電子發(fā)燒友網(wǎng)報道(文/周凱揚)隨著制造業(yè)接連開啟降本增效,借助新方案提高自動化水平成了拉動制造業(yè)資產(chǎn)投資的主要驅(qū)動力,也將拉動工控行業(yè)的市場總值增長。在各國紛紛推行政策加速新型工業(yè)化這一進程的前提下,工控市場也在去年呈現(xiàn)出了不一樣的趨勢,尤其是中國市場。
國產(chǎn)中小型PLC 發(fā)展迅猛,全國產(chǎn)大型PLC 蓄勢待發(fā)
作為工業(yè)自動化系統(tǒng)的核心組件,PLC這一控制設(shè)備的國產(chǎn)化滲透率呈現(xiàn)了較好的勢頭。以匯川科技為首的國產(chǎn) PLC 廠商,憑借持續(xù)的推陳出新,在中小型 PLC 市場站穩(wěn)了腳跟。比如匯川就在去年工博會上發(fā)布了新一代 AM 系列中小型 PLC,AM300/AM500。
據(jù)統(tǒng)計,在中國 PLC 市場,去年國產(chǎn)中小型 PLC 設(shè)備的滲透率再度提高了 5%左右,達到了 35% 以上。其中匯川科技在小型 PLC 產(chǎn)品的市占率更是達到了15%,位居內(nèi)資首位。但以全球PLC 市場來看,離第一名的西門子還是有著一定的差距。
除了中小型PLC 的國產(chǎn)化趨勢外,多數(shù)國產(chǎn)工控自動化廠商也在突破技術(shù)壁壘,積極規(guī)劃補充大型 PLC 產(chǎn)品。在大型PLC所用的電子元件、工業(yè)實時操作系統(tǒng)等,目前也開啟了國產(chǎn)化進程的第一步。比如去年年底,華龍迅達就和龍芯中科發(fā)布了基于龍芯 3A5000 高性能四核處理器的PLC,JIC PLC 8010。
JIC PLC 8010的整體性能已經(jīng)達到了國際領(lǐng)先水平,最高可連接 65535 個 I/O 點,2ms 任務(wù)周期可驅(qū)動 512 個伺服,運行時間抖動小于 20 微秒。搭配龍芯32/64 位的 LoongOS 操作系統(tǒng),華龍迅達自研編譯器JIC IAP 和運行時 JIC RTE,JIC PLC 8010可謂已經(jīng)徹底擺脫了對國外產(chǎn)品的依賴。
中高端工控MCU導入加速,入局者增加
在工業(yè) 4.0 時代帶來的數(shù)據(jù)驅(qū)動、智能化和高度自動化轉(zhuǎn)型下,工業(yè)控制坐穩(wěn)了 MCU第三大下游應(yīng)用領(lǐng)域的位置。無論是上面提到的 PLC 控制器、儀表還是電機/變頻器,都少不了 MCU 這一核心組件。據(jù)統(tǒng)計機構(gòu)預計,至2026年,全球工業(yè)控制MCU市場規(guī)模達約35億元,在市場規(guī)模持續(xù)擴張的走勢下,MCU廠商在該市場有著很大的利潤空間,尤其是開始走高端化的國產(chǎn) MCU 廠商。
過去的工控 MCU 以穩(wěn)定性、可靠性為主,可隨著 PLC 控制邏輯關(guān)系、電機控制算法愈發(fā)復雜,通信/拓展模塊的數(shù)量增多,也驅(qū)使著更高算力、更多 I/O 接口的工控 MCU導入加速。目前諸如工業(yè)機器人之類的應(yīng)用,已經(jīng)對控制器的性能提出了挑戰(zhàn),所以高性能、高集成度已經(jīng)成為未來工控 MCU 的趨勢。
從去年發(fā)布的一批工控 MCU 新品來看,55nm的工藝已經(jīng)開始淡出視野,與車規(guī) MCU 一樣,40nm 及以上的半導體制造工藝將會是新一輪中高端工控 MCU采用的方案。與此同時,MCU廠商也會盡可能采用更高性能的 CPU 內(nèi)核,以及更多的片上資源來設(shè)計產(chǎn)品。
無論是 Arm,RISC-V 還是自研內(nèi)核IP,都在去年迎來了一波井噴,在邊緣AI 計算上發(fā)力,MCU 廠商在工控 MCU 的設(shè)計上擁有遠超以往的靈活性。此外過去主要發(fā)力消費電子市場的 MCU 廠商,也傾斜了研發(fā)重心,加入了工控 MCU 的設(shè)計行列。
高精度和智能化,工業(yè)傳感器設(shè)計的新藍圖
在工業(yè)控制的感知層中,各項工業(yè)傳感器起到了至關(guān)重要的作用,被廣泛用于制造、維護以及實時監(jiān)控等場景中,比如伺服系統(tǒng)中的光電編碼器、MEMS 傳感器等。隨著先進制造進一步提高了控制的復雜程度,我們也需要高精度的傳感器來解決這一問題。
比如在對于工業(yè)檢測精度要求超高的半導體制造領(lǐng)域,比如半導體晶圓缺陷檢測等,就需要用到超高分辨率的圖像傳感器,分辨率高達 8K 以上。同時為了保證晶圓廠在缺陷檢測流程上的效率,往往還需要用到堆棧、全局快門等技術(shù)提供高速成像。
工業(yè)傳感器的另一大發(fā)展趨勢就是智能化,在傳感器節(jié)點中集成智能算法,能夠顯著減少 OT網(wǎng)絡(luò)的計算負載。尤其是在預測性維護這一用例中,通過在 MCU 和電機、振動或溫度傳感器間分配信號處理和AI 計算的工作,可以顯著提高異常檢測等應(yīng)用的性能,并進一步優(yōu)化功耗。
5G 與工控融合發(fā)展,千座全5G 連接工廠落地中
工業(yè)作為現(xiàn)代化的重要引擎,同樣需要新一代的信息通信技術(shù)來為新型工業(yè)化提供關(guān)鍵的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施底座,而5G 則是其中引領(lǐng)創(chuàng)新的代表。從 HMS 統(tǒng)計的數(shù)據(jù)來看,工業(yè)無線網(wǎng)增速最快,年增長幅度達到 22%,5G 在工業(yè)無線網(wǎng)中目前雖然占比較少,卻也得到了重視,尤其是在國內(nèi)。
例如工業(yè)和信息化部在近日印發(fā)了《2023 年 5G 工廠名錄》,其中遴選了 300 家全國各地已經(jīng)建成的5G 工廠,覆蓋了 24 個國民經(jīng)濟大類。其中以通用設(shè)備制造業(yè),計算機、通信和其他電子設(shè)備制造業(yè)以及電氣機械和器材制造業(yè)的5G 工廠數(shù)量居多。這都得益于前年印發(fā)的《5G 全連接工廠建設(shè)指南》,推動萬家企業(yè)開展建設(shè)、建成 1000 家 5G 工廠。
5G 全連接工廠具有多方面的優(yōu)勢,一是超大的帶寬允許全方位無死角檢測,從而加強品質(zhì)管理;第二,5G 的低時延特性可使得預測性維護更加靈活,通過柔性生產(chǎn)提高效率,配合極高的可靠性,可實現(xiàn)倉儲物流的智能調(diào)度。最后是超大的連接數(shù)(mMTC)相比其他少布線的無線通信方式,5G 更容易實現(xiàn)大批量的部署和管理。
同時面對工控系統(tǒng)重邊緣實時計算越來越高的算力要求,業(yè)內(nèi)也在積極開發(fā)面向工控領(lǐng)域的 5G 算網(wǎng)產(chǎn)品,在工業(yè) OT 軟硬件解耦和IT/OT 融合的趨勢下,借助網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生算力提供工業(yè)控制的底座。也正因如此,5G 芯片、模組以及網(wǎng)關(guān)廠商也在積極布局,加快5G與 PLC、DCS 等工業(yè)控制系統(tǒng)融合。
TSN技術(shù)鋪開,打通工業(yè)網(wǎng)絡(luò)底層連接
盡管經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展,當下工業(yè)網(wǎng)絡(luò)仍存在多標準難兼容的問題,為此需要一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)打通底層網(wǎng)絡(luò),而 TSN這一時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù),憑借極低的端到端時延和高可靠性數(shù)據(jù)傳輸,成了不二之選。
在上面提到的《5G 全連接工廠建設(shè)指南》中,也提到了鼓勵企業(yè)綜合用TSN等新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù),推動工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)互通,加快 IT/OT 網(wǎng)絡(luò)融合。不過僅憑軟件拓展是無法將TSN功能包含在內(nèi)的,需要支持的以太網(wǎng)硬件模塊。
好在目前主流芯片廠商,諸如 NXP、TI、瑞薩、ADI 等都在積極推進 TSN網(wǎng)絡(luò)芯片,從而支持相關(guān)設(shè)備廠商進行網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備和交換設(shè)備的開發(fā)。即便是擁護EtherCAT、PROFINET的廠商們,也都在開發(fā)和支持PROFINET over TSN之類的產(chǎn)品。
寫在最后
去年年底,工信部等八大國家部門聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的指導意見》,其中就提出到2027年,我國傳統(tǒng)制造業(yè)高端化、智能化、綠色化、融合化發(fā)展水平明顯提升,有效支撐制造業(yè)比重保持基本穩(wěn)定,在全球產(chǎn)業(yè)分工中的地位和競爭力進一步鞏固增強。但在這樣的局面下,“大而不強”“全而不精”的問題依舊嚴重,因此如今全面賦能新型工業(yè)化已經(jīng)成了關(guān)鍵目標,工業(yè)控制市場當下的趨勢無一不在為這一目標獻力。
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