kā jaunu enerģijas transportlīdzekļu straujā attīstība ir veicinājusi rūpnīcu digitālo pārveidi, provincēm un pilsētām ieviešot subsīdiju politiku digitālo viedo etalonu demonstrējumu rūpnīcām.
Rūpnieciskā kontrole Augšējā, vidējā un pakārtotā piegādes ķēdē
Tālāk apskatīsim rūpnieciskās kontroles augšējo, vidējo un pakārtoto piegādes ķēdi. Augšējā plūsma galvenokārt sastāv no vadības/komunikāciju mikroshēmām, dizaina IP, sensoriem, komponentiem un PCB. Vidusplūsma, kuras pamatā ir dažādi rūpnieciskās vadības procesi, ir sadalīta izpildes slānī, piedziņas slānī, vadības slānī un darbības uzraudzībā. Izpildes slānis ietver vadības vārstus un motora piedziņas; piedziņas slānis ietver mainīgas frekvences piedziņas un servosistēmas; kontroles slānis aptver HMI, DCS un PLC; un darbības uzraudzība ietver instrumentus un rūpnieciskās redzes sistēmas. Rūpnieciskās kontroles pakārtotais segments aptver daudzas specializētas nozares, tostarp vairākas, kas pēdējos gados ir guvušas ievērojamu vilci: 3C ražošana, jauni enerģijas transportlīdzekļi, enerģijas uzglabāšana, serveri, naftas ķīmijas produkti un dzelzceļa tranzīts.
No pusvadītāju perspektīvas iepriekšējās rūpnieciskās vadības sektoru var iedalīt četros galvenajos segmentos: rūpnieciskie sensori, rūpnieciskās vadības mikroshēmas, dizaina IP un rūpnieciskās FPGA. Rūpnieciskajiem sensoriem kā uztveres slāņa (vai atgriezeniskās saites slāņa) galvenajām sastāvdaļām rūpnieciskās kontroles vidū ir būtiska nozīme rūpniecisko procesu optimizēšanā un līdzekļu uzraudzībā un aizsardzībā. Ārvalstu ražotāji ietver ON Semiconductor, Precision Electronics, SICK, Keyence, Beckhoff, Honeywell, Omron, Datalogic un Leica Geosystems. Vietējie spēlētāji ietver SmartSens, NXMicro, Cognex, Beiyang Group, XCMG, Minghao Sensing, XiaoAowei, Meixin Semiconductor un Feien Microelectronics.
Rūpnieciskās vadības mikroshēmu un moduļu sektorā lielākā daļa ražotāju koncentrējas uz vispārējas nozīmes{0}}MCU izstrādi. Galvenie spēlētāji ir tādi starptautiski uzņēmumi kā TI, ADI, ST, Microchip, Infineon, NXP, ON Semiconductor un Renesas, kā arī vietējie ražotāji, piemēram, JiHai Semiconductor, Huada, Zhongying Electronics, Xinwang Microelectronics, Fengteng Technology, Artel, Jucheng Semiconductor, Nuvo Timetons, Vanguard, Nuvo Satoninys, Guoguo Technology, Dongtu Technology, Zhongke Jingshang, Xinhai Technology un Zhaoxin.
Vienlaikus, pieaugot diferencētajām prasībām, dizaina IP ir kļuvusi par neaizstājamu komponentu augšupējiem mikroshēmu ražotājiem, kas ietver gan pamata IP, gan interfeisa IP. Starptautiskie spēlētāji ir Arm, Synopsys, Cadence, Imagination, Renesas un Sifive, savukārt vietējie uzņēmumi ir PingTouGe, Andes Technology, VeriSilicon un CanSemi.
Visbeidzot, rūpnieciskās FPGA saskata ievērojamu pieprasījumu tādās strauji augošās nozarēs kā rūpnieciskā robotika un augstas{0}precīzas iekārtas, kur daudzu-asu, augstas veiktspējas servovadība ir arvien svarīgāka. Līdz ar to FPGA joprojām tiek plaši izmantotas servo piedziņās, CNC sistēmās un rūpnieciskajā automatizācijā. Viņi arī atrod pielietojumu rūpnieciskajos sakaros, piemēram, kalpo kā EtherCAT kapteiņi vai vergi. Starptautiskie ražotāji ietver AMD (Xilinx), Intel (Altera), Lattice un Microchip. Iekšzemes ražotāji ietver Gowin Semiconductor, Anlu Technology un Unisoc.
Tālāk mēs izmantosim dažus iepriekšējā posma produktus kā piemērus, lai ilustrētu jaunās tendences rūpnieciskās kontroles tirgū. Pirmkārt, tā ir robota motora vadība. Rūpnieciskās lietojumprogrammas, kurām nepieciešama apstrādes un reāllaika saziņas-integrācija, piemēram, robotu dzinēju vadība-pieprasa lielāku reāllaika-apstrādes veiktspēju, vienlaikus atbalstot plašu rūpniecisko sakaru protokolu klāstu. Tomēr ir ļoti svarīgi arī izvēlēties MCU ar pietiekamu veiktspējas telpu turpmākai paplašināšanai un papildu funkcijām.
Šādās integrētās arhitektūrās motora vadībai bieži ir nepieciešams viens MCU, lai pārvaldītu vairākas asis. Līdz ar to MCU ir jāiekļauj augstas veiktspējas reāllaika apstrādes kodoli, piemēram, R5F vai DSP, kā arī reāllaika saziņas saskarnes, piemēram, EtherCAT. Kā piemēru ņemiet TI AM2343x daudzkodolu rūpniecisko MCU, kas parādīts diagrammā. Tajā var integrēt līdz pat četriem Cortex-R5F kodoliem, nodrošinot plašu veiktspēju vairāku-asu motoru vadībai robotikā, vienlaikus atbalstot paplašināšanos ar rūpnieciskiem sakaru protokoliem, piemēram, EtherCAT.
Nākamā ir pilnībā integrētā servo vadības mikroshēma. Servo kontrolleri ir ierīces, ko izmanto servomotoru regulēšanai, kas kalpo kā būtiska sastāvdaļa mūsdienu kustības vadības sistēmās. Tos plaši izmanto automatizētās iekārtās, piemēram, rūpnieciskajos robotos un CNC apstrādes centros. Servo vadības mikroshēmas nodrošina magnētiskā lauka orientācijas kontroli motoriem, vienlaikus nodrošinot augstāku piedziņas efektivitāti un dinamisku veiktspēju. Diagramma ilustrē Shijian pilnībā integrēto servomotora vadības risinājumu, kura pamatā ir TMC4671, nodrošinot uz lauka orientētu vadību bezsuku līdzstrāvas motoriem, pastāvīgā magnēta sinhronajiem motoriem, divfāžu pakāpju motoriem, matētu līdzstrāvas motoriem un balss spoļu motoriem. To sauc par "pilnībā integrētu", jo visas vadības funkcijas ir apvienotas aparatūrā līdzās integrētajiem ADC, pozīcijas sensoru saskarnēm un pozīcijas interpolatoriem. Līdz ar to šis kontroliera risinājums ir piemērots dažādiem servo lietojumiem.
Tālāk apskatīsim vadības slāņa HMI. Par piemēru ņemot augstākās-industriālās HMI, tiem ir nepieciešams atbalsts vairāku-displeju iespējām, augstākai izšķirtspējai un kadru ātrumam, kā arī uzlabotai grafikas veiktspējai, lai nodrošinātu sarežģītākus vizuālās mijiedarbības dizainus. Kā piemēru ņemiet HPM6800 sērijas MCU no Xianji Semiconductor. Papildus augstas -veiktspējas RISC-V kodola integrēšanai šajā mikroshēmā ir iekļauts arī VeriSilicon 2.5D GPU IP, nodrošinot pietiekamu grafikas veiktspēju HMI lietojumprogrammām. Turklāt bez-pieskāriena balss{11}}vadāmie HMI bieži vien par prioritāti piešķir kompaktiem dizainiem, taču tiem ir nepieciešams atbalsts iepriekš-ieprogrammētām un daudzvalodu komandu ievadēm. Renesas balss HMI ASSP MCU, R9A06G150, ir šīs pieejas piemērs.
Stāvokļa uzraudzības un diagnostikas uzlabošana, vienlaikus panākot vispārēju sistēmas optimizāciju, ir galvenais izaicinājums mūsdienu mehānisko iekārtu un tehnisko sistēmu izmantošanā. Šī tēma kļūst arvien kritiskāka ne tikai rūpnieciskos apstākļos, bet arī visur, kur tiek izmantotas mehāniskās sistēmas. Tradicionāli mašīnas tika apkoptas saskaņā ar grafikiem, ar novēlotu apkopi radot ražošanas dīkstāves risku. Mūsdienās cilvēki prognozē atlikušo mašīnas kalpošanas laiku, analizējot darbības datus. No ierakstītajiem datiem var izmantot galvenos parametrus, piemēram, temperatūru, troksni un vibrāciju, lai noteiktu optimālos darbības apstākļus un pat nepieciešamos apkopes intervālus. Šī pieeja novērš nevajadzīgu nodilumu, vienlaikus ļaujot laikus atklāt iespējamās problēmas un to pamatcēloņus.
Līdzīgi, attēlu sensori rūpnieciskās redzes pārbaudei redz pieaugošu pieprasījumu rūpniecisko iekārtu sektorā, lai uzlabotu ražošanas efektivitāti un nodrošinātu produktu ražīgumu. Šajā kontekstā attēla sensoriem, ko izmanto mašīnredzes pārbaudei, ir ne tikai jāuztver redzamā gaisma, bet arī jāstiprina to spēja noteikt gaismu neredzamos viļņu garumos, piemēram, īsviļņu infrasarkanajā (SWIR) spektrā. Kā piemēru ņemiet Sony attēla sensorus IMX992/993. Tajos ir integrēta Sony patentētā SenSWIR tehnoloģija, apvienojot 3,45{10}mikronu pikseļus. IMX992 sasniedz 5,32 megapikseļus, nodrošinot augstas izšķirtspējas attēlveidošanu un uzlabojot precizitāti dažādās rūpnieciskās pārbaudēs un mērījumos.
Īpašiem rūpniecisko sakaru protokoliem, piemēram, EtherCAT, bieži ir nepieciešamas specializētas mikroshēmas. Būdams viens no pirmajiem Ķīnas ražotājiem, kas izlaida EtherCAT vergu kontrolleru mikroshēmas, Yasin Electronics 2019. gadā ieviesa AX58100. Pēc tam tas izlaida divkodolu EtherCAT vergu kontrollerus ar 2/3 portiem, nodrošinot lielāku efektivitāti, vienlaikus nodrošinot starpsavienojumu ar visām sistēmām, kas atbalsta standarta EtherCAT sakaru protokolus. Lietojumprogrammās ir iekļauta digitālā signāla I/O vadība, sensoru datu iegūšana, robotu ass vadība un EtherCAT-to-IO-Link galvenās vārtejas funkcijas. Attēlā labajā pusē ir redzama rūpnieciskā kodola plate TL3568, ko izstrādājusi Chuanglong Technology, izmantojot pilnībā vietējās sastāvdaļas. Izstrādāts, izmantojot Rockchip RK3568 procesoru, to var izmantot arī EtherCAT meistaru veidošanai. EtherCAT meistariem nav nepieciešamas īpašas mikroshēmas; tos var ieviest tikai programmatūrā. Piemēram, EtherCAT galvenā protokola integrēšana RT-Thread ļauj{17}}vadīt servomotorus un attālo I/O reāllaikā.
Visbeidzot, industriālie FPGA piedāvā aparatūras loģikas ieviešanu ar tādām priekšrocībām kā liela -ātruma paralēlā apstrāde, daudz I/O vienību un funkcionāla multipleksēšana. Tomēr tie saskaras ar ierobežojumiem attiecībā uz elastīgu vadību un sarežģītiem sakaru protokoliem. Tādējādi mēs nonākam pie SoC FPGA, kas FPGA arhitektūrā integrē cietos{3}}kodolu procesorus. Tas samazina sistēmas enerģijas patēriņu un izmaksas, vienlaikus samazinot mātesplates nospiedumu. Tie saglabā FPGA programmējamo elastību, vienlaikus saglabājot saderību ar cietā procesora ekosistēmu. Ņemiet par piemēru Anlu Technology sēriju SALDRAGON FPSoC, kas tika izlaista pagājušajā gadā: tā piedāvā papildu divu-kodolu Arm Cortex-A35 vai viena-kodolu 64-bitu RISC-V procesoru integrāciju, ļaujot pilnībā izmantot abas ekosistēmas.
Rūpnieciskā komunikācija: Ethernet dominējošais stāvoklis turpina nostiprināties
Pēc gadu desmitiem ilgas evolūcijas un iterācijas rūpnieciskās komunikācijas metodes galvenokārt iedala trīs kategorijās, pamatojoties uz fizisko ieviešanu: rūpnieciskais Ethernet, lauka kopne un rūpnieciskie bezvadu tīkli. Rūpnieciskajā Ethernet tīklā tagad dominē tādas jaunās tehnoloģijas kā EtherCAT, PROFINET un EtherCAT. Laukkopnes sistēmas ietver PROFIBUS DP, Modbus-RTU un CC-Link. Rūpnieciskie bezvadu tīkli, kas tikai nesen parādījās rūpniecisko tīklu veidošanā, ietver labi zināmus savienojamības risinājumus, piemēram, Wi-Fi, Bluetooth un 5G.
Saskaņā ar HMS statistiku rūpnieciskais Ethernet 2023. gadā turpināja dominēt jauno mezglu instalācijās, tā tirgus daļai pieaugot no 68% iepriekšējā gadā līdz 71%-, kas ir ievērojams pieaugums par 12%. Lai gan PROFINET, EtherNet/IP un EtherCAT joprojām ir trīs dominējošie tirgus dalībnieki, PROFINET un EtherCAT popularitāte nepārtraukti pieaug. Salīdzinot ar bezvadu savienojumu, lauka kopne joprojām veido ievērojamu daļu jauno mezglu. Tomēr tas ir zaudējis pietiekamu tirgus impulsu un ir atkarīgs tikai no aprīkojuma, iekārtām un rūpnīcām, kas turpina izmantot šīs labi{8}}funkcionējošās, laika{9}}pārbaudītās lauka kopnes ierīces.
Bezvadu savienojums saglabā vispārējo stabilitāti. Neraugoties uz pastāvīgiem aicinājumiem izveidot pilnībā bezvadu rūpnīcas, ieviešana joprojām ir ierobežota, jo ir nepieciešams veikt plašu kabeļu{1}}maršrutu un radīt vidi, kas atbalsta bezvadu iekārtu piekļuvi un mobilās rūpnieciskās iekārtas.
Rūpniecisko autobusu tirgus daļas samazināšanās galvenokārt ir saistīta ar būtiskām priekšrocībām, ko piedāvā Industrial Ethernet salīdzinājumā ar tradicionālajām rūpnieciskajām kopnēm. Galvenā priekšrocība ir ātrums: atšķirībā no seriālajiem-rūpnieciskajiem autobusiem, Industrial Ethernet nodrošina ievērojami lielāku ātrumu, kas pārsniedz 100 Mb/s. Pat visplašāk izmantotajai PROFIBUS rūpnieciskajai kopnei, īpaši ātrgaitas PROFIBUS DP variantam rūpnīcas automatizācijai, maksimālais konfigurējamais ātrums ir 12 Mb/s. Otrkārt, tā ir elastīgāka topoloģija. Sarežģītu rūpniecisko tīklu izvietošanai rūpnieciskās kopnes, kurās tiek izmantotas lielas ķēdes{8}}konfigurācijas, izveido tīklus, kas ir ļoti jutīgi pret kļūmēm. Tomēr rūpnieciskais Ethernet izmanto elastīgas topoloģijas, piemēram, zvaigžņu tīklus, lai izveidotu ātrākus un uzticamākus rūpnieciskos tīklus.
Visbeidzot, nozares alianses veicina adopciju. Kā piemērus ņemiet Profinet (dominē industriālajā Ethernet tīklā) un Profibus (dominē industriālajos autobusos): lai gan abus reklamē PI, kopš 2016. gada Profinet ir pārspējis Profibus jaunu ierīču mezglu instalācijās. Tā kā tagad ir pieejami visaptveroši degradēto un zaļo teritoriju migrācijas risinājumi, šī atšķirība turpina palielināties.
Tā kā arvien vairāk ierīču, sensoru un sistēmu pievienojas rūpnieciskajiem tīkliem, pamatā esošās bezvadu tehnoloģijas, piemēram, Wi{0}}Fi, LoRaWAN un DECT-2020 NR, nodrošina iespēju bezvadu režīmā vākt un koplietot svarīgus rūpnieciskos datus. Tomēr, pieaugot 5G ieviešanai un tehnoloģiju attīstībai, rūpnieciskās ražošanas tirgus arvien vairāk pievērš uzmanību mobilo tīklu tehnoloģijām, kuras iepriekš reti tika izmantotas rūpnieciskajos tīklos, jo bija bažas par ātrumu un latentumu. Neskatoties uz to, rūpnieciskos bezvadu tīklus joprojām ir grūti pieņemt kā primāro risinājumu noteiktās skarbās RF vidēs. Turklāt, ja vien to neatbalsta telekomunikāciju operatori, mobilajiem bezvadu tīkliem, piemēram, 5G, ir grūti garantēt nepieciešamo tīkla kvalitāti rūpnīcas iestatījumos.
Runājot par tirgus daļu, 5G ieviešana rūpnieciskajos bezvadu tīklos joprojām ir ierobežota. Tas ir tāpēc, ka 5G rūpnieciskie bezvadu tīkli tiek izvietoti atšķirīgi no citām tīklu veidošanas metodēm, galvenokārt tiešā veidā būvējot pilnībā savienotas 5G rūpnīcas. 5G+Industrial Internet iniciatīvas vadīts, projektu skaits visā valstī ir pārsniedzis 8000. Rūpniecības un informācijas tehnoloģiju ministrija (MIIT) ir atlasījusi un publicējusi "2023 5G Factory Directory", kurā ir ietverti etalonprojekti, un kopējās investīcijas būvniecībā sasniedz 9,73 miljardus juaņu. Trīs lielākie telekomunikāciju operatori ir arī aktīvi piedalījušies tiešā industriālo tīklu izbūvē 5G rūpnīcām.
Pēdējās domas
Tirgus tendences liecina, ka rūpnieciskās automatizācijas un kontroles nozare joprojām atrodas straujā attīstības fāzē, jo īpaši Ķīnā, kur valsts politika, kas atbalsta ražošanas pārveidošanu un modernizāciju, ir devusi ievērojamu stimulu. Otrkārt, pateicoties sasniegumiem pusvadītāju ražošanas nozarē, Ķīnas rūpnieciskās automatizācijas nozare pāriet no mēroga paplašināšanas uz kvalitātes uzlabošanu. Augstākās klases{2}}rūpnieciskās vadības iekārtu vietēja aizstāšana vairs nav tikai sauklis. Rūpnieciskajos sakaros, kamēr rūpnieciskās kopņu sistēmas saskaras ar izaugsmes izaicinājumiem, rūpnieciskais Ethernet paātrina nomaiņas tempu. Rūpniecisko bezvadu tīklu izaugsme kopumā nedaudz palēninās, tomēr 5G rūpnīcu izvietošana paātrinās, jo īpaši vietējā tirgū.