Na základě nedávného vývoje v sektoru průmyslové výroby zůstává trh průmyslové automatizace a řízení ve fázi rychlého růstu. Poptávka po technologiích automatizačního řízení v továrnách, poháněná rostoucími mzdovými náklady, tlakem na snižování nákladů a zvyšování efektivity, a intenzivní potřebou výrobců dodržovat termíny, dosáhla bezprecedentní úrovně. Podle statistik a projekcí společnosti Grand View Research byl trh průmyslové automatizace a řízení v loňském roce oceněn na přibližně 194,99 miliardy USD, přičemž se předpokládá, že toto číslo do roku 2030 dosáhne 379,93 miliardy USD.
Čínský trh průmyslové kontroly se ukazuje jako hlavní hráč
Čínský trh průmyslové kontroly také prošel významnými změnami. Podle národních údajů si čínský průmyslový sektor udržoval v roce 2023 stabilní růst, přičemž nové hnací síly růstu zrychlovaly. Mezi velkými-průmyslovými podniky vzrostla přidaná hodnota výroby zařízení meziročně--o 6,8 %, což představuje 33,6 % celkové přidané hodnoty velkých-průmyslových podniků. Přidaná hodnota high-tech výroby vzrostla o 2,7 %, což představuje 15,7 % celkové přidané hodnoty velkých průmyslových podniků.
Proč existuje určitá propast mezi světovým a domácím trhem? To lze z velké části přičíst podpoře národní politiky pro transformaci a modernizaci výroby. Od vydání 14. pětiletého-plánu klade země nebývalý důraz na transformaci a modernizaci průmyslového výrobního sektoru. V rámci cíle zvýšení základní konkurenceschopnosti výroby je kladen velký důraz na vývoj průmyslových řídicích zařízení, jako jsou distribuované řídicí systémy a programovatelné logické řídicí jednotky, a zároveň na dosažení průlomových objevů v komponentách, jako jsou pokročilé řídicí jednotky a vysoce-přesné servopohony. Rychlý rozvoj horkých průmyslových odvětví, jako jsou nová energetická vozidla, vedl k digitální transformaci továren, přičemž provincie a města zavedly dotační politiku pro digitální inteligentní referenční demonstrační továrny.
Průmyslové řízení Dodavatelský řetězec proti proudu, střednímu proudu a po proudu
Dále se podívejme na dodavatelský řetězec průmyslového řízení na začátku, středním a po proudu. Upstream se primárně skládá z řídicích/komunikačních čipů, designového IP, senzorů, komponent a PCB. Střední proud, založený na různých průmyslových řídicích procesech, se dělí na prováděcí vrstvu, řídicí vrstvu, řídicí vrstvu a provozní monitorování. Prováděcí vrstva zahrnuje regulační ventily a motorové pohony; vrstva pohonu zahrnuje pohony s proměnnou frekvencí a servosystémy; řídicí vrstva pokrývá HMI, DCS a PLC; a provozní monitorování zahrnuje nástroje a systémy průmyslového vidění. Následný segment průmyslového řízení zahrnuje řadu specializovaných průmyslových odvětví, včetně několika, která v posledních letech získala významnou trakci: výroba 3C, nová energetická vozidla, skladování energie, servery, petrochemie a železniční doprava.
Z pohledu polovodičů lze sektor průmyslového řízení rozdělit do čtyř hlavních segmentů: průmyslové senzory, průmyslové řídicí čipy, design IP a průmyslové FPGA. Průmyslové senzory jako základní součásti vrstvy vnímání (neboli zpětnovazební vrstvy) ve středním proudu průmyslového řízení hrají zásadní roli při optimalizaci průmyslových procesů a poskytování monitorování a ochrany majetku. Mezi zahraniční výrobce patří ON Semiconductor, Precision Electronics, SICK, Keyence, Beckhoff, Honeywell, Omron, Datalogic a Leica Geosystems. Mezi domácí hráče patří SmartSens, NXMicro, Cognex, Beiyang Group, XCMG, Minghao Sensing, XiaoAowei, Meixin Semiconductor a Feien Microelectronics.
V odvětví průmyslových řídicích čipů a modulů se většina výrobců zaměřuje na vývoj MCU pro obecné{0}}účely. Mezi klíčové hráče patří mezinárodní firmy jako TI, ADI, ST, Microchip, Infineon, NXP, ON Semiconductor a Renesas, spolu s domácími výrobci jako JiHai Semiconductor, Huada, Zhongying Electronics, Xinwang Microelectronics, Fengteng Technology, Artel, Jucheng Semiconductor, Nuvoton, Hvoton, Saiyuan, Guoguo Technology, Dongtu Technology, Zhongke Jingshang, Xinhai Technology a Zhaoxin.
Současně s tím, jak se zvyšují rozdílné požadavky, se design IP stal nepostradatelnou součástí pro upstream výrobce čipů, který zahrnuje jak IP jádra, tak IP rozhraní. Mezi mezinárodní hráče patří Arm, Synopsys, Cadence, Imagination, Renesas a Sifive, zatímco domácí firmy zahrnují PingTouGe, Andes Technology, VeriSilicon a CanSemi.
A konečně, průmyslová pole FPGA zaznamenávají značnou poptávku v rychle se rozvíjejících odvětvích, jako je průmyslová robotika a vysoce{0}}přesná zařízení, kde je stále důležitější více-osé a vysoce{2}}výkonné servořízení. V důsledku toho zůstávají FPGA široce používány v servopohonech, CNC systémech a průmyslové automatizaci. Nacházejí uplatnění také v průmyslových komunikacích, jako například sloužící jako master nebo slave EtherCAT. Mezi mezinárodní výrobce patří AMD (Xilinx), Intel (Altera), Lattice a Microchip. Mezi domácí výrobce patří Gowin Semiconductor, Anlu Technology a Unisoc.
Dále použijeme některé upstream produkty jako příklady pro ilustraci nových trendů na trhu průmyslového řízení. První je ovládání motoru robota. Průmyslové aplikace vyžadující integraci zpracování a-komunikace v reálném čase-, jako je řízení motorů robotů,-požadují vyšší výkon zpracování v reálném čase- a zároveň podporují širokou škálu průmyslových komunikačních protokolů. Je však také důležité vybrat MCU s dostatečnou výkonnostní rezervou pro budoucí rozšíření a další funkce.
V rámci takových integrovaných architektur vyžaduje řízení motoru často jeden MCU pro řízení více os. V důsledku toho musí MCU obsahovat vysoce výkonná -jádra pro zpracování v reálném čase-, jako je R5F nebo DSP, spolu s- komunikačními rozhraními v reálném čase, jako je EtherCAT. Vezměme si jako příklad vícejádrový vícejádrový průmyslový MCU AM2343x společnosti TI -zobrazený na obrázku. Může integrovat až čtyři jádra Cortex-R5F, což poskytuje dostatečný výkon pro víceosé řízení motorů v robotice a zároveň podporuje rozšíření o průmyslové komunikační protokoly, jako je EtherCAT.
Další je plně integrovaný servo řídicí čip. Servoregulátory jsou zařízení používaná k regulaci servomotorů, která slouží jako životně důležitá součást moderních systémů řízení pohybu. Jsou široce používány v automatizovaných zařízeních, jako jsou průmyslové roboty a CNC obráběcí centra. Čipy servořízení zajišťují řízení orientace magnetického pole pro motory a zároveň sledují vyšší účinnost pohonu a dynamický výkon. Diagram znázorňuje plně integrované řešení řízení servomotorů Shijian založené na TMC4671, které poskytuje -orientované řízení pro bezkomutátorové stejnosměrné motory, synchronní motory s permanentními magnety, 2fázové krokové motory, kartáčované stejnosměrné motory a motory s kmitací cívkou. Označuje se jako „plně integrovaný“, protože všechny řídicí funkce jsou konsolidovány v rámci hardwaru spolu s integrovanými ADC, rozhraními snímačů polohy a interpolátory polohy. V důsledku toho je toto řešení regulátoru vhodné pro různé servo aplikace.
Dále se podívejme na HMI řídicí vrstvy. Vezmeme-li jako příklad špičková{1}}průmyslová rozhraní HMI, vyžadují podporu pro více-displejů, vyšší rozlišení a snímkové frekvence a vylepšený grafický výkon, aby umožnily složitější návrhy vizuální interakce. Vezměte si jako příklad MCU řady HPM6800 od Xianji Semiconductor. Kromě integrace vysoce-výkonného RISC-jádra V obsahuje tento čip také 2,5D GPU IP VeriSilicon, který poskytuje dostatečný grafický výkon pro aplikace HMI. Kromě toho, -dotyková hlasem{11}}ovládaná rozhraní HMI často upřednostňují kompaktní design, přičemž vyžadují podporu pro před{12}}naprogramované a vícejazyčné vstupy příkazů. Renesasův hlasový HMI ASSP MCU, R9A06G150, je příkladem tohoto přístupu.
Zlepšení monitorování stavu a diagnostiky při současném dosažení celkové optimalizace systému představuje hlavní výzvu v dnešním používání mechanických zařízení a technických systémů. Toto téma je stále důležitější nejen v průmyslovém prostředí, ale všude tam, kde se používají mechanické systémy. Tradičně byly stroje udržovány podle harmonogramu, při opožděné údržbě hrozily prostoje výroby. Dnes lidé předpovídají zbývající životnost stroje analýzou provozních dat. Klíčové parametry, jako je teplota, hluk a vibrace, lze využít ze zaznamenaných dat k určení optimálních provozních podmínek a dokonce i požadovaných intervalů údržby. Tento přístup zabraňuje zbytečnému opotřebení a zároveň umožňuje včasnou detekci potenciálních problémů a jejich hlavních příčin.
Podobně i obrazové snímače pro průmyslovou kontrolu vidění zaznamenávají rostoucí poptávku v sektoru průmyslových zařízení, aby se zvýšila efektivita výroby a zajistila se výnosnost produktů. V této souvislosti musí obrazové snímače používané pro kontrolu strojového vidění nejen vnímat viditelné světlo, ale také posilovat svou schopnost detekovat světlo v neviditelných vlnových délkách, jako je krátkovlnné infračervené (SWIR) spektrum. Vezměte si jako příklad obrazové snímače IMX992/993 od Sony. Integrují patentovanou technologii SenSWIR společnosti Sony, která kombinuje 3,45{10}}mikronové pixely. IMX992 dosahuje 5,32 megapixelů, což umožňuje zobrazování ve vysokém rozlišení a zlepšuje přesnost v různých průmyslových aplikacích kontroly a měření.
Pro specifické průmyslové komunikační protokoly, jako je EtherCAT, jsou často vyžadovány specializované čipy. Jako jeden z prvních čínských výrobců, který uvedl na trh podřízené řadiče EtherCAT, představil Yasin Electronics v roce 2019 AX58100. Následně uvedl na trh dvoujádrové podřízené řadiče EtherCAT s 2/3 porty, které poskytují vyšší efektivitu a zároveň umožňují propojení se všemi systémy podporujícími standardní komunikační protokoly EtherCAT. Aplikace zahrnují digitální řízení I/O signálu, sběr dat ze senzorů, řízení robotické osy a funkce EtherCAT-to{8}}IO-propojení hlavní brány. Obrázek vpravo ukazuje průmyslovou základní desku TL3568 vyvinutou společností Chuanglong Technology využívající výhradně domácí komponenty. Navržený kolem procesoru Rockchip RK3568, lze jej také použít k vytvoření masterů EtherCAT. Master EtherCAT nevyžadují vyhrazené čipy; mohou být implementovány čistě softwarově. Například integrace hlavního protokolu EtherCAT do RT-vlákna umožňuje-řízení servomotorů a vzdálených I/O v reálném čase.
A konečně, průmyslová FPGA nabízí implementaci hardwarové logiky s výhodami, jako je vysokorychlostní{0}}paralelní zpracování, velké množství I/O jednotek a funkční multiplexování. Narážejí však na omezení v oblasti flexibilního řízení a složitých komunikačních protokolů. To nás vede k SoC FPGA, které integrují hard-jádrové procesory do architektury FPGA. To snižuje spotřebu energie a náklady systému a zároveň minimalizuje půdorys základní desky. Zachovávají si programovatelnou flexibilitu FPGA při zachování kompatibility s ekosystémem pevných procesorů. Vezměme si příklad FPSoC řady Anlu Technology SALDRAGON vydaný minulý rok: nabízí volitelnou integraci buď dvoujádrového -jádrového procesoru Arm Cortex-A35 nebo jednoho-jádrového 64{{12}bitového RISC-V procesoru, což umožňuje plné využití obou ekosystémů.
Průmyslová komunikace: Dominance Ethernetu se neustále posiluje
Po desetiletích vývoje a iterací spadají metody průmyslové komunikace především do tří kategorií založených na fyzické implementaci: průmyslový Ethernet, fieldbus a průmyslové bezdrátové sítě. V průmyslovém Ethernetu nyní dominují nově vznikající technologie jako EtherCAT, PROFINET a EtherCAT. Fieldbus systémy zahrnují PROFIBUS DP, Modbus-RTU a CC-Link. Průmyslové bezdrátové sítě, které se v průmyslových sítích objevily teprve nedávno, zahrnují-známá řešení konektivity, jako jsou Wi-Fi, Bluetooth a 5G.
Podle statistik HMS v roce 2023 nadále dominoval průmyslový Ethernet v nových uzlových instalacích, přičemž jeho podíl na trhu vzrostl z 68 % v předchozím roce na 71 %-, což představuje významný 12% nárůst. Zatímco PROFINET, EtherNet/IP a EtherCAT zůstávají třemi dominantními hráči na trhu, popularita PROFINET a EtherCAT neustále roste. Ve srovnání s bezdrátovou konektivitou představuje fieldbus stále významnou část nových uzlů. Ztratila však dostatečnou dynamiku trhu a spoléhá se pouze na zařízení, stroje a továrny, které nadále používají tato dobře-fungující, časem-testovaná zařízení fieldbus.
Bezdrátové připojení udržuje celkovou stabilitu. Navzdory neustálým voláním po plně bezdrátových továrnách zůstává přijetí omezené kvůli potřebě rozsáhlého přesměrování kabelů{1}}a výzvě vytvořit prostředí podporující bezdrátový přístup k strojům a mobilní průmyslová zařízení.
Eroze tržního podílu průmyslových sběrnic pramení především z podstatných výhod, které nabízí průmyslový Ethernet oproti tradičním průmyslovým sběrnicím. Nejdůležitější výhodou je rychlost: Na rozdíl od sériových-průmyslových sběrnic dosahuje průmyslový Ethernet výrazně vyšších rychlostí, které přesahují 100 Mb/s. I nejrozšířenější průmyslová sběrnice PROFIBUS, konkrétně vysokorychlostní -varianta PROFIBUS DP pro automatizaci továren, má maximální konfigurovatelnou rychlost omezenou na 12 Mb/s. Druhým je jeho flexibilnější topologie. Pro nasazení v komplexních průmyslových sítích vytvářejí průmyslové sběrnice využívající rozsáhlé konfigurace-řetězce sítě vysoce náchylné k poruchám. Průmyslový Ethernet však využívá flexibilní topologie, jako jsou hvězdicové sítě, k budování rychlejších a spolehlivějších průmyslových sítí.
A konečně, průmyslové aliance podporují přijetí. Vezměme si jako příklady Profinet (dominantní v průmyslovém Ethernetu) a Profibus (dominantní v průmyslových sběrnicích): ačkoli jsou oba podporovány společností PI, od roku 2016 Profinet předčil Profibus v instalacích nových uzlů zařízení. S komplexními řešeními migrace brownfields a greenfield, která jsou nyní k dispozici, se tato propast stále zvětšuje.
Jak se k průmyslovým sítím připojuje stále více zařízení, senzorů a systémů, základní bezdrátové technologie, jako jsou Wi-Fi, LoRaWAN a DECT-2020 NR, umožňují bezdrátové shromažďování a sdílení důležitých průmyslových dat. Jak však zavádění 5G a technologický vývoj dozrávají, trh průmyslové výroby stále více obrací svou pozornost k technologiím celulárních sítí – dříve zřídka používaným v průmyslových sítích kvůli obavám z rychlosti a latence. Navzdory tomu zůstávají průmyslové bezdrátové sítě náročné na přijetí jako primární řešení v určitých drsných RF prostředích. Navíc, pokud nejsou podporovány telekomunikačními operátory, mobilní bezdrátové sítě, jako je 5G, mají potíže s zaručením požadované kvality sítě v továrním nastavení.
Pokud jde o podíl na trhu, přijetí 5G v průmyslových bezdrátových sítích zůstává omezené. Je to proto, že průmyslové bezdrátové sítě 5G jsou nasazovány odlišně od jiných síťových metod, především prostřednictvím přímé výstavby plně propojených továren na 5G. Díky iniciativě 5G+Industrial Internet překročil počet celostátních projektů 8 000. Ministerstvo průmyslu a informačních technologií (MIIT) vybralo a zveřejnilo „2023 5G Factory Directory“ obsahující srovnávací projekty s celkovými stavebními investicemi dosahujícími 9,73 miliardy juanů. Tři hlavní telekomunikační operátoři se také aktivně podíleli na přímé výstavbě průmyslových sítí pro 5G továrny.
Závěrečné myšlenky
Tržní trendy naznačují, že sektor průmyslové automatizace a řízení zůstává ve fázi rychlého rozvoje, zejména v Číně, kde národní politiky podporující transformaci a modernizaci výroby poskytly významný impuls. Za druhé, posílen pokrokem v navazujícím polovodičovém průmyslu, se čínský průmysl průmyslové automatizace posouvá od expanze ke zvyšování kvality. Domácí náhrada za špičková{2}}průmyslová řídicí zařízení již není pouhým sloganem. V průmyslových komunikacích, zatímco průmyslové sběrnicové systémy čelí výzvám růstu, průmyslový Ethernet zrychluje své tempo nahrazování. Průmyslové bezdrátové sítě vykazují mírné celkové zpomalení růstu, přesto se zavádění 5G továren zrychluje, zejména na domácím trhu.