산업 제조 부문의 최근 발전을 바탕으로 산업 자동화 및 제어 시장은 여전히 빠른 성장 단계에 있습니다. 인건비 상승, 비용 절감 및 효율성 향상에 대한 압력, 마감일 준수에 대한 제조업체의 절실한 요구로 인해 공장 자동화 제어 기술에 대한 수요는 전례 없는 수준에 도달했습니다. Grand View Research의 통계 및 예측에 따르면, 산업 자동화 및 제어 시장의 가치는 지난해 약 1,949억 9천만 달러였으며, 이 수치는 2030년까지 3,799억 3천만 달러에 이를 것으로 예상됩니다.
중국의 산업 제어 시장이 주요 플레이어로 부상
중국의 산업 제어 시장도 큰 변화를 겪었습니다. 국가 데이터에 따르면, 중국의 산업 부문은 2023년에도 꾸준한 성장을 유지했으며 새로운 성장 동력이 가속화되었습니다. 대규모 산업 기업 중에서 장비 제조업의 부가가치는 전년 대비-6.8% 증가-했으며, 이는 대규모 산업 기업 전체 부가가치의 33.6%를 차지합니다.- 하이테크 제조업의 부가가치는 2.7% 증가하여 대규모 산업 기업 총 부가가치의 15.7%를 차지했습니다.{13}}
글로벌 시장과 국내 시장 사이에 일정한 격차가 존재하는 이유는 무엇입니까? 이는 제조업 전환 및 업그레이드에 대한 국가 정책 지원에 크게 기인합니다. 14차 5개년-개년 계획이 발표된 이후 국가는 산업 제조 부문의 변화와 업그레이드에 전례 없는 중점을 두었습니다. 제조의 핵심 경쟁력 강화라는 목표 내에서 분산 제어 시스템, 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러 등 산업용 제어 장비 개발에 중점을 두는 동시에 고급 컨트롤러 및 고정밀 서보 드라이브 시스템과 같은 구성 요소의 혁신도 달성하고 있습니다.{4}} 신에너지 차량과 같은 핫 산업의 급속한 발전은 공장의 디지털 전환을 주도했으며, 지방과 시에서는 디지털 지능형 벤치마크 시범 공장에 대한 보조금 정책을 발표했습니다.
산업 제어 업스트림, 미드스트림, 다운스트림 공급망
다음으로 산업제어의 업스트림, 미드스트림, 다운스트림 공급망을 살펴보겠습니다. 업스트림은 주로 제어/통신 칩, 설계 IP, 센서, 부품, PCB로 구성됩니다. 다양한 산업 제어 프로세스를 기반으로 하는 미드스트림은 실행 계층, 드라이브 계층, 제어 계층 및 운영 모니터링으로 구분됩니다. 실행 계층에는 제어 밸브와 모터 드라이브가 포함됩니다. 드라이브 레이어는 가변 주파수 드라이브와 서보 시스템을 포함합니다. 제어 계층은 HMI, DCS 및 PLC를 포함합니다. 운영 모니터링에는 계측기와 산업용 비전 시스템이 통합되어 있습니다. 산업 제어의 다운스트림 부문에는 3C 제조, 신에너지 차량, 에너지 저장, 서버, 석유화학, 철도 운송 등 최근 몇 년간 큰 관심을 끌었던 여러 산업을 포함하여 수많은 전문 산업이 포함됩니다.
반도체 관점에서 업스트림 산업 제어 부문은 산업용 센서, 산업용 제어 칩, 설계 IP, 산업용 FPGA 등 4가지 주요 부문으로 분류할 수 있습니다. 산업 제어 중간에 있는 인식 계층(또는 피드백 계층)의 핵심 구성 요소인 산업용 센서는 산업 프로세스를 최적화하고 자산 모니터링 및 보호를 제공하는 데 중요한 역할을 합니다. 외국 제조업체로는 ON Semiconductor, Precision Electronics, SICK, Keyence, Beckhoff, Honeywell, Omron, Datalogic 및 Leica Geosystems가 있습니다. 국내 업체로는 SmartSens, NXMicro, Cognex, Beiyang Group, XCMG, Minghao Sensing, XiaoAowei, Meixin Semiconductor 및 Feien Microelectronics가 있습니다.
산업용 제어 칩 및 모듈 분야에서는 대부분의 제조업체가 범용 MCU 개발에 중점을 두고 있습니다.- 주요 업체로는 TI, ADI, ST, Microchip, Infineon, NXP, ON Semiconductor, Renesas 등의 국제 기업과 JiHai Semiconductor, Huada, Zhongying Electronics, Xinwang Microelectronics, Fengteng Technology, Artel, Jucheng Semiconductor, Nuvoton, Vanguard, Times, Hangshun, Saiyuan, Guoguo Technology, Dongtu Technology, Zhongke Jingshang, Xinhai Technology 및 Zhaoxin.
동시에 차별화된 요구가 증가함에 따라 디자인 IP는 코어 IP와 인터페이스 IP를 모두 포괄하는 업스트림 칩 제조업체에게 없어서는 안 될 구성 요소가 되었습니다. 해외 기업으로는 Arm, Synopsys, Cadence, Imagination, Renesas, Sifive가 있고 국내 기업으로는 PingTouGe, Andes Technology, VeriSilicon 및 CanSemi가 있습니다.
마지막으로, 산업용 FPGA는 다축 고성능-서보 제어가 점점 더 중요해지고 있는 산업용 로봇 공학 및 고정밀 장비와 같이 빠르게 발전하는 분야에서 상당한 수요를 보이고 있습니다. 결과적으로 FPGA는 서보 드라이브, CNC 시스템 및 산업 자동화에 널리 배포되어 있습니다. 또한 EtherCAT 마스터 또는 슬레이브 역할과 같은 산업 통신 분야의 애플리케이션도 찾습니다. 국제 제조업체에는 AMD(Xilinx), Intel(Altera), Lattice 및 Microchip이 포함됩니다. 국내 제조사로는 Gowin Semiconductor, Anlu Technology, Unisoc 등이 있습니다.
다음으로, 산업 제어 시장의 새로운 추세를 설명하기 위해 일부 업스트림 제품을 예로 사용하겠습니다. 첫 번째는 로봇 모터 제어입니다. 로봇 모터 제어와 같은 처리 및 실시간 통신-통합이 필요한 산업용 애플리케이션은 광범위한 산업용 통신 프로토콜을 지원하는 동시에 더 높은 실시간 처리 성능을 요구합니다.- 그러나 향후 확장 및 추가 기능을 위해 충분한 성능 여유를 갖춘 MCU를 선택하는 것도 중요합니다.
이러한 통합 아키텍처 내에서 모터 제어에는 여러 축을 관리하기 위해 단일 MCU가 필요한 경우가 많습니다. 결과적으로 MCU는 EtherCAT과 같은 실시간 통신 인터페이스와 함께 R5F 또는 DSP와 같은 고성능 실시간 처리 코어를-통합해야 합니다.{4}} 다이어그램에 표시된 TI의 AM2343x 멀티-코어 산업용 MCU를 예로 들어 보겠습니다. 최대 4개의 Cortex-R5F 코어를 통합하여 로봇 공학의 다축 모터 제어를 위한 충분한 성능을 제공하는 동시에 EtherCAT과 같은 산업용 통신 프로토콜을 통한 확장도 지원합니다.
다음은 완전히 통합된 서보 제어 칩입니다. 서보 컨트롤러는 서보 모터를 조절하는 데 사용되는 장치로, 현대 모션 제어 시스템의 핵심 구성 요소 역할을 합니다. 산업용 로봇, CNC 머시닝 센터 등 자동화 장비에 널리 배치됩니다. 서보 제어 칩은 모터의 자기장 방향 제어를 제공하는 동시에 더 높은 구동 효율과 동적 성능을 추구합니다. 이 다이어그램은 브러시리스 DC 모터, 영구 자석 동기 모터, 2상 스테퍼 모터, 브러시 DC 모터 및 보이스 코일 모터에 대한 자속-지향 제어를 제공하는 TMC4671을 기반으로 하는 Shijian의 완전 통합형 서보 모터 제어 솔루션을 보여줍니다. 모든 제어 기능이 통합 ADC, 위치 센서 인터페이스 및 위치 보간기와 함께 하드웨어 내에 통합되어 있기 때문에 "완전 통합"이라고 합니다. 결과적으로 이 컨트롤러 솔루션은 다양한 서보 애플리케이션에 적합합니다.
다음으로 제어 계층의 HMI를 살펴보겠습니다. 고급-산업용 HMI를 예로 들면, 보다 복잡한 시각적 상호 작용 디자인을 가능하게 하려면 다중 디스플레이 기능, 더 높은 해상도 및 프레임 속도, 향상된 그래픽 성능에 대한 지원이 필요합니다. Xianji Semiconductor의 HPM6800 시리즈 MCU를 예로 들어 보겠습니다. 고성능 RISC-V 코어를 통합하는 것 외에도 이 칩은 VeriSilicon의 2.5D GPU IP를 통합하여 HMI 애플리케이션에 충분한 그래픽 성능을 제공합니다. 이 외에도 -비터치 음성 제어- HMI는 사전 프로그래밍된 다국어 명령 입력에 대한 지원을 요구하면서 컴팩트한 디자인을 우선시하는 경우가 많습니다. Renesas의 음성 HMI ASSP MCU인 R9A06G150은 이러한 접근 방식의 좋은 예입니다.
전반적인 시스템 최적화를 달성하는 동시에 상태 모니터링 및 진단을 개선하는 것은 오늘날 기계 시설 및 기술 시스템 사용의 핵심 과제입니다. 이 주제는 산업 환경뿐만 아니라 기계 시스템이 사용되는 모든 곳에서 점점 더 중요해지고 있습니다. 전통적으로 기계는 일정에 따라 유지관리되었으며, 유지관리가 지연되면 생산 중단 시간이 발생할 위험이 있었습니다. 오늘날 사람들은 운영 데이터를 분석하여 남은 기계 수명을 예측합니다. 온도, 소음, 진동과 같은 주요 매개변수는 기록된 데이터에서 활용되어 최적의 작동 조건과 필요한 유지보수 간격까지 결정할 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 잠재적인 문제와 근본 원인을 조기에 감지하는 동시에 불필요한 마모를 방지합니다.
마찬가지로 산업용 비전 검사용 이미지 센서도 산업 장비 분야에서 생산 효율성을 높이고 제품 수율을 보장하기 위한 수요가 증가하고 있습니다. 이러한 맥락에서 머신 비전 검사에 사용되는 이미지 센서는 가시광선을 인식할 뿐만 아니라 단파 적외선(SWIR) 스펙트럼과 같은 보이지 않는 파장의 빛을 감지하는 능력도 강화해야 합니다. Sony의 IMX992/993 이미지 센서를 예로 들어 보겠습니다. 이 제품은 3.45-미크론 픽셀을 결합하는 Sony의 독점 SenSWIR 기술을 통합합니다. IMX992는 5.32메가픽셀을 달성하여 고해상도 이미징을 구현하고 다양한 산업 검사 및 측정 응용 분야에서 정확도를 향상시킵니다.
EtherCAT과 같은 특정 산업용 통신 프로토콜에는 특수 칩이 필요한 경우가 많습니다. EtherCAT 슬레이브 컨트롤러 칩을 출시한 중국 최초의 제조업체 중 하나인 Yasin Electronics는 2019년에 AX58100을 출시했습니다. 이후 Yasin Electronics는 2/3 포트가 있는 듀얼-코어 EtherCAT 슬레이브 컨트롤러를 출시하여 더 높은 효율성을 제공하는 동시에 표준 EtherCAT 통신 프로토콜을 지원하는 모든 시스템과 상호 연결을 가능하게 했습니다. 애플리케이션에는 디지털 신호 I/O 제어, 센서 데이터 수집, 로봇 축 제어 및 EtherCAT---IO-링크 마스터 게이트웨이 기능이 포함됩니다. 오른쪽 이미지는 Chuanglong Technology가 전적으로 국내 부품을 사용하여 개발한 TL3568 산업용 코어 보드를 보여줍니다. Rockchip의 RK3568 프로세서를 기반으로 설계되었으며 EtherCAT 마스터를 구축하는 데에도 사용할 수 있습니다. EtherCAT 마스터에는 전용 칩이 필요하지 않습니다. 이는 순전히 소프트웨어로 구현될 수 있습니다. 예를 들어 EtherCAT 마스터 프로토콜을 RT-Thread에 통합하면 서보 모터 및 원격 I/O를 실시간으로-제어할 수 있습니다.
마지막으로 산업용 FPGA는 고속 병렬 처리, 풍부한 I/O 장치, 기능적 멀티플렉싱과 같은 이점을 갖춘 하드웨어 논리 구현을 제공합니다.{0} 그러나 유연한 제어와 복잡한 통신 프로토콜에는 한계가 있습니다. 이는 FPGA 아키텍처 내에 하드{3}}코어 프로세서를 통합하는 SoC FPGA로 이어집니다. 이는 시스템 전력 소비와 비용을 줄이면서 마더보드 설치 공간을 최소화합니다. 이는 하드 프로세서 에코시스템과의 호환성을 유지하면서 FPGA의 프로그래밍 가능 유연성을 유지합니다. 작년에 출시된 Anlu Technology의 SALDRAGON 시리즈 FPSoC를 예로 들어 보겠습니다. 이 제품은 듀얼-코어 Arm Cortex-A35 또는 단일{10}}코어 64-비트 RISC-V 프로세서의 선택적 통합을 제공하여 두 생태계를 모두 활용할 수 있습니다.
산업용 통신: 이더넷의 지배력은 계속해서 강화되고 있습니다.
수십 년간의 발전과 반복 끝에 산업용 통신 방법은 주로 물리적 구현을 기반으로 산업용 이더넷, 필드버스 및 산업용 무선 네트워크의 세 가지 범주로 분류됩니다. 산업용 이더넷 내에서는 이제 EtherCAT, PROFINET, EtherCAT과 같은 신기술이 지배적입니다. Fieldbus 시스템에는 PROFIBUS DP, Modbus-RTU 및 CC-Link가 포함됩니다. 산업용 네트워킹에서 최근에 등장한 산업용 무선 네트워크에는 Wi-Fi, 블루투스, 5G와 같은 잘 알려진 연결 솔루션이 포함됩니다.
HMS 통계에 따르면 산업용 이더넷은 2023년에도 신규 노드 설치를 계속해서 지배했으며, 시장 점유율은 전년도 68%에서 71%-로 12%나 크게 증가했습니다. PROFINET, EtherNet/IP 및 EtherCAT이 시장의 3대 주요 플레이어로 남아 있는 반면, PROFINET 및 EtherCAT의 인기는 꾸준히 증가하고 있습니다. 무선 연결에 비해 필드버스는 여전히 새로운 노드의 상당 부분을 차지합니다. 그러나 충분한 시장 모멘텀을 잃었으며 잘 작동하고 시간 테스트를 거친-필드버스 장치를 계속 사용하는 장비, 기계 및 공장에만 의존하고 있습니다.
무선 연결은 전반적인 안정성을 유지합니다. 완전 무선 공장에 대한 끊임없는 요구에도 불구하고 광범위한 케이블 경로 재설정의 필요성과 무선 기계 액세스 및 모바일 산업용 장비를 지원하는 환경 조성의 어려움으로 인해 채택이 여전히 제한적입니다.
산업용 버스 시장 점유율의 하락은 주로 기존 산업용 버스에 비해 산업용 이더넷이 제공하는 실질적인 이점에서 비롯됩니다. 가장 큰 이점은 속도입니다. 직렬- 기반 산업용 버스와 달리 산업용 이더넷은 100Mbps를 초과하는 훨씬 더 빠른 속도를 달성합니다. 가장 널리 사용되는 PROFIBUS 산업용 버스, 특히 공장 자동화를 위한 고속-PROFIBUS DP 변형의 구성 가능한 최대 속도는 12Mbps로 제한됩니다. 두 번째는 보다 유연한 토폴로지입니다. 복잡한 산업용 네트워크 배포의 경우 대규모 데이지-체인 구성을 사용하는 산업용 버스는 오류에 매우 취약한 네트워크를 만듭니다. 그러나 산업용 이더넷은 스타 네트워크와 같은 유연한 토폴로지를 사용하여 보다 빠르고 안정적인 산업용 네트워크를 구축합니다.
마지막으로 업계 제휴가 채택을 촉진합니다. Profinet(산업용 이더넷 분야에서 지배적임)과 Profibus(산업 버스에서 지배적임)를 예로 들어 보겠습니다. 둘 다 PI에서 홍보하고 있지만 2016년부터 Profinet은 새로운 장치 노드 설치에서 Profibus를 능가했습니다. 이제 포괄적인 브라운필드 및 그린필드 마이그레이션 솔루션을 사용할 수 있게 되면서 이러한 격차는 계속 확대되고 있습니다.
더 많은 장치, 센서 및 시스템이 산업용 네트워크에 연결됨에 따라 Wi-Fi, LoRaWAN, DECT{4}}2020 NR과 같은 기본 무선 기술을 통해 중요한 산업 데이터를 무선으로 수집하고 공유할 수 있게 되었습니다. 그러나 5G 배포와 기술 진화가 성숙해짐에 따라 산업 제조 시장은 이전에는 속도와 대기 시간에 대한 우려로 인해 산업 네트워크에서는 거의 사용되지 않았던 셀룰러 네트워크 기술에 점점 더 많은 관심을 기울이고 있습니다. 그럼에도 불구하고 산업용 무선 네트워크는 특정 가혹한 RF 환경에서 기본 솔루션으로 채택하기가 여전히 어렵습니다. 더욱이 통신 사업자가 지원하지 않는 한 5G와 같은 셀룰러 무선 네트워크는 공장 설정에서 필요한 네트워크 품질을 보장하는 데 어려움을 겪습니다.
시장 점유율 측면에서 산업용 무선 네트워크의 5G 채택은 여전히 제한적입니다. 이는 5G 산업용 무선 네트워크가 주로 완전히 연결된 5G 공장을 직접 구축하는 등 다른 네트워킹 방식과 다르게 구축되기 때문입니다. 5G+산업 인터넷 이니셔티브에 힘입어 전국 프로젝트 수가 8,000건을 넘어섰습니다. 산업정보기술부(MIIT)는 총 건설 투자액이 97억 3천만 위안에 달하는 벤치마크 프로젝트를 소개하는 "2023 5G 공장 디렉토리"를 선택하여 발표했습니다. 통신 3사는 5G 공장 산업망 직접 구축에도 적극 참여했다.
최종 생각
시장 동향에 따르면 산업 자동화 및 제어 부문은 특히 제조 변혁 및 업그레이드를 지원하는 국가 정책이 상당한 추진력을 제공한 중국에서 급속한 발전 단계에 머물고 있습니다. 둘째, 업스트림 반도체 산업의 발전에 힘입어 중국의 산업 자동화 부문은 규모 확대에서 품질 향상으로 전환하고 있습니다. 고급 산업용 제어 장비에 대한 국내 대체는 더 이상 단순한 슬로건이 아닙니다. 산업용 통신에서는 산업용 버스 시스템이 성장 문제에 직면해 있는 반면 산업용 이더넷은 교체 속도를 가속화하고 있습니다. 산업용 무선 네트워크는 전반적인 성장 둔화를 보이고 있지만, 특히 국내 시장에서 5G 공장 구축이 가속화되고 있습니다.