Na základe najnovšieho vývoja v sektore priemyselnej výroby zostáva trh priemyselnej automatizácie a riadenia vo fáze rýchleho rastu. Poháňaný rastúcimi mzdovými nákladmi, tlakom na znižovanie nákladov a zvyšovanie efektivity a intenzívnou potrebou výrobcov dodržiavať termíny, dopyt po technológiách automatizácie riadenia v továrňach dosiahol bezprecedentnú úroveň. Podľa štatistík a projekcií spoločnosti Grand View Research bol trh priemyselnej automatizácie a riadenia v minulom roku ocenený na približne 194,99 miliardy USD, pričom sa predpokladá, že do roku 2030 toto číslo dosiahne 379,93 miliardy USD.
Čínsky trh priemyselnej kontroly sa ukazuje ako hlavný hráč
Čínsky trh priemyselnej kontroly tiež prešiel významnými zmenami. Podľa národných údajov si čínsky priemyselný sektor udržal v roku 2023 stabilný rast, pričom nové hnacie sily rastu sa zrýchľovali. Medzi veľkými-priemyselnými podnikmi sa pridaná hodnota výroby zariadení medziročne zvýšila--o 6,8 %, čo predstavuje 33,6 % z celkovej pridanej hodnoty veľkých-priemyselných podnikov. Pridaná hodnota výroby špičkových{10}}technológií vzrástla o 2,7 %, čo predstavuje 15,7 % z celkovej pridanej hodnoty veľkých{13}}priemyselných podnikov.
Prečo existuje určitá priepasť medzi svetovým a domácim trhom? Je to z veľkej časti spôsobené podporou národnej politiky pre transformáciu a modernizáciu výroby. Od vydania 14. päťročného-plánu kladie národ nebývalý dôraz na transformáciu a modernizáciu priemyselného výrobného sektora. V rámci cieľa zvýšenia základnej konkurencieschopnosti výroby sa kladie veľký dôraz na vývoj priemyselných riadiacich zariadení, ako sú distribuované riadiace systémy a programovateľné logické ovládače, a zároveň na dosiahnutie prelomových prvkov v komponentoch, ako sú pokročilé ovládače a vysoko-presné servopohony. Rýchly rozvoj horúcich priemyselných odvetví, ako sú nové energetické vozidlá, podnietil digitálnu transformáciu tovární, pričom provincie a mestá zaviedli dotačné politiky pre digitálne inteligentné referenčné demonštračné továrne.
Priemyselné riadenie Dodávateľský reťazec proti prúdu, strednému prúdu a po prúde
Ďalej sa pozrime na upstream, stredný a downstream dodávateľský reťazec priemyselnej kontroly. Upstream primárne pozostáva z riadiacich/komunikačných čipov, dizajnového IP, senzorov, komponentov a PCB. Stredný prúd, založený na rôznych priemyselných riadiacich procesoch, je rozdelený na exekučnú vrstvu, hnaciu vrstvu, riadiacu vrstvu a prevádzkový monitoring. Realizačná vrstva zahŕňa riadiace ventily a motorové pohony; vrstva pohonu zahŕňa pohony s premenlivou frekvenciou a servosystémy; riadiaca vrstva pokrýva HMI, DCS a PLC; a prevádzkové monitorovanie zahŕňa nástroje a systémy priemyselného videnia. Následný segment priemyselného riadenia zahŕňa množstvo špecializovaných odvetví, vrátane niekoľkých, ktoré v posledných rokoch získali významnú trakciu: výroba 3C, nové energetické vozidlá, skladovanie energie, servery, petrochemický priemysel a železničná doprava.
Z pohľadu polovodičov možno sektor priemyselného riadenia kategorizovať do štyroch hlavných segmentov: priemyselné senzory, priemyselné riadiace čipy, dizajnové IP a priemyselné FPGA. Priemyselné senzory, ako základné komponenty vnímacej vrstvy (alebo spätnoväzbovej vrstvy) v strede priemyselného riadenia, hrajú zásadnú úlohu pri optimalizácii priemyselných procesov a poskytovaní monitorovania a ochrany aktív. Zahraničnými výrobcami sú ON Semiconductor, Precision Electronics, SICK, Keyence, Beckhoff, Honeywell, Omron, Datalogic a Leica Geosystems. Domáci hráči zahŕňajú SmartSens, NXMicro, Cognex, Beiyang Group, XCMG, Minghao Sensing, XiaoAowei, Meixin Semiconductor a Feien Microelectronics.
V sektore priemyselných riadiacich čipov a modulov sa väčšina výrobcov zameriava na vývoj -univerzálnych MCU. Medzi kľúčových hráčov patria medzinárodné firmy ako TI, ADI, ST, Microchip, Infineon, NXP, ON Semiconductor a Renesas, spolu s domácimi výrobcami ako JiHai Semiconductor, Huada, Zhongying Electronics, Xinwang Microelectronics, Fengteng Technology, Artel, Jucheng Semiconductor, Nuvoton, Hangshun, Saiyuan, Guoguo Technology, Dongtu Technology, Zhongke Jingshang, Xinhai Technology a Zhaoxin.
Súčasne so zvyšujúcimi sa rozdielnymi požiadavkami sa dizajnové IP stalo nepostrádateľným komponentom pre upstream výrobcov čipov, ktorý zahŕňa ako jadro IP, tak IP rozhranie. Medzi medzinárodných hráčov patria Arm, Synopsys, Cadence, Imagination, Renesas a Sifive, zatiaľ čo medzi domáce firmy patria PingTouGe, Andes Technology, VeriSilicon a CanSemi.
Napokon, priemyselné FPGA zaznamenávajú značný dopyt v rýchlo sa rozvíjajúcich odvetviach, ako je priemyselná robotika a vysoko{0}}precízne zariadenia, kde je čoraz dôležitejšie viac-osové, vysoko{2}}výkonné servo riadenie. V dôsledku toho zostávajú FPGA široko používané v servopohonoch, CNC systémoch a priemyselnej automatizácii. Uplatnenie nachádzajú aj v priemyselnej komunikácii, napríklad ako master alebo slave EtherCAT. Medzi medzinárodných výrobcov patria AMD (Xilinx), Intel (Altera), Lattice a Microchip. Medzi domácich výrobcov patria Gowin Semiconductor, Anlu Technology a Unisoc.
Ďalej použijeme niektoré upstream produkty ako príklady na ilustráciu nových trendov na trhu s priemyselným riadením. Prvým je ovládanie motora robota. Priemyselné aplikácie vyžadujúce integráciu spracovania a{2}}komunikácie v reálnom čase-, ako je napríklad riadenie motora robota,-vyžadujú vyšší výkon spracovania v reálnom čase- a zároveň podporujú širokú škálu priemyselných komunikačných protokolov. Je však tiež dôležité vybrať MCU s dostatočnou výkonovou rezervou pre budúce rozšírenie a ďalšie funkcie.
V rámci takýchto integrovaných architektúr si riadenie motora často vyžaduje jeden MCU na riadenie viacerých osí. V dôsledku toho musí MCU obsahovať vysokovýkonné -výkonné jadrá na spracovanie v reálnom čase-, ako sú R5F alebo DSP, spolu s-komunikačnými rozhraniami v reálnom čase, ako je EtherCAT. Ako príklad si vezmite viacjadrový priemyselný MCU AM2343x od TI -zobrazený na obrázku. Môže integrovať až štyri jadrá Cortex-R5F, čím poskytuje dostatočný výkon pre viac{11}}riadenie motorov v robotike a zároveň podporuje rozšírenie o priemyselné komunikačné protokoly, ako je EtherCAT.
Ďalším je plne integrovaný riadiaci čip serva. Servoregulátory sú zariadenia používané na reguláciu servomotorov, ktoré slúžia ako dôležitý komponent v moderných systémoch riadenia pohybu. Sú široko používané v automatizovaných zariadeniach, ako sú priemyselné roboty a CNC obrábacie centrá. Čipy servoriadenia poskytujú riadenie orientácie magnetického poľa pre motory a zároveň sledujú vyššiu účinnosť pohonu a dynamický výkon. Diagram znázorňuje plne integrované riešenie riadenia servomotorov Shijian založené na TMC4671, ktoré poskytuje-poľne orientované riadenie pre bezkomutátorové jednosmerné motory, synchrónne motory s permanentnými magnetmi, 2-fázové krokové motory, jednosmerné motory s kefou a motory s kmitacou cievkou. Nazýva sa „plne integrovaný“, pretože všetky riadiace funkcie sú konsolidované v rámci hardvéru spolu s integrovanými ADC, rozhraniami snímačov polohy a interpolátormi polohy. V dôsledku toho je toto riešenie regulátora vhodné pre rôzne servo aplikácie.
Ďalej sa pozrime na HMI riadiacej vrstvy. Ak si vezmeme ako príklad špičkové{1}}priemyselné rozhrania HMI, vyžadujú podporu pre možnosti viacerých{2}}zobrazení, vyššie rozlíšenia a snímkové frekvencie a vylepšený grafický výkon, aby umožnili komplexnejšie návrhy vizuálnej interakcie. Ako príklad si vezmite rad MCU HPM6800 od Xianji Semiconductor. Okrem integrácie vysoko{6}}výkonného RISC{7}}jadra tento čip zahŕňa aj 2,5D GPU IP VeriSilicon, ktoré poskytuje dostatočný grafický výkon pre aplikácie HMI. Okrem toho, -dotykové hlasom{11}}ovládané HMI často uprednostňujú kompaktný dizajn, pričom vyžadujú podporu pre{12}}predprogramované a viacjazyčné vstupy príkazov. Renesas' hlas HMI ASSP MCU, R9A06G150, je príkladom tohto prístupu.
Zlepšenie monitorovania stavu a diagnostiky pri dosiahnutí celkovej optimalizácie systému predstavuje kľúčovú výzvu v dnešnom používaní mechanických zariadení a technických systémov. Táto téma je čoraz kritickejšia nielen v priemyselnom prostredí, ale všade tam, kde sa používajú mechanické systémy. Tradične boli stroje udržiavané podľa harmonogramu, pričom pri oneskorenej údržbe hrozili prestoje výroby. Dnes ľudia predpovedajú zostávajúcu životnosť stroja analýzou prevádzkových údajov. Kľúčové parametre, ako je teplota, hluk a vibrácie, možno využiť zo zaznamenaných údajov na určenie optimálnych prevádzkových podmienok a dokonca aj požadovaných intervalov údržby. Tento prístup zabraňuje zbytočnému opotrebovaniu a zároveň umožňuje včasné odhalenie potenciálnych problémov a ich základných príčin.
Podobne aj obrazové snímače pre priemyselnú kontrolu videnia zaznamenávajú rastúci dopyt v sektore priemyselných zariadení s cieľom zvýšiť efektivitu výroby a zabezpečiť výnosy produktov. V tejto súvislosti musia obrazové snímače používané na kontrolu strojového videnia nielen vnímať viditeľné svetlo, ale musia tiež posilniť svoju schopnosť detegovať svetlo v neviditeľných vlnových dĺžkach, ako je napríklad krátkovlnné infračervené (SWIR) spektrum. Ako príklad si vezmite obrazové snímače IMX992/993 od Sony. Zahŕňajú patentovanú technológiu SenSWIR od spoločnosti Sony, ktorá kombinuje 3,45{10}}mikrónové pixely. IMX992 dosahuje 5,32 megapixelov, čo umožňuje zobrazovanie vo vysokom rozlíšení a zlepšuje presnosť v rôznych aplikáciách priemyselnej kontroly a merania.
Pre špecifické priemyselné komunikačné protokoly, ako je EtherCAT, sú často potrebné špecializované čipy. Ako jeden z prvých čínskych výrobcov, ktorý uviedol na trh čipy podriadených radičov EtherCAT, spoločnosť Yasin Electronics predstavila v roku 2019 AX58100. Následne uviedla na trh dvojjadrové podriadené radiče EtherCAT s 2/3 portmi, ktoré prinášajú vyššiu efektivitu a zároveň umožňujú prepojenie so všetkými systémami podporujúcimi štandardné komunikačné protokoly EtherCAT. Aplikácie zahŕňajú riadenie digitálnych signálov I/O, zber údajov zo senzorov, riadenie robotických osí a funkcie hlavnej brány EtherCAT-to{8}}IO-prepojiť. Obrázok vpravo ukazuje priemyselnú jadrovú dosku TL3568 vyvinutú spoločnosťou Chuanglong Technology s použitím výlučne domácich komponentov. Navrhnutý okolo procesora Rockchip RK3568, môže byť tiež použitý na zostavenie EtherCAT masterov. Master EtherCAT nevyžadujú vyhradené čipy; môžu byť implementované čisto softvérovo. Napríklad integrácia hlavného protokolu EtherCAT do RT-vlákna umožňuje{17}}riadenie servomotorov a vzdialených I/O v reálnom čase.
A napokon, priemyselné FPGA ponúkajú implementáciu hardvérovej logiky s výhodami, ako je vysoká{0}}rýchlosť paralelného spracovania, početné vstupno-výstupné jednotky a funkčné multiplexovanie. Čelia však obmedzeniam v oblasti flexibilného riadenia a zložitých komunikačných protokolov. To nás privádza k FPGA SoC, ktoré integrujú procesory s pevným{3}}jadrom v rámci architektúry FPGA. To znižuje spotrebu energie systému a náklady a zároveň minimalizuje pôdorys základnej dosky. Zachovávajú si programovateľnú flexibilitu FPGA pri zachovaní kompatibility s ekosystémom pevných procesorov. Zoberme si príklad FPSoC série SALDRAGON od Anlu Technology, ktorý bol vydaný minulý rok: ponúka voliteľnú integráciu buď dvojjadrového-jadrového procesora Arm Cortex-A35 alebo jedného-jadrového 64-bitového RISC-V procesora, čo umožňuje plné využitie oboch ekosystémov.
Priemyselná komunikácia: Dominancia Ethernetu sa neustále posilňuje
Po desaťročiach vývoja a opakovania sa metódy priemyselnej komunikácie primárne rozdeľujú do troch kategórií založených na fyzickej implementácii: priemyselný Ethernet, fieldbus a priemyselné bezdrôtové siete. V rámci priemyselného Ethernetu teraz dominujú vznikajúce technológie ako EtherCAT, PROFINET a EtherCAT. Fieldbus systémy zahŕňajú PROFIBUS DP, Modbus-RTU a CC-Link. Priemyselné bezdrôtové siete, ktoré sa v priemyselných sieťach objavili len nedávno, zahŕňajú-známe riešenia pripojenia, ako sú Wi-Fi, Bluetooth a 5G.
Podľa štatistík HMS v roku 2023 naďalej dominoval priemyselný Ethernet v inštaláciách nových uzlov, pričom jeho podiel na trhu vzrástol zo 68 % v predchádzajúcom roku na 71 %-, čo predstavuje významný nárast o 12 %. Zatiaľ čo PROFINET, EtherNet/IP a EtherCAT zostávajú tromi dominantnými hráčmi na trhu, popularita PROFINET a EtherCAT neustále rastie. V porovnaní s bezdrôtovým pripojením, fieldbus stále predstavuje významnú časť nových uzlov. Stratil však dostatočnú trhovú dynamiku a spolieha sa výlučne na zariadenia, stroje a továrne, ktoré naďalej používajú tieto dobre{8}}funkčné a časom-testované zariadenia fieldbus.
Bezdrôtové pripojenie udržuje celkovú stabilitu. Napriek neustálym volaniam po plne bezdrôtových továrňach zostáva prijatie obmedzené kvôli potrebe rozsiahleho presmerovania káblov{1}}a výzve vytvoriť prostredia podporujúce bezdrôtový prístup k strojom a mobilné priemyselné zariadenia.
Erózia podielu na trhu priemyselných zberníc pramení predovšetkým z podstatných výhod, ktoré ponúka priemyselný Ethernet v porovnaní s tradičnými priemyselnými zbernicami. Hlavnou výhodou je rýchlosť: Na rozdiel od sériových-priemyselných zberníc dosahuje priemyselný Ethernet výrazne vyššie rýchlosti, ktoré presahujú 100 Mb/s. Dokonca aj najrozšírenejšia priemyselná zbernica PROFIBUS, konkrétne vysokorýchlostný variant PROFIBUS DP pre automatizáciu výroby, má maximálnu konfigurovateľnú rýchlosť obmedzenú na 12 Mbps. Druhým je jeho flexibilnejšia topológia. Pre nasadenia komplexných priemyselných sietí priemyselné zbernice využívajúce konfigurácie veľkých reťazcov{8}}vytvárajú siete veľmi náchylné na poruchy. Priemyselný Ethernet však využíva flexibilné topológie, ako sú hviezdicové siete, na budovanie rýchlejších a spoľahlivejších priemyselných sietí.
Napokon, priemyselné aliancie podporujú prijatie. Vezmite si ako príklady Profinet (dominantný v priemyselnom Ethernete) a Profibus (dominantný v priemyselných zberniciach): hoci oba podporuje PI, od roku 2016 Profinet prekonal Profibus v inštaláciách nových uzlov zariadení. S komplexnými riešeniami migrácie brownfield a greenfield, ktoré sú teraz k dispozícii, sa táto priepasť naďalej zväčšuje.
Keďže sa k priemyselným sieťam pripája viac zariadení, senzorov a systémov, základné bezdrôtové technológie, ako sú Wi-Fi, LoRaWAN a DECT{4}}2020 NR, umožňujú bezdrôtové zhromažďovanie a zdieľanie dôležitých priemyselných údajov. Ako však nasadenie 5G a technologický vývoj dozrievajú, priemyselný výrobný trh čoraz viac obracia svoju pozornosť na technológie celulárnych sietí, ktoré sa predtým v priemyselných sieťach používali zriedkavo kvôli obavám z rýchlosti a latencie. Napriek tomu sú priemyselné bezdrôtové siete naďalej náročné na prijatie ako primárneho riešenia v určitých drsných RF prostrediach. Okrem toho, pokiaľ nie sú podporované telekomunikačnými operátormi, mobilné bezdrôtové siete ako 5G sa snažia zaručiť požadovanú kvalitu siete v továrenskom nastavení.
Pokiaľ ide o podiel na trhu, prijatie 5G v priemyselných bezdrôtových sieťach zostáva obmedzené. Je to preto, že priemyselné bezdrôtové siete 5G sa nasadzujú odlišne od iných sieťových metód, predovšetkým prostredníctvom priamej výstavby plne prepojených tovární 5G. Vďaka iniciatíve 5G+Industrial Internet počet projektov na celoštátnej úrovni presiahol 8 000. Ministerstvo priemyslu a informačných technológií (MIIT) vybralo a zverejnilo „2023 5G Factory Directory“ s referenčnými projektmi, pričom celkové stavebné investície dosiahli 9,73 miliardy juanov. Traja hlavní telekomunikační operátori sa tiež aktívne podieľali na priamej výstavbe priemyselných sietí pre 5G továrne.
Záverečné myšlienky
Trhové trendy naznačujú, že sektor priemyselnej automatizácie a riadenia zostáva vo fáze rýchleho rozvoja, najmä v Číne, kde národné politiky podporujúce transformáciu a modernizáciu výroby poskytli významný impulz. Po druhé, čínsky priemysel priemyselnej automatizácie, podporený pokrokmi v nadväzujúcom polovodičovom priemysle, prechádza od rozširovania rozsahu k zvyšovaniu kvality. Domáce náhrady za špičkové-priemyselné riadiace zariadenia už nie sú len sloganom. V priemyselných komunikáciách, zatiaľ čo systémy priemyselných zberníc čelia výzvam rastu, priemyselný Ethernet zrýchľuje tempo výmeny. Priemyselné bezdrôtové siete vykazujú mierne celkové spomalenie rastu, no nasadenie 5G v továrňach sa zrýchľuje, najmä na domácom trhu.