工業(yè)自動(dòng)化穩健增長(cháng)，ST推出一站式解決方案

當前，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成為我國新基建的重點(diǎn)之一。那么，工業(yè)市場(chǎng)的特點(diǎn)是什么，需要什么樣的芯片解決方案？

近日，意法半導體(ST)舉辦了工業(yè)自動(dòng)化線(xiàn)上發(fā)布會(huì )，亞太區功率分立和模擬產(chǎn)品部區域營(yíng)銷(xiāo)和應用副總裁Francesco MUGGERI等領(lǐng)導向電子產(chǎn)品世界等媒體分析了中國工業(yè)自動(dòng)化的特點(diǎn)，新冠疫情對工業(yè)自動(dòng)化的影響，并介紹了ST的核心競爭力，以及對于4個(gè)新增長(cháng)點(diǎn)的案例：電機的預測性維護，BLE-KNX智能照明控制，醫療超聲成像方案，低壓電機。

ST亞太區功率分立和模擬產(chǎn)品部區域營(yíng)銷(xiāo)和應用副總裁Francesco MUGGERI

1 中國的工業(yè)自動(dòng)化特點(diǎn)

雖然中國的工業(yè)自動(dòng)化起步較晚，但近年來(lái)進(jìn)程速度不斷加快。

過(guò)去，“中國制造”很大程度上是“制造”，在拉丁語(yǔ)中是手工制作的意思。中國人口眾多，加工制造速度快，人勤奮，做活好，這是中華文化的一大亮點(diǎn)。

當20世紀90年代末和21世紀初，大規模制造進(jìn)入中國時(shí)，“制造”意味著(zhù)制造業(yè)水平低下。蘋(píng)果CEO蒂姆·庫克在一次采訪(fǎng)中曾說(shuō)：“我們去中國生產(chǎn)手機不是貪圖便宜，而是只有他們才能做出這樣高質(zhì)量的手機?！边@是中國制造的優(yōu)勢所在。顯然，這家消費電子大廠(chǎng)來(lái)到中國不僅是因為產(chǎn)量，還是因為大規模、高質(zhì)量的生產(chǎn)能力。西方國家還不清楚中國的自動(dòng)化，甚至在中國也看不全整體情況。但是，如果去看過(guò)海爾和奧克斯等家電生產(chǎn)線(xiàn)，會(huì )驚訝地發(fā)現那里的技術(shù)水平非常高，已經(jīng)實(shí)現了很多自動(dòng)化。

現在也有一些中國公司在投資工廠(chǎng)自動(dòng)化，例如，蘇州匯川是中國一家主要的工廠(chǎng)自動(dòng)化投資公司。實(shí)際上，中國的自動(dòng)化投資非常大，在此不落后。中國只是整體制造水平不如發(fā)達國家先進(jìn)；但是，在某些自動(dòng)化領(lǐng)域，中國是非常出色、先進(jìn)的。 

中國需要解決的另一個(gè)問(wèn)題是技術(shù)標準。當涉及規范標準時(shí)，在中國，ST支持IO-Link和KNX等歐洲標準。在標準方面，建議中國走得更快一些。ST準備并愿意參與這些標準的制定工作，以滿(mǎn)足中國工業(yè)的嚴格要求。

中國在自動(dòng)化領(lǐng)域中更先進(jìn)的方面，得益于中國采集人像的靈活性，公安系統在人臉識別、跟蹤周?chē)撕妥R別周?chē)劬Φ哪芰Ψ矫娣浅Ｏ冗M(jìn)，這在中國是非常容易實(shí)現的。因此，中國擁有非常先進(jìn)的樓宇安全監控系統。而這些在其他國家很難做到。這是中國的要素之一。

2   新冠疫情對工業(yè)自動(dòng)化的影響

自動(dòng)化市場(chǎng)有兩大特點(diǎn)。首先，自動(dòng)化是對技術(shù)水平要求很高的市場(chǎng)，客戶(hù)和技術(shù)開(kāi)發(fā)機構在此投入很大。其次，該市場(chǎng)是遞增式增長(cháng)，據Industrial Semiconductor Market Tracker 2019年第4季度的預測，從2019—2023年，復合年增長(cháng)率將達到8％（如下圖）。

近期發(fā)生的新冠肺炎疫情沒(méi)有導致市場(chǎng)需求增長(cháng)完全放慢，或許需求出現了差異化，但依然保持強勁的增長(cháng)勢頭；而且，在某些應用中，市場(chǎng)需求正在加速。例如，在疫情期間，很多公司改造生產(chǎn)線(xiàn)快速轉產(chǎn)口罩，如果你有一條服裝生產(chǎn)線(xiàn)，要想升級改造設備，需要改變的地方很多，包括使用不同種類(lèi)的傳感器和工序。ST收到了市場(chǎng)對定制化的巨大需求以及在新產(chǎn)品中增加這些執行單元的需求。另外，不僅在口罩制造上，在呼吸機生產(chǎn)和氧氣水平檢測方面，也需要有更快的轉產(chǎn)能力，這些都是推動(dòng)某些市場(chǎng)增長(cháng)的要素。

當然，我們也看到其他經(jīng)濟領(lǐng)域的發(fā)展放緩，特別是與出口有關(guān)的行業(yè)，這是因為交通運輸不暢所致。

但是，總體來(lái)看，ST收到了越來(lái)越多的市場(chǎng)需求?？梢钥闯?，在新冠肺炎疫情持續時(shí)，更需要進(jìn)一步地發(fā)展工業(yè)/制造業(yè)來(lái)推進(jìn)工業(yè)4.0/工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。因此，市場(chǎng)對支持這種先進(jìn)工業(yè)化的需求很高。

ST亞洲區的工業(yè)市場(chǎng)的目標是專(zhuān)注于三大應用領(lǐng)域：自動(dòng)化，電機控制，電力和能源。這些市場(chǎng)趨勢如下。

●   在制造和加工方面，亞洲TAM（整體目標市場(chǎng)）體量非常大，高達31億美元。在樓宇及家居控制方面，亞洲TAM市場(chǎng)規模約12億美元。

●   電機控制市場(chǎng)的需求量很大，每種產(chǎn)品的平均售價(jià)都很高。電機模塊是一個(gè)大市場(chǎng)。在電機控制方面，樓房暖通風(fēng)空調（HVAC）系統有很大的需求。另一大需求來(lái)自差異化智能，這意味著(zhù)隨著(zhù)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)自動(dòng)化推進(jìn)，MCU市場(chǎng)將快速增長(cháng)。因為需要越來(lái)越多的節點(diǎn)，每個(gè)節點(diǎn)都需要MCU。

●   在電力和能源市場(chǎng)，ST看好所有電源市場(chǎng)，特別是采用GaN新技術(shù)的電源產(chǎn)品。隨著(zhù)SiC這種新技術(shù)的出現，預計GaN（開(kāi)關(guān)器件）在未來(lái)幾年后將會(huì )大幅增長(cháng)，諸如適配器、充電器等細分市場(chǎng)。另外，新能源的需求將成為推動(dòng)工業(yè)發(fā)展的動(dòng)能之一。 

3   ST的核心競爭力

ST有很多基于芯片的工業(yè)自動(dòng)化解決方案。相比友商，ST的核心競爭力有如下幾點(diǎn)。  

1）有廣泛的產(chǎn)品技術(shù)組合。ST有眾多產(chǎn)品，從無(wú)線(xiàn)連接、無(wú)線(xiàn)充電，到ViperPlus電源管理產(chǎn)品，再到STPOWER碳化硅產(chǎn)品和STM32微控制器(MCU)，還有STSPIN、SPIRIT、無(wú)線(xiàn)通信和安全芯片。

2）ST強大的技術(shù)背景。ST掌握所有芯片的制造技術(shù)，其中一些是ST專(zhuān)有的技術(shù)，包括BCD、SiC和BLDC。此外，ST在研發(fā)上投入很大，有很多自主知識產(chǎn)權。

3）深耕工業(yè)市場(chǎng)30多年。30多年來(lái)，ST在電表市場(chǎng)一直非常成功。在電機控制市場(chǎng)，產(chǎn)品銷(xiāo)量已經(jīng)超過(guò)30億個(gè)，這意味著(zhù)ST有豐富的經(jīng)驗。

4）與市場(chǎng)龍頭企業(yè)有長(cháng)期的合作。如果你不可靠，客戶(hù)遲早會(huì )離開(kāi)?？梢?jiàn)ST是家靠譜的供應商。

4   預測性維護的機會(huì )與方案

在工業(yè)自動(dòng)化方面，ST有一個(gè)自動(dòng)化技術(shù)創(chuàng )新中心。此次分享2個(gè)自動(dòng)化解決方案，一個(gè)是狀態(tài)監測和預測性維護，另一個(gè)是BLE-KNX智能照明控制（下一節介紹）。

狀態(tài)監測和預測性維護。預測性維護對于工業(yè)4.0非常重要。①可以預見(jiàn)潛在的故障或生產(chǎn)線(xiàn)停產(chǎn)，使突發(fā)故障率（如生產(chǎn)線(xiàn)突然停機）降低70％，停機時(shí)間減少50％，這意味著(zhù)不會(huì )有很多的閑置產(chǎn)能，可以降低成本。據測算，早期故障檢測可以節省30％的成本，例如，如果及早發(fā)現洗衣機的皮帶老化，只需花費0.5美元更換皮帶即可；但如果一直等到洗衣機壞了或發(fā)出奇怪的聲音才發(fā)現，就不得不更換電動(dòng)機主軸，這可能需要花費幾百塊美元。所以，提前檢測到故障可以節省一大開(kāi)銷(xiāo)，而且比設備的定期保養成本將低很多。②預測性維護還能減少人身安全事故。

ST的預測性維護解決方案和生態(tài)系統涵蓋了設計人員的各種需求，包括連接模塊、感測模塊、處理模塊和安全模塊。這些模塊甚至可以部署在原來(lái)的系統中。

除了硬件系統外，軟件算法可能更加關(guān)鍵。在軟件算法方面，ST提供了多種軟件算法來(lái)支持不同的傳感器，并可以與強大的STM32 Cube.AI人工智能生態(tài)系統配合使用。

再有，ST還與合作伙伴合作，以支持預測性維護應用發(fā)展。

ST有3種解決方案。

1）STEVAL-IDP004和BFA001是IO-link通訊解決方案，一個(gè)是IO-link 主站，另一個(gè)則是接收器。IO-link是一種無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，可以無(wú)縫地傳輸數據，且沒(méi)有錯誤數據。傳感器數據送到MCU進(jìn)行邊緣計算處理，然后送到主板，主計算單元接收并共享數據。在這里，我們執行第二層邊緣計算。

2）STWIN解決方案。該方案首次啟用無(wú)線(xiàn)工業(yè)通信技術(shù)?？梢詸z測到振動(dòng)（注：振動(dòng)是故障的主要癥狀，過(guò)熱和磁感應是故障的其他主要癥狀）。ST已經(jīng)優(yōu)化了工業(yè)M12連接器，并且有專(zhuān)門(mén)的算法。ST能利用專(zhuān)業(yè)知識定制解決方案，并根據客戶(hù)的生產(chǎn)線(xiàn)需求優(yōu)化解決方案。

具體地，STEVAL-STWINKT1是一款工業(yè)級傳感器的解決方案，用于超聲波檢測、分析機械振動(dòng)。它不僅有傳感器的檢測功能，還有數據處理、分析能力。ST可以提供一站式的產(chǎn)品(如下圖)，例如在振動(dòng)監測方面，有MEMS傳感器。對于信號調理，ST提供各種模擬設備和接口。數據處理方面，有STM32系列MCU。為了實(shí)現安全的電源管理，ST提供了電源管理芯片和分立器件，例如STPMIC1芯片，以及分立MOSFET開(kāi)關(guān)管。對于設備連接，ST有電力線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)品。ST也有安全連接技術(shù)。

另外，ST不僅有產(chǎn)品，還有整個(gè)配套的生態(tài)系統。該解決方案用到了STM32 Cube.AI支持STM32，且STM32 Cube.AI兼容市場(chǎng)上所有軟件標準的數據庫或軟件庫，例如Caffe, TensorFlowLite, ONNX, PyTorch。顯然，ST不僅提供產(chǎn)品，而且還提供數據分析生態(tài)系統。借助ST的軟件庫，你可以支持計算機視覺(jué)，實(shí)現復雜的音頻，滿(mǎn)足所有狀態(tài)監測需求。所以能按照客戶(hù)的需求提供定制化的產(chǎn)品，這離不開(kāi)ST強大的生態(tài)系統。

5   BLE-KNX智能照明控制

KNX是智能家居的通信協(xié)議。例如，現在人們試圖在房屋和樓房?jì)蠕佋O新線(xiàn)來(lái)供電，那么可否用已有的電力線(xiàn)來(lái)給建筑物和房屋分配電力？為了實(shí)現這種方法，需要使每個(gè)設備有智能開(kāi)關(guān)功能，然后將它們連接到集中式的智能系統。

有時(shí)大樓中不同辦公室之間的線(xiàn)路會(huì )中斷，這會(huì )對電力供應造成困擾。針對這種現象，無(wú)線(xiàn)通信可謂一種解決辦法。ST已經(jīng)在無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)品中集成了有相同KNX協(xié)議的系統，所以，KNX評估板、LED評估板、BLE評估板可以堆疊起來(lái)，組裝成一個(gè)新的Nucleo電路板（如下圖），整合成一個(gè)更復雜的優(yōu)化解決方案。

可見(jiàn)，ST的解決方案能建立有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信，以及設備與主系統通信，特別是家庭自動(dòng)化系統，可以與蘋(píng)果和安卓設備通信。

KNX協(xié)議的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠集成到家庭和辦公室環(huán)境現有IT基礎設施和網(wǎng)絡(luò )中。ST通過(guò)引入智能控件來(lái)降低能耗，能夠讓暖通空調系統（HVAC）、照明系統、通風(fēng)系統實(shí)現智能化和自動(dòng)化，例如在需要遮陽(yáng)時(shí)自動(dòng)關(guān)閉卷簾窗，當房間沒(méi)有人時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉通風(fēng)系統中的風(fēng)扇。

在這個(gè)解決方案中有ST的很多無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品：有Bluetooth 5認證產(chǎn)品——內置STM32的BlueNRG產(chǎn)品；STM32 MCU可以連接任何主要的移動(dòng)平臺，兼容Zigbee, Thread, Bluetooth等系統。

如果擔心樓房或房屋的解決方案僅僅是短期投資，這大可放心，因為ST提供10年的產(chǎn)品生命周期保障。

6 醫療超聲成像方案

在當下新冠疫情時(shí)期，醫療具有非凡的意義。

ST帶來(lái)了超聲成像解決方案，提供多個(gè)超聲演示板。在歐美亞市場(chǎng)，ST正在為一些大公司提供產(chǎn)品，以支持先進(jìn)的超聲成像設備。ST電路板中有很多ST的芯片，例如STM32 MCU，STHV系列4通道、8通道、16通道超聲波激勵發(fā)生器，STHV64SW 64通道超聲波激勵發(fā)生器及雙向功率復用器。這些板卡的主要功能包括USB接口（用于連接STM32和 PC機，在圖形用戶(hù)界面（GUI）軟件上開(kāi)發(fā)應用），和可滿(mǎn)足客戶(hù)開(kāi)發(fā)最先進(jìn)的系統要求的更大容量的閃存和負載模擬器。           

ST有豐富的醫療產(chǎn)品組合。對于數據采集，ST有傳感器。針對數據處理，有功能強大的MCU，以及AI技術(shù)。對于電機控制，有電機驅動(dòng)產(chǎn)品系列。

最重要的是，ST也有數據安全技術(shù)。在人身安全和健康方面，除了必須確保人身安全，還必須保護個(gè)人的信息安全。ST提供STSAFE安全解決方案，其中包括唯一設備ID碼、數字簽名和加密算法。對于網(wǎng)絡(luò )連接，ST提供有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)，用于醫學(xué)影像、超聲診斷、能量收集和神經(jīng)刺激器、無(wú)損檢測、心電圖 (ECG)、光電容積脈搏波 (PPG)、皮膚電反應（GSR）、生物阻抗功能、血氧飽和度測試、呼吸頻率和體溫測量等應用。

值得一提的是，在工業(yè)市場(chǎng)上，STM32G4是ST主推的新一代MCU，優(yōu)勢是計算性能高，集成豐富的模擬和數字外設，體積緊湊，集成度高，例如，帶有可接收信號的數字比較器、213DMIPS 和550 CoreMark? 的性能測試成績(jì)、自帶硬件過(guò)采樣的12位ADC 4Msps和USB type-C供電功能。

7   低壓電動(dòng)控制

適合對功率要求很高的電池供電設備。其應用范圍很廣，例如智能割草機。在倉儲物流自動(dòng)化方面，需要大量的機器人搬運倉庫中的貨物，這也需要大量的供電。

在ST的解決方案里用到了很多ST的組件。例如，如果需要電擊和ESD防護，ST可提供STPROTECT產(chǎn)品。此外，ST也有各種功率器件，例如STPOWER、STSPIN電機驅動(dòng)芯片，以及STM32系列MCU及生態(tài)系統。

現在已經(jīng)有3種套件在市面銷(xiāo)售，可用于醫療設備、伺服模塊和電動(dòng)工具，相關(guān)產(chǎn)品組合非常廣泛。例如，對于工廠(chǎng)自動(dòng)化，下圖所示的是一種機器設計規范，需要電機并行運轉，以確保線(xiàn)程的運動(dòng)速度相同。因此，同時(shí)管理控制多臺電機運轉，需要高性能的低壓電機控制解決方案，ST擁有可以創(chuàng )建高精度雙電機控制解決方案的產(chǎn)品和解決方案，并且還提供配套的硬件和固件。

以電動(dòng)園林工具為例，STSPIN32F0xx能夠驅動(dòng)最高達36 V的電池供電設備。ST有36V到60 V的高壓驅動(dòng)解決方案，并提供STSPIN芯片和低壓電機驅動(dòng)板，以滿(mǎn)足不同的市場(chǎng)需求。

ST有不同的產(chǎn)品組合，以滿(mǎn)足客戶(hù)的不同需求。如下圖，這些方框都代表了可能的解決方案。當客戶(hù)對設計靈活性有很高要求時(shí)，ST有分立的解決方案；當客戶(hù)對可靠性和緊湊性有很高要求時(shí)，也許會(huì )需要全集成的解決方案或系統芯片。實(shí)際上，每類(lèi)系統架構ST都可以定制，以滿(mǎn)足不同的客戶(hù)需求。

關(guān)于功率器件，特別提到ST的低壓MOSFET產(chǎn)品組合。例如，處于技術(shù)創(chuàng )新前沿的STripFET F7?？蛻?hù)需要魯棒性和高功率能力，STripFET F7中采用了先進(jìn)技術(shù)，可提供40V、60V、80V和100V版本和多種封裝可選。

8 小結

工業(yè)是穩健增長(cháng)的市場(chǎng)。

ST可為客戶(hù)提供一站式服務(wù)。因為ST擁有先進(jìn)的自動(dòng)化解決方案、廣泛的產(chǎn)品組合，以及分析算法、軟件和固件解決方案。

ST有AI、狀態(tài)監測和預測性維護解決方案，通過(guò)BLE-KNX等通信技術(shù)收集并解釋傳感器數據。

ST的醫學(xué)成像解決方案在市場(chǎng)上很成功。

ST提供低壓電機控制解決方案，可用于醫療、電動(dòng)工具和園林工具市場(chǎng)。