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二、工業自動化主要產品

1、工業自動化產品構成

工業自動化產品品類繁多，按照其功能可分為控制層、驅動層、執行層，其中：

（1）工廠自動化核心產品包括控制層的PLC/PC-Based、驅動層的變頻器、執行層的伺服系統、CNC等。

（2）流程自動化核心產品包括控制層的DCS（分布式控制系統）、驅動層的變頻器、以及各類傳感器、儀表、接觸器、閥類等。

圖表：工業自動化系統主要組成

資料來源：中信證券、工控網、星璨資本整理

2、工業自動化主要產品介紹

PLC

定義：可編程邏輯控制器（PLC）是種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作電子系統。它采用一種可編程的存儲器，在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，通過數字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設備或生產過程。

結構：PLC主要由CPU，存儲器，輸入/輸出接口和電源等組成。

（1）CPU：是PLC的控制中心，主要任務是在系統程序的控制下，完成邏輯運算、數學運算，協調系統內部各部分的工作等。

（2）存儲器：是PLC用來存放系統程序、用戶程序、邏輯變量及運算數據的單元。

（3）輸入/輸出接口：又稱I/O接口或I/O模塊，是PLC與外圍設備之間的連接部件。PLC的I/O接口能接受的輸入和輸出信號個數稱為PLC的I/O點數，I/O點數是選擇PLC的重要依據之一。

圖表：PLC結構示意圖

資料來源：《PLC技術及發展》、星璨資本整理

分類：PLC可根據輸入/輸出點數分為三大類。輸入/輸出點數與程序存儲器容量需求成正比，即IO點數越多，控制關系越復雜，對程序存儲器的容量要求也就越大。

小型PLC和中大型PLC相比，體積小、價格低，但功能較為單一，且IO接口點數少于256個，適用于較為簡單的生產系統；中大型PLC在較為復雜的邏輯控制生產系統、連續生產過程控制和大型生產設備的自動化控制系統中更為適用。

圖表：PLC按I/O接口點數分類

資料來源：工控網、星璨資本整理

應用領域：小型PLC市場準入門檻較低，下游客戶對產品價格相對敏感，市場競爭激烈，一般用于OEM型市場，行業種類較為分散，2022年紡織、電池、包裝、電子制造的占比都在5%以上；受到技術限制，中大型PLC市場有著更高的準入門檻，一般應用于項目型市場，行業種類相對集中，2022年電池、冶金、石化、物流、市政工程和汽車的占比也都高于5%。小型PLC與中大型PLC市場占比相近，各占50%左右。

圖表：2022年中國小型PLC下游應用占比

資料來源：睿工業、星璨資本整理

圖表：2022年中國中大型PLC下游應用占比

資料來源：睿工業、星璨資本整理

市場規模：PLC作為工業控制的核心模塊，有著廣闊的市場空間。全球來看，根據Mordor Intelligence數據，2022年全球PLC市場規模約90.8億美元，并有望在2026年達到106.4億美元。根據睿工業數據，2022年我國PLC市場規模達到169.9億元，并有望在2025年達到180.1億元。

圖表：全球PLC市場規模及預測（2021-2028E）

資料來源：Mordor Intelligence、星璨資本整理

圖表：中國PLC市場規模及預測（2018-2025E）

資料來源：睿工業、星璨資本整理

競爭格局：目前傳統跨國巨頭如西門子、三菱、歐姆龍仍主導PLC市場。根據產品類型的不同，小型PLC和中大型PLC的市場格局呈現一定分化，小型PLC國產已導入，中大型PLC有待突破。

小型PLC市場份額中國產比例不斷提高。以匯川技術和信捷電氣為代表的國產小型PLC市占率逐漸提升，2022年兩家份額達到18.3%，總國產化率超過20%。目前國內小型PLC在自動化生態通用的情況下主要憑借優良的性能和較高的性價比，通過行業專用類產品及方案去替代一部分海外企業通用類產品，與海外產品或部件等具備兼容性。

中大型PLC更偏向于關鍵制造領域或重工業，其對于可靠性的要求遠高于小型PLC，一旦切換PLC廠家，基于原廠商的生態所構建的生產流程有可能面臨重構，試錯成本過高，需要過往大型成功案例才能打動客戶。所以目前市場份額仍被跨國巨頭所把握，目前CR6超過92%，且全部為海外公司。

圖表：2022年中國小型PLC市場份額

資料來源：睿工業、星璨資本整理

圖表：2022年中國中大型PLC市場份額

資料來源：睿工業、星璨資本整理

PLC對可靠性和軟件生態要求較高：

PLC作為產線的控制器件，一旦宕機就會造成產線停工，且發現問題、定位問題、修復問題都比執行器件更加困難，停工周期長就會帶來較大的損失。尤其是在使用大型PLC的項目上，其下游應用多為流程工業或重工業，對生產安全要求高，所以客戶會考量PLC廠商過往的成功案例，尤其是在大型項目中的驗證。高可靠性要求也使得行業的壁壘很高，格局相對穩定且集中。

同時，PLC的性質更接近通用產品而非方案，且客戶需要對產品進行二次開發。開發的電氣工程師一般只會專精一種軟件，也會更傾向于選擇自己熟悉的開發軟件。而現存的設備所使用的軟件同樣為原廠商提供，也需要懂得該體系的工程師維護，軟件生態貫穿PLC的全生命周期，這也是西門子在國內自動化控制系統占據較大市場份額的主要原因。大型PLC切換軟件生態進行PLC遷移帶來的產線停工或潛在試錯成本極高，因此生態建設是PLC市場的核心競爭要素，不同行業生產流程不同，PLC廠商要持續深耕行業，加深理解，針對小中型PLC市場的編程/組態軟件和針對中大型PLC市場的組態軟件/工藝庫是PLC廠商的重要護城河。

DCS

定義：DCS（Distributed Control System）又稱“分散/集散控制系統”或“分布式計算機控制系統”，由輸入輸出模塊、通信模塊、控制器和人機界面組成，用于實現對生產過程的數據采集、控制和監視功能。

結構：DCS控制系統由輸入輸出模塊、通信模塊、控制器和人機界面組成，用于實現對生產過程的數據采集、控制和監視功能。DCS設計的理念是分散控制，集中管理，分級管理，配置靈活，組態方便，對應執行層器件包括各類傳感器、閥類、儀表等。DCS主要應用于化工、石化、電力、核電、制藥、冶金、建材等流程工業領域。

圖表：中控技術JX-300XP集散控制系統示意圖

資料來源：中控技術官網、星璨資本整理

圖表：DCS系統典型結構

資料來源：電子發燒友、星璨資本整理

PLC和DCS有著本質上的差異：

（1）PLC是一種“控制設備”，用于工廠自動化；而DCS是一種“控制系統”，用于過程自動化；在工業生產控制中，PLC是重要的底層控制部件，DCS在PLC的基礎上進行控制和監視。

（2）PLC的重點是邏輯控制，可以控制的點數從幾個到上萬個，突出的應用為工廠自動化(生產線)。與PLC側重于局部邏輯控制相比，DCS更注重模擬量的控制，因此DCS系統擁有更強的數據傳輸和管理能力，廣泛應用于大型項目。

圖表：PLC和DCS的區別對比

資料來源：華經產業研究院、星璨資本整理

應用領域：DCS下游領域集中度較高，化工領域應用占比大。DCS產品主要應用于流程工業的三大核心下游即化工、石化、電力，三大領域合計占比超過80%，根據睿工業統計，2022年化工領域占比為43%，是DCS大的應用領域，石化和電力也都接近20%。

圖表：2022年中國DCS下游應用占比

資料來源：睿工業、星璨資本整理

市場規模：2022年全球市場規模超172億美元，中國DCS市場規模超86億元。DCS作為大型過程工業的基礎，是車間到現場級工控系統的另一個重要組成部分。根據Gminsights數據，2022年全球DCS市場規模達到約172億美元，并有望在2032年達到303億美元，年復合增速為5.8%；根據睿工業數據，2022年中國DCS市場規模達到86.6億元，并有望在2025年達到118.4億元。

圖表：全球DCS市場規模及預測（2021-2032E）

資料來源：Gminsights、星璨資本整理

圖表：中國DCS市場規模及預測（2018-2025E）

資料來源：睿工業、星璨資本整理

競爭格局：DCS具有高壁壘以及高門檻，行業格局正呈現逐漸集中的趨勢，根據睿工業統計，2011年國內DCS市場的CR5為59.9%，2022年達到73.8%，而我國DCS行業中控技術的市場份額也從2011年13.0%增長到了2022年的30.2%。浙江中控、和利時以及國能智深三家國內公司份額相加為48%，已接近一半。DCS相比PLC會更接近行業專用方案，行業下游集中，行業間壁壘也更強，具備咨詢與實施并舉的屬性，行業經驗和過往案例在其客戶決策中占主導，這使行業呈現強者恒強格局。

圖表：2022年中國DCS市場份額

資料來源：睿工業、星璨資本整理

DCS對可靠性要求更高，更看重行業經驗和過往案例：

DCS 系統本身定位為系統級軟件，核心的是軟件系統或現場通訊總線，所以頭部企業在產品的性能上很難構成明顯的差距，行業的技術也多圍繞可靠性體現，如惡劣工控高精度信號采集、I/O信號處理與防護技術、基于硬件的熱冗余技術等。而且，由于流程行業的三大核心下游即化工、石化、電力皆為高溫、高壓生產環境，對于可靠性的要求比PLC更高，根據工信部《控制系統“一條龍”應用計劃申報指南》,石油石化DCS平均無故障時間要求大于20萬小時。

同時，由于DCS的方案更多是根據流程行業客戶的需求以咨詢+實施的方式交付，參與者需深耕于垂直行業，如中控技術之于化工、石化，和利時之于電力等，因此行業玩家要么有著非常長時間的案例積累，要么是從下游客戶內部孵化起來。

變頻器

定義：變頻器是融合變頻技術與微電子技術，通過對電機工作電源頻率進行改變，從而控制交流電機的電力控制設備。

結構：變頻器由整流單元、高容量電容（電動機）、逆變器和控制器四個部分組成。

工作原理：變頻器通過內部的IGBT的開斷調整輸出電源的電壓和頻率，給電機提供其所需的電源電壓，從而達到節能和調速的目的。

主要功能：

（1）變頻提速：調整電機功率、實現電機變速運行；

（2）軟啟動：降低啟動沖擊電流，平滑加速；

（3）節能效果：在風機、水泵、油泵中，當所需風量、流量減少時，利用變頻器調節可大幅度節約電能；

（4）減少設備異常故障：降低電壓波動，減少同一供電網絡中電壓敏感設備跳閘故障。

圖表：交-直-交變頻器的工作原理

資料來源：電子發燒友、星璨資本整理

圖表：變頻器結構示意圖

資料來源：《變頻器與電動機控制電路解讀》、星璨資本整理

分類：根據工作電壓，可分為中低壓與高壓變頻器。按照輸入電壓等級進行分類，低于3KV的歸為中低壓變頻器(低于690V的為低壓變頻器)，高于3KV的歸為高壓變頻器；兩者的適用對象不同，但調速原理相同。中低壓變頻器對于電力電子器件和變壓器的容量要求相對較低，具有成熟的一致性的拓撲結構，而高壓變頻器拓撲結構較多，較為復雜。

圖表：變頻器分類比較

資料來源：華經產業研究院、星璨資本整理

應用領域：高壓變頻器下游行業較為集中，中低壓變頻器下游行業較為分散。從下游應用來看，高壓變頻器應用領域集中在高耗能領域，主要用于冶金、電力、石化、采礦等高能耗行業，可實現對各類高壓電動機的風機、水泵、空氣壓縮機、提升機、皮帶機等負載的軟起動、智能控制和調速節能，2021年CR5總占比為76%。中低壓變頻器適用場景較為廣闊，下游較為分散，一般應用在起重機械、電梯、紡織機械等領域，2021年CR5總占比為43%。

圖表：2021年中國高壓變頻器下游應用領域占比

資料來源：華經情報網、星璨資本整理

圖表：2021年中國中低壓變頻器下游應用領域占比

資料來源：華經情報網、星璨資本整理

市場規模：變頻器市場規模不斷增大，中低壓變頻器占據主位。我國變頻器市場規模不斷擴大，智研瞻產業研究院數據顯示，我國2022年變頻器行業總市場規模為673.2億元，隨著國內工業生產規模持續擴大，預計行業總規模持續增長，2029年將達到1,237.5億元。根據華經產業研究院統計，我國中低壓變頻器的市場規模占總市場規模約75%左右。隨著我國制造業產業升級，預計未來高壓變頻器市場規模比重將會有所上升。

圖表：中國變頻器市場規模及預測（2018-2029E）

資料來源：智研瞻產業研究院、星璨資本整理

圖表：中低壓變頻器與高壓變頻器市場規模占比

資料來源：華經產業研究院、星璨資本整理

競爭格局：我國變頻器市場早期由外資主導，國產廠商持續突破。匯川技術2023年新年度報告中披露，根據睿工業統計數據，2023年匯川技術的低壓變頻器在中國市場的份額約17.0%，位居第二名、內資品牌名，中高壓變頻器在中國市場份額約15.9%，位居名，但其他市場份額占比較高的企業均為外資企業。根據華經產業研究院的報告，除匯川技術外，英威騰、臺達等國產廠商在中低壓變頻器中市場份額也超過了5%，但目前在高壓變頻器市場國產廠商競爭力不足，市場份額占比較低。

圖表：2023年中國低壓變頻器市場份額

資料來源：匯川技術年報、星璨資本整理

圖表：2023年中國中高壓變頻器市場份額

資料來源：匯川技術年報、星璨資本整理

伺服系統

定義：伺服系統是一種按照指令控制物體的速度、位置和轉矩，并跟蹤反饋指令的執行情況的自動化驅動和執行系統，主要應用于對定位精度和運轉速度要求較高的工業自動化控制領域。

結構：伺服系統由伺服驅動器、伺服電機與編碼器組成，編碼器通常嵌入于伺服電機。伺服系統的成本構成中，驅動器占比42%；電機占比約35%；編碼器由碼盤、光源和接收器組成，成本占比約為11%。

圖表：伺服系統成本構成

資料來源：埃斯頓招股書、星璨資本整理

工作原理：伺服驅動器給伺服電機發出驅動信號，同時伺服電機中的編碼器將運動參數反饋給伺服驅動器，伺服驅動器再對信號進行匯總、分析和修正。整個工作過程通過閉環方式jingque控制執行機構的位置、速度和轉矩等輸出變量。

圖表：伺服系統構成及工作原理

資料來源：禾川科技招股書、星璨資本整理

分類：伺服系統可分為通用伺服和專用伺服，且在產品特性上有較大差異。專用伺服提供偏向于化的特殊定制服務，高海拔運行、防塵防水、運行環境、防爆要求、高溫啟動要求、額定轉速和法蘭止口等都可以按需定制；在產品技術方面，專用伺服產品可以在不同應用領域保持高水平運作，其額定功率也達7.5kW，特殊行業更適合使用專用伺服；通用伺服的運行環境于工業環境但應用領域較為廣闊，通用伺服產品主要應用于傳統行業，因此對近海/海上防腐要求、水下運行和防爆皆無要求。從市場結構來看，我國伺服市場中，通用伺服市場規模占比約為80%，專用伺服市場規模約為20%，近年來基本保持穩定。專用伺服系統國產化率已經接近90%，因此重點關注通用伺服系統。

圖表：通用伺服系統與專用伺服系統比較

資料來源：菲仕技術、國泰君安證券、星璨資本整理

應用領域：伺服系統下游應用行業眾多，高端制造賽道占比不斷提升。當前用到伺服系統的行業多達17個左右，2022年應用占比paimingqian五的行業分別為電子制造設備（15.81%）、電池制造設備（13.56%）、工業機器人（10.44%）、光伏設備（7.57%）、包裝機械（6.57%），除包裝機械外均為戰略性新興相關行業。對伺服系統全部下游行業進行統計，若將電子制造設備、電池制造設備、工業機器人、光伏設備、半導體、激光行業定義為高端制造賽道，則賽道的應用占比已經達到65%，且近年來仍在不斷提升，而傳統賽道的應用占比則不斷縮小。

圖表：2022年中國伺服系統下游應用行業分布

資料來源：建行投行公眾號，星璨資本整理

圖表：伺服系統在高端制造領域應用占比達65%

資料來源：建行投行公眾號、星璨資本整理

市場規模：伺服系統行業前景廣闊，市場規模持續增長。受益于國家大力發展高端裝備制造業的產業政策，隨著人口紅利的逐步消失、工業自動化水平的不斷提升，智能制造的領域逐步擴大，我國伺服系統行業發展前景廣闊。根據工控網發布的《2023年中國通用運動控制市場研究報告》，2022年我國伺服系統市場規模為206億元；未來3年伺服系統市場需求將保持6-9%左右增長，2025年市場規模將達到260億元。

圖表：中國伺服系統市場規模及預測（2022-2025E）

資料來源：工控網、星璨資本整理

競爭格局：通用伺服系統國產廠商市場份額持續提升，新興伺服廠商不斷涌現。匯川技術2023年新年度報告中披露，根據睿工業統計數據，2023年匯川技術伺服系統市場份額已達到28.2%，遠超西門子、松下、安川等老牌外資。同時，國內涌現了一批新興國產伺服品牌，如禾川科技、無錫信捷、雷賽智能等，據睿工業統計數據2022年市場份額已分別達到3.4%、2.4%、1.3%。但目前除匯川技術外，其他國產品牌仍與外資企業市場份額有較大差距，具備廣泛的替代空間。

圖表：2023年中國通用伺服系統市場份額

資料來源：匯川技術、睿工業、星璨資本整理

伺服系統與變頻器的對比：

伺服系統與變頻器技術同源，作用相似，主要因應用場景不同，兩者不能完全互相替代。

相同點：伺服系統中的伺服驅動器和變頻器都要實現變頻功能，即將工頻電源整流為頻率可調的交流電從而控制電機轉動；

不同點：（1）伺服驅動器比一般變頻器有更jingque的控制技術和算法運算，可以進行jingque的位置控制，而變頻器則無位置環；（2）伺服系統多采用永磁同步交流電機，而變頻器主要控制交流異步電機，受工藝限制10KW以上的永磁同步交流電機價格昂貴，因此大功率場景下多采用性價比更高的變頻器，伺服系統則一般用于小功率場景。

綜上，能用變頻器控制的場合幾乎都能用伺服取代，關鍵在于價格（伺服系統遠高于變頻器）及功率。

圖表：伺服系統與變頻器的對比

資料來源：信維工業、中信建投、星璨資本整理

3、工業自動化產品國產化進展

技術創新+政策驅動+市場需求，工業自動化國產替代進程不斷加速。長期以來，外資品牌在國內工業自動化控制領域一直占據主導地位，西門子、松下、安川電機、三菱電機等國際企業憑借強大的技術實力和穩定的產品品質，掌握了國內大部分 PLC、變頻器、伺服系統等產品的市場份額。隨著國內工業自動化技術的積累和創新以及國家相關產業政策的支持，國產工業自動化控制產品在產品適應性、技術服務、性價比等方面逐步顯現出優勢，經過多年的努力，部分國內具有自主研發優勢的企業形成了具有一定競爭力的自主品牌，并憑借快速響應、成本、服務等本土化優勢不斷縮小與在產品性能、技術水平等方面的差距，國內企業的整體市場份額不斷穩步增長。總體來看，國產替代進口的趨勢將日漸明顯、替代速度將不斷加快。

圖表：主要工業自動化產品國產化率不斷提升

資料來源：禾川科技、睿工業、星璨資本整理

三、工業自動化未來趨勢展望

01

智能制造的崛起

隨著人工智能、物聯網和大數據等技術的飛速發展，智能制造將成為工業自動化的重要推動力。通過將傳感器、自動化機器人和實時數據分析相結合，企業能夠實現更高效、更靈活的生產流程。工廠將變得更加智能化，自動化程度將大大提高，為企業帶來更高的生產效率和降低的成本。

近年來，全球已有眾多制造企業開展了智能自動化工廠建設實踐。例如，西門子安貝格電子工廠實現了多品種工控機的混線生產；FANUC公司實現了機器人和伺服電機生產過程的高度自動化和智能化，并利用自動化立體倉庫在車間內的各個智能制造單元之間傳遞物料，實現了高720小時無人值守；施耐德電氣實現了電氣開關制造和包裝過程的全自動化等等。在工業4.0浪潮下，智能制造是工業自動化未來發展的主要方向。

圖表：新型智能自動化工廠示意圖

資料來源：廣納科技、星璨資本整理

02

柔性化生產的需求增加

柔性制造是指一種應對大規模定制需求而產生的新型生產模式。它能夠快速適應市場需求的變化、產品設計的更新以及制造過程中的變動。柔性化生產建立在柔性制造的基礎上，以市場為導向，按需生產，能夠增強企業的靈活性和應變能力，提高生產效率，縮短生產周期。

在全球市場的競爭中，產品個性化和定制化的需求不斷增加。為了滿足市場的需求，工業自動化將越來越注重柔性化生產。通過柔性化的自動化生產線和機器人，企業能夠快速切換生產任務，實現短周期、小批量的生產。柔性化生產的引入將使企業更具競爭優勢，并提高客戶滿意度。

隨著工業4.0的興起，柔性化生產正成為工業自動化發展的一個重要趨勢。

圖表：柔性產線快速換產流程示意圖

資料來源：《數字化智能柔性生產線的新建設模式》、星璨資本整理

03

人機協作的發展

人機協作是指人類與機器人之間進行緊密合作，共同完成特定任務的過程。在這種模式下，機器人可以通過感知、學習和執行具體任務來增強人類的生產力和工作效率。

人機協作可以促進人機之間的相互補充和互動，從而發揮出佳的工作效果。機器人可以執行重復、jingque和危險的任務，從而減輕人類的工作負擔。同時，人類可以通過指導、監督和判斷機器人的行動，保證任務的安全和準確性。

協作機器人是實現人機協作模式的重要載體。協作機器人屬于工業機器人的分支，區別于傳統工業機器人追求“剛度”的特點，協作機器人更多地追求輕量化、柔性及安全協作性，在應用于工業場景中時，打破了傳統工業場景的局限，在機器人產品與工人之間無需設置隔離欄進行分離，雙方能夠在共同空間中進行近距離交互，實現人機共融協同作業，充分發揮機器人的效率及人類的智能。

圖表：協作機器人工作場景

資料來源：傳感器技術微信公眾號、星璨資本整理

協作機器人具有以下幾個優勢：（1）通過多傳感器融合，提高機器人智能水平，使編程更加簡單，提高環境適應性；（2）結構靈巧、低功耗、低噪聲，無需安全圍欄實現人機并肩工作；（3）小型、輕巧、可移動、安裝方便、即插即用，為用戶降低成本和時間；（4）使用范圍廣，不僅可以用在工業制造領域，也可以用在家庭服務、休閑娛樂場合。

隨著人工智能與機器人等技術的快速發展，工業機器人已經成為工業自動化的重要組成部分。與傳統工業自動化相比，未來的工業自動化將更注重人機協作，更加人性化，協作機器人將會成為工業自動化領域的重要應用。

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