從工業制造行業近年來的發展來看，目前工業自動化與控制市場仍處于快速發展期，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達到新高。根據GrandView Research的統計與預測數據，去年工業自動化與控制市場總值約為1949.9億美元，而這一數字預計將在2030年達到3799.3億美元。
中國工業控制市場異軍突起
中國的工業控制市場也發生了不小的變動，從國家公布的數據來看，2023 年我國工業依然實現穩健增長，新動能在加快培育。在規模以上工業中，裝備制造業增加值比上年增長 6.8%，占規模以上工業增加值比重為 33.6%；高技術制造業增加值增長 2.7%，占規模以上工業增加值比重為15.7%。
盡管有所增長，2023年工業自動化復蘇跡象并不算明顯，世界范圍內面臨著經濟復蘇動力不足的困境，國內則面臨著有效需求不足的現狀。與此同時，國內工業控制與自動化行業競爭依舊十分激烈，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轉型和升級的政策扶植。從十四五規劃發布以來，國家對于工業制造產業的轉型和升級提出了＊＊＊＊的重視。在提高制造業核心競爭力的目標中，也要求重點研制分散式控制系統、可編程邏輯控制器等工業控制裝備，并在先進控制器、高精度伺服驅動系統等部件上實現突破。隨著新能源汽車等熱門產業的快速發展，帶動了工廠數字化轉型，各省市也發布了對數字化智能標桿示范工廠的補貼政策。
工業控制上下游產業鏈
接著我們來看看工業控制的上中下游產業鏈，上游主要分為控制/通信芯片、設計IP、傳感器、元器件和PCB等，而中游根據工業控制的不同流程，則分為執行層、驅動層、控制層和運行監控等。其中，執行層包括 調節閥、電機傳動，驅動層包括變頻器、伺服系統等，控制層則包括HMI、DCS、PLC，運行監控則包含了儀表和工業視覺系統等。工業控制的下游細分產業很多，不乏一些近年來比較發展比較熱門的產業，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，分別是工業傳感器，工業控制芯片、設計IP以及工業FPGA。工業傳感器作為工業控制中游感知層或者說反饋層的核心部件之一，起到了改善工業流程并提供資產監控與保護的作用。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。
工業控制芯片和模組這塊，大部分廠商以開發通用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，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。
＊后是工業FPGA，隨著工業機器人、高精密設備等行業的快速發展，多軸、高性能伺服的尋求也越發凸顯，所以目前FPGA在伺服驅動、數控和工業自動化領域仍有著廣泛應用。且FPGA在工業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、紫光同創等。
接著我們以一些上游產品為例，來展示工業控制市場出現的一些市場趨勢。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通信協議。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MCU為例，就＊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等工業通信協議的擴展。
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，是現代運動控制的重要組成部分，被廣泛應用于工業機器人及數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。
改善狀態監控和診斷并實現整體系統優化，是當今人們在使用機械設施和技術系統時面臨的部分核心挑戰。這個話題不僅在工業領域，在任何使用機械系統的地方都愈加重要。以往，都是根據計劃來維護機器，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據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，可以利用記錄的這些數據來確定優質運行狀態，甚至是所需的維護次數。此舉可以避免造成不必要的磨損，并且能夠盡早發現潛在的問題和原因。
上圖就展示了世健基于ADI ADXL355/357的數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據進行FFT、FIR等時域/頻域分析，可以廣泛用于電梯狀況監控、數控機床狀態反饋、氣泵液泵狀態監控、電機和齒輪箱狀態監控、風力發電機狀態監控以及機械臂起重機等工業設備的狀態反饋和監控。
同樣的還有工業視覺檢測的圖像傳感器，在工業設備領域，為了提高生產效率并保證產品良率的需求持續增加。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，可以實現高精細的成像，提高在各類工業檢查和測量應用中的精度。
在特定的工業通信協議中，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通信協議的系統互聯。可用于數字信號IO控制、傳感器數據收集、機器人轉軸控制以及EtherCAT轉IO-Link主站網關等。右圖為創龍科技基于全國產器件打造的工業核心板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即可，比如在RT-Thread端集成EtherCAT主站協議，對伺服電機和遠程IO進行實時控制。
＊后是工業FPGA，FPGA可以實現硬件邏輯功能，且具備高速并行處理性能、豐富IO單元和功能復用等優勢，但涉及靈活的控制和復雜的通信協議時，并不占優勢。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。以安路科技去年發布的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系統。
工業通信，以太網主導地位繼續加固
工業通信方式經過數十年的演變迭代，基于物理實現方式主要分為工業以太網、現場總線以及工業無線網，其中工業以太網中占主導的為EtherCAT、PROFINET以及EtherCAT等后起之秀，而現場總線則包括了PROFIBUS DP、Modbus-RTU、CC-Link等，近年來才開始在工業網絡中現身的工業無線網，則包括大家熟知的Wi-Fi、藍牙和5G等連接方式。
2023年新增節點各工業通信方式占比 / HMS
根據HMS的統計，在2023年的新增節點中，工業以太網依然占據主導地位，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，現場總線依然占據新增節點的很大一部分，但失去了足夠的市場動力，只是依賴于設備、機器和工廠繼續沿用這些功能良好，且久經驗證的現場總線設備。
無線連接整體保持穩定的狀態，雖然打造全無線工廠的口號一直不絕于耳，但對于工廠環境而言，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設備的環境，接受度仍有待提高。
之所以工業總線的市場份額在被逐漸蠶食，還是因為工業以太網相比工業總線存在不小的優勢。首先就是更快的速度：相較于串聯通信的工業總線，工業以太網可以實現更高的速度，甚至超過100Mbps，而＊常用的PROFIBUS工業總線，即便是用于工廠自動化的高速版本PROFIBUS DP，＊高可配置速度也只有12Mbps。其次是更靈活的拓撲結構，對于更復雜的工業網絡部署，工業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網絡。而工業以太網通過星型等靈活拓撲結構，打造更加高速可靠的工業網絡。
＊后則是產業聯盟的推動，以工業以太網中占比＊高的Profinet和工業總線中占比＊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點數就已經開始超過前者了，在已經具備完整的棕地和綠地遷移方案的助力下，這一差距還在繼續擴大。
隨著越來越多的設備、傳感器和系統接入工業網絡，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關鍵數據的可行性。但5G部署和技術演進逐步成熟，工業制造市場已經開始將目光放向曾經因為速率和延遲而極少用于工業網絡中的蜂窩網絡技術。盡管對于一些RF環境惡劣的工業場景而言，工業無線網還是很難作為＊＊，而且除非有電信運營商的介入，5G之類的蜂窩無線網很難保證在工廠環境發揮出其應有的網絡質量。
國內5G工廠發展 / 工信部
單看占比，5G在工業無線網中落地還不算多，這是因為5G工業無線網的普及方式相較其他布網方式有所不同，多以直接建設全連接5G工廠為主。在5G+工業互聯網的推動下，全國項目數已經超過8000個。工信部也針對其中的標桿項目，遴選并發布了《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工廠的工業網絡直接建設中來。
寫在＊后
從市場趨勢來看，工業自動化與控制市場仍處于快速發展期，尤其是中國，國家政策支持制造業轉型和升級起到了極大的助力。其次，得益于上游芯片產業的發展，國產工業自動化產業開始從做大往做強轉型，高端工控設備的國產替代已經不再只是說說而已。而在工業通信上，工業總線增長動力不足，工業以太網正加快替代速度。工業無線網整體增速略有下滑，但5G工廠布局加快，尤其是國內市場。
