工業製造部門の最近の発展に基づいて、産業オートメーションおよび制御市場は依然として急速な成長段階にあります。人件費の上昇、経費削減と効率向上への圧力、メーカーの納期厳守への強い要求により、工場における自動化制御技術に対する需要は前例のないレベルに達しています。 Grand View Researchの統計と予測によると、産業用オートメーションおよび制御市場は昨年約1,949億9,000万ドルと評価され、この数字は2030年までに3,799億3,000万ドルに達すると予測されています。
中国の産業用制御市場が主要プレーヤーとして台頭
中国の産業用制御市場も大きな変化を遂げています。国のデータによると、中国の工業部門は2023年も安定した成長を維持し、新たな成長原動力が加速している。大規模産業企業では、機器製造の付加価値が前年比 6.8% 増加し、大規模産業企業の付加価値総額の 33.6% を占めました。-ハイテク製造業の付加価値は 2.7% 増加し、大規模産業企業の付加価値総額の 15.7% に相当します。-
なぜ世界市場と国内市場の間に一定のギャップが存在するのでしょうか?これは主に、製造業の変革とアップグレードに対する国家政策による支援によるものです。第14次5か年計画の発表以来、国家は工業製造部門の変革と高度化に前例のない重点を置いてきた。製造の中核となる競争力を強化するという目標の中で、分散制御システムやプログラマブル ロジック コントローラーなどの産業用制御機器の開発に重点が置かれていると同時に、高度なコントローラーや高精度サーボ ドライブ システムなどのコンポーネントでも画期的な進歩を達成しています。{4}}新エネルギー車などの注目産業の急速な発展により工場のデジタル変革が推進され、各省や市はデジタルインテリジェントベンチマーク実証工場への補助金政策を展開している。
産業用制御の上流、中流、および下流のサプライ チェーン
次に、産業制御の上流、中流、下流のサプライチェーンを見てみましょう。上流は主に制御/通信チップ、設計IP、センサー、コンポーネント、PCBで構成されます。ミッドストリームは、さまざまな産業用制御プロセスに基づいており、実行層、駆動層、制御層、運用監視に分かれています。実行層には、制御バルブとモータードライブが含まれます。ドライブ層には可変周波数ドライブとサーボ システムが含まれます。制御層は HMI、DCS、および PLC をカバーします。運用監視には計測器と産業用ビジョン システムが組み込まれています。産業制御の下流セグメントには、3C 製造、新エネルギー自動車、エネルギー貯蔵、サーバー、石油化学、鉄道輸送など、近年大きな注目を集めているいくつかの業界を含む、数多くの専門業界が含まれています。
半導体の観点から見ると、上流の産業用制御セクターは、産業用センサー、産業用制御チップ、設計 IP、産業用 FPGA の 4 つの主要なセグメントに分類できます。産業用センサーは、産業用制御の中流における認識層 (またはフィードバック層) のコアコンポーネントとして、産業プロセスを最適化し、資産の監視と保護を提供する上で重要な役割を果たします。海外メーカーには、ON Semiconductor、Precision Electronics、SICK、Keyence、Beckhoff、Honeywell、Omron、Datalogic、Leica Geosystems などがあります。国内プレーヤーには、SmartSens、NXMicro、Cognex、Beiyang Group、XCMG、Minghao Sensing、XiaoWei、Meixin Semiconductor、Feien Microelectronics が含まれます。
産業用制御チップとモジュールの分野では、ほとんどのメーカーが汎用 MCU の開発に注力しています。{0}主要なプレーヤーには、TI、ADI、ST、Microchip、Infineon、NXP、ON Semiconductor、Renesas などの国際企業と、JiHai Semiconductor、Huada、Zhongying Electronics、Xinwang Microelectronics、Fengteng Technology、Artel、Jucheng Semiconductor、Nuvoton、Vanguard、Times、Hangshun、などの国内メーカーが含まれます。 Saiyuan、Guoguo Technology、Dongtu Technology、Zhongke Jingshang、Xinhai Technology、Zhaoxin。
同時に、差別化された需要が高まるにつれて、コア IP とインターフェイス IP の両方を含む設計 IP は上流のチップ メーカーにとって不可欠なコンポーネントとなっています。海外企業には Arm、Synopsys、Cadence、Imagination、Renesas、Sifive が含まれ、国内企業には PingTouGe、Andes Technology、VeriSilicon、CanSemi が含まれます。
最後に、産業用 FPGA は、産業用ロボットや高精度機器などの急速に発展している分野で大きな需要が見込まれており、多軸、高性能サーボ制御がますます重要になっています。{0}{1}{2}その結果、FPGA はサーボ ドライブ、CNC システム、産業オートメーションに広く導入され続けています。また、EtherCAT マスターまたはスレーブとして機能するなど、産業用通信にも応用できます。国際的なメーカーには、AMD (Xilinx)、Intel (Altera)、Lattice、Microchip などがあります。国内メーカーには、Gowin Semiconductor、Anlu Technology、Unisoc などがあります。
次に、いくつかの上流製品を例として使用して、産業用制御市場の新たなトレンドを説明します。まずはロボットのモーター制御です。ロボット モーター制御など、処理とリアルタイム通信-の統合が必要な産業用アプリケーションでは、幅広い産業用通信プロトコルをサポートしながら、より高いリアルタイム処理パフォーマンスが求められます。{{4}ただし、将来の拡張や追加機能に備えて十分なパフォーマンス ヘッドルームを備えた MCU を選択することも重要です。
このような統合アーキテクチャ内では、モーター制御では複数の軸を管理するために単一の MCU が必要になることがよくあります。したがって、MCU には、EtherCAT などのリアルタイム通信インターフェースと並行して、R5F や DSP などの高性能リアルタイム処理コアを組み込む必要があります。-図に示す TI の AM2343x マルチコア産業用 MCU を例に挙げます。{7}}最大 4 つの Cortex-R5F コアを統合でき、ロボット工学における多軸モーター制御に十分なパフォーマンスを提供すると同時に、EtherCAT などの産業用通信プロトコルによる拡張もサポートします。
次に、完全に統合されたサーボ制御チップです。サーボ コントローラーはサーボ モーターを制御するために使用されるデバイスで、最新のモーション コントロール システムの重要なコンポーネントとして機能します。産業用ロボットやCNCマシニングセンターなどの自動化機器に広く採用されています。サーボ制御チップは、より高い駆動効率と動的性能を追求しながら、モーターの磁界方向制御を実現します。この図は、TMC4671 に基づいた Shijian の完全に統合されたサーボ モータ制御ソリューションを示しており、ブラシレス DC モータ、永久磁石同期モータ、2 相ステッピング モータ、ブラシ付き DC モータ、およびボイス コイル モータにフィールド指向制御を提供します。-これは、すべての制御機能が統合 ADC、位置センサー インターフェイス、および位置補間器とともにハードウェア内に統合されているため、「完全統合」と呼ばれます。したがって、このコントローラー ソリューションはさまざまなサーボ アプリケーションに適しています。
次に、制御層の HMI を調べてみましょう。ハイエンド産業用 HMI を例にとると、より複雑な視覚的インタラクション設計を可能にするために、マルチディスプレイ機能、より高い解像度とフレームレート、強化されたグラフィックス パフォーマンスのサポートが必要です。- Xianji Semiconductor の HPM6800 シリーズ MCU を例に挙げます。このチップには、高性能 RISC-V コアを統合するだけでなく、VeriSilicon の 2.5D GPU IP も組み込まれており、HMI アプリケーションに十分なグラフィックス パフォーマンスを提供します。さらに、非-タッチ音声-制御の HMI はコンパクトな設計を優先することが多く、事前にプログラムされた多言語コマンド入力のサポートを必要とします。-ルネサスの音声 HMI ASSP MCU、R9A06G150 は、このアプローチの例です。
システム全体の最適化を達成しながら状態の監視と診断を改善することは、今日の機械設備と技術システムの使用における中心的な課題です。このトピックは、産業環境だけでなく、機械システムが使用されるあらゆる場所において、ますます重要になっています。従来、機械はスケジュールに従ってメンテナンスされており、メンテナンスが遅れると生産ダウンタイムの危険が生じていました。現在、人々は稼働データを分析することで、機械の残りの寿命を予測しています。記録されたデータから温度、騒音、振動などの主要なパラメータを活用して、最適な動作条件や必要なメンテナンス間隔を決定することができます。このアプローチにより、不必要な磨耗を防ぎ、潜在的な問題とその根本原因を早期に検出できるようになります。
同様に、産業用ビジョン検査用のイメージセンサーも、生産効率を向上させ、製品の歩留まりを確保するため、産業機器分野での需要が高まっています。これに関連して、マシン ビジョン検査に使用されるイメージ センサーは、可視光を認識するだけでなく、短波赤外 (SWIR) スペクトルなどの不可視波長の光を検出する能力も強化する必要があります。- Sony の IMX992/993 イメージ センサーを例に挙げます。ソニー独自の SenSWIR テクノロジーを統合し、3.45- ミクロンのピクセルを組み合わせています。 IMX992 は 532 メガピクセルを実現し、高解像度のイメージングを可能にし、さまざまな産業用検査および測定アプリケーションの精度を向上させます。
EtherCAT などの特定の産業用通信プロトコルには、多くの場合、専用チップが必要です。 EtherCAT スレーブ コントローラ チップを発売した中国最初のメーカーの 1 つである Yasin Electronics は、2019 年に AX58100 を発表しました。その後、2/3 ポートを備えたデュアルコア EtherCAT スレーブ コントローラをリリースし、標準の EtherCAT 通信プロトコルをサポートするすべてのシステムとの相互接続を可能にしながら、より高い効率を実現しました。{3}アプリケーションには、デジタル信号 I/O 制御、センサー データ取得、ロボット軸制御、EtherCAT-to-IO-Link マスター ゲートウェイ機能が含まれます。右の画像は、Chuanglong Technology が完全国産部品を使用して開発した TL3568 産業用コアボードを示しています。 Rockchip の RK3568 プロセッサを中心に設計されており、EtherCAT マスターの構築にも使用できます。 EtherCAT マスターには専用チップは必要ありません。純粋にソフトウェアで実装できます。たとえば、EtherCAT マスター プロトコルを RT- スレッドに統合すると、サーボ モーターとリモート I/O のリアルタイム制御が可能になります。-
最後に、産業用 FPGA は、高速並列処理、豊富な I/O ユニット、機能多重化などの利点を備えたハードウェア ロジック実装を提供します。{0}ただし、柔軟な制御と複雑な通信プロトコルの制限に直面しています。これにより、FPGA アーキテクチャ内にハードコア プロセッサが統合された SoC FPGA が登場します。-これにより、マザーボードの設置面積を最小限に抑えながら、システムの消費電力とコストが削減されます。 FPGA のプログラム可能な柔軟性を維持しながら、ハード プロセッサ エコシステムとの互換性を維持します。昨年リリースされた Anlu Technology の SALDRAGON シリーズ FPSoC を例に挙げます。オプションでデュアル-コア Arm Cortex-A35 またはシングル-コア 64- ビット RISC-V プロセッサの統合が提供され、両方のエコシステムを最大限に活用できます。
産業用通信: イーサネットの優位性が引き続き強化
数十年にわたる進化と反復を経て、産業用通信方式は主に、物理的な実装に基づいて、産業用イーサネット、フィールドバス、産業用ワイヤレス ネットワークの 3 つのカテゴリに分類されます。産業用イーサネット内では、現在、EtherCAT、PROFINET、EtherCAT などの新興テクノロジーが主流となっています。フィールドバス システムには、PROFIBUS DP、Modbus-RTU、CC-Link が含まれます。産業用ワイヤレス ネットワークには、産業用ネットワーキングで最近登場したばかりですが、Wi{6}Fi、Bluetooth、5G などのよく知られた接続ソリューションが含まれています。-
HMS の統計によると、2023 年も産業用イーサネットが新規ノード設置の大半を占め、市場シェアは前年の 68% から 71% に上昇しました。-これは 12% の大幅な増加です。 PROFINET、EtherNet/IP、および EtherCAT が依然として市場の 3 つの主要なプレーヤーですが、PROFINET と EtherCAT の人気は着実に高まっています。ワイヤレス接続と比較すると、フィールドバスは依然として新しいノードのかなりの部分を占めています。しかし、市場の勢いは十分に失われており、これらの{8}}機能し、実績のあるフィールドバス-を使い続ける機器、機械、工場にのみ依存しています。
ワイヤレス接続により全体的な安定性が維持されます。工場の完全ワイヤレス化を求める声は根強くありますが、大規模なケーブル配線の必要性と、ワイヤレス マシン アクセスやモバイル産業機器をサポートする環境を構築するという課題のため、導入は依然として限られています。{1}
産業用バスの市場シェアの侵食は主に、従来の産業用バスに比べて産業用イーサネットがもたらす大きな利点に起因しています。最大のメリットは速度です。シリアル-ベースの産業用バスとは異なり、産業用イーサネットは 100Mbps を超える大幅な高速化を実現します。最も広く使用されている PROFIBUS 産業用バス、特にファクトリー オートメーション用の高速 PROFIBUS DP バリアントでも、設定可能な最大速度の上限は 12Mbps です。- 2 つ目は、より柔軟なトポロジです。複雑な産業用ネットワークの導入では、大規模なデイジーチェーン構成を使用する産業用バスにより、障害が非常に発生しやすいネットワークが作成されます。{8}}ただし、産業用イーサネットは、スター ネットワークのような柔軟なトポロジを採用して、より高速で信頼性の高い産業用ネットワークを構築します。
最後に、業界の提携により導入が促進されます。 Profinet (産業用イーサネットで優勢) と Profibus (産業用バスで優勢) を例に挙げます。どちらも PI によって推進されていますが、2016 年以降、新しいデバイス ノードの設置数では Profinet が Profibus を上回りました。包括的なブラウンフィールドおよびグリーンフィールド移行ソリューションが利用可能になったため、このギャップは拡大し続けています。
産業用ネットワークに接続するデバイス、センサー、システムが増えるにつれ、Wi{0}}Fi、LoRaWAN、DECT-2020 NR などの基盤となる無線テクノロジーにより、重要な産業データを無線で収集して共有できるようになります。しかし、5G の展開と技術進化が成熟するにつれて、工業製造市場はセルラー ネットワーク テクノロジーにますます注目を集めています。これまでは、速度と遅延に対する懸念から産業ネットワークではほとんど使用されていませんでした。それにもかかわらず、産業用ワイヤレス ネットワークを特定の過酷な RF 環境で主要なソリューションとして採用することは依然として困難です。さらに、通信事業者のサポートがない限り、5G などのセルラー無線ネットワークは、工場出荷時の設定で必要なネットワーク品質を保証するのが困難です。
市場シェアの観点から見ると、産業用無線ネットワークにおける 5G の採用は依然として限られています。これは、5G 産業用ワイヤレス ネットワークが他のネットワーキング方法とは異なる方法で展開され、主に完全に接続された 5G 工場の直接構築を通じて展開されるためです。 5G+産業用インターネット構想によって推進され、全国のプロジェクト数は8,000を超えました。工業情報化部 (MIIT) は、総建設投資額が 97 億 3,000 万元に達するベンチマーク プロジェクトを特集した「2023 5G 工場ディレクトリ」を選定して公開しました。大手通信事業者3社も、5G工場向け産業ネットワークの直接構築に積極的に参加している。
最終的な考え
市場動向によれば、産業オートメーションおよび制御部門は、特に中国において、製造業の変革とアップグレードを支援する国家政策が大きな推進力となっており、依然として急速な発展段階にあることが示されています。第二に、上流の半導体産業の進歩に支えられ、中国の産業オートメーション部門は規模拡大から品質向上へと移行しつつある。ハイエンド産業用制御機器の国内代替は、もはや単なるスローガンではありません。-産業用通信では、産業用バス システムが成長の課題に直面している一方で、産業用イーサネットはその置き換えのペースを加速しています。産業用ワイヤレス ネットワークは全体的に若干の成長鈍化を示していますが、特に国内市場では 5G の工場展開が加速しています。