Teollisen valmistussektorin viimeaikaisen kehityksen perusteella teollisuusautomaatio- ja ohjausmarkkinat ovat edelleen nopean kasvun vaiheessa. Nousevien työvoimakustannusten, kustannusten alentamiseen ja tehokkuuden lisäämiseen liittyvien paineiden sekä valmistajien kiihkeän määräaikojen noudattamisen johdosta automaation ohjausteknologioiden kysyntä tehtaissa on saavuttanut ennennäkemättömän tason. Grand View Researchin tilastojen ja ennusteiden mukaan teollisuusautomaatio- ja ohjausmarkkinoiden arvoksi arvioitiin viime vuonna noin 194,99 miljardia dollaria, ja luvun ennustetaan nousevan 379,93 miljardiin dollariin vuoteen 2030 mennessä.
Kiinan teollisuuden valvontamarkkinat nousevat merkittäväksi toimijaksi
Myös Kiinan teollisuuden ohjausmarkkinat ovat kokeneet merkittäviä muutoksia. Kansallisten tietojen mukaan Kiinan teollisuus säilytti tasaisen kasvun vuonna 2023 uusien kasvun ajureiden kiihtyessä. Suurteollisuuden yrityksistä laitevalmistuksen arvonlisäys kasvoi 6,8 % edellisvuodesta ja sen osuus suurteollisuuden yritysten kokonaisarvonlisäyksestä oli 33,6 %. Korkean teknologian valmistuksen arvonlisäys kasvoi 2,7 %, mikä on 15,7 % suurteollisuuden yritysten kokonaisarvonlisäyksestä.
Miksi globaalien ja kotimaisten markkinoiden välillä on tietty kuilu? Tämä johtuu suurelta osin kansallisen politiikan tuesta valmistuksen muuttamiselle ja parantamiselle. 14. viisivuotissuunnitelman julkaisemisen jälkeen kansakunta on ennennäkemättömän painottanut teollisen valmistussektorin muutosta ja parantamista. Valmistuksen ydinkilpailukyvyn parantamiseksi keskitytään vahvasti teollisuuden ohjauslaitteiden, kuten hajautettujen ohjausjärjestelmien ja ohjelmoitavien logiikkaohjaimien, kehittämiseen sekä saavutetaan läpimurtoja komponenteissa, kuten edistyneissä ohjaimissa ja erittäin tarkoissa servokäyttöjärjestelmissä. Kuumien teollisuudenalojen, kuten uusien energiaajoneuvojen, nopea kehitys on johtanut tehtaiden digitaaliseen transformaatioon, kun maakunnat ja kaupungit ottavat käyttöön tukipolitiikkaa digitaalisille älykkäille esittelytehtaille.
Teollisuuden ohjaus tuotantoketjun alku-, keski- ja loppupäässä
Seuraavaksi tarkastellaan teollisen ohjauksen alku-, keski- ja loppupään toimitusketjua. Ylävirta koostuu pääasiassa ohjaus-/kommunikaatiosiruista, suunnittelu-IP:stä, antureista, komponenteista ja piirilevyistä. Keskivirta, joka perustuu erilaisiin teollisiin ohjausprosesseihin, on jaettu suorituskerrokseen, käyttökerrokseen, ohjauskerrokseen ja toiminnan valvontaan. Suorituskerros sisältää ohjausventtiilejä ja moottorikäyttöjä; käyttökerros käsittää taajuusmuuttajakäytöt ja servojärjestelmät; ohjauskerros kattaa käyttöliittymät, DCS:t ja PLC:t; ja toimintavalvonta sisältää instrumentteja ja teollisia näköjärjestelmiä. Teollisuuden ohjauksen loppupään segmentti kattaa useita erikoistuneita toimialoja, mukaan lukien useat, jotka ovat saaneet merkittävää vetovoimaa viime vuosina: 3C-valmistus, uudet energiaajoneuvot, energian varastointi, palvelimet, petrokemianteollisuus ja rautatieliikenne.
Puolijohteiden näkökulmasta tuotantoketjun alkupään teollisuusohjaussektori voidaan luokitella neljään pääsegmenttiin: teollisuusanturit, teollisuusohjauspiirit, suunnittelu-IP ja teolliset FPGA:t. Teollisuusantureilla, jotka ovat havaintokerroksen (tai palautekerroksen) ydinkomponentteja teollisen ohjauksen puolivälissä, on tärkeä rooli teollisten prosessien optimoinnissa ja omaisuuden valvonnassa ja suojauksessa. Ulkomaisia valmistajia ovat ON Semiconductor, Precision Electronics, SICK, Keyence, Beckhoff, Honeywell, Omron, Datalogic ja Leica Geosystems. Kotimaisia pelaajia ovat SmartSens, NXMicro, Cognex, Beiyang Group, XCMG, Minghao Sensing, XiaoAowei, Meixin Semiconductor ja Feien Microelectronics.
Teollisuuden ohjaussiru- ja moduulisektorilla useimmat valmistajat keskittyvät yleiskäyttöisten MCU:iden kehittämiseen. Avaintoimijoita ovat kansainväliset yritykset, kuten TI, ADI, ST, Microchip, Infineon, NXP, ON Semiconductor ja Renesas sekä kotimaiset valmistajat, kuten JiHai Semiconductor, Huada, Zhongying Electronics, Xinwang Microelectronics, Fengteng Technology, Artel, Jucheng Semiconductor, Nuvo Timeton, Vanguard, Nuvo Timeton. Saiyuan, Guoguo Technology, Dongtu Technology, Zhongke Jingshang, Xinhai Technology ja Zhaoxin.
Samaan aikaan, kun erilaiset vaatimukset kasvavat, suunnittelu-IP:stä on tullut välttämätön komponentti alkupään siruvalmistajille, joka kattaa sekä ydin-IP:n että rajapinta-IP:n. Kansainvälisiä toimijoita ovat Arm, Synopsys, Cadence, Imagination, Renesas ja Sifive, kun taas kotimaisia yrityksiä ovat PingTouGe, Andes Technology, VeriSilicon ja CanSemi.
Lopuksi, teollisuus-FPGA:t näkevät merkittävää kysyntää nopeasti kehittyvillä aloilla, kuten teollisuusrobotiikassa ja korkean tarkkuuden laitteissa, joissa moniakselinen ja tehokas servoohjaus on yhä kriittisempi. Tästä syystä FPGA:t ovat edelleen laajalti käytössä servokäytöissä, CNC-järjestelmissä ja teollisuusautomaatiossa. Niille löytyy myös sovelluksia teollisessa viestinnässä, kuten EtherCAT-isäntänä tai orjana. Kansainvälisiä valmistajia ovat AMD (Xilinx), Intel (Altera), Lattice ja Microchip. Kotimaisia valmistajia ovat Gowin Semiconductor, Anlu Technology ja Unisoc.
Seuraavaksi käytämme joitain tuotantoketjun alkupään tuotteita esimerkkeinä havainnollistamaan nousevia trendejä teollisuuden ohjausmarkkinoilla. Ensimmäinen on robotin moottorin ohjaus. Teolliset sovellukset, jotka edellyttävät prosessoinnin ja reaaliaikaisen viestinnän integrointia, kuten robottimoottorin ohjaus, vaativat parempaa reaaliaikaista käsittelyä samalla kun ne tukevat laajaa valikoimaa teollisia viestintäprotokollia. On kuitenkin myös tärkeää valita MCU, jolla on riittävästi suorituskykyä tulevaa laajennusta ja lisäominaisuuksia varten.
Tällaisissa integroiduissa arkkitehtuureissa moottorin ohjaus vaatii usein yhden MCU:n useiden akselien hallitsemiseksi. Tästä syystä MCU:n on sisällettävä korkean suorituskyvyn reaaliaikaisia prosessointiytimiä, kuten R5F tai DSP, sekä reaaliaikaisia viestintäliittymiä, kuten EtherCAT. Otetaan esimerkkinä TI:n AM2343x moniytiminen teollisuus-MCU, joka näkyy kaaviossa. Se voi integroida jopa neljä Cortex-R5F-ydintä, mikä tarjoaa runsaasti suorituskykyä moniakseliseen moottorin ohjaukseen robotiikassa ja tukee myös laajentamista teollisilla viestintäprotokollalla, kuten EtherCAT.
Seuraavana on täysin integroitu servo-ohjauspiiri. Servoohjaimet ovat laitteita, joita käytetään servomoottoreiden säätelyyn, ja ne ovat tärkeä osa nykyaikaisia liikkeenohjausjärjestelmiä. Niitä käytetään laajalti automatisoiduissa laitteissa, kuten teollisuusroboteissa ja CNC-työstökeskuksissa. Servo-ohjauspiirit tarjoavat magneettikentän suuntauksen ohjauksen moottoreille samalla, kun ne pyrkivät parempaan käyttötehokkuuteen ja dynaamiseen suorituskykyyn. Kaavio havainnollistaa Shijianin täysin integroitua servomoottorin ohjausratkaisua, joka perustuu TMC4671:een. Se tarjoaa kenttäsuuntaisen ohjauksen harjattomille tasavirtamoottoreille, kestomagneettisynkronimoottoreille, 2-vaiheisille askelmoottoreille, harjatuille DC-moottoreille ja äänikelamoottoreille. Sitä kutsutaan "täysin integroiduksi", koska kaikki ohjaustoiminnot on yhdistetty laitteistoon integroitujen ADC:iden, paikkaanturiliitäntöjen ja paikkainterpolaattorien rinnalla. Näin ollen tämä ohjainratkaisu soveltuu erilaisiin servosovelluksiin.
Seuraavaksi tarkastellaan ohjauskerroksen käyttöliittymää. Esimerkiksi huippuluokan teolliset käyttöliittymät vaativat tukea useille näyttöille, korkeampia resoluutioita ja kuvanopeuksia sekä parannettua grafiikkasuorituskykyä monimutkaisempien visuaalisen vuorovaikutuksen suunnittelun mahdollistamiseksi. Otetaan esimerkkinä Xianji Semiconductorin HPM6800-sarjan MCU. Suorituskykyisen RISC-V-ytimen integroinnin lisäksi tässä sirussa on myös VeriSiliconin 2.5D GPU IP, joka tarjoaa riittävän näytönohjaimen käyttöliittymäsovelluksiin. Tämän lisäksi puheohjatut käyttöliittymät, joissa ei ole kosketusta, asettavat usein etusijalle pienikokoiset mallit, mutta ne vaativat tukea esiohjelmoiduille ja monikielisille komentotuloille. Renesasin ääni HMI ASSP MCU, R9A06G150, on esimerkki tästä lähestymistavasta.
Kunnonvalvonnan ja diagnostiikan parantaminen sekä kokonaisjärjestelmän optimointi on keskeinen haaste nykypäivän mekaanisten laitteiden ja teknisten järjestelmien käytössä. Tämä aihe on yhä kriittisempi paitsi teollisuusympäristöissä myös kaikkialla, missä mekaanisia järjestelmiä käytetään. Perinteisesti koneita huollettiin aikataulujen mukaan, ja viivästynyt huolto vaaransi tuotantokatkoksia. Nykyään ihmiset ennustavat koneen jäljellä olevan käyttöiän analysoimalla käyttötietoja. Tärkeimmät parametrit, kuten lämpötila, melu ja tärinä, voidaan hyödyntää tallennettujen tietojen perusteella optimaalisten käyttöolosuhteiden ja jopa vaadittujen huoltovälien määrittämiseksi. Tämä lähestymistapa estää tarpeetonta kulumista ja mahdollistaa mahdollisten ongelmien ja niiden perimmäisten syiden varhaisen havaitsemisen.
Vastaavasti teollisten näöntarkastusten kuva-antureille on kysyntää teollisuuslaitteiden alalla tuotannon tehokkuuden parantamiseksi ja tuotteiden tuottoprosentin varmistamiseksi. Tässä yhteydessä konenäkötarkastukseen käytettävien kuvasensorien tulee paitsi havaita näkyvää valoa myös vahvistaa niiden kykyä havaita valoa näkymättömissä aallonpituuksilla, kuten lyhytaalto-infrapunaspektrissä (SWIR). Otetaan esimerkkinä Sonyn IMX992/993-kuvaanturit. Niissä on integroitu Sonyn kehittämä SenSWIR-tekniikka, joka yhdistää 3,45 mikronin pikseliä. IMX992 saavuttaa 5,32 megapikseliä, mikä mahdollistaa korkean resoluution kuvantamisen ja parantaa tarkkuutta erilaisissa teollisissa tarkastus- ja mittaussovelluksissa.
Erikoissiruja tarvitaan usein tiettyihin teollisiin viestintäprotokolliin, kuten EtherCAT. Yhtenä Kiinan ensimmäisistä valmistajista, joka lanseerasi EtherCAT-orjaohjainpiirit, Yasin Electronics esitteli AX58100:n vuonna 2019. Myöhemmin se julkaisi kaksiytimiset EtherCAT-orjaohjaimet, joissa on 2/3-porttia, mikä parantaa tehokkuutta ja mahdollistaa yhteenliittämisen kaikkiin järjestelmiin, jotka tukevat tavallisia EtherCAT-viestintäprotokollia. Sovelluksia ovat digitaalisen signaalin I/O-ohjaus, anturitiedonkeruu, robottiakselin ohjaus ja EtherCAT-IO-Link-pääyhdyskäytävätoiminnot. Oikeanpuoleisessa kuvassa on Chuanglong Technologyn kehittämä TL3568-teollisuuden ydinlevy, joka käyttää täysin kotimaisia komponentteja. Suunniteltu Rockchipin RK3568-prosessorin ympärille, sitä voidaan käyttää myös EtherCAT-mastereiden rakentamiseen. EtherCAT-masterit eivät vaadi erillisiä siruja; ne voidaan toteuttaa puhtaasti ohjelmistossa. Esimerkiksi EtherCAT-isäntäprotokollan integrointi RT-Threadiin mahdollistaa servomoottorien ja etä-I/O:n reaaliaikaisen ohjauksen.
Lopuksi teolliset FPGA:t tarjoavat laitteistologiikan toteutuksen, jonka etuja ovat nopea rinnakkaiskäsittely, runsaat I/O-yksiköt ja toiminnallinen multipleksointi. He kohtaavat kuitenkin rajoituksia joustavassa ohjauksessa ja monimutkaisissa viestintäprotokollissa. Tämä johtaa meidät SoC FPGA: hin, jotka integroivat kovaydinprosessorit FPGA-arkkitehtuuriin. Tämä vähentää järjestelmän virrankulutusta ja kustannuksia samalla kun minimoi emolevyn jalanjälki. Ne säilyttävät FPGA:iden ohjelmoitavan joustavuuden säilyttäen samalla yhteensopivuuden kovan prosessorin ekosysteemin kanssa. Otetaan esimerkkinä Anlu Technologyn viime vuonna julkaistu SALDRAGON-sarjan FPSoC: se tarjoaa valinnaisen integroinnin joko kaksiytimiseen Arm Cortex-A35:een tai yhden ytimen 64-bittiseen RISC-V-prosessoriin, mikä mahdollistaa molempien ekosysteemien täyden hyödyntämisen.
Teollinen viestintä: Ethernetin dominanssi vahvistuu edelleen
Vuosikymmenten evoluution ja iteroinnin jälkeen teolliset viestintämenetelmät jakautuvat ensisijaisesti kolmeen luokkaan fyysisen toteutuksen perusteella: teollinen Ethernet, kenttäväylä ja teolliset langattomat verkot. Teollisuuden Ethernetissä hallitsevat nyt kehittyvät teknologiat, kuten EtherCAT, PROFINET ja EtherCAT. Kenttäväyläjärjestelmiin kuuluvat PROFIBUS DP, Modbus-RTU ja CC-Link. Teollisuuden langattomiin verkkoihin, jotka ovat vasta äskettäin nousseet teolliseen verkottamiseen, kuuluvat tunnettuja yhteysratkaisuja, kuten Wi-Fi, Bluetooth ja 5G.
HMS-tilastojen mukaan Industrial Ethernet hallitsi edelleen uusia solmuasennuksia vuonna 2023, ja sen markkinaosuus nousi edellisen vuoden 68 %:sta 71 %:iin, mikä on merkittävä 12 % kasvu. Vaikka PROFINET, EtherNet/IP ja EtherCAT ovat edelleen kolme hallitsevaa toimijaa markkinoilla, PROFINETin ja EtherCATin suosio kasvaa tasaisesti. Langattomiin yhteyksiin verrattuna kenttäväylä muodostaa edelleen merkittävän osan uusista solmuista. Se on kuitenkin menettänyt riittävästi markkinavauhtia ja luottaa yksinomaan siihen, että laitteet, koneet ja tehtaat jatkavat näiden hyvin toimivien, aikatestattujen kenttäväylälaitteiden käyttöä.
Langaton yhteys ylläpitää yleistä vakautta. Huolimatta toistuvista täysin langattomien tehtaiden vaatimuksista, käyttöönotto on edelleen rajallista, koska kaapelien reititys on tarpeen ja langatonta konekäyttöä ja liikkuvia teollisuuslaitteita tukevia ympäristöjä on haastettu.
Teollisuusväylän markkinaosuuden väheneminen johtuu ensisijaisesti Industrial Ethernetin tarjoamista merkittävistä eduista perinteisiin teollisuusväyliin verrattuna. Suurin hyöty on nopeus: Toisin kuin sarjapohjaiset teollisuusväylät, Industrial Ethernet saavuttaa huomattavasti suuremmat nopeudet, yli 100 Mbps. Jopa eniten käytetyn PROFIBUS-teollisuusväylän, erityisesti tehdasautomaation nopean PROFIBUS DP -version, konfiguroitavissa oleva enimmäisnopeus on 12 Mbps. Toinen on sen joustavampi topologia. Monimutkaisia teollisia verkkoja käytettäessä teollisuusväylät, jotka käyttävät suuria ketjutettuja konfiguraatioita, luovat verkkoja, jotka ovat erittäin herkkiä häiriöille. Industrial Ethernet kuitenkin käyttää joustavia topologioita, kuten tähtiverkkoja, rakentaakseen nopeampia ja luotettavampia teollisuusverkkoja.
Lopuksi teollisuuden liittoutumat edistävät adoptiota. Otetaan esimerkkeinä Profinet (dominoiva teollisuus Ethernetissä) ja Profibus (dominoiva teollisuusväylissä): vaikka PI on edistänyt molempia, Profinet on vuodesta 2016 lähtien ohittanut Profibusin uusien laitesolmujen asennuksissa. Nyt saatavilla olevien kattavien hylättyjen ja uusien alueiden migraatioratkaisujen ansiosta tämä kuilu kasvaa edelleen.
Kun yhä useammat laitteet, anturit ja järjestelmät yhdistyvät teollisuusverkkoihin, taustalla olevat langattomat tekniikat, kuten Wi-Fi, LoRaWAN ja DECT-2020 NR, mahdollistavat kriittisten teollisuustietojen langattoman keräämisen ja jakamisen. 5G:n käyttöönoton ja teknologisen kehityksen kypsyessä teollisuusvalmistusmarkkinat kuitenkin kiinnittävät yhä enemmän huomiota matkapuhelinverkkoteknologioihin, joita käytettiin aiemmin harvoin teollisuusverkoissa nopeuden ja latenssin vuoksi. Tästä huolimatta teolliset langattomat verkot ovat edelleen haastavia omaksua ensisijaisena ratkaisuna tietyissä ankarissa RF-ympäristöissä. Lisäksi, elleivät teleoperaattorit tue sitä, langattomat matkapuhelinverkot, kuten 5G, kamppailevat takaamaan vaaditun verkon laadun tehdasasetuksissa.
Markkinaosuudella mitattuna 5G:n käyttöönotto teollisissa langattomissa verkoissa on edelleen rajallista. Tämä johtuu siitä, että teollisuuden langattomat 5G-verkot otetaan käyttöön eri tavalla kuin muut verkkotavat, pääasiassa rakentamalla suoraan täysin kytkettyjä 5G-tehtaita. 5G+Industrial Internet -aloitteen vetämänä projektien määrä valtakunnallisesti on ylittänyt 8 000. Teollisuus- ja tietotekniikan ministeriö (MIIT) on valinnut ja julkaissut "2023 5G Factory Directory", joka sisältää vertailuprojekteja, ja rakennusinvestointien kokonaismäärä on 9,73 miljardia yuania. Kolme suurta teleoperaattoria ovat myös osallistuneet aktiivisesti 5G-tehtaiden teollisuusverkkojen suoraan rakentamiseen.
Viimeisiä ajatuksia
Markkinatrendit osoittavat, että teollisuuden automaatio- ja ohjaussektori on edelleen nopeassa kehitysvaiheessa, erityisesti Kiinassa, jossa tuotannon muutosta ja uudistamista tukevat kansalliset politiikat ovat antaneet merkittävän sysäyksen. Toiseksi, puolijohdeteollisuuden edistymisen tukemana Kiinan teollisuusautomaatiosektori on siirtymässä mittakaavan laajentamisesta laadun parantamiseen. Huippuluokan teollisuuden ohjauslaitteiden kotimainen korvaaminen ei ole enää pelkkä iskulause. Teollisuuden viestinnässä, kun teollisuusväyläjärjestelmät kohtaavat kasvuhaasteita, teollinen Ethernet kiihtyy uusiutumisvauhtiaan. Teollisuuden langattomien verkkojen kasvu hidastui hieman, mutta 5G-tehdasasennus kiihtyy erityisesti kotimarkkinoilla.