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挺進新工業(yè)時代的控制與通信挑戰(zhàn)

E4Life ? 來源:電子發(fā)燒友原創(chuàng) ? 作者:周凱揚 李誠 ? 2022-06-16 09:31 ? 次閱讀
電子發(fā)燒友網周凱揚李誠)2022年6月15日,由全球知名電子科技媒體<電子發(fā)燒友>主辦的2022第六屆工業(yè)控制通信技術研討會在線上成功舉辦。本次會議,意法半導體ADITI、靈動、Microchip、SiliconLabs等國內外知名企業(yè)的專家和領導帶來了最新的技術分享。

Microchip:工業(yè)IOT和Microchip TSN工業(yè)解決方案

在本次由電子發(fā)燒友網舉辦的工業(yè)控制與通信技術研討會中,Microchip產品市場經理張?zhí)旄唬瑤砹岁P于“工業(yè)IOT和Microchip TSN工業(yè)解決方案”的主題分享,并針對目前市場比較熱門的行業(yè)和TSN應用進行了介紹和分析,以及相應的解決方案。

張?zhí)旄槐硎荆琓SN網絡能夠提供實時性、高可靠性以及帶寬保證的以太網服務,同時TSN網絡還能允許對實時性要求比較高的關鍵業(yè)務和非關鍵業(yè)務的綜合存在。其次,TSN是基于IEEE802.1和IEEE802.3開放性標準,他不依賴任何第三方廠商

如Internet IP Profinet等,現(xiàn)有的工業(yè)以太網協(xié)議,均可運行在TSN網絡之上,并且共享TSN基礎網絡設施。由于TSN網絡的開放性。OT和IT網絡可以更好地融合,減少復雜的網關和協(xié)議轉換設備,為智能制造、邊緣計算等應用更好的賦能。

同時TSN網絡采用的是標準化的硬件和TCP/IP協(xié)議棧,在產品采購以及設備維護方面能夠更高效地控制成本。得益于可靠性高、兼容性強、運維成本低等特點,TSN網絡現(xiàn)已在工業(yè)控制、電動汽車以及自動駕駛應用等領域得到了廣泛的應用。

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在工業(yè)和汽車應用市場,有著超過30年經驗積累的芯片廠商Microchip,持續(xù)的對工業(yè)以太網產品進行投入,并且Microchip的TSN技術也達到了業(yè)界領先的水平,推出了一系列TSN解決方案的產品組合。

例如,針對TSN終端和網關設備的LAN966X系列低功耗TSN交換芯片,該系列芯片內置了Cortex-A7處理器,最高支持8個1G的以太網接口,以及PCIe、USB、SPI等豐富的外圍拓展接口。針對汽車應用,推出了LAN937X系列TSN交換芯片,該系列系芯片最高支持8個以太網接口,其中5個支持百兆T1接口,通過了嚴苛的ACE-Q100 Grade2認證,能夠滿足車規(guī)級應用的需求。同時,Microchip還針對TSN機架式和機框式設備,推測出了符合工業(yè)級應用標準的VSC7546TSN和VSC7549TSN系列交換芯片。

當然,Microchip在TSN領域的優(yōu)勢不止于此,除了能夠提供一系列的產品組合之外,Microchip還能夠提供全棧式功能的TSN協(xié)議和應用軟件,高精度1288時間同步協(xié)議和軟件,以及IPV4和IPV6雙協(xié)議棧支持。同時還能提供完整的參考設計和評估板等一系列的開發(fā)工具,縮短客戶的產品研發(fā)周期,加速產品上市,搶占市場。

Silicon labs:安全、智慧的EFR32平臺加速工業(yè)自動化應用

Silicon labs是安全、智能無線技術領域的前沿品牌,在本次由電子發(fā)燒友網舉辦的工業(yè)控制與通信技術研討會中,Silicon labs現(xiàn)場應用工程師黃良軍,帶來了關于“安全、智慧的EFR32平臺加速工業(yè)自動化應用”的主題分享。

在本次研討會中,黃良軍針對現(xiàn)階段工業(yè)市場中,聯(lián)網照明、資產跟蹤和自動化作業(yè)這三類典型應用進行了詳細的解讀。同時,還總結出了工業(yè)類應用的四大訴求。第一,需要更長的電池壽命,技術上需要超低功耗的芯片和能耗優(yōu)化的通訊協(xié)議棧,另外還可以通過能量收集技術來延長電池壽命。第二,需要可靠的連接,可以通過采用帶有更高前向糾錯率的協(xié)議棧,或者利用跳頻Sub-GHz、2.4G雙頻段的方式實現(xiàn)。第三,集成人工智能機器學習通過內置AIML協(xié)處理器來進行本地的數(shù)據處理,從而達到降低功耗和避免網絡信道擁擠。第四,需要內嵌高安全性來避免異常代碼的執(zhí)行以及應對非法破解,滿足最新的安全法規(guī)要求,以及安全功能的OTA。

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在本次研討會上,Silicon labs帶來了最新面向工業(yè)自動化應用的解決方案FG23。FG23是專為采用Sub-GHz專有協(xié)議開發(fā)設備的工業(yè)物聯(lián)網客戶群,量身打造的新品。該無線電支持世界范圍內所有常見的Sub-GHz頻段,在靈敏度方面比其他同類無線電提高了約3dB。這意味著這款SoC可以幫助開發(fā)人員實現(xiàn)更遠距離的通信,長達一英里以上。同時,在安全方面FG23還支持Silicon labs獨有的Security Vault專利技術,具有極高的安全性,能夠通過ARM PSA Leval 3的認證。

FG23具有高性能的無線傳輸功能,最高發(fā)射功率可達20dBm,靈敏度低至-160dBm,支持天線分集接收,并且具有極低的功耗,在14 dBm 825MHz時TX電流為25mA,接收電流只有4.2mA,待機電流低至1.2μA,并且支持超低功耗的Preamble感知喚醒功能。

得益于其優(yōu)異的性能,F(xiàn)G23可以廣泛用于智能抄表、工業(yè)自動化、智能照明、樓宇自動化、IoT網關等諸多應用。

同時,Silicon labs還介紹了業(yè)界唯一一款集成了AI/ML加速器的XG24,該芯片的主要覆蓋智能家居、樓宇自動化、照明、便攜醫(yī)療、人工智能和機器學習等領域。通過對加速器的優(yōu)化,XG24能夠分擔CPU的機器推斷運算工作量,其運算速度是Cortex-M的兩到四倍,能耗只有Cortex-M的1/6。借助于這個加速器,XG24可以在本地處理圖片數(shù)據,實現(xiàn)指紋識別,也可以處理音頻數(shù)據,實現(xiàn)例如聲控、電機故障檢測等功能。

處理的數(shù)據還可以是來自任何傳感器的按時間排列的數(shù)據,經過本地算法運算實現(xiàn)機器推斷。從而自動執(zhí)行相應的行為。這個加速器讓人工智能和機器學習變得更高效,從而實現(xiàn)低能耗、低延遲,還能最大程度降低對網絡通信的依賴,安全性也得到提高。

為給用戶帶來一個更舒適的開發(fā)環(huán)境,Silicon labs還能為客戶提供定制化服務,可以幫客戶把固件和安全配置在出廠前預先燒錄到芯片中。這種預燒錄服務可以充分保護客戶軟件和信息的安全,避免在工廠生產階段發(fā)生泄密。

電子發(fā)燒友網:國產工控品牌站穩(wěn)腳跟,TSN5G崛起

本次技術研討會上,電子發(fā)燒友網的編輯周凱揚分享了《工控與工業(yè)通信市場的分析》,分析了產業(yè)內的機遇與挑戰(zhàn)。工業(yè)控制系統(tǒng)是不同類型的控制系統(tǒng)和相關設備儀器的統(tǒng)稱,主要包括控制設備、系統(tǒng)和網絡。從上游來看,主要分為工業(yè)控制/通信的芯片和模組,以及工業(yè)傳感器,中游主體為PLCDCS和SCADA,這三大控制層的控制器與系統(tǒng),工控與通信市場下游集中在工業(yè)機器人、工業(yè)路由、工業(yè)網關和工業(yè)互聯(lián)網平臺等應用上。

雖說受到疫情影響,工業(yè)自動化的部署有所減緩,但仍保持著正向增長。去年上半年缺芯影響較為嚴重,加上備貨有限和海外疫情反復,推動了延續(xù)自2020年底的火爆局面,突破了傳統(tǒng)的淡季需求,在第一季度實現(xiàn)了40%以上的同比增長,第二季度開始消化缺芯缺貨的恐慌情緒,需求逐漸走向常態(tài)化,持續(xù)至第三季度,兩季度平均同比增長11.9%左右,第四季度能耗雙控、原材料漲價和一定的疫情反復影響,進一步降低了需求,漲價的趨勢在今年上半年得到了體現(xiàn)。今年開年以來,國內外工業(yè)自動化廠商都發(fā)布了一系列漲價公告,而這還是建立在去年已經數(shù)次上調價格的基礎上。

口罩機為PLC等工控產品帶來的紅利正在慢慢緩下來,但由于疫情反復加上全球對于醫(yī)護用品的認知開始加強,醫(yī)療器械自動化生產仍將持續(xù)作為一個可觀的增長點。加之各國仍在堅持一定的防疫措施,尤其是國內,一些參與到此類產品生產中來的新企業(yè),依然是一塊不可小覷的蛋糕,也是不少國內自動化廠商的業(yè)績增長點。

除醫(yī)護用品之外,半導體、鋰電、工業(yè)機器人等先進制造和OEM的需求增長同樣強勁,細化到產品上還是以小型PLC增長為主。大型PLC還是集中在電力、石油、石化和化工等項目型市場,受到疫情影響有一定減緩,但本身體量足夠大,所以市場總值依舊龐大。

在國內PLC市場,來自歐美和日本的外資品牌依然占據主導地位,尤其是西門子的市場份額近半。國內目前還是主要以中小型PLC為主,不少都已經站穩(wěn)腳跟,開始市場滲透,比如剛才提到的口罩機。與此同時,從新品發(fā)布和企業(yè)年報中也可以看出,一部分廠商也在突破技術壁壘,推出和布局中大型PLC,比如寶信、傲拓等等,不過市場份額還是羅克韋爾等廠商占大頭。

在電子發(fā)燒友網開展的調研中,有近半的用戶認為PLC、DCS等控制層工控產品已經可以完美實現(xiàn)國產替代。不過這很大程度上是DCS帶來的信心,尤其是靠中控技術與和利時兩家在DCS市場高占比。但在下游產業(yè)中,國內的DCS還是以化工、石化為主,電力能源上的DCS還是國外品牌占據主導。

SCADA系統(tǒng)國內品牌的占比已經過半,但還有不少替代的空間。尤其是在外資品牌陸續(xù)開始收購,提高競爭力的情況下,把握綠色能源、智能電網和南水北調、智慧水廠這類水處理等熱門應用會是突破的契機所在。

在我們的用戶調研中,54.7%的用戶所用工業(yè)通信方式為工業(yè)以太網,31.3%的用戶在用現(xiàn)場總線,只有不到20%的用戶選擇了工業(yè)無線網。但工業(yè)無線網的增長速率還是可觀的,從HMS的統(tǒng)計數(shù)據中也可以看出,工業(yè)無線網的占比雖然保持不變,但8%的年增長率已經與工業(yè)以太網相近了。
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為了做到高效地使用、管理、維護、控制工業(yè)設備,需要以提供確定性服務質量的網絡通信平臺與技術作為支撐;工業(yè)制造網絡化與智能化升級,也對網絡提供確定性服務質量提出了要求,TSN時間敏感網絡成為趨勢。參與工業(yè)網絡與TSN融合研究工作的既包含以太網相關的行業(yè)標準組織(CC-Link、EtherCAT、PROFINET),還有國內的工業(yè)互聯(lián)網產業(yè)聯(lián)盟。

5G的到來也給工業(yè)無線網創(chuàng)造了新的機遇,但5G網絡才經歷了一波爆發(fā)式增長,目前還在完善方案中。雖然已經有了相關政策的推動,但不少工廠依然在觀望5G能給下一代工業(yè)通信網絡帶來怎樣的影響。這在我們的調查報告中也可以看出,新興工控與通信方案中,最吸引人的還是5G智慧工廠,占比達到了28%。

但5G工業(yè)互聯(lián)網仍存在一些挑戰(zhàn),比如可靠性上,5G的可靠性還不能穩(wěn)定維持在99.9999%以上的目標;在提高通信容量和效率上,也還是在部分區(qū)域進行試點,并沒有大規(guī)模擴展。最后也是最重要的一環(huán),就是終端支持方面,目前支持5G的工業(yè)網關、路由器設備已經開始少量出貨,但終端設備仍不算多,未來參與進來的廠商數(shù)量增加、產品與技術完善程度更高,勢必會帶來成本的下降,促進終端普及。此外,5G技術融合后的網絡安全能力尚待提升,且供應鏈安全還不能完全把控,尤其是5G芯片。

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