工業自動化穩健增長，ST推出一站式解決方案

當前，工業互聯網成為我國新基建的重點之一。那么，工業市場的特點是什么，需要什么樣的芯片解決方案？

近日，意法半導體(ST)舉辦了工業自動化線上發布會，亞太區功率分立和模擬產品部區域營銷和應用副總裁Francesco MUGGERI等領導向電子產品世界等媒體分析了中國工業自動化的特點，新冠疫情對工業自動化的影響，并介紹了ST的核心競爭力，以及對于4個新增長點的案例：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品部區域營銷和應用副總裁Francesco MUGGERI

1 中國的工業自動化特點

雖然中國的工業自動化起步較晚，但近年來進程速度不斷加快。

過去，“中國制造”很大程度上是“制造”，在拉丁語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。

當20世紀90年代末和21世紀初，大規模制造進入中國時，“制造”意味著制造業水平低下。蘋果CEO蒂姆·庫克在一次采訪中曾說：“我們去中國生產手機不是貪圖便宜，而是只有他們才能做出這樣高質量的手機?！边@是中國制造的優勢所在。顯然，這家消費電子大廠來到中國不僅是因為產量，還是因為大規模、高質量的生產能力。西方國家還不清楚中國的自動化，甚至在中國也看不全整體情況。但是，如果去看過海爾和奧克斯等家電生產線，會驚訝地發現那里的技術水平非常高，已經實現了很多自動化。

現在也有一些中國公司在投資工廠自動化，例如，蘇州匯川是中國一家主要的工廠自動化投資公司。實際上，中國的自動化投資非常大，在此不落后。中國只是整體制造水平不如發達國家先進；但是，在某些自動化領域，中國是非常出色、先進的。 

中國需要解決的另一個問題是技術標準。當涉及規范標準時，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，以滿足中國工業的嚴格要求。

中國在自動化領域中更先進的方面，得益于中國采集人像的靈活性，公安系統在人臉識別、跟蹤周圍人和識別周圍眼睛的能力方面非常先進，這在中國是非常容易實現的。因此，中國擁有非常先進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   新冠疫情對工業自動化的影響

自動化市場有兩大特點。首先，自動化是對技術水平要求很高的市場，客戶和技術開發機構在此投入很大。其次，該市場是遞增式增長，據Industrial Semiconductor Market Tracker 2019年第4季度的預測，從2019—2023年，復合年增長率將達到8％（如下圖）。

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

當然，我們也看到其他經濟領域的發展放緩，特別是與出口有關的行業，這是因為交通運輸不暢所致。

但是，總體來看，ST收到了越來越多的市場需求?？梢钥闯?，在新冠肺炎疫情持續時，更需要進一步地發展工業/制造業來推進工業4.0/工業互聯網。因此，市場對支持這種先進工業化的需求很高。

ST亞洲區的工業市場的目標是專注于三大應用領域：自動化，電機控制，電力和能源。這些市場趨勢如下。

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

●   電機控制市場的需求量很大，每種產品的平均售價都很高。電機模塊是一個大市場。在電機控制方面，樓房暖通風空調（HVAC）系統有很大的需求。另一大需求來自差異化智能，這意味著隨著工業物聯網和工業自動化推進，MCU市場將快速增長。因為需要越來越多的節點，每個節點都需要MCU。

●   在電力和能源市場，ST看好所有電源市場，特別是采用GaN新技術的電源產品。隨著SiC這種新技術的出現，預計GaN（開關器件）在未來幾年后將會大幅增長，諸如適配器、充電器等細分市場。另外，新能源的需求將成為推動工業發展的動能之一。 

3   ST的核心競爭力

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

1）有廣泛的產品技術組合。ST有眾多產品，從無線連接、無線充電，到ViperPlus電源管理產品，再到STPOWER碳化硅產品和STM32微控制器(MCU)，還有STSPIN、SPIRIT、無線通信和安全芯片。

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

3）深耕工業市場30多年。30多年來，ST在電表市場一直非常成功。在電機控制市場，產品銷量已經超過30億個，這意味著ST有豐富的經驗。

4）與市場龍頭企業有長期的合作。如果你不可靠，客戶遲早會離開?？梢奡T是家靠譜的供應商。

4   預測性維護的機會與方案

在工業自動化方面，ST有一個自動化技術創新中心。此次分享2個自動化解決方案，一個是狀態監測和預測性維護，另一個是BLE-KNX智能照明控制（下一節介紹）。

狀態監測和預測性維護。預測性維護對于工業4.0非常重要。①可以預見潛在的故障或生產線停產，使突發故障率（如生產線突然停機）降低70％，停機時間減少50％，這意味著不會有很多的閑置產能，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出奇怪的聲音才發現，就不得不更換電動機主軸，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銷，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的系統中。

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

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，一個是IO-link 主站，另一個則是接收器。IO-link是一種無線通信協議，可以無縫地傳輸數據，且沒有錯誤數據。傳感器數據送到MCU進行邊緣計算處理，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。該方案首次啟用無線工業通信技術?？梢詸z測到振動（注：振動是故障的主要癥狀，過熱和磁感應是故障的其他主要癥狀）。ST已經優化了工業M12連接器，并且有專門的算法。ST能利用專業知識定制解決方案，并根據客戶的生產線需求優化解決方案。

具體地，STEVAL-STWINKT1是一款工業級傳感器的解決方案，用于超聲波檢測、分析機械振動。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品(如下圖)，例如在振動監測方面，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開關管。對于設備連接，ST有電力線和無線通信產品。ST也有安全連接技術。

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

5   BLE-KNX智能照明控制

KNX是智能家居的通信協議。例如，現在人們試圖在房屋和樓房內鋪設新線來供電，那么可否用已有的電力線來給建筑物和房屋分配電力？為了實現這種方法，需要使每個設備有智能開關功能，然后將它們連接到集中式的智能系統。

有時大樓中不同辦公室之間的線路會中斷，這會對電力供應造成困擾。針對這種現象，無線通信可謂一種解決辦法。ST已經在無線通信產品中集成了有相同KNX協議的系統，所以，KNX評估板、LED評估板、BLE評估板可以堆疊起來，組裝成一個新的Nucleo電路板（如下圖），整合成一個更復雜的優化解決方案。

可見，ST的解決方案能建立有線和無線通信，以及設備與主系統通信，特別是家庭自動化系統，可以與蘋果和安卓設備通信。

KNX協議的主要優點是能夠集成到家庭和辦公室環境現有IT基礎設施和網絡中。ST通過引入智能控件來降低能耗，能夠讓暖通空調系統（HVAC）、照明系統、通風系統實現智能化和自動化，例如在需要遮陽時自動關閉卷簾窗，當房間沒有人時，自動關閉通風系統中的風扇。

在這個解決方案中有ST的很多無線產品：有Bluetooth 5認證產品——內置STM32的BlueNRG產品；STM32 MCU可以連接任何主要的移動平臺，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年的產品生命周期保障。

6 醫療超聲成像方案

在當下新冠疫情時期，醫療具有非凡的意義。

ST帶來了超聲成像解決方案，提供多個超聲演示板。在歐美亞市場，ST正在為一些大公司提供產品，以支持先進的超聲成像設備。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通道超聲波激勵發生器，STHV64SW 64通道超聲波激勵發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，在圖形用戶界面（GUI）軟件上開發應用），和可滿足客戶開發最先進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。對于電機控制，有電機驅動產品系列。

最重要的是，ST也有數據安全技術。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。對于網絡連接，ST提供有線和無線連接技術，用于醫學影像、超聲診斷、能量收集和神經刺激器、無損檢測、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，在工業市場上，STM32G4是ST主推的新一代MCU，優勢是計算性能高，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、自帶硬件過采樣的12位ADC 4Msps和USB type-C供電功能。

7   低壓電動控制

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產品。此外，ST也有各種功率器件，例如STPOWER、STSPIN電機驅動芯片，以及STM32系列MCU及生態系統。

現在已經有3種套件在市面銷售，可用于醫療設備、伺服模塊和電動工具，相關產品組合非常廣泛。例如，對于工廠自動化，下圖所示的是一種機器設計規范，需要電機并行運轉，以確保線程的運動速度相同。因此，同時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擁有可以創建高精度雙電機控制解決方案的產品和解決方案，并且還提供配套的硬件和固件。

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

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

關于功率器件，特別提到ST的低壓MOSFET產品組合。例如，處于技術創新前沿的STripFET F7?？蛻粜枰敯粜院透吖β誓芰?，STripFET F7中采用了先進技術，可提供40V、60V、80V和100V版本和多種封裝可選。

8 小結

工業是穩健增長的市場。

ST可為客戶提供一站式服務。因為ST擁有先進的自動化解決方案、廣泛的產品組合，以及分析算法、軟件和固件解決方案。

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

ST的醫學成像解決方案在市場上很成功。

ST提供低壓電機控制解決方案，可用于醫療、電動工具和園林工具市場。