電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/周凱揚）從工業(yè)制造行業(yè)近年來的發(fā)展來看，目前工業(yè)自動化與控制市場仍處于快速發(fā)展期，在人力成本上升、降本增效和制造商按時完成任務的巨大壓力下，工廠使用自動化控制技術的需求已經(jīng)達到新高。根據(jù)GrandView Research的統(tǒng)計與預測數(shù)據(jù)，去年工業(yè)自動化與控制市場總值約為1949.9億美元，而這一數(shù)字預計將在2030年達到3799.3億美元。

中國工業(yè)控制市場異軍突起

中國的工業(yè)控制市場也發(fā)生了不小的變動，從國家公布的數(shù)據(jù)來看，2023 年我國工業(yè)依然實現(xiàn)穩(wěn)健增長，新動能在加快培育。在規(guī)模以上工業(yè)中，裝備制造業(yè)增加值比上年增長 6.8%，占規(guī)模以上工業(yè)增加值比重為 33.6%；高技術制造業(yè)增加值增長 2.7%，占規(guī)模以上工業(yè)增加值比重為15.7%。

盡管有所增長，2023年工業(yè)自動化復蘇跡象并不算明顯，世界范圍內面臨著經(jīng)濟復蘇動力不足的困境，國內則面臨著有效需求不足的現(xiàn)狀。與此同時，國內工業(yè)控制與自動化行業(yè)競爭依舊十分激烈，西門子、ABB、三菱、安川、歐姆龍、松下等歐美、日本廠商仍然占據(jù)主要份額。匯川、禾川和雷賽等國產自動化廠商在上游廠商的支持下，已經(jīng)開始從做大往做強轉型。

為何世界范圍內與國內存在一定的差距，這也得益于國家對制造業(yè)轉型和升級的政策扶植。從十四五規(guī)劃發(fā)布以來，國家對于工業(yè)制造產業(yè)的轉型和升級提出了前所未有的重視。在提高制造業(yè)核心競爭力的目標中，也要求重點研制分散式控制系統(tǒng)、可編程邏輯控制器等工業(yè)控制裝備，并在先進控制器、高精度伺服驅動系統(tǒng)等部件上實現(xiàn)突破。隨著新能源汽車等熱門產業(yè)的快速發(fā)展，帶動了工廠數(shù)字化轉型，各省市也發(fā)布了對數(shù)字化智能標桿示范工廠的補貼政策。

工業(yè)控制上下游產業(yè)鏈

接著我們來看看工業(yè)控制的上中下游產業(yè)鏈，上游主要分為控制/通信芯片、設計IP、傳感器、元器件和PCB等，而中游根據(jù)工業(yè)控制的不同流程，則分為執(zhí)行層、驅動層、控制層和運行監(jiān)控等。其中，執(zhí)行層包括 調節(jié)閥、電機傳動，驅動層包括變頻器、伺服系統(tǒng)等，控制層則包括HMI、DCS、PLC，運行監(jiān)控則包含了儀表和工業(yè)視覺系統(tǒng)等。工業(yè)控制的下游細分產業(yè)很多，不乏一些近年來比較發(fā)展比較熱門的產業(yè)，包括3C制造、新能源汽車、儲能、服務器、石化和軌道交通等。

從半導體的角度看工控上游，我們可以將其分為四個大類，分別是工業(yè)傳感器，工業(yè)控制芯片、設計IP以及工業(yè)FPGA。工業(yè)傳感器作為工業(yè)控制中游感知層或者說反饋層的核心部件之一，起到了改善工業(yè)流程并提供資產監(jiān)控與保護的作用。其中國外廠商有安森美、精量電子、西克、基恩士、倍福、霍尼韋爾、歐姆龍、得利捷、勞易測。國內廠商有思特威、納芯微、康耐視、北洋集團、西人馬、明皜傳感、芯奧微、美芯半導體、飛恩微電子等。

工業(yè)控制芯片和模組這塊，大部分廠商以開發(fā)通用MCU為主，主要廠商包括國外的TI、ADI、ST、Microchip、英飛凌、恩智浦、安森美、瑞薩，國內廠商有極海半導體、華大、中穎電子、芯旺微電子、峰岹科技、雅特力、聚辰半導體、新唐、萬高、時代、航順、賽元、國民技術、東土科技、中科晶上、芯海科技、兆芯等等。

同時隨著差異化需求的提高，設計IP也成了上游芯片廠商們不可忽略的一環(huán)，無論是核心IP還是接口IP。國外廠商包括Arm、新思、Cadence、Imagination、瑞薩、Sifive，國內廠商包括平頭哥、晶心科技、芯原、燦芯半導體等。

最后是工業(yè)FPGA，隨著工業(yè)機器人、高精密設備等行業(yè)的快速發(fā)展，多軸、高性能伺服的尋求也越發(fā)凸顯，所以目前FPGA在伺服驅動、數(shù)控和工業(yè)自動化領域仍有著廣泛應用。且FPGA在工業(yè)通信領域也有了不少應用場景，比如用于EtherCAT的主站或從站等。國外廠商有AMD（Xilinx）、Intel（Altera）、Lattice、Microchip等，國內廠商包括高云半導體、安路科技、紫光同創(chuàng)等。

接著我們以一些上游產品為例，來展示工業(yè)控制市場出現(xiàn)的一些市場趨勢。首先就是機器人電機控制，對于需要將處理和實時通信結合的工業(yè)應用，比如機器人電機控制等，需要更高的實時處理性能，同時支持豐富的工業(yè)通信協(xié)議。但也要選擇擁有足夠性能余量的MCU，用于未來的擴展和附加功能。

而這種集成式架構中電機控制往往需要用一個MCU控制多個軸控制，所以MCU需要高性能實時處理內核，比如R5F或DSP等，也需要EtherCAT這樣的實時通信接口。以圖中TI的AM2343x多核工業(yè)MCU為例，就最多可集成4個Cortex-R5F核心，為機器人多軸電機控制提供足夠的性能，同時也能支持EtherCAT等工業(yè)通信協(xié)議的擴展。

世健基于TMC4671的全集成伺服電機控制方案

其次是全集成伺服控制芯片，伺服控制器是用來控制伺服電機的一種控制器，是現(xiàn)代運動控制的重要組成部分，被廣泛應用于工業(yè)機器人及數(shù)控加工中心等自動化設備中。伺服控制芯片在為電機提供磁場定向控制的同時，追求更高的驅動效率和動態(tài)性能。圖中展示了世健基于TMC4671的全集成伺服電機控制方案，為直流無刷電機、永磁同步電機、2相步進電機、直流有刷電機和音圈電機提供磁場定向控制。之所以被稱為全集成，是因為所有的控制功能都被集成在硬件上，同時集成了ADCs、位置傳感器接口、位置差值器，所以該控制器方案適用于各種伺服應用。

接著我們來看下控制層的HMI，以高端工業(yè)HMI為例，需要支持多路顯示，甚至要支持更高的分辨率和幀率，以及擁有更強的圖形顯示性能才能支持更復雜的可視化交互設計。以先楫半導體的HPM6800系列MCU為例，該芯片除了集成了高性能的RISC-V內核外，還集成了芯原的2.5D GPU IP，為HMI提供了足夠的圖形性能。除此之外，還有非觸控式的語音控制HMI，這類應用往往追求更加緊湊的設計，且必須支持預編程和多語言命令輸入，瑞薩的語音HMI ASSP MCU R9A06G150就是一個很好的例子。

改善狀態(tài)監(jiān)控和診斷并實現(xiàn)整體系統(tǒng)優(yōu)化，是當今人們在使用機械設施和技術系統(tǒng)時面臨的部分核心挑戰(zhàn)。這個話題不僅在工業(yè)領域，在任何使用機械系統(tǒng)的地方都愈加重要。以往，都是根據(jù)計劃來維護機器，延遲維護可能會面臨生產停工的風險。如今，人們通過處理機器的數(shù)據(jù)來預測其剩余的使用壽命。尤其是溫度、噪聲和振動等關鍵參數(shù)，可以利用記錄的這些數(shù)據(jù)來確定優(yōu)質運行狀態(tài)，甚至是所需的維護次數(shù)。此舉可以避免造成不必要的磨損，并且能夠盡早發(fā)現(xiàn)潛在的問題和原因。

上圖就展示了世健基于ADI ADXL355/357的數(shù)字型三軸振動傳感器參考設計，其中PC GUI對振動傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行FFT、FIR等時域/頻域分析，可以廣泛用于電梯狀況監(jiān)控、數(shù)控機床狀態(tài)反饋、氣泵液泵狀態(tài)監(jiān)控、電機和齒輪箱狀態(tài)監(jiān)控、風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)控以及機械臂起重機等工業(yè)設備的狀態(tài)反饋和監(jiān)控。

同樣的還有工業(yè)視覺檢測的圖像傳感器，在工業(yè)設備領域，為了提高生產效率并保證產品良率的需求持續(xù)增加。在這種情況下，針對用于機器視覺檢測的圖像傳感器不僅需要感知可見光的能力，也需要加強感知不可見波段光線的能力，比如短波紅外焦段。以索尼的IMX992/993圖像傳感器為例，就集成了其自研的SenSWIR技術，拼接3.45微米的像素大小，IMX992做到了532萬像素，可以實現(xiàn)高精細的成像，提高在各類工業(yè)檢查和測量應用中的精度。

在特定的工業(yè)通信協(xié)議中，往往也需要用到專用的芯片，比如EtherCAT。亞信電子是國內首批推出EtherCAT從站控制器芯片的廠商，自2019年發(fā)布AX58100后，亞信電子又推出了2/3端口的EtherCAT從站雙核控制器，做到更高效能的同時，可以所有支持標準EtherCAT通信協(xié)議的系統(tǒng)互聯(lián)?？捎糜?a target="_blank">數(shù)字信號IO控制、傳感器數(shù)據(jù)收集、機器人轉軸控制以及EtherCAT轉IO-Link主站網(wǎng)關等。右圖為創(chuàng)龍科技基于全國產器件打造的工業(yè)核心板TL3568，基于瑞芯微的RK3568處理器設計，也可用于打造EtherCAT主站。EtherCAT主站并不需要專用的芯片，只需要在軟件上實現(xiàn)即可，比如在RT-Thread端集成EtherCAT主站協(xié)議，對伺服電機和遠程IO進行實時控制。

最后是工業(yè)FPGA，F(xiàn)PGA可以實現(xiàn)硬件邏輯功能，且具備高速并行處理性能、豐富IO單元和功能復用等優(yōu)勢，但涉及靈活的控制和復雜的通信協(xié)議時，并不占優(yōu)勢。所以我們引出了SoC FPGA，SoC FPGA在FPGA架構中集成了硬核處理器，從而降低系統(tǒng)功耗和成本，減小主板面積。在具備FPGA可編程靈活性的同時，也兼容硬核處理器的生態(tài)。以安路科技去年發(fā)布的SALDRAGON系列FPSoC為例，就可選集成雙核Arm Cortex-A35或單核64位芯來RISC-V處理器的版本，從而充分利用兩者的生態(tài)系統(tǒng)。

工業(yè)通信，以太網(wǎng)主導地位繼續(xù)加固

工業(yè)通信方式經(jīng)過數(shù)十年的演變迭代，基于物理實現(xiàn)方式主要分為工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線以及工業(yè)無線網(wǎng)，其中工業(yè)以太網(wǎng)中占主導的為EtherCAT、PROFINET以及EtherCAT等后起之秀，而現(xiàn)場總線則包括了PROFIBUS DP、Modbus-RTU、CC-Link等，近年來才開始在工業(yè)網(wǎng)絡中現(xiàn)身的工業(yè)無線網(wǎng)，則包括大家熟知的Wi-Fi、藍牙和5G等連接方式。

2023年新增節(jié)點各工業(yè)通信方式占比 / HMS

根據(jù)HMS的統(tǒng)計，在2023年的新增節(jié)點中，工業(yè)以太網(wǎng)依然占據(jù)主導地位，份額更是從前年的68%提高至71%，增長高達12%。雖然市面上依然是PROFINET、EtherNet/IP、和EtherCAT三家獨大的局面，但PROFINET、EtherCAT的受歡迎程度在逐漸提高。相較無線連接，現(xiàn)場總線依然占據(jù)新增節(jié)點的很大一部分，但失去了足夠的市場動力，只是依賴于設備、機器和工廠繼續(xù)沿用這些功能良好，且久經(jīng)驗證的現(xiàn)場總線設備。

無線連接整體保持穩(wěn)定的狀態(tài)，雖然打造全無線工廠的口號一直不絕于耳，但對于工廠環(huán)境而言，需要重新更換電纜布局，打造一個無線機器訪問和移動工業(yè)設備的環(huán)境，接受度仍有待提高。

之所以工業(yè)總線的市場份額在被逐漸蠶食，還是因為工業(yè)以太網(wǎng)相比工業(yè)總線存在不小的優(yōu)勢。首先就是更快的速度：相較于串聯(lián)通信的工業(yè)總線，工業(yè)以太網(wǎng)可以實現(xiàn)更高的速度，甚至超過100Mbps，而最常用的PROFIBUS工業(yè)總線，即便是用于工廠自動化的高速版本PROFIBUS DP，最高可配置速度也只有12Mbps。其次是更靈活的拓撲結構，對于更復雜的工業(yè)網(wǎng)絡部署，工業(yè)總線如果采用大型菊花鏈的形式部署，則會形成一個對故障極為敏感的工業(yè)網(wǎng)絡。而工業(yè)以太網(wǎng)通過星型等靈活拓撲結構，打造更加高速可靠的工業(yè)網(wǎng)絡。

最后則是產業(yè)聯(lián)盟的推動，以工業(yè)以太網(wǎng)中占比最高的Profinet和工業(yè)總線中占比最高的Profibus為例，盡管PROFIBUS和PROFINET都是由PI推廣的，但從2016年開始后者的新增設備節(jié)點數(shù)就已經(jīng)開始超過前者了，在已經(jīng)具備完整的棕地和綠地遷移方案的助力下，這一差距還在繼續(xù)擴大。

隨著越來越多的設備、傳感器和系統(tǒng)接入工業(yè)網(wǎng)絡，Wi-Fi、LoRaWan和DECT-2020 NR等底層無線連接技術提供了無線收集和共享這些工業(yè)關鍵數(shù)據(jù)的可行性。但5G部署和技術演進逐步成熟，工業(yè)制造市場已經(jīng)開始將目光放向曾經(jīng)因為速率和延遲而極少用于工業(yè)網(wǎng)絡中的蜂窩網(wǎng)絡技術。盡管對于一些RF環(huán)境惡劣的工業(yè)場景而言，工業(yè)無線網(wǎng)還是很難作為首選，而且除非有電信運營商的介入，5G之類的蜂窩無線網(wǎng)很難保證在工廠環(huán)境發(fā)揮出其應有的網(wǎng)絡質量。

國內5G工廠發(fā)展 / 工信部

單看占比，5G在工業(yè)無線網(wǎng)中落地還不算多，這是因為5G工業(yè)無線網(wǎng)的普及方式相較其他布網(wǎng)方式有所不同，多以直接建設全連接5G工廠為主。在5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的推動下，全國項目數(shù)已經(jīng)超過8000個。工信部也針對其中的標桿項目，遴選并發(fā)布了《2023年5G工廠名錄》，建設投資總額達到了97.3億元。三大運營商也紛紛參與到了5G工廠的工業(yè)網(wǎng)絡直接建設中來。

寫在最后

從市場趨勢來看，工業(yè)自動化與控制市場仍處于快速發(fā)展期，尤其是中國，國家政策支持制造業(yè)轉型和升級起到了極大的助力。其次，得益于上游芯片產業(yè)的發(fā)展，國產工業(yè)自動化產業(yè)開始從做大往做強轉型，高端工控設備的國產替代已經(jīng)不再只是說說而已。而在工業(yè)通信上，工業(yè)總線增長動力不足，工業(yè)以太網(wǎng)正加快替代速度。工業(yè)無線網(wǎng)整體增速略有下滑，但5G工廠布局加快，尤其是國內市場。