從工業製造行業近年來的發展來看，目前工業自動化與控製市場仍處於快速發展期
，在人力成本上升
、降本增效和製造商按時完成任務的巨大壓力下，工廠使用自動化控製技術的需求已經達到新高。根據GrandView Research的統計與預測數據，去年工業自動化與控製市場總值約為1949.9億美元

，而這一數字預計將在2030年達到3799.3億美元。

中國工業控製市場異軍突起

中國的工業控製市場也發生了不小的變動，從國家公布的數據來看

，2023 年我國工業依然實現穩健增長

，新動能在加快培育。在規模以上工業中，裝備製造業增加值比上年增長 6.8%，占規模以上工業增加值比重為 33.6%；高技術製造業增加值增長 2.7%，占規模以上工業增加值比重為15.7%。

盡管有所增長，2023年nian工gong業ye自zi動dong化hua複fu蘇su跡ji象xiang並bing不bu算suan明ming顯xian，世shi界jie範fan圍wei內nei麵mian臨lin著zhe經jing濟ji複fu蘇su動dong力li不bu足zu的de困kun境jing
，國guo內nei則ze麵mian臨lin著zhe有you效xiao需xu求qiu不bu足zu的de現xian狀zhuang。與yu此ci同tong時shi，國guo內nei工gong業ye控kong製zhi與yu自zi動dong化hua行xing業ye競jing爭zheng依yi舊jiu十shi分fen激ji烈lie，西xi門men子zi、ABB、三菱、安川

、歐姆龍、鬆下等歐美、日本廠商仍然占據主要份額。彙川、禾川和雷賽等國產自動化廠商在上遊廠商的支持下，已經開始從做大往做強轉型。

為wei何he世shi界jie範fan圍wei內nei與yu國guo內nei存cun在zai一yi定ding的de差cha距ju，這zhe也ye得de益yi於yu國guo家jia對dui製zhi造zao業ye轉zhuan型xing和he升sheng級ji的de政zheng策ce扶fu植zhi。從cong十shi四si五wu規gui劃hua發fa布bu以yi來lai，國guo家jia對dui於yu工gong業ye製zhi造zao產chan業ye的de轉zhuan型xing和he升sheng級ji提ti出chu了le前qian所suo未wei有you的de重zhong視shi。在zai提ti高gao製zhi造zao業ye核he心xin競jing爭zheng力li的de目mu標biao中zhong，也ye要yao求qiu重zhong點dian研yan製zhi分fen散san式shi控kong製zhi係xi統tong、可編程邏輯控製器等工業控製裝備，並在先進控製器、高(gao)精(jing)度(du)伺(si)服(fu)驅(qu)動(dong)係(xi)統(tong)等(deng)部(bu)件(jian)上(shang)實(shi)現(xian)突(tu)破(po)。隨(sui)著(zhe)新(xin)能(neng)源(yuan)汽(qi)車(che)等(deng)熱(re)門(men)產(chan)業(ye)的(de)快(kuai)速(su)發(fa)展(zhan)，帶(dai)動(dong)了(le)工(gong)廠(chang)數(shu)字(zi)化(hua)轉(zhuan)型(xing)
，各(ge)省(sheng)市(shi)也(ye)發(fa)布(bu)了(le)對(dui)數(shu)字(zi)化(hua)智(zhi)能(neng)標(biao)杆(gan)示(shi)範(fan)工(gong)廠(chang)的(de)補(bu)貼(tie)政(zheng)策(ce)。

工業控製上下遊產業鏈

接著我們來看看工業控製的上中下遊產業鏈

，上遊主要分為控製/通信芯片、設計IP、傳感器、元器件和PCB等，而中遊根據工業控製的不同流程，則分為執行層、驅動層、控製層和運行監控等。其中，執行層包括 調節閥
、電機傳動，驅動層包括變頻器、伺服係統等，控製層則包括HMI、DCS、PLC，運行監控則包含了儀表和工業視覺係統等。工業控製的下遊細分產業很多，不乏一些近年來比較發展比較熱門的產業
，包括3C製造
、新能源汽車
、儲能、服務器
、石化和軌道交通等。

從半導體的角度看工控上遊，我們可以將其分為四個大類
，分別是工業傳感器
，工業控製芯片、設計IP以及工業FPGA。工gong業ye傳chuan感gan器qi作zuo為wei工gong業ye控kong製zhi中zhong遊you感gan知zhi層ceng或huo者zhe說shuo反fan饋kui層ceng的de核he心xin部bu件jian之zhi一yi，起qi到dao了le改gai善shan工gong業ye流liu程cheng並bing提ti供gong資zi產chan監jian控kong與yu保bao護hu的de作zuo用yong。其qi中zhong國guo外wai廠chang商shang有you安an森sen美mei、精量電子、西克
、基恩士、倍福
、霍尼韋爾、歐姆龍、得利捷
、勞易測。國內廠商有思特威、納芯微
、康耐視、北洋集團
、西人馬、明皜傳感、芯奧微、美芯半導體
、飛恩微電子等。

工業控製芯片和模組這塊
，大部分廠商以開發通用MCU為主

，主要廠商包括國外的TI、ADI、ST
、Microchip、英飛淩、恩智浦
、安森美

、瑞薩，國內廠商有極海半導體、華大
、中穎電子、芯旺微電子、峰岹科技
、雅特力
、聚辰半導體、新唐
、萬高
、時代
、航順
、賽元
、國民技術、東土科技、中科晶上
、芯海科技、兆芯等等。

同時隨著差異化需求的提高，設計IP也成了上遊芯片廠商們不可忽略的一環，無論是核心IP還是接口IP。國外廠商包括Arm、新思、Cadence、Imagination、瑞薩

、Sifive
，國內廠商包括平頭哥、晶心科技
、芯原、燦芯半導體等。

最後是工業FPGA，隨著工業機器人
、高精密設備等行業的快速發展，多軸、高性能伺服的尋求也越發凸顯，所以目前FPGA在伺服驅動、數控和工業自動化領域仍有著廣泛應用。且FPGA在工業通信領域也有了不少應用場景，比如用於EtherCAT的主站或從站等。國外廠商有AMD（Xilinx）、Intel（Altera）、Lattice、Microchip等，國內廠商包括高雲半導體、安路科技、紫光同創等。

接jie著zhe我wo們men以yi一yi些xie上shang遊you產chan品pin為wei例li
，來lai展zhan示shi工gong業ye控kong製zhi市shi場chang出chu現xian的de一yi些xie市shi場chang趨qu勢shi。首shou先xian就jiu是shi機ji器qi人ren電dian機ji控kong製zhi，對dui於yu需xu要yao將jiang處chu理li和he實shi時shi通tong信xin結jie合he的de工gong業ye應ying用yong
，比bi如ru機ji器qi人ren電dian機ji控kong製zhi等deng，需xu要yao更geng高gao的de實shi時shi處chu理li性xing能neng，同tong時shi支zhi持chi豐feng富fu的de工gong業ye通tong信xin協xie議yi。但dan也ye要yao選xuan擇ze擁yong有you足zu夠gou性xing能neng餘yu量liang的deMCU，用於未來的擴展和附加功能。

而這種集成式架構中電機控製往往需要用一個MCU控製多個軸控製，所以MCU需要高性能實時處理內核，比如R5F或DSP等，也需要EtherCAT這樣的實時通信接口。以圖中TI的AM2343x多核工業MCU為例，就最多可集成4個Cortex-R5F核心，為機器人多軸電機控製提供足夠的性能，同時也能支持EtherCAT等工業通信協議的擴展。

世健基於TMC4671的全集成伺服電機控製方案

其qi次ci是shi全quan集ji成cheng伺si服fu控kong製zhi芯xin片pian，伺si服fu控kong製zhi器qi是shi用yong來lai控kong製zhi伺si服fu電dian機ji的de一yi種zhong控kong製zhi器qi，是shi現xian代dai運yun動dong控kong製zhi的de重zhong要yao組zu成cheng部bu分fen，被bei廣guang泛fan應ying用yong於yu工gong業ye機ji器qi人ren及ji數shu控kong加jia工gong中zhong心xin等deng自zi動dong化hua設she備bei中zhong。伺si服fu控kong製zhi芯xin片pian在zai為wei電dian機ji提ti供gong磁ci場chang定ding向xiang控kong製zhi的de同tong時shi
，追zhui求qiu更geng高gao的de驅qu動dong效xiao率lv和he動dong態tai性xing能neng。圖tu中zhong展zhan示shi了le世shi健jian基ji於yuTMC4671的全集成伺服電機控製方案，為直流無刷電機、永磁同步電機、2相步進電機
、直流有刷電機和音圈電機提供磁場定向控製。之所以被稱為全集成，是因為所有的控製功能都被集成在硬件上
，同時集成了ADCs、位置傳感器接口、位置差值器，所以該控製器方案適用於各種伺服應用。

接著我們來看下控製層的HMI，以高端工業HMIweili，xuyaozhichiduoluxianshi
，shenzhiyaozhichigenggaodefenbianlvhezhenlv
，yijiyongyougengqiangdetuxingxianshixingnengcainengzhichigengfuzadekeshihuajiaohusheji。yixianjibandaotideHPM6800係列MCU為例，該芯片除了集成了高性能的RISC-V內核外，還集成了芯原的2.5D GPU IP，為HMI提供了足夠的圖形性能。除此之外，還有非觸控式的語音控製HMI，這類應用往往追求更加緊湊的設計，且必須支持預編程和多語言命令輸入

，瑞薩的語音HMI ASSP MCU R9A06G150就是一個很好的例子。

gaishanzhuangtaijiankonghezhenduanbingshixianzhengtixitongyouhua，shidangjinrenmenzaishiyongjixiesheshihejishuxitongshimianlindebufenhexintiaozhan。zhegehuatibujinzaigongyelingyu
，zairenheshiyongjixiexitongdedifangdouyujiazhongyao。yiwang，doushigenjujihualaiweihujiqi

，yanchiweihukenenghuimianlinshengchantinggongdefengxian。rujin
，renmentongguochulijiqideshujulaiyuceqishengyudeshiyongshouming。youqishiwendu、噪(zao)聲(sheng)和(he)振(zhen)動(dong)等(deng)關(guan)鍵(jian)參(can)數(shu)，可(ke)以(yi)利(li)用(yong)記(ji)錄(lu)的(de)這(zhe)些(xie)數(shu)據(ju)來(lai)確(que)定(ding)優(you)質(zhi)運(yun)行(xing)狀(zhuang)態(tai)
，甚(shen)至(zhi)是(shi)所(suo)需(xu)的(de)維(wei)護(hu)次(ci)數(shu)。此(ci)舉(ju)可(ke)以(yi)避(bi)免(mian)造(zao)成(cheng)不(bu)必(bi)要(yao)的(de)磨(mo)損(sun)
，並(bing)且(qie)能(neng)夠(gou)盡(jin)早(zao)發(fa)現(xian)潛(qian)在(zai)的(de)問(wen)題(ti)和(he)原(yuan)因(yin)。

上圖就展示了世健基於ADI ADXL355/357的數字型三軸振動傳感器參考設計，其中PC GUI對振動傳感器采集到的數據進行FFT、FIR等時域/頻域分析，可以廣泛用於電梯狀況監控、數控機床狀態反饋
、氣泵液泵狀態監控
、電機和齒輪箱狀態監控、風力發電機狀態監控以及機械臂起重機等工業設備的狀態反饋和監控。

同tong樣yang的de還hai有you工gong業ye視shi覺jiao檢jian測ce的de圖tu像xiang傳chuan感gan器qi，在zai工gong業ye設she備bei領ling域yu，為wei了le提ti高gao生sheng產chan效xiao率lv並bing保bao證zheng產chan品pin良liang率lv的de需xu求qiu持chi續xu增zeng加jia。在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia，針zhen對dui用yong於yu機ji器qi視shi覺jiao檢jian測ce的de圖tu像xiang傳chuan感gan器qi不bu僅jin需xu要yao感gan知zhi可ke見jian光guang的de能neng力li
，也ye需xu要yao加jia強qiang感gan知zhi不bu可ke見jian波bo段duan光guang線xian的de能neng力li，比bi如ru短duan波bo紅hong外wai焦jiao段duan。以yi索suo尼ni的deIMX992/993圖像傳感器為例
，就集成了其自研的SenSWIR技術，拚接3.45微米的像素大小，IMX992做到了532萬像素，可以實現高精細的成像，提高在各類工業檢查和測量應用中的精度。

在特定的工業通信協議中，往往也需要用到專用的芯片，比如EtherCAT。亞信電子是國內首批推出EtherCAT從站控製器芯片的廠商
，自2019年發布AX58100後，亞信電子又推出了2/3端口的EtherCAT從站雙核控製器，做到更高效能的同時

，可以所有支持標準EtherCAT通信協議的係統互聯。可用於數字信號IO控製
、傳感器數據收集、機器人轉軸控製以及EtherCAT轉IO-Link主站網關等。右圖為創龍科技基於全國產器件打造的工業核心板TL3568
，基於瑞芯微的RK3568處理器設計
，也可用於打造EtherCAT主站。EtherCAT主站並不需要專用的芯片，隻需要在軟件上實現即可，比如在RT-Thread端集成EtherCAT主站協議
，對伺服電機和遠程IO進行實時控製。

最後是工業FPGA，FPGA可以實現硬件邏輯功能，且具備高速並行處理性能、豐富IO單元和功能複用等優勢，但涉及靈活的控製和複雜的通信協議時，並不占優勢。所以我們引出了SoC FPGA
，SoC FPGA在FPGA架構中集成了硬核處理器，從而降低係統功耗和成本，減小主板麵積。在具備FPGA可編程靈活性的同時，也兼容硬核處理器的生態。以安路科技去年發布的SALDRAGON係列FPSoC為例，就可選集成雙核Arm Cortex-A35或單核64位芯來RISC-V處理器的版本
，從而充分利用兩者的生態係統。

工業通信，以太網主導地位繼續加固

工業通信方式經過數十年的演變迭代
，基於物理實現方式主要分為工業以太網、現場總線以及工業無線網
，其中工業以太網中占主導的為EtherCAT、PROFINET以及EtherCAT等後起之秀，而現場總線則包括了PROFIBUS DP、Modbus-RTU、CC-Link等

，近年來才開始在工業網絡中現身的工業無線網，則包括大家熟知的Wi-Fi、藍牙和5G等連接方式。

2023年新增節點各工業通信方式占比 / HMS

根據HMS的統計，在2023年的新增節點中，工業以太網依然占據主導地位，份額更是從前年的68%提高至71%
，增長高達12%。雖然市麵上依然是PROFINET、EtherNet/IP、和EtherCAT三家獨大的局麵，但PROFINET
、EtherCAT的受歡迎程度在逐漸提高。相較無線連接，現場總線依然占據新增節點的很大一部分，但失去了足夠的市場動力，隻是依賴於設備、機器和工廠繼續沿用這些功能良好
，且久經驗證的現場總線設備。

無(wu)線(xian)連(lian)接(jie)整(zheng)體(ti)保(bao)持(chi)穩(wen)定(ding)的(de)狀(zhuang)態(tai)，雖(sui)然(ran)打(da)造(zao)全(quan)無(wu)線(xian)工(gong)廠(chang)的(de)口(kou)號(hao)一(yi)直(zhi)不(bu)絕(jue)於(yu)耳(er)，但(dan)對(dui)於(yu)工(gong)廠(chang)環(huan)境(jing)而(er)言(yan)，需(xu)要(yao)重(zhong)新(xin)更(geng)換(huan)電(dian)纜(lan)布(bu)局(ju)
，打(da)造(zao)一(yi)個(ge)無(wu)線(xian)機(ji)器(qi)訪(fang)問(wen)和(he)移(yi)動(dong)工(gong)業(ye)設(she)備(bei)的(de)環(huan)境(jing)，接(jie)受(shou)度(du)仍(reng)有(you)待(dai)提(ti)高(gao)。

之所以工業總線的市場份額在被逐漸蠶食
，還是因為工業以太網相比工業總線存在不小的優勢。首先就是更快的速度：相較於串聯通信的工業總線
，工業以太網可以實現更高的速度，甚至超過100Mbps，而最常用的PROFIBUS工業總線，即便是用於工廠自動化的高速版本PROFIBUS DP
，最高可配置速度也隻有12Mbps。其(qi)次(ci)是(shi)更(geng)靈(ling)活(huo)的(de)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)，對(dui)於(yu)更(geng)複(fu)雜(za)的(de)工(gong)業(ye)網(wang)絡(luo)部(bu)署(shu)

，工(gong)業(ye)總(zong)線(xian)如(ru)果(guo)采(cai)用(yong)大(da)型(xing)菊(ju)花(hua)鏈(lian)的(de)形(xing)式(shi)部(bu)署(shu)

，則(ze)會(hui)形(xing)成(cheng)一(yi)個(ge)對(dui)故(gu)障(zhang)極(ji)為(wei)敏(min)感(gan)的(de)工(gong)業(ye)網(wang)絡(luo)。而(er)工(gong)業(ye)以(yi)太(tai)網(wang)通(tong)過(guo)星(xing)型(xing)等(deng)靈(ling)活(huo)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)，打(da)造(zao)更(geng)加(jia)高(gao)速(su)可(ke)靠(kao)的(de)工(gong)業(ye)網(wang)絡(luo)。

最後則是產業聯盟的推動
，以工業以太網中占比最高的Profinet和工業總線中占比最高的Profibus為例
，盡管PROFIBUS和PROFINET都是由PI推廣的

，但從2016年開始後者的新增設備節點數就已經開始超過前者了
，在已經具備完整的棕地和綠地遷移方案的助力下
，這一差距還在繼續擴大。

隨著越來越多的設備、傳感器和係統接入工業網絡，Wi-Fi
、LoRaWan和DECT-2020 NR等底層無線連接技術提供了無線收集和共享這些工業關鍵數據的可行性。但5G部(bu)署(shu)和(he)技(ji)術(shu)演(yan)進(jin)逐(zhu)步(bu)成(cheng)熟(shu)

，工(gong)業(ye)製(zhi)造(zao)市(shi)場(chang)已(yi)經(jing)開(kai)始(shi)將(jiang)目(mu)光(guang)放(fang)向(xiang)曾(zeng)經(jing)因(yin)為(wei)速(su)率(lv)和(he)延(yan)遲(chi)而(er)極(ji)少(shao)用(yong)於(yu)工(gong)業(ye)網(wang)絡(luo)中(zhong)的(de)蜂(feng)窩(wo)網(wang)絡(luo)技(ji)術(shu)。盡(jin)管(guan)對(dui)於(yu)一(yi)些(xie)RF環境惡劣的工業場景而言
，工業無線網還是很難作為首選，而且除非有電信運營商的介入，5G之類的蜂窩無線網很難保證在工廠環境發揮出其應有的網絡質量。

國內5G工廠發展 / 工信部

單看占比，5G在工業無線網中落地還不算多，這是因為5G工業無線網的普及方式相較其他布網方式有所不同

，多以直接建設全連接5G工廠為主。在5G+工業互聯網的推動下，全國項目數已經超過8000個。工信部也針對其中的標杆項目，遴選並發布了《2023年5G工廠名錄》，建設投資總額達到了97.3億元。三大運營商也紛紛參與到了5G工廠的工業網絡直接建設中來。

寫在最後

congshichangqushilaikan，gongyezidonghuayukongzhishichangrengchuyukuaisufazhanqi，youqishizhongguo，guojiazhengcezhichizhizaoyezhuanxingheshengjiqidaolejidadezhuli。qici
，deyiyushangyouxinpianchanyedefazhan
，guochangongyezidonghuachanyekaishicongzuodawangzuoqiangzhuanxing，gaoduangongkongshebeideguochantidaiyijingbuzaizhishishuoshuoeryi。erzaigongyetongxinshang
，gongyezongxianzengchangdonglibuzu，gongyeyitaiwangzhengjiakuaitidaisudu。gongyewuxianwangzhengtizengsulveyouxiahua，dan5G工廠布局加快，尤其是國內市場。