שוק תעשייתי בלחץ: כיצד טכנולוגיות בקרת אוטומציה ותקשורת יכולות לפרוץ דרך

בהתבסס על ההתפתחויות האחרונות במגזר הייצור התעשייתי, שוק האוטומציה והבקרה התעשייתית נותר בשלב של צמיחה מהירה. בעקבות עליית עלויות העבודה, לחץ לצמצום הוצאות והגדלת היעילות והצורך העז של היצרנים לעמוד בלוחות זמנים, הביקוש לטכנולוגיות בקרת אוטומציה במפעלים הגיע לרמות חסרות תקדים. על פי נתונים סטטיסטיים ותחזיות מ-Grand View Research, שוק האוטומציה והבקרה התעשייתית הוערך בשנה שעברה בכ-194.99 מיליארד דולר, כאשר נתון זה צפוי להגיע ל-379.93 מיליארד דולר עד 2030.

שוק הבקרה התעשייתי של סין מופיע כשחקן מרכזי
גם שוק הבקרה התעשייתי של סין עבר שינויים משמעותיים. על פי נתונים לאומיים, המגזר התעשייתי של סין שמר על צמיחה יציבה בשנת 2023, עם מניעי צמיחה חדשים שהואצו. בקרב מפעלים תעשייתיים בקנה מידה גדול, הערך המוסף של ייצור ציוד גדל ב-6.8% משנה-לאחר-שנה, המהווה 33.6% מסך הערך המוסף של מפעלים תעשייתיים גדולים-. הערך המוסף של ייצור-היי-טק צמח ב-2.7%, המהווה 15.7% מסך הערך המוסף של מפעלים תעשייתיים גדולים-.

מדוע קיים פער מסוים בין השוק העולמי לשוק המקומי? זה מיוחס במידה רבה לתמיכה במדיניות הלאומית בשינוי ובשדרוג הייצור. מאז פרסום תוכנית החומש ה-14-, המדינה שמה דגש חסר תקדים על השינוי והשדרוג של מגזר הייצור התעשייתי. במטרה לשפר את התחרותיות המרכזית של הייצור, יש התמקדות חזקה בפיתוח ציוד בקרה תעשייתי כגון מערכות בקרה מבוזרות ובקרי לוגיקה ניתנים לתכנות, תוך השגת פריצות דרך ברכיבים כמו בקרים מתקדמים ומערכות הנעה סרוו-בדיוק גבוה. ההתפתחות המהירה של תעשיות חמות כמו רכבי אנרגיה חדשים הניעה את הטרנספורמציה הדיגיטלית של המפעל, כאשר מחוזות וערים מפרסמים מדיניות סובסידיות עבור מפעלי הדגמה דיגיטליים חכמים דיגיטליים.

בקרה תעשייתית במעלה הזרם, אמצע הזרם ושרשרת האספקה ​​במורד הזרם

לאחר מכן, הבה נבחן את שרשרת האספקה ​​במעלה הזרם, באמצע הזרם ומורד הזרם של בקרה תעשייתית. ה-upstream מורכב בעיקר משבבי בקרה/תקשורת, עיצוב IP, חיישנים, רכיבים ו-PCBs. האמצע, המבוסס על תהליכי בקרה תעשייתיים שונים, מחולק לשכבת הביצוע, שכבת ההנעה, שכבת הבקרה והניטור התפעולי. שכבת הביצוע כוללת שסתומי בקרה והנעי מנוע; שכבת ההנעה כוללת כוננים בתדר משתנה ומערכות סרוו; שכבת הבקרה מכסה HMIs, DCS ו-PLCs; וניטור תפעולי משלב מכשירים ומערכות ראייה תעשייתיות. הפלח במורד הזרם של בקרה תעשייתית מקיף מספר רב של תעשיות מיוחדות, כולל כמה שצברו אחיזה משמעותית בשנים האחרונות: ייצור 3C, רכבי אנרגיה חדשים, אחסון אנרגיה, שרתים, פטרוכימיה ומעבר רכבות.

מנקודת מבט של מוליכים למחצה, ניתן לסווג את מגזר הבקרה התעשייתי במעלה הזרם לארבעה פלחים עיקריים: חיישנים תעשייתיים, שבבי בקרה תעשייתיים, IP עיצובי ו-FPGAs תעשייתיים. חיישנים תעשייתיים, כמרכיבי ליבה של שכבת התפיסה (או שכבת המשוב) באמצע הזרם של הבקרה התעשייתית, ממלאים תפקיד חיוני באופטימיזציה של תהליכים תעשייתיים ומתן ניטור והגנה על נכסים. יצרנים זרים כוללים את ON Semiconductor, Precision Electronics, SICK, Keyence, Beckhoff, Honeywell, Omron, Datalogic, ו-Leica Geosystems. השחקנים המקומיים כוללים את SmartSens, NXMicro, Cognex, Beiyang Group, XCMG, Minghao Sensing, XiaoAowei, Meixin Semiconductor ו- Feien Microelectronics.

במגזר שבבי הבקרה והמודולים התעשייתיים, רוב היצרנים מתמקדים בפיתוח MCUs-לכלליים. שחקני מפתח כוללים חברות בינלאומיות כמו TI, ADI, ST, Microchip, Infineon, NXP, ON Semiconductor ו-Renesas, לצד יצרנים מקומיים כמו JiHai Semiconductor, Huada, Zhongying Electronics, Xinwang Microelectronics, Fengteng Technology, Artel, Jucheng Semiconductor, Nuvoton, Hangsh, Vanguard, Saiyuan, Guoguo Technology, Dongtu Technology, Zhongke Jingshang, Xinhai Technology, ו-Zhaoxin.

במקביל, ככל שהדרישות המבדילות עולות, IP עיצובי הפך למרכיב הכרחי עבור יצרני שבבים במעלה הזרם, וכולל גם IP ליבה וגם IP של ממשק. שחקנים בינלאומיים כוללים את Arm, Synopsys, Cadence, Imagination, Renesas ו-Sifive, בעוד שחברות מקומיות כוללות PingTouGe, Andes Technology, VeriSilicon ו-CanSemi.

לבסוף, FPGAs תעשייתיים רואים ביקוש משמעותי במגזרים המתפתחים במהירות כמו רובוטיקה תעשייתית וציוד-בדיוק גבוה, שבהם בקרת סרוו מרובה-צירים וביצועים גבוהים- היא קריטית יותר ויותר. כתוצאה מכך, רכיבי FPGA נשארים פרוסים באופן נרחב בכונני סרוו, מערכות CNC ואוטומציה תעשייתית. הם גם מוצאים יישומים בתקשורת תעשייתית, כמו לשמש כמאסטרים או עבדים של EtherCAT. יצרנים בינלאומיים כוללים את AMD (Xilinx), אינטל (Altera), Lattice ו-Microchip. יצרנים מקומיים כוללים את Gowin Semiconductor, Anlu Technology ו-Unisoc.

לאחר מכן, נשתמש בכמה מוצרים במעלה הזרם כדוגמאות כדי להמחיש מגמות מתפתחות בשוק הבקרה התעשייתי. ראשית היא בקרת מנוע רובוט. יישומים תעשייתיים הדורשים שילוב של עיבוד ותקשורת- בזמן אמת-כגון בקרת מנוע רובוט- דורשים ביצועי עיבוד גבוהים יותר- בזמן אמת תוך תמיכה במגוון רחב של פרוטוקולי תקשורת תעשייתיים. עם זאת, זה גם חיוני לבחור MCU עם מרווח ביצועים מספיק להרחבה עתידית ותכונות נוספות.

בתוך ארכיטקטורות משולבות כאלה, בקרת מנוע דורשת לעתים קרובות MCU יחיד לניהול צירים מרובים. כתוצאה מכך, ה-MCU חייב לשלב-ליבות עיבוד בזמן אמת-בביצועים גבוהים, כגון R5F או DSP, לצד ממשקי תקשורת בזמן אמת-כמו EtherCAT. קח לדוגמא את ה-MCU התעשייתי מרובה ליבות AM2343x של TI המוצג בתרשים. זה יכול לשלב עד ארבע ליבות Cortex-R5F, המספקות ביצועים נרחבים לשליטה במנועים מרובי{11}}צירים ברובוטים, תוך תמיכה בהרחבה עם פרוטוקולי תקשורת תעשייתיים כמו EtherCAT.

הבא הוא שבב בקרת סרוו משולב במלואו. בקרי סרוו הם מכשירים המשמשים לוויסות מנועי סרוו, המשמשים כמרכיב חיוני במערכות בקרת תנועה מודרניות. הם נפרסים באופן נרחב בציוד אוטומטי כגון רובוטים תעשייתיים ומרכזי עיבוד CNC. שבבי בקרת סרוו מספקים בקרת אוריינטציה של שדה מגנטי עבור מנועים תוך שאיפה ליעילות כונן גבוהה יותר ולביצועים דינמיים. התרשים ממחיש את פתרון בקרת מנועי הסרוו המשולב במלואו של Shijian המבוסס על TMC4671, המספק בקרה מוכוונת שדה- למנועי DC ללא מברשות, מנועים סינכרוניים מגנט קבוע, מנועי צעד דו-פאזיים, מנועי DC מוברשים ומנועי סליל קול. זה מכונה "משולב לחלוטין" מכיוון שכל פונקציות הבקרה מאוחדות בתוך החומרה, לצד ADCs משולבים, ממשקי חיישני מיקום ואינטרפולטורים של מיקום. כתוצאה מכך, פתרון בקר זה מתאים ליישומי סרוו מגוונים.

לאחר מכן, הבה נבחן את ה-HMI של שכבת הבקרה. אם ניקח כדוגמה מערכות HMI תעשייתיות מתקדמים, הם דורשים תמיכה ביכולות תצוגה מרובה-, רזולוציות וקצבי פריימים גבוהים יותר וביצועים גרפיים משופרים כדי לאפשר עיצובי אינטראקציה חזותיים מורכבים יותר. קח את ה-MCU מסדרת HPM6800 מבית Xianji Semiconductor כדוגמה. מעבר לשילוב ליבת RISC-בביצועים גבוהים, שבב זה משלב גם את IP 2.5D GPU של VeriSilicon, המספק ביצועים גרפיים מספיקים עבור יישומי HMI. מעבר לכך, מערכות HMI ללא-מגע קול-מתעדפים לעתים קרובות עיצובים קומפקטיים תוך שהם דורשים תמיכה בכניסות פקודות מראש-מתוכנתות ורב לשוניות. הקול HMI ASSP MCU של Renesas, ה-R9A06G150, מדגים גישה זו.

שיפור ניטור מצב ואבחון תוך השגת אופטימיזציה כוללת של המערכת מהווה אתגר מרכזי בשימוש כיום במתקנים מכניים ומערכות טכניות. נושא זה קריטי יותר ויותר לא רק בסביבה תעשייתית, אלא בכל מקום שבו משתמשים במערכות מכניות. באופן מסורתי, המכונות התוחזקו בהתאם ללוחות הזמנים, כאשר תחזוקה מאוחרת מסתכנת בהשבתת ייצור. כיום, אנשים חוזים את תוחלת החיים הנותרת של המכונה על ידי ניתוח נתונים תפעוליים. ניתן למנף פרמטרים מרכזיים כמו טמפרטורה, רעש ורטט מנתונים מוקלטים כדי לקבוע תנאי הפעלה אופטימליים ואפילו מרווחי תחזוקה נדרשים. גישה זו מונעת בלאי מיותר ובמקביל מאפשרת זיהוי מוקדם של בעיות פוטנציאליות וסיבות השורש שלהן.

באופן דומה, חיישני תמונה לבדיקת ראייה תעשייתית רואים ביקוש הולך וגובר במגזר הציוד התעשייתי כדי לשפר את יעילות הייצור ולהבטיח שיעורי תפוקת מוצרים. בהקשר זה, חיישני תמונה המשמשים לבדיקת ראיית מכונה חייבים לא רק לתפוס אור נראה אלא גם לחזק את יכולתם לזהות אור באורכי גל בלתי נראים, כגון ספקטרום אינפרא אדום (SWIR) קצר. קחו לדוגמה את חיישני התמונה IMX992/993 של סוני. הם משלבים את טכנולוגיית SenSWIR הקניינית של סוני, המשלבת פיקסלים של 3.45{{10}מיקרון. ה-IMX992 משיג 5.32 מגה פיקסל, המאפשר הדמיה ברזולוציה גבוהה ושיפור דיוק ביישומי בדיקה ומדידה תעשייתיים שונים.

לעתים קרובות נדרשים שבבים מיוחדים עבור פרוטוקולי תקשורת תעשייתיים ספציפיים, כגון EtherCAT. כאחת היצרניות הראשונות בסין שהשיקו שבבי בקר עבדים של EtherCAT, Yasin Electronics הציגה את ה-AX58100 בשנת 2019. לאחר מכן, היא הוציאה בקרי עבדים של EtherCAT כפולים -עם 2/3 יציאות, המספקים יעילות גבוהה יותר תוך מתן אפשרות לחיבור הדדי עם כל המערכות התומכות בפרוטוקולי תקשורת סטנדרטיים של EtherCAT. היישומים כוללים בקרת קלט/פלט אות דיגיטלי, רכישת נתוני חיישנים, בקרת ציר רובוטית ופונקציות EtherCAT-ל-IO-קישור שער ראשי. התמונה מימין מציגה את לוח הליבה התעשייתי TL3568 שפותח על ידי Chuanglong Technology תוך שימוש ברכיבים ביתיים לחלוטין. עוצב סביב מעבד RK3568 של Rockchip, ניתן להשתמש בו גם לבניית מאסטרים של EtherCAT. מאסטרים של EtherCAT אינם דורשים שבבים ייעודיים; ניתן ליישם אותם אך ורק בתוכנה. לדוגמה, שילוב פרוטוקול המאסטר של EtherCAT ב-RT-Thread מאפשר שליטה בזמן אמת- במנועי סרוו ו-I/O מרחוק.

לבסוף, FPGAs תעשייתיים מציעים הטמעת לוגיקה של חומרה עם יתרונות כמו-עיבוד מקבילי במהירות גבוהה, יחידות קלט/פלט בשפע וריבוי פונקציונלי. עם זאת, הם מתמודדים עם מגבלות בשליטה גמישה ובפרוטוקולי תקשורת מורכבים. זה מוביל אותנו ל-SoC FPGAs, המשלבים מעבדי ליבה קשה- בתוך ארכיטקטורת FPGA. זה מקטין את צריכת החשמל והעלות של המערכת תוך מזעור טביעת הרגל של לוח האם. הם שומרים על הגמישות הניתנת לתכנות של FPGAs תוך שמירה על תאימות עם המערכת האקולוגית של המעבד הקשיח. קחו את FPSoC מסדרת SALDRAGON של Anlu Technology שיצאה בשנה שעברה כדוגמה: היא מציעה אינטגרציה אופציונלית של דו-ליבת- Arm Cortex-A35 או מעבד RISC-V-ליבה בודדת 64-bit, המאפשרת ניצול מלא של שתי המערכות האקולוגיות.

תקשורת תעשייתית: הדומיננטיות של אתרנט ממשיכה להתחזק
לאחר עשרות שנים של אבולוציה ואיטרציה, שיטות תקשורת תעשייתיות מתחלקות בעיקר לשלוש קטגוריות המבוססות על יישום פיזי: Ethernet תעשייתי, fieldbus ורשתות אלחוטיות תעשייתיות. בתוך Ethernet תעשייתי, טכנולוגיות מתפתחות כמו EtherCAT, PROFINET ו-EtherCAT שולטות כעת. מערכות Fieldbus כוללות PROFIBUS DP, Modbus-RTU ו-CC-Link. רשתות אלחוטיות תעשייתיות, שצמחו רק לאחרונה ברשתות תעשייתיות, כוללות-פתרונות קישוריות ידועים כגון Wi-Fi, Bluetooth ו-5G.

על פי נתונים סטטיסטיים של HMS, Ethernet Industrial המשיכה לשלוט בהתקנות צמתים חדשות בשנת 2023, כאשר נתח השוק שלה עלה מ-68% בשנה הקודמת ל-71%-עלייה משמעותית של 12%. בעוד PROFINET, EtherNet/IP ו-EtherCAT נותרו שלושת השחקנים הדומיננטיים בשוק, הפופולריות של PROFINET ו-EtherCAT צומחת בהתמדה. בהשוואה לקישוריות אלחוטית, Fieldbus עדיין מהווה חלק ניכר מהצמתים החדשים. עם זאת, היא איבדה תנופת שוק מספקת והיא מסתמכת אך ורק על ציוד, מכונות ומפעלים שימשיכו להשתמש במכשירי השדה-בוס המתפקדים-תפקודיים-בזמן{9}}.

קישוריות אלחוטית שומרת על יציבות כללית. למרות קריאות מתמשכות למפעלים אלחוטיים לחלוטין, האימוץ נותר מוגבל בשל הצורך בניתוב מחדש של כבלים- והאתגר של יצירת סביבות התומכות בגישה למכונות אלחוטיות ובציוד תעשייתי נייד.

השחיקה בנתח השוק של אוטובוסים תעשייתיים נובעת בעיקר מהיתרונות המהותיים שמציעה Ethernet תעשייתי על פני אוטובוסים תעשייתיים מסורתיים. היתרון הבולט הוא המהירות: בניגוד לאוטובוסים תעשייתיים-טוריים, Ethernet תעשייתי משיג מהירויות גבוהות משמעותית, העולה על 100Mbps. אפילו לאפיק התעשייתי של PROFIBUS הנפוץ ביותר, במיוחד גרסת PROFIBUS DP המהירה- לאוטומציה במפעל, יש מהירות מקסימלית הניתנת להגדרה מוגבלת ל-12Mbps. שנית היא הטופולוגיה הגמישה יותר שלו. עבור פריסות רשת תעשייתיות מורכבות, אוטובוסים תעשייתיים המשתמשים בתצורות דייזי- גדולות יוצרים רשתות רגישות מאוד לכשלים. אתרנט תעשייתי, לעומת זאת, משתמש בטופולוגיות גמישות כמו רשתות כוכבים כדי לבנות רשתות תעשייתיות מהירות ואמינות יותר.

לבסוף, בריתות בתעשייה מובילות לאימוץ. קח את Profinet (הדומיננטי ב-Ethernet תעשייתי) ו-Profibus (הדומיננטי באוטובוסים תעשייתיים) כדוגמאות: למרות ששניהם מקודמים על ידי PI, מאז 2016, Profinet עברה את Profibus בהתקנות חדשות של צומת מכשירים. עם פתרונות הגירה מקיפים ל-Brownfield ו-Greenfield הזמינים כעת, הפער הזה ממשיך להתרחב.

ככל שיותר מכשירים, חיישנים ומערכות מתחברים לרשתות תעשייתיות, הטכנולוגיות האלחוטיות הבסיסיות כמו Wi-Fi, LoRaWAN ו-DECT-2020 NR מאפשרות את ההיתכנות של איסוף ושיתוף אלחוטיים של נתונים תעשייתיים קריטיים. עם זאת, ככל שהפריסת 5G וההתפתחות הטכנולוגית מתבגרים, שוק הייצור התעשייתי מפנה יותר ויותר את תשומת ליבו לטכנולוגיות של רשתות סלולריות - שבעבר לא השתמשו בהן רק לעתים רחוקות ברשתות תעשייתיות עקב חששות לגבי מהירות ואחזור. למרות זאת, רשתות אלחוטיות תעשייתיות עדיין מאתגרות לאמץ כפתרון העיקרי בסביבות RF קשות מסוימות. יתרה מכך, אלא אם כן נתמכות על ידי מפעילי טלקום, רשתות אלחוטיות סלולריות כמו 5G נאבקות להבטיח את איכות הרשת הנדרשת בהגדרות היצרן.

מבחינת נתח שוק, אימוץ 5G ברשתות אלחוטיות תעשייתיות נותר מוגבל. הסיבה לכך היא שרשתות אלחוטיות תעשייתיות 5G נפרסות באופן שונה משיטות רשת אחרות, בעיקר באמצעות בנייה ישירה של מפעלי 5G מחוברים במלואם. מונע על ידי יוזמת 5G+אינטרנט תעשייתי, מספר הפרויקטים בפריסה ארצית עבר את 8,000. משרד התעשייה וטכנולוגיית המידע (MIIT) בחר ופרסם את "2023 5G Factory Directory" הכולל פרויקטים בהשוואה, עם סך ההשקעה בבנייה שהגיעה ל-9.73 מיליארד יואן. שלושת מפעילי הטלקום הגדולים השתתפו גם באופן פעיל בבנייה ישירה של רשתות תעשייתיות עבור מפעלי 5G.

מחשבות אחרונות

מגמות השוק מצביעות על כך שתחום האוטומציה והבקרה התעשייתית נותר בשלב פיתוח מהיר, במיוחד בסין, שם המדיניות הלאומית התומכת בשינוי ובשדרוג הייצור סיפקה תנופה משמעותית. שנית, מחוזק על ידי ההתקדמות בתעשיית המוליכים למחצה במעלה הזרם, מגזר האוטומציה התעשייתית של סין עובר מהרחבת קנה מידה לשיפור איכות. החלפה מקומית לציוד בקרה תעשייתי-מתקדם היא כבר לא רק סיסמה. בתקשורת תעשייתית, בעוד שמערכות אוטובוסים תעשייתיות מתמודדות עם אתגרי צמיחה, אתרנט תעשייתי מאיץ את קצב החלפתו. רשתות אלחוטיות תעשייתיות מציגות האטה כללית קלה בצמיחה, ובכל זאת פריסות מפעלי 5G מואצות, במיוחד בשוק המקומי.