挺進新工業(yè)時代的控制與通信挑戰(zhàn)

（電子發(fā)燒友網(wǎng)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)控制與通信技術(shù)研討會在線上成功舉辦。本次會議，意法半導(dǎo)體、ADI、TI、靈動、Microchip、SiliconLabs等國內(nèi)外知名企業(yè)的專家和領(lǐng)導(dǎo)帶來了最新的技術(shù)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(wǎng)舉辦的工業(yè)控制與通信技術(shù)研討會中，Microchip產(chǎn)品市場經(jīng)理張?zhí)旄?，帶來了關(guān)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(yīng)用進行了介紹和分析，以及相應(yīng)的解決方案。

張?zhí)旄槐硎荆琓SN網(wǎng)絡(luò)能夠提供實時性、高可靠性以及帶寬保證的以太網(wǎng)服務(wù)，同時TSN網(wǎng)絡(luò)還能允許對實時性要求比較高的關(guān)鍵業(yè)務(wù)和非關(guān)鍵業(yè)務(wù)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(wǎng)協(xié)議，均可運行在TSN網(wǎng)絡(luò)之上，并且共享TSN基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。由于TSN網(wǎng)絡(luò)的開放性。OT和IT網(wǎng)絡(luò)可以更好地融合，減少復(fù)雜的網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備，為智能制造、邊緣計算等應(yīng)用更好的賦能。

同時TSN網(wǎng)絡(luò)采用的是標準化的硬件和TCP/IP協(xié)議棧，在產(chǎn)品采購以及設(shè)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(wǎng)絡(luò)現(xiàn)已在工業(yè)控制、電動汽車以及自動駕駛應(yīng)用等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

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

例如，針對TSN終端和網(wǎng)關(guān)設(shè)備的LAN966X系列低功耗TSN交換芯片，該系列芯片內(nèi)置了Cortex-A7處理器，最高支持8個1G的以太網(wǎng)接口，以及PCIe、USB、SPI等豐富的外圍拓展接口。針對汽車應(yīng)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(wǎng)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(yīng)用的需求。同時，Microchip還針對TSN機架式和機框式設(shè)備，推測出了符合工業(yè)級應(yīng)用標準的VSC7546TSN和VSC7549TSN系列交換芯片。

當然，Microchip在TSN領(lǐng)域的優(yōu)勢不止于此，除了能夠提供一系列的產(chǎn)品組合之外，Microchip還能夠提供全棧式功能的TSN協(xié)議和應(yīng)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(shè)計和評估板等一系列的開發(fā)工具，縮短客戶的產(chǎn)品研發(fā)周期，加速產(chǎn)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(yīng)用

Silicon labs是安全、智能無線技術(shù)領(lǐng)域的前沿品牌，在本次由電子發(fā)燒友網(wǎng)舉辦的工業(yè)控制與通信技術(shù)研討會中，Silicon labs現(xiàn)場應(yīng)用工程師黃良軍，帶來了關(guān)于“安全、智慧的EFR32平臺加速工業(yè)自動化應(yīng)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(wǎng)照明、資產(chǎn)跟蹤和自動化作業(yè)這三類典型應(yīng)用進行了詳細的解讀。同時，還總結(jié)出了工業(yè)類應(yīng)用的四大訴求。第一，需要更長的電池壽命，技術(shù)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(shù)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，集成人工智能和機器學(xué)習通過內(nèi)置AIML協(xié)處理器來進行本地的數(shù)據(jù)處理，從而達到降低功耗和避免網(wǎng)絡(luò)信道擁擠。第四，需要內(nèi)嵌高安全性來避免異常代碼的執(zhí)行以及應(yīng)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(yīng)用的解決方案FG23。FG23是專為采用Sub-GHz專有協(xié)議開發(fā)設(shè)備的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)客戶群，量身打造的新品。該無線電支持世界范圍內(nèi)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(shù)，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(wǎng)關(guān)等諸多應(yīng)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(xué)習等領(lǐng)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(jù)，實現(xiàn)指紋識別，也可以處理音頻數(shù)據(jù)，實現(xiàn)例如聲控、電機故障檢測等功能。

處理的數(shù)據(jù)還可以是來自任何傳感器的按時間排列的數(shù)據(jù)，經(jīng)過本地算法運算實現(xiàn)機器推斷。從而自動執(zhí)行相應(yīng)的行為。這個加速器讓人工智能和機器學(xué)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(wǎng)絡(luò)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(wù)，可以幫客戶把固件和安全配置在出廠前預(yù)先燒錄到芯片中。這種預(yù)燒錄服務(wù)可以充分保護客戶軟件和信息的安全，避免在工廠生產(chǎn)階段發(fā)生泄密。

電子發(fā)燒友網(wǎng)：國產(chǎn)工控品牌站穩(wěn)腳跟，TSN和5G崛起

本次技術(shù)研討會上，電子發(fā)燒友網(wǎng)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(chǎn)業(yè)內(nèi)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(guān)設(shè)備儀器的統(tǒng)稱，主要包括控制設(shè)備、系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)。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PLC、DCS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(wǎng)關(guān)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺等應(yīng)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(fù)，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(fù)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(nèi)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(jīng)數(shù)次上調(diào)價格的基礎(chǔ)上。

口罩機為PLC等工控產(chǎn)品帶來的紅利正在慢慢緩下來，但由于疫情反復(fù)加上全球?qū)τ卺t(yī)護用品的認知開始加強，醫(yī)療器械自動化生產(chǎn)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(nèi)，一些參與到此類產(chǎn)品生產(chǎn)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(nèi)自動化廠商的業(yè)績增長點。

除醫(yī)護用品之外，半導(dǎo)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(chǎn)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(nèi)PLC市場，來自歐美和日本的外資品牌依然占據(jù)主導(dǎo)地位，尤其是西門子的市場份額近半。國內(nèi)目前還是主要以中小型PLC為主，不少都已經(jīng)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(shù)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(wǎng)開展的調(diào)研中，有近半的用戶認為PLC、DCS等控制層工控產(chǎn)品已經(jīng)可以完美實現(xiàn)國產(chǎn)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(shù)與和利時兩家在DCS市場高占比。但在下游產(chǎn)業(yè)中，國內(nèi)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(jù)主導(dǎo)。

SCADA系統(tǒng)國內(nèi)品牌的占比已經(jīng)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(wǎng)和南水北調(diào)、智慧水廠這類水處理等熱門應(yīng)用會是突破的契機所在。

在我們的用戶調(diào)研中，54.7%的用戶所用工業(yè)通信方式為工業(yè)以太網(wǎng)，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(wǎng)。但工業(yè)無線網(wǎng)的增長速率還是可觀的，從HMS的統(tǒng)計數(shù)據(jù)中也可以看出，工業(yè)無線網(wǎng)的占比雖然保持不變，但8%的年增長率已經(jīng)與工業(yè)以太網(wǎng)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(shè)備，需要以提供確定性服務(wù)質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)通信平臺與技術(shù)作為支撐；工業(yè)制造網(wǎng)絡(luò)化與智能化升級，也對網(wǎng)絡(luò)提供確定性服務(wù)質(zhì)量提出了要求，TSN時間敏感網(wǎng)絡(luò)成為趨勢。參與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與TSN融合研究工作的既包含以太網(wǎng)相關(guān)的行業(yè)標準組織（CC-Link、EtherCAT、PROFINET），還有國內(nèi)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。

5G的到來也給工業(yè)無線網(wǎng)創(chuàng)造了新的機遇，但5G網(wǎng)絡(luò)才經(jīng)歷了一波爆發(fā)式增長，目前還在完善方案中。雖然已經(jīng)有了相關(guān)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(wǎng)絡(luò)帶來怎樣的影響。這在我們的調(diào)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(wǎng)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(wǎng)關(guān)、路由器設(shè)備已經(jīng)開始少量出貨，但終端設(shè)備仍不算多，未來參與進來的廠商數(shù)量增加、產(chǎn)品與技術(shù)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(shù)融合后的網(wǎng)絡(luò)安全能力尚待提升，且供應(yīng)鏈安全還不能完全把控，尤其是5G芯片。