工控自动化行业研究：工控自动化景气有望回升，国产替代加速腾飞

（报告出品方/作者：国泰君安证券，徐乔威、张越）

1. 工控自动化可提高生产效率，下游应用广泛

1.1. 工控自动化市场规模巨大，有望实现稳步增长

工控自动化提高生产自动化和智能化程度，产品种类丰富，应用广泛。 工控自动化是指通过运用数字电子技术、计算机软件和硬件等手段，使 得机器设备或生产过程在不需要人工直接干预的情况下实现自动加工、 连续生产，并对该过程进行监测、控制、优化和协调，从而提高生产效 率、保障产品质量、降低生产成本以及确保生产安全。工控产品多种多 样，按功能可分为控制层、驱动层、执行层、传感层，根据产品用途不 同应用于不同生产环节，以实现对生产过程的全面控制和管理。产品应 用领域广泛，可分为 OEM 型行业和项目型行业，其中 OEM 型行业主 要有风电、机床、电梯、纺机、包装、电子制造等；项目型行业主要有 电力、石化、油气、汽车、建材、冶金等。

工控自动化推动产业升级，未来有望不断增长。工控自动化涉及技术广 泛，包括机械、电子、计算机、信息通信、智能控制等多个领域，是技 术密集型行业。近年来随着人工智能、5G、物联网等新技术的发展，工 控自动化的智能化水平逐步提升，是制造业转型升级重要动力。我国工 控行业市场规模逐年增长，2017-2022 年市场规模从 2322 亿元增至 2963 亿元，CAGR 达 5%，2022 年增速较低，为 1.37%。随着制造业智能化 转型，新技术日趋成熟，国家对于工业互联网、智能制造等领域的支持 加大，以及人口红利消退、人工成本上升等因素影响，工控自动化行业 将获得更多发展机遇，预计市场规模将随之增长。

1.2. 半导体、锂电等下游行业高增，工控行业成长动力强劲

1.2.1. 下游应用领域分散，OEM 与项目型市场稳步发展

工控自动化行业下游需求多元，市场分散。工控自动化涉及制造业的方 方面面，单一行业占比不高。OEM 市场包括：机床、半导体、电池、包 装、纺织、工业机器人、暖调空调、电梯、物流、起重、橡胶、印刷等。 项目型市场包括：市政及公共设施、化工、石化、电力、冶金、汽车、 采矿、造纸等。2023Q1 机床、半导体、电池、纺织分别在 OEM 市场占 比 19%、10%、8%、6%，化工、市政及公共设施、石化、电力分别在项 目型市场占比 25%、19%、10%、9%。

工控行业稳步发展，下游高景气行业旺盛需求有望推动市场逐步复苏。 2023Q1 工控市场受下游复苏迟缓影响，整体同比-1.9%，项目型市场表 现较好，同比+1.3%，其中化工、市政、汽车等行业增长较好。2023Q1 受下游消费需求复苏缓慢，以及包装纺织等行业出现出口萎缩等原因， OEM 市场景气度回落，同比-6.6%。长期来看，锂电、光伏等先进制造 业处于高景气阶段，对工控设备需求持续增长，制造业长期转型升级趋 势也将增加对机床、工业机器人的需求，传统制造业需求有望进一步释 放。预计项目型市场有望保持稳步增长，OEM 市场有望恢复增长态势。

1.2.2. 半导体、锂电势头强劲，机床、工业机器人稳步增长

数控机床市场规模恢复增长，推动工控行业发展。数控机床是一种机械 加工设备，而工控自动化产品是用于控制和管理机械加工设备的电子设 备和系统，两者紧密相连。全球市场中，数控机床保持稳定增长，2017- 2021 年全球市场规模从1342 亿美元增至1648 亿美元，CAGR为5.27%。 我国数控机床在 2020 年受到宏观因素影响，市场规模下降至 2473 亿元， 同比下降 24.37%。2021 年规模回暖至 2687 亿元，预计将保持增长趋势。 未来随着数控机床向数字化、智能化、网络化发展，以及对于精度和速 度的要求提升，机床所需的工控自动化产品也将不断扩展和升级。同时 由于数控机床和工控自动化产品之间的联系越来越密切，这将使得工控 自动化行业有更广阔的市场空间。

半导体设备市场高速增长，带动工控自动化行业扩张。随着 5G 网络、 物联网、云计算等大量新兴应用场景的兴起，智能计算机设备的快速普 及，技术创新推动以及政策支持等多方面因素共同作用下，半导体市场 规模迅速扩张。2021 年全球半导体设备市场规模达 1026.4 亿美元，同比 增长 44.18%，我国半导体市场规模达 296.2 亿美元，同比增长 58.23%。 半导体属于微精密机械加工领域，其制造工艺对于精密性要求高，需要 使用自动化控制系统确保生产质量，对于自动化产品有着较为广泛的需 求。预计未来半导体设备的快速增长将助力工控产品的市场规模扩大。

工业机器人呈现增长趋势，工控设备需求随之增长。工业机器人具有高 效、精确、可靠等优点，已广泛应用于制造业、物流业、医疗行业和服 务行业等领域。2021 年全球工业机器人市场规模为 175 亿美元，同比增 长 25.90%，2017-2021 年，我国工业机器人市场规模从 46 亿美元增至 75 亿美元，CAGR 约 13.00%。工业机器人和工控自动化产品不可分割，机 器人需要自动化控制系统、运动控制系统、自动化检测系统、视觉系统 和通讯网络等支持其进行工作，这些系统需要使用工控自动化产品实现。 随着制造业发展和智能化转型，以及劳动力成本的不断上升，未来工业 机器人市场规模有望保持增长，将直接带动工控设备需求提升。

锂电池设备高景气发展，促进工控行业增长。随着国家碳中和相关政策 和新能源汽车政策的出台和推广，我国锂电池设备市场需求量大幅增加。2016-2022 年市场规模从 147 亿元增长至 1000 亿元，CAGR 为 37.65%， 其中 2022 年同比增速达 70.1%。工控自动化产品的应用可帮助锂电池设 备实现生产过程的自动化和智能化，提高生产效率以及制造过程的稳定 性。预计未来随着新能源汽车渗透率增长，带动动力电池装机量快速提 升，锂电池设备需求量将持续攀升，有望拉动工控行业市场规模提升。

1.3. 工控自动化行业长期向好发展

人口红利消退，催生机器代人需求，促进工控行业长期增长。我国面临 招工难、招工贵的局面，人口红利优势推动了过去几十年我国制造业的 迅速发展，但目前该优势正逐步减弱。2021 年我国 65 岁以上人口的占 比比例为 14.2%，我国已逐步进入“老龄社会”。同时，近年来我国劳动 力成本持续上升，2021 年城镇居民平均工资已超 10 万元。在人口老龄 化趋势下，制造业倾向于使用自动化程度更高的生产设备替代劳动力， 以抵御人力成本上升的不利影响，工控自动化设备需求将不断增长。

工控自动化行业有望受益于制造业复苏。工控行业受制造业投资等宏观 经济形势影响。一方面，制造业是工控自动化产品行业的主要应用领域，制造业的投资情况和产出水平都会直接影响到工控行业的市场需求和 发展前景。另一方面，工控自动化行业是技术密集型行业，需要不断的 技术创新和研发，对资金支持有较高依赖性，而宏观经济形式会影响投 资者和企业的投资态度，从而影响资金来源。2023 年 5 月制造业采购经 理指数（PMI）为 48.80%，比上月下降 0.4 个百分点。大、中、小型企 业 PMI 分别为 51.5%、48.0%和 47.9%，较上月分别变化+1.4、-1.8 和2.8 个百分点。随着下游需求逐步复苏，制造业景气度上行，经济有望持 续向好。

制造业转型升级，助推工控设备渗透率提升。随着国内和国际市场竞争 的加剧，传统的低成本、高投入、高污染的制造业模式已经不再适应现 代经济发展，并且面临着能源、环境好而资源等方面的约束，产业转型 升级是实现高质量发展的必由之路。此外，近年来我国制造业面临的外 部环境不确定性提升，需确保我国供应链安全稳定，通过产业升级实现 核心技术、零部件的自主可控，降低对海外供应链的依赖。随着我国制 造业积极转型，高技术制造业增加值同比保持为正，高端制造业快速发 展，产业自动化、智能化水平提升，对工控自动化设备需求增多，有利 于工控自动化行业的长期发展。

2. 控制、驱动、执行层覆盖工控自动化领域

2.1. PLC：小型 PLC 多用于 OEM，中大型 PLC 多用于项 目型

PLC 是一种将计算机技术、通信技术和自动化技术集于一体的数字运 算的可编程逻辑控制器。PLC（Programmable Logic Controller）即主要 应用于工业控制的可编程控制器，目的是通过自动化完成工作任务。 1969 年，美国数字设备公司基于通用汽车公司提出新一代控制器应具 备的条件，研制出了世界上第一台可编程序控制器，并应用在通用汽 车公司的生产线上。随着微处理器和微型计算机技术的发展，80 年代 后，PLC 的中央处理器已经开始广泛使用 16 位甚至 32 位微处理器， 输入输出模块和外围电路也改用大规模甚至超大规模集成电路。我国 从 1974 年开始研制开发可编程序控制器，1977 年开始应用于工业；现 如今，掌握可编程序控制器的工作原理及对其进行调试维护是技术人 员须具备的的基本能力。

PLC 主要由电源、CPU、存储器、IO接口、功能模块和通信模块组成。 电源通过释放 10%至 15%范围内的交流电压，将 PLC 连接交流电网从 而正常工作。CPU 即中央处理单元，通过总线与储存单元、输入输出接 口等相连；作为 PLC 的核心，不断采集输入信号，执行用户程序，最后 刷新系统输出。IO 接口即输入和输出接口电路；输入接口电路将按钮、 行程开关或是传感器产生的信号发送给 CPU，然后由输出接口电路将 CPU 传出的信号发送给动外部执行元件，从而控制电器通电或断电。

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。

全球 PLC市场增长相对稳定，中国 PLC市场保持稳步发展。在工业4.0 和计算机技术升级的带动下，PLC 全球市场规模呈现稳步增长态势。基 于 PLC 在工业领域应用的广泛应用，2021 年全球 PLC 市场规模达到 112 亿美元，2017-2021 年 CAGR 为 5.55%。我国 PLC 市场从 2020 年开始 逐步复苏，2020 年增幅达到 12.1%，2017-2021 年 CAGR 为 5.74%。2021 年 11 月，工信部发布《“十四五”软件和信息技术服务业发展规划》聚 焦工业控制系统，推动制造企业侧安全检测与管理系统等安全功能开发， 加快在重点行业的应用，为中国 PLC 的发展打开上行通道。

PLC 行业集中度较高，日系、欧美和国产三方纷争。PLC 市场由国外 龙头企业主导，西门子、三菱和欧姆龙的市场份额位居我国 PLC 全类 型市场的前三位。2021 年我国小型 PLC 的 TOP2 约占 49%的市场份 额，我国的小型 PLC 市场竞争格局相对分散，呈现一超多强的市场模 式；汇川和信捷分列第五六位，市场竞争力持续提升。我国的中大型 PLC 市场集中度较高，2021 年 TOP3 占据超过 70%得市场份额；其 中，作为行业的领跑者的西门子在我国小型 PLC 和中大型 PLC 市场中 都占据着龙头地位，约占中大型 PLC 市场份额的 48%，三菱和欧姆龙 在中大型 PLC 的市场占比皆超过 10%；我国中大型 PLC 市场基本属于 国外龙头的舞台，随着国产企业加速发力 PLC，国产厂商份额有望持 续提升。

2.2. DCS：集散控制系统稳步增长，下游集中于化工、电力

DCS，又称“分散/集散控制系统”或“分布式计算机控制系统”，是实 现控制生产全流程的“工业大脑”。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。我国 DCS 的发展历程可分为三个阶段：第一阶段为20 世纪 80 年代到 90 年代，随着我国重化工业的发展，对 DCS 系统的 重视程度也不断提升；国内许多企业和技术人员克服资金和软件工程 难题逐渐开始对 DCS 系统进行研发和生产。第二阶段是 90 年代中期到 2000 年，DCS 的部件除功能模块外，其他硬件也开始向标准化方向发 展，网络可以直接使用以太网，研发难度大幅度降低；同时，政府也 加大了对 DCS 项目和资金支持力度，虽然我国 DCS 的规模和结构成熟 度上还落后于进口水平，但已初步实现了规模化生产。第三阶段是从 2000 年至今，国产 DCS 技术水平逐渐赶上进口品牌的技术，进入快速 增长期。

DCS 市场规模稳步增长，本土品牌不断发力，与外资争夺国内市场。 2019 年 DCS 市场规模为 87.43 亿元，同比增长 7.17%，受宏观经济因 素影响，电力和建材等项目的减少使得项目型市场对 DCS 市场的驱动 力降低，从而增速出现下滑；2020 年受到上游原材料价格上涨和石油 价格暴跌的影响，DCS 市场规模预计会震荡下行。2016 年本土品牌在 我国集散控制系统行业中的市占率为 46.4%，在国家政策扶持和战略选 择等因素的影响下，本土品牌的市占率不断提高，2021 年本土品牌的 市占率增长至 55.7%。欧美系、日系和本土品牌是我国 DCS 市场中的 主要玩家，本土品牌以中控技术和利时为代表；外资品牌以艾默生、 ABB、西门子、霍尼韦尔和横河电机为主。

2.3. 变频器：低压下游分散，中高压下游集中于冶金石化等

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。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。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。变频器的主要功能有变频调速、软 起动和保护节能。通过对启动峰值电流的控制，保证电流最大不会超 过额定电流，降低对电网的冲击，延长设备可使用年限。变频器把交 流电转换为直流电再转换为随意可调的交流电，对电动机进行减速， 使得减少电机在调速过程中造成的功率损失。变频调速器对电机的调 速控制帮助变频器达到节能的效果。

中高压变频器下游行业较为集中，低压变频器下游行业较为分散。冶 金占中高压变频器下游行业的 30.2%，石化占比超过了 10%，前三大行 业占比达到了 52.5%；采矿、市政及公共设施和建材行业占比均高于 5%。低压变频器的下游分布较为分散，应用领域跨度较大，但差距不 大；前三大行业占比为 28%；除 TOP3 外，半导体、起重、纺织、机床 和物流占比超过 5%；其他应用领域还包括冶金、包装和食品饮料等。 冶金领域对变频器的需求包含低压、中压和高压三种类型。

得益于工业现代化，变频器市场规模不断扩大，低压变频器仍占据主 位。我国变频器市场规模不断扩大，低压变频器的市场规模占比较 大，维持在 75%左右。2021 年市场规模为 589 亿元，低压变频器占比 73.5%，较 2020 年下降 2.6%；高压变频器占比 26.5%，上涨 2.6%，幅 度达近五年新高。

2.4. 减速器：精密减速器需求提升，RV、谐波均衡发展

高精密减速器为工业机器人核心零部件，成本占比高。减速器是一种精 密的动力传达机构，作用在于降低转速、传递更大的扭矩，满足工业机 器人在重复执行相同的动作时的定位精度和重复定位精度，确保机器人 平稳精确运行。可以说减速器决定工业机器人的精度和负载，伺服电机 由于脉动信号的驱动，本身具备调速功能，但是由于工业机器人需要重 复、可靠地完成大量工序任务，对其定位精度和重复定位精度要求很高， 因此需要专门的减速器以保证精度。减速器的另一作用是传递负载：当负载较大时，伺服电机功率有限导致输出扭矩较小，此时需要通过减速 器来提高扭矩。此外，伺服电机在低频运转下容易发热和出现低频振动， 对于长时间和周期性工作的机器人这都不利于确保其精确、可靠地运行。 精密减速器的存在使伺服电机在一个合适的速度下运转，并精确地将转 速降到机器人各部位需要的速度，提高机械体刚性的同时输出更大的力 矩。精密减速器制造对材料、设备、工艺等多个环节都有严格要求，具 有很高的技术壁垒和投资成本，在工业机器人零部件中占据最大成本份 额，约为 32%。

减速器分为通用减速器、专用减速器和精密减速器。应用范围较广， 行业内企业众多，通用减速器和专用减速器行业产品差异大，相互竞 争较少。通用减速器主要以中小型产品为主，实现模块化和系统化； 专用减速器以大型和特大型减速器为主，多为非标和行业专用；精密 减速器又可分为 RV 减速器、谐波减速器、精密行星减速器，主要应用 领域为工业机器人、机床和航空航天等高精度行业，以微小型减速器 为主。

工业机器人主流减速器为 RV和谐波减速器。工业机器人用精密减速机 主要有两种：RV 减速器和谐波减速器。相比于谐波减速器，RV 减速器 具有更高的刚度和回转精度。因此在关节型机器人中，一般将 RV 减速 器放置在机座、大臂、肩部等重负载的位置；而将谐波减速器放置在小 臂、腕部或手部；二者之间适用的场景不同，属于相辅相成的关系。

谐波减速器基于行星齿轮传动发展起来的，由波发生器、柔轮、刚轮和 轴承组成。其工作原理在于依靠波发生器使柔轮产生可控弹性变形，而 柔轮比钢轮少 N 个齿轮位。因此，当波发生器转一圈，柔轮移动 N 个齿 轮位，产生了所谓的错齿运动，从而实现了主动波发生器与柔轮的运动 传递。谐波减速器是通过柔轮的弹性变形来实现传动，其优势是传动比 大、零部件数目少；其缺点是弹性变形回差大，这就不可避免地会影响 机器人的动态特性抗冲击能力等。

谐波减速器在精密传动领域具备高减速比体积比、高精度、高稳定性、 长寿命等优势。因谐波减速器结构简单，较小的体积就可以达到较高的 减速比，可应用于对尺寸要求比较高的场景，精度上看，谐波也优于 RV， 寿命一般也超过 RV 减速器。此外，因传动原理不同，谐波减速器精度 随时间呈现非线性变化，在精度保持寿命内可以稳定较高的精度，使用 期间一般不需要进行特殊维护，全生命周期使用成本远低于 RV。

2.5. 伺服：通用伺服应用领域广阔，专用伺服可按环境定制

伺服系统是指以位置、速度和转矩为控制量，进行动态跟踪目标变化 从而实现自动化控制的系统，伺服系统包括伺服电机和伺服驱动器。 伺服系统的发展经历了机械、液压和电气化三个阶段。现在的伺服系 统通常是指电气伺服，1960 年前，以功率步进电机为动力源，开环控 制为主；1960-1970 年，直流电机开始广泛应用，通过把直流有刷电机 作为驱动源，使旋转变压器、测速发电机和编码器等传感装置形成闭 环控制系统；20 世纪 80 年代后，交流伺服的时代开启，以永磁同步电 机为代表的执行电机逐步占据伺服领域的市场。伺服系统的工作原理 则是由伺服电机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精确控制执行机构的位置、速度和转矩等输出变量，使得其在对精确度要求较高的行业中得到广泛应 用。

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专业化的特殊定制服务，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仅限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。

伺服电机和步进电机相比优势明显。步进电机靠电脉冲信号转换为角 位移或线位移的开环控制进电机；伺服靠脉冲来定位，伺服电机本身 可以发出脉冲，每旋转一个角度发出相应数量的脉冲，从而和伺服电 机收到的脉冲形成呼应，也就是闭环，能够更精确的定位。伺服电机 在力矩方面也进行了升级，能够达到全力矩范围；其在运行速度、响 应速度、低频特性和矩频特性上也明显优于步进电机，且可承受三倍 的过载。虽然伺服电机整体性能更好，但其需和编码器及伺服驱动器 配合使用，从而导致其价格高于步进电机。

电机种类繁多，控制电机使用广泛。动力电机功率较大，侧重电机在 启动和运行过程中的力能指标，控制电机侧重电机输出量的幅频特 性、相频特性及输出特性的精度、灵敏度、稳定性、线性度等指标， 作为系统执行部件，控制电机更侧重扭矩、转速、位置输出特性。动 力电机按运动方式可分为旋转电机和直线电机，旋转电机按电压性质 分为直流电机与交流电机，其中直流电机按内部有无碳刷可分为有刷 电机和无刷电机两种。控制电机根据控制方法与用途的不同，可分为 步进电机、伺服电机等。现代控制电机通常有步进电机、直流无刷电 机和交流伺服电机等，其中，步进电机最早成为计算机及外部设备所 使用的控制电机，步进电机首先在计算机外设、办公自动化设备及数 控机床中应用；直流无刷电机和交流伺服系统亦为控制电机的重要发 展方向。

空心杯电机结构独特，在人形机器人领域中发挥着不可替代的作用。 空心杯电动机结构上最大的特点就是采用无铁芯的电枢，从而这种特 点可以克服因铁芯而产生的所有问题，使电机的主要性能有了大幅度 地提升。空心杯电机的主要特点有：1、高效率，采用高性能磁性材 料，减小漩涡损耗，采用无铁芯电枢，无铁耗，同时机械损耗也降 低，属于高效率电机。它的效率高于一般的电机，可达 90%以上；2、 控制特性，电机特性为线性，控制性能极佳。机械时间常数小于 3ms， 响应时间极快，转速范围广，可对转速进行高精度控制；3、拖动特 性，散热性好，过载能力强，运行稳定、可靠，输出转矩高，转矩脉 动小，常应用于高动态性能伺服