Na temelju nedavnih razvoja u sektoru industrijske proizvodnje, tržište industrijske automatizacije i upravljanja ostaje u fazi brzog rasta. Potaknuti rastućim troškovima rada, pritiskom da se smanje troškovi i povećaju učinkovitost te intenzivnom potrebom proizvođača da poštuju rokove, potražnja za tehnologijama automatizacije upravljanja u tvornicama dosegla je neviđene razine. Prema statistikama i projekcijama Grand View Researcha, tržište industrijske automatizacije i upravljanja procijenjeno je na približno 194,99 milijardi dolara prošle godine, a predviđa se da će ta brojka dosegnuti 379,93 milijarde dolara do 2030. godine.
Kinesko tržište industrijske kontrole pojavljuje se kao glavni igrač
Kinesko tržište industrijske kontrole također je prošlo kroz značajne promjene. Prema nacionalnim podacima, kineski industrijski sektor zadržao je stabilan rast u 2023., uz ubrzavanje novih pokretača rasta. Među velikim-industrijskim poduzećima, dodana vrijednost proizvodnje opreme porasla je za 6,8% godišnje-na-godinu, što čini 33,6% ukupne dodane vrijednosti velikih-industrijskih poduzeća. Dodana vrijednost visoko{10}}tehnološke proizvodnje porasla je za 2,7%, što predstavlja 15,7% ukupne dodane vrijednosti velikih{13}}industrijskih poduzeća.
Zašto postoji određeni jaz između svjetskog i domaćeg tržišta? To se uvelike može pripisati potpori nacionalne politike za transformaciju i nadogradnju proizvodnje. Od objavljivanja 14. peto-godišnjeg plana, država je stavila naglasak bez presedana na transformaciju i nadogradnju industrijskog proizvodnog sektora. Unutar cilja povećanja osnovne konkurentnosti proizvodnje, snažan je fokus na razvoju opreme za industrijsku kontrolu kao što su distribuirani kontrolni sustavi i programabilni logički kontroleri, dok se također postižu otkrića u komponentama kao što su napredni kontroleri i visoko-precizni servo pogonski sustavi. Brzi razvoj vrućih industrija kao što su vozila s novom energijom potaknuo je digitalnu transformaciju tvornica, a pokrajine i gradovi uveli su politike subvencioniranja za demonstracijske tvornice digitalnih inteligentnih referentnih vrijednosti.
Industrijska kontrola uzvodnog, srednjeg i nizvodnog lanca opskrbe
Zatim, ispitajmo uzvodni, srednji i nizvodni lanac opskrbe industrijske kontrole. Upstream se primarno sastoji od kontrolnih/komunikacijskih čipova, dizajna IP-a, senzora, komponenti i PCB-a. Srednji tok, temeljen na različitim procesima industrijske kontrole, podijeljen je na izvršni sloj, pogonski sloj, kontrolni sloj i radni nadzor. Izvedbeni sloj uključuje regulacijske ventile i motorne pogone; pogonski sloj obuhvaća pogone promjenjive frekvencije i servo sustave; upravljački sloj pokriva HMI, DCS i PLC; a radni nadzor uključuje instrumente i sustave industrijskog vida. Nizvodni segment industrijske kontrole obuhvaća brojne specijalizirane industrije, uključujući nekoliko koje su posljednjih godina dobile značajan značaj: 3C proizvodnja, nova energetska vozila, skladištenje energije, poslužitelji, petrokemija i željeznički prijevoz.
Iz perspektive poluvodiča, uzvodni sektor industrijske kontrole može se kategorizirati u četiri glavna segmenta: industrijski senzori, industrijski upravljački čipovi, dizajn IP i industrijski FPGA. Industrijski senzori, kao ključne komponente sloja percepcije (ili sloja povratnih informacija) u sredini industrijske kontrole, igraju vitalnu ulogu u optimizaciji industrijskih procesa i osiguravanju nadzora i zaštite imovine. Strani proizvođači uključuju ON Semiconductor, Precision Electronics, SICK, Keyence, Beckhoff, Honeywell, Omron, Datalogic i Leica Geosystems. Domaći igrači obuhvaćaju SmartSens, NXMicro, Cognex, Beiyang Group, XCMG, Minghao Sensing, XiaoAowei, Meixin Semiconductor i Feien Microelectronics.
U sektoru industrijskih kontrolnih čipova i modula većina se proizvođača usredotočuje na razvoj MCU-ova-opće namjene. Ključni igrači uključuju međunarodne tvrtke kao što su TI, ADI, ST, Microchip, Infineon, NXP, ON Semiconductor i Renesas, uz domaće proizvođače kao što su JiHai Semiconductor, Huada, Zhongying Electronics, Xinwang Microelectronics, Fengteng Technology, Artel, Jucheng Semiconductor, Nuvoton, Vanguard, Times, Hangshun, Saiyuan, Guoguo Technology, Dongtu Technology, Zhongke Jingshang, Xinhai Technology i Zhaoxin.
Istovremeno, kako se diferencirani zahtjevi povećavaju, dizajn IP je postao nezamjenjiva komponenta za proizvođače čipova uzvodno, obuhvaćajući i osnovni IP i IP sučelja. Međunarodni igrači uključuju Arm, Synopsys, Cadence, Imagination, Renesas i Sifive, dok domaće tvrtke uključuju PingTouGe, Andes Technology, VeriSilicon i CanSemi.
Konačno, industrijski FPGA-ovi imaju značajnu potražnju u sektorima koji se brzo razvijaju kao što su industrijska robotika i visoko-precizna oprema, gdje je više-osna,-servo kontrola sve kritičnija. Posljedično, FPGA i dalje su naširoko raspoređeni u servo pogonima, CNC sustavima i industrijskoj automatizaciji. Također nalaze primjenu u industrijskim komunikacijama, kao što je EtherCAT master ili slave. Međunarodni proizvođači uključuju AMD (Xilinx), Intel (Altera), Lattice i Microchip. Domaći proizvođači uključuju Gowin Semiconductor, Anlu Technology i Unisoc.
Zatim ćemo koristiti neke uzvodne proizvode kao primjere za ilustraciju novih trendova na tržištu industrijske kontrole. Prvo je upravljanje motorom robota. Industrijske aplikacije koje zahtijevaju integraciju obrade i-komunikacije u stvarnom vremenu-kao što je kontrola motora robota-zahtijevaju veću-izvedbu obrade u stvarnom vremenu dok podržavaju širok raspon industrijskih komunikacijskih protokola. Međutim, također je ključno odabrati MCU s dovoljno prostora za performanse za buduća proširenja i dodatne značajke.
Unutar takvih integriranih arhitektura, kontrola motora često zahtijeva jedan MCU za upravljanje višestrukim osima. Posljedično, MCU mora uključivati visoko{1}}jezgre za-procesiranje u stvarnom vremenu, kao što su R5F ili DSP, uz-komunikacijska sučelja u stvarnom-vremenu kao što je EtherCAT. Uzmimo TI-jev AM2343x multi-industrijski MCU prikazan na dijagramu kao primjer. Može integrirati do četiri Cortex-R5F jezgre, pružajući dovoljno performansi za više-kontrolu motora u robotici, dok također podržava proširenje s industrijskim komunikacijskim protokolima kao što je EtherCAT.
Sljedeći je potpuno integrirani servo upravljački čip. Servo kontroleri su uređaji koji se koriste za regulaciju servo motora, a služe kao vitalna komponenta u modernim sustavima upravljanja kretanjem. Široko su raspoređeni u automatiziranoj opremi kao što su industrijski roboti i CNC obradni centri. Čipovi za servo upravljanje osiguravaju kontrolu orijentacije magnetskog polja za motore dok teže višoj učinkovitosti pogona i dinamičkim performansama. Dijagram ilustrira potpuno integrirano rješenje za upravljanje servo motorom tvrtke Shijian temeljeno na TMC4671, pružajući-kontrolu usmjerenu na polje za istosmjerne motore bez četkica, sinkrone motore s trajnim magnetima, 2-fazne koračne motore, brušene istosmjerne motore i motore sa glasovnom zavojnicom. Naziva se "potpuno integriranim" jer su sve kontrolne funkcije konsolidirane unutar hardvera, zajedno s integriranim ADC-ovima, sučeljima senzora položaja i interpolatorima položaja. Stoga je ovo upravljačko rješenje prikladno za različite servo aplikacije.
Zatim, ispitajmo HMI kontrolnog sloja. Uzimajući vrhunske-industrijske HMI-ove kao primjer, oni zahtijevaju podršku za više-mogućnosti zaslona, veće razlučivosti i broj sličica u sekundi te poboljšane grafičke performanse kako bi se omogućio složeniji dizajn vizualne interakcije. Uzmimo HPM6800 seriju MCU iz Xianji Semiconductor kao primjer. Osim integriranja RISC-V jezgre visokih{6}}izvedbi, ovaj čip također uključuje VeriSiliconov 2.5D GPU IP, pružajući dovoljne grafičke performanse za HMI aplikacije. Osim toga, ne{10}}glasovno{11}}kontrolirani HMI-ovi često daju prednost kompaktnom dizajnu dok zahtijevaju podršku za unaprijed-programirane i višejezične unose naredbi. Renesasov glasovni HMI ASSP MCU, R9A06G150, primjer je ovog pristupa.
Poboljšanje praćenja stanja i dijagnostike uz postizanje cjelokupne optimizacije sustava predstavlja ključni izazov u današnjoj uporabi mehaničkih objekata i tehničkih sustava. Ova tema je sve kritičnija ne samo u industrijskim okruženjima, već svugdje gdje se koriste mehanički sustavi. Tradicionalno su se strojevi održavali prema rasporedu, a odgođeno održavanje dovodilo je u opasnost prekid proizvodnje. Danas ljudi predviđaju preostali životni vijek stroja analizom operativnih podataka. Ključni parametri poput temperature, buke i vibracija mogu se iskoristiti iz snimljenih podataka kako bi se odredili optimalni radni uvjeti, pa čak i potrebni intervali održavanja. Ovaj pristup sprječava nepotrebno trošenje i istovremeno omogućuje rano otkrivanje potencijalnih problema i njihovih temeljnih uzroka.
Slično tome, senzori slike za industrijsku vizualnu inspekciju bilježe sve veću potražnju u sektoru industrijske opreme kako bi se poboljšala učinkovitost proizvodnje i osigurale stope prinosa proizvoda. U tom kontekstu, senzori slike koji se koriste za inspekciju strojnog vida ne samo da moraju percipirati vidljivu svjetlost, već i ojačati svoju sposobnost detekcije svjetlosti u nevidljivim valnim duljinama, kao što je kratko{1}}valni infracrveni (SWIR) spektar. Uzmimo Sonyjeve senzore slike IMX992/993 kao primjer. Oni integriraju Sonyjevu vlasničku tehnologiju SenSWIR, kombinirajući piksele od 3,45-mikrona. IMX992 postiže 5,32 megapiksela, omogućujući slike visoke razlučivosti i poboljšavajući točnost u raznim industrijskim inspekcijskim i mjernim aplikacijama.
Specijalizirani čipovi često su potrebni za specifične industrijske komunikacijske protokole, kao što je EtherCAT. Kao jedan od prvih proizvođača u Kini koji je lansirao čipove EtherCAT podređenog kontrolera, Yasin Electronics je 2019. predstavio AX58100. Nakon toga je izdao dvojezgrene-podređene kontrolere EtherCAT s 2/3 porta, pružajući veću učinkovitost uz omogućavanje međusobnog povezivanja sa svim sustavima koji podržavaju standardne EtherCAT komunikacijske protokole. Primjene uključuju kontrolu ulaza/izlaza digitalnog signala, prikupljanje podataka senzora, kontrolu robotske osi i funkcije EtherCAT-to-IO-Link master gateway. Slika s desne strane prikazuje TL3568 ploču s industrijskom jezgrom koju je razvila tvrtka Chuanglong Technology koristeći potpuno domaće komponente. Dizajniran oko Rockchipovog RK3568 procesora, također se može koristiti za izradu EtherCAT mastera. EtherCAT masteri ne zahtijevaju namjenske čipove; mogu se implementirati isključivo softverski. Na primjer, integracija glavnog protokola EtherCAT u RT-Thread omogućuje-kontrolu servo motora i daljinskog I/O-a u stvarnom vremenu.
Konačno, industrijski FPGA nude implementaciju hardverske logike s prednostima kao što su velika-brza paralelna obrada, obilje I/O jedinica i funkcionalno multipleksiranje. Međutim, suočavaju se s ograničenjima u fleksibilnoj kontroli i složenim komunikacijskim protokolima. To nas vodi do SoC FPGA, koji integriraju hard{3}}procesore unutar FPGA arhitekture. To smanjuje potrošnju energije i troškove sustava, a istovremeno minimalizira otisak matične ploče. Zadržavaju programibilnu fleksibilnost FPGA-a dok održavaju kompatibilnost s ekosustavom tvrdog procesora. Uzmimo Anlu Technology SALDRAGON seriju FPSoC objavljenu prošle godine kao primjer: nudi izbornu integraciju bilo dvojezgrenog-Arm Cortex-A35 ili jedno{10}}jezgrenog 64-bitnog RISC-V procesora, dopuštajući potpuno korištenje obaju ekosustava.
Industrijske komunikacije: Dominacija Etherneta nastavlja jačati
Nakon desetljeća evolucije i ponavljanja, metode industrijske komunikacije prvenstveno spadaju u tri kategorije na temelju fizičke implementacije: industrijski Ethernet, fieldbus i industrijske bežične mreže. Unutar industrijskog Etherneta sada dominiraju nove tehnologije kao što su EtherCAT, PROFINET i EtherCAT. Sustavi sabirnice polja obuhvaćaju PROFIBUS DP, Modbus-RTU i CC-Link. Industrijske bežične mreže, koje su se tek nedavno pojavile u industrijskom umrežavanju, uključuju dobro-poznata rješenja povezivanja kao što su Wi-Fi, Bluetooth i 5G.
Prema statistici HMS-a, Industrijski Ethernet nastavio je dominirati instalacijama novih čvorova u 2023., a njegov tržišni udio porastao je sa 68% prethodne godine na 71%-što je značajno povećanje od 12%. Dok PROFINET, EtherNet/IP i EtherCAT ostaju tri dominantna igrača na tržištu, popularnost PROFINET-a i EtherCAT-a stalno raste. U usporedbi s bežičnim povezivanjem, fieldbus još uvijek čini značajan udio novih čvorova. Međutim, izgubio je dovoljan tržišni zamah i oslanja se isključivo na opremu, strojeve i tvornice koje nastavljaju koristiti ove dobro-funkcionalne, vremenski-testirane uređaje sabirnice polja.
Bežično povezivanje održava ukupnu stabilnost. Unatoč upornim zahtjevima za potpuno bežičnim tvornicama, usvajanje je i dalje ograničeno zbog potrebe za opsežnim preusmjeravanjem kabela i izazova stvaranja okruženja koje podržava bežični pristup strojevima i mobilnu industrijsku opremu.
Erozija tržišnog udjela industrijskih sabirnica prvenstveno proizlazi iz značajnih prednosti koje nudi industrijski Ethernet u odnosu na tradicionalne industrijske sabirnice. Najvažnija prednost je brzina: za razliku od industrijskih sabirnica-temeljenih na serijskoj mreži, Industrijski Ethernet postiže značajno veće brzine, preko 100 Mbps. Čak i najčešće korištena PROFIBUS industrijska sabirnica, posebno -brza PROFIBUS DP varijanta za tvorničku automatizaciju, ima maksimalnu konfigurabilnu brzinu ograničenu na 12Mbps. Drugo je njegova fleksibilnija topologija. Za implementacije složenih industrijskih mreža, industrijske sabirnice koje koriste velike-lančane konfiguracije stvaraju mreže vrlo osjetljive na kvarove. Međutim, industrijski Ethernet koristi fleksibilne topologije poput zvjezdanih mreža za izgradnju bržih i pouzdanijih industrijskih mreža.
Konačno, industrijski savezi potiču usvajanje. Uzmimo Profinet (dominantan u industrijskom Ethernetu) i Profibus (dominantan u industrijskim sabirnicama) kao primjere: iako oba promiče PI, od 2016. Profinet je nadmašio Profibus u instalacijama novih čvorova uređaja. S sada dostupnim sveobuhvatnim rješenjima za migraciju brownfield i greenfield, ovaj jaz se nastavlja povećavati.
Kako se sve više uređaja, senzora i sustava povezuje s industrijskim mrežama, temeljne bežične tehnologije kao što su Wi-Fi, LoRaWAN i DECT-2020 NR omogućuju izvedivost bežičnog prikupljanja i dijeljenja kritičnih industrijskih podataka. Međutim, kako implementacija 5G i tehnološka evolucija sazrijevaju, tržište industrijske proizvodnje sve više usmjerava pozornost na tehnologije mobilnih mreža - koje su se prije rijetko koristile u industrijskim mrežama zbog zabrinutosti oko brzine i latencije. Unatoč tome, industrijske bežične mreže i dalje je izazovno prihvatiti kao primarno rješenje u određenim surovim RF okruženjima. Štoviše, osim ako ih ne podržavaju telekom operateri, mobilne bežične mreže poput 5G teško mogu jamčiti potrebnu kvalitetu mreže u tvorničkim postavkama.
Što se tiče tržišnog udjela, usvajanje 5G u industrijskim bežičnim mrežama i dalje je ograničeno. To je zato što se 5G industrijske bežične mreže postavljaju drugačije od drugih metoda umrežavanja, prvenstveno kroz izravnu izgradnju potpuno povezanih 5G tvornica. Potaknut inicijativom 5G+Industrial Internet, broj projekata diljem zemlje premašio je 8000. Ministarstvo industrije i informacijske tehnologije (MIIT) odabralo je i objavilo "2023 5G Factory Directory" koji sadrži referentne projekte, s ukupnim građevinskim ulaganjima koja dosežu 9,73 milijarde juana. Tri glavna telekom operatera također su aktivno sudjelovala u izravnoj izgradnji industrijskih mreža za 5G tvornice.
Završne misli
Tržišni trendovi pokazuju da je sektor industrijske automatizacije i upravljanja i dalje u fazi brzog razvoja, osobito u Kini, gdje su nacionalne politike koje podržavaju transformaciju i nadogradnju proizvodnje dale značajan poticaj. Drugo, potkrijepljen napretkom u industriji poluvodiča uzvodno, kineski sektor industrijske automatizacije prelazi s širenja opsega na poboljšanje kvalitete. Domaća zamjena za vrhunsku-industrijsku upravljačku opremu više nije samo slogan. U industrijskim komunikacijama, dok se sustavi industrijskih sabirnica suočavaju s izazovima rasta, industrijski Ethernet ubrzava tempo zamjene. Industrijske bežične mreže pokazuju lagano sveukupno usporavanje rasta, ali tvorničke implementacije 5G ubrzavaju se, osobito na domaćem tržištu.