Byggt á nýlegri þróun í iðnaðarframleiðslugeiranum, er iðnaðarsjálfvirkni og stjórnunarmarkaðurinn áfram í örum vexti. Knúin áfram af hækkandi launakostnaði, þrýstingi til að draga úr útgjöldum og auka skilvirkni, og mikilli þörf framleiðenda til að standast tímamörk, hefur eftirspurn eftir sjálfvirknistýringartækni í verksmiðjum náð áður óþekktum stigum. Samkvæmt tölfræði og áætlunum frá Grand View Research var iðnaðar sjálfvirkni og stýringarmarkaðurinn metinn á um það bil 194,99 milljarða dollara á síðasta ári, en spáð er að þessi tala nái 379,93 milljörðum dollara árið 2030.
Iðnaðareftirlitsmarkaður Kína kemur fram sem stór leikmaður
Iðnaðareftirlitsmarkaður Kína hefur einnig tekið miklum breytingum. Samkvæmt innlendum gögnum hélt iðnaðargeirinn í Kína stöðugum vexti árið 2023, þar sem nýir vaxtarhvatar hröðuðust. Meðal stórra-iðnfyrirtækja jókst virðisauki búnaðarframleiðslu um 6,8% milli ára-á-ári, sem er 33,6% af heildarvirðisauka stórra-iðnaðarfyrirtækja. Virðisauki hátækniframleiðslu jókst um 2,7%, sem samsvarar 15,7% af heildarvirðisauka-stórra iðnaðarfyrirtækja.
Hvers vegna er ákveðið bil á milli alþjóðlegs og innlends markaðar? Þetta má að miklu leyti rekja til landsstefnustuðnings við umbreytingu og uppfærslu framleiðslu. Síðan 14. fimm-áraáætlunin var gefin út hefur þjóðin lagt áður óþekkta áherslu á umbreytingu og uppfærslu iðnaðarframleiðslugeirans. Innan þess markmiðs að efla kjarna samkeppnishæfni framleiðslu er mikil áhersla lögð á þróun iðnaðarstýringarbúnaðar eins og dreifð stjórnkerfi og forritanleg rökstýring, en einnig að ná fram byltingum í íhlutum eins og háþróaðri stýringar og hár-nákvæmni servó drifkerfi. Hröð þróun heitra atvinnugreina eins og nýrra orkubíla hefur knúið áfram stafræna umbreytingu verksmiðjunnar, þar sem héruð og borgir hafa útfært niðurgreiðslustefnur fyrir stafrænar greindar viðmiðunarsýningarverksmiðjur.
Industrial Control Upstream, Midstream og Downstream birgðakeðja
Næst skulum við skoða andstreymis, miðstraums og niðurstreymis aðfangakeðju iðnaðarstýringar. Uppstreymið samanstendur fyrst og fremst af stjórn-/samskiptaflögum, hönnunar-IP, skynjara, íhlutum og PCB. Miðstraumurinn, sem byggir á mismunandi iðnaðarstýringarferlum, er skipt í framkvæmdarlag, driflag, stjórnlag og rekstrareftirlit. Framkvæmdalagið inniheldur stjórnventla og mótordrif; driflagið nær yfir drif með breytilegum tíðni og servókerfi; stjórnunarlagið nær yfir HMI, DCS og PLC; og rekstrarvöktun felur í sér hljóðfæri og iðnaðarsjónkerfi. Undirstreymishluti iðnaðarstýringar nær yfir fjölmargar sérhæfðar iðngreinar, þar á meðal nokkrar sem hafa náð verulegu fylgi á undanförnum árum: 3C framleiðsla, ný orkutæki, orkugeymsla, netþjónar, unnin úr jarðolíu og flutninga á járnbrautum.
Frá hálfleiðara sjónarhorni er hægt að flokka andstreymis iðnaðarstýringargeirann í fjóra meginhluta: iðnaðarskynjara, iðnaðarstýringarflísar, hönnunar IP og iðnaðar FPGA. Iðnaðarskynjarar, sem kjarnaþættir skynjunarlagsins (eða endurgjafarlagsins) í miðstraumi iðnaðarstýringar, gegna mikilvægu hlutverki við að fínstilla iðnaðarferla og veita eignaeftirlit og vernd. Meðal erlendra framleiðenda eru ON Semiconductor, Precision Electronics, SICK, Keyence, Beckhoff, Honeywell, Omron, Datalogic og Leica Geosystems. Innlendir leikmenn ná yfir SmartSens, NXMicro, Cognex, Beiyang Group, XCMG, Minghao Sensing, XiaoAowei, Meixin hálfleiðara og Feien Microelectronics.
Í iðnaðarstýringarflísum og einingageiranum leggja flestir framleiðendur áherslu á að þróa almenna-MCU. Lykilaðilar eru meðal annars alþjóðleg fyrirtæki eins og TI, ADI, ST, Microchip, Infineon, NXP, ON Semiconductor og Renesas, ásamt innlendum framleiðendum eins og JiHai Semiconductor, Huada, Zhongying Electronics, Xinwang Microelectronics, Fengteng Technology, Artel, Jucheng Semiconductor, Nuvoton, Vanguard, Times, Vanguard, Times. Saiyuan, Guoguo Technology, Dongtu Technology, Zhongke Jingshang, Xinhai Technology og Zhaoxin.
Samhliða því, eftir því sem aðgreindar kröfur aukast, hefur hönnunar-IP orðið ómissandi hluti fyrir framleiðendur flísa í andstreymi, sem nær yfir bæði kjarna-IP og viðmóts-IP. Alþjóðlegir leikmenn eru Arm, Synopsys, Cadence, Imagination, Renesas og Sifive, en innlend fyrirtæki eru PingTouGe, Andes Technology, VeriSilicon og CanSemi.
Að lokum, iðnaðar FPGAs sjá verulega eftirspurn í ört vaxandi geirum eins og iðnaðar vélfærafræði og hár-nákvæmni búnaði, þar sem fjöl-ása, afkastamikil servóstýring er sífellt mikilvægari. Þar af leiðandi eru FPGA áfram víða notaðir í servódrifum, CNC kerfum og iðnaðar sjálfvirkni. Þeir finna einnig forrit í iðnaðarsamskiptum, svo sem að þjóna sem EtherCAT meistarar eða þrælar. Meðal alþjóðlegra framleiðenda eru AMD (Xilinx), Intel (Altera), Lattice og Microchip. Meðal innlendra framleiðenda eru Gowin Semiconductor, Anlu Technology og Unisoc.
Næst munum við nota nokkrar andstreymisvörur sem dæmi til að sýna nýja þróun á iðnaðareftirlitsmarkaði. Fyrst er vélmenni mótorstýring. Iðnaðarforrit sem krefjast samþættingar vinnslu og-rauntímasamskipta-eins og vélmennahreyflastýringar- krefjast meiri rauntímavinnsluafkösts á sama tíma og þau styðja við margs konar samskiptareglur í iðnaði. Hins vegar er líka mikilvægt að velja MCU með nægilegt frammistöðurými fyrir framtíðarstækkun og viðbótareiginleika.
Innan slíkra samþættra arkitektúra þarf mótorstýring oft einn MCU til að stjórna mörgum ásum. Þar af leiðandi verður MCU að innihalda-afkastamikil rauntíma-vinnslukjarna, eins og R5F eða DSP, ásamt rauntímasamskiptaviðmótum eins og EtherCAT. Tökum AM2343x fjölkjarna iðnaðar MCU sem sýndur er á skýringarmyndinni sem dæmi. Það getur samþætt allt að fjóra Cortex-R5F kjarna, sem veitir nægan afköst fyrir fjölása mótorstýringu í vélfærafræði en styður einnig stækkun með samskiptareglum í iðnaði eins og EtherCAT.
Næst er fullkomlega samþætt servóstýringarflís. Servóstýringar eru tæki sem notuð eru til að stjórna servómótorum og þjóna sem mikilvægur hluti í nútíma hreyfistýringarkerfum. Þeir eru víða notaðir í sjálfvirkum búnaði eins og iðnaðarvélmenni og CNC vinnslustöðvum. Servóstýringarflísar veita segulsviðsstýringu fyrir mótora á meðan þeir sækjast eftir meiri skilvirkni drifsins og kraftmiklum afköstum. Skýringarmyndin sýnir fullkomlega samþætta servómótorstýringarlausn Shijian sem byggir á TMC4671, sem veitir sviðsstýrða-stýringu fyrir burstalausa jafnstraumsmótora, samstillta mótora með varanlegum seglum, tvífasa þrepamótora, burstaða jafnstraumsmótora og raddspólumótora. Það er kallað „fullkomlega samþætt“ vegna þess að allar stjórnunaraðgerðir eru sameinaðar innan vélbúnaðarins, ásamt samþættum ADC, stöðuskynjaraviðmótum og staðsetningarskilum. Þar af leiðandi hentar þessi stýringarlausn fyrir fjölbreytt servóforrit.
Næst skulum við skoða HMI stjórnlagsins. Með því að taka hágæða iðnaðar-HMI sem dæmi, krefjast þeir stuðnings við fjöl-skjámöguleika, hærri upplausn og rammahraða og aukinn grafíkafköst til að gera flóknari hönnun á sjónrænum samskiptum kleift. Taktu HPM6800 röð MCU frá Xianji Semiconductor sem dæmi. Fyrir utan að samþætta-afkastamikinn RISC-V kjarna, inniheldur þessi flís einnig VeriSilicon 2.5D GPU IP, sem skilar nægjanlegri grafíkafköstum fyrir HMI forrit. Fyrir utan þetta forgangsraða ó-raddstýrðum{11}}snertikerfi oft fyrirferðarlítilli hönnun á meðan þeir þurfa stuðning við for-forritaða og fjöltyngda skipanainntak. Radd HMI ASSP MCU frá Renesas, R9A06G150, er dæmi um þessa nálgun.
Að bæta ástandsvöktun og greiningu á sama tíma og ná heildarhagræðingu kerfisins er kjarnaáskorun í notkun vélrænnar aðstöðu og tæknikerfa í dag. Þetta efni er sífellt mikilvægara, ekki aðeins í iðnaðarumhverfi heldur hvar sem vélræn kerfi eru notuð. Hefð var fyrir því að vélum var viðhaldið samkvæmt áætlunum, þar sem seinkun á viðhaldi var hætta á framleiðslustöðvun. Í dag spáir fólk fyrir um eftirstandandi líftíma vélarinnar með því að greina rekstrargögn. Hægt er að nýta lykilbreytur eins og hitastig, hávaða og titring úr skráðum gögnum til að ákvarða bestu rekstrarskilyrði og jafnvel nauðsynleg viðhaldstímabil. Þessi nálgun kemur í veg fyrir óþarfa slit og gerir það kleift að greina snemma hugsanleg vandamál og undirrót þeirra.
Að sama skapi sjá myndskynjarar fyrir iðnaðarsjónskoðun vaxandi eftirspurn í iðnaðarbúnaðargeiranum til að auka framleiðslu skilvirkni og tryggja afraksturshlutfall vöru. Í þessu samhengi verða myndnemar sem notaðir eru við vélsjónskoðun ekki aðeins að skynja sýnilegt ljós heldur einnig að styrkja getu þeirra til að greina ljós á ósýnilegum bylgjulengdum, eins og stuttbylgjuinnrauða (SWIR) litrófinu. Tökum IMX992/993 myndflögur Sony sem dæmi. Þeir samþætta séreignaðri SenSWIR tækni Sony, sem sameinar 3,45-míkron pixla. IMX992 nær 5,32 megapixlum, sem gerir myndmyndun í mikilli upplausn og eykur nákvæmni í ýmsum iðnaðarskoðunar- og mælitækjum.
Oft er þörf á sérhæfðum flísum fyrir sérstakar samskiptareglur í iðnaði, eins og EtherCAT. Sem einn af fyrstu framleiðendum Kína til að setja á markað EtherCAT þrælastýringarflögur, kynnti Yasin Electronics AX58100 árið 2019. Í kjölfarið gaf það út tvöfalda-EtherCAT þrælastýringa með 2/3 tengi, sem skilaði meiri skilvirkni á sama tíma og gerir samtengingu við öll kerfi sem styðja staðlaðar EtherCAT samskiptareglur. Forrit fela í sér inn-/útstýringu á stafrænum merkjum, gagnaöflun skynjara, stýrikerfi ás vélfæra og EtherCAT-til-IO-tengingar aðgerðir aðalgáttar. Myndin til hægri sýnir TL3568 iðnaðar kjarna borð þróað af Chuanglong Technology með því að nota eingöngu innlenda íhluti. Hannað í kringum Rockchip RK3568 örgjörva, það er einnig hægt að nota til að byggja EtherCAT meistara. EtherCAT meistarar þurfa ekki sérstaka flís; þau geta verið útfærð eingöngu í hugbúnaði. Til dæmis, samþætting EtherCAT aðalsamskiptareglunnar í RT-Thread gerir rauntíma-stýringu á servómótorum og fjarstýrð inn/út.
Að lokum bjóða iðnaðar FPGA útfærslur á vélbúnaðarrökfræði með kostum eins og-háhraða samhliða vinnslu, mikið af I/O einingar og hagnýtri margföldun. Hins vegar standa þeir frammi fyrir takmörkunum í sveigjanlegri stjórn og flóknum samskiptareglum. Þetta leiðir okkur að SoC FPGA, sem samþætta harða-örgjörva innan FPGA arkitektúrsins. Þetta dregur úr orkunotkun og kostnaði kerfisins en lágmarkar fótspor móðurborðsins. Þeir halda forritanlegum sveigjanleika FPGAs á sama tíma og þeir viðhalda eindrægni við harða örgjörva vistkerfið. Tökum SALDRAGON röð FPSoC frá Anlu Technology sem kom út á síðasta ári sem dæmi: hún býður upp á valfrjálsa samþættingu á annaðhvort tvískiptur-alkjarna Arm Cortex-A35 eða einn-kjarna 64-bita RISC-V örgjörva, sem leyfir fullnýtingu beggja vistkerfa.
Iðnaðarsamskipti: Yfirráð Ethernet heldur áfram að styrkjast
Eftir áratuga þróun og endurtekningu, falla iðnaðarsamskiptaaðferðir fyrst og fremst í þrjá flokka sem byggjast á líkamlegri útfærslu: iðnaðar Ethernet, fieldbus og þráðlaus iðnaðarnet. Innan iðnaðar Ethernet er ný tækni eins og EtherCAT, PROFINET og EtherCAT nú ráðandi. Fieldbus kerfi ná yfir PROFIBUS DP, Modbus-RTU og CC-Link. Þráðlaus iðnaðarnet, sem hafa aðeins nýlega komið fram í iðnaðarnetum, innihalda vel-þekktar tengilausnir eins og Wi-Fi, Bluetooth og 5G.
Samkvæmt tölfræði HMS hélt Industrial Ethernet áfram að ráða yfir nýjum hnútuppsetningum árið 2023, þar sem markaðshlutdeild þess jókst úr 68% árið áður í 71%-sem er umtalsverð 12% aukning. Þó að PROFINET, EtherNet/IP og EtherCAT séu áfram þrír ráðandi leikmenn á markaðnum, aukast vinsældir PROFINET og EtherCAT jafnt og þétt. Í samanburði við þráðlausa tengingu, er fieldbus enn verulegur hluti af nýjum hnútum. Hins vegar hefur það misst nægilegan skriðþunga á markaði og treystir eingöngu á búnað, vélar og verksmiðjur sem halda áfram að nota þessi vel-virku, tíma-prófuðu flugrútutæki.
Þráðlaus tenging viðheldur heildarstöðugleika. Þrátt fyrir þrálátar kröfur um fullkomlega þráðlausar verksmiðjur, er notkunin enn takmörkuð vegna þess að þörf er á umfangsmikilli snúru-leiðingu og áskoruninni um að búa til umhverfi sem styður þráðlausan aðgang að vélum og farsíma iðnaðarbúnaði.
Rofið á markaðshlutdeild iðnaðarrúta stafar fyrst og fremst af þeim umtalsverðu kostum sem Industrial Ethernet býður upp á umfram hefðbundna iðnaðarrúta. Helsti ávinningurinn er hraði: Ólíkt raðbundnum-iðnaðarrútum, nær Industrial Ethernet verulega meiri hraða, yfir 100 Mbps. Jafnvel mest notaða PROFIBUS iðnaðarrútan, nánar tiltekið háhraða PROFIBUS DP afbrigðið fyrir sjálfvirkni verksmiðju, hefur hámarks stillanlegan hraða sem er háður 12Mbps. Í öðru lagi er sveigjanlegri staðfræði þess. Fyrir flóknar iðnkerfisuppsetningar búa iðnaðarrútur sem nota stórar-keðjustillingar netkerfi sem eru mjög viðkvæm fyrir bilunum. Industrial Ethernet notar hins vegar sveigjanlega staðfræði eins og stjörnukerfi til að byggja upp hraðari og áreiðanlegri iðnaðarnet.
Að lokum, iðnaðarbandalög ýta undir ættleiðingu. Tökum Profinet (ráðandi í iðnaðar-Ethernet) og Profibus (ráðandi í iðnaðarrútum) sem dæmi: þó að bæði séu kynnt af PI, síðan 2016, hefur Profinet farið fram úr Profibus í nýjum hnútuppsetningum tækja. Með alhliða flutningslausnum fyrir brownfield og greenfield sem nú eru fáanlegar heldur þetta bil áfram að aukast.
Eftir því sem fleiri tæki, skynjarar og kerfi tengjast iðnaðarnetum, gerir undirliggjandi þráðlaus tækni eins og Wi-Fi, LoRaWAN og DECT-2020 NR möguleika á að safna og deila mikilvægum iðnaðargögnum þráðlaust. Hins vegar, eftir því sem 5G dreifing og tækniþróun þroskast, beinir iðnaðarframleiðslumarkaðurinn athygli sinni í auknum mæli að farsímakerfistækni - sem áður var sjaldan notuð í iðnaðarnetum vegna áhyggjur af hraða og leynd. Þrátt fyrir þetta eru þráðlaus iðnaðarnet enn krefjandi að nota sem aðallausnina í ákveðnu erfiðu RF umhverfi. Þar að auki, nema þau séu studd af fjarskiptafyrirtækjum, eiga þráðlaus farsímanet eins og 5G í erfiðleikum með að tryggja nauðsynleg netgæði í verksmiðjustillingum.
Hvað varðar markaðshlutdeild er 5G upptaka í þráðlausum iðnaðarnetum enn takmörkuð. Þetta er vegna þess að 5G þráðlaus iðnaðarnetkerfi eru notuð öðruvísi en aðrar netkerfisaðferðir, fyrst og fremst með beinni byggingu fulltengdra 5G verksmiðja. Knúið áfram af 5G+Industrial Internet frumkvæðinu hefur fjöldi verkefna á landsvísu farið yfir 8.000. Iðnaðar- og upplýsingatækniráðuneytið (MIIT) hefur valið og gefið út „2023 5G verksmiðjuskrána“ sem inniheldur viðmiðunarverkefni, en heildarbyggingarfjárfestingar námu 9,73 milljörðum júana. Stóru fjarskiptafyrirtækin þrjú hafa einnig tekið virkan þátt í beinni uppbyggingu iðnaðarneta fyrir 5G verksmiðjur.
Lokahugsanir
Markaðsþróun bendir til þess að sjálfvirkni- og eftirlitsgeirinn í iðnaði sé enn á hraðri þróunarfasa, sérstaklega í Kína, þar sem innlend stefna sem styður umbreytingu og uppfærslu framleiðslu hefur veitt verulegan hvati. Í öðru lagi, styrkt af framförum í andstreymis hálfleiðaraiðnaði, er iðnaðar sjálfvirknigeiri Kína að breytast frá umfangsstækkun yfir í gæðaaukning. Innlend staðgengill fyrir hágæða iðnaðarstýribúnað er ekki lengur bara slagorð. Í iðnaðarsamskiptum, á meðan iðnaðar strætókerfi standa frammi fyrir vaxtaráskorunum, er iðnaðar-Ethernet hraða skiptingarhraða þess. Þráðlaus iðnaðarnet sýna lítilsháttar heildarsamdrátt í vexti, en samt er 5G verksmiðjuuppsetning að hraða, sérstaklega á heimamarkaði.