电气控制产品专题分析报告

电气控制产品专题分析报告

在国家强基工程的引导和市场需求的拉动下，一批具有自主知识产权的关键零部件实现了技术和规模应用的重大突破，部分核心零部件问题有所缓解。工程机械、大型锻压机械用高压、数字液压元件和系统，农业机械用静液压驱动系统等一批高端液压产品研发、生产取得重大突破。高端核级密封件系列产品实现。三峡升船机提升系统、海洋平台齿轮齿条升降传动装置、200km/h级高速客运机车和重载货运机车齿轮传动装置等高端齿轮产品已经基本满足配套需求。第三代轿车轮毂轴承单元技术水平达到国际先进水平，实现产业化并出口国外。重型燃气轮机不锈钢轮盘锻件、超超临界高中压转子锻件实现国产化。机器人用伺服电机、减速器、控制器等三大件的依赖进口问题正在扭转，部分产品进入产业化阶段。新常态下，我国经济已基本告别高速增长期，转向高质量发展阶段，经济发展从规模扩张转向结构升级，从要素驱动转向创新驱动，传统发展动力不断减弱，新动能正在培育。支撑机械工业发展的条件也发生了显著变化，劳动力、资源、土地等各种要素的成本增加，低成本优势减弱;自然资源和环境容量压力加大;新增适龄劳动人口增长放缓，人口红利下降;投资收益下降，要素利用效率有待提高。产业链韧性不强（一）产业链关键环节受制于人除核心零部件依赖进口外，机械工业所需的各类工业软件、国民经济重点领域急需的一批重大短板装备等与国际先进水平存在明显差距。一是研发设计、经营管理、生产控制、运维服务等核心工业软件与系统受制于人问题十分突出。如，在机床行业，机床工具研发设计所需高性能软件以及高档数控系统多被外资品牌所垄断，存在经济与安全风险;汽车行业的产品设计和仿真软件、发动机和变速器等控制软件、工厂生产监控软件等基本依赖进口。二是一批服务于国民经济重点领域的专用生产设备及生产线、专用检测设备及系统等重大短板装备自给能力较差，对产业安全造成严重威胁。如，在航空航天装备领域，大型精密钣金成形设备、大型复合材料构件制造设备等加工设备，以及高场强高电平电磁兼容检测设备等专用检测系统均严重依赖进口;在机器人领域，精密减速器成套装备的研制与生产能力不足，致使高精度减速器尚不能实现大批量生产。（二）产业链上下游衔接不顺畅产业链衔接不畅、韧性不强是制约我国机械工业创新发展和竞争力提升的重要因素，既体现在机械工业与其他产业间的融合不足，也体现在机械行业内部各环节间的协调性较差。一是与原材料制造部门融合发展不够。由于产业间协同创新薄弱，上下游企业合作松散，那些用量不大却十分关键的工业专用材料、功能材料始终依赖进口，这是致使我国机械关键零部件、部分高端装备等长期依赖进口的一个重要原因。二是与电子信息产业融合发展不够，机电一体化困难重重，推进至今仍存在深度不够的现象，两大行业交叉领域存在研发和制造的空白。三是行业内产学研用协同发展不足、衔接不畅。企业、高校、科研院所等各创新单元间缺乏衔接，创新成果转化困难;机械零部件企业、整机企业和用户间配合不够、信任度不高，供需矛盾突出。（三）产业链仍处于全球中低端虽然近年来我国机械工业展现出全球瞩目的规模发展优势，质量效益也有所提升，但与工业发达国家的水平差距依然较大，也没有同新兴市场国家形成明显市场竞争优势。由于部分关键核心技术缺失，品牌影响力不强，我国机械工业总体处于全球产业链的中低端，国际竞争力不强、后劲不足的问题仍需充分重视。作为发展中国家，工业化起步较晚、创新能力不强、基础较为薄弱，在已经形成的全球专利体系、技术标准架构中影响力弱，在全球价值链中提升分工地位仍任重道远。工业自动化控制系统行业行业向煤炭开采、油气钻采、工程机械等需应对复杂工作环境的客户提供变频调速一体机、专用变频器、特种电机以及电气控制及供电产品等高端智能装备，涵盖了工业自动化领域的控制层、驱动层及执行层，因此细分行业是工业自动化控制系统行业。（一）工业自动化控制系统简介工业自动化控制是指运用控制理论、仪器仪表、计算机和信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，从而达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的。而工业自动化控制系统是指利用工业自动化控制技术对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行检测与控制的工业自动化技术工具的总称，属于工业控制系统的重要组成部分。根据国际自动化协会起草的ISA-99/IEC62443标准，工业控制系统是指一个包括人员、硬件以及软件，能够对工业过程的安全性、可靠性造成影响的集合，通常具有测量、比较、计算和矫正四个功能，由传感器、转换器、发射器、控制器以及执行器五个部件完成。工业自动化控制系统包含的细分产品种类繁多，通常可以从功能上划分为控制层、驱动层和执行层，其中控制层主要负责理解与下达指令，一般包括PLC、DCS、HMI等控制元件；驱动层主要进行电信号的识别与传导，一般包括变频器、伺服驱动器等驱动器；执行层负责执行指令，包括各类驱动电机与配套元件等。工业自动化控制系统是现代工业生产实现自动化、柔性化、数字化、智能化的基础手段，是高端制造装备不可或缺的重要组成部分，是发展先进制造技术的关键，是实现产业结构优化升级的重要基础，广泛应用于采矿、油气、机床、风电、纺织、交通运输、电源等行业。（二）工业自动化控制系统产业链情况工业自动化控制系统的上游主要是半导体元器件、电子元器件、钢材以及结构件等，行业下游涉及的领域较多，包括OEM型的电子设备制造、包装、电梯等，以及项目型的电力、石化、油气、冶金、市政等领域。除部分核心零部件外，上游行业的供应情况对工业自动化控制系统的影响总体较小。上游行业基本属于市场自由化竞争阶段，虽然受供求关系等因素的影响，原材料和零部件在价格上出现一定程度的波动，但涉及工业自动化相关领域的业务发展较为充分、技术较为成熟、产品供应较为稳定，因此工业自动化控制系统企业可以通过调整产品价格，合理控制库存等措施转移部分原材料、零部件价格波动的风险。下游行业的市场需求情况对工业自动化控制系统的影响较为显著。下游行业需要的自动化设备种类繁多、型号规格各异，因此对下游行业具有高度依赖性的工业自动化控制系统也多为非标定制化产品。下游行业对自身自动化水平重视程度的高低对工业自动化控制系统产品的需求起到关键作用。（三）细分行业电气传动系统行业工业领域的自动化需要依赖于机械系统。机械系统通常由原动力系统、传动系统和执行系统组成，其中原动力系统为机械系统的运动提供基本动力，执行系统执行机械的具体功能，传动系统负责动力和运动的传递，执行系统与原动力系统不论运动方式，还是结构形式上，都存在一定差异，所以一些时候会出现原动力系统动力输出无法满足执行系统工作要求的情况。因此，机械系统运行中需要传动系统将原动力系统提供的运动和动力进行转换，并将其传递给执行系统，使执行系统正常运作，实现机械系统功能。机械系统的传动方式主要分为机械传动、流体传动以及电气传动，电气传动由于其精确度高、环保节能、节约成本等优势，得到广泛应用。电气传动是指利用电动机把电能转换为机械能，来带动各种类型的生产机械、交通工具等。而电气传动系统（又称作电力拖动系统）是电动机作为原动机的传动系统的总称，其可以通过对电动机进行合理有效的控制，实现生产机械的起动、停止、速度、位置调节，从而满足各项生产工艺的要求。在工业生产领域，电气传动系统是实现自动化控制的重要组成部分，被广泛运用于冶金、机械、轻工、矿山、港口、石化等行业，对于提升生产效率、节能和环保发挥着重要作用。电气传动系统包括三部分：控制部分、功率部分和电动机，三者构成一个整体，完成能量转换并满足特定机械所需的运动特征。利用变频器进行调速具有精度高、启动能耗低、占地少、功能丰富、操作简便、通用性强、易形成闭环控制等特点，目前被认为是理想的调速方案，代表着电气传动的发展方向。变频器是应用变频技术与微电子技术，将交流工频电源转换成电压、频率均可变的适合交流电机调速的电力电子变换装置。其能够通过内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，从而可以根据电机的实际需要来提供相应的电源电压，进而达到调速的目的；另外，变频器还有很多保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频调速技术飞速发展，变频器已广泛应用于工业生产的各个行业，促进了节能改造，提高了工业电气传动水平。根据使用场合的不同，变频器一般可分为通用变频器和专用变频器。通用变频器即适用于所有负载的变频器，可满足一般条件下机械系统的电气传动，在纺织设备、冶金风机水泵、市政锅炉以及水泥、陶瓷、玻璃生产线等领域应用广泛；专用变频器系因部分领域工作环境复杂，对变频器性能参数具有特殊要求，故应运而生的。例如在煤炭开采领域，因井下开采环境常见瓦斯、煤尘等易燃易爆气体，需对变频器进行隔爆设计，使之具备防爆性能，避免因变频器在使用过程中变热、打电火花等原因造成爆炸。变频器应用在工业生产领域解决了两大难题，一是便于实现自动控制；二是实现节能降耗。随着应用领域的不断推广，其重要性日益得到重视，未来随着工业生产的不断发展，将面临良好的行业发展机遇。以往变频器用于电气传动系统，一般采用电动机与变频器分离的方式，存在占地面积大、谐波干扰大以及电磁污染强等问题，因此以行业核心产品变频调速一体机为代表的，变频器与电动机的一体化逐渐引领技术潮流。高端装备行业的经营模式变频调速一体机、专用变频器、特种电机、电气控制及供电产品属于工业自动化领域电气传动与控制设备，其广泛应用于煤炭开采、油气钻采、工程机械、港口、冶金、船舶及水泥等行业。随着下游行业的不同，行业的经营模式亦会有所差异。总体来说，工业自动化领域的销售模式包括直销模式、代理模式及经销模式。从业务获取方式上来看，通常包括招投标和商务谈判。研发能力有所增强十三五时期，我国机械工业坚持创新驱动发展战略，行业技术创新体系进一步加强。2016-2020年，共分3批批准建设机械工业工程研究中心和重点实验室48家，其中工程研究中心24家，重点实验室23家，创新中心1家。截止至2020年底，已挂牌运行和正在筹建的创新平台241家，为加快提升我国机械工业技术研发和工程化试验能力、协同创新水平、促进我国机械产品在国内外市场形成竞争优势，切实发挥了重要作用。2016年至今，面向制造业创新发展重大需求的国家制造业创新中心建设迅速推进。截至2020年底，已论证通过和启动建设17家国家制造业创新中心，其中机械行业就有7家，分别为国家动力电池创新中心、国家增材制造创新中心、国家机器人创新中心、国家智能传感器创新中心、国家轻量化材料成形技术及装备创新中心、国家农机装备创新中心以及国家智能网联汽车创新中心等。转型升级步伐加快（一）智能制造发展迅速企业对智能化发展的内生动力增强，数字化制造已在机械各领域大范围推广应用，机器人应用已覆盖国民经济130多个行业中类。电工行业截至2019年已实施智能制造专项70余个，涉及发电设备及输变电设备等重点领域，涵盖高、中、低压多个等级，基本实现了对电器工业全产业链的覆盖。工程机械骨干企业相继构建了自身的数字化研发体系、管理体系和服务体系，推动了研发、管理与服务的升级。部分农机企业通过应用管材激光切割机、焊接机器人、环保涂装生产线等先进设备，提高了加工制造能力，保证了产品一致性。在铸造行业，很多规模以上企业已采用自动化生产线，部分企业建成了数字化生产车间，少数企业走在了智能铸造领域的前沿，如发动机缸体数字化车间、砂型3D打印智能工厂等，并通过智能制造典型示范项目逐步总结出行业细分领域成熟模式，引领其它企业实施智能化改造。（二）服务型制造快速发展在用户的个性化需求、降本增效、提高盈利的期望驱动下，一批机械企业紧抓发展机遇，向产品+服务的方向发展，提供越来越多的高附加值服务，工业设计、融资租赁、节能服务、信息技术服务等生产性服务业逐步壮大。工程机械重点企业大力推进由工程机械到工程机械+的转型，向主机、服务、配件、租赁、大修等全方位价值链经营转变。电工行业部分骨干企业凭借长期专注技术研发能力和齐全的产品链优势，整合设计、研发、制造等资源，提供一体化产品解决方案和工程服务，积极开展国内外的工程总承包（EPC）项目。一些优秀风力发电设备制造企业积极拓展下游风电场投资业务，形成风机全生命周期管理能力，业务链条已经延伸到风电场的开发、投资、建设、运营等环节。（三）发展渐成共识十三五以来，绿色发展理念逐渐深入人心，绿色制造在机械各行业积极推广，取得了显著成效。随着电机、变压器、锅炉等通用设备能效提升行动的实施，高效装备市场占比不断提升，新增变压器中高效变压器占比已由2015年的12%大幅提高至46%。一批风机、泵、压缩机等制造企业大力开发节能产品，面向建材、冶金、纺织等工业领域通用机械产品存量市场，采用租赁、合同能源管理等多种方式对在用高耗能产品进行节能改造，提供节能减排系统解决方案。内燃机整机再制造企业已形成具有特色的发展模式，尤其是部分试点示范企业持续投入使再制造产业规模不断扩大，初步形成了高效的回收体系和运营模式。传统的铸造产业正逐步撕掉脏乱差的标签，一些关键环节通过机器人代替人工操作，生产效率和质量明显提升，型砂使用减少，能耗和排放大幅降低，车间环境也得到明显改善。2015年至2019年中国机械工业联合会重点联系企业的万元产值综合能耗值能下降了34%，年均下降近10%。高端装备行业技术发展趋势（一）高端装备行业智能控制以现代控制理论为基础，融入模糊控制、专家控制、神经网络控制，以形成高智能化的自动控制系统为现代自动化控制领域的发展方向。模糊控制依靠模糊控制器在执行控制过程中通过不断获取现场信息，及时调整模糊控制规律，改善系统性能，具有自学习功能。由于具有较强的鲁棒性和不敏感性，模糊控制使得控制系统的稳定性获得改善，可以提高控制精度、抑制振荡等现象；专家控制是人工智能领域的一个重要研究方法，在提高控制系统的灵活性和智能化方面具有优越性；神经网络控制从仿生学角度出发，对人体大脑神经系统进行模拟，使机器具有感知、学习和推理能力，神经网络能够不断逼近任意复杂的非线性关系，能学习与适应严重不确定的系统的动态性能，所有信息都等势分布储存于网络内各神经元，因此有极强的鲁棒性和容错性，在解决高度非线性和严重不确定系统控制方面有巨大潜力。（二）高端装备行业基于新材料的电力电子器件SiC（碳化硅）是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，可制作出性能更加优异的高温、高频、高功率、高速度、抗辐射器件。基于SiC的IGBT综合了GTR（电力晶体管）和MOSFET（金属氧化物场效应晶体管）的优点，具有较大的通流能力。目前已有实验证明，使用SiC混合的IGBT与普通IGBT相比，功耗约减小30%，开关频率的提高也有效降低了输出谐波，减小了电机脉动转矩，使整个系统效率提高。基于SiC的新型电力电子器件的研发将成为未来一个主要发展方向。（三）高端装备行业边缘计算传统的工业自动化架构，围绕连接到远程现场设备的集中式可编程控制器搭建。随着计算能力逐渐嵌入到使用新型智能组件的自动化系统的边缘，与传统的集中策略相比，边缘计算在设计上具备更多优势：例如，采用整合输入/输出、控制、数据处理、通信和人机界面等功能的边缘可编程工业控制器，可以实现控制决策实时进行，在数据源附近即可获得、预处理和分析数据，从而减少边缘设备上游组件所需的网络带宽、数据存储和处理能力。同时，边缘计算可以与其它现场自动化平台的监控系统、企业数据库进行交互，甚至可以与云端交换数据。边缘计算实现了物联网技术前所未有的连接性、集中化和智能化，由此可以满足敏捷连接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的需求，是未来实现分布式自治、工业控制自动化的重要支撑。（四）高端装备行业控制系统网络化随着计算机技术、通信技术和网络技术的不断发展，传统的控制领域正经历着向网络化方向发展的变革。控制系统的结构从最初的CCS（计算机集中控制系统），到第二代的DCS（分散控制系统），发展到现在流行的FCS（现场总线控制系统），语音信号等大数据量、高速率传输的要求，又催生了工业以太网与控制网络的结合。这种工业控制系统网络化浪潮又将诸如嵌入式技术、多标准工业控制网络互联、无线技术等多种当今流行技术融合进来，从而拓展了工业控制领域的发展空间，带来新的发展机遇。将现场总线、以太网、多种工业控制网络互联、嵌入式技术和无线通信技术融合到工业控制网络中，在保证控制系统原有的稳定性、实时性等要求的同时，又增强了系统的开放性和互操作性，提高了系统对不同环境的适应性。在经济全球化的今天，这一工业控制系统网络化及其构成模式使得企业能够适应空前激烈的市场竞争，有助于加快新产品的开发、降低生产成本、完善信息服务，具有广阔的发展前景。（五）高端装备行业工业通信无线化随着计算机网络技术、无线技术以及智能传感器技术的相互渗透、结合，产生了基于无线技术的网络化智能传感器的全新概念。这种基于无线技术的网络化智能传感器，使得工业现场的数据能够通过无线链路直接在网络上传输、发布和共享。无线通讯技术能够在工厂环境下，为各种智能现场设备、移动机器人以及各种自动化设备之间的通信提供高带宽的无线数据链路和灵活的网络拓扑结构，在一些特殊环境下有效地弥补了有线网络的不足，进一步完善了工业控制网络的通信性能。高端装备行业面临的机遇与挑战（一）高端装备行业机遇1、高端装备行业产业政策大力支持高端装备制造是现代产业体系的脊梁，是一个国家制造水平的集中体现。工业自动化控制行业属于高端制造产业的范畴，是国家产业政策重点支持和鼓励的行业，多个政府部门先后出台政策或指导意见，鼓励行业的快速发展。2016年，工信部、财政部联合发布《智能制造发展规划（2016-2020年）》，指出制造行业要提高信息化水平，加大对关键技术装备、工业互联网等先进技术的建设；2018年，工信部发布《国家智能制造标准体系建设指南》，指出我国应推进智能制造的有序健康发展；2019年，工信部发布《首台（套）重大技术装备推广应用指导目录（2019年版）》，提出贯彻落实关于促进装备制造业由大变强的总体要求，加快推进重大技术装备研制和推广应用；2021年3月，全国人大发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，提出深入实施智能制造和绿色制造工程，发展服务型制造新模式，推动制造业高端化、智能化、绿色化。培育先进制造业集群，推动集成电路、航空航天、船舶与海洋工程装备、机器人、先进轨道交通装备、先进电力装备、工程机械、高端数控机床、医药及医疗设备等产业创新发展。2、能源和环境现状促进高端装备行业发展目前，我国已成为世界上煤炭、钢铁、铁矿石、氧化铝、铜、水泥的主要消耗国，同时也是世界上最主要的能源消费国。在能源需求量持续增大的同时，我国的环境正面临严峻挑战，传统的能源高消耗的粗放型工业发展路线逐渐被淘汰。改造提升传统制造业，是建立资源节约型、环境友好型产业的必然选择。为实现节能减排目标，我国多部门陆续推出相关的政策及指导意见，促进全方位节能减排工作的落实。其中，2016年，《十三五节能减排综合工作方案》提出要促进制造业高端化、智能化、绿色化、服务化，构建绿色制造体系，推进产品全生命周期绿色管理。2019年，工信部发布《国家工业节能技术装备推荐目录（2019）》，提出在重点用能设备系统节能技术中推荐国产高性能低压变频技术，采用实时多任务控制技术、整流器技术、同步电机矢量控制技术等实现高效稳定，适用于冶金、船舶、港机等行业的低压高端变频调速领域。在该背景下，变频调速一体机、专用变频器等市场有望持续稳定增长。2021年，《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》提出到2030年，经济社会发展全面绿色转型取得显著成效，重点耗能行业能源利用效率达到国际先进水平。到2060年，绿色低碳循环发展的经济体系和清洁低碳安全高效的能源体系全面建立，能源利用效率达到国际先进水平，非化石能源消费比重达到80%以上。当前我国积极推进可持续发展的能源战略，加快调控转型，强化节能减排。再电气化对可持续发展能源战略具有重要意义，而推进再电气化则需深入实施电能替代策略，在工业、交通、商业等领域广泛推进以电代煤、以电代油。工业领域的再电气化将推动电驱化的不断发展，即使用电能代替燃煤、燃油、燃气等化石能源，实现用电结构优化，加快新旧动能转化。行业生产的变频调速一体机、专用变频器以及特种电机是实现工业生产电驱化的重要载体，在再电气化进程中面临广阔的市场空间。（二）高端装备行业挑战当前煤炭开采、油气钻采等领域的电气传动系统正处于加速进行的阶段，另一方面国家鼓励支持再电气化进程，推动工业领域加速实施―电驱化。良好的发展机遇为行业产品带来广阔的市场空间，亦将吸引具备一定技术实力的其他厂商加速进入，从而导致行业竞争加剧。尽管行业产品具备较高的技术和工艺壁垒，但随着其他厂商技术水平的不断进步，行业面临的竞争压力将逐渐增大，进而最终可能影响行业盈利水平。高性能IGBT是行业主要产品的关键零部件。因存在技术门槛高、资金投入大、市场开拓难等问题，国内企业在高性能IGBT产业化进程中取得进展，但国产化程度尚需持续提升。目前行业产品所使用国外品牌IGBT仍占较大比例，若受国际贸易摩擦