工业控制与通信发展趋势与市场分析

电子发烧友网报道（文/周凯扬）工业控制系统是作为工业自动化流程的基石，也是整个工业互联网的上游。随着工业4.0的进展加快，全球工业自动化控制市场保持着快速增长的态势。甚至成了少数在疫情影响下，仍然实现了可观增长的产业。
 
伴随着越来越多的自动化生产流水线和智能设备大量出现，工控产品需求的增速将被充分带动。根据市场调研公司The Business Research的统计，全球工业控制市场在2021年已经达到1286亿美元，预计将在2022年达到1415美元，预计在2026年达到1907亿美元，年复合增长率达到7.7%。

在工业数字化转型中，工业控制系统占据了很大的份额。从调研数据来看，目前大型工业制造厂商，尤其是汽车制造业大部分完成了自动化与数字化转型。然而对于多数中小型企业来说，由于预算限制，完成这样的转型依然存在不少挑战，也正是因为如此，整个工业互联网市场还留有很大的空间。
 
国内政策大力推动
 
根据国家统计局的2021年数据表明，我国工业制造业仍在较快增长，规模以上工业增加值比上年增长了9.6%，工业行业的增长面达到了95.1%。2021年的1月到11月份，41个工业大类行业营收都是同比增长的，可以说，中国依然是全球工业增速最快的地区之一，这也直接反映到了工业互联网市场的增长上。
 
根据中国工业互联网研究院的统计测算，我国2020年工业互联网产业规模就已经达到了3.57万亿元，2021年规模也将突破4万亿元。工业互联网产业直接带动就业人数也已经超过600万人，充分缓解了就业压力。也正因如此，国家对上游的工控与通信市场的发展异常重视。
 
十四五信息化与工业化深度融合发展规划明确指出，加快工业芯片、智能传感器、工业控制系统、工业软件等融合支撑产业培育和发展壮大，增强工业基础支撑能力。加快数字化的进程中，重点行业涵盖了原材料、装备制造、消费品、电子信息、绿色制造和安全生产。据统计，2021年，中国工业控制市场的规模已经达到2600亿元，保持着10%以上的增速。

今年4月，国家工信部印发了《工业互联网专项工作组2022年工作计划》，提出了十五项任务，重点举措有：1.建设5G+工业互联网，推广5G+工业互联网应用场景，包括船舶航空制造和消费品行业；2.支持开展工业边缘计算，推动IT和OT网络融合，在矿山、化工园区开展边缘计算设备部署和网络设备设施升级；3.壮大平台体系，重点建设能源工业互联网专网平台，遴选跨领域综合型工业互联网平台，加速工业软件云化迁移，征集云化PLC、智能检测、数字孪生工厂、工业视觉的案例4.加强推进标准化，包括20项工业互联网标准立项，以及工业设备、软件上云和数字孪生的标准。
 
产业链和上下游现状与剖析
 
工业控制系统是不同类型的控制系统和相关设备仪器的统称，主要包括控制设备、系统和网络。从上游来看，主要分为工业控制/通信的芯片和模组，以及工业传感器。
 
在关键业务的工业应用中，工业传感器起到了改善工业流程并提供资产监控与保护的作用。主要的工业传感器有压力传感器、光电传感器、位移传感器、接近传感器、RFID、安全传感器、编码器、视觉传感器等。尤其值得一提的是，工业机器人的普及促使了一批新型传感器的研发与创新，比如三维视觉传感器、力觉传感器、大FOV的单线与多线激光雷达和高精度编码器等等。
 
工业传感器厂商主要有：精量电子、SICK、基恩士、倍福、霍尼韦尔、欧姆龙、得利捷、劳易测、纳芯微、康耐视、北洋集团、西人马、明皜传感、芯奥微、美芯半导体、飞恩微电子等。
 
工业级芯片又主要由工业控制芯片和工业通信芯片组成。工业控制芯片开始朝更高的功能集成度和更低的功耗开始发展，为电机控制等应用提供了更优秀的性能与可靠性。而工业通信芯片在继续推进标准化、实时性和安全性的同时，5G为首的工业无线通信芯片逐渐崭露头角。
 
工业级芯片主要厂商有：TI、ADI、ST、Microchip、英飞凌、恩智浦、安森美、瑞萨、美信、极海半导体、华大、中颖电子、芯旺微电子、聚辰半导体、万高、时代、航顺、赛元、峰岹、东土科技、中科晶上、芯海科技等。

工业控制市场的中游主体为PLC、DCS和SCADA，这三大控制层的控制器与系统。可编程逻辑控制器（PLC）作为自动化机械控制的核心，负责与流水线、机器人等自动化流程的通信、监控与控制，按I/O数分为小中大型PLC。
 
集散控制器（DCS）则是流程工业的大脑，是由分散在工厂和控制区域的子系统组成的自动化控制系统，虽然控制分散，但做到了管理和操作集中。其数据采集和控制功能主要是通过分布在被控制/收集数据的设备附近的微处理器单元完成的。
 
SCADA是工控系统中的数据采集和监视控制部分，主要由主站、通信系统和RTU组成，RTU收集现场数据，通过通信系统传给主站，主站显示获取数据，同时让运营者开展远程控制任务。
 
工控与通信市场下游集中在工业机器人、工业路由、工业网关和工业互联网平台等应用上。虽然全球顶尖工业机器人厂商依然集中在国外，但根据工信部的统计我国已经连续八年成为全球最大的工业机器人消费国，十三五期间工业机器人的产量已经从7.2万套增长到21.2万套，实现了31%的年均增长，覆盖了汽车、电子、冶金等52个行业。
 
另一大下游产业就是工业网关和工业路由，工业现场设备的通信通常都会遵守各自的协议，需要工业协议网关的转换来完成网络互连。而工业路由器在支持多种工业通信协议并提供无线网络的同时，支持网络管理控制和诊断，减少了因为网络故障带来的损失。
 
工业互联网平台的出现，为工业自动化带来了降低成本的服务方案，这一块降低的不只是IT运维成本，也降低OT的产品研发成本和资产管理成本。工信部公式的跨行业跨领域互联网平台中，既有深耕多年的工业互联网平台公司，也可以看到不少新晋云平台公司的身影，比如百度、京东，根据其云平台的技术底座，围绕仓储、物流和制造方面提供服务。
 
工控产业发展趋势
 
虽说受到疫情影响，工业自动化的部署有所减缓，但工控市场需求仍保持着正向增长。去年上半年缺芯影响较为严重，加上备货有限和海外疫情反复，延续了自2020年底以来的火爆局面，突破了传统的淡季需求，在第一季度实现了40%以上的同比增长，第二季度开始消化上游缺芯缺货的恐慌情绪，需求逐渐走向常态化，持续至第三季度，两季度平均同比增长11.9%左右，第四季度能耗双控、原材料涨价和一定的疫情反复影响，进一步降低了需求，涨价的趋势在今年上半年得到了体现。今年开年以来，国内外工业自动化厂商都发布了一系列涨价公告，而这还是建立在去年已经数次上调价格的基础上。
 
口罩机为PLC等工控产品带来的红利正在慢慢缓下来，但由于疫情反复加上全球对于医护用品的认知开始加强，医疗器械自动化生产仍将持续作为一个可观的增长点。加之各国仍在坚持一定的防疫措施，尤其是国内，一些参与到此类产品生产中来的新企业，依然是一块不可小觑的蛋糕，也是不少国内自动化厂商的业绩增长点。
 
除医护用品之外，半导体、锂电、工业机器人等先进制造和OEM的需求增长同样强劲，细化到产品上还是以小型PLC增长为主。大型PLC还是集中在电力、石油、石化和化工等项目型市场，受到疫情影响有一定减缓，但本身体量足够大，所以市场总值依旧庞大。
 
在国内PLC市场，来自欧美和日本的外资品牌依然占据主导地位，尤其是西门子一家就做到了近半的市场份额。国内目前还是主要以中小型PLC为主，不少都已经站稳脚跟，开始市场渗透，比如刚才提到的口罩机。与此同时，从新品发布和企业年报中也可以看出，一部分厂商也在突破技术壁垒，推出和布局中大型PLC，比如宝信、傲拓等等，不过市场份额还是罗克韦尔等厂商占大头。

在电子发烧友网开展的调研中，有近半的用户认为PLC、DCS等控制层工控产品已经可以完美实现国产替代。不过这很大程度上是DCS带来的信心，尤其是靠中控技术与和利时两家在DCS市场高占比。但在下游产业中，国内的DCS还是以化工、石化为主，电力能源上的DCS还是国外品牌占据主导。
 
SCADA系统国内品牌的占比已经过半，但还有不少替代的空间。尤其是在外资品牌陆续开始收购，提高竞争力的情况下，把握绿色能源、智能电网和南水北调、智慧水厂这类水处理等热门应用会是突破的契机所在。
 
工业通信方式市场格局

在我们的用户调研中，54.7%的用户所用工业通信方式为工业以太网，31.3%的用户在用现场总线，只有不到20%的用户选择了工业无线网。但工业无线网的增长速率还是可观的，从HMS的统计数据中也可以看出，工业无线网的占比虽然保持不变，但8%的年增长率已经与工业以太网相近了。
 
工业以太网
 
主导工业以太网的主要是EtherNet/IP、PROFINET和EtherCAT这三大协议。EtherCAT的主站并不需要专属硬件设备，因此大部分芯片方案都集中在EtherCAT从站控制器上，又主要以ASIC芯片和ARM MPU为主。EtherCAT芯片厂商有ADI、TI、瑞萨、Microchip、英飞凌、倍福、赫优讯、HMS、安川，国内做EtherCAT协议芯片的比较少，也只有亚信电子、讯成科技这几家台湾厂商有相关产品。
 
EtherCAT G/G10能将该技术的性能扩展到千兆/万兆级，而且无缝兼容现在的百兆EhterCAT设备解决高采样率测量应用和复杂运动控制应用的痛点。而EtherCAT P将高速以太网通信与外围设备的电源整合在一根4芯标准以太网电缆中，尤其适用于独立于系统其他部件的传感器和执行器，在现场层实现单电缆自动化，减少了布线复杂程度和成本。
 
PROFINET是一种适用于自动化行业的开放式实时工业以太网通信协议，可以无缝集成现场总线系统，目前已经和EtherNet/IP并驾齐驱，成为了市面上最普及的工业以太网方案之一，主导着亚洲市场。根据PI给出的数据，去年又有850万PROFINET产品投入市场，装机量同比增长20%，设备总量达到4820万台。
 
EtherNet/IP虽然不像EtherCAT那样需要专用的硬件，但带宽和速度有限，也不如EtherCAT那么灵活，但仍是目前市占率第一的通信协议，所以无论是PLC、交换机厂商，虽然有的主推EtherCAT或PROFINET，却也各自推出了对应的EtherNet/IP解决方案。
 
现场总线
 
作为老牌工业通信技术之一，现场总线简化了控制系统中的设计、安装和维护，工业自动化带来了第一波的从模拟到数字的革命，这么多年来也在工业控制领域得到了迅速发展，已有设备量依然数一数二。
 
但差异化的发展促使了各种现场总线技术的出现，比如CANBUS、PROFIBUS、CC-LINK等等，虽然各具特点，但缺乏协议之间的互通。接着是从性能上、组网灵活性上被工业以太网反超，从HMS的数据来看，现场总线去年的年增长也只有4%，且市场占比处于继续下滑中。不过目前现场总线的并没有完全淘汰，还是有一部分市场在。尤其是在疫情和元器件供应的双重影响下，工厂更趋向于使用成熟的工业网络方案。
 
工业无线网
 
从工业通信网络的发展来看，往往都是在新兴通信方式崛起一段时间后，与之相关的工业应用场景才开始成熟，就像以太网过渡到工业以太网一样，大家正是这样看待工业无线网的。而现场总线设备因为平均寿命、升级换代的情况更加复杂，可能是最后一批迁移到无线的设备。
 
工业无线网起初因为性能、稳定性和成本的原因，虽然增速可观，但所占份额依然不多。尽管如此，工业无线网带来的优势不可小觑，比如在系统复杂性更高的场景下，即便是有线网络也会有传输距离或延迟的影响，从而限制了远程监控纯有线网络的能力，而无线网络在远程监控和资产管理上有着天生的优势。
 
Wi-Fi6/6E和蓝牙5.2/5.3的出现也为两种传统无线通信方式带来了技术创新，但前者成本的成本依然还没有降下来，后者仍然有着速率上的劣势，所以渗透率增长有限。5G的到来也给工业无线网创造了新的机遇，但5G网络才经历了一波爆发式增长，目前还在完善方案中。虽然已经有了相关政策的推动，但不少工厂依然在观望5G能给下一代工业通信网络带来怎样的影响。这在我们的调查报告中也可以看出，新兴工控与通信方案中，最吸引人的还是5G智慧工厂，占比达到了28%。
 
工业通信网络发展趋势
 
确定性网络
 
为了做到高效地使用、管理、维护、控制工业设备，需要以提供确定性服务质量的网络通信平台与技术作为支撑；工业制造网络化与智能化升级，也对网络提供确定性服务质量提出了要求。确定性网络简单来说就是将服务质量控制在确定范围，比如时延、抖动、丢包率等等。
 
典型的确定性网络有：时间敏感网络（TSN）、灵活以太网（FlexE）、确定网（DetNet）、5G确定性网络（5GDN）。目前TSN、5GDN已经开始了工业制造方面的商业应用，而DetNet、FlexE还需要一段时间的发展才能适应工业需求。
 
我们以TSN时间敏感网络为例，为了进一步改善以太网实时性能、工业场景下OT与IT网络的融合，TSN作为一套新的以太网标准被提出。TSN能够保证控制类、实时运维类等时间敏感数据的优先传输，从而实现实时性和确定性，保证了各类业务流量共网混合传输，将已有的存量工业以太网、物联网以及新型工业应用连起来，极大提高工厂网络灵活组网的能力。
 
目前参与工业网络与TSN融合研究工作的厂商越来越多，比如工业以太网行业标准组织（CC-Link、EtherCAT、PROFINET），还有国内的工业互联网产业联盟，加上大部分自动化厂商，比如西门子、ABB、库卡等。
 
下一代工业网络TSN应用于工业领域的技术研究正飞速进行，端到端应用场景逐渐丰富，研究成果的产业化时机已经到来。技术开发与测试成果已初步涌现，通信设备厂商和芯片厂商们也一并参与到TSN的开发中来，产品及服务厂商也在逐渐增多。据统计，市面上已有10多个行业领域对TSN的端到端应用进行了初步探索，国内外市场上能提供TSN各类软硬件产品及服务的厂商也超过50多家。

以芯片厂商为例，就有ADI、英特尔、Xilinx、Microchip、博通、Marvell、NXP和德州仪器等多家大厂，但国内目前少有参与TSN芯片开发的厂商。
 
5G
 
5G作为时下热门的无线通信网络，在演进的过程中，5G不少新特性都为它在工业网络中的应用打下了基础。比如5G Advance进一步提升了网络性能，做到了10Gbps的下行速度和1Gbps的上行速度，毫秒级的交互时延等等。5G网络切片可对内网中不同需求的工控网络进行切片，完成不同的业务的Qos保障需求。
 
然而打造5G工业网络仍存在一些挑战，比如可靠性上，5G的可靠性还不能稳定维持在99.9999%以上的目标；在提高通信容量和效率上，也还是在部分区域进行试点，并没有大规模扩展。最后也是最重要的一环，就是终端支持方面，目前支持5G的工业网关、路由器设备已经开始少量出货，但终端设备仍不算多，未来参与进来的厂商数量增加、产品与技术完善程度更高，势必会带来成本的下降，促进终端普及。最后，5G技术融合后的网络安全能力尚待提升，且供应链安全还不能完全把控，尤其是5G芯片。
 
通信安全

 

在我们对工控产品的需求调研中，稳定性和使用寿命所占需求最高，其次是成本，然后是大家愈发重视的工控通信安全。与近年来被反复强调的互联网安全、物联网安全和信息安全一样，工控安全同样是极其重要的一环。而针对工业领域的攻击也开始频出不穷，这针对的不仅是企业的IT系统，也有包含PLC在内的OT系统。

 

而国内目前在自动化产品通信安全上的发展也有所欠缺，比如在近日工业控制系统信息产业联盟发布的《工业控制系统信息安全产品及服务指南中（2022版）》中，“具有信息安全功能的工控产品—PLC”一项只有中电智科的超御PLC上榜。所以安全性仍是各大通信方式与通信协议的主要发力方向之一，在PROFINET、ETHERCAT等通信方式的标准更新中，除了对TSN的支持外，也在完善在安全方面的规范。
 
新兴工控与通信方案

从我们的调研数据中，对于新兴工控方案的意向中，用户对于5G智慧工厂最感兴趣。对于复杂的工厂环境来说，有线连接虽然久经验证，但可能会带来更高昂的布线与施工成本，而且设备的位置会受到限制。
 
5G智慧工厂结合了工业视觉、移动物流和AR辅助作业等方案，从对现有的设备层到管理层工业基础设施都提供了灵活的方案，实现了设备的灵活切换，并减少了线缆成本。再加上国内政策的推进，运营商和设备厂商的发力，我国在这一块的研究进展迅速。
 
另一个新兴方案就是云化PLC。云化PLC作为在云端运行的可编程控制器，给到了一个软件定义的方式，与云服务厂商建立的工业互联网平台联通，并实现PLC远程控制，免受地理位置的束缚。
 
云化PLC的出现，也象征着工控领域软硬件解耦的诞生，对于国内的工控系统来说，云化PLC中通用IP协议的应用也可以解决七国八制的问题。与此同时，与云端伴生的AI还能给PLC带来新的演进方式，让PLC成为真正的智能可编程逻辑控制器。

 

在我国的十四五规划中，数字孪生技术被重点提及并要求攻关。数字孪生面向的最主要场景之一，正是工业4.0。通过对工厂和流水线的数字孪生，可以测试、改善和优化整套生产流程，在不影响实际生产的情况下，提供实时监测与控制。

 

但为了实现这种实时的应用技术，就必须提供一个大带宽、低时延、可靠性高且安全的工业网络，这也与EtherCAT、PROFINET、5G等通信方式追求的性能表现相符。话虽如此，因为其由于技术和人力成本投入较大，业内仍在观望中，目前在国际范围内也只有少数工厂处于尝试阶段，方案厂商也有比较有限。
 
结语
 
可以看出，在市场需求和政策推动的作用下，工控与通信市场在国内仍是增速最快的市场之一，但供应链上的问题，无论是原材料涨价还是缺芯都会对增速造成一定的影响。
 
其次，主导工控通信中上游产品的依然是欧美日三个地区的厂商，国内厂商也已经找到了自己的一席之地，与此同时用户中国产替代的意愿也在不断增加，国产替代化程度已经呈现上升态势，而且在大部分用人眼中PLC、DCS等中游产品已经可以做到一定程度的国产替代了。
 
最后大家有目共睹的是，工业通信上的创新正在加快工业4.0的进程，对工厂部署工业互联网起到了相当大的推动作用，工业以太网仍然稳坐工业通信方式的宝座，但工业无线网的关注程度正在攀升，随着技术逐渐成熟和成本降低，用户乐意选择5G这类新型工业组网方式。