بازار صنعتی تحت فشار: چگونه کنترل اتوماسیون و فن آوری های ارتباطی می توانند از بین بروند

بر اساس تحولات اخیر در بخش تولید صنعتی، بازار اتوماسیون و کنترل صنعتی همچنان در مرحله رشد سریع قرار دارد. به دلیل افزایش هزینه های نیروی کار، فشار برای کاهش هزینه ها و افزایش کارایی، و نیاز شدید تولیدکنندگان به رعایت موعد مقرر، تقاضا برای فناوری های کنترل اتوماسیون در کارخانه ها به سطوح بی سابقه ای رسیده است. طبق آمار و پیش‌بینی‌های Grand View Research، بازار اتوماسیون صنعتی و کنترل در سال گذشته تقریباً 194.99 میلیارد دلار ارزش داشت که پیش‌بینی می‌شود این رقم تا سال 2030 به 379.93 میلیارد دلار برسد.

بازار کنترل صنعتی چین به عنوان یک بازیگر اصلی ظاهر می شود
بازار کنترل صنعتی چین نیز دستخوش تغییرات قابل توجهی شده است. بر اساس داده های ملی، بخش صنعتی چین در سال 2023 رشد ثابتی را حفظ کرد و محرک های رشد جدید شتاب گرفت. در بین شرکت‌های صنعتی در مقیاس بزرگ، ارزش افزوده تولید تجهیزات 6.8 درصد سالانه-{6}}سال افزایش یافته است که 33.6 درصد از کل ارزش افزوده شرکت‌های صنعتی در مقیاس بزرگ را تشکیل می‌دهد. ارزش افزوده تولید{10}}تکنولوژی پیشرفته 2.7 درصد رشد کرد که 15.7 درصد از کل ارزش افزوده{13} شرکت‌های صنعتی در مقیاس بزرگ را نشان می‌دهد.

چرا شکاف خاصی بین بازارهای جهانی و داخلی وجود دارد؟ این تا حد زیادی به حمایت سیاست ملی برای تحول و ارتقای تولید نسبت داده می شود. از زمان انتشار چهاردهمین-برنامه پنج ساله، کشور تاکید بی سابقه ای بر تحول و ارتقاء بخش تولید صنعتی داشته است. در هدف افزایش رقابت اصلی تولید، تمرکز زیادی بر توسعه تجهیزات کنترل صنعتی مانند سیستم‌های کنترل توزیع‌شده و کنترل‌کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی است، در حالی که دستیابی به پیشرفت‌هایی در اجزایی مانند کنترل‌کننده‌های پیشرفته و سیستم‌های درایو سروو با دقت بالا{4}. توسعه سریع صنایع داغ مانند وسایل نقلیه انرژی جدید باعث تحول دیجیتال کارخانه ها شده است و استان ها و شهرها سیاست های یارانه ای را برای کارخانه های نمایشی معیار هوشمند دیجیتال اجرا می کنند.

کنترل صنعتی زنجیره تامین بالادستی، میانی و پایین دستی

در مرحله بعد، بیایید زنجیره تامین بالادستی، میانی و پایین دستی کنترل صنعتی را بررسی کنیم. بالادست در درجه اول از تراشه های کنترل/ارتباطات، IP طراحی، حسگرها، قطعات و PCB تشکیل شده است. جریان میانی بر اساس فرآیندهای مختلف کنترل صنعتی، به لایه اجرا، لایه درایو، لایه کنترل و نظارت عملیاتی تقسیم می‌شود. لایه اجرا شامل شیرهای کنترل و درایوهای موتور است. لایه درایو شامل درایوهای فرکانس متغیر و سیستم های سروو است. لایه کنترل HMI ها، DCS و PLC ها را پوشش می دهد. و نظارت عملیاتی شامل ابزارها و سیستم های بینایی صنعتی است. بخش پایین دستی کنترل صنعتی شامل صنایع تخصصی متعددی می‌شود، از جمله چندین صنعت که در سال‌های اخیر کشش قابل توجهی پیدا کرده‌اند: تولید 3C، وسایل نقلیه انرژی‌های جدید، ذخیره‌سازی انرژی، سرورها، پتروشیمی‌ها و حمل و نقل ریلی.

از دیدگاه نیمه هادی، بخش کنترل صنعتی بالادست را می توان به چهار بخش عمده طبقه بندی کرد: سنسورهای صنعتی، تراشه های کنترل صنعتی، IP طراحی و FPGA های صنعتی. حسگرهای صنعتی به عنوان اجزای اصلی لایه ادراک (یا لایه بازخورد) در میانه جریان کنترل صنعتی، نقش حیاتی در بهینه سازی فرآیندهای صنعتی و ارائه نظارت و حفاظت دارایی ایفا می کنند. تولیدکنندگان خارجی عبارتند از ON Semiconductor، Precision Electronics، SICK، Keyence، Beckhoff، Honeywell، Omron، Datalogic و Leica Geosystems. بازیکنان داخلی شامل SmartSens، NXMicro، Cognex، Beiyang Group، XCMG، Minghao Sensing، XiaoAowei، Meixin Semiconductor و Feien Microelectronics هستند.

در بخش تراشه‌ها و ماژول‌های کنترل صنعتی، بیشتر تولیدکنندگان بر روی توسعه{0}MCUهای همه منظوره تمرکز می‌کنند. بازیگران کلیدی شامل شرکت‌های بین‌المللی مانند TI، ADI، ST، Microchip، Infineon، NXP، ON Semiconductor و Renesas، در کنار تولیدکنندگان داخلی مانند JiHai Semiconductor، Huada، Zhongying Electronics، Xinwang Microelectronics، Fengteng Technology، Artel، Jucheng Times, Artel، Jucheng Nuvotonmi هستند. سایوان، Guoguo Technology، Dongtu Technology، Zhongke Jingshang، Xinhai Technology و Zhaoxin.

همزمان، با افزایش تقاضاهای متفاوت، IP طراحی به یک جزء ضروری برای تولیدکنندگان تراشه های بالادستی تبدیل شده است که هم IP اصلی و هم IP رابط را در بر می گیرد. بازیگران بین المللی شامل Arm، Synopsys، Cadence، Imagination، Renesas و Sifive هستند، در حالی که شرکت های داخلی عبارتند از PingTouGe، Andes Technology، VeriSilicon و CanSemi.

در نهایت، FPGAهای صنعتی تقاضای قابل توجهی را در بخش‌هایی که به سرعت در حال توسعه هستند مانند رباتیک صنعتی و تجهیزات{0}دقت بالا، که در آن‌ها کنترل سروو با عملکرد بالا-چند محوری بسیار حیاتی است، مشاهده می‌کنند. در نتیجه، FPGAها به طور گسترده در درایوهای سروو، سیستم‌های CNC و اتوماسیون صنعتی مستقر هستند. آنها همچنین کاربردهایی در ارتباطات صنعتی پیدا می کنند، مانند خدمت به عنوان استاد یا برده EtherCAT. تولیدکنندگان بین المللی عبارتند از AMD (Xilinx)، اینتل (Altera)، Lattice و Microchip. تولیدکنندگان داخلی عبارتند از Gowin Semiconductor، Anlu Technology و Unisoc.

در مرحله بعد، از برخی محصولات بالادستی به عنوان مثال برای نشان دادن روندهای نوظهور در بازار کنترل صنعتی استفاده خواهیم کرد. اول کنترل موتور ربات است. برنامه‌های صنعتی که نیازمند ادغام پردازش و{2}}ارتباطات زمان واقعی-مانند کنترل موتور ربات{4}}عملکرد پردازش زمان واقعی{5}} بالاتری هستند در حالی که از طیف گسترده‌ای از پروتکل‌های ارتباط صنعتی پشتیبانی می‌کنند. با این حال، انتخاب یک MCU با فضای بالای عملکرد کافی برای توسعه آینده و ویژگی‌های اضافی نیز بسیار مهم است.

در چنین معماری های یکپارچه ای، کنترل موتور اغلب به یک MCU واحد برای مدیریت چندین محور نیاز دارد. در نتیجه، MCU باید هسته‌های-زمان واقعی-با کارایی بالا، مانند R5F یا DSP، در کنار-واسط‌های ارتباطی زمان واقعی مانند EtherCAT را در خود جای دهد. MCU صنعتی چند هسته ای AM2343x که در نمودار نشان داده شده است را به عنوان مثال در نظر بگیرید. این می‌تواند تا چهار هسته Cortex-R5F را ادغام کند و عملکرد کافی برای کنترل موتور چند محوره در رباتیک ارائه دهد و در عین حال از گسترش با پروتکل‌های ارتباطی صنعتی مانند EtherCAT پشتیبانی کند.

بعدی تراشه کنترل سروو کاملا یکپارچه است. سروو کنترلرها دستگاه هایی هستند که برای تنظیم سروو موتورها استفاده می شوند و به عنوان یک جزء حیاتی در سیستم های کنترل حرکت مدرن عمل می کنند. آنها به طور گسترده در تجهیزات خودکار مانند ربات های صنعتی و مراکز ماشینکاری CNC مستقر هستند. تراشه‌های کنترل سروو کنترل جهت‌گیری میدان مغناطیسی را برای موتورها فراهم می‌کنند و در عین حال راندمان درایو و عملکرد دینامیکی بالاتر را دنبال می‌کنند. این نمودار راه حل کنترل موتور سروو کاملا یکپارچه شیجیان را بر اساس TMC4671 نشان می دهد که کنترل میدانی{5} را برای موتورهای DC بدون جاروبک، موتورهای سنکرون آهنربای دائم، موتورهای پله ای 2 فاز، موتورهای DC برس خورده و موتورهای سیم پیچ صدا ارائه می دهد. به آن "کاملاً یکپارچه" می گویند زیرا تمام عملکردهای کنترلی در سخت افزار، در کنار ADC های یکپارچه، رابط های حسگر موقعیت و درون یابی موقعیت، ادغام شده اند. در نتیجه، این راه حل کنترل کننده برای کاربردهای سروو متنوع مناسب است.

بعد، اجازه دهید HMI لایه کنترل را بررسی کنیم. با در نظر گرفتن{1}}HMI های صنعتی پیشرفته به عنوان مثال، آنها به پشتیبانی از قابلیت های چند-نمایشگر، وضوح و نرخ فریم بالاتر و عملکرد گرافیکی پیشرفته برای فعال کردن طرح های تعامل بصری پیچیده تر نیاز دارند. به عنوان مثال MCU سری HPM6800 از نیمه هادی شیانجی را در نظر بگیرید. این تراشه علاوه بر ادغام یک هسته-RISC{7}} با کارایی بالا، IP GPU 2.5 بعدی VeriSilicon را نیز در خود جای داده است که عملکرد گرافیکی کافی را برای برنامه های HMI ارائه می دهد. فراتر از این، HMI‌های کنترل‌شده با صدای غیرلمسی{11}}اغلب طرح‌های فشرده را در اولویت قرار می‌دهند، در حالی که به پشتیبانی از ورودی‌های دستور از قبل برنامه‌ریزی‌شده و چند زبانه نیاز دارند. صدای رنساس HMI ASSP MCU، R9A06G150، نمونه ای از این رویکرد است.

بهبود نظارت و تشخیص وضعیت در حین دستیابی به بهینه سازی کلی سیستم یک چالش اصلی در استفاده امروزی از امکانات مکانیکی و سیستم های فنی است. این موضوع نه تنها در محیط‌های صنعتی، بلکه در هر جایی که سیستم‌های مکانیکی به کار می‌روند، به طور فزاینده‌ای حیاتی است. به طور سنتی، ماشین‌ها طبق برنامه‌ریزی‌ها نگهداری می‌شدند، با تاخیر در تعمیر و نگهداری خطر توقف تولید. امروزه، مردم با تجزیه و تحلیل داده های عملیاتی، طول عمر باقیمانده ماشین را پیش بینی می کنند. پارامترهای کلیدی مانند دما، نویز و لرزش را می توان از داده های ثبت شده برای تعیین شرایط عملیاتی بهینه و حتی فواصل نگهداری مورد نیاز استفاده کرد. این رویکرد از سایش و پارگی غیر ضروری جلوگیری می کند و در عین حال امکان تشخیص زودهنگام مسائل بالقوه و علل ریشه ای آنها را فراهم می کند.

به طور مشابه، حسگرهای تصویر برای بازرسی بینایی صنعتی، تقاضای رو به رشدی را در بخش تجهیزات صنعتی برای افزایش کارایی تولید و اطمینان از نرخ بازده محصول مشاهده می‌کنند. در این زمینه، حسگرهای تصویری که برای بازرسی بینایی ماشین استفاده می‌شوند، نه تنها باید نور مرئی را درک کنند، بلکه باید توانایی خود را برای تشخیص نور در طول موج‌های نامرئی، مانند طیف موج کوتاه مادون قرمز (SWIR) تقویت کنند. سنسورهای تصویر IMX992/993 سونی را به عنوان مثال در نظر بگیرید. آنها فناوری اختصاصی SenSWIR سونی را با 3.45{10}}میکرون پیکسل ترکیب می‌کنند. IMX992 دارای 5.32 مگاپیکسل است که امکان تصویربرداری با وضوح بالا و بهبود دقت را در کاربردهای مختلف بازرسی و اندازه گیری صنعتی فراهم می کند.

تراشه های تخصصی اغلب برای پروتکل های ارتباطی صنعتی خاص مانند EtherCAT مورد نیاز هستند. یاسین الکترونیک به‌عنوان یکی از اولین تولیدکنندگان چینی که تراشه‌های کنترلر Slave EtherCAT را راه‌اندازی کرد، AX58100 را در سال 2019 معرفی کرد. متعاقباً، کنترل‌کننده‌های Slave EtherCAT دو هسته‌ای را با پورت‌های 2/3 عرضه کرد که کارایی بالاتری را ارائه می‌کرد و در عین حال پروتکل‌های ارتباط متقابل همه سیستم‌ها را پشتیبانی می‌کرد. برنامه‌های کاربردی شامل کنترل ورودی/خروجی سیگنال دیجیتال، جمع‌آوری داده‌های حسگر، کنترل محور روباتیک، و عملکردهای دروازه اصلی EtherCAT به-IO-پیوند دادن می‌شوند. تصویر سمت راست، برد هسته صنعتی TL3568 را نشان می‌دهد که توسط فناوری Chuanglong با استفاده از قطعات کاملاً خانگی ساخته شده است. این پردازنده حول پردازنده Rockchip RK3568 طراحی شده است و همچنین می تواند برای ساخت استادان EtherCAT استفاده شود. استادان EtherCAT به تراشه های اختصاصی نیاز ندارند. آنها را می توان صرفاً در نرم افزار پیاده سازی کرد. برای مثال، ادغام پروتکل اصلی EtherCAT در RT{16}}Thread، کنترل زمان واقعی سروو موتورها و ورودی/خروجی از راه دور را ممکن می‌سازد.

در نهایت، FPGA های صنعتی پیاده سازی منطق سخت افزاری را با مزایایی مانند-پردازش موازی با سرعت بالا، واحدهای ورودی/خروجی فراوان و مالتی پلکسی کاربردی ارائه می دهند. با این حال، آنها با محدودیت هایی در کنترل انعطاف پذیر و پروتکل های ارتباطی پیچیده روبرو هستند. این ما را به سمت FPGA های SoC هدایت می کند که پردازنده های{3}هسته سخت را در معماری FPGA ادغام می کنند. این امر مصرف انرژی و هزینه سیستم را کاهش می دهد و در عین حال ردپای مادربرد را به حداقل می رساند. آنها انعطاف پذیری قابل برنامه ریزی FPGA را حفظ می کنند و در عین حال سازگاری با اکوسیستم پردازنده سخت را حفظ می کنند. سری SALDRAGON FPSoC Anlu Technology را که سال گذشته منتشر شد به عنوان مثال در نظر بگیرید: یکپارچگی اختیاری از یک-دو هسته بازوی Cortex-A35 یا یک{10}}هسته{10}}64 بیتی{12}}پردازنده RISC-V را ارائه می دهد که امکان استفاده کامل از هر دو اکوسیستم را فراهم می کند.

ارتباطات صنعتی: تسلط اترنت در حال تقویت است
پس از دهه‌ها تکامل و تکرار، روش‌های ارتباط صنعتی اساساً بر اساس پیاده‌سازی فیزیکی به سه دسته تقسیم می‌شوند: اترنت صنعتی، فیلدباس و شبکه‌های بی‌سیم صنعتی. در اترنت صنعتی، فناوری‌های نوظهور مانند EtherCAT، PROFINET و EtherCAT اکنون غالب هستند. سیستم های فیلدباس PROFIBUS DP، Modbus-RTU، و CC{3}}لینک را در بر می گیرند. شبکه‌های بی‌سیم صنعتی، که اخیراً در شبکه‌های صنعتی ظهور کرده‌اند، شامل راه‌حل‌های اتصال شناخته‌شده مانند Wi-، بلوتوث، و 5G می‌شوند.

طبق آمار HMS، اترنت صنعتی همچنان در سال 2023 بر نصب نودهای جدید تسلط داشت و سهم بازار آن از 68 درصد در سال قبل به 71 درصد افزایش یافت{3}}که 12 درصد افزایش قابل توجهی بود. در حالی که PROFINET، EtherNet/IP، و EtherCAT سه بازیگر غالب در بازار هستند، محبوبیت PROFINET و EtherCAT به طور پیوسته در حال افزایش است. در مقایسه با اتصال بی سیم، فیلدباس هنوز بخش قابل توجهی از گره های جدید را به خود اختصاص می دهد. با این حال، شتاب کافی بازار را از دست داده است و صرفاً به تجهیزات، ماشین آلات و کارخانه‌ها متکی است که همچنان از این دستگاه‌های فیلدباس با عملکرد خوب و زمان آزمایش شده استفاده می‌کنند.

اتصال بی سیم ثبات کلی را حفظ می کند. علی‌رغم درخواست‌های مداوم برای کارخانه‌های کاملاً بی‌سیم، به دلیل نیاز به مسیریابی مجدد کابل{1} و چالش ایجاد محیط‌هایی که از دسترسی ماشین‌های بی‌سیم و تجهیزات صنعتی سیار پشتیبانی می‌کنند، پذیرش همچنان محدود است.

فرسایش سهم بازار اتوبوس های صنعتی در درجه اول از مزایای قابل توجه ارائه شده توسط اترنت صنعتی نسبت به اتوبوس های صنعتی سنتی ناشی می شود. مهمترین مزیت سرعت است: برخلاف اتوبوس‌های صنعتی مبتنی بر{1} سریال، اترنت صنعتی به سرعت‌های بسیار بالاتری دست می‌یابد که بیش از 100 مگابیت در ثانیه است. حتی پرکاربردترین گذرگاه صنعتی PROFIBUS، به‌ویژه نوع-پرسرعت PROFIBUS DP برای اتوماسیون کارخانه، حداکثر سرعت قابل تنظیمی دارد که روی 12 مگابیت در ثانیه محدود شده است. دوم توپولوژی انعطاف پذیرتر آن است. برای استقرار شبکه‌های صنعتی پیچیده، اتوبوس‌های صنعتی با استفاده از پیکربندی‌های زنجیره‌ای بزرگ{8}}شبکه‌هایی را ایجاد می‌کنند که بسیار مستعد خرابی هستند. با این حال، اترنت صنعتی از توپولوژی‌های انعطاف‌پذیر مانند شبکه‌های ستاره‌ای برای ساخت شبکه‌های صنعتی سریع‌تر و مطمئن‌تر استفاده می‌کند.

در نهایت، اتحادهای صنعتی باعث پذیرش می شوند. Profinet (مسلط در اترنت صنعتی) و Profibus (مسلط در اتوبوس های صنعتی) را به عنوان مثال در نظر بگیرید: اگرچه هر دو توسط PI تبلیغ می شوند، اما از سال 2016، Profinet در نصب نود دستگاه های جدید از Profibus پیشی گرفته است. با راه‌حل‌های جامع مهاجرت برون‌فیلد و سبز فیلد در حال حاضر، این شکاف همچنان در حال افزایش است.

از آنجایی که دستگاه‌ها، حسگرها و سیستم‌های بیشتری به شبکه‌های صنعتی متصل می‌شوند، فناوری‌های بی‌سیم زیربنایی مانند Wi-Fi، LoRaWAN، و DECT-2020 NR امکان جمع‌آوری و اشتراک بی‌سیم داده‌های صنعتی حیاتی را فراهم می‌کنند. با این حال، با بلوغ استقرار 5G و تکامل فناوری، بازار تولید صنعتی به طور فزاینده‌ای توجه خود را به فناوری‌های شبکه سلولی معطوف می‌کند - که قبلاً به‌دلیل نگرانی در مورد سرعت و تأخیر در شبکه‌های صنعتی به ندرت استفاده می‌شد. با وجود این، استفاده از شبکه‌های بی‌سیم صنعتی به عنوان راه‌حل اصلی در برخی از محیط‌های RF خشن همچنان چالش برانگیز است. علاوه بر این، شبکه‌های بی‌سیم سلولی مانند 5G، مگر اینکه توسط اپراتورهای مخابراتی پشتیبانی شوند، برای تضمین کیفیت شبکه مورد نیاز در تنظیمات کارخانه تلاش می‌کنند.

از نظر سهم بازار، پذیرش 5G در شبکه های بی سیم صنعتی محدود است. این به این دلیل است که شبکه‌های بی‌سیم صنعتی 5G متفاوت از سایر روش‌های شبکه‌سازی، عمدتاً از طریق ساخت مستقیم کارخانه‌های کاملاً متصل 5G، مستقر می‌شوند. با ابتکار اینترنت 5G+ صنعتی، تعداد پروژه ها در سراسر کشور از 8000 فراتر رفته است. وزارت صنعت و فناوری اطلاعات (MIIT) «2023 5دایرکتوری کارخانه G» را که شامل پروژه‌های معیار است، با سرمایه‌گذاری کل ساخت‌وساز به 9.73 میلیارد یوان انتخاب و منتشر کرده است. سه اپراتور بزرگ مخابراتی نیز به طور فعال در ساخت مستقیم شبکه های صنعتی برای کارخانه های 5G شرکت کرده اند.

افکار نهایی

روندهای بازار نشان می دهد که بخش اتوماسیون صنعتی و کنترل در مرحله توسعه سریع باقی می ماند، به ویژه در چین، جایی که سیاست های ملی حمایت از تحول و ارتقای تولید، انگیزه قابل توجهی را ایجاد کرده است. ثانیاً، با پیشرفت در صنعت نیمه هادی بالادست، بخش اتوماسیون صنعتی چین در حال تغییر از گسترش مقیاس به ارتقاء کیفیت است. جایگزینی داخلی برای تجهیزات کنترل صنعتی پیشرفته دیگر فقط یک شعار نیست. در ارتباطات صنعتی، در حالی که سیستم‌های اتوبوس صنعتی با چالش‌های رشد روبرو هستند، اترنت صنعتی سرعت جایگزینی خود را تسریع می‌کند. شبکه‌های بی‌سیم صنعتی کاهش رشد کلی را نشان می‌دهند، با این حال استقرار کارخانه‌های 5G، به‌ویژه در بازار داخلی، شتاب می‌گیرد.