Basierend auf den jüngsten Entwicklungen im industriellen Fertigungssektor befindet sich der Markt für industrielle Automatisierung und Steuerung weiterhin in einer Phase schnellen Wachstums. Aufgrund steigender Arbeitskosten, des Drucks, Kosten zu senken und die Effizienz zu steigern, sowie der starken Notwendigkeit der Hersteller, Fristen einzuhalten, hat die Nachfrage nach Automatisierungssteuerungstechnologien in Fabriken ein beispielloses Ausmaß erreicht. Laut Statistiken und Prognosen von Grand View Research wurde der Markt für industrielle Automatisierung und Steuerung im vergangenen Jahr auf etwa 194,99 Milliarden US-Dollar geschätzt, wobei dieser Wert bis 2030 voraussichtlich 379,93 Milliarden US-Dollar erreichen wird.
Chinas Markt für industrielle Steuerungen entwickelt sich zu einem wichtigen Akteur
Auch der chinesische Markt für Industriesteuerungen hat erhebliche Veränderungen erfahren. Nationalen Daten zufolge verzeichnete Chinas Industriesektor im Jahr 2023 ein stetiges Wachstum, wobei sich neue Wachstumstreiber beschleunigten. Bei den großen-Industrieunternehmen stieg die Wertschöpfung der Ausrüstungsherstellung im Vergleich zum-Jahr um 6,8 % und machte 33,6 % der gesamten Wertschöpfung der großen{8}}Industrieunternehmen aus. Die Wertschöpfung der High-Tech-Fertigung wuchs um 2,7 %, was 15,7 % der gesamten Wertschöpfung großer Industrieunternehmen entspricht.
Warum besteht eine gewisse Kluft zwischen dem globalen und dem heimischen Markt? Dies ist größtenteils auf die nationale politische Unterstützung für die Transformation und Modernisierung der Fertigung zurückzuführen. Seit der Veröffentlichung des 14. Fünfjahresplans hat das Land einen beispiellosen Schwerpunkt auf die Transformation und Modernisierung des industriellen Fertigungssektors gelegt. Im Rahmen des Ziels, die zentrale Wettbewerbsfähigkeit der Fertigung zu verbessern, liegt ein starker Fokus auf der Entwicklung industrieller Steuerungsgeräte wie verteilter Steuerungssysteme und speicherprogrammierbarer Steuerungen sowie auf der Erzielung von Durchbrüchen bei Komponenten wie fortschrittlichen Steuerungen und hochpräzisen Servoantriebssystemen. Die rasante Entwicklung wichtiger Industrien wie Fahrzeuge mit neuer Energie hat die digitale Transformation der Fabriken vorangetrieben, wobei Provinzen und Städte Subventionsrichtlinien für digitale, intelligente Benchmark-Demonstrationsfabriken eingeführt haben.
Industrielle Steuerung der Upstream-, Midstream- und Downstream-Lieferkette
Als nächstes untersuchen wir die Upstream-, Midstream- und Downstream-Lieferkette der industriellen Steuerung. Der Upstream besteht hauptsächlich aus Steuerungs-/Kommunikationschips, Design-IP, Sensoren, Komponenten und Leiterplatten. Der Midstream, der auf verschiedenen industriellen Steuerungsprozessen basiert, ist in die Ausführungsschicht, die Antriebsschicht, die Steuerungsschicht und die Betriebsüberwachung unterteilt. Die Ausführungsschicht umfasst Steuerventile und Motorantriebe; Die Antriebsschicht umfasst Antriebe mit variabler Frequenz und Servosysteme. die Steuerungsschicht umfasst HMIs, DCS und SPS; und die Betriebsüberwachung umfasst Instrumente und industrielle Bildverarbeitungssysteme. Das nachgelagerte Segment der industriellen Steuerung umfasst zahlreiche spezialisierte Branchen, darunter mehrere, die in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen haben: 3C-Fertigung, neue Energiefahrzeuge, Energiespeicherung, Server, Petrochemie und Schienenverkehr.
Aus Sicht der Halbleiter kann der Upstream-Industriesteuerungssektor in vier Hauptsegmente eingeteilt werden: Industriesensoren, Industriesteuerungschips, Design-IP und industrielle FPGAs. Industriesensoren spielen als Kernkomponenten der Wahrnehmungsschicht (oder Feedbackschicht) im Mittelstrom der industriellen Steuerung eine entscheidende Rolle bei der Optimierung industrieller Prozesse und der Bereitstellung von Anlagenüberwachung und -schutz. Zu den ausländischen Herstellern zählen ON Semiconductor, Precision Electronics, SICK, Keyence, Beckhoff, Honeywell, Omron, Datalogic und Leica Geosystems. Zu den inländischen Akteuren zählen SmartSens, NXMicro, Cognex, Beiyang Group, XCMG, Minghao Sensing, XiaoAowei, Meixin Semiconductor und Feien Microelectronics.
Im Bereich der industriellen Steuerungschips und -module konzentrieren sich die meisten Hersteller auf die Entwicklung von Allzweck-MCUs. Zu den Hauptakteuren zählen internationale Firmen wie TI, ADI, ST, Microchip, Infineon, NXP, ON Semiconductor und Renesas sowie inländische Hersteller wie JiHai Semiconductor, Huada, Zhongying Electronics, Xinwang Microelectronics, Fengteng Technology, Artel, Jucheng Semiconductor, Nuvoton, Vanguard, Times, Hangshun, Saiyuan, Guoguo Technology, Dongtu Technology, Zhongke Jingshang, Xinhai Technology und Zhaoxin.
Gleichzeitig ist Design-IP mit zunehmenden differenzierten Anforderungen zu einer unverzichtbaren Komponente für Upstream-Chiphersteller geworden und umfasst sowohl Kern-IP als auch Schnittstellen-IP. Zu den internationalen Akteuren zählen Arm, Synopsys, Cadence, Imagination, Renesas und Sifive, während zu den inländischen Unternehmen PingTouGe, Andes Technology, VeriSilicon und CanSemi gehören.
Schließlich sehen industrielle FPGAs eine erhebliche Nachfrage in sich schnell entwickelnden Sektoren wie Industrierobotik und Hochpräzisionsgeräten, in denen mehrachsige Hochleistungs-Servosteuerung immer wichtiger wird. Folglich werden FPGAs weiterhin häufig in Servoantrieben, CNC-Systemen und der industriellen Automatisierung eingesetzt. Auch in der industriellen Kommunikation finden sie Anwendung, beispielsweise als EtherCAT-Master oder -Slave. Zu den internationalen Herstellern zählen AMD (Xilinx), Intel (Altera), Lattice und Microchip. Zu den inländischen Herstellern gehören Gowin Semiconductor, Anlu Technology und Unisoc.
Als Nächstes verwenden wir einige Upstream-Produkte als Beispiele, um aufkommende Trends auf dem Markt für industrielle Steuerungen zu veranschaulichen. Erstens ist die Steuerung des Robotermotors der Fall. Industrielle Anwendungen, die die Integration von Verarbeitung und Echtzeitkommunikation- erfordern, wie etwa die Motorsteuerung von Robotern-, erfordern eine höhere Echtzeitverarbeitungsleistung und unterstützen gleichzeitig eine breite Palette industrieller Kommunikationsprotokolle. Allerdings ist es auch wichtig, eine MCU mit ausreichend Leistungsspielraum für zukünftige Erweiterungen und zusätzliche Funktionen auszuwählen.
In solchen integrierten Architekturen erfordert die Motorsteuerung häufig eine einzige MCU zur Verwaltung mehrerer Achsen. Folglich muss die MCU neben Echtzeit-Kommunikationsschnittstellen wie EtherCAT leistungsstarke Echtzeit-Verarbeitungskerne wie R5F oder DSP enthalten. Nehmen Sie als Beispiel den im Diagramm gezeigten Multi-Core-Industrie-MCU AM2343x AM2343x. Es kann bis zu vier Cortex-R5F-Kerne integrieren und bietet so ausreichend Leistung für die mehrachsige Motorsteuerung in der Robotik und unterstützt gleichzeitig die Erweiterung mit industriellen Kommunikationsprotokollen wie EtherCAT.
Als nächstes folgt der vollständig integrierte Servosteuerchip. Servocontroller sind Geräte zur Regelung von Servomotoren und dienen als wichtige Komponente in modernen Bewegungssteuerungssystemen. Sie werden häufig in automatisierten Geräten wie Industrierobotern und CNC-Bearbeitungszentren eingesetzt. Servosteuerungschips ermöglichen die Ausrichtungssteuerung des Magnetfelds für Motoren und sorgen gleichzeitig für eine höhere Antriebseffizienz und dynamische Leistung. Das Diagramm zeigt Shijians vollständig integrierte Servomotor-Steuerungslösung auf Basis des TMC4671, die eine feldorientierte Steuerung für bürstenlose Gleichstrommotoren, Permanentmagnet-Synchronmotoren, 2-Phasen-Schrittmotoren, bürstenbehaftete Gleichstrommotoren und Schwingspulenmotoren bietet. Es wird als „vollständig integriert“ bezeichnet, da alle Steuerfunktionen zusammen mit integrierten ADCs, Positionssensorschnittstellen und Positionsinterpolatoren in der Hardware zusammengefasst sind. Somit eignet sich diese Reglerlösung für vielfältige Servoanwendungen.
Als nächstes untersuchen wir die HMI der Steuerungsschicht. Am Beispiel hochwertiger industrieller HMIs benötigen sie Unterstützung für Multi-{2}Anzeigefunktionen, höhere Auflösungen und Bildraten sowie eine verbesserte Grafikleistung, um komplexere visuelle Interaktionsdesigns zu ermöglichen. Nehmen Sie als Beispiel die MCU der HPM6800-Serie von Xianji Semiconductor. Neben der Integration eines hochleistungsfähigen RISC-V-Kerns verfügt dieser Chip auch über die 2,5D-GPU-IP von VeriSilicon und bietet so ausreichende Grafikleistung für HMI-Anwendungen. Darüber hinaus legen nicht-berührungsgesteuerte sprachgesteuerte HMIs-häufig Wert auf kompakte Designs und erfordern gleichzeitig die Unterstützung vor-vorprogrammierter und mehrsprachiger Befehlseingaben. Der Sprach-HMI-ASSP-MCU von Renesas, der R9A06G150, ist ein Beispiel für diesen Ansatz.
Die Verbesserung der Zustandsüberwachung und -diagnose bei gleichzeitiger Gesamtsystemoptimierung stellt eine zentrale Herausforderung bei der heutigen Nutzung mechanischer Anlagen und technischer Systeme dar. Dieses Thema wird nicht nur in industriellen Umgebungen immer wichtiger, sondern überall dort, wo mechanische Systeme eingesetzt werden. Traditionell wurden Maschinen nach Zeitplänen gewartet, wobei eine verspätete Wartung das Risiko eines Produktionsausfalls mit sich brachte. Heutzutage prognostizieren Menschen die verbleibende Maschinenlebensdauer durch die Analyse von Betriebsdaten. Schlüsselparameter wie Temperatur, Lärm und Vibration können aus aufgezeichneten Daten genutzt werden, um optimale Betriebsbedingungen und sogar erforderliche Wartungsintervalle zu bestimmen. Dieser Ansatz verhindert unnötigen Verschleiß und ermöglicht gleichzeitig die frühzeitige Erkennung potenzieller Probleme und ihrer Grundursachen.
Ebenso verzeichnen Bildsensoren für die industrielle Bildverarbeitung eine wachsende Nachfrage im Industrieausrüstungssektor, um die Produktionseffizienz zu steigern und die Produktausbeute sicherzustellen. In diesem Zusammenhang müssen Bildsensoren, die für die maschinelle Bildverarbeitung eingesetzt werden, nicht nur sichtbares Licht wahrnehmen, sondern auch ihre Fähigkeit verbessern, Licht in unsichtbaren Wellenlängen wie dem kurzwelligen Infrarotspektrum (SWIR) zu erkennen. Nehmen Sie als Beispiel die Bildsensoren IMX992/993 von Sony. Sie integrieren die proprietäre SenSWIR-Technologie von Sony und kombinieren 3,45-Mikrometer große Pixel. Der IMX992 erreicht 5,32 Megapixel, was eine hochauflösende Bildgebung ermöglicht und die Genauigkeit in verschiedenen industriellen Inspektions- und Messanwendungen verbessert.
Für bestimmte industrielle Kommunikationsprotokolle wie EtherCAT sind häufig spezielle Chips erforderlich. Als einer der ersten Hersteller Chinas, der EtherCAT-Slave-Controller-Chips auf den Markt brachte, stellte Yasin Electronics 2019 den AX58100 vor. Anschließend brachte das Unternehmen Dual-{3}Core-EtherCAT-Slave-Controller mit 2/3 Ports auf den Markt, die eine höhere Effizienz bieten und gleichzeitig die Verbindung mit allen Systemen ermöglichen, die Standard-EtherCAT-Kommunikationsprotokolle unterstützen. Zu den Anwendungen gehören digitale Signal-I/O-Steuerung, Sensordatenerfassung, Roboterachsensteuerung und EtherCAT-zu-IO-Link-Master-Gateway-Funktionen. Das Bild rechts zeigt die von Chuanglong Technology entwickelte Industrieplatine TL3568 unter Verwendung ausschließlich heimischer Komponenten. Es basiert auf dem RK3568-Prozessor von Rockchip und kann auch zum Aufbau von EtherCAT-Mastern verwendet werden. EtherCAT-Master benötigen keine dedizierten Chips; sie können rein in Software implementiert werden. Beispielsweise ermöglicht die Integration des EtherCAT-Masterprotokolls in RT-Thread die Echtzeitsteuerung von Servomotoren und Remote-I/O.
Schließlich bieten industrielle FPGAs eine Hardware-Logikimplementierung mit Vorteilen wie Hochgeschwindigkeits-Parallelverarbeitung, zahlreichen I/O-Einheiten und funktionalem Multiplexing. Allerdings stoßen sie bei flexibler Steuerung und komplexen Kommunikationsprotokollen auf Einschränkungen. Dies führt uns zu SoC-FPGAs, die Hardcore-Prozessoren in die FPGA-Architektur integrieren. Dies reduziert den Stromverbrauch und die Kosten des Systems und minimiert gleichzeitig den Platzbedarf des Motherboards. Sie behalten die programmierbare Flexibilität von FPGAs bei und wahren gleichzeitig die Kompatibilität mit dem Hartprozessor-Ökosystem. Nehmen Sie als Beispiel den im letzten Jahr veröffentlichten FPSoC der SALDRAGON-Serie von Anlu Technology: Er bietet optional die Integration eines Dual-{7}}Core-Arm-Cortex-A35 oder eines Single-{10}}Core-64---Bit-RISC-V-Prozessors und ermöglicht so die vollständige Nutzung beider Ökosysteme.
Industrielle Kommunikation: Die Dominanz von Ethernet nimmt weiter zu
Nach Jahrzehnten der Weiterentwicklung und Iteration lassen sich industrielle Kommunikationsmethoden basierend auf der physischen Implementierung hauptsächlich in drei Kategorien einteilen: industrielles Ethernet, Feldbus und industrielle drahtlose Netzwerke. Im industriellen Ethernet dominieren mittlerweile neue Technologien wie EtherCAT, PROFINET und EtherCAT. Feldbussysteme umfassen PROFIBUS DP, Modbus-RTU und CC{3}}Link. Zu den industriellen drahtlosen Netzwerken, die erst seit kurzem in der industriellen Vernetzung auftauchen, gehören bekannte Konnektivitätslösungen wie Wi{{6}Fi, Bluetooth und 5G.
Laut HMS-Statistiken dominiert Industrial Ethernet auch im Jahr 2023 die Installation neuer Knoten, wobei sein Marktanteil von 68 % im Vorjahr auf 71 % stieg-ein deutlicher Anstieg um 12 %. Während PROFINET, EtherNet/IP und EtherCAT weiterhin die drei dominierenden Akteure auf dem Markt sind, nimmt die Popularität von PROFINET und EtherCAT stetig zu. Im Vergleich zur drahtlosen Konnektivität macht der Feldbus immer noch einen erheblichen Teil der neuen Knoten aus. Allerdings hat das Unternehmen an Marktdynamik verloren und verlässt sich ausschließlich auf Geräte, Maschinen und Fabriken, die weiterhin diese gut{8}funktionierenden, bewährten-Feldbusgeräte verwenden.
Die drahtlose Konnektivität gewährleistet die allgemeine Stabilität. Trotz anhaltender Forderungen nach vollständig drahtlosen Fabriken bleibt die Akzeptanz aufgrund der Notwendigkeit umfassender Kabelumleitungen und der Herausforderung, Umgebungen zu schaffen, die den drahtlosen Maschinenzugriff und mobile Industriegeräte unterstützen, begrenzt.
Der Rückgang des Marktanteils von Industriebussen ist in erster Linie auf die erheblichen Vorteile zurückzuführen, die Industrial Ethernet gegenüber herkömmlichen Industriebussen bietet. Der größte Vorteil ist die Geschwindigkeit: Im Gegensatz zu seriell-basierten Industriebussen erreicht Industrial Ethernet deutlich höhere Geschwindigkeiten von über 100 Mbit/s. Selbst der am weitesten verbreitete Profibus-Industriebus, insbesondere die Hochgeschwindigkeitsvariante Profibus DP für die Fabrikautomatisierung, hat eine maximal konfigurierbare Geschwindigkeit von maximal 12 Mbit/s. Zweitens ist die Topologie flexibler. Bei komplexen industriellen Netzwerkimplementierungen erzeugen Industriebusse mit großen Daisy-{8}Chain-Konfigurationen Netzwerke, die äußerst fehleranfällig sind. Industrial Ethernet nutzt jedoch flexible Topologien wie Sternnetzwerke, um schnellere und zuverlässigere Industrienetzwerke aufzubauen.
Schließlich fördern Branchenallianzen die Akzeptanz. Nehmen Sie als Beispiele Profinet (dominant in Industrial Ethernet) und Profibus (dominant in Industriebussen): Obwohl beide von PI gefördert werden, hat Profinet seit 2016 Profibus bei der Installation neuer Geräteknoten überholt. Da jetzt umfassende Brownfield- und Greenfield-Migrationslösungen verfügbar sind, wird diese Lücke immer größer.
Da sich immer mehr Geräte, Sensoren und Systeme mit industriellen Netzwerken verbinden, ermöglichen zugrunde liegende drahtlose Technologien wie Wi-Fi, LoRaWAN und DECT-2020 NR die drahtlose Erfassung und Weitergabe kritischer Industriedaten. Mit zunehmender 5G-Bereitstellung und technologischer Weiterentwicklung richtet der industrielle Fertigungsmarkt seine Aufmerksamkeit jedoch zunehmend auf Mobilfunktechnologien, die in industriellen Netzwerken aufgrund von Bedenken hinsichtlich Geschwindigkeit und Latenz bisher selten eingesetzt wurden. Dennoch bleibt es schwierig, industrielle drahtlose Netzwerke in bestimmten rauen HF-Umgebungen als primäre Lösung einzusetzen. Darüber hinaus haben Mobilfunknetze wie 5G Schwierigkeiten, die erforderliche Netzwerkqualität in den Werkseinstellungen zu gewährleisten, sofern sie nicht von Telekommunikationsbetreibern unterstützt werden.
Gemessen am Marktanteil bleibt die Einführung von 5G in industriellen drahtlosen Netzwerken begrenzt. Dies liegt daran, dass industrielle 5G-Funknetze anders als andere Netzwerkmethoden eingesetzt werden, vor allem durch den direkten Aufbau vollständig vernetzter 5G-Fabriken. Angetrieben durch die 5G+Industrial Internet-Initiative hat die Zahl der landesweiten Projekte 8.000 überschritten. Das Ministerium für Industrie und Informationstechnologie (MIIT) hat das „2023 5G Factory Directory“ ausgewählt und veröffentlicht, das Benchmark-Projekte mit Gesamtbauinvestitionen von 9,73 Milliarden Yuan enthält. Die drei großen Telekommunikationsbetreiber haben sich auch aktiv am direkten Aufbau industrieller Netzwerke für 5G-Fabriken beteiligt.
Letzte Gedanken
Die Markttrends deuten darauf hin, dass sich der Sektor der industriellen Automatisierung und Steuerung nach wie vor in einer rasanten Entwicklungsphase befindet, insbesondere in China, wo nationale Maßnahmen zur Unterstützung der Transformation und Modernisierung der Fertigung erhebliche Impulse gegeben haben. Zweitens verlagert sich Chinas industrieller Automatisierungssektor, unterstützt durch Fortschritte in der vorgelagerten Halbleiterindustrie, von der Größenausweitung zur Qualitätsverbesserung. Die Substitution hochwertiger industrieller Steuerungsgeräte im Inland ist nicht länger nur ein Slogan. Während in der industriellen Kommunikation industrielle Bussysteme vor Wachstumsherausforderungen stehen, beschleunigt Industrial Ethernet seine Ersetzungsgeschwindigkeit. Industrielle drahtlose Netzwerke weisen insgesamt eine leichte Verlangsamung des Wachstums auf, dennoch beschleunigt sich die Einführung von 5G in Fabriken, insbesondere auf dem heimischen Markt.