本文來自微信公眾號(hào)“電子發(fā)燒友網(wǎng)”，作者/周凱揚(yáng)。
從工業(yè)制造行業(yè)近年來的發(fā)展來看，目前工業(yè)自動(dòng)化與控制市場仍處于快速發(fā)展期，在人力成本上升、降本增效和制造商按時(shí)完成任務(wù)的巨大壓力下，工廠使用自動(dòng)化控制技術(shù)的需求已經(jīng)達(dá)到新高。根據(jù)GrandView Research的統(tǒng)計(jì)與預(yù)測數(shù)據(jù)，去年工業(yè)自動(dòng)化與控制市場總值約為1949.9億美元，而這一數(shù)字預(yù)計(jì)將在2030年達(dá)到3799.3億美元。
中國工業(yè)控制市場異軍突起
中國的工業(yè)控制市場也發(fā)生了不小的變動(dòng)，從國家公布的數(shù)據(jù)來看，2023年我國工業(yè)依然實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健增長，新動(dòng)能在加快培育。在規(guī)模以上工業(yè)中，裝備制造業(yè)增加值比上年增長6.8%，占規(guī)模以上工業(yè)增加值比重為33.6%；高技術(shù)制造業(yè)增加值增長2.7%，占規(guī)模以上工業(yè)增加值比重為15.7%。
盡管有所增長，2023年工業(yè)自動(dòng)化復(fù)蘇跡象并不算明顯，世界范圍內(nèi)面臨著經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇動(dòng)力不足的困境，國內(nèi)則面臨著有效需求不足的現(xiàn)狀。與此同時(shí)，國內(nèi)工業(yè)控制與自動(dòng)化行業(yè)競爭依舊十分激烈，西門子、ABB、三菱、安川、歐姆龍、松下等歐美、日本廠商仍然占據(jù)主要份額。匯川、禾川和雷賽等國產(chǎn)自動(dòng)化廠商在上游廠商的支持下，已經(jīng)開始從做大往做強(qiáng)轉(zhuǎn)型。
為何世界范圍內(nèi)與國內(nèi)存在一定的差距，這也得益于國家對制造業(yè)轉(zhuǎn)型和升級的政策扶植。從十四五規(guī)劃發(fā)布以來，國家對于工業(yè)制造產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型和升級提出了前所未有的重視。在提高制造業(yè)核心競爭力的目標(biāo)中，也要求重點(diǎn)研制分散式控制系統(tǒng)、可編程邏輯控制器等工業(yè)控制裝備，并在先進(jìn)控制器、高精度伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等部件上實(shí)現(xiàn)突破。隨著新能源汽車等熱門產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，帶動(dòng)了工廠數(shù)字化轉(zhuǎn)型，各省市也發(fā)布了對數(shù)字化智能標(biāo)桿示范工廠的補(bǔ)貼政策。
工業(yè)控制上下游產(chǎn)業(yè)鏈
接著我們來看看工業(yè)控制的上中下游產(chǎn)業(yè)鏈，上游主要分為控制/通信芯片、設(shè)計(jì)IP、傳感器、元器件和PCB等，而中游根據(jù)工業(yè)控制的不同流程，則分為執(zhí)行層、驅(qū)動(dòng)層、控制層和運(yùn)行監(jiān)控等。其中，執(zhí)行層包括調(diào)節(jié)閥、電機(jī)傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)層包括變頻器、伺服系統(tǒng)等，控制層則包括HMI、DCS、PLC，運(yùn)行監(jiān)控則包含了儀表和工業(yè)視覺系統(tǒng)等。工業(yè)控制的下游細(xì)分產(chǎn)業(yè)很多，不乏一些近年來比較發(fā)展比較熱門的產(chǎn)業(yè)，包括3C制造、新能源汽車、儲(chǔ)能、服務(wù)器、石化和軌道交通等。
從半導(dǎo)體的角度看工控上游，我們可以將其分為四個(gè)大類，分別是工業(yè)傳感器，工業(yè)控制芯片、設(shè)計(jì)IP以及工業(yè)FPGA。工業(yè)傳感器作為工業(yè)控制中游感知層或者說反饋層的核心部件之一，起到了改善工業(yè)流程并提供資產(chǎn)監(jiān)控與保護(hù)的作用。其中國外廠商有安森美、精量電子、西克、基恩士、倍福、霍尼韋爾、歐姆龍、得利捷、勞易測。國內(nèi)廠商有思特威、納芯微、康耐視、北洋集團(tuán)、西人馬、明皜傳感、芯奧微、美芯半導(dǎo)體、飛恩微電子等。
工業(yè)控制芯片和模組這塊，大部分廠商以開發(fā)通用MCU為主，主要廠商包括國外的TI、ADI、ST、Microchip、英飛凌、恩智浦、安森美、瑞薩，國內(nèi)廠商有極海半導(dǎo)體、華大、中穎電子、芯旺微電子、峰岹科技、雅特力、聚辰半導(dǎo)體、新唐、萬高、時(shí)代、航順、賽元、國民技術(shù)、東土科技、中科晶上、芯?？萍肌⒄仔镜鹊?。
同時(shí)隨著差異化需求的提高，設(shè)計(jì)IP也成了上游芯片廠商們不可忽略的一環(huán)，無論是核心IP還是接口IP。國外廠商包括Arm、新思、Cadence、Imagination、瑞薩、Sifive，國內(nèi)廠商包括平頭哥、晶心科技、芯原、燦芯半導(dǎo)體等。
最后是工業(yè)FPGA，隨著工業(yè)機(jī)器人、高精密設(shè)備等行業(yè)的快速發(fā)展，多軸、高性能伺服的尋求也越發(fā)凸顯，所以目前FPGA在伺服驅(qū)動(dòng)、數(shù)控和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域仍有著廣泛應(yīng)用。且FPGA在工業(yè)通信領(lǐng)域也有了不少應(yīng)用場景，比如用于EtherCAT的主站或從站等。國外廠商有AMD（Xilinx）、Intel（Altera）、Lattice、Microchip等，國內(nèi)廠商包括高云半導(dǎo)體、安路科技、紫光同創(chuàng)等。
接著我們以一些上游產(chǎn)品為例，來展示工業(yè)控制市場出現(xiàn)的一些市場趨勢。首先就是機(jī)器人電機(jī)控制，對于需要將處理和實(shí)時(shí)通信結(jié)合的工業(yè)應(yīng)用，比如機(jī)器人電機(jī)控制等，需要更高的實(shí)時(shí)處理性能，同時(shí)支持豐富的工業(yè)通信協(xié)議。但也要選擇擁有足夠性能余量的MCU，用于未來的擴(kuò)展和附加功能。
而這種集成式架構(gòu)中電機(jī)控制往往需要用一個(gè)MCU控制多個(gè)軸控制，所以MCU需要高性能實(shí)時(shí)處理內(nèi)核，比如R5F或DSP等，也需要EtherCAT這樣的實(shí)時(shí)通信接口。以圖中TI的AM2343x多核工業(yè)MCU為例，就最多可集成4個(gè)Cortex-R5F核心，為機(jī)器人多軸電機(jī)控制提供足夠的性能，同時(shí)也能支持EtherCAT等工業(yè)通信協(xié)議的擴(kuò)展。
世健基于TMC4671的全集成伺服電機(jī)控制方案
其次是全集成伺服控制芯片，伺服控制器是用來控制伺服電機(jī)的一種控制器，是現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人及數(shù)控加工中心等自動(dòng)化設(shè)備中。伺服控制芯片在為電機(jī)提供磁場定向控制的同時(shí)，追求更高的驅(qū)動(dòng)效率和動(dòng)態(tài)性能。圖中展示了世健基于TMC4671的全集成伺服電機(jī)控制方案，為直流無刷電機(jī)、永磁同步電機(jī)、2相步進(jìn)電機(jī)、直流有刷電機(jī)和音圈電機(jī)提供磁場定向控制。之所以被稱為全集成，是因?yàn)樗械目刂乒δ芏急患稍谟布希瑫r(shí)集成了ADCs、位置傳感器接口、位置差值器，所以該控制器方案適用于各種伺服應(yīng)用。
接著我們來看下控制層的HMI，以高端工業(yè)HMI為例，需要支持多路顯示，甚至要支持更高的分辨率和幀率，以及擁有更強(qiáng)的圖形顯示性能才能支持更復(fù)雜的可視化交互設(shè)計(jì)。以先楫半導(dǎo)體的HPM6800系列MCU為例，該芯片除了集成了高性能的RISC-V內(nèi)核外，還集成了芯原的2.5D GPU IP，為HMI提供了足夠的圖形性能。除此之外，還有非觸控式的語音控制HMI，這類應(yīng)用往往追求更加緊湊的設(shè)計(jì)，且必須支持預(yù)編程和多語言命令輸入，瑞薩的語音HMI ASSP MCU R9A06G150就是一個(gè)很好的例子。
改善狀態(tài)監(jiān)控和診斷并實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)優(yōu)化，是當(dāng)今人們在使用機(jī)械設(shè)施和技術(shù)系統(tǒng)時(shí)面臨的部分核心挑戰(zhàn)。這個(gè)話題不僅在工業(yè)領(lǐng)域，在任何使用機(jī)械系統(tǒng)的地方都愈加重要。以往，都是根據(jù)計(jì)劃來維護(hù)機(jī)器，延遲維護(hù)可能會(huì)面臨生產(chǎn)停工的風(fēng)險(xiǎn)。如今，人們通過處理機(jī)器的數(shù)據(jù)來預(yù)測其剩余的使用壽命。尤其是溫度、噪聲和振動(dòng)等關(guān)鍵參數(shù)，可以利用記錄的這些數(shù)據(jù)來確定優(yōu)質(zhì)運(yùn)行狀態(tài)，甚至是所需的維護(hù)次數(shù)。此舉可以避免造成不必要的磨損，并且能夠盡早發(fā)現(xiàn)潛在的問題和原因。
上圖就展示了世健基于ADI ADXL355/357的數(shù)字型三軸振動(dòng)傳感器參考設(shè)計(jì)，其中PC GUI對振動(dòng)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT、FIR等時(shí)域/頻域分析，可以廣泛用于電梯狀況監(jiān)控、數(shù)控機(jī)床狀態(tài)反饋、氣泵液泵狀態(tài)監(jiān)控、電機(jī)和齒輪箱狀態(tài)監(jiān)控、風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)控以及機(jī)械臂起重機(jī)等工業(yè)設(shè)備的狀態(tài)反饋和監(jiān)控。
同樣的還有工業(yè)視覺檢測的圖像傳感器，在工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域，為了提高生產(chǎn)效率并保證產(chǎn)品良率的需求持續(xù)增加。在這種情況下，針對用于機(jī)器視覺檢測的圖像傳感器不僅需要感知可見光的能力，也需要加強(qiáng)感知不可見波段光線的能力，比如短波紅外焦段。以索尼的IMX992/993圖像傳感器為例，就集成了其自研的SenSWIR技術(shù)，拼接3.45微米的像素大小，IMX992做到了532萬像素，可以實(shí)現(xiàn)高精細(xì)的成像，提高在各類工業(yè)檢查和測量應(yīng)用中的精度。
在特定的工業(yè)通信協(xié)議中，往往也需要用到專用的芯片，比如EtherCAT。亞信電子是國內(nèi)首批推出EtherCAT從站控制器芯片的廠商，自2019年發(fā)布AX58100后，亞信電子又推出了2/3端口的EtherCAT從站雙核控制器，做到更高效能的同時(shí)，可以所有支持標(biāo)準(zhǔn)EtherCAT通信協(xié)議的系統(tǒng)互聯(lián)?？捎糜跀?shù)字信號(hào)IO控制、傳感器數(shù)據(jù)收集、機(jī)器人轉(zhuǎn)軸控制以及EtherCAT轉(zhuǎn)IO-Link主站網(wǎng)關(guān)等。右圖為創(chuàng)龍科技基于全國產(chǎn)器件打造的工業(yè)核心板TL3568，基于瑞芯微的RK3568處理器設(shè)計(jì)，也可用于打造EtherCAT主站。EtherCAT主站并不需要專用的芯片，只需要在軟件上實(shí)現(xiàn)即可，比如在RT-Thread端集成EtherCAT主站協(xié)議，對伺服電機(jī)和遠(yuǎn)程IO進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。
最后是工業(yè)FPGA，F(xiàn)PGA可以實(shí)現(xiàn)硬件邏輯功能，且具備高速并行處理性能、豐富IO單元和功能復(fù)用等優(yōu)勢，但涉及靈活的控制和復(fù)雜的通信協(xié)議時(shí)，并不占優(yōu)勢。所以我們引出了SoC FPGA，SoC FPGA在FPGA架構(gòu)中集成了硬核處理器，從而降低系統(tǒng)功耗和成本，減小主板面積。在具備FPGA可編程靈活性的同時(shí)，也兼容硬核處理器的生態(tài)。以安路科技去年發(fā)布的SALDRAGON系列FPSoC為例，就可選集成雙核Arm Cortex-A35或單核64位芯來RISC-V處理器的版本，從而充分利用兩者的生態(tài)系統(tǒng)。
工業(yè)通信，以太網(wǎng)主導(dǎo)地位繼續(xù)加固
工業(yè)通信方式經(jīng)過數(shù)十年的演變迭代，基于物理實(shí)現(xiàn)方式主要分為工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線以及工業(yè)無線網(wǎng)，其中工業(yè)以太網(wǎng)中占主導(dǎo)的為EtherCAT、PROFINET以及EtherCAT等后起之秀，而現(xiàn)場總線則包括了PROFIBUS DP、Modbus-RTU、CC-Link等，近年來才開始在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)身的工業(yè)無線網(wǎng)，則包括大家熟知的Wi-Fi、藍(lán)牙和5G等連接方式。
2023年新增節(jié)點(diǎn)各工業(yè)通信方式占比/HMS
根據(jù)HMS的統(tǒng)計(jì)，在2023年的新增節(jié)點(diǎn)中，工業(yè)以太網(wǎng)依然占據(jù)主導(dǎo)地位，份額更是從前年的68%提高至71%，增長高達(dá)12%。雖然市面上依然是PROFINET、EtherNet/IP、和EtherCAT三家獨(dú)大的局面，但PROFINET、EtherCAT的受歡迎程度在逐漸提高。相較無線連接，現(xiàn)場總線依然占據(jù)新增節(jié)點(diǎn)的很大一部分，但失去了足夠的市場動(dòng)力，只是依賴于設(shè)備、機(jī)器和工廠繼續(xù)沿用這些功能良好，且久經(jīng)驗(yàn)證的現(xiàn)場總線設(shè)備。
無線連接整體保持穩(wěn)定的狀態(tài)，雖然打造全無線工廠的口號(hào)一直不絕于耳，但對于工廠環(huán)境而言，需要重新更換電纜布局，打造一個(gè)無線機(jī)器訪問和移動(dòng)工業(yè)設(shè)備的環(huán)境，接受度仍有待提高。
之所以工業(yè)總線的市場份額在被逐漸蠶食，還是因?yàn)楣I(yè)以太網(wǎng)相比工業(yè)總線存在不小的優(yōu)勢。首先就是更快的速度：相較于串聯(lián)通信的工業(yè)總線，工業(yè)以太網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)更高的速度，甚至超過100Mbps，而最常用的PROFIBUS工業(yè)總線，即便是用于工廠自動(dòng)化的高速版本PROFIBUS DP，最高可配置速度也只有12Mbps。其次是更靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對于更復(fù)雜的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)部署，工業(yè)總線如果采用大型菊花鏈的形式部署，則會(huì)形成一個(gè)對故障極為敏感的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。而工業(yè)以太網(wǎng)通過星型等靈活拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，打造更加高速可靠的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。
最后則是產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的推動(dòng)，以工業(yè)以太網(wǎng)中占比最高的Profinet和工業(yè)總線中占比最高的Profibus為例，盡管PROFIBUS和PROFINET都是由PI推廣的，但從2016年開始后者的新增設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)就已經(jīng)開始超過前者了，在已經(jīng)具備完整的棕地和綠地遷移方案的助力下，這一差距還在繼續(xù)擴(kuò)大。
隨著越來越多的設(shè)備、傳感器和系統(tǒng)接入工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，Wi-Fi、LoRaWan和DECT-2020 NR等底層無線連接技術(shù)提供了無線收集和共享這些工業(yè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的可行性。但5G部署和技術(shù)演進(jìn)逐步成熟，工業(yè)制造市場已經(jīng)開始將目光放向曾經(jīng)因?yàn)樗俾屎脱舆t而極少用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。盡管對于一些RF環(huán)境惡劣的工業(yè)場景而言，工業(yè)無線網(wǎng)還是很難作為首選，而且除非有電信運(yùn)營商的介入，5G之類的蜂窩無線網(wǎng)很難保證在工廠環(huán)境發(fā)揮出其應(yīng)有的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。
國內(nèi)5G工廠發(fā)展/工信部
單看占比，5G在工業(yè)無線網(wǎng)中落地還不算多，這是因?yàn)?G工業(yè)無線網(wǎng)的普及方式相較其他布網(wǎng)方式有所不同，多以直接建設(shè)全連接5G工廠為主。在5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的推動(dòng)下，全國項(xiàng)目數(shù)已經(jīng)超過8000個(gè)。工信部也針對其中的標(biāo)桿項(xiàng)目，遴選并發(fā)布了《2023年5G工廠名錄》，建設(shè)投資總額達(dá)到了97.3億元。三大運(yùn)營商也紛紛參與到了5G工廠的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)直接建設(shè)中來。
寫在最后
從市場趨勢來看，工業(yè)自動(dòng)化與控制市場仍處于快速發(fā)展期，尤其是中國，國家政策支持制造業(yè)轉(zhuǎn)型和升級起到了極大的助力。其次，得益于上游芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國產(chǎn)工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)開始從做大往做強(qiáng)轉(zhuǎn)型，高端工控設(shè)備的國產(chǎn)替代已經(jīng)不再只是說說而已。而在工業(yè)通信上，工業(yè)總線增長動(dòng)力不足，工業(yè)以太網(wǎng)正加快替代速度。工業(yè)無線網(wǎng)整體增速略有下滑，但5G工廠布局加快，尤其是國內(nèi)市場。
