技术前沿：工业自动化——伺服系统和PLC

技术前沿：工业自动化——伺服系统和PLC

工业自动化是机器设备或生产过程在不需要人工直接干预的情况下，按预期的目标实现生产和过程控制的统称。实现生产和过程控制自动化的装置称为自动化控制系统。自动化控制系统作为高端智能装备的重要组成部分，是实现工业自动化、数字化、网络化和智能化的关键，其一般由控制层、驱动层、执行层、反馈层和输配电产品等构成。

在自动化控制系统中，控制层根据接收的指令，对生产制造过程的温度、压力、流量、物位等变量或物体位置、倾斜、旋转等参数进行控制，同时向驱动层发出信号；驱动层部件接收控制层指令后，将其转化为电压、电流等信号，执行层部件执行相应的运动，从而带动机械构件（负载）实现特定运动；传感层部件主要负责感应、测量、反馈内外部信息并传输相关信号，保证整个自动化控制系统的稳定运行；输配电产品主要作用是连接系统各部门，并传输能量和信号。

工业自动化、数字化综合服务

在工业自动化领域，上游产品制造商主要专注于自动化产品的研发和批量化生产，其产品的品种规格型号众多、应用复杂。下游客户行业分布极为分散，而且个性需求差异大，需进行技术集成或二次开发，才能形成满足目标需求的自动化控制系统和信息管理系统。行业特性决定了上游产品制造商完全自建销售团队不具备经济性，采用分销模式已成为行业的普遍做法。因此，具有渠道优势、熟悉产品功能且具备技术集成和二次开发能力的综合服务商在行业中具有重要地位。

MES系统全称为“ManufacturingExecutionSystem”，即制造执行系统。制造业的信息管理系统体系大体可以分为四个层级：（1）企业管理级系统，即ERP系统，（2）生产管理级系统，即面向制造企业车间执行层的生产信息化管理系统，（3）过程控制级和（4）设备控制级和检测驱动级。其中设备控制级和检测驱动级以实现单机自动化为目的，过程控制级为在单机自动化的基础上实现工业生产过程自动化。而生产管理级和企业管理级的信息管理系统，是在单机自动化和过程自动化均已实现的基础上，通过结合计算机技术、软件技术、网络技术和信息技术等来实现。

自动化控制系统集成

自动化控制系统集成是基于客户的目标需求，按照其产品或项目的整体方案、工艺要求，通过自动化系统方案设计、方案论证、产品选型、控制算法设计、定制软件开发与嵌入、成套集成装配、现场调试、培训等，为其提供生产过程或制造装备的自动化成套系统，且运行效果达到设计标准，从而实现系统集成成套服务。

技术集成产品销售主要面向单机设备的自动化，其控制技术偏重于运动控制技术和现场总线技术，协助客户实现控制系统中的一个或几个功能需求，一般向客户交付自动化产品组合+功能软件程序。

而自动化控制系统集成业务主要面向工厂车间生产线或大型装备的自动化，需要更深度地了解客户的工艺要求，控制技术偏向偏重于运动控制技术、工业网络技术和PID控制技术，需要解决客户整套自动化控制系统目标，一般向客户交付系统成套产品并提供控制原理图、电气接线图、外形尺寸图等可编辑的CAD格式图纸及部件清单等配套信息。

以中科钢研节能科技有限公司的碳化硅长晶炉设备为例，该设备的控制系统主要包括传动系统、控压系统、控温系统、水路系统等组成。传动系统主要用于工艺人员驱动电机带动机械部分进行上下料；控压系统主要用于控制设备腔体内部，压力以及腔体内部各种气体含量；控温系统则应用于晶体生长时控制坩埚内部温度恒定使坩埚内部粉末能够持续稳定升华结晶；水路系统则是在设备运行时为设备各个部件进行降温。

MES系统概述

传统制造过程的特点是“自上而下”按计划生产，重点放在计划层，缺乏对计划层和生产控制层的衔接，无法实施生产过程的实时监控、分析。MES系统可通过数据采集引擎，实现对单机自动化、过程自动化的生产信息进行收集、分析，为ERP系统提供完整、及时、准确的生产执行数据，从而实现从生产计划、物料人员安排、生产过程监控、设备管理、产品入库、销售配送等闭环监视。MES系统在制造企业生产管理的作用如下图所示：

运动控制产品

包括了小型和中型PLC、交流伺服系统、低压直流伺服系统、驱控一体化专机等多种运动控制核心产品，覆盖了自动化控制的控制层、驱动层和执行层等核心领域。

伺服驱动器和小型PLC生产工艺流程图

智能制造与自动化控制系统概述

智能制造是基于新一代信息技术与先进制造技术深度融合，贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动各个环节，具有自感知、自决策、自执行、自适应、自学习等特征，旨在提高制造业质量、效益和核心竞争力的先进生产方式。

智能制造的重点内容在于关键工序智能化、关键岗位机器人替代、生产过程智能优化控制、供应链优化以及智能工厂和数字化车间建设。

智能制造实现需要多个层次技术产品支持，主要包括工业机器人、3D打印、工业物联网、工业互联网、云计算、工业大数据、工业网络安全、虚拟现实和人工智能等；通过信息物联技术、智能化的控制和驱动产品以及自主可控的智能装置，从而实现制造业务的全自动化、数字化、网络化、信息安全化。

智能制造的实现需要大力发展智能制造装备，智能制造装备业是为我国工业生产体系和国民经济各行业直接提供技术装备的战略性产业，具有产业关联度高、技术资金密集等特征，是各行业产业升级、技术进步的重要保障和国家综合实力的集中体现。

智能制造装备的产业水平已经成为当今衡量一个国家工业化水平的重要标志。加快发展智能制造，对我国巩固实体经济根基、建成现代产业体系、实现新型工业化具有重要作用，是抢占未来经济和科技发展制高点的战略选择，对打造我国制造业竞争新优势、实现制造强国具有重要战略意义。

工业自动化是机器设备或生产过程在不需要人工直接干预的情况下，按预期的目标实现生产和过程控制的统称。实现生产和过程控制自动化的装置称为自动化控制系统。自动化控制系统作为高端智能装备和智能数字工厂的重要组成部分，是实现工业自动化、数字化、网络化和智能化的关键，其广泛应用于医药、生物、冶金、石油、化工、有色金属、机械、汽车、纺织、造纸、航空航天等诸多现代工业，是我国实现产业结构升级、打造制造业竞争优势的重要基础系统。其一般由控制层、驱动层、执行层和反馈层等产品通过系统集成形成系统类产品。

工业自动化行业的市场主体结构

工业自动化行业上游为自动化硬件、软件制造商，目前我国工业自动控制系统装备制造行业仍由外资主导，但国内企业的市场占有率在不断提升，进口替代处于加速阶段。

行业中游主要有两类，一为偏向渠道的产品分销商；二为侧重技术应用的系统集成商。行业下游客户可分为OEM型和项目型，OEM型市场主要面向批量生产自动化、智能化制造装备的客户；项目型市场是指工程整体自动化系统的设计和实施。

工业自动化领域的市场主体结构、产品性能和应用场景的特性决定了中游服务商存在的必然性。一方面，自动化领域下游客户极为分散，存在众多中小企业客户，而上游产品制造商又较为集中，仅靠自身服务团队难以满足市场需求且不具备经济性，因此大多数行业上游大型制造商会采取分销模式，通过代理商形成庞大的销售网络，增强市场竞争力。另一方面由于客户行业差异，工业自动化系统在不同行业的受控过程、受控对象存在较大的多样性和复杂性。

一套可靠、完整、能够满足目标需求的自动化控制系统的集成，既需要了解各类自动化产品的性能，又需要掌握系统集成技术，充分考虑系统兼容、后续升级等问题，还特别需要充分了解受控对象的工作原理、工艺流程和现场特点等，因此以行业为目标市场的系统集成商或综合服务商在产业链中具有重要作用。

自动化控制系统构成

自动化控制系统一般由控制层、驱动层、执行层、反馈层以及输配电辅助设备等产品通过系统集成而形成。控制层根据接收的指令，对生产制造过程的温度、压力、流量、物位等变量或物体位置、倾斜、旋转等参数进行控制，同时向驱动层发出信号；驱动层部件接收控制层指令后，将其转化为电压、电流等信号，驱动执行层部件执行相应的运动，从而带动机械构件（负载）实现特动运动；传感层部件主要负责感应、测量、反馈内外部信息并传输相关信号，保证整个自动化控制系统的稳定运行。

全球工业自动化发展历程

工业自动化是指以自动化的方式实现工业控制，其发展历程伴随机械、电子电力、计算机和通信等技术的发展升级而不断迭代。全球工业自动化发展主要经历了四个阶段：

我国工业自动化发展历程

改革开放前，我国工业自动化发展较为滞后，工业化道路发展缓慢，一些单机自动化加工设备开始出现，工业自动化在我国刚刚处于起步阶段。随着改革开放政策的实施，外国资本开始涌入中国市场，同时也带来了全新的技术与设备，工业自动化控制产品被广泛应用于工业控制的各个领域，并日趋成熟。

2000年加入世界贸易组织（WTO）后，工业自动化需求随着出口的增长而大幅增加，工业自动化技术得到更为广泛的应用，促进了中国制造业蓬勃发展。

然而，与世界先进水平相比，我国制造业在自主创新能力、资源利用效率、产业结构水平、信息化程度、质量效益等方面差距明显，转型升级和跨越发展的任务紧迫而艰巨。并且，我国制造业面临劳动力成本上升、产能利用率较低且产品附加值较低、消费场景和需求多样化等挑战。构建以智能制造为重点的新型制造体系，着力强化工业基础能力是解决前述问题的重要路径。

2008年国际金融危机爆发后，发达国家纷纷实施“再工业化”战略，重塑制造业竞争新优势，加速推进新一轮全球贸易投资新格局。与此同时，一些发展中国家也在加快谋划和布局，积极参与全球产业再分工，承接产业及资本转移，拓展国际市场空间。我国制造业面临发达国家和其他发展中国家“双向挤压”的严峻挑战。

在此背景下，围绕实现制造强国的战略目标，国务院于2015年5月发布了一系列战略规划，作为实施制造强国战略第一个十年的行动纲领，明确提出以促进制造业创新发展为主题，以提质增效为中心，以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线，以推进智能制造为主攻方向，着力发展智能装备和智能产品，突破新型传感器、智能测量仪表、工业控制系统、伺服电机及驱动器和减速器等智能核心装置；改造提升传统产业，在重点领域试点建设智能工厂、数字化车间，加快人机智能交互、工业机器人、智能物流管理等技术和装备在生产过程中的应用，促进制造工艺的仿真优化、数字化控制、状态信息实时监测和自适应控制，使企业生产过程由电气自动化向数字化和智能化方向发展，推进生产过程智能化，培育新型生产方式，全面提升企业研发、生产、管理和服务的智能化水平。

2021年12月，工信部、发改委等八部委联合发布了《“十四五”智能制造发展规划》，提出了“‘十四五’及未来相当长一段时期，推进智能制造，要立足制造本质，紧扣智能特征，以工艺、装备为核心，以数据为基础，依托制造单元、车间、工厂、供应链等载体，构建虚实融合、知识驱动、动态优化、安全高效、绿色低碳的智能制造系统，推动制造业实现数字化转型、网络化协同、智能化变革。到2025年，规模以上制造业企业大部分实现数字化网络化，重点行业骨干企业初步应用智能化；到2035年，规模以上制造业企业全面普及数字化网络化，重点行业骨干企业基本实现智能化”的发展路径和目标。

我国工业自动化整体市场规模情况

改革开放以来，我国凭借庞大的市场潜力、人口红利及人才技术潜力，接受发达国家产业转移，推动工业制造迅速发展。特别是加入WTO以后，随着出口需求地大幅增加，我国制造业蓬勃发展，带动了工业自动化技术地广泛应用。此外，人力资本的不断增长，市场对产品品质、制造精度需求的提升，也都带动工业自动化市场规模的日益增长。根据中国工控网发布的统计数据，我国工业自动化市场规模自2004年以来，总体呈现上升趋势，市场规模已经从2004年的652亿元增长至2022年的2,629亿元。

我国工业自动化细分产品的市场规模情况

1）工业自动化细分产品市场份额及增速情况

《2021年中国工业自动化市场白皮书》将自动化控制系统分为六大类子系统：控制系统、驱动系统、运动系统、反馈系统、执行系统以及其他。根据其披露的数据，2012年和2021年各子系统在自动化领域的市场份额变化如下图：

从上图可知，控制系统、运动系统、反馈系统的份额占比提升较大。另外，从细分产品的增速来看，2021年低压变频器、伺服、HMI、CNC、小型PLC、中大型PLC，同比增速分别为19%、35%、26%、37%、23%、19%。

2）工业自动化产品下游需求领域情况

工业自动化产品的下游需求主要来自两种类型市场：OEM型市场和项目型市场。根据《2021年中国工业自动化市场白皮书》统计的数据，自2016年以来，项目型市场规模稳步增长，OEM市场在2019年出现一定降幅，但2020年又恢复增长且增长幅度达到20.2%；2021年继续保持27%的高增长率。

下图列示了自动化产品在OEM型市场不同行业的销售规模和增速情况，从中可知：（1）2020年机床工具、电子制造设备、风电设备、纺织机械、包装机械五大行业的市场规模最大；（2）2015年至2019年电子制造设备、建筑机械和医疗设备三大行业的需求规模复合增长率均在10%以上；（3）受外部冲击事件影响，2020年口罩、医护产品、电子产品的需求大增，带动了这些行业对自动化产品的需求，同时“抢装潮”也带动了风电设备行业2020年对自动化产品需求的大幅增加。

下图列示了自动化产品在项目型市场不同行业的销售规模和增速情况，从中可知：（1）2020年，化工、石化、市政、电力冶金五大行业的市场规模最大；（2）电力、建材、油气在过去五年的复合增长率为负，而石化行业复合增长率在10%以上；（3）化工、市政、公共设施在2015年至2019年复合增长率较高，但2020年受外部冲击事件影响，增幅有所回落；（4）矿业在2015年至2019年复合增长率为负值，但2020年出现较大的市场增速。

我国工业自动化核心产品的规模和竞争格局

工业自动化产品品类繁多，根据市场规模，核心产品主要有控制系统的PLC、驱动系统的变频器、运动系统的通用运动控制（GMC）和数控系统（CNC）、反馈系统的传感器和各类仪表仪器，以及执行系统中的调节器和接触器等。

1）伺服系统的市场规模和竞争格局

①伺服系统特征

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。伺服系统是工业自动化的核心部件，由伺服驱动器、伺服电机、编码器组成，编码器一般安装在伺服电机内。伺服系统通过伺服电机输出给定的位置、转速或扭矩，实现对机械的精准控制。

伺服驱动器通过现场总线、脉冲或者模拟量的形式接收PLC的运行指令，然后将收到的指令解析为控制伺服电机运行的位置、转速或转矩命令，输出驱动伺服电机运动的电压和电流；伺服电机将收到的电压和电流转化为机械运动以驱动控制对象；编码器安装在伺服电机上，与电机同步旋转，将电机运动的速度和位置信息发送回伺服驱动器。伺服驱动器采用闭环控制的方法，调节输出到电机的电压和电流、使伺服电机的运行跟随PLC的运行指令。

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，更为重要的是，伺服系统可以赋予生产设备更加灵活的生产能力。通过控制指令的改变和参数的设置，伺服系统可以通过改变设备运行的速度和位置来满足生产不同规格产品的需求，无需人工调整生产设备即可实现生产订单的切换，降低人工操作调整带来的不确定性和不稳定性。因此，伺服系统目前广泛地应用于各种装备制造行业。

②伺服系统发展历程

伺服系统的发展主要经历了机械、液压、电气化伺服三个阶段，现代意义上的伺服系统通常是指电气伺服，电气伺服又走过几个不同的历史阶段：（1）第一阶段：20世纪60年年代前。电气伺服系统普遍采用功率步进电机作为动力源，一般不设计反馈回路，以开环控制为主；（2）第二阶段：20世纪60年-70年代。直流电机开始广泛应用于电气伺服领域，这一阶段主要以直流有刷电机作为驱动源，多用旋转变压器、测速发电机、编码器等传感装置构成闭环控制系统；（3）第三阶段：20世纪80年代以来。新技术及新材料的飞跃促使电气伺服进入交流伺服时代，执行电机通常以永磁同步电机为代表，并逐步占据了当今伺服领域主要市场。随着计算机和数字技术的快速发展，交流伺服系统性能得到不断提升。

目前电气伺服系统主要分为直流伺服系统和交流伺服系统。直流伺服电机由于具有低电枢感应电抗，因此可实现精确和快速的启动或停止功能。它们多用于能通过微控制器或计算机控制的装备上。交流伺服电机包含编码器，它与控制器一起提供闭环控制和反馈。交流伺服电机都有更先进的设计，同时配备更优良的轴承，交流伺服电机的工作电压更高，因此扭矩也更大，精度也更高，交流伺服电机主要运用于机器人、自动化装备和CNC等机械设备上。

③伺服系统的市场规模

根据MIR睿工业的数据，我国伺服系统市场规模已从2015年的102亿元增长至2021年的233.3亿元，复合增长率13.4%。

④伺服系统的竞争格局

20世纪70年代开始，国外伺服系统技术发展迅速，产生了德国西门子、法国施耐德、日本松下、日本三菱电机、日本安川、台湾台达等国际知名企业。其中，日本品牌以良好的性价比和较高的可靠性占据了我国较大的市场份额，在中低端设备市场中具有优势，而欧美品牌凭借较高的产品性能在高端设备中占据优势。

我国伺服系统的自主研发起步较晚，目前该领域主要的自主研发生产企业起步于2000年以后。通过引进、消化吸收国际先进技术等举措，国内企业自主研发的伺服系统开始进入快速发展阶段，国产伺服系统产品质量和技术水平不断提升，并逐渐在国内市场中取得一定的份额。

目前，外资品牌在我国伺服系统市场的份额占比仍然较高，其中日系品牌优势突出，安川、三菱、松下三家日系企业2021年的合计市场份额达30%。但国内企业伺服系统产品成长快速，特别是汇川技术，其2021年的市场份额已达16%，成为行业第一。

2）PLC的市场规模及竞争格局

①PLC特征

PLC是可编程逻辑控制器的简称，是一种主要应用于工业控制领域的控制器。PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的新一代工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、计时计数等顺序控制功能，建立柔性的编程控制系统。

PLC主要由CPU、存储器、输入接口、输出接口、通讯接口、扩展模块接口组成。PLC通过输入接口采集各种开关和传感器的信号，通过输出接口控制各种开关和动作机构；通过扩展模块接口连接PLC扩展模块，增加PLC控制的点数或者支持特殊功能；通过通讯接口与其他PLC及各种工业设备通讯；用户通过运行在PC上的编程及调试软件进行程序编写和调试，程序保存在存储器中。

PLC运行时，CPU执行用户保存在存储器中的用户程序，通过输入接口、输出接口、通讯接口以及扩展模块控制自动化设备，实现各种动作工艺和逻辑。

依据I/O点数不同，PLC可以划分为小型PLC、中型PLC和大型PLC：

A、小型PLC：I/O节点低于256点，体积小、价格低，主要用于小型设备实现单一功能；

B、中型PLC：I/O节点介于256点和2048点之间，初步具备了通讯功能和模拟量功能，并具备比较丰富的指令系统，能够应用于大型控制系统或多机系统；

C、大型PLC：I/O节点高于2048点的PLC为大型PLC，在软硬件方面的性能都比较优越，具备强大的通信能力和处理能力，主要应用于大型的分布式控制系统。

②PLC发展历程

中国PLC行业发展至今，主要历经了起步、缓慢发展以及稳定发展三个阶段：

A、起步阶段（1970-1990年）上世纪70年代，中国从国外引进PLC，但由于当时PLC价格较为高昂，应用范围相对较窄，仅主要应用于冶金、电力等规模较大的生产设备和控制系统中。

通过引进国外的PLC，中国相关企业、研究所等主体逐步开始学习、吸收和提升PLC关键技术。这一发展阶段，PLC行业缓慢起步，企业研发实力不足、资本投入有限、生产技术水平尚待提高等因素对本土品牌的发展限制较大。

B、缓慢发展阶段（1991-2000年）中国政府对于PLC发展较为重视，在当时的机械电子工业部的领导下，中国机电一体化技术应用协会可编程序控制器（PLC）分会于1991年成立。

PLC分会的成立有助于开展PLC行业调研、制定行业技术和产品发展规划、推广PLC应用技术、促进行业内各参与主体的信息交流和资源共享，进而推动PLC行业发展。

上世纪90年代行业标准制定工作也开始进行，中国工业过程测量和控制标准化技术委员会-可编程序控制器及系统分技术委员会SAC/TC124/SC5于1993年成立，该标准化技术委员会基于国外PLC技术、产品以及国际电工委员会发布的IEC61131等相关标准，结合中国工业控制领域的PLC应用需求，制定了GB/T15969可编程序控制器系列国家标准，在行业标准化进程中取得重要进展，为中国PLC行业发展奠定了重要基础。

在这一发展时期，行业应用需求较小，PLC市场容量未得到充分释放，且国产PLC研发、生产主体“轻”技术研发、“重”系统集成应用的发展路径限制了PLC技术水平的提高，制约了行业内本土PLC企业的崛起，国外企业在这一阶段占据了市场的主导地位。

C、稳定发展阶段（2001年至今）随着计算机技术、通信技术、自动控制技术等高新技术水平的提升，PLC研发门槛逐渐降低，产品价格逐步下降。另一方面，中国制造业的快速发展为PLC的应用提供了大量的市场机会，而随着PLC行业下游应用领域的多样化发展，PLC应用范围也呈现出扩大趋势，PLC已由最初局限于大规模设备系统的应用逐步发展为适用于大、中、小型设备系统。

这一时期，本土企业开始聚焦于工业自动化、工业控制和PLC等领域，并在发展过程中逐渐积累了PLC的研发、生产和应用经验，通过深耕细分市场积累竞争优势、逐步提升市场占比，出现了一批以汇川技术、信捷电气、麦格米特等为代表的具有市场竞争力的本土企业。

在这一时期，PLC技术水平逐步提高，行业标准体系逐步完善，本土企业逐步发展、市场竞争力逐步提升。中国相关产业政策为PLC行业发展提供了良好发展环境，在工业化、智能化发展的大背景下，工业企业的信息化进程逐步加深，工业控制市场需求持续增长，PLC市场容量稳定释放。

③PLC的市场规模

来受益于我国工业自动化的快速发展，PLC市场规模逐年增长。国金证券研究报告数据显示，我国PLC市场规模已从2015年的72亿元增长至2021年的158.48亿元，复合增长率约14%。

④PLC的竞争格局

国内PLC市场份额主要由西门子、三菱、欧姆龙、罗克韦尔等欧美和日系巨头占据，西门子在国内PLC市场的份额超过40%，三菱的市场份额约14%。

欧美企业凭借领先的技术优势在大中型PLC市场占据绝对垄断地位，日系企业在小型PLC市场占有优势，本土企业近年来发展迅速，在小型PLC市场的份额有望逐步提升。

大型PLC第一大品牌是罗克韦尔，国内市场占比40%。大型PLC主要应用于冶金，电力，交通等领域，因此对产品的安全性，可靠性和抗干扰性要求比较高。

另外，应用大型PLC的场合一般来说工艺比较复杂，需要多样的和灵活的通信方式以及较好的网络拓展能力，因此对大型PLC的网络通信能力要求较高。大型PLC是竞争壁垒最高的领域。

中型PLC是竞争格局最为集中的领域，第一大品牌西门子国内市场份额占比达56%。中型PLC也主要应用于项目型市场，需要建立小规模的网络，因此通信能力和组建网络的便利性，成为中型PLC的技术趋势。

另外在OEM型市场中，由于采用中型PLC的应用在OEM应用中通常属于高端应用，机器的复杂程度较高，在PLC的CPU指令处理速度、程序容量、运动控制精度，通信方式等方面有较高要求。

小型PLC市场由于技术壁垒相对较低，市场相对分散，但基本还是由西门子、三菱、欧姆龙等外资品牌占据领先地位，三者国内市场占比分比约为27%、13%、14%。西门子多年来凭借小型PLC产品的性价比优势持续保持领先，但本土品牌汇川技术、信捷电气、合信等近年来也发展较快，逐步在小型PLC市场占据一席之地。

我国工业自动化服务市场规模与竞争格局

1）工业自动化服务市场特征

工业自动化服务处于行业中游，连接产品制造商和下游客户，在整个价值增值传递的过程中具有独特的桥梁作用。工业自动化产品服务商主要有两类企业或提供两种类型服务：（1）偏向供应渠道的产品分销；（2）侧重技术应用的系统集成，即根据用户的个性化需求，基于标准化产品进行方案设计、系统集成和二次技术开发，将标准成品集成为专用的控制系统。

产品分销一般主要提供产品销售、物流配送和售后服务，但分销又区别于产品制造商的销售部门，是由独立的第三方进行的从制造商到终端用户的整个商品传递过程中所涉及的一系列活动。由于工业自动化产品专业性强、品类多样性，因此产品制造商往往会聚焦于某一类或某个领域产品，且工业自动化产品应用复杂且广泛，建立覆盖广泛的渠道网络对单一产品制造商而言，一般不具有经济性。

因此，分销成为工业自动化领域广泛采用。在国外，工业自动化产品的分销模式已经非常成熟，专业的分销商及其所拥有的专业物流系统和服务密集的分销网络，成为工业电气产品产业链中不可或缺的环节。在我国，分销模式也已发展成为中低压输配电产品和工业自动化产品销售的主要模式。

系统集成是基于客户需求，进行系统或功能方案设计，在优选各种自动化产品的基础上，建造、安装和调试一个实现客户目标的自动化系统或功能模块的综合服务。根据实现方案的复杂程度，系统集成一般又可以分为系统型系统集成和功能型技术集成。要解决客户需求，系统集成商既要了解完整的自动化产品线，又要对具体行业、甚至单一客户的工艺充分理解，同时具备二次技术开发能力，才能形成量身裁定的方案。

在结合自身对工艺和应用理解的基础上，系统集成商还可以挖掘并嵌入自主知识产权的程序或模块，并对集成方案进行封装，融合，培育和打造了具有自主知识产权的核心解决方案，从而在激烈的市场竞争中立足。

此外，对工业自动化服务商而言，系统集成业务与分销业务又是相辅相成，具有协同效应。分销渠道有利于服务商扩到渠道布局，为系统集成业务发展积累客户群，系统集成业务也有利于提升服务商的市场认可度，扩大产品销售，增加用户粘性。

2）工业自动化服务的市场规模

根据工控网统计数据，2021年我国工业自动化产品市场规模约为1,828亿元，，但在公开市场尚未分销业务的市场规模数据。另根据平安证券研究所的估算，“分销商在工控（工业自动化）市场的可达市场空间约为整体市场容量的70%”，以此推算2021年分销渠道销售的工业自动化产品市场规模约为1,280亿元。

3）工业自动化服务的竞争格局

在制造业高度繁荣、工业自动化蓬勃发展的今天，市场的变化、技术的更替都无时无刻不在影响着工业自动化向前发展的方向。

工业自动化作为一个多元、复杂的领域，涵盖的范围广阔、市场延续继承性强、技术发展比较迅速，并呈现出了鲜明的多元化集成的特点，已经逐渐从以逻辑控制为主的制造业发展到需要复杂回路调节的连续过程工业，关乎国计民生的各个行业都已经应用到了基于PLC的控制方案、DCS控制系统，以及基于集成架构的混合控制系统等先进自动化技术。传统自动化行业中也不断的应用到了现代信息技术和通讯技术的最新研究成果，从而满足不断变化的客户需要。

由于应用行业极为广泛，工业自动化市场还难以走向完全标准化的特殊阶段，因此行业也未出现单一或几个力量“一统天下”的局面。目前，工业自动化服务供应领域是一个由自动化系统服务商、各种从事自动化工程或机器制造的系统集成商、行业设计院以及自动化产品代理商共同组成的舞台，他们在整个的价值链体系中各自发挥其不可替代的作用。

自动化服务商主要由以下三类企业组成：

（1）行业上游产品制造商，以施耐德、ABB、西门子、三菱等为代表，这类企业不仅向市场提供自动化产品，也在深度介入为行业提供自动化系统解决方案；

（2）行业下游客户，这类企业一般为大型企业集团下属的工程公司，由于在集团项目建设中积累了丰富的项目经验，因此在发展中也形成了对外甚至跨行业提供系统解决方案的能力；

（3）行业中游服务商，这些企业一般了解完整的自动化产品线，同时在某些领域积累了形成自身技术特色的自动化系统解决方案能力。

行业发展趋势

（1）集成化

集成化一方面是指新一代的工业自动化系统技术，是集多种学科、多种技术，如光机电技术、信息技术、系统控制技术、人工智能等之大成，另一方面是指现代的工业自动化系统是企业生产控制、经营、管理的集成，把“自动化孤岛”式的单机系统、分散单元和功能软件集成为一个综合大系统，它不仅包括现场控制，而且还有营销决策、原料供应、生产计划、工艺监督等内容，这种集成已从单项局部集成向多项综合集成发展，从而可以提高企业的整体效益。现场总线智能仪表和开放式系统是综合自动化中最有效的装备。计算机集成综合自动化系统（CIMS、CIPS）是工业自动化的高级组织形式和发展方向。

（2）数字化

随着控制计算机通信和网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制和管理的各个层次，从工段、车间、工厂、企业到世界各地的市场。90年代发展起来的现场总线广泛用于过程自动化和制造自动化等领域的现场设备互连通信网络。它作为工厂数字通信网络的基础沟通了现场设备之间及其与更高控制管理层之间的联系。现场总线技术的推广应用，因特网技术、企业内联网外联网技术与工业自动化技术的紧密结合，使未来的工业自动化系统向开放型网络式综合控制与管理系统发展。

（3）智能化

智能化包括机器智能化和脑力劳动自动化两个方面。一方面，工业自动化仪表、设备和系统采用现代科学技术手段（人工智能、机器人、知识工程、神经元网络、智能体、全能体等）使机器或系统具有人的某些智能，另一方面，采用智能系统替代或扩展人的脑力劳动，实现脑力劳动自动化。

新一代的工业自动化是智能自动化。近年来，工业自动化仪表正从模拟仪表走向数字化仪表，继而借助微处理器，专用集成电路（ASIC）、软件、现场总线、人工神经元等技术走向智能化，基于现场总线的智能仪表不再是传统仪表那样的硬件实体，而是基于现场总线的硬件、软件的结合体。

随之，工业自动化系统产业将逐步向智能产品转化，原来的仪表研究和制造部门将淘汰陈旧低档的产品，不断研制和更新智能化程度越来越高的整机、部件和模块，如推出多品种多规格的智能工控机、智能调节器、智能传感器和智能执行机构、智能低压电器等。智能控制技术与DCS、CIMS等的结合以及工业智能机器人等技术的推广应用将使工业自动化系统跃升到一个更高水平。

行业内的主要企业

（1）工业自动化、数字化综合服务在工业自动化服务领域，自动化产品通过服务商进行销售是产品流通的重要形式，且该模式已较为成熟。服务商以其所拥有的专业物流网络系统和相应的技术支持成为工业自动化产品产业链中不可或缺的环节。

（2）运动控制产品制造

全球工业自动化自20世纪40年代工业大生产开始发展至今，市场规模不断增长，经过激烈的市场竞争，目前形成了以西门子、施耐德、ABB、三菱等为代表的跨国企业主导全球工业自动化市场的格局。我国工业自动化产业起步较晚，相对而言，核心技术和品牌积累仍有较大提升的空间，以西门子、施耐德、ABB、三菱为代表的外资品牌仍然占据市场最大的份额，国产品牌今年发展迅速，市场份额也在快速扩大。国内同行业公司的基本情况如下：

自动化设备应用范围广，市场需求规模大

从自动化设备应用的行业广度分析，任何需要提升生产效率的现代制造业都需要使用自动化控制技术和装备，包括汽车制造、工程机械、石油化工、冶金、物流仓储、医药制造、消费电子、半导体产业等。从自动化设备应用的深度分析，随着我国经济的不断发展，终端消费者需求多样化，以及对产品品质、定制化的需求不断提升，这对制造厂商生产环节、工艺难度和制造水平的要求都在提升，而传统人工操作的误差及安全性风险导致制造业厂商对自动化生产需求强烈。我国制造业要缩小与发达国家的差距，需要在大批量生产技术基础上，不断向订制化、智能化、集成化方向发展，采用从生产加工到检测包装的全程自动化控制技术，从而保证了产品的质量，提高了生产效率。因此，在我国制造产业升级的大背景下，我国工业自动化和智慧化发展势不可挡。

人口红利逐步消失带动了制造业对自动化设备的需求

近年来，随着人口红利的逐步消失，我国的劳动力成本洼地效应逐渐减弱。“用工荒”问题困扰着越来越多的制造业企业，加上日益上涨的劳动力成本的影响，制造业产业升级的压力与日俱增，自动化设备的广泛使用也成为制造业的必然趋势。市场对工业自动化需求的增长，有效促进了行业主体加快创新步伐，增强市场竞争力，从而带动了行业的蓬勃发展。

实现工业自动化设备国产替代的趋势促进行业发展

我国工业自动化起步较晚，早期产品的可靠性与国际知名公司仍存在较大差异。但经过多年的发展，我国自动化行业厂商的技术水平和产品质量都在不断提高并持续缩小与国外品牌的差距，并借助国内制造业产业升级带来机遇，加快了对国外品牌的替代速度，国内厂商的市场份额持续扩大。近几年，国际贸易摩擦地加剧，对我国相关领域内核心部件的“自主、安全、可控”提出了迫切需求，进一步推动了自动化设备的国产替代趋势，为工业自动化设备实现进口替代提供了良好的市场机遇。

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SFC编程在TOYOPUC中应用的实例详解

一、SFC编程用语

SFC（Sequencial Function Chart）是通过使用多种图表对象，对生产过程中一系列工程简单地表现出来，类似流程图。历来LD、ST等编程方式不容易分析和判断“设备的各个部件的动作进展状况”，流程图是一种使动作进度成为可视化的工具。但传统的SFC编程思路和架构一般不考虑：自动运转中出现故障重启的处理方式、在主SFC进程中调用子SFC（类似功能块，数量允许的情况下在主SFC进程中随处可以调用同一子SFC）、稍微复杂的SFC程序里如何考虑步骤的重复转移（类似跳转功能）。本文以TOYOPUC（丰田工机）的PC10G系列PLC的实际案例介绍下如何考虑这三个方向。TOYOPUC主要的SFC用语如下图：

重点我们说下：子SFC（子过程）、并列、激活状态/非激活状态。 一台设备有多个机械部件组成，例如汽车生产线上的升降机有：升降电机（简称DL）（有上升、下降动作）、输送的滚筒线（简称CV）、阻挡器机构(（简称ST）、升降机的定位锁气缸（简称TU）。在一个SFC流程内，不同分支执行中会有相同的动作。例如DL上升动作，在分支1执行过程中有DL先上升到位（命名为“步11”）后执行CV运转等，在分支3执行过程中也有DL先上升到位（命名为“步21”）后执行CV运转等；把DL上升动作做成一个子SFC，子SFC在同一个过程中是可以重复使用的，在不同分支执行顺序中都可以执行 “DL上升子SFC”，这样用一个“DL上升子SFC”就可以代替原来的“步11”、“步21”、、、。熟练把某些动作流程打包成一个子SFC，可以使SFC整体程序更加简洁。并列有并列分支和并列汇合，平行分支线是用2根横线来表示。如下图，并列分支前的步骤1激活时，如果转换条件1成立，则向步骤2和步骤3同时过渡（即步骤2和步骤3同时进行处理）。需要注意的是并列汇合时，如果步骤2激活，步骤3没有激活，即使转换条件2成立也不会向步骤4过渡。并列汇合要求上一步骤要全部激活时，并列汇合的转换条件成立，才能向下一步骤过渡。在实际调试中发现转换条件已成立了，SFC不能继续往下执行，可能需要关注这个问题点。

激活状态： 可以执行动作的状态；非激活状态： 不可以执行动作的状态。在SFC中，步骤是一种执行单位，某一步骤成为非激活状态时动作也随即全部同时结束。在编程软件监控SFC程序或触摸屏监视SFC程序时，不同状态有不同的颜色指示，如下图。

二 、TOYOPUC的SFC编程软件和注意点

PC10G是TOYOPUC中大型PLC，使用PCwin编程软件。PCwin可以建立子程序、导入FB库、建立SFC动作流程、导入IO图纸、多语言切换等功能。

SFC程序是以步骤为单位进行执行，软件上要能做到进行到某一步骤时，由于报警等突然退出自动运转。恢复自动运转后，SFC程序能继续执行之前中断的步骤。PCwin在SFC编程上，需要用的2个FB块，FB14和FB15，这2个块是一定要使用的。如下图，FB14是用于PLC上电第1扫描ON时，将SFC输出信号领域全部清零；

FB15是用于控制哪个SFC进程可以运行。如下图，PLC运行时，SFC进程1是一直在运行。当M2C1=1时，SFC进程10才能运行，而进程10不运行时FB也会将对应的SFC输出领域全部清零。

三、TOYOPUC的SFC编程实际案例基本介绍

以汽车厂总装车间的座椅输送线为例，我们介绍下实际应用案例（座椅输送线简称SE）。座椅生产厂家用卡车将座椅运到总装车间的SE设备入口，SE设备负责接收卡车上的座椅（一卡车一般是20套座椅），然后将座椅输送到车间的汽车座椅安装工位。汽车厂的大部分输送系统都在循环输送某类工件，我们先了解下SE循环输送工件：座椅托盘，如下图。

我们以SE设备中的一台升降机（编号DL2）来详细介绍SFC编程的思路。如下图是DL2的平面布局，DL2双侧带CV滚筒输送机。DL2在下降位（地面）时CV7搬入CV6里带座椅的托盘，CV8搬出空托盘至CV24内；DL2在上升位（二楼平台）时CV7搬出带座椅的托盘至CV9内，CV8搬入CV23里的空托盘；TU06和TU07的作用是DL2在上升位时，机械气缸锁定住DL2，防止DL2抱闸等故障突然下坠。

下图是现场照片

先以初始状态、单动作模式来分析下DL2的主要动作模式：托盘从CV7搬出至CV9（简称CV7搬出）、托盘从CV6搬出至CV7（简称CV7搬入）、托盘从CV8搬出至CV24（简称CV8搬出）、托盘从CV23搬出至CV8（简称CV8搬入）；

DL2上升/下降、ST打开/关闭等都是准备/收尾步骤，最主要的步骤是运转电机进行搬入/搬出。我们以主要步骤来定义6种动作模式

四、升降机DL2的SFC编程

通过以上的基本介绍，6种动作模式是有重复的步骤。例如模式1，要执行DL2上升步骤；模式3，要执行DL2上升步骤；根据动作分析，建立6个子SFC：

这6个子SFC，在DL2的SFC进程中，可以认为就是一个基本单元：步骤。根据6种动作模式的准备步骤，在DL2的SFC的初始步往下的流程定义了4个主要选择分支：

主分支1的流程如下图，转换条件TR1135满足后，又回到DL2初始步。

主分支2的流程如下图，转换条件TR1165满足后，又回到DL2初始步。

主分支3的流程如下图。

主分支4的流程如下图。

五、执行SFC程序中突然退出自动运转，恢复自动运转后，如何回到之前的步骤

以主要分支3为例，SFC执行到SUB021（CV7搬出子SFC）时，由于报警等原因，DL2退出自动运转。

恢复自动运转后，DL2的SFC程序入口是从DL2的初始步ST1100进入。

方式1是以主要动作步骤来定义4个记忆，如下图

K型数据地址是断电保持型，SUB021（CV7搬出子SFC）开始执行时K112（CV7搬出中记忆）置位=1；除人为复位外，只有SUB021执行完成后K112才会复位=0；通过K112的记忆，去构造相关条件，就可以实现恢复自动运转后，DL2的SFC程序要恢复到SUB021这个步骤的相关转换条件可以满足。 方式2是在要相关的动作步骤增加判断，如已经完成这个动作就可以跳转到下个步骤。以DL2上升子SFC（SUB011）为例，如下图：

六、相关总结

SFC程序注重流程可视化，配合丰田工机的触摸屏，可以快速监视SFC程序的当前状态，并且可以通过点击切换到转换条件内部程序，快速确认设备故障、不动作原因；SFC程序框架并不复杂，首先要清晰的分析出设备的动作流程。根据主要动作来确定动作模式，根据不同动作模式的步骤确定重复步骤，进行打包成子SFC，在不同动作模式下调用子SFC。以模块式思路来搭建SFC程序框架后，进行SFC程序修改、优化是比较简单的。例如动作模式3 仅CV7搬出完成后（TR1182转换条件满足），原SFC程序是转移到初始步，如此时没有动作需求，DL2升降机是停在二楼平台。在该工况下DL2升降机左右2侧都是空席，业主的需求是希望此时DL2应该下降到地面等待CV7搬入，这样对座椅上件的节拍有利。增加DL2下降动作很简单，在TR1182转换条件下一步进入SUB012（DL2下降子SFC），下降到位后再转移到初始步。按照这个想法来修改忽略了一个情况，如果CV7搬出完成后,CV7搬入条件还未满足，而CV8具备搬入可条件，此时DL2是没必要执行下降动作，再上升到二楼平台执行CV8搬入。应该在TR1182后增加一个虚拟步来判断应该是直接下降到位，还是直接进行CV8搬入动作。其SFC的修改增加1个虚拟步，增加3个转换条件和1个转移目标。在LD程序中就是增加3行转换条件的程序内容。

七、末

JTEKT（捷太格特）是日本丰田和光洋等公司合作创办的企业，主要生产汽车轴承、转向系统、机床等。TOYOPUC（国内简称丰田工机）是JTEKT的机电一体化的控制器系列品牌（官方网址：https://toyoda.jtekt.co.jp/c/products/mecha.html）。有TOYOPUC小型、中型、大型、安全PLC、远程模块、通信模块、触摸屏、运动控制器等产品。相关通信协议有FL-远程、FL-net、以太网等。国内基本只有一汽丰田和广汽丰田的工厂在使用TOYOPUC控制器产品，而且由于价格较昂贵，对比其他日本品牌如三菱、欧姆龙等，没那么让大家熟悉。可能大家刚开始接触TOYOPUC PLC时，会感觉不太习惯，但慢慢的会发现其产品的使用理念和丰田公司精细化管理的理念很相似。特别注重安全、解决故障的效率、程序功能上的统一性。

本文参考资料《TOYOPUC SFC使用说明书：程序设计篇》本文部分照片、资料出自相关设备厂商，纯为学习、交流之用，如有侵权麻烦联系删除，谢谢！

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