2021年中国工控自动化行业概览

来源: 科学放大镜

工控自动化综述——定义及发展历程

  工控自动化是指以自动化的方式实现工业控制，起源于解决生产中的实际问题，经二战后蓬勃发展，结合新理论及技术，可实现制造业降本增效。

工控自动化自20世纪初萌芽，已有百年以上历史。

  1935年前工控自动化起初应用于调整风车磨盘间隙，随后作为伺服系统前身发动力辅助器应用于船只。世界进入“电气时代”后，继电器和闭环分析相继诞生。

  这一阶段的工控自动化偏向于定性分析，系统可靠性和安全性低，对外部工程师依赖程度高 。

  1935-1950年，美国电话电报公司发明通信系统，建设者铸铁公司创造出控制理论，福克斯波罗公司生产出可用于反馈回路控制的比例积分控制器，工业控制系统模拟方法随“框图”概念而诞生，第二次世界大战期间，各国家着力解决军事中的控制问题，促使工业控制理论和技术蓬勃发展。

  1951-2014年，离散式控制系统和网络技术飞速发展。2015年后，人工智能与机器学习理论发展促使新技术诞生，分布式智能生产系统可满足生产自动化以外的需求，实现制造业降本增效，促使工业4.0落地。

  工控自动化综述——图谱

  工控自动化包括控制层、驱动层和执行层三个层次，驱动层将控制层与执行层连接起来，控制层发出指令后最终传导至执行层的步进与伺服系统

工控自动化综述——政策解析工信部、国务院、发改委和财政部颁布多项政策，加快推进传统制造业的智能转型，鼓励支持工业企业向智能、安全、绿色方向发展，利好工控自动化行业发展

  智能制造的实现与否依赖于工控自动化水平的高低，工控自动化程度是国家工业化发展水平的标志，人均生产总值越高，对工控自动化程度的要求也越高。

  工控自动化行业受国家产业政策的鼓励和支持，可有效对工控自动化市场参与者生产经营和发展战略进行监督和管理，同时有助于其制定未来发展规划

  工信部、国务院、发改委和财政部颁布多项政策，加快推进传统制造业的智能转型，鼓励支持工业企业向智能、安全、绿色方向发展，利好工控自动化行业发展

  控制层分析——PLC（1/3）

  PLC是自动化机械控制的核心，随中国制造业的持续复苏和转型升级的加快，工业自动化水平将持续提升，预计PLC市场规模将持续增长

  PLC是针对工业生产的可编程逻辑控制器，也是自动化机械控制的核心，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令。

  PLC通过输入接口与输出接口控制各类机械或生产过程，PLC内部电源可驱动按钮开关、行程开关、继电器触点和传感器，CPU与输入接口、存储器和输出接口相连，PLC接受可外部编程器的编程指令。

  PLC按输入、输出点数可分为小（256点以下）、中（256-2,048点）及大型PLC （2,048点以上）

  中国PLC市场规模约百亿，呈现稳步增长态势，由于下游应用领域存在周期性，PLC市场规模亦随之波动。

  中国PLC市场中OEM和项目型需求各自占比约50%，其中项目型市场包括冶金、汽车、轨道交通、市政等领域，与宏观经济环境的关联度高；OEM市场包括纺织、机械和机床等，亦具有周期性。

  随中国制造业的持续复苏和转型升级的加快，工业自动化水平将持续提升，PLC在工业生产中的应用愈发广泛，预计PLC市场规模将持续增长。

  控制层分析——PLC（2/3）

  中大型PLC的行业集中度高于小型PLC，截至2021年二者国产化率均不高，中大型PLC竞争壁垒更高，随技术升级与研发投入增加，中国厂商有望在未来占据更多市场份额

  2019年中国小型PLC竞争格局如上图所示，CR8包括西门子、三菱、信捷、欧姆龙、 施耐德、台达、罗克韦尔和松下，其中CR2超过50%，且均为国际厂商，中国信捷与日本欧姆龙并列第三，市场份额占9%。

  2019年中国小型PLC集中度较高，但CR8中仅存在2家中国厂商，信捷与台达的市场份额合计占12%（信捷为中国大陆厂商、台达为中国台湾厂商），其余6家均为国际厂商，小型PLC国产化率较低。

  德系及日系供应商在小型PLC市场表现强势，国产小型PLC份额有待提升。

  2019年中国中大型PLC竞争格局如上图所示，CR6包括西门子、三菱、罗克韦尔、施耐德、欧姆龙和台达，排名第一的西门子独占市场份额已超50%。

  2019年中国中大型PLC相比小型PLC集中度进一步提升，CR6中不存在中国大陆厂商，仅存台达1家中国台湾厂商，国际厂商在中大型PLC市场中占垄断地位。

  中大型PLC主要用于冶金、电力和交通等领域，相比小型PLC对可靠性、安全性和抗干扰性要求更高，竞争壁垒更高。随技术升级与研发投入增加，中国厂商有望在未来占据更多市场份额，中大型PLC发展潜力大

  控制层分析——PLC（3/3）

  中国小型PLC市场主要参与者中，包括信捷、台达和汇川在内的中国品牌各具优势，主流参数与国际品牌差异不大，但深度工艺积累仍有提升空间

  如上图所示，选取中国小型PLC市场主要参与者产品进行对比：I/O点数为32的产品最多，竞争最激烈；三菱和汇川的拓展模块最多，实用性强，松下不支持拓展模块，并且在所对比的品牌中仅三菱和汇川具备4通道脉冲输出；信捷的通讯协议支持以太、无线和蓝牙三种方式，在所有品牌中兼容性最广泛；施耐德的小型PLC程序容量最高。

  包括信捷、台达和汇川在内的中国品牌各具优势，主流参数（扩展模块、通讯协议等）与国际品牌差异不大，但深度工艺积累仍有提升空间。

  控制层分析——DCS（1/3）

  流程工业对各环节生产稳定运行要求高，而DCS是流程工业的大脑，其下游应用集中度高，化工及电力合计市场占比超过60%

  DCS是流程工业的大脑，由输入输出模块、通信模块、控制器和人机界面组成，在控制器和现场设备的基础上汇集工艺信号至系统中，由操作站进行监视或控制操作。分散控制、集中操作和分级管理是其主要特征。

  DCS产品由板卡、机柜和外设组成，其原材料为电子元器件、计算机及配件、钣金件及配件、端子板、开关电源和线缆。

  DCS上游为电子、电气设备和机械设备，经中游加工集成后，可广泛应用于建材、冶金、造纸和市政等多个方向。

  流程工业涉及能源与原材料工业，其生产规模大、能耗物耗多、危险系数高且流程复杂，但由于其自动化程度较高且过程连续，对各环节生产稳定运行要求高，因此DCS是流程工业实现智能制造的重要基础。

  DCS下游应用集中度高，化工及电力合计市场占比超过60%，而化工、电力、石化三者合计市场占比高达80.7%，其中化工行业为2019年DCS第一大市场，市场规模为32.3亿元，电力行业的DCS市场规模21.3亿元，石化行业的DCS市场规模为17.0亿元。

  控制层分析——DCS（2/3）

  与PLC相比，中国DCS市场集中度稍低，国产化率则较高，市占率排名第一的中控技术其市场份额由2011年的13.0%增长至2019年的27.0%，预计未来将继续增加

  2019年中国DCS市场格局如上图，CR9中智深控制、和利时及中控技术均为中国厂 商，其市场占比合计45%

  与PLC相比，中国DCS市场集中度稍低，但国产化率显著高于PLC，且市占率排名第一的中控技术为中国厂商，比排名第二的艾默生市占率高11%。

  中国DCS市场已进入相对稳定和成熟的时期，且本土厂商强势，由于DCS市场受众以大项目为主，存在规模效应，未来中国厂商将进出进一步替代国际厂商

  2019年中控技术在中国DCS市场中市占率排名第一，其2011-2019年之间的市场份额变动如上图。

  中控技术主要竞争对手和利时在DCS的优势市场为电力市场，与中控技术属差异化竞争，其他国际厂商在中国市场定位高端，应用于大型石化、电力和冶金项目。DCS下游应用存在周期性，中国厂商自中低端发力至高端市场，逐步实现进口替代。中控技术市占率由2011年的13.0%增长至2019年的27.0%，预计未来其市场份额将继续增加

  控制层分析——DCS（3/3）

  中国DCS市场规模由2016年的60.5亿元增长至2019年的87.4亿元，在上游产能增加、存量售后服务增加、研发投入加大及产品智能化等因素驱动下，DCS量价齐升，其市场规模将继续增长。

  上图为量价齐升驱动下中国DCS市场规模，受增量市场前景广阔及存量市场潜力巨大 影响，中国DCS销量持续增长，受产品标准提升及高端化产品占比增加影响，中国 DCS售价有望提高。

  中国DCS市场规模由 2016年的60.5亿元增长至2019年的87.4亿元，在上游产能增加、存量售后服务增加、研发投入加大及产品智能化等因素驱动下，预计中国DCS市场规模将继续增长

  控制层分析——通用运动控制器

  中国通用运动控制器市场规模由2014年的4.1亿元增长至2019年的7.2亿元，其高端产品由美国泰道、翠欧等国际厂商供应，但中国厂商逐步向中高端发力，综合来看国际厂商市场份额呈现收缩态势

  通用运动控制器作为步进系统和伺服系统的控制装置，其市场规模受步进系统和伺服系统的影响，二者的快速增长带动通用运动控制器市场规模不断扩大。

  中国通用运动控制器市场规模由2014年的4.1亿元增长至2019年的7.2亿元，受制造强国需求端刺激，预计中国通用运动控制器市场规模未来仍将保持增长。

  通用运动控制跨界融合趋势带来的运动控制型PLC、Softmotion软件、PAC等实现形式，将进一步提升整个通用运动控制器市场规模

  控制器起连接操作人员与伺服系统的作用，其主要任务是通过计算每个预定运动的轨迹，形成控制参数，向伺服系统发出运动指令，同时监测传感器传输的反馈信号并及时调整，保证运动控制系统能够正确运行。

  中国通用运动控制器市场格局如上图，国际厂商专注高端市场、中国厂商则占据中低端市场，市占率排名第一与第二均为中国厂商，且合计占比超过59%。

  通用控制器高端产品由美国泰道、翠欧等国际厂商供应，但中国厂商注重加大研发投入，逐步向中高端发力，综合来看国际厂商市场份额呈现收缩态势。

  驱动层分析——变频器

  中国变频器市场规模由2012年的220.5亿元增长至2019年的242.0亿元，占比最高的低压变频器市场中欧美系厂商占主导地位，国产化率有待提高。

  变频器市场根据变频器电压等级可以分为低压变频器(LVD)和中高压变频器(MVD)， 其中低压变频器应用范围包括电梯、空调、起重机械及纺织机械等行业，中高压变频器应用范围包括冶金、电力、石化、采矿、发电厂及污水处理等。

  变频器市场规模整体变化幅度有限，与宏观经济的周期有一定相关性。随中国工业生产规模的不断扩大，变频器市场规模存在增长的趋势。

  中国变频器市场规模由2012年的220.5亿元增长至2019年的242.0亿元，低压变频器占比高，2019年其市场规模为204.0亿元

  2019年中国低压变频器市场格局如上图，其参与者可分为日系、欧美系及中国系三类厂商。欧美系市场份额较高，厂商包括ABB和西门子等；日系变频器厂商包括安川和三菱等；中国变频器厂商包括汇川技术、英威腾和台达。

  欧美系和日系变频器在材料和制造工艺方面具备优势，其产品可靠性高，使用寿命长。欧美系低压变频器在中国市场占主导地位，而中国厂商在技术工艺、产品设计及资金实力方面，均与国际品牌存在差距，国产化率有待提高。

  执行层分析——步进系统

  中国步进系统市场规模由2014年的6.4亿元增长至2019年的8.5亿元，其市场规模在小范围内波动，步进系统市场集中度高，整体国产化率高，但中国产商产品较少用于高端生产环节。

  步进系统可满足多数低负载或恒负载的低速工况，并且具有控制简单、成本低、可靠性高等优势，中国步进系统市场规模由2014年的6.4亿元增长至2019年的8.5亿元。

  在智能制造稳步推进的形势下，设备更新和装备升级的需求日益增大，与其他运动控制系统相比，在精度和速度要求并不严格的场景中，步进系统具备经济性和实用性，将被越来越多的客户所应用，步进系统市场规模基本稳定，在小范围内波动。

  2018年中国步进系统市场格局如上图，CR5中仅1家国际厂商，CR4中全部为中国厂商，且雷赛智能、深圳研控、鸣志电器及和利时四家中国厂商市场份额总计超过70%。

  步进系统在普通机床、纺织、包装、电子加工、仪器、激光加工、线切割、焊接等领域广泛运用，中国步进系统市场集中度高，整体国产化率高，但东方马达等国际厂商其产品多用于高端生产环节，中国厂商应专注提升自身工艺，提高品牌价值，冲击高端化生产环节

  执行层分析——伺服系统（1/2）

  中国伺服系统市场规模由2015年的190亿元增长至2019年的340亿元，伺服系统下游应用广泛，预计其市场规模将继续增长，中国伺服系统厂商在整体性能和可靠性上与国际厂商仍存在差距

  伺服系统是指以位置、速度、转矩为控制量，能够动态跟踪目标变化从而实现自动化控制的系统。伺服系统集材料、电子、控制、通讯等技术于一体，是实现工业自动化精密制造和柔性制造的核心技术。

  伺服系统是高端装备、智能制造装备实现自动控制的核心功能部件，伺服系统的应用不仅能够显著提升设备的加工速度和精度，亦可以赋予生产设备更加灵活的生产能力，中国伺服系统市场规模由2015年的190亿元增长至2019年的340亿元，伺服系统下游应用广泛，预计其市场规模将继续增长

  2019年中国伺服系统市场格局如上图，中国伺服系统参与者中，日系厂商性价比及可靠性高，松下和安川合计市场份额超过30%，在中低端设备市场中具备优势，而欧美厂商其产品性能强，在高端设备中占据优势。

  中国伺服系统自主研发起步晚，通过引进和学习国际先进技术等举措，中国厂商自主研发的伺服系统进入快速发展阶段，其产品质量和技术水平不断提升，并逐渐取得一定市场份额，以台达和汇川技术为代表的中国厂商市场份额超过10%，但与国际知名企业相比，在整体性能、可靠性上仍存在差距。

  执行层分析——伺服系统（2/2）

  选取编码器分辨率、过载能力、最高转速和频率响应速度四个维度对比中国伺服系统参与者的主流产品,中国厂商台达和汇川技术未来的市场份额有望赶超国际领先厂商

  选取编码器分辨率、过载能力、最高转速和频率响应速度四个维度对比中国伺服系统参与者的主流产品。

  编码器分辨率是编码器可以测量到的最小的距离，分辨率越高，编码器可量化单位越多；过载能力表示最大转矩相对额定转矩的倍数，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩；频率响应速度越高，伺服系统相应越快。

  松下的伺服系统产品参数领先，有助于维持其市场份额第一的地位。中国厂商台达和汇川技术在各产品参数方面并非显著低于国际领先厂商，若坚持加大研发投入，不断提高产品竞争力，其未来市场份额有望赶超国际领先厂商。

  执行层分析——步进系统与伺服系统对比

  伺服系统有精度、性能、矩频和过载等优势，但价格高昂，适用于高端场景，而步进系统的免维护优势和低价适用于高需求量的廉价场景

  选取多种类别对比步进系统与伺服系统的差异，步进系统力矩范围适用范围仅限20Nm以下的中小力矩，其转速范围限制在1,000RPM以下，而伺服系统适用于全范围力矩，其转速范围高达5,000RPM（直流伺服电机可达20,000RPM）；步进系统控制方式以位置控制为主，低速运行时不够平滑，高速运行时力矩下降快，分辨率和精度较低，而伺服系统可实现位置、转速及转矩总线的精确智能化控制，力矩特性好；步进系统不可过载，开环的特性导致其反馈算法需额外加入，而伺服系统可闭环控制。

  整体上伺服系统有精度、性能、矩频和过载等优势，但价格高昂，适用于高端场景，而步进系统的免维护优势和低价适用于高需求量的廉价场景。

  工控自动化总结工控自动化可实现制造业降本增效，未来国产化率不断提高，工控自动化助力制造业，制造强国愿景有望早日实现。

工控自动化产业链包括控制层、驱动层和执行层。

  控制层中PLC与通用运动控制器市场集中度较高，DCS市场集中度稍低，PLC市场国产化率最低，通用运动控制器市场国产化率最高，但中高端市场份额尚被国际厂商占据；驱动层主要组成是变频器，欧美系低压变频器在中国市场占主导地位，而中国厂商在技术工艺、产品设计及资金实力方面，均与国际品牌存在差距，国产化率有待提高；执行层中步进系统集中度和国产化率均高于伺服系统，中国伺服系统厂商在整体性能和可靠性上与国际厂商仍存在差距，伺服系统有精度、性能、矩频和过载等优势，但价格高昂，适用于高端场景，而步进系统的免维护优势和低价适用于高需求量的廉价场景。

  工控自动化起源于解决生产中的实际问题，经二战后蓬勃发展，结合新理论及技术，可实现制造业降本增效。未来国产化率不断提高，工控自动化助力制造业，制造强国愿景有望早日实现。

  中国工控自动化行业上市公司——雷赛智能

  雷赛智能基于控制器、步进系统和伺服系统业务，可为客户提供完整的运动控制系列产品及解决方案，在技术上具备多项行业优势。

  中国工控自动化行业上市公司——汇川技术

  汇川技术是从事工业自动化和新能源相关产品研发、生产和销售的企业，其优势业务包括通用自动化、新能源汽车配套及电梯配套。