工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的智能化、信息化趨勢(shì)顯著

• 柯壯賓 2023年2月14日 來源：中研網(wǎng) 625 36
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工業(yè)自動(dòng)化控制行業(yè)是為國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)提供技術(shù)裝備的重要產(chǎn)業(yè)，是相關(guān)行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、技術(shù)進(jìn)步的重要保障和國家綜合實(shí)力的集中體現(xiàn)。

1、行業(yè)主管部門及管理體制

公司所處行業(yè)管理體制為國家宏觀指導(dǎo)及協(xié)會(huì)自律管理相結(jié)合，行業(yè)主管部門為工信部和國家發(fā)改委。
工信部主要負(fù)責(zé)研究擬定行業(yè)規(guī)劃、行業(yè)法規(guī)和經(jīng)濟(jì)技術(shù)政策，組織制訂行業(yè)規(guī)章、規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)施行業(yè)管理和監(jiān)督。國家發(fā)改委主要負(fù)責(zé)研究制定產(chǎn)業(yè)政策、行業(yè)發(fā)展規(guī)劃，指導(dǎo)行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，實(shí)施行業(yè)管理，參與行業(yè)體制改革、技術(shù)進(jìn)步和技術(shù)改造、質(zhì)量管理等工作。

工業(yè)自動(dòng)化控制行業(yè)的自律管理機(jī)構(gòu)主要是中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)，負(fù)責(zé)研究自動(dòng)化科學(xué)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，編輯、出版、發(fā)行學(xué)術(shù)刊物、科技書籍、報(bào)刊和多媒體制品，組織開展國內(nèi)外技術(shù)交流合作，開展行業(yè)相關(guān)領(lǐng)域繼續(xù)教育和技術(shù)培訓(xùn)等工作。

工程機(jī)械行業(yè)的自律管理機(jī)構(gòu)主要是中國工程機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)行業(yè)內(nèi)部關(guān)系，貫徹執(zhí)行國家法律、法規(guī)和政策，制定行規(guī)、行約，提出有關(guān)促進(jìn)行業(yè)發(fā)展的政策性建議，協(xié)助政府進(jìn)行行業(yè)宏觀管理等工作。

主管部門與行業(yè)協(xié)會(huì)的管理主要體現(xiàn)在制定產(chǎn)業(yè)政策、制定行業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略。

2、工業(yè)自動(dòng)化控制行業(yè)發(fā)展概況

（1）工業(yè)自動(dòng)化控制行業(yè)及產(chǎn)品概況

工業(yè)自動(dòng)化控制是指在無人干預(yù)的情況下通過程序控制使得機(jī)器設(shè)備完成工作流程的技術(shù)，主要利用電子電氣、機(jī)械、軟件的組合，實(shí)現(xiàn)機(jī)器設(shè)備生產(chǎn)制造過程更加自動(dòng)化、精確化、效率化，具備可控性。工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)作為智能裝備的重要組成部分，是發(fā)展先進(jìn)制造技術(shù)和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的關(guān)鍵，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)的重要基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)與機(jī)械運(yùn)動(dòng)的各行各業(yè)。

工業(yè)自動(dòng)化控制產(chǎn)品從功能上可劃分為控制層、驅(qū)動(dòng)層、執(zhí)行層、反饋層。

工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中控制層實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)和數(shù)據(jù)的分析、處理、存儲(chǔ)和分配；驅(qū)動(dòng)層將控制層的任務(wù)信息轉(zhuǎn)換成能被電機(jī)、液壓閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)識(shí)別的電信號(hào)；執(zhí)行層將所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成位移、角位移等機(jī)械動(dòng)能輸出；反饋層將系統(tǒng)狀態(tài)和環(huán)境信息及數(shù)據(jù)進(jìn)行感知和收集，向控制層進(jìn)行反饋并協(xié)助系統(tǒng)保持準(zhǔn)確和高效的運(yùn)轉(zhuǎn)。

其中，控制層產(chǎn)品包括可編程邏輯控制器（PLC）、人機(jī)交互界面（HMI）、分散控制系統(tǒng)（DCS）、工控機(jī)（IPC）等；驅(qū)動(dòng)層產(chǎn)品包括低壓變頻器、中高壓變頻器等；執(zhí)行層產(chǎn)品包括步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、液壓閥及元件、接觸器等；反饋層產(chǎn)品包括傳感器、分析儀表、變送器等。

工業(yè)自動(dòng)化控制產(chǎn)品的上游主要系電力電子元器件、磁性材料、結(jié)構(gòu)件、電纜電線、塑膠件等，下游應(yīng)用廣泛，包括涉及生產(chǎn)與機(jī)械運(yùn)動(dòng)的各行各業(yè)，主要如電子設(shè)備、紡織機(jī)械、移動(dòng)機(jī)械、專用車輛、暖通空調(diào)、電梯、機(jī)床工具、風(fēng)電設(shè)備、包裝機(jī)械等。

圖：工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的構(gòu)成

資料來源：中研普華產(chǎn)業(yè)研究院整理

工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有提高生產(chǎn)效率、改善質(zhì)量、降低成本、確保安全等優(yōu)點(diǎn)，隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，應(yīng)用愈加廣泛。

（2）工業(yè)自動(dòng)化控制行業(yè)的發(fā)展與市場(chǎng)規(guī)模

18世紀(jì)中期以來，第一次工業(yè)革命中蒸汽機(jī)的發(fā)明和使用引起了工業(yè)過程中對(duì)溫度、壓力、速度控制和調(diào)節(jié)等自動(dòng)化控制系統(tǒng)的要求，逐步出現(xiàn)了利用風(fēng)能、水能、蒸汽動(dòng)力等實(shí)現(xiàn)初級(jí)水平工業(yè)自動(dòng)化控制的自動(dòng)織機(jī)、自動(dòng)紡紗機(jī)、自動(dòng)面粉機(jī)等。

19世紀(jì)中期，第二次工業(yè)革命促使電力在工業(yè)中實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模應(yīng)用，電氣控制理論及實(shí)踐的發(fā)展使工業(yè)自動(dòng)化控制逐步邁入電氣化時(shí)代，發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、繼電器的相繼問世，逐步取代蒸汽機(jī)以驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械。自動(dòng)化控制的電氣化大大提高了生產(chǎn)制造的效率，進(jìn)一步為工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

20世紀(jì)中期，第三次工業(yè)革命中計(jì)算機(jī)與電子數(shù)據(jù)逐漸普及，以微處理器為核心的可編程控制器的出現(xiàn)，使工業(yè)自動(dòng)化控制逐步發(fā)展為既有邏輯控制、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)，又可實(shí)現(xiàn)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、通信聯(lián)網(wǎng)功能的控制系統(tǒng)，可通過數(shù)字量或模擬量的輸入、輸出實(shí)現(xiàn)各類型機(jī)械的控制，自動(dòng)控制變得更為便利，工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)得到快速普及和發(fā)展，幾乎所有類型的生產(chǎn)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程都開始實(shí)施廣泛的自動(dòng)化。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，第四次工業(yè)革命中微電子技術(shù)、通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展將工業(yè)自動(dòng)化控制提升到了更高的技術(shù)水平，控制系統(tǒng)的模塊化、小型化，控制層運(yùn)算和存儲(chǔ)能力的逐步提升，通信和設(shè)備互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，都不斷推動(dòng)生產(chǎn)與機(jī)械運(yùn)動(dòng)的數(shù)字化、電動(dòng)化、無人化快速發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的智能化、信息化趨勢(shì)顯著。

圖：工業(yè)自動(dòng)化控制的發(fā)展歷程

資料來源：中研普華產(chǎn)業(yè)研究院整理

根據(jù)中研網(wǎng)《2023-2028年工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)市場(chǎng)深度分析及發(fā)展規(guī)劃咨詢綜合研究報(bào)告》分析，隨著行業(yè)的快速發(fā)展，市場(chǎng)的競(jìng)爭也越發(fā)激烈，目前以西門子（Siemens）、ABB、松下（Panasonic）、安川（Yaskawa）為代表的跨國巨頭主導(dǎo)著全球工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)，憑借其先進(jìn)的技術(shù)和功能齊全的產(chǎn)品擁有龐大的客戶群和較高的市場(chǎng)知名度。我國的工業(yè)自動(dòng)化起步于上世紀(jì)80年代，最初主要是整套引進(jìn)國外自動(dòng)化流水線，通過不斷摸索和反復(fù)實(shí)踐消化吸收，直到21世紀(jì)之后才不斷涌現(xiàn)國產(chǎn)品牌，雖然取得一些成績，但在高端、精密、高附加值產(chǎn)品領(lǐng)域仍存在較大差距。隨著國內(nèi)工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的積累和創(chuàng)新以及國家相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策的支持，國產(chǎn)工業(yè)自動(dòng)化控制產(chǎn)品在適應(yīng)性、技術(shù)服務(wù)、性價(jià)比等方面逐步顯現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，部分國內(nèi)自主研發(fā)優(yōu)勢(shì)企業(yè)經(jīng)過多年的努力，形成了具有一定競(jìng)爭力的自主品牌，在細(xì)分產(chǎn)品和細(xì)分行業(yè)取得突破，國內(nèi)企業(yè)的整體市場(chǎng)份額不斷穩(wěn)步增長。

我國工業(yè)自動(dòng)化控制市場(chǎng)規(guī)模2015年至2020年期間呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)從2015年的1,399億元增長至2020年的2,063億元，年復(fù)合增長率達(dá)到8.08%；預(yù)計(jì)至2023年，我國工業(yè)自動(dòng)化控制市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到2,536億元，保持穩(wěn)定增長。

圖：2016-2023年我國工業(yè)自動(dòng)化控制市場(chǎng)規(guī)模及預(yù)測(cè)

數(shù)據(jù)來源：工控網(wǎng)

3、移動(dòng)機(jī)械與專用車輛電氣控制行業(yè)發(fā)展概況

（1）移動(dòng)機(jī)械與專用車輛電氣控制行業(yè)的概述和特點(diǎn)

移動(dòng)機(jī)械與專用車輛電氣控制是工業(yè)自動(dòng)化控制在移動(dòng)機(jī)械與專用車輛領(lǐng)域的具體應(yīng)用，電氣控制指由若干電氣元件組合，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)或某些對(duì)象的控制，從而保證被控設(shè)備安全、可靠地運(yùn)行，移動(dòng)機(jī)械與專用車輛領(lǐng)域的自動(dòng)控制主要采用電氣控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

移動(dòng)機(jī)械通常包括汽車起重機(jī)、履帶起重機(jī)、塔式起重機(jī)、挖掘機(jī)、裝載機(jī)、旋挖鉆機(jī)、路面機(jī)械、混凝土機(jī)械、高空作業(yè)機(jī)械等工程機(jī)械，及礦山機(jī)械、港口機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、石油機(jī)械等。專用車輛通常包括消防車輛、礦山車輛、環(huán)衛(wèi)車輛、特種車輛等。

我國移動(dòng)機(jī)械與專用車輛電氣控制行業(yè)研發(fā)起步較晚，2000年以前，電氣控制系統(tǒng)的軟硬件均依賴進(jìn)口，電氣控制系統(tǒng)的核心部件依靠國外廠商生產(chǎn)，國內(nèi)移動(dòng)機(jī)械與專用車輛在智能電氣控制領(lǐng)域仍處于初級(jí)階段，該種情況限制了我國移動(dòng)機(jī)械與專用車輛的自動(dòng)控制及智能化水平，限制了我國移動(dòng)機(jī)械與專用車輛和國外同類產(chǎn)品的競(jìng)爭實(shí)力。2005年以來，國內(nèi)企業(yè)開始逐步加大投入應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)械與專用車輛的自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研發(fā)，陸續(xù)通過現(xiàn)代化手段開發(fā)并驗(yàn)證移動(dòng)機(jī)械與專用車輛控制策略，形成了一系列自主研發(fā)的國產(chǎn)電氣控制系統(tǒng)產(chǎn)品。

移動(dòng)機(jī)械與專用車輛作為工業(yè)自動(dòng)化控制的下游應(yīng)用領(lǐng)域之一，移動(dòng)機(jī)械與專用車輛電氣控制系統(tǒng)根據(jù)其應(yīng)用的終端機(jī)型特點(diǎn)、場(chǎng)景和需求的不同，在產(chǎn)品層面具備如下特點(diǎn)：

①控制層具備小型化、模塊化、集成化的特點(diǎn)

移動(dòng)機(jī)械與專用車輛的作業(yè)場(chǎng)景處于移動(dòng)或可移動(dòng)的狀態(tài)中，且人機(jī)交互頻繁度較高，對(duì)搭載控制系統(tǒng)產(chǎn)品的重量、體積以及操作便利性、友好性具有較高要求。為便于將控制層產(chǎn)品裝載于相應(yīng)機(jī)械及車輛有限的空間中，且便于機(jī)械或車輛操作者實(shí)時(shí)監(jiān)控和操縱控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)特定機(jī)械控制功能，控制層產(chǎn)品普遍采用小型化、模塊化、集成化的設(shè)計(jì)方案，如將可編程控制器、顯示人機(jī)交互界面進(jìn)行集成，及將電源管理控制功能模塊及移動(dòng)機(jī)構(gòu)控制功能模塊進(jìn)行集成等，形成適用于移動(dòng)機(jī)械與專用車輛運(yùn)用場(chǎng)景的控制層產(chǎn)品。

②驅(qū)動(dòng)層及執(zhí)行層廣泛采用電液控制系統(tǒng)

電液控制是指一種通過電信號(hào)控制液壓元器件的系統(tǒng)，通過控制層產(chǎn)品輸出模擬或數(shù)字電信號(hào)以驅(qū)動(dòng)液壓閥、液壓馬達(dá)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有輸出功率大、抗沖擊性強(qiáng)等特點(diǎn)。由于移動(dòng)機(jī)械與專用車輛的機(jī)械構(gòu)造需實(shí)現(xiàn)伸縮、旋轉(zhuǎn)、起落、收放、行走、轉(zhuǎn)向等機(jī)械運(yùn)動(dòng)，對(duì)輸出功率、魯棒性具有較高的要求，因此廣泛采用電液控制系統(tǒng)。

③反饋層采集的信息具有多樣性、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)

由于移動(dòng)機(jī)械與專用車輛的作業(yè)場(chǎng)景和工況較為復(fù)雜，作業(yè)環(huán)境對(duì)控制系統(tǒng)安全性、可靠性的要求較高，且移動(dòng)機(jī)械與專用車輛處于移動(dòng)或可移動(dòng)的狀態(tài)中，因此其自動(dòng)化控制系統(tǒng)的運(yùn)作對(duì)于作業(yè)狀態(tài)和環(huán)境信息數(shù)據(jù)采集的維度、精度、數(shù)據(jù)豐富性的需求較高，如移動(dòng)機(jī)械與專用車輛作業(yè)機(jī)構(gòu)的長度、角度、傾角、位移以及風(fēng)速、壓力、溫度等信息和數(shù)據(jù)，均須通過傳感器等進(jìn)行采集，進(jìn)而輔助控制層對(duì)采集到的信息進(jìn)行充分的處理、運(yùn)算，確保整機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

（2）移動(dòng)機(jī)械與專用車輛電氣控制行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)

我國移動(dòng)機(jī)械與專用車輛電氣控制行業(yè)未來發(fā)展具有智能化、電動(dòng)化、無人化和互聯(lián)化的趨勢(shì)：

①智能化

智能化程度低的移動(dòng)機(jī)械與專用車輛在面臨復(fù)雜施工環(huán)境時(shí)只能根據(jù)操作者的經(jīng)驗(yàn)和技能執(zhí)行操作，對(duì)工況環(huán)境信息的收集不夠，且操作標(biāo)準(zhǔn)化程度低，影響施工效率并可能產(chǎn)生安全隱患。

隨著建設(shè)施工需求的多元化，移動(dòng)機(jī)械與專用車輛自動(dòng)化領(lǐng)域有更多應(yīng)用場(chǎng)景涉及復(fù)雜的作業(yè)工況和作業(yè)要求，迫切需要智能化水平的提高以適應(yīng)工況環(huán)境、保障施工安全、提升施工效率。通過傳感技術(shù)、視覺識(shí)別技術(shù)、AI算法、無線通訊、云計(jì)算和嵌入式軟件的融合打造更加完善的新一代智能電氣控制系統(tǒng)，有助于提升移動(dòng)機(jī)械與專用車輛的智能化水平和實(shí)際競(jìng)爭力。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展智能化監(jiān)控、智能化診斷、智能化升級(jí)、智能化管理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程維護(hù)、遠(yuǎn)程操控、智能調(diào)度、自動(dòng)作業(yè)等功能，擴(kuò)大移動(dòng)機(jī)械與專用車輛的應(yīng)用邊界，提升了施工作業(yè)效率，上述多領(lǐng)域新技術(shù)的融合與應(yīng)用是行業(yè)未來智能化的主要發(fā)展方向。

②電動(dòng)化

隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，綠色環(huán)保理念更加深入人心，無污染綠色施工已經(jīng)成為了人們的共識(shí)，各級(jí)政府對(duì)環(huán)保的要求和監(jiān)管愈發(fā)嚴(yán)格，用戶對(duì)于機(jī)械及車輛的能耗指標(biāo)關(guān)注度也日益提升。

隨著電動(dòng)化產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展完善，純電動(dòng)機(jī)械及車輛零排放、低噪音、高能效等優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)燃油機(jī)械形成鮮明對(duì)比。在此背景下，移動(dòng)機(jī)械與專用車輛的電動(dòng)化趨勢(shì)已經(jīng)不可阻擋。同時(shí)，電動(dòng)化和智能化可以實(shí)現(xiàn)相互促進(jìn)發(fā)展，電動(dòng)化的普及將使得移動(dòng)機(jī)械與專用車輛控制智能化程度得到進(jìn)一步提高，電動(dòng)化和智能化的綜合解決方案將成為移動(dòng)機(jī)械與專用車輛自動(dòng)控制行業(yè)發(fā)展的重要方向。

③無人化

在特定的施工環(huán)境下作業(yè)存在較大危險(xiǎn)性，例如危險(xiǎn)礦井區(qū)域、易塌方區(qū)域、易燃爆區(qū)域、強(qiáng)輻射區(qū)域、危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)及存放區(qū)域等環(huán)境惡劣，施工過程中很難保證人身安全。

隨著遠(yuǎn)程操控技術(shù)及通訊技術(shù)的逐步發(fā)展，移動(dòng)機(jī)械與專用車輛的無人化及少人化成為了可能，并已在工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、礦山機(jī)械等領(lǐng)域形成了明確的發(fā)展趨勢(shì)。未來將可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)械與專用車輛的無人操控、智能駕駛、無人調(diào)試、無人掘進(jìn)等無人化、少人化系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，取代高危作業(yè)人員的投入，有效降低人員傷亡事故，提高工作舒適度與效率。

④互聯(lián)化

移動(dòng)機(jī)械與專用車輛電氣控制的基礎(chǔ)是對(duì)工作狀態(tài)、工況環(huán)境等數(shù)據(jù)的收集和應(yīng)用，在復(fù)雜的施工環(huán)境下，同時(shí)掌握多個(gè)機(jī)械和車輛數(shù)據(jù)信息并實(shí)現(xiàn)有效管理及維護(hù)將更加有助于順利完成施工任務(wù)。并且通過在云端建立數(shù)據(jù)矩陣，利用大數(shù)據(jù)分析進(jìn)行算法優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)機(jī)械與專用車輛的管理、施工工況的算法優(yōu)化及產(chǎn)品軟件遠(yuǎn)程升級(jí)，可快速、靈活、簡單、低成本優(yōu)化或升級(jí)移動(dòng)機(jī)械與專用車輛的功能。

隨著互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)械與專用車輛自動(dòng)控制領(lǐng)域的互聯(lián)互通技術(shù)不斷革新，使得移動(dòng)機(jī)械與專用車輛的管理、運(yùn)營、維護(hù)、多機(jī)協(xié)同變得更加簡單、便捷、高效。以云平臺(tái)、邊緣計(jì)算、終端設(shè)備構(gòu)成的智能生態(tài)網(wǎng)絡(luò)及數(shù)字孿生技術(shù)將是移動(dòng)機(jī)械與專用車輛互聯(lián)化的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

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