安全环保 1794-OF4IXT 实用维护方便

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从工业制造行业近年来的发展来看，目前工业自动化与控制市场仍处于快速发展期，在人力成本上升、降本增效和制造商按时完成任务的巨大压力下，工厂使用自动化控制技术的需求已经达到新高。根据GrandViewResearch的统计与预测数据，去年工业自动化与控制市场总值约为1949.9亿美元，而这一数字预计将在2030年达到3799.3亿美元。

中国工业控制市场异军突起

中国的工业控制市场也发生了不小的变动，从国家公布的数据来看，2023年我国工业依然实现稳健增长，新动能在加快培育。在规模以上工业中，装备制造业增加值比上年增长 6.8%，占规模以上工业增加值比重为33.6%；高技术制造业增加值增长 2.7%，占规模以上工业增加值比重为15.7%。

有所增长，2023年工业自动化复苏迹象并不算明显，世界范围内面临着经济复苏动力不足的困境，国内则面临着有效需求不足的现状。国内工业控制与自动化行业竞争依旧十分激烈，西门子、ABB、三菱、安川、欧姆龙、松下等欧美、日本厂商仍然占据主要份额。汇川、禾川和雷赛等国产自动化厂商在上游厂商的支持下，已经开始从做大往做强转型。

为何世界范围内与国内存在一定的差距，这也得益于国家对制造业转型和升级的政策扶植。从十四五规划发布以来，国家对于工业制造产业的转型和升级提出了前所未有的重视。在提高制造业核心竞争力的目标中，也要求重点研制分散式控制系统、可编程逻辑控制器等工业控制装备，并在先进控制器、高精度伺服驱动系统等部件上实现突破。随着新能源汽车等热门产业的快速发展，带动了工厂数字化转型，各省市也发布了对数字化智能示范工厂的补贴政策。

工业控制上下游产业链

接着我们来看看工业控制的上中下游产业链，上游主要分为控制/通信芯片、设计IP、传感器、元器件和PCB等，而中游根据工业控制的不同流程，则分为执行层、驱动层、控制层和运行监控等。其中，执行层包括调节阀、电机传动，驱动层包括变频器、伺服系统等，控制层则包括HMI、DCS、PLC，运行监控则包含了仪表和工业视觉系统等。工业控制的下游细分产业很多，不乏一些近年来比较发展比较热门的产业，包括3C制造、新能源汽车、储能、服务器、石化和轨道交通等。

从半导体的角度看工控上游，我们可以将其分为四个大类，分别是工业传感器，工业控制芯片、设计IP以及工业FPGA。工业传感器作为工业控制中游感知层或者说反馈层的核心部件之一，起到了改善工业流程并提供资产监控与保护的作用。其中国外厂商有安森美、精量电子、西克、基恩士、倍福、霍尼韦尔、欧姆龙、得利捷、劳易测。国内厂商有思特威、纳芯微、康耐视、北洋集团、西人马、明皜传感、芯奥微、美芯半导体、飞恩微电子等。

工业控制芯片和模组这块，大部分厂商以开发通用MCU为主，主要厂商包括国外的TI、ADI、ST、Microchip、英飞凌、恩智浦、安森美、瑞萨，国内厂商有极海半导体、华大、中颖电子、芯旺微电子、峰岹科技、雅特力、聚辰半导体、新唐、万高、时代、航顺、赛元、国民技术、东土科技、中科晶上、芯海科技、兆芯等等。

随着差异化需求的提高，设计IP也成了上游芯片厂商们不可忽略的一环，无论是核心IP还是接口IP。国外厂商包括Arm、新思、Cadence、Imagination、瑞萨、Sifive，国内厂商包括平头哥、晶心科技、芯原、灿芯半导体等。

后是工业FPGA，随着工业机器人、高精密设备等行业的快速发展，多轴、高性能伺服的寻求也越发凸显，目前FPGA在伺服驱动、数控和工业自动化领域仍有着广泛应用。且FPGA在工业通信领域也有了不少应用场景，比如用于EtherCAT的主站或从站等。国外厂商有AMD（Xilinx）、Intel（Altera）、Lattice、Microchip等，国内厂商包括高云半导体、安路科技、紫光同创等。

接着我们以一些上游产品为例，来展示工业控制市场出现的一些市场趋势。就是机器人电机控制，对于需要将处理和实时通信结合的工业应用，比如机器人电机控制等，需要更高的实时处理性能，支持丰富的工业通信协议。但也要选择拥有足够性能余量的MCU，用于未来的扩展和附加功能。

而这种集成式架构中电机控制往往需要用一个MCU控制多个轴控制，MCU需要高性能实时处理内核，比如R5F或DSP等，也需要EtherCAT这样的实时通信接口。以图中TI的AM2343x多核工业MCU为例，就多可集成4个Cortex-R5F核心，为机器人多轴电机控制提供足够的性能，也能支持EtherCAT等工业通信协议的扩展。

世健基于TMC4671的全集成伺服电机控制方案

是全集成伺服控制芯片，伺服控制器是用来控制伺服电机的一种控制器，是现代运动控制的重要组成部分，被广泛应用于工业机器人及数控加工中心等自动化设备中。伺服控制芯片在为电机提供磁场定向控制的追求更高的驱动效率和动态性能。图中展示了世健基于TMC4671的全集成伺服电机控制方案，为直流无刷电机、永磁同步电机、2相步进电机、直流有刷电机和音圈电机提供磁场定向控制。之被称为全集成，是因为所有的控制功能都被集成在硬件上，集成了ADCs、位置传感器接口、位置差值器，该控制器方案适用于各种伺服应用。

接着我们来看下控制层的HMI，以高端工业HMI为例，需要支持多路显示，甚至要支持更高的分辨率和帧率，以及拥有更强的图形显示性能才能支持更复杂的可视化交互设计。以先楫半导体的HPM6800系列MCU为例，该芯片除了集成了高性能的RISC-V内核外，还集成了芯原的2.5DGPUIP，为HMI提供了足够的图形性能。还有非触控式的语音控制HMI，这类应用往往追求更加紧凑的设计，且必须支持预编程和多语言命令输入，瑞萨的语音HMIASSP MCU R9A06G150就是一个很好的例子。

改善状态监控和诊断并实现整体系统优化，是当今人们在使用机械设施和技术系统时面临的部分核心挑战。这个话题不仅在工业领域，在任何使用机械系统的地方都愈加重要。以往，都是根据计划来维护机器，延迟维护可能会面临生产停工的风险。如今，人们通过处理机器的数据来预测其剩余的使用寿命。尤其是温度、噪声和振动等关键参数，可以利用记录的这些数据来确定优质运行状态，甚至是所需的维护次数。此举可以避免造成不必要的磨损，并且能够尽早发现潜在的问题和原因。

上图就展示了世健基于ADI ADXL355/357的数字型三轴振动传感器参考设计，其中PCGUI对振动传感器采集到的数据进行FFT、FIR等时域/频域分析，可以广泛用于电梯状况监控、数控机床状态反馈、气泵液泵状态监控、电机和齿轮箱状态监控、风力发电机状态监控以及机械臂起重机等工业设备的状态反馈和监控。

同样的还有工业视觉检测的图像传感器，在工业设备领域，为了提高生产效率并保证产品良率的需求持续增加。在这种情况下，针对用于机器视觉检测的图像传感器不仅需要感知可见光的能力，也需要加强感知不可见波段光线的能力，比如短波红外焦段。以索尼的IMX992/993图像传感器为例，就集成了其自研的SenSWIR技术，拼接3.45微米的像素大小，IMX992做到了532万像素，可以实现高精细的成像，提高在各类工业检查和测量应用中的精度。

在特定的工业通信协议中，往往也需要用到专用的芯片，比如EtherCAT。亚信电子是国内首批推出EtherCAT从站控制器芯片的厂商，自2019年发布AX58100后，亚信电子又推出了2/3端口的EtherCAT从站双核控制器，做到更高效能的可以所有支持标准EtherCAT通信协议的系统互联。可用于数字信号IO控制、传感器数据收集、机器人转轴控制以及EtherCAT转IO-Link主站网关等。右图为创龙科技基于全国产器件打造的工业核心板TL3568，基于瑞芯微的RK3568处理器设计，也可用于打造EtherCAT主站。EtherCAT主站并不需要专用的芯片，只需要在软件上实现即可，比如在RT-Thread端集成EtherCAT主站协议，对伺服电机和远程IO进行实时控制。

后是工业FPGA，FPGA可以实现硬件逻辑功能，且具备高速并行处理性能、丰富IO单元和功能复用等优势，但涉及灵活的控制和复杂的通信协议时，并不占优势。我们引出了SoCFPGA，SoCFPGA在FPGA架构中集成了硬核处理器，从而降低系统功耗和成本，减小主板面积。在具备FPGA可编程灵活性的也兼容硬核处理器的生态。以安路科技去年发布的SALDRAGON系列FPSoC为例，就可选集成双核ArmCortex-A35或单核64位芯来RISC-V处理器的版本，从而充分利用两者的生态系统。

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