挺进新工业时代的控制与通信挑战

（电子发烧友网周凯扬李诚）2022年6月15日，由全球知名电子科技媒体<电子发烧友>主办的2022第六届工业控制与通信技术研讨会在线上成功举办。本次会议，意法半导体、ADI、TI、灵动、Microchip、SiliconLabs等国内外知名企业的专家和领导带来了最新的技术分享。

Microchip：工业IOT和Microchip TSN工业解决方案

在本次由电子发烧友网举办的工业控制与通信技术研讨会中，Microchip产品市场经理张天富，带来了关于“工业IOT和Microchip TSN工业解决方案”的主题分享，并针对目前市场比较热门的行业和TSN应用进行了介绍和分析，以及相应的解决方案。

张天富表示，TSN网络能够提供实时性、高可靠性以及带宽保证的以太网服务，同时TSN网络还能允许对实时性要求比较高的关键业务和非关键业务的综合存在。其次，TSN是基于IEEE802.1和IEEE802.3开放性标准，他不依赖任何第三方厂商。

如Internet IP Profinet等，现有的工业以太网协议，均可运行在TSN网络之上，并且共享TSN基础网络设施。由于TSN网络的开放性。OT和IT网络可以更好地融合，减少复杂的网关和协议转换设备，为智能制造、边缘计算等应用更好的赋能。

同时TSN网络采用的是标准化的硬件和TCP/IP协议栈，在产品采购以及设备维护方面能够更高效地控制成本。得益于可靠性高、兼容性强、运维成本低等特点，TSN网络现已在工业控制、电动汽车以及自动驾驶应用等领域得到了广泛的应用。

 

在工业和汽车应用市场，有着超过30年经验积累的芯片厂商Microchip，持续的对工业以太网产品进行投入，并且Microchip的TSN技术也达到了业界领先的水平，推出了一系列TSN解决方案的产品组合。

例如，针对TSN终端和网关设备的LAN966X系列低功耗TSN交换芯片，该系列芯片内置了Cortex-A7处理器，最高支持8个1G的以太网接口，以及PCIe、USB、SPI等丰富的外围拓展接口。针对汽车应用，推出了LAN937X系列TSN交换芯片，该系列系芯片最高支持8个以太网接口，其中5个支持百兆T1接口，通过了严苛的ACE-Q100 Grade2认证，能够满足车规级应用的需求。同时，Microchip还针对TSN机架式和机框式设备，推测出了符合工业级应用标准的VSC7546TSN和VSC7549TSN系列交换芯片。

当然，Microchip在TSN领域的优势不止于此，除了能够提供一系列的产品组合之外，Microchip还能够提供全栈式功能的TSN协议和应用软件，高精度1288时间同步协议和软件，以及IPV4和IPV6双协议栈支持。同时还能提供完整的参考设计和评估板等一系列的开发工具，缩短客户的产品研发周期，加速产品上市，抢占市场。

Silicon labs：安全、智慧的EFR32平台加速工业自动化应用

Silicon labs是安全、智能无线技术领域的前沿品牌，在本次由电子发烧友网举办的工业控制与通信技术研讨会中，Silicon labs现场应用工程师黄良军，带来了关于“安全、智慧的EFR32平台加速工业自动化应用”的主题分享。

在本次研讨会中，黄良军针对现阶段工业市场中，联网照明、资产跟踪和自动化作业这三类典型应用进行了详细的解读。同时，还总结出了工业类应用的四大诉求。第一，需要更长的电池寿命，技术上需要超低功耗的芯片和能耗优化的通讯协议栈，另外还可以通过能量收集技术来延长电池寿命。第二，需要可靠的连接，可以通过采用带有更高前向纠错率的协议栈，或者利用跳频Sub-GHz、2.4G双频段的方式实现。第三，集成人工智能和机器学习通过内置AIML协处理器来进行本地的数据处理，从而达到降低功耗和避免网络信道拥挤。第四，需要内嵌高安全性来避免异常代码的执行以及应对非法破解，满足最新的安全法规要求，以及安全功能的OTA。

 

在本次研讨会上，Silicon labs带来了最新面向工业自动化应用的解决方案FG23。FG23是专为采用Sub-GHz专有协议开发设备的工业物联网客户群，量身打造的新品。该无线电支持世界范围内所有常见的Sub-GHz频段，在灵敏度方面比其他同类无线电提高了约3dB。这意味着这款SoC可以帮助开发人员实现更远距离的通信，长达一英里以上。同时，在安全方面FG23还支持Silicon labs独有的Security Vault专利技术，具有极高的安全性，能够通过ARM PSA Leval 3的认证。

FG23具有高性能的无线传输功能，最高发射功率可达20dBm，灵敏度低至－160dBm，支持天线分集接收，并且具有极低的功耗，在14 dBm 825MHz时TX电流为25mA，接收电流只有4.2mA，待机电流低至1.2μA，并且支持超低功耗的Preamble感知唤醒功能。

得益于其优异的性能，FG23可以广泛用于智能抄表、工业自动化、智能照明、楼宇自动化、IoT网关等诸多应用。

同时，Silicon labs还介绍了业界唯一一款集成了AI/ML加速器的XG24，该芯片的主要覆盖智能家居、楼宇自动化、照明、便携医疗、人工智能和机器学习等领域。通过对加速器的优化，XG24能够分担CPU的机器推断运算工作量，其运算速度是Cortex-M的两到四倍，能耗只有Cortex-M的1/6。借助于这个加速器，XG24可以在本地处理图片数据，实现指纹识别，也可以处理音频数据，实现例如声控、电机故障检测等功能。

处理的数据还可以是来自任何传感器的按时间排列的数据，经过本地算法运算实现机器推断。从而自动执行相应的行为。这个加速器让人工智能和机器学习变得更高效，从而实现低能耗、低延迟，还能最大程度降低对网络通信的依赖，安全性也得到提高。

为给用户带来一个更舒适的开发环境，Silicon labs还能为客户提供定制化服务，可以帮客户把固件和安全配置在出厂前预先烧录到芯片中。这种预烧录服务可以充分保护客户软件和信息的安全，避免在工厂生产阶段发生泄密。

电子发烧友网：国产工控品牌站稳脚跟，TSN和5G崛起

本次技术研讨会上，电子发烧友网的编辑周凯扬分享了《工控与工业通信市场的分析》，分析了产业内的机遇与挑战。工业控制系统是不同类型的控制系统和相关设备仪器的统称，主要包括控制设备、系统和网络。从上游来看，主要分为工业控制/通信的芯片和模组，以及工业传感器，中游主体为PLC、DCS和SCADA，这三大控制层的控制器与系统，工控与通信市场下游集中在工业机器人、工业路由、工业网关和工业互联网平台等应用上。

虽说受到疫情影响，工业自动化的部署有所减缓，但仍保持着正向增长。去年上半年缺芯影响较为严重，加上备货有限和海外疫情反复，推动了延续自2020年底的火爆局面，突破了传统的淡季需求，在第一季度实现了40%以上的同比增长，第二季度开始消化缺芯缺货的恐慌情绪，需求逐渐走向常态化，持续至第三季度，两季度平均同比增长11.9%左右，第四季度能耗双控、原材料涨价和一定的疫情反复影响，进一步降低了需求，涨价的趋势在今年上半年得到了体现。今年开年以来，国内外工业自动化厂商都发布了一系列涨价公告，而这还是建立在去年已经数次上调价格的基础上。

口罩机为PLC等工控产品带来的红利正在慢慢缓下来，但由于疫情反复加上全球对于医护用品的认知开始加强，医疗器械自动化生产仍将持续作为一个可观的增长点。加之各国仍在坚持一定的防疫措施，尤其是国内，一些参与到此类产品生产中来的新企业，依然是一块不可小觑的蛋糕，也是不少国内自动化厂商的业绩增长点。

除医护用品之外，半导体、锂电、工业机器人等先进制造和OEM的需求增长同样强劲，细化到产品上还是以小型PLC增长为主。大型PLC还是集中在电力、石油、石化和化工等项目型市场，受到疫情影响有一定减缓，但本身体量足够大，所以市场总值依旧庞大。

在国内PLC市场，来自欧美和日本的外资品牌依然占据主导地位，尤其是西门子的市场份额近半。国内目前还是主要以中小型PLC为主，不少都已经站稳脚跟，开始市场渗透，比如刚才提到的口罩机。与此同时，从新品发布和企业年报中也可以看出，一部分厂商也在突破技术壁垒，推出和布局中大型PLC，比如宝信、傲拓等等，不过市场份额还是罗克韦尔等厂商占大头。

在电子发烧友网开展的调研中，有近半的用户认为PLC、DCS等控制层工控产品已经可以完美实现国产替代。不过这很大程度上是DCS带来的信心，尤其是靠中控技术与和利时两家在DCS市场高占比。但在下游产业中，国内的DCS还是以化工、石化为主，电力能源上的DCS还是国外品牌占据主导。

SCADA系统国内品牌的占比已经过半，但还有不少替代的空间。尤其是在外资品牌陆续开始收购，提高竞争力的情况下，把握绿色能源、智能电网和南水北调、智慧水厂这类水处理等热门应用会是突破的契机所在。

在我们的用户调研中，54.7%的用户所用工业通信方式为工业以太网，31.3%的用户在用现场总线，只有不到20%的用户选择了工业无线网。但工业无线网的增长速率还是可观的，从HMS的统计数据中也可以看出，工业无线网的占比虽然保持不变，但8%的年增长率已经与工业以太网相近了。
 
为了做到高效地使用、管理、维护、控制工业设备，需要以提供确定性服务质量的网络通信平台与技术作为支撑；工业制造网络化与智能化升级，也对网络提供确定性服务质量提出了要求，TSN时间敏感网络成为趋势。参与工业网络与TSN融合研究工作的既包含以太网相关的行业标准组织（CC-Link、EtherCAT、PROFINET），还有国内的工业互联网产业联盟。

5G的到来也给工业无线网创造了新的机遇，但5G网络才经历了一波爆发式增长，目前还在完善方案中。虽然已经有了相关政策的推动，但不少工厂依然在观望5G能给下一代工业通信网络带来怎样的影响。这在我们的调查报告中也可以看出，新兴工控与通信方案中，最吸引人的还是5G智慧工厂，占比达到了28%。

但5G工业互联网仍存在一些挑战，比如可靠性上，5G的可靠性还不能稳定维持在99.9999%以上的目标；在提高通信容量和效率上，也还是在部分区域进行试点，并没有大规模扩展。最后也是最重要的一环，就是终端支持方面，目前支持5G的工业网关、路由器设备已经开始少量出货，但终端设备仍不算多，未来参与进来的厂商数量增加、产品与技术完善程度更高，势必会带来成本的下降，促进终端普及。此外，5G技术融合后的网络安全能力尚待提升，且供应链安全还不能完全把控，尤其是5G芯片。