电气控制产品产业发展研究报告

电气控制产品产业发展研究报告

十三五时期，我国机械工业营业收入利润率呈波动下行态势。2020年，在减税降费力度明显加大的情况下，虽然行业利润总额增长10．4%，但营业收入利润率为6．4%，并未出现显著增长，同比仅提高0．4个百分点，比2015年低0．6个百分点。机械工业规模以上企业的利润总额在全国工业中的比重也有所下降，2020年利润总额占比为22．7%，比2015年下降2．5个百分点。2020年，我国机械工业累计实现进出口总额超过7800亿美元，比2015年增长17．7%。其中进口超过3100亿美元、出口超过4600亿美元，分别比2015年增长14．4%、20．1%。2020年机械工业累计实现贸易顺差近1500亿美元，比2015年增长34．6%。十三五期间，我国机械工业贸易顺差占全国外贸顺差的比重大幅增长，由2015年的18．7%增至2020年的27．9%，上升9．2个百分点。加工贸易在机械工业出口中所占的比重持续下降，一般贸易占比持续上升，由2015年的60．5%增至2020年的67．0%。2019年，民营企业出口占机械工业出口总额的46．9%，首次超过三资企业成为机械工业对外贸易出口的主力军，在机械工业外贸出口中的重要地位不断提高。高端装备行业的区域性变频调速一体机、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，因此，其行业的区域性与其下游应用行业的区域性紧密相关。产业基础能力不足（一）共性技术研发能力弱我国机械工业技术创新面临的最大困境在于共性技术研发能力较为薄弱，阻碍了我国机械工业的高质量发展。依托企业建设的各类创新载体促进了一些企业创新能力的提升，但是无法有效满足行业大多数企业对共性技术的广泛需求。共性技术研究的缺失，一方面导致了部分共性技术研发存在重复投入、分散投入的问题，另一方面大量技术基础薄弱与资金缺乏的中小企业根本无力自行开发，进而限制了其自主创新能力的提升。由于不掌握核心技术，很多技术标准处于被动跟随状态，国际话语权较弱，存在和断链隐忧。（二）核心零部件依赖进口虽然我国机械工业门类比较齐全、规模优势突出，但仍存在一些短板弱项，突出表现就是核心零部件自主研发能力不强，部分关键零部件严重依赖进口。一方面，高端轴承钢、高端液压铸件、高端涂料、关键绝缘材料、高性能密封材料、润滑油脂等关键基础材料大幅落后于国际先进水平，限制了各类零部件产品的自主创新和提档升级;另一方面，铸造、锻压、焊接、热处理及表面处理等基础制造工艺及装备发展滞后，直接影响到零部件的质量、寿命及可靠性水平。受制于关键基础材料、先进基础工艺和产业技术基础的落后，导致高端轴承、齿轮、液气密件、链传动及联结件、弹簧及紧固件、模具、传感器等基础零部件的自主化能力不足，难以满足主机发展需求而依赖进口。（三）人才短缺问题仍突出机械企业尤其是传统机械制造企业工作条件艰苦、工资水平相对较低，对人才吸引力不足，成为行业人才短缺的重要原因。目前，不仅高层次研发人才缺乏，一线熟练技工、尤其是高级技工非常紧缺。相对于发达国家平均超过35%的高级技工占比来看，中国这一比例仅为5%。同时，高技能技术工人的培养体系缺乏科学性和适用性，现有教育机构缺乏具有丰富实践经验的师资以及与当前实践紧密结合的课程，造成学、教、用之间的断裂。未来十年，随着社会人口老龄化程度的加剧，机械工业招工难问题将更为严重，特别是既掌握先进制造技术、又熟悉新一代信息技术的复合型工程技术人才将面临严重短缺。新兴产业不断壮大十三五期间，我国机械工业中战略性新兴产业增长相对较快，规模不断壮大，成为行业新的增长点。新能源装备快速发展，2016-2020年，我国风电机组总产量达到11296万千瓦，较十二五时期增长38．9%;光伏设备总产量达到21017万千瓦，比十二五时期翻了两番还多。在新能源车领域，2015年以来我国新能源汽车产销量连续5年位居全球第一，产业技术水平显著提升，产业体系日趋完善，已形成从原材料供应、动力电池、整车控制器等关键零部件研发生产到整车设计制造的完整产业链，电池电机电控等技术也取得明显进步，具备较强的产业基础和优势。机器人产业蓬勃发展，自主品牌工业机器人销量由2015年的2．23万台增长到2019年的4．46万台，年均增速达19．0%;自主创新能力显著增强，机器人动力学控制、高性能伺服驱动等关键技术取得突破，高精密减速器研发取得重大进展。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，若受国际贸易摩擦持续升级或其他双边贸易摩擦等因素的影响，前述国家禁止或限制相关厂商向我国供应IGBT产品，将对行业IGBT的供给产生一定的影响。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%。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。高端装备行业利润水平的变动趋势及变动原因历经多年发展，我国工业控制自动化技术、产业和应用都有了很大的发展，工业自动化控制市场规模亦较为可观。近年来，随着国内人口红利带来的低廉劳动力成本优势逐渐消退，劳动力相对自动化的性价比逐渐减弱，因此长期来看我国制造业亟需产业升级，将催生广阔的工控自动化产品及服务需求，工业自动化控制行业面临着良好的发展机遇。与此同时，可能对行业利润水平产生影响的因素包括但不限于：（1）原材料中功率模块、中低压电器件、壳体及钢材、铜材、永磁材料等价格的频繁波动将对行业利润水平产生重大影响；（2）行业内企业的技术水平、产品竞争力、产品市场竞争程度、经营管理水平亦将对行业利润水平产生重大影响。产业基础有所增强（一）一批产业共性技术取得突破攻克了一批制约行业发展的关键共性技术，在可靠性技术、试验验证技术、基础工艺技术等方面取得了一批重要成果，有效推动了机械装备及配套零部件的性能、质量水平的提升。可靠性及试验验证技术方面：突破大型升船机复杂系统可靠性多元评价方法与长寿命高可靠服役策略、大模数重型齿条制造技术与寿命评价、升船机可靠性评价准则与工程验证技术，有力支撑三峡和向家坝两大世界级升船机安全可靠运行;研制出具备工况环境模拟能力的数控高速冲压设备可靠性试验装置;建立了兆瓦级风电叶片全尺寸结构测试平台，推动了我国大型海上及低风速风电的发展;研制出汽车AMT变速器智能化在线检测试验设备，有效提升了我国变速器制造水平;国内首创的倒置40吨振动试验系统、振动复合转动三轴系统、可吸收电磁波三综合试验系统等环境试验系统，技术指标达到国际先进水平。基础工艺技术方面：掌握了大型复杂复合材料构件数字化柔性高效精确成形关键技术、复杂铸件无模复合成形制造关键技术、大型风电装备齿轮可控气氛渗碳和精密齿轮真空渗氮技术;掌握了难加工合金构件波动式高质加工技术及装备，实现了新一代飞机、发动机难加工结构加工质量瓶颈问题的突破;掌握了具有完全自主知识产权激光焊及激光-电弧复合焊关键应用技术、工程技术与成套装备，解决了国防装备、超级起重机、全新一代轨道车辆等一批重大装备关键部件的焊接难题，并在多个领域首次实现工业应用。（二）若干关键零部件实现国产化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。（三）部分基础制造装备取得进展近年来，国家和全社会逐步加大对基础制造装备的重视程度，通过科技重大专项、技术改造项目等渠道，不断推动高档数控机床及基础制造装备科研创新能力和核心竞争力的提升。十三五期间，以高精高效五轴加工中心、超重型数控