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工控行业深度报告:行业拐点将至,国产品牌加速崛起

2024-02-24

变频器:22 年增速有所下滑,低压变频国产厂商持续扩张
变频器是一种电力控制设备,可以分为低压变频器和高压变频器。变频器应用变频技术与微电 子技术,通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整 流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等 组成。变频器靠内部 IGBT 的开断来调整输出电源的电压和频率,根据电机的实际需要来提供 其所需要的电源电压,进而达到节能、调速的目的,另外,变频器还有很多的保护功能,如过 流、过压、过载保护等等。 分类来看:1)按照电压等级,变频器可以分为中/低压变频器和高压变频器,低于 3KV 的归为 中低压变频器(低于 690V 的为低压变频器),高于 3KV 的归为高压变频器,两者适用电箱有所 差别,但原理相同,低压变频器对于电力电子器件和变压器的容量要求相对较低,具有成熟的 一致性的拓扑结构,而高压变频器拓扑结构较多,较为复杂;2)按照变换频率的方法也可以 分成交-交型变频器与交-直交型变频器。
变频器行业上游由各类原材料及零部件生产行业组成,其中主要的零部件有变压器、IGBT、冷 却风机、电阻、电容等、从成本构成来看,原材料是产品的主要构成,IGBT 与 PCB 板成本占比 较大,IGBT 的成本占到了整个生产成本的约 26.5%,PCB 占到了 31.5%。IGBT 由于国产化程度 相对较低,国外供给较高,且供应存在不确定性,对变频器的利润影响程度较大。
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从下游应用来看,高压变频器应用领域集中在高耗能领域,主要用于冶金、电力、石化、 采矿等高能耗行业,可实现对各类高压电动机的风机、水泵、空气压缩机、提升机、皮带 机等负载的软起动、智能控制和调速节能,2021 年 CR5 总占比为 76%。低压变频器适用 场景较为广阔,下游较为分散,一般应用在起重机械、电梯、纺织机械等领域,2021 年 CR5 总占比为 43%。
随着国内工业生产规模不断扩大,我国变频器市场规模整体呈现稳定增长态势。2021 年我 国变频器行业市场规模达到 428亿元,同比增长 14%。2021年低压变频器的市场规模占比 较大,市场比重约为 73.5%,较上一年下降 2.6 个百分点;高压变频器为 26.5%,市场规 模占比持续增长。
低压变频器市场近年来有所承压。主要原因有:1)宏观经济下行:2022 年 GDP增速 3%, 受外需下行、疫情反复和地产低迷等因素拖累,整体经济发展依然处于疲软区间。2)前三 季度疫情焦灼,四季度疫情扩散高峰期:2022 年前三季度新冠疫情多点先后爆发,各地疫 情政策收紧,消费也随之收紧,整个中国制造业景气指数降低,投资热情不足;四季度疫 情防控措施优化调整之后,经历感染高峰期,生产生活影响较大。3)部分下游行业需求衰 退:如房地产等行业近年来表现相对不佳。
根据共研网数据,高压变频器市场规模从 2013 年的 75.77 亿元增长至 2021 年的145.02亿 元。2021 年同比增长 5.65%。
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国产品牌定制化能力以及产品研发制造实力提升,国产替代逐步落地。近年来国内品牌产 品质量逐步提高,故障率逐渐减少,相比进口品牌性价比表现出优越性。据华经情报网, 2021 年欧美品牌低压变频器占比为 44.6%,日韩份额为 13.1%,中国本土品牌占比为 42.3%,相较于 2017 年的 38.7%上升 3.6pcts。
在高压变频器市场中,2021 年合康、施耐德、汇川技术、西门子和 ABB 五家企业的市场 占有率排在前五名,分别达到 10.8%、10.6%、10.1%、9.2%和8.9%,CR5份额占比达到 49.6%。在低压变频器市场中,汇川技术、ABB、西门子、英威腾和中达等企业排在前列, 2021 年五者的市场份额占比分别为 18.8%、18.4%、12.3%、7.5%和 7.1%,CR5 份额占 比达到 64.1%,超过一半以上。
我国变频器国产替代有望加速。1)供货周期短,性价比高。由于国外变频器生产企业受 到原材料价格上升等因素的影响,其产品价格呈现一定程度的上涨,同时供货周期延长, 在这种背景之下,相比国外变频器生产企业,我国变频器生产企业的产品供货周期更短, 并且性价比也比较高,推动了国内变频器生产企业的份额不断增加,行业迎来了发展机遇。 2)行业政策不断出台。变频器产品属于节能型的电子设备,一直以来都是我国重点支持 发展的高新技术产品类型之一,近些年来在国家层面不断出台相关行业的支持和鼓励政策, 与此同时变频器在节能减排方面发挥着一定的作用,迎合国家节能减碳的发展规划,我国变频器行业有望迎来新的发展时期。3)行业处于成长阶段。随着我国变频器行业内生产 企业数量的持续增多,推动了行业发展速度不断加快,同时国内市场凭借成本和价格等方 面的优势吸引了国外众多大型企业进行产业布局,在一定程度上提高了我国变频器市场的 发展水平,目前行业处于产业生命周期的成长阶段,仍有较大的发展潜力。
伺服:22 年市场规模有所下滑,通用伺服汇川地位稳固
伺服系统是工业自动化控制设备主要的动力来源之一,伺服系统主要由伺服驱动器、伺服 电机和编码器组成,编码器通常嵌入于伺服电机。伺服系统可通过闭环方式实现精确、快 速、稳定的位置控制、速度控制和转矩控制,主要应用于对定位精度和运转速度要求较高 的工业自动化控制领域。从原理来看,伺服系统由伺服驱动器发出信号给伺服电机驱动其 转动,同时编码器将伺服电机的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、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、转矩等输 出变量。从成本构成上看,驱动器成本占比 42%;电机占比约 35%;编码器由码盘、光源 和接收器组成,成本占比约为 11%。
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从分类来看。伺服系统可以分为通用伺服系统和专用伺服系统, 其在产品技术、应用领域 等方面存在差异。通用伺服系统下游应用广泛,包括电子及半导体、机床、机器人、包装、 纺织、塑料、纸巾等。专用伺服系统根据不同行业需求定制化开发,提供专业化产品,主 要为交流电伺服以外的其他品类伺服,其市场规模较小。其下游应用领域包括风力发电、 矿山机械、缆车索道、电梯等。
通用伺服系统国产化率稳步提升。从市场规模来看,2022 年前三季度通用伺服市场规模为 173.3 亿元,同比下滑 3.45%,主要受到 2022 年传统制造业景气度较弱以及国内疫情影响。 从国产化率来看,国内伺服厂商以较短的货期和充足的备货扩大自身竞争优势,市场份额 均实现增长。近年来通用伺服国产化率逐年攀升,2021 年行业国产化率达到 23.57%, 2022 年前三季度提升至 30.51%。
专用伺服系统主要以国产品牌为主,市场集中度较高,主要以菲仕技术、汇川、北京超同 步等厂商为代表。以 2020 年数据为例,TOP5 厂商占据中国专用伺服市场 60%以上的市场 份额,其产品共同特点为进入市场较早,电机产品技术成熟,满足行业客户的集成化、智 能化、差异化需求,提供成套的专用行业解决方案,以较高的产品性价比和优质的售后服 务受到下游机床、注塑、工业机器人、风电等行业客户青睐。
 PLC:大型 PLC 市场仍受外资垄断,中小型 PLC 国产替代加速
可编程逻辑控制器(PLC)是种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。 它采用一种可编程的存储器,在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术 运算等操作的指令,通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过 程。PLC 由 CPU、指令及存储器、输入/输出接口、电源、数模转换、通讯接口等功能模 块组成。其工作原理分为三个阶段,先是进行输入采样、再执行用户程序、最后输出刷新, 这三个阶段可以视作一个扫描周期。在整个工作期间,PLC 会重复执行上述三个阶段。
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PLC 通常按照输入/输出(I/O)点数来分类,可将 PLC 分为小型、中型和大型三类。点数越 多,控制关系越复杂,要求的程序存储器容量越大,指令与功能越丰富,能够应用更大型 复杂的控制任务,技术要求同步抬高。
PLC 在工业控制层级中属于承上启下的地位,向下连接驱动层、执行层,向上连接信息层。 在产业上来讲,国外企业起步较早,技术积淀丰富,在中大型 PLC 竞争上具有一定优势, 国内企业起步相对偏晚,但在小型 PLC 市场上已经具备一定竞争力。
我国 PLC 市场韧性较大,市场规模稳健增长。PLC 在自动化装备和产线中有普遍应用场 景,据观研天下数据,受益制造业产业升级和高端装备的发展,2018-2022 年,中国 PLC 市场规模由 121.31 亿元提升至 150.91 亿元,2018-2022 年 CAGR 为 5.61%。其中,2019 年由于受到我国经济增速放缓和中美贸易摩擦影响,PLC 市场规模同比下滑,2020-2021 年,得益于口罩机需求大幅增长和中国制造在疫情下体现的供应链优势,2020 年和 2021 年 PLC 市场明显回暖。2022 年在疫情反复的压力下 PLC 市场体现较强韧性,我国 PLC 市 场规模为 150.91 亿,PLC 市场规模呈稳健增长态势。 从市场结构来看,据 MIR 数据显示,我国中大型 PLC 和小型 PLC 大致平分市场,2021 年 市场份额均占比约 50%。
从应用市场来讲,小型 PLC 的市场准入门槛低,一般用于 OEM 型市场,由于下游客户对 价格敏感,因而小型 PLC 市场同质化较为严重,同时竞争相对激烈。中大型 PLC的技术难 度高,一般用于项目型市场,在“技术+客户+组网/排他性”等壁垒下,国内企业替代海外品 牌依然是个长期过程。
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PLC 市场整体由国外龙头企业主导,国产化率较低。PLC 市场集中度较高,欧日系占比较 高。竞争格局方面,可靠性要求更高的中大型 PLC 市场主要被西门子、欧姆龙、三菱等外 资厂商所占据,据 MIR 统计,2021 年西门子市场份额近 50%。小型 PLC 市场方面,国内 企业有望凭借完备的解决方案能力、响应下游进行定制化开发及现场调试和较快的响应速 度,逐步替代外资份额。同时,国内企业在掌握小型 PLC 技术基础上,逐步拓展在中大型 PLC 产品上的布局,以信捷电气为例,其 XG 和 XS3两个系列的中型 PLC 产品在光伏、锂 电、半导体行业得到广泛应用。我们认为,小型 PLC 领域国产替代进程或将持续进行,而 在中大型 PLC 市场上,随着国内半导体、锂电池以及光伏等新兴行业的旺盛需求驱动和国 产 PLC 技术的进步,国产品牌有望逐步取得一定突破。
2022 年上半年国内 PLC 市场国产厂商取得突破。据 MIR 睿工业数据,从排名上来看虽然 前三强依旧稳定地被西门子、三菱、欧姆龙所占据,但在三强之后,国产厂商汇川从 2021 年的第八位跃升到第四位,这为国产厂商在 PLC 领域的发展起了一个好的开端。不仅是汇 川,国产厂商台达、信捷电气也跻身前十强榜单中,这也进一步壮大了 PLC 领域国产厂商 的队伍。
HMI:增长势头良好,国产品牌竞争力凸显
人机界面(HMI)是人与机器进行交互的终端设备,是工业自动化控制系统不可或缺的功 能单元,主要包括文本显示器、触摸屏和平板电脑。人机界面由硬件和软件两部分组成, 其中软件的开发是核心。从功能上来讲,HMI 和 PLC 关系密切,一般与中小型 PLC 较为 相关。
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 DCS:中控技术为绝对龙头
DCS(Distributed Control System)即集散控制系统,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。其主要特点是分 散控制、集中操作。DCS 主要应用于化工、石化、电力、核电、制药、冶金、建材等流程 工业领域。
2021 年 DCS 市场规模约为 111.2 亿元,同比增长 24.6%。睿工业预计,2022 年至 2027年 DCS 市场仍会保持稳定增长,平均年增长率将维持在 5-6%,随着 VR、大数据、云计 算、5G 等技术逐步从一线城市过渡到二三四线城市,DCS 与高新技术的对接将助力行业 实现高质量发展。 化工、石油、电力领域是 DCS 的主要应用领域。目前化工、电力、石油领域是我国 DCS 的主要应用领域。智研咨询数据显示,2021 年化工领域 DCS 规模为 41.41 亿元,占比达 37.24%;电力领域规模 26.28 亿元,占比 23.63%;石油领域规模 21.56 亿元,占比 19.43%。
中控技术是 DCS 市场的龙头企业。根据睿工业统计,2011 年至 2021 年,中控技术连续 蝉联国内 DCS 市场整体占有率第一名,2021 年市场份额为 33.8%,细分领域中化工领域 的市场占有率达到 51.1%,石化领域的市场占有率达到 41.6%。
 PC-based:整体市场保持较快增长,国内品牌占据主导地位
在工业自动化领域,通用控制器可以分为三类,即:PLC 控制、嵌入式控制器、PCBased 控制。相比而言,PC-Based 运动控制卡能够实现更为复杂的运动控制,目前已成 为发展较快的运动控制器,随着下游工业机器人、半导体等行业对运动控制要求的提高, PC-Based 控制卡有望迎来更为广阔的发展空间。
市场规模来看,参考工控网数据,2021 年市场规模预计为 9.9 亿元。通用控制器主要厂商 包括固高科技、雷赛智能、美国泰道、ACS、翠欧、倍福、ELMO 等。其中以固高科技等 为代表的国产厂商产品和技术逐渐达到国际先进水平,国产替代持续进行。
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步进系统:国内企业主导,主要满足低负载/低速市场
步进系统一般由步进电机和步进驱动器构成,步进电机按照驱动器发出的指令脉冲工作, 按照设定的方向转动相应的角度;通过控制脉冲个数可以控制角度位移量,达到准确定位; 通过控制脉冲频率可以控制电机的转速和加速度,达到准确调速。按照是否设置位置检测反馈装置,是否构成运动反馈控制回路,步进系统可以分为开环步进系统和闭环步进系统。 步进系统能够满足大多数低负载/恒负载的低速工况,并且具有控制简单、成本低、可靠性 高等方面的优势,因此,在普通机床、纺织、包装、电子加工、仪器、激光加工、线切割、 焊接等领域广泛运用。
步进系统市场保持较为稳定的趋势,以国内企业主导为主。与其他运动控制系统相比,在 精度和速度要求并不苛刻的场合下,步进系统凭借其经济性和实用性,渗透率相对较高。 行业格局方面,我国步进系统市场以内资品牌为主,如雷赛智能、深圳研控、鸣志电器等 国产品牌已占据较大的市场份额。
 CNC 数控系统:国内替代空间大,看好国内工控龙头切入
数控系统则是利用数字化信息并采用数字控制技术对生产过程进行自动控制的系统,即数 控系统由输入、决策和输出三个环节构成,是一种由程序控制的自动化机床。简而言之, 数控系统是控制机床工作的“大脑”,类似于手机中的操作系统和 CPU 的作用。
国产替代空间较大。参考华经情报网,我国数控系统甚至整个机床产业的起步阶段都是以 政府为主导,1949 年我国机床工业在政府领导下开始建设,1958 年我国出现了第一台数 控机床。1981 年北京集装研究所开始引进发那科数控技术,随后我国又引进 GE、西门子 等数控系统。目前民营企业中华中数控、广州数控、科德数控、苏州新代等企业在中高端 数控领域已经取得实质性突破。在市场空间方面,参考华经情报网测算,2021 年 CNC 系 统进口替代空间约 137 亿元。我们认为未来随着汇川技术等企业进军 CNC 系统,CNC 系 统国产替代或将加速。
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工业机器人:市场空间较大
工业机器人指的是面向工业生产领域的多关节机械手或多自由度的机械装置,其能够代替 人工完成繁重、重复的工作,同时提高工业加工的精度和生产效率。工业机器人的分类方 式多样,可根据运动坐标形式、驱动方式等进行分类,按照机械结构特点可分为垂直多关 节机器人、SCARA 机器人、协作机器人、Delta 机器人四大类,常见的功能包括搬运、装 配、焊接、喷涂等,广泛应用于汽车制造、3C 电子行业。
工业机器人产业链上游为核心零部件,包括控制器、伺服电机和减速器等,根据 OFweek 数据,减速器、伺服电机和控制器分别占工业机器人总成本的 35%、20%、15%,合计占 比高达 70%;中游为机器人本体制造,包括关节机器人、SCARA 机器人、直角坐标系机 器人、DELTA 机器人;下游为工业机器人应用终端,主要应用领域有汽车、家电、航空航天等行业。
汽车、电气电子领域应用比例较高。从全球工业机器人应用领域来看,汽车和电气/电子领 域应用比例较高,华经情报网预计 2022 年行业规模分别为 35.45 亿美元和 34.72 亿美元。 从整体市场规模来看,由于疫情影响,近几年市场略有波动,我们认为未来随着疫情影响 的减弱,整体市场规模有望稳健增长。
我国已经连续 8 年成为全球最大的工业机器人消费国,工业机器人销售额呈现增长的趋势。 2021 年我国工业机器人市场规模约达 450 亿元,中商情报网预计到 2023 年,国内市场规 模进一步扩大,将突破 500 亿元。
国产替代空间大。据 MIR DATABANK 数据,2022 年上半年中国市场工业机器人出货量排 名前二十名中,外资占多数,有 12 家外资企业;8 家内资企业,仅埃斯顿和汇川技术两家 厂商进入了前十。
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 工业软件:研发设计类亟待突破,整体国产化率较低
工业软件是指专用于或主要用于工业领域,为提高工业企业研发、制造、生产管理水平和 工业装备性能的软件,其广泛应用于工业领域各个要素和环节之中,与业务流程、工业产 品、工业装备密切结合,全面支撑企业研发设计、生产制造、经营管理等各项活动。从整 体市场来看,2021 年我国工业软件市场规模为 2414 亿元,同比增长 24.8%。
国产化率低。《中国工业软件产业白皮书(2020)》的调研数据,我国 95%以上的研发设计 类工业软件依赖进口,研发设计类各细分软件领域的前十大供应商中,国内企业数量明显 处于劣势。国产生产制造类工业软件占据 50%的国内市场,在部分领域已经具备一定实力, 涌现了宝信软件、和利时自动化、中控技术等行业领军企业,但在高端市场中并不占优势。 国产经营管理软件占有国内 70%的市场份额,代表厂商有用友网络、金蝶国际、浪潮信息 等。70%的运维服务类工业软件依赖进口,国内运维服务类工业软件缺少成熟工程应用, 缺乏数据和经验积累。

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