Tööstusliku tootmissektori hiljutiste arengute põhjal on tööstusautomaatika ja -juhtimise turg jätkuvalt kiire kasvu faasis. Tööjõukulude tõusust, kulude vähendamise ja efektiivsuse suurendamise survest ning tootjate intensiivsest tähtaegadest kinnipidamisest tulenevalt on nõudlus automatiseerimise juhtimistehnoloogiate järele jõudnud tehastes enneolematule tasemele. Grand View Researchi statistika ja prognooside kohaselt hinnati tööstusliku automatiseerimise ja juhtimise turu väärtuseks eelmisel aastal ligikaudu 194,99 miljardit dollarit, 2030. aastaks prognoositakse see näitaja 379,93 miljardi dollarini.
Hiina tööstusliku kontrolli turg kerkib esile kui suur mängija
Ka Hiina tööstusliku kontrolli turg on läbi teinud olulisi muutusi. Riiklike andmete kohaselt jätkas Hiina tööstussektor 2023. aastal stabiilset kasvu, kusjuures uued kasvumootorid kiirenesid. Suur-tööstusettevõtete hulgas kasvas seadmete tootmise lisandväärtus aastaga-{-aastaga 6,8%, moodustades 33,6% suurte-tööstusettevõtete kogulisandväärtusest. Kõrgtehnoloogilise tootmise lisandväärtus kasvas 2,7%, moodustades 15,7% suurte tööstusettevõtete kogulisandväärtusest.
Miks on maailma- ja siseturu vahel teatav lõhe? See on suures osas tingitud riiklikust poliitilisest toetusest tootmise ümberkujundamiseks ja ajakohastamiseks. Alates 14. viie{2}}aastaplaani avaldamisest on riik asetanud enneolematu rõhu tööstusliku tootmissektori ümberkujundamisele ja ajakohastamisele. Tootmise põhilise konkurentsivõime suurendamise eesmärgil keskendutakse tugevalt tööstuslike juhtimisseadmete (nt hajutatud juhtimissüsteemide ja programmeeritavate loogikakontrollerite) arendamisele, saavutades samal ajal läbimurdeid sellistes komponentides nagu täiustatud kontrollerid ja ülitäpsed servoajamid. Kuumade tööstusharude, nagu uued energiasõidukid, kiire areng on ajendanud tehaste digitaalset ümberkujundamist, provintsid ja linnad on võtnud kasutusele toetuspoliitika digitaalsete intelligentsete võrdlusnäitajate näidistehaste jaoks.
Tööstuslik juhtimine tarneahela ülesvoolu, keskvoolu ja allavoolu
Järgmisena uurime tööstusliku kontrolli üles-, kesk- ja allavoolu tarneahelat. Ülesvool koosneb peamiselt juhtimis-/kommunikatsioonikiipidest, disaini IP-st, anduritest, komponentidest ja PCB-dest. Keskvool, mis põhineb erinevatel tööstuslikel juhtimisprotsessidel, jaguneb täitmiskihiks, ajamikihiks, juhtimiskihiks ja tööseireks. Täitmiskiht sisaldab juhtventiile ja mootoriajami; ajamikiht hõlmab muutuva sagedusega ajamid ja servosüsteeme; juhtkiht katab HMI-d, DCS-id ja PLC-sid; ja tööseire hõlmab instrumente ja tööstuslikke nägemissüsteeme. Tööstusliku juhtimise alljärgnev segment hõlmab paljusid spetsialiseeritud tööstusharusid, sealhulgas mitmeid, mis on viimastel aastatel märkimisväärselt tõmmatud: 3C tootmine, uued energiasõidukid, energiasalvestid, serverid, naftakeemiatooted ja raudteetransiit.
Pooljuhtide vaatenurgast võib eelneva tööstusliku juhtimissektori liigitada nelja peamisse segmenti: tööstuslikud andurid, tööstuslikud juhtimiskiibid, disaini IP ja tööstuslikud FPGA-d. Tööstuslikud andurid, mis on tajukihi (või tagasisidekihi) põhikomponendid tööstusliku juhtimise keskosas, mängivad olulist rolli tööstusprotsesside optimeerimisel ning varade jälgimisel ja kaitsel. Välismaiste tootjate hulka kuuluvad ON Semiconductor, Precision Electronics, SICK, Keyence, Beckhoff, Honeywell, Omron, Datalogic ja Leica Geosystems. Kodumaiste mängijate hulka kuuluvad SmartSens, NXMicro, Cognex, Beiyang Group, XCMG, Minghao Sensing, XiaoAowei, Meixin Semiconductor ja Feien Microelectronics.
Tööstuslike juhtimiskiipide ja -moodulite sektoris keskendub enamik tootjaid üldotstarbeliste{0}}MCU-de arendamisele. Põhitegijate hulka kuuluvad rahvusvahelised ettevõtted nagu TI, ADI, ST, Microchip, Infineon, NXP, ON Semiconductor ja Renesas, lisaks kodumaistele tootjatele nagu JiHai Semiconductor, Huada, Zhongying Electronics, Xinwang Microelectronics, Fengteng Technology, Artel, Jucheng Semiconductor, Nuvo Timeton, Vanguard, Nuvo Times Saiyuan, Guoguo Technology, Dongtu Technology, Zhongke Jingshang, Xinhai Technology ja Zhaoxin.
Samal ajal on diferentseeritud nõudmiste kasvades disaini IP muutunud asendamatuks komponendiks ülesvoolu kiibitootjate jaoks, hõlmates nii tuuma IP-d kui ka liidese IP-d. Rahvusvaheliste mängijate hulka kuuluvad Arm, Synopsys, Cadence, Imagination, Renesas ja Sifive, samas kui kodumaiste ettevõtete hulka kuuluvad PingTouGe, Andes Technology, VeriSilicon ja CanSemi.
Lõpuks näevad tööstuslikud FPGA-d märkimisväärset nõudlust kiiresti arenevates sektorites, nagu tööstusrobootika ja ülitäpsed seadmed, kus mitme-telje ja suure jõudlusega servojuhtimine on üha kriitilisem. Järelikult kasutatakse FPGA-sid laialdaselt servoajamites, CNC-süsteemides ja tööstusautomaatikas. Samuti leiavad nad rakendusi tööstuslikes kommunikatsioonides, näiteks teenindavad EtherCATi ülem- või alamseade. Rahvusvaheliste tootjate hulka kuuluvad AMD (Xilinx), Intel (Altera), Lattice ja Microchip. Kodumaiste tootjate hulka kuuluvad Gowin Semiconductor, Anlu Technology ja Unisoc.
Järgmisena kasutame tööstusliku kontrolli turul esilekerkivate suundumuste illustreerimiseks näidetena mõningaid varasemaid tooteid. Esiteks on roboti mootori juhtimine. Tööstuslikud rakendused, mis nõuavad töötlemise ja reaalajas side-integreerimist,-nagu roboti mootori juhtimine-nõuavad suuremat reaalajas-töötlusjõudlust, toetades samal ajal laia valikut tööstuslikke sideprotokolle. Siiski on oluline valida ka MCU, millel on piisav jõudlusruumi tulevaseks laiendamiseks ja lisafunktsioonide jaoks.
Selliste integreeritud arhitektuuride puhul nõuab mootori juhtimine sageli ühte MCU-d, et hallata mitut telge. Järelikult peab MCU sisaldama suure -jõudlusega-reaalajas töötlemise südamikke, nagu R5F või DSP, koos reaalajas{4}}kommunikatsiooniliidestega, nagu EtherCAT. Võtke näiteks diagrammil näidatud TI AM2343x mitmetuumaline tööstuslik MCU. See võib integreerida kuni neli Cortex-R5F südamikku, pakkudes robootikas mitmeteljelise mootori juhtimiseks piisavat jõudlust, toetades samal ajal laiendamist tööstuslike sideprotokollidega, nagu EtherCAT.
Järgmine on täielikult integreeritud servo juhtimiskiip. Servokontrollerid on seadmed, mida kasutatakse servomootorite reguleerimiseks ja mis on tänapäevaste liikumisjuhtimissüsteemide oluline komponent. Neid kasutatakse laialdaselt automatiseeritud seadmetes, nagu tööstusrobotid ja CNC-töötluskeskused. Servojuhtkiibid tagavad mootorite magnetvälja orientatsiooni juhtimise, suurendades samal ajal ajami efektiivsust ja dünaamilist jõudlust. Diagramm illustreerib Shijiani täielikult integreeritud TMC4671-l põhinevat servomootori juhtimislahendust, mis pakub harjadeta alalisvoolumootoritele, püsimagnetitega sünkroonmootoritele, kahefaasilistele samm-mootoritele, harjatud alalisvoolumootoritele ja häälmähismootoritele väljale orienteeritud juhtimist. Seda nimetatakse "täielikult integreeritud", kuna kõik juhtimisfunktsioonid on ühendatud riistvaraga koos integreeritud ADC-de, asendianduri liideste ja positsiooniinterpolaatoritega. Järelikult sobib see kontrolleri lahendus mitmesugusteks servorakendusteks.
Järgmisena uurime juhtkihi HMI-d. Võttes näiteks tipptasemel-tööstuslikud HMI-d, vajavad need mitme-ekraani võimaluste, kõrgema eraldusvõime ja kaadrisageduse ning täiustatud graafika jõudlust, et võimaldada keerukamaid visuaalseid interaktsioone. Võtke näiteks Xianji Semiconductori HPM6800 seeria MCU. Lisaks suure jõudlusega-RISC-V-tuuma integreerimisele sisaldab see kiip ka VeriSiliconi 2.5D GPU IP-d, mis tagab HMI rakenduste jaoks piisava graafikajõudluse. Lisaks sellele eelistavad mitte{10}}puutetundlikud hääljuhitavad{11}}HMI-d sageli kompaktset kujundust, nõudes samal ajal eelprogrammeeritud ja mitmekeelsete käsusisendite tuge. Renesase hääl HMI ASSP MCU, R9A06G150, on selle lähenemisviisi näide.
Seisundi jälgimise ja diagnostika täiustamine, saavutades samal ajal süsteemi üldise optimeerimise, on mehaaniliste rajatiste ja tehniliste süsteemide tänapäevasel kasutamisel peamiseks väljakutseks. See teema on üha kriitilisem mitte ainult tööstuses, vaid kõikjal, kus kasutatakse mehaanilisi süsteeme. Traditsiooniliselt hooldati masinaid graafikute kohaselt, kusjuures hoolduse hilinemine ohustas tootmisseisakuid. Tänapäeval ennustavad inimesed tööandmeid analüüsides masina järelejäänud eluiga. Põhiparameetreid, nagu temperatuur, müra ja vibratsioon, saab kasutada salvestatud andmete põhjal, et määrata kindlaks optimaalsed töötingimused ja isegi vajalikud hooldusintervallid. See lähenemine hoiab ära tarbetu kulumise, võimaldades samal ajal varakult avastada võimalikke probleeme ja nende algpõhjuseid.
Samamoodi näevad tööstuslike seadmete sektoris kasvavat nõudlust tööstusliku nägemise kontrollimiseks kasutatavate pildisensorite järele, et suurendada tootmise efektiivsust ja tagada toote saagikuse määrad. Sellega seoses peavad masinnägemise kontrollimiseks kasutatavad pildiandurid mitte ainult tajuma nähtavat valgust, vaid tugevdama ka nende võimet tuvastada valgust nähtamatutel lainepikkustel, näiteks lühilaine infrapunaspektris (SWIR). Võtke näiteks Sony IMX992/993 pildisensorid. Neisse on integreeritud Sony patenteeritud SenSWIR-tehnoloogia, mis ühendab endas 3,45{10}}mikronist pikslit. IMX992 eraldusvõime on 5,32 megapikslit, võimaldades kõrge eraldusvõimega pildistamist ja parandades täpsust erinevates tööstuslikes kontrolli- ja mõõtmisrakendustes.
Spetsiaalsete tööstuslike sideprotokollide (nt EtherCAT) jaoks on sageli vaja spetsiaalseid kiipe. Ühe Hiina esimestest tootjatest, kes tõi turule EtherCAT-i alluvkontrollerikiibid, tutvustas Yasin Electronics 2019. aastal mudelit AX58100. Seejärel andis ta välja kahetuumalised 2/3-pordiga EtherCAT-i orikontrollerid, mis tagavad suurema tõhususe, võimaldades samas ühendada kõigi standardseid EtherCAT-sideprotokolle toetavate süsteemidega. Rakendused hõlmavad digitaalse signaali I/O juhtimist, andurite andmete kogumist, robottelje juhtimist ja EtherCAT-to-IO-Link pealüüsi funktsioone. Parempoolsel pildil on Chuanglong Technology välja töötatud tööstuslik südamikplaat TL3568, kasutades täielikult kodumaiseid komponente. Disainitud Rockchipi RK3568 protsessori ümber, saab seda kasutada ka EtherCATi masterite ehitamiseks. EtherCAT-meistrid ei vaja spetsiaalseid kiipe; neid saab rakendada puhtalt tarkvaras. Näiteks EtherCAT-i peaprotokolli integreerimine RT-Threadi võimaldab servomootorite{17}}reaalajas juhtimist ja kaug-I/O-d.
Lõpuks pakuvad tööstuslikud FPGA-d riistvaraloogika juurutamist koos eelistega, nagu kiire{0}}paralleelne töötlemine, arvukalt sisend-/väljundüksusi ja funktsionaalne multipleksimine. Neil on aga paindliku juhtimise ja keeruliste sideprotokollide piirangud. See viib meid SoC FPGA-deni, mis integreerivad FPGA-arhitektuuri kõvad-tuumprotsessorid. See vähendab süsteemi energiatarbimist ja kulusid, minimeerides samal ajal emaplaadi jalajälge. Need säilitavad FPGA-de programmeeritava paindlikkuse, säilitades samal ajal ühilduvuse kõva protsessori ökosüsteemiga. Võtke näiteks Anlu Technology eelmisel aastal välja antud SALDRAGON-seeria FPSoC: see pakub valikuliselt kas kahetuumalise-Arm Cortex-A35 või ühe-tuumalise 64-bitise RISC-V protsessori integreerimist, mis võimaldab mõlemat ökosüsteemi täielikult ära kasutada.
Tööstuslik kommunikatsioon: Etherneti domineerimine tugevneb
Pärast aastakümnete pikkust arengut ja iteratsiooni jagunevad tööstuslikud sidemeetodid peamiselt kolme kategooriasse, mis põhinevad füüsilisel teostusel: tööstuslik Ethernet, väljasiini ja tööstuslikud traadita võrgud. Tööstuslikus Ethernetis domineerivad nüüd uued tehnoloogiad, nagu EtherCAT, PROFINET ja EtherCAT. Väljasiinisüsteemid hõlmavad PROFIBUS DP, Modbus-RTU ja CC-Link. Tööstuslikud traadita võrgud, mis on tööstusvõrgus alles hiljuti esile kerkinud, hõlmavad hästi-tuntud ühenduvuslahendusi, nagu Wi-Fi, Bluetooth ja 5G.
HMS-i statistika kohaselt domineeris tööstuslik Ethernet ka 2023. aastal uute sõlmeinstallatsioonide puhul, kusjuures selle turuosa kasvas eelmise aasta 68%-lt 71%-le-, mis on märkimisväärne 12%-line kasv. Kuigi PROFINET, EtherNet/IP ja EtherCAT jäävad turul kolmeks domineerivaks mängijaks, kasvab PROFINETi ja EtherCATi populaarsus pidevalt. Võrreldes traadita ühendusega moodustab väljasiin endiselt märkimisväärse osa uutest sõlmedest. Kuid see on kaotanud turu piisava hoo ja tugineb ainult seadmetele, masinatele ja tehastele, mis jätkavad nende hästi{8}}töötavate aja-kontrollitud väljasiini seadmete kasutamist.
Traadita ühenduvus säilitab üldise stabiilsuse. Vaatamata pidevatele üleskutsetele luua täielikult traadita ühenduse tehased, on kasutuselevõtt piiratud, kuna on vaja ulatuslikku kaablite{1}}marsruutimist ja väljakutset luua keskkondi, mis toetavad juhtmevaba juurdepääsu masinatele ja mobiilseid tööstusseadmeid.
Tööstuslike siinide turuosa vähenemine tuleneb peamiselt olulistest eelistest, mida Industrial Ethernet pakub traditsiooniliste tööstussiinide ees. Peamine eelis on kiirus: erinevalt jada-põhistest tööstussiinidest saavutab Industrial Ethernet oluliselt suurema kiiruse, ületades 100 Mbps. Isegi kõige laialdasemalt kasutatava PROFIBUSi tööstusliku siini, täpsemalt tehase automatiseerimiseks mõeldud -kiire PROFIBUS DP variandi, maksimaalne konfigureeritav kiirus on 12 Mbps. Teiseks on selle paindlikum topoloogia. Keeruliste tööstusvõrkude juurutamiseks loovad tööstuslikud siinid, mis kasutavad suuri daisy{8}}ahela konfiguratsioone, võrke, mis on väga vastuvõtlikud riketele. Tööstuslik Ethernet kasutab aga kiiremate ja töökindlamate tööstusvõrkude loomiseks paindlikke topoloogiaid, nagu tähtvõrgud.
Lõpuks soodustavad tööstuse liidud kasutuselevõttu. Võtke näiteks Profinet (domineerib tööstuslikus Ethernetis) ja Profibus (domineerib tööstusbussides): kuigi PI on mõlemat reklaaminud, on Profinet alates 2016. aastast ületanud Profibusi uute seadmesõlmede installimisel. Kuna nüüd on saadaval põhjalikud mahajäetud ja rohealade migratsioonilahendused, suureneb see lõhe jätkuvalt.
Kuna rohkem seadmeid, andureid ja süsteeme ühendub tööstusvõrkudega, võimaldavad aluseks olevad traadita tehnoloogiad, nagu Wi{0}}Fi, LoRaWAN ja DECT-2020 NR, kriitiliste tööstusandmete juhtmevaba kogumise ja jagamise teostatavust. 5G juurutamise ja tehnoloogilise arengu küpsedes pöörab tööstusliku tootmise turg aga üha enam tähelepanu mobiilsidevõrkude tehnoloogiatele, mida varem tööstusvõrkudes harva kasutati kiiruse ja latentsuse pärast. Sellest hoolimata on tööstuslike traadita võrkude kasutamine teatud karmides RF-keskkondades endiselt keeruline. Pealegi, kui telekommunikatsioonioperaatorid seda ei toeta, on traadita mobiilsidevõrgud (nt 5G) hädas tehaseseadetes vajaliku võrgukvaliteedi tagamisega.
Turuosa osas on 5G kasutuselevõtt tööstuslikes traadita võrkudes endiselt piiratud. Selle põhjuseks on asjaolu, et 5G tööstuslikke traadita võrke rakendatakse teistest võrgumeetoditest erinevalt, peamiselt täielikult ühendatud 5G tehaste otsese ehitamise kaudu. 5G+Industrial Internet algatuse ajendiks on projektide arv üleriigiliselt ületanud 8000. Tööstus- ja infotehnoloogiaministeerium (MIIT) valis välja ja avaldas "2023 5G Factory Directory", mis sisaldab võrdlusprojekte ja mille ehitusinvesteeringute kogumaht ulatub 9,73 miljardi jüaanini. Kolm suuremat sideoperaatorit on aktiivselt osalenud ka 5G tehaste tööstusvõrkude otseehitamises.
Viimased Mõtted
Turutrendid näitavad, et tööstuse automatiseerimise ja juhtimise sektor on endiselt kiires arengufaasis, eriti Hiinas, kus tootmise ümberkujundamist ja ajakohastamist toetavad riiklikud poliitikad on andnud märkimisväärse tõuke. Teiseks on Hiina tööstusautomaatika sektor nihkumas mastaabi laiendamiselt kvaliteedi parandamisele, mida toetavad eelneva pooljuhtide tööstuse edusammud. Kõrgekvaliteediliste-tööstuslike juhtimisseadmete kodumaine asendamine ei ole enam pelgalt loosung. Tööstussides, kuigi tööstuslikud siinisüsteemid seisavad silmitsi kasvuprobleemidega, kiirendab tööstuslik Etherneti asendamise tempot. Tööstuslike traadita võrkude üldine kasv on veidi aeglustunud, kuid 5G tehase kasutuselevõtt kiireneb, eriti siseturul.