工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的智能化、信息化趨勢顯著

• 柯壯賓 2023年2月14日 來源：中研網(wǎng) 625 36
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工業(yè)自動化控制行業(yè)是為國民經(jīng)濟各行業(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、技術(shù)進步的重要保障和國家綜合實力的集中體現(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。
工信部主要負責研究擬定行業(yè)規(guī)劃、行業(yè)法規(guī)和經(jīng)濟技術(shù)政策，組織制訂行業(yè)規(guī)章、規(guī)范和技術(shù)標準，實施行業(yè)管理和監(jiān)督。國家發(fā)改委主要負責研究制定產(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，實施行業(yè)管理，參與行業(yè)體制改革、技術(shù)進步和技術(shù)改造、質(zhì)量管理等工作。

工業(yè)自動化控制行業(yè)的自律管理機構(gòu)主要是中國自動化學會，負責研究自動化科學技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，編輯、出版、發(fā)行學術(shù)刊物、科技書籍、報刊和多媒體制品，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。

工程機械行業(yè)的自律管理機構(gòu)主要是中國工程機械工業(yè)協(xié)會，負責協(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)促進行業(yè)發(fā)展的政策性建議，協(xié)助政府進行行業(yè)宏觀管理等工作。

主管部門與行業(yè)協(xié)會的管理主要體現(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)自動化控制行業(yè)發(fā)展概況

（1）工業(yè)自動化控制行業(yè)及產(chǎn)品概況

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

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

工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中控制層實現(xiàn)對任務(wù)和數(shù)據(jù)的分析、處理、存儲和分配；驅(qū)動層將控制層的任務(wù)信息轉(zhuǎn)換成能被電機、液壓閥等執(zhí)行機構(gòu)識別的電信號；執(zhí)行層將所收到的電信號轉(zhuǎn)換成位移、角位移等機械動能輸出；反饋層將系統(tǒng)狀態(tài)和環(huán)境信息及數(shù)據(jù)進行感知和收集，向控制層進行反饋并協(xié)助系統(tǒng)保持準確和高效的運轉(zhuǎn)。

其中，控制層產(chǎn)品包括可編程邏輯控制器（PLC）、人機交互界面（HMI）、分散控制系統(tǒng)（DCS）、工控機（IPC）等；驅(qū)動層產(chǎn)品包括低壓變頻器、中高壓變頻器等；執(zhí)行層產(chǎn)品包括步進電機、伺服電機、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)與機械運動的各行各業(yè)，主要如電子設(shè)備、紡織機械、移動機械、專用車輛、暖通空調(diào)、電梯、機床工具、風電設(shè)備、包裝機械等。

圖：工業(yè)自動化控制系統(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，隨著社會的發(fā)展和進步，應(yīng)用愈加廣泛。

（2）工業(yè)自動化控制行業(yè)的發(fā)展與市場規(guī)模

18世紀中期以來，第一次工業(yè)革命中蒸汽機的發(fā)明和使用引起了工業(yè)過程中對溫度、壓力、速度控制和調(diào)節(jié)等自動化控制系統(tǒng)的要求，逐步出現(xiàn)了利用風能、水能、蒸汽動力等實現(xiàn)初級水平工業(yè)自動化控制的自動織機、自動紡紗機、自動面粉機等。

19世紀中期，第二次工業(yè)革命促使電力在工業(yè)中實現(xiàn)了大規(guī)模應(yīng)用，電氣控制理論及實踐的發(fā)展使工業(yè)自動化控制逐步邁入電氣化時代，發(fā)電機、電動機、繼電器的相繼問世，逐步取代蒸汽機以驅(qū)動生產(chǎn)機械。自動化控制的電氣化大大提高了生產(chǎn)制造的效率，進一步為工業(yè)自動化的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

20世紀中期，第三次工業(yè)革命中計算機與電子數(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)自動化控制逐步發(fā)展為既有邏輯控制、計時計數(shù)，又可實現(xiàn)運算、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、輸出實現(xiàn)各類型機械的控制，自動控制變得更為便利，工業(yè)自動化控制技術(shù)得到快速普及和發(fā)展，幾乎所有類型的生產(chǎn)、機械運動過程都開始實施廣泛的自動化。

進入21世紀以來，第四次工業(yè)革命中微電子技術(shù)、通信技術(shù)的進一步發(fā)展將工業(yè)自動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，控制層運算和存儲能力的逐步提升，通信和設(shè)備互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，都不斷推動生產(chǎn)與機械運動的數(shù)字化、電動化、無人化快速發(fā)展，工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的智能化、信息化趨勢顯著。

圖：工業(yè)自動化控制的發(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)自動化行業(yè)市場深度分析及發(fā)展規(guī)劃咨詢綜合研究報告》分析，隨著行業(yè)的快速發(fā)展，市場的競爭也越發(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)自動化市場，憑借其先進的技術(shù)和功能齊全的產(chǎn)品擁有龐大的客戶群和較高的市場知名度。我國的工業(yè)自動化起步于上世紀80年代，最初主要是整套引進國外自動化流水線，通過不斷摸索和反復(fù)實踐消化吸收，直到21世紀之后才不斷涌現(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)自動化控制產(chǎn)品在適應(yīng)性、技術(shù)服務(wù)、性價比等方面逐步顯現(xiàn)出優(yōu)勢，部分國內(nèi)自主研發(fā)優(yōu)勢企業(yè)經(jīng)過多年的努力，形成了具有一定競爭力的自主品牌，在細分產(chǎn)品和細分行業(yè)取得突破，國內(nèi)企業(yè)的整體市場份額不斷穩(wěn)步增長。

我國工業(yè)自動化控制市場規(guī)模2015年至2020年期間呈波動上升趨勢。市場規(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)合增長率達到8.08%；預(yù)計至2023年，我國工業(yè)自動化控制市場規(guī)模將達到2,536億元，保持穩(wěn)定增長。

圖：2016-2023年我國工業(yè)自動化控制市場規(guī)模及預(yù)測

數(shù)據(jù)來源：工控網(wǎng)

3、移動機械與專用車輛電氣控制行業(yè)發(fā)展概況

（1）移動機械與專用車輛電氣控制行業(yè)的概述和特點

移動機械與專用車輛電氣控制是工業(yè)自動化控制在移動機械與專用車輛領(lǐng)域的具體應(yīng)用，電氣控制指由若干電氣元件組合，用于實現(xiàn)對某個或某些對象的控制，從而保證被控設(shè)備安全、可靠地運行，移動機械與專用車輛領(lǐng)域的自動控制主要采用電氣控制技術(shù)實現(xiàn)。

移動機械通常包括汽車起重機、履帶起重機、塔式起重機、挖掘機、裝載機、旋挖鉆機、路面機械、混凝土機械、高空作業(yè)機械等工程機械，及礦山機械、港口機械、農(nóng)業(yè)機械、石油機械等。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。

我國移動機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)移動機械與專用車輛在智能電氣控制領(lǐng)域仍處于初級階段，該種情況限制了我國移動機械與專用車輛的自動控制及智能化水平，限制了我國移動機械與專用車輛和國外同類產(chǎn)品的競爭實力。2005年以來，國內(nèi)企業(yè)開始逐步加大投入應(yīng)用于移動機械與專用車輛的自動化控制系統(tǒng)的研發(fā)，陸續(xù)通過現(xiàn)代化手段開發(fā)并驗證移動機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。

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

①控制層具備小型化、模塊化、集成化的特點

移動機械與專用車輛的作業(yè)場景處于移動或可移動的狀態(tài)中，且人機交互頻繁度較高，對搭載控制系統(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)機械及車輛有限的空間中，且便于機械或車輛操作者實時監(jiān)控和操縱控制系統(tǒng)，實現(xiàn)特定機械控制功能，控制層產(chǎn)品普遍采用小型化、模塊化、集成化的設(shè)計方案，如將可編程控制器、顯示人機交互界面進行集成，及將電源管理控制功能模塊及移動機構(gòu)控制功能模塊進行集成等，形成適用于移動機械與專用車輛運用場景的控制層產(chǎn)品。

②驅(qū)動層及執(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)字電信號以驅(qū)動液壓閥、液壓馬達等執(zhí)行機構(gòu)運轉(zhuǎn)，執(zhí)行機構(gòu)具有輸出功率大、抗沖擊性強等特點。由于移動機械與專用車輛的機械構(gòu)造需實現(xiàn)伸縮、旋轉(zhuǎn)、起落、收放、行走、轉(zhuǎn)向等機械運動，對輸出功率、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、實時性等特點

由于移動機械與專用車輛的作業(yè)場景和工況較為復(fù)雜，作業(yè)環(huán)境對控制系統(tǒng)安全性、可靠性的要求較高，且移動機械與專用車輛處于移動或可移動的狀態(tài)中，因此其自動化控制系統(tǒng)的運作對于作業(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，如移動機械與專用車輛作業(yè)機構(gòu)的長度、角度、傾角、位移以及風速、壓力、溫度等信息和數(shù)據(jù)，均須通過傳感器等進行采集，進而輔助控制層對采集到的信息進行充分的處理、運算，確保整機自動化控制系統(tǒng)的安全可靠運行。

（2）移動機械與專用車輛電氣控制行業(yè)的發(fā)展趨勢

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

①智能化

智能化程度低的移動機械與專用車輛在面臨復(fù)雜施工環(huán)境時只能根據(jù)操作者的經(jīng)驗和技能執(zhí)行操作，對工況環(huán)境信息的收集不夠，且操作標準化程度低，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，移動機械與專用車輛自動化領(lǐng)域有更多應(yīng)用場景涉及復(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)、視覺識別技術(shù)、AI算法、無線通訊、云計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)，有助于提升移動機械與專用車輛的智能化水平和實際競爭力。在此基礎(chǔ)上進一步發(fā)展智能化監(jiān)控、智能化診斷、智能化升級、智能化管理等技術(shù)，實現(xiàn)了遠程維護、遠程操控、智能調(diào)度、自動作業(yè)等功能，擴大移動機械與專用車輛的應(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電動化

隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展進步，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，各級政府對環(huán)保的要求和監(jiān)管愈發(fā)嚴格，用戶對于機械及車輛的能耗指標關(guān)注度也日益提升。

隨著電動化產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展完善，純電動機械及車輛零排放、低噪音、高能效等優(yōu)點與傳統(tǒng)燃油機械形成鮮明對比。在此背景下，移動機械與專用車輛的電動化趨勢已經(jīng)不可阻擋。同時，電動化和智能化可以實現(xiàn)相互促進發(fā)展，電動化的普及將使得移動機械與專用車輛控制智能化程度得到進一步提高，電動化和智能化的綜合解決方案將成為移動機械與專用車輛自動控制行業(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)存在較大危險性，例如危險礦井區(qū)域、易塌方區(qū)域、易燃爆區(qū)域、強輻射區(qū)域、危險化學品生產(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。

隨著遠程操控技術(shù)及通訊技術(shù)的逐步發(fā)展，移動機械與專用車輛的無人化及少人化成為了可能，并已在工程機械、農(nóng)業(yè)機械、礦山機械等領(lǐng)域形成了明確的發(fā)展趨勢。未來將可實現(xiàn)移動機械與專用車輛的無人操控、智能駕駛、無人調(diào)試、無人掘進等無人化、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

移動機械與專用車輛電氣控制的基礎(chǔ)是對工作狀態(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，同時掌握多個機械和車輛數(shù)據(jù)信息并實現(xiàn)有效管理及維護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)分析進行算法優(yōu)化，從而實現(xiàn)對移動機械與專用車輛的管理、施工工況的算法優(yōu)化及產(chǎn)品軟件遠程升級，可快速、靈活、簡單、低成本優(yōu)化或升級移動機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，移動機械與專用車輛自動控制領(lǐng)域的互聯(lián)互通技術(shù)不斷革新，使得移動機械與專用車輛的管理、運營、維護、多機協(xié)同變得更加簡單、便捷、高效。以云平臺、邊緣計算、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)將是移動機械與專用車輛互聯(lián)化的技術(shù)發(fā)展趨勢。

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