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二、工业自动化主要产品

1、工业自动化产品构成

工业自动化产品品类繁多，按照其功能可分为控制层、驱动层、执行层，其中：

（1）工厂自动化核心产品包括控制层的PLC/PC-Based、驱动层的变频器、执行层的伺服系统、CNC等。

（2）流程自动化核心产品包括控制层的DCS（分布式控制系统）、驱动层的变频器、以及各类传感器、仪表、接触器、阀类等。

图表：工业自动化系统主要组成

资料来源：中信证券、工控网、星璨资本整理

2、工业自动化主要产品介绍

PLC

定义：可编程逻辑控制器（PLC）是种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，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，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。

结构：PLC主要由CPU，存储器，输入/输出接口和电源等组成。

（1）CPU：是PLC的控制中心，主要任务是在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算，协调系统内部各部分的工作等。

（2）存储器：是PLC用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量及运算数据的单元。

（3）输入/输出接口：又称I/O接口或I/O模块，是PLC与外围设备之间的连接部件。PLC的I/O接口能接受的输入和输出信号个数称为PLC的I/O点数，I/O点数是选择PLC的重要依据之一。

图表：PLC结构示意图

资料来源：《PLC技术及发展》、星璨资本整理

分类：PLC可根据输入/输出点数分为三大类。输入/输出点数与程序存储器容量需求成正比，即IO点数越多，控制关系越复杂，对程序存储器的容量要求也就越大。

小型PLC和中大型PLC相比，体积小、价格低，但功能较为单一，且IO接口点数少于256个，适用于较为简单的生产系统；中大型PLC在较为复杂的逻辑控制生产系统、连续生产过程控制和大型生产设备的自动化控制系统中更为适用。

图表：PLC按I/O接口点数分类

资料来源：工控网、星璨资本整理

应用领域：小型PLC市场准入门槛较低，下游客户对产品价格相对敏感，市场竞争激烈，一般用于OEM型市场，行业种类较为分散，2022年纺织、电池、包装、电子制造的占比都在5%以上；受到技术限制，中大型PLC市场有着更高的准入门槛，一般应用于项目型市场，行业种类相对集中，2022年电池、冶金、石化、物流、市政工程和汽车的占比也都高于5%。小型PLC与中大型PLC市场占比相近，各占50%左右。

图表：2022年中国小型PLC下游应用占比

资料来源：睿工业、星璨资本整理

图表：2022年中国中大型PLC下游应用占比

资料来源：睿工业、星璨资本整理

市场规模：PLC作为工业控制的核心模块，有着广阔的市场空间。全球来看，根据Mordor Intelligence数据，2022年全球PLC市场规模约90.8亿美元，并有望在2026年达到106.4亿美元。根据睿工业数据，2022年我国PLC市场规模达到169.9亿元，并有望在2025年达到180.1亿元。

图表：全球PLC市场规模及预测（2021-2028E）

资料来源：Mordor Intelligence、星璨资本整理

图表：中国PLC市场规模及预测（2018-2025E）

资料来源：睿工业、星璨资本整理

竞争格局：目前传统跨国巨头如西门子、三菱、欧姆龙仍主导PLC市场。根据产品类型的不同，小型PLC和中大型PLC的市场格局呈现一定分化，小型PLC国产已导入，中大型PLC有待突破。

小型PLC市场份额中国产比例不断提高。以汇川技术和信捷电气为代表的国产小型PLC市占率逐渐提升，2022年两家份额达到18.3%，总国产化率超过20%。目前国内小型PLC在自动化生态通用的情况下主要凭借优良的性能和较高的性价比，通过行业专用类产品及方案去替代一部分海外企业通用类产品，与海外产品或部件等具备兼容性。

中大型PLC更偏向于关键制造领域或重工业，其对于可靠性的要求远高于小型PLC，一旦切换PLC厂家，基于原厂商的生态所构建的生产流程有可能面临重构，试错成本过高，需要过往大型成功案例才能打动客户。所以目前市场份额仍被跨国巨头所把握，目前CR6超过92%，且全部为海外公司。

图表：2022年中国小型PLC市场份额

资料来源：睿工业、星璨资本整理

图表：2022年中国中大型PLC市场份额

资料来源：睿工业、星璨资本整理

PLC对可靠性和软件生态要求较高：

PLC作为产线的控制器件，一旦宕机就会造成产线停工，且发现问题、定位问题、修复问题都比执行器件更加困难，停工周期长就会带来较大的损失。尤其是在使用大型PLC的项目上，其下游应用多为流程工业或重工业，对生产安全要求高，所以客户会考量PLC厂商过往的成功案例，尤其是在大型项目中的验证。高可靠性要求也使得行业的壁垒很高，格局相对稳定且集中。

同时，PLC的性质更接近通用产品而非方案，且客户需要对产品进行二次开发。开发的电气工程师一般只会专精一种软件，也会更倾向于选择自己熟悉的开发软件。而现存的设备所使用的软件同样为原厂商提供，也需要懂得该体系的工程师维护，软件生态贯穿PLC的全生命周期，这也是西门子在国内自动化控制系统占据较大市场份额的主要原因。大型PLC切换软件生态进行PLC迁移带来的产线停工或潜在试错成本极高，因此生态建设是PLC市场的核心竞争要素，不同行业生产流程不同，PLC厂商要持续深耕行业，加深理解，针对小中型PLC市场的编程/组态软件和针对中大型PLC市场的组态软件/工艺库是PLC厂商的重要护城河。

DCS

定义：DCS（Distributed Control System）又称“分散/集散控制系统”或“分布式计算机控制系统”，由输入输出模块、通信模块、控制器和人机界面组成，用于实现对生产过程的数据采集、控制和监视功能。

结构：DCS控制系统由输入输出模块、通信模块、控制器和人机界面组成，用于实现对生产过程的数据采集、控制和监视功能。DCS设计的理念是分散控制，集中管理，分级管理，配置灵活，组态方便，对应执行层器件包括各类传感器、阀类、仪表等。DCS主要应用于化工、石化、电力、核电、制药、冶金、建材等流程工业领域。

图表：中控技术JX-300XP集散控制系统示意图

资料来源：中控技术官网、星璨资本整理

图表：DCS系统典型结构

资料来源：电子发烧友、星璨资本整理

PLC和DCS有着本质上的差异：

（1）PLC是一种“控制设备”，用于工厂自动化；而DCS是一种“控制系统”，用于过程自动化；在工业生产控制中，PLC是重要的底层控制部件，DCS在PLC的基础上进行控制和监视。

（2）PLC的重点是逻辑控制，可以控制的点数从几个到上万个，突出的应用为工厂自动化(生产线)。与PLC侧重于局部逻辑控制相比，DCS更注重模拟量的控制，因此DCS系统拥有更强的数据传输和管理能力，广泛应用于大型项目。

图表：PLC和DCS的区别对比

资料来源：华经产业研究院、星璨资本整理

应用领域：DCS下游领域集中度较高，化工领域应用占比大。DCS产品主要应用于流程工业的三大核心下游即化工、石化、电力，三大领域合计占比超过80%，根据睿工业统计，2022年化工领域占比为43%，是DCS大的应用领域，石化和电力也都接近20%。

图表：2022年中国DCS下游应用占比

资料来源：睿工业、星璨资本整理

市场规模：2022年全球市场规模超172亿美元，中国DCS市场规模超86亿元。DCS作为大型过程工业的基础，是车间到现场级工控系统的另一个重要组成部分。根据Gminsights数据，2022年全球DCS市场规模达到约172亿美元，并有望在2032年达到303亿美元，年复合增速为5.8%；根据睿工业数据，2022年中国DCS市场规模达到86.6亿元，并有望在2025年达到118.4亿元。

图表：全球DCS市场规模及预测（2021-2032E）

资料来源：Gminsights、星璨资本整理

图表：中国DCS市场规模及预测（2018-2025E）

资料来源：睿工业、星璨资本整理

竞争格局：DCS具有高壁垒以及高门槛，行业格局正呈现逐渐集中的趋势，根据睿工业统计，2011年国内DCS市场的CR5为59.9%，2022年达到73.8%，而我国DCS行业中控技术的市场份额也从2011年13.0%增长到了2022年的30.2%。浙江中控、和利时以及国能智深三家国内公司份额相加为48%，已接近一半。DCS相比PLC会更接近行业专用方案，行业下游集中，行业间壁垒也更强，具备咨询与实施并举的属性，行业经验和过往案例在其客户决策中占主导，这使行业呈现强者恒强格局。

图表：2022年中国DCS市场份额

资料来源：睿工业、星璨资本整理

DCS对可靠性要求更高，更看重行业经验和过往案例：

DCS 系统本身定位为系统级软件，核心的是软件系统或现场通讯总线，所以头部企业在产品的性能上很难构成明显的差距，行业的技术也多围绕可靠性体现，如恶劣工控高精度信号采集、I/O信号处理与防护技术、基于硬件的热冗余技术等。而且，由于流程行业的三大核心下游即化工、石化、电力皆为高温、高压生产环境，对于可靠性的要求比PLC更高，根据工信部《控制系统“一条龙”应用计划申报指南》,石油石化DCS平均无故障时间要求大于20万小时。

同时，由于DCS的方案更多是根据流程行业客户的需求以咨询+实施的方式交付，参与者需深耕于垂直行业，如中控技术之于化工、石化，和利时之于电力等，因此行业玩家要么有着非常长时间的案例积累，要么是从下游客户内部孵化起来。

变频器

定义：变频器是融合变频技术与微电子技术，通过对电机工作电源频率进行改变，从而控制交流电机的电力控制设备。

结构：变频器由整流单元、高容量电容（电动机）、逆变器和控制器四个部分组成。

工作原理：变频器通过内部的IGBT的开断调整输出电源的电压和频率，给电机提供其所需的电源电压，从而达到节能和调速的目的。

主要功能：

（1）变频提速：调整电机功率、实现电机变速运行；

（2）软启动：降低启动冲击电流，平滑加速；

（3）节能效果：在风机、水泵、油泵中，当所需风量、流量减少时，利用变频器调节可大幅度节约电能；

（4）减少设备异常故障：降低电压波动，减少同一供电网络中电压敏感设备跳闸故障。

图表：交-直-交变频器的工作原理

资料来源：电子发烧友、星璨资本整理

图表：变频器结构示意图

资料来源：《变频器与电动机控制电路解读》、星璨资本整理

分类：根据工作电压，可分为中低压与高压变频器。按照输入电压等级进行分类，低于3KV的归为中低压变频器(低于690V的为低压变频器)，高于3KV的归为高压变频器；两者的适用对象不同，但调速原理相同。中低压变频器对于电力电子器件和变压器的容量要求相对较低，具有成熟的一致性的拓扑结构，而高压变频器拓扑结构较多，较为复杂。

图表：变频器分类比较

资料来源：华经产业研究院、星璨资本整理

应用领域：高压变频器下游行业较为集中，中低压变频器下游行业较为分散。从下游应用来看，高压变频器应用领域集中在高耗能领域，主要用于冶金、电力、石化、采矿等高能耗行业，可实现对各类高压电动机的风机、水泵、空气压缩机、提升机、皮带机等负载的软起动、智能控制和调速节能，2021年CR5总占比为76%。中低压变频器适用场景较为广阔，下游较为分散，一般应用在起重机械、电梯、纺织机械等领域，2021年CR5总占比为43%。

图表：2021年中国高压变频器下游应用领域占比

资料来源：华经情报网、星璨资本整理

图表：2021年中国中低压变频器下游应用领域占比

资料来源：华经情报网、星璨资本整理

市场规模：变频器市场规模不断增大，中低压变频器占据主位。我国变频器市场规模不断扩大，智研瞻产业研究院数据显示，我国2022年变频器行业总市场规模为673.2亿元，随着国内工业生产规模持续扩大，预计行业总规模持续增长，2029年将达到1,237.5亿元。根据华经产业研究院统计，我国中低压变频器的市场规模占总市场规模约75%左右。随着我国制造业产业升级，预计未来高压变频器市场规模比重将会有所上升。

图表：中国变频器市场规模及预测（2018-2029E）

资料来源：智研瞻产业研究院、星璨资本整理

图表：中低压变频器与高压变频器市场规模占比

资料来源：华经产业研究院、星璨资本整理

竞争格局：我国变频器市场早期由外资主导，国产厂商持续突破。汇川技术2023年新年度报告中披露，根据睿工业统计数据，2023年汇川技术的低压变频器在中国市场的份额约17.0%，位居第二名、内资品牌名，中高压变频器在中国市场份额约15.9%，位居名，但其他市场份额占比较高的企业均为外资企业。根据华经产业研究院的报告，除汇川技术外，英威腾、台达等国产厂商在中低压变频器中市场份额也超过了5%，但目前在高压变频器市场国产厂商竞争力不足，市场份额占比较低。

图表：2023年中国低压变频器市场份额

资料来源：汇川技术年报、星璨资本整理

图表：2023年中国中高压变频器市场份额

资料来源：汇川技术年报、星璨资本整理

伺服系统

定义：伺服系统是一种按照指令控制物体的速度、位置和转矩，并跟踪反馈指令的执行情况的自动化驱动和执行系统，主要应用于对定位精度和运转速度要求较高的工业自动化控制领域。

结构：伺服系统由伺服驱动器、伺服电机与编码器组成，编码器通常嵌入于伺服电机。伺服系统的成本构成中，驱动器占比42%；电机占比约35%；编码器由码盘、光源和接收器组成，成本占比约为11%。

图表：伺服系统成本构成

资料来源：埃斯顿招股书、星璨资本整理

工作原理：伺服驱动器给伺服电机发出驱动信号，同时伺服电机中的编码器将运动参数反馈给伺服驱动器，伺服驱动器再对信号进行汇总、分析和修正。整个工作过程通过闭环方式jingque控制执行机构的位置、速度和转矩等输出变量。

图表：伺服系统构成及工作原理

资料来源：禾川科技招股书、星璨资本整理

分类：伺服系统可分为通用伺服和专用伺服，且在产品特性上有较大差异。专用伺服提供偏向于化的特殊定制服务，高海拔运行、防尘防水、运行环境、防爆要求、高温启动要求、额定转速和法兰止口等都可以按需定制；在产品技术方面，专用伺服产品可以在不同应用领域保持高水平运作，其额定功率也达7.5kW，特殊行业更适合使用专用伺服；通用伺服的运行环境于工业环境但应用领域较为广阔，通用伺服产品主要应用于传统行业，因此对近海/海上防腐要求、水下运行和防爆皆无要求。从市场结构来看，我国伺服市场中，通用伺服市场规模占比约为80%，专用伺服市场规模约为20%，近年来基本保持稳定。专用伺服系统国产化率已经接近90%，因此重点关注通用伺服系统。

图表：通用伺服系统与专用伺服系统比较

资料来源：菲仕技术、国泰君安证券、星璨资本整理

应用领域：伺服系统下游应用行业众多，高端制造赛道占比不断提升。当前用到伺服系统的行业多达17个左右，2022年应用占比paimingqian五的行业分别为电子制造设备（15.81%）、电池制造设备（13.56%）、工业机器人（10.44%）、光伏设备（7.57%）、包装机械（6.57%），除包装机械外均为战略性新兴相关行业。对伺服系统全部下游行业进行统计，若将电子制造设备、电池制造设备、工业机器人、光伏设备、半导体、激光行业定义为高端制造赛道，则赛道的应用占比已经达到65%，且近年来仍在不断提升，而传统赛道的应用占比则不断缩小。

图表：2022年中国伺服系统下游应用行业分布

资料来源：建行投行公众号，星璨资本整理

图表：伺服系统在高端制造领域应用占比达65%

资料来源：建行投行公众号、星璨资本整理

市场规模：伺服系统行业前景广阔，市场规模持续增长。受益于国家大力发展高端装备制造业的产业政策，随着人口红利的逐步消失、工业自动化水平的不断提升，智能制造的领域逐步扩大，我国伺服系统行业发展前景广阔。根据工控网发布的《2023年中国通用运动控制市场研究报告》，2022年我国伺服系统市场规模为206亿元；未来3年伺服系统市场需求将保持6-9%左右增长，2025年市场规模将达到260亿元。

图表：中国伺服系统市场规模及预测（2022-2025E）

资料来源：工控网、星璨资本整理

竞争格局：通用伺服系统国产厂商市场份额持续提升，新兴伺服厂商不断涌现。汇川技术2023年新年度报告中披露，根据睿工业统计数据，2023年汇川技术伺服系统市场份额已达到28.2%，远超西门子、松下、安川等老牌外资。同时，国内涌现了一批新兴国产伺服品牌，如禾川科技、无锡信捷、雷赛智能等，据睿工业统计数据2022年市场份额已分别达到3.4%、2.4%、1.3%。但目前除汇川技术外，其他国产品牌仍与外资企业市场份额有较大差距，具备广泛的替代空间。

图表：2023年中国通用伺服系统市场份额

资料来源：汇川技术、睿工业、星璨资本整理

伺服系统与变频器的对比：

伺服系统与变频器技术同源，作用相似，主要因应用场景不同，两者不能完全互相替代。

相同点：伺服系统中的伺服驱动器和变频器都要实现变频功能，即将工频电源整流为频率可调的交流电从而控制电机转动；

不同点：（1）伺服驱动器比一般变频器有更jingque的控制技术和算法运算，可以进行jingque的位置控制，而变频器则无位置环；（2）伺服系统多采用永磁同步交流电机，而变频器主要控制交流异步电机，受工艺限制10KW以上的永磁同步交流电机价格昂贵，因此大功率场景下多采用性价比更高的变频器，伺服系统则一般用于小功率场景。

综上，能用变频器控制的场合几乎都能用伺服取代，关键在于价格（伺服系统远高于变频器）及功率。

图表：伺服系统与变频器的对比

资料来源：信维工业、中信建投、星璨资本整理

3、工业自动化产品国产化进展

技术创新+政策驱动+市场需求，工业自动化国产替代进程不断加速。长期以来，外资品牌在国内工业自动化控制领域一直占据主导地位，西门子、松下、安川电机、三菱电机等国际企业凭借强大的技术实力和稳定的产品品质，掌握了国内大部分 PLC、变频器、伺服系统等产品的市场份额。随着国内工业自动化技术的积累和创新以及国家相关产业政策的支持，国产工业自动化控制产品在产品适应性、技术服务、性价比等方面逐步显现出优势，经过多年的努力，部分国内具有自主研发优势的企业形成了具有一定竞争力的自主品牌，并凭借快速响应、成本、服务等本土化优势不断缩小与在产品性能、技术水平等方面的差距，国内企业的整体市场份额不断稳步增长。总体来看，国产替代进口的趋势将日渐明显、替代速度将不断加快。

图表：主要工业自动化产品国产化率不断提升

资料来源：禾川科技、睿工业、星璨资本整理

三、工业自动化未来趋势展望

01

智能制造的崛起

随着人工智能、物联网和大数据等技术的飞速发展，智能制造将成为工业自动化的重要推动力。通过将传感器、自动化机器人和实时数据分析相结合，企业能够实现更高效、更灵活的生产流程。工厂将变得更加智能化，自动化程度将大大提高，为企业带来更高的生产效率和降低的成本。

近年来，全球已有众多制造企业开展了智能自动化工厂建设实践。例如，西门子安贝格电子工厂实现了多品种工控机的混线生产；FANUC公司实现了机器人和伺服电机生产过程的高度自动化和智能化，并利用自动化立体仓库在车间内的各个智能制造单元之间传递物料，实现了高720小时无人值守；施耐德电气实现了电气开关制造和包装过程的全自动化等等。在工业4.0浪潮下，智能制造是工业自动化未来发展的主要方向。

图表：新型智能自动化工厂示意图

资料来源：广纳科技、星璨资本整理

02

柔性化生产的需求增加

柔性制造是指一种应对大规模定制需求而产生的新型生产模式。它能够快速适应市场需求的变化、产品设计的更新以及制造过程中的变动。柔性化生产建立在柔性制造的基础上，以市场为导向，按需生产，能够增强企业的灵活性和应变能力，提高生产效率，缩短生产周期。

在全球市场的竞争中，产品个性化和定制化的需求不断增加。为了满足市场的需求，工业自动化将越来越注重柔性化生产。通过柔性化的自动化生产线和机器人，企业能够快速切换生产任务，实现短周期、小批量的生产。柔性化生产的引入将使企业更具竞争优势，并提高客户满意度。

随着工业4.0的兴起，柔性化生产正成为工业自动化发展的一个重要趋势。

图表：柔性产线快速换产流程示意图

资料来源：《数字化智能柔性生产线的新建设模式》、星璨资本整理

03

人机协作的发展

人机协作是指人类与机器人之间进行紧密合作，共同完成特定任务的过程。在这种模式下，机器人可以通过感知、学习和执行具体任务来增强人类的生产力和工作效率。

人机协作可以促进人机之间的相互补充和互动，从而发挥出佳的工作效果。机器人可以执行重复、jingque和危险的任务，从而减轻人类的工作负担。同时，人类可以通过指导、监督和判断机器人的行动，保证任务的安全和准确性。

协作机器人是实现人机协作模式的重要载体。协作机器人属于工业机器人的分支，区别于传统工业机器人追求“刚度”的特点，协作机器人更多地追求轻量化、柔性及安全协作性，在应用于工业场景中时，打破了传统工业场景的局限，在机器人产品与工人之间无需设置隔离栏进行分离，双方能够在共同空间中进行近距离交互，实现人机共融协同作业，充分发挥机器人的效率及人类的智能。

图表：协作机器人工作场景

资料来源：传感器技术微信公众号、星璨资本整理

协作机器人具有以下几个优势：（1）通过多传感器融合，提高机器人智能水平，使编程更加简单，提高环境适应性；（2）结构灵巧、低功耗、低噪声，无需安全围栏实现人机并肩工作；（3）小型、轻巧、可移动、安装方便、即插即用，为用户降低成本和时间；（4）使用范围广，不仅可以用在工业制造领域，也可以用在家庭服务、休闲娱乐场合。

随着人工智能与机器人等技术的快速发展，工业机器人已经成为工业自动化的重要组成部分。与传统工业自动化相比，未来的工业自动化将更注重人机协作，更加人性化，协作机器人将会成为工业自动化领域的重要应用。

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