السوق الصناعية تحت الضغط: كيف يمكن لتقنيات التحكم الآلي والاتصالات اختراقها

استناداً إلى التطورات الأخيرة في قطاع التصنيع الصناعي، لا يزال سوق الأتمتة والتحكم الصناعي في مرحلة النمو السريع. بسبب ارتفاع تكاليف العمالة، والضغط لتقليل النفقات وزيادة الكفاءة، والحاجة الشديدة للمصنعين للوفاء بالمواعيد النهائية، وصل الطلب على تقنيات التحكم الآلي في المصانع إلى مستويات غير مسبوقة. وفقًا للإحصاءات والتوقعات الصادرة عن شركة Grand View Research، بلغت قيمة سوق الأتمتة والتحكم الصناعي حوالي 194.99 مليار دولار في العام الماضي، ومن المتوقع أن يصل هذا الرقم إلى 379.93 مليار دولار بحلول عام 2030.

تبرز سوق التحكم الصناعي في الصين كلاعب رئيسي
كما شهد سوق التحكم الصناعي في الصين تغيرات كبيرة. ووفقا للبيانات الوطنية، حافظ القطاع الصناعي في الصين على نمو مطرد في عام 2023، مع تسارع محركات النمو الجديدة. من بين المؤسسات الصناعية الكبيرة-، زادت القيمة المضافة لتصنيع المعدات بنسبة 6.8% على أساس سنوي-على أساس سنوي-، وهو ما يمثل 33.6% من إجمالي القيمة المضافة للمؤسسات الصناعية الكبيرة-. زادت القيمة المضافة للتصنيع-عالي التقنية بنسبة 2.7%، وهو ما يمثل 15.7% من إجمالي القيمة المضافة للمؤسسات الصناعية-الكبيرة الحجم.

لماذا توجد فجوة معينة بين الأسواق العالمية والمحلية؟ ويعزى ذلك إلى حد كبير إلى دعم السياسة الوطنية لتحويل التصنيع والارتقاء به. منذ إصدار الخطة الخمسية الرابعة عشرة-، ركزت الدولة بشكل غير مسبوق على التحول والارتقاء بقطاع التصنيع الصناعي. ضمن هدف تعزيز القدرة التنافسية الأساسية للتصنيع، هناك تركيز قوي على تطوير معدات التحكم الصناعية مثل أنظمة التحكم الموزعة ووحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة، مع تحقيق اختراقات أيضًا في المكونات مثل وحدات التحكم المتقدمة وأنظمة محرك المؤازرة -عالية الدقة. وقد أدى التطور السريع للصناعات الساخنة مثل مركبات الطاقة الجديدة إلى دفع التحول الرقمي للمصانع، حيث قامت المقاطعات والمدن بطرح سياسات الدعم للمصانع التجريبية المعيارية الرقمية الذكية.

التحكم الصناعي في سلسلة التوريد الأولية والوسطى والنهائية

بعد ذلك، دعونا نتفحص سلسلة التوريد الأولية والوسطى والنهائية للتحكم الصناعي. يتكون المنبع في المقام الأول من رقائق التحكم/الاتصال، وتصميم IP، وأجهزة الاستشعار، والمكونات، وثنائي الفينيل متعدد الكلور. ينقسم منتصف الطريق، استنادًا إلى عمليات التحكم الصناعية المختلفة، إلى طبقة التنفيذ، وطبقة القيادة، وطبقة التحكم، ومراقبة التشغيل. تشتمل طبقة التنفيذ على صمامات التحكم ومحركات المحركات؛ تشمل طبقة المحرك محركات الأقراص ذات التردد المتغير وأنظمة المؤازرة؛ وتغطي طبقة التحكم HMIs وDCS وPLCs؛ وتتضمن المراقبة التشغيلية الأدوات وأنظمة الرؤية الصناعية. يشمل الجزء النهائي من التحكم الصناعي العديد من الصناعات المتخصصة، بما في ذلك العديد من الصناعات التي اكتسبت قوة جذب كبيرة في السنوات الأخيرة: تصنيع 3C، ومركبات الطاقة الجديدة، وتخزين الطاقة، والخوادم، والبتروكيماويات، والنقل بالسكك الحديدية.

من منظور أشباه الموصلات، يمكن تصنيف قطاع التحكم الصناعي في المنبع إلى أربعة قطاعات رئيسية: أجهزة الاستشعار الصناعية، ورقائق التحكم الصناعية، وتصميم IP، وFPGAs الصناعية. تلعب أجهزة الاستشعار الصناعية، باعتبارها المكونات الأساسية لطبقة الإدراك (أو طبقة التغذية المرتدة) في منتصف عملية التحكم الصناعي، دورًا حيويًا في تحسين العمليات الصناعية وتوفير مراقبة الأصول وحمايتها. وتشمل الشركات المصنعة الأجنبية ON Semiconductor، وPrecision Electronics، وSICK، وKeyence، وBeckhoff، وHoneywell، وOmron، وDatalogic، وLeica Geosystems. يشمل اللاعبون المحليون SmartSens، وNXMicro، وCognex، وBeiyang Group، وXCMG، وMinghao Sensing، وXiaoAowei، وMeixin Semiconductor، وFeien Microelectronics.

في قطاع شرائح ووحدات التحكم الصناعية، تركز معظم الشركات المصنعة على تطوير وحدات MCU ذات الأغراض العامة-. ومن بين اللاعبين الرئيسيين شركات دولية مثل TI، وADI، وST، وMicrochip، وInfineon، وNXP، وON Semiconductor، وRenesas، إلى جانب الشركات المصنعة المحلية مثل JiHai Semiconductor، وHuada، وZhongying Electronics، وXinwang Microelectronics، وFengteng Technology، وArtel، وJucheng Semiconductor، وNuvoton، وVangguard، وTimes، وHangshun، Saiyuan، وGuoguo Technology، وDongtu Technology، وZhongke Jingshang، وXinhai Technology، وZhaoxin.

في الوقت نفسه، مع زيادة الطلبات المختلفة، أصبح تصميم IP عنصرًا لا غنى عنه لمصنعي الرقائق الأولية، ويشمل كلاً من IP الأساسي وIP للواجهة. ومن بين اللاعبين الدوليين شركات Arm، وSynopsys، وCadence، وImagination، وRenesas، وSifive، في حين تشمل الشركات المحلية PingTouGe، وAndes Technology، وVeriSilicon، وCanSemi.

أخيرًا، تشهد FPGAs الصناعية طلبًا كبيرًا في القطاعات سريعة النمو مثل الروبوتات الصناعية والمعدات-عالية الدقة، حيث أصبح التحكم المؤازر متعدد-المحاور-عالي الأداء أمرًا بالغ الأهمية بشكل متزايد. ونتيجة لذلك، تظل FPGAs منتشرة على نطاق واسع في محركات الأقراص المؤازرة وأنظمة CNC والأتمتة الصناعية. كما يجدون أيضًا تطبيقات في مجال الاتصالات الصناعية، مثل العمل كسادة أو عبيد في EtherCAT. وتشمل الشركات المصنعة الدولية AMD (Xilinx)، وIntel (Altera)، وLattice، وMicrochip. تشمل الشركات المصنعة المحلية Gowin Semiconductor وAnlu Technology وUnisoc.

بعد ذلك، سنستخدم بعض المنتجات الأولية كأمثلة لتوضيح الاتجاهات الناشئة في سوق التحكم الصناعي. الأول هو التحكم في محرك الروبوت. تتطلب التطبيقات الصناعية التي تتطلب تكامل المعالجة والاتصال في الوقت الفعلي-الاتصالات-مثل التحكم في محرك الروبوت-أداء معالجة أعلى في الوقت الفعلي-مع دعم نطاق واسع من بروتوكولات الاتصالات الصناعية. ومع ذلك، من المهم أيضًا اختيار وحدة MCU ذات مساحة كافية للأداء للتوسع المستقبلي والميزات الإضافية.

ضمن هذه البنى المتكاملة، غالبًا ما يتطلب التحكم في المحرك وحدة MCU واحدة لإدارة محاور متعددة. وبالتالي، يجب أن تتضمن وحدة MCU -مراكز معالجة في الوقت الفعلي-عالية الأداء، مثل R5F أو DSP، جنبًا إلى جنب مع-واجهات الاتصال في الوقت الفعلي مثل EtherCAT. خذ وحدة MCU الصناعية متعددة النواة AM2343x من TI's-الموضحة في الرسم البياني كمثال. يمكنه دمج ما يصل إلى أربعة مراكز Cortex-R5F، مما يوفر أداءً كبيرًا للتحكم في المحركات متعددة المحاور-في الروبوتات مع دعم التوسع أيضًا باستخدام بروتوكولات الاتصالات الصناعية مثل EtherCAT.

التالي هو شريحة التحكم المؤازرة المدمجة بالكامل. وحدات التحكم المؤازرة هي أجهزة تستخدم لتنظيم المحركات المؤازرة، وهي بمثابة عنصر حيوي في أنظمة التحكم في الحركة الحديثة. يتم نشرها على نطاق واسع في المعدات الآلية مثل الروبوتات الصناعية ومراكز التصنيع باستخدام الحاسب الآلي. توفر رقائق التحكم المؤازرة تحكمًا في اتجاه المجال المغناطيسي للمحركات مع تحقيق كفاءة أعلى في القيادة والأداء الديناميكي. يوضح الرسم البياني حل التحكم في محرك مؤازر متكامل تمامًا من Shijian استنادًا إلى TMC4671، مما يوفر تحكمًا موجهًا ميدانيًا - لمحركات التيار المستمر بدون فرش، والمحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم، والمحركات ذات السائر ثنائية الطور، ومحركات التيار المستمر المصقولة، ومحركات الملف الصوتي. يُطلق عليه اسم "متكامل تمامًا" لأنه يتم دمج جميع وظائف التحكم داخل الأجهزة، جنبًا إلى جنب مع ADCs المتكاملة، وواجهات مستشعر الموضع، وأجهزة إقحام الموضع. وبالتالي، فإن حل وحدة التحكم هذا مناسب لتطبيقات المؤازرة المتنوعة.

بعد ذلك، دعونا نفحص واجهة HMI الخاصة بطبقة التحكم. إذا أخذنا -أجهزة HMI الصناعية المتطورة كمثال، فإنها تتطلب دعمًا لإمكانيات العرض- المتعددة ودقة أعلى ومعدلات إطارات وأداء رسومي محسّن لتمكين تصميمات التفاعل المرئي الأكثر تعقيدًا. خذ سلسلة HPM6800 MCU من Xianji Semiconductor كمثال. بالإضافة إلى دمج -نواة RISC-V عالية الأداء، تشتمل هذه الشريحة أيضًا على IP GPU 2.5D من VeriSilicon، مما يوفر أداء رسومات كافي لتطبيقات HMI. علاوة على ذلك، غالبًا ما تعطي أجهزة HMI التي لا يتم التحكم فيها بالصوت-التي تعمل باللمس-الأولوية للتصميمات المدمجة بينما تتطلب دعمًا لإدخالات الأوامر-المبرمجة مسبقًا والمتعددة اللغات. صوت رينيساس HMI ASSP MCU، R9A06G150، يجسد هذا النهج.

يمثل تحسين مراقبة الحالة والتشخيص مع تحقيق التحسين الشامل للنظام تحديًا أساسيًا في استخدام المرافق الميكانيكية والأنظمة التقنية اليوم. يكتسب هذا الموضوع أهمية متزايدة ليس فقط في البيئات الصناعية ولكن في أي مكان يتم فيه استخدام الأنظمة الميكانيكية. تقليديًا، كانت تتم صيانة الآلات وفقًا للجداول الزمنية، مع تعرض الصيانة المتأخرة لخطر توقف الإنتاج. اليوم، يتنبأ الناس بالعمر المتبقي للآلة من خلال تحليل البيانات التشغيلية. يمكن الاستفادة من المعلمات الرئيسية مثل درجة الحرارة والضوضاء والاهتزاز من البيانات المسجلة لتحديد ظروف التشغيل المثالية وحتى فترات الصيانة المطلوبة. يمنع هذا الأسلوب التآكل غير الضروري مع تمكين الكشف المبكر عن المشكلات المحتملة وأسبابها الجذرية.

وبالمثل، تشهد أجهزة استشعار الصور لفحص الرؤية الصناعية طلبًا متزايدًا في قطاع المعدات الصناعية لتعزيز كفاءة الإنتاج وضمان معدلات إنتاج المنتج. في هذا السياق، يجب ألا تستشعر مستشعرات الصور المستخدمة لفحص رؤية الآلة الضوء المرئي فحسب، بل يجب أيضًا أن تعزز قدرتها على اكتشاف الضوء في الأطوال الموجية غير المرئية، مثل طيف الأشعة تحت الحمراء (SWIR) ذو الموجة القصيرة-. خذ مستشعرات الصور IMX992/993 من سوني كمثال. وهي تدمج تقنية SenSWIR الخاصة بشركة Sony، والتي تجمع بين 3.45-ميكرون بكسل. يحقق IMX992 دقة تبلغ 5.32 ميجابكسل، مما يتيح التصوير عالي الدقة ويحسن الدقة في مختلف تطبيقات الفحص والقياس الصناعي.

غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى شرائح متخصصة لبروتوكولات اتصالات صناعية محددة، مثل EtherCAT. باعتبارها واحدة من أوائل الشركات المصنعة في الصين التي أطلقت شرائح التحكم التابعة EtherCAT، طرحت ياسين للإلكترونيات AX58100 في عام 2019. وبعد ذلك، أصدرت وحدات تحكم تابعة EtherCAT ثنائية النواة مع 2/3 منافذ، مما يوفر كفاءة أعلى مع تمكين الاتصال البيني مع جميع الأنظمة التي تدعم بروتوكولات اتصال EtherCAT القياسية. تتضمن التطبيقات التحكم في الإدخال/الإخراج للإشارة الرقمية، والحصول على بيانات المستشعر، والتحكم في المحور الآلي، ووظائف البوابة الرئيسية للربط EtherCAT-إلى-IO-. تُظهر الصورة الموجودة على اليمين اللوحة الأساسية الصناعية TL3568 التي طورتها شركة Chuanglong Technology باستخدام مكونات محلية بالكامل. تم تصميمه حول معالج Rockchip RK3568، ويمكن استخدامه أيضًا لبناء أجهزة EtherCAT الرئيسية. لا يحتاج أساتذة EtherCAT إلى شرائح مخصصة؛ يمكن تنفيذها بحتة في البرمجيات. على سبيل المثال، يؤدي دمج بروتوكول EtherCAT الرئيسي في RT-Thread إلى تمكين التحكم في الوقت الحقيقي- في محركات المؤازرة والإدخال/الإخراج عن بُعد.

وأخيرًا، توفر FPGAs الصناعية تنفيذًا منطقيًا للأجهزة مع مزايا مثل المعالجة المتوازية عالية السرعة ووحدات الإدخال/الإخراج الوفيرة وتعدد الإرسال الوظيفي. ومع ذلك، فإنهم يواجهون قيودًا في التحكم المرن وبروتوكولات الاتصال المعقدة. يقودنا هذا إلى SoC FPGAs، التي تدمج المعالجات الصلبة-ضمن بنية FPGA. وهذا يقلل من استهلاك طاقة النظام والتكلفة مع تقليل أثر اللوحة الأم. إنها تحتفظ بالمرونة القابلة للبرمجة لـ FPGAs مع الحفاظ على التوافق مع النظام البيئي للمعالج الصلب. لنأخذ سلسلة SALDRAGON FPSoC من Anlu Technology التي تم إصدارها العام الماضي كمثال: فهي تقدم تكاملًا اختياريًا إما لمعالج Arm Cortex-A35 ثنائي النواة- أو معالج RISC-V-أساسي واحد 64 بت- بت، مما يسمح بالاستخدام الكامل لكلا النظامين البيئيين.

الاتصالات الصناعية: هيمنة الإيثرنت مستمرة في التعزيز
بعد عقود من التطور والتكرار، تنقسم طرق الاتصال الصناعية في المقام الأول إلى ثلاث فئات بناءً على التنفيذ المادي: الإيثرنت الصناعي، وناقل المجال، والشبكات اللاسلكية الصناعية. ضمن شبكة إيثرنت الصناعية، تهيمن الآن التقنيات الناشئة مثل EtherCAT وPROFINET وEtherCAT. تشتمل أنظمة Fieldbus على PROFIBUS DP وModbus-RTU وCC-Link. تتضمن الشبكات اللاسلكية الصناعية، والتي ظهرت مؤخرًا في الشبكات الصناعية، حلول اتصال معروفة-مثل Wi-Fi، وBluetooth، و5G.

وفقًا لإحصائيات HMS، استمرت شبكة Ethernet الصناعية في السيطرة على عمليات تثبيت العقد الجديدة في عام 2023، مع ارتفاع حصتها في السوق من 68% في العام السابق إلى 71%-، وهي زيادة كبيرة بنسبة 12%. في حين أن PROFINET وEtherNet/IP وEtherCAT لا يزالون هم اللاعبين الثلاثة المهيمنين في السوق، فإن شعبية PROFINET وEtherCAT تنمو بشكل مطرد. بالمقارنة مع الاتصال اللاسلكي، لا يزال ناقل المجال يمثل جزءًا كبيرًا من العقد الجديدة. ومع ذلك، فقد فقدت زخمًا كافيًا في السوق وتعتمد فقط على استمرار المعدات والآلات والمصانع في استخدام هذه الأجهزة-التي تعمل بشكل جيد، والتي تم اختبارها عبر الزمن-.

يحافظ الاتصال اللاسلكي على الاستقرار العام. على الرغم من الدعوات المستمرة للمصانع اللاسلكية بالكامل، يظل الاعتماد محدودًا نظرًا للحاجة إلى إعادة توجيه الكابلات على نطاق واسع-والتحدي المتمثل في إنشاء بيئات تدعم الوصول إلى الأجهزة اللاسلكية والمعدات الصناعية المتنقلة.

ينبع تآكل حصة سوق الحافلات الصناعية في المقام الأول من المزايا الكبيرة التي توفرها شبكة Ethernet الصناعية مقارنة بالحافلات الصناعية التقليدية. الفائدة الأولى هي السرعة: على عكس الناقلات الصناعية-التسلسلية، تحقق شبكة Ethernet الصناعية سرعات أعلى بشكل ملحوظ، تتجاوز 100 ميجا بت في الثانية. حتى حافلة PROFIBUS الصناعية الأكثر استخدامًا على نطاق واسع، وتحديدًا متغير PROFIBUS DP عالي السرعة- لأتمتة المصنع، تتمتع بأقصى سرعة قابلة للتكوين تصل إلى 12 ميجا بت في الثانية. الثاني هو طوبولوجيا أكثر مرونة. بالنسبة لعمليات نشر الشبكات الصناعية المعقدة، تعمل الحافلات الصناعية التي تستخدم تكوينات سلسلة -تعاقبية كبيرة على إنشاء شبكات معرضة بدرجة كبيرة للفشل. ومع ذلك، تستخدم شبكة إيثرنت الصناعية طبولوجيا مرنة مثل الشبكات النجمية لبناء شبكات صناعية أسرع وأكثر موثوقية.

وأخيرًا، تعمل تحالفات الصناعة على تعزيز التبني. لنأخذ Profinet (المهيمن على شبكة إيثرنت الصناعية) وProfibus (المسيطر على الحافلات الصناعية) كأمثلة: على الرغم من الترويج لكل منهما بواسطة PI، إلا أنه منذ عام 2016، تجاوزت Profinet Profibus في عمليات تثبيت عقدة الأجهزة الجديدة. ومع توافر حلول شاملة للترحيل في الحقول القديمة والحقول الخضراء، تستمر هذه الفجوة في الاتساع.

نظرًا لاتصال المزيد من الأجهزة وأجهزة الاستشعار والأنظمة بالشبكات الصناعية، فإن التقنيات اللاسلكية الأساسية مثل Wi{0}}Fi وLoRaWAN وDECT-2020 NR تتيح إمكانية جمع البيانات الصناعية المهمة ومشاركتها لاسلكيًا. ومع ذلك، مع نضوج نشر 5G والتطور التكنولوجي، فإن سوق التصنيع الصناعي يوجه اهتمامه بشكل متزايد إلى تقنيات الشبكات الخلوية - التي نادرًا ما تستخدم سابقًا في الشبكات الصناعية بسبب المخاوف بشأن السرعة وزمن الوصول. على الرغم من ذلك، لا تزال الشبكات اللاسلكية الصناعية تمثل تحديًا في اعتمادها كحل أساسي في بعض بيئات الترددات اللاسلكية القاسية. علاوة على ذلك، ما لم يتم دعم الشبكات اللاسلكية الخلوية مثل 5G، ما لم يتم دعمها من قبل مشغلي الاتصالات، فإنها تكافح لضمان جودة الشبكة المطلوبة في إعدادات المصنع.

ومن حيث الحصة السوقية، لا يزال اعتماد تقنية الجيل الخامس في الشبكات اللاسلكية الصناعية محدودًا. وذلك لأن الشبكات اللاسلكية الصناعية 5G يتم نشرها بشكل مختلف عن طرق الشبكات الأخرى، وذلك في المقام الأول من خلال البناء المباشر لمصانع 5G المتصلة بالكامل. وبفضل مبادرة 5G+الإنترنت الصناعي، تجاوز عدد المشاريع على الصعيد الوطني 8000 مشروع. قامت وزارة الصناعة وتكنولوجيا المعلومات (MIIT) باختيار ونشر "2023 5G Factory Directory" الذي يضم مشاريع مرجعية، بإجمالي استثمارات بناء تصل إلى 9.73 مليار يوان. كما شارك مشغلو الاتصالات الثلاثة الرئيسيون بنشاط في البناء المباشر للشبكات الصناعية لمصانع الجيل الخامس.

الأفكار النهائية

تشير اتجاهات السوق إلى أن قطاع الأتمتة والتحكم الصناعي لا يزال في مرحلة تطور سريع، خاصة في الصين، حيث قدمت السياسات الوطنية التي تدعم تحول التصنيع والارتقاء به زخما كبيرا. ثانيا، بفضل التقدم في صناعة أشباه الموصلات، يتحول قطاع الأتمتة الصناعية في الصين من التوسع على نطاق واسع إلى تحسين الجودة. لم يعد الاستبدال المحلي لمعدات التحكم الصناعية المتطورة- مجرد شعار. في مجال الاتصالات الصناعية، بينما تواجه أنظمة الحافلات الصناعية تحديات النمو، تعمل شبكة Ethernet الصناعية على تسريع وتيرة استبدالها. تُظهر الشبكات اللاسلكية الصناعية تباطؤًا إجماليًا طفيفًا في النمو، ومع ذلك فإن عمليات نشر شبكات الجيل الخامس في المصانع تتسارع، خاصة في السوق المحلية.