浅析中国工业自动化与智能化应用

技术前沿：中国工业自动化与智能化

在自动化驱动领域，变频器涉及电力电子、计算机、自动控制、运动控制、电机、传感器等多项学科领域，无论在理论上还是设计及制造工艺上，都需要较高的技术水平和经验积累，因此对人才队伍有较高的要求。行业需要在软件、硬件、结构、电磁兼容、安规设计等方面具备较高理论素养和较高实践水平、经验丰富的技术人才。变频器研发需要在硬件设备、软件工具、人才等多方面的持续投入。

在设备智能操控系统领域，涵盖图像处理、点云数字分析、算法、AI识别等多领域技术，这些技术应用到工业领域存在着较高的门槛，以智慧港口、水泥智能化应用为例，业内企业需要将物联网、人工智能、大数据等新一代信息技术更加深入的融合应用于相关的企业生产运营管理系统中，才能逐渐实现企业的自动化、智能化、智慧化运营目标。

工业自动化根据自动化层级递进顺序主要可分为设备单机自动化、设备生产作业过程自动化和企业生产管理自动化。

自动化驱动产品与智能操控系统主要用于工业自动化中的设备自动化领域，其中自动化驱动产品是实现设备单机自动化的核心部件；智能操控系统是在设备单机自动化的基础上，实现设备生产作业过程的自动化，即设备操控的远程化或自动化。

自动化驱动产品主要包含变频器和行业专机。变频器是设备内部单机自动化控制系统中，应用最为广泛的核心驱动产品之一，变频器主要是通过调节电流频率控制电机的转速与转矩，实现对各行业各类设备的机械传动控制；行业专机是在变频器的基础上，根据各行业具体应用场景需求，添加行业专用控制器、传感、安全保护等功能模块或配件，并集成为一体形成专机形态，其主要工作原理、技术特征及核心功能模块仍与变频器产品趋同。

智能操控系统是在设备单机实现自动化的基础上，实现对设备群操控的远程化或自动化，即实现设备生产作业过程的自动化，将操控人员（即司机）工作场所由设备上的“司机室”变成了远程的“中控室”，将传统的一人现场操控一台设备改变成一人远程监控或操控多台设备，改善了操控人员工作环境、减少职业健康危害，同时通过系统操控设备自动化作业可以节省用工数量、降低人工操作出错率、提高设备作业效率与作业质量。    

自动化驱动产品主要应用领域为各行业领域的中大型起重、搬运设备以及盾构机的单机自动化控制系统，该类设备实际运行工况中对低速大转矩、带负载电机动态自学习、多电机刚性同步、防摇摆等控制技术有着较高的要求，该领域变频器产品长期被安川、西门子、ABB、丹弗斯等国外品牌所垄断。

（1）变频器

变频器基本概念

是应用变频技术与微电子技术，通过把电压与频率固定不可调的交流电（通常来自电网端）通过“整流—逆变”成电压和频率可变可调的交流电，以实现对机械设备上电机的转速、转矩进行控制，从而实现对机械设备整体运转的调速控制。    

变频器通常由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动等单元组成。整流是指对电网输入的三相不可调交流电进行整流，将交流电整流成直流电；滤波是通过对电路中所需频率之外的电信号或谐波进行滤除，以获得所需频率段质量较高的电源；逆变是指将直流电转化成为电压和频率可变可调的交流电；制动单元主要是对电机运行过程中由于减速或势能下降所产生的再生电能进行及时消耗，避免由于返回电能过大导致变频器直流电路电压过高，从而产生损坏。

通常情况下，制动单元是通过在直流电路上直接并联制动电阻，对电机再生发电返回的电能直接通过电阻转化成热能消耗掉。

变频器产品根据电压等级不同，可以分为低压变频器（690V以下）和中高压变频器，目前低压变频器占据市场的主导地位。根据中国工控网《2022年中国自动化市场白皮书》显示，2021年度我国低压变频器市场占整个驱动系统产品市场规模的80.86%。

低压变频器，其根据驱动电机或电机组数量的不同可以分为单传动变频器和多传动变频器。单传动变频器是指一个变频器包含一个逆变器，同时只能驱动一个或一组电机，其工作原理与上图“变频器基本工作原理示意图”一致，产品功率范围涵盖0.4kW至1,120kW。多传动变频器是指一个变频器包含多个逆变器，同时能驱动多个或多组电机。

多传动变频器是针对各行业对节能减排、绿色发展的诉求，推出的一款节能型产品，主要应用定位于港口机械、盾构机等功率相对高、能耗相对大、且存在多电机组协同作业的设备或设备组。    

多传动变频器通常由一个整流回馈单元连接并联在直流线路上的多个逆变器，驱动多个或多组电机运行，产品功率范围涵盖5.5kW至2,400kW。

多传动变频器主要通过以下两方面实现了电能的循环利用，达到节能降耗的目的：一方面，通过在直流电路并联多个逆变器，可同步驱动多个或多组不同频率运转的电机，不同电机或电机组之间电能可以互相连通，使得处于发电状态的电机所产生的再生电能可以直接用于驱动处于用电状态的其他电机运转；

另一方面，电网端通过用“LCL滤波+IGBT整流”组合成的“整流回馈单元”代替了传统的二极管整流，实现了电流的双向高质量流通，即当所有电机整体处于再生发电状态时，再生电能不再通过电阻转化成热能消耗掉，而是直接通过整流回馈单元返回至电网，从而实现电能的循环利用。

变频器关键技术性能指标

变频器关键技术性能指标包括电机矢量控制基础性能指标、电机参数自学习功能指标、硬件功能指标、行业特色功能指标。

①电机矢量控制基础性能指标

电机矢量控制基础性能指标包括启动转矩、稳速精度、转矩响应、转矩精度、调速范围、宽电压输入范围、开环矢量起升机构运行中反向，前述指标具体衡量标准如下：    

A、启动转矩：能在更低的速度提供更大的转矩代表低速性能越好；

B、稳速精度：该值越小代表电机速度越接近给定速度，精度越高；

C、转矩响应：该值越小代表转矩响应速度越快；

D、转矩精度：该值越小代表转矩精度越高；

E、调速范围：调速范围越宽代表可控制电机在更低的速度稳定运行；

F、宽电压输入范围：该值下限越低代表越能适应低电压下的重载工况；

G、开环矢量起升机构运行中反向：允许反向代表更好的低速性能和更高的效率。

②电机参数自学习功能指标

电机参数自学习功能指标包括带载自学习能力、最低动态自学习速度、转动惯量自学习能力、速度环PI参数自整定，前述指标具体衡量标准如下：

A、带载自学习能力：该值越大代表能更多的适应电机不脱轴的工况；

B、最低动态自学习速度：该值越低代表越能适应电机不脱轴的工况；

C、转动惯量自学习能力：是否具备此功能，可解决加减速过程中对负载的判断；

D、速度环PI参数自整定：是否具备此功能，可解决现场速度环参数调试的效率高低。

③硬件功能指标

硬件功能指标包括过载能力、多电机切换功能、故障记录功能、自由功能块功能、与其他品牌变频器位置同步功能，前述指标具体衡量标准如下：

A、过载能力：越大的过载倍数持续的时间越长，代表变频器适应负载短时过载的能力越强；

B、多电机切换功能：该值越多代表变频器可分时驱动电机的数量；

C、故障记录功能：故障记录信息越多越丰富，越能方便故障原因的诊断；

D、自由功能块功能：是否具备此功能，决定变频器二次逻辑开发的能力；    

E、与其他品牌变频器位置同步功能：是否具备此功能，决定变频器是否能与其他品牌变频器共同驱动非刚性联接负载。

④行业特色功能

行业特色功能指标包括制动器失效保护、定位+防摇摆功能、回转平稳控制功能、平稳起升控制功能、防冲顶控制功能、反档急减速功能、软着陆功能、重量检测功能，前述功能指标提升起重机械等设备起升运行过程稳定性、安全性、运行效率。

（2）行业专机

行业专机是

根据不同行业客户在具体应用场景中对设备自动化控制的驱控一体化、功能集成化、装配空间集约化等一系列个性化需求，在变频器的基础上，添加各类行业专用控制器、传感、安全保护等功能模块或配件，并集成为一体形成专机形态。相较于单一变频器，行业专机功能更加多元化，产品更加集约化，操作更加方便。

专机产品根据不同客户需求增加了其他功能模块或配件，但其主要工作原理、技术特征及核心功能模块仍与变频器产品趋同。

智能操控系统简介

送设备传统的操控方式都是由人员在设备现场或设备上的司机室进行操控，该类设备现场工作环境中普遍存在噪声、粉尘等因素，且受天气寒热影响大，因此传统的操控方式普遍存在操控人员工作环境差、劳动强度高、对身体伤害大等特征，且工作效率受操控人员精神状态、工作经验、昼夜及气候变化等因素影响，生产效率不稳定，同时安全性也得不到根本保障。

安装了智能操控系统的设备，可以实现远程操控或者完全自动化操控，相较于传统的现场操控方式，大大改善了操控人员工作环境、减少职业健康危害，同时可以节省用工数量、降低操作出错率、提高设备作业效率与作业质量。    

智能操控系统属于“软硬件一体化”产品。硬件部分主要包括各类具备传感、传输、控制、算力等功能的硬件或软件载体；软件部分主要包括各类感知、决策、执行及交互类算法或软件，软件部分根据不同行业设备的作业需求，结合硬件产品特性，自行搭建软件系统构架，并自主开发各构架层算法或软件。

具体到项目执行中，主要是根据客户具体诉求，结合设备工况环境，自行设计技术方案，并根据方案对各类硬件进行选型、采购、现场安装布置，同时于硬件中安装各类程序或软件，并完成软硬件各项功能调试，形成软硬件高度一体化融合的智能操控系统，操控设备实现自动化生产作业。

智能操控系统具备信息化程度高、软硬件融合度好、功能全面、性能稳定等优势。智能操控系统的软硬件整体架构一般可分为数据层、服务层、应用层和交互层四个层级：

①数据层是对基础信息的采集，负责数据信息的生成、采集、优化及存储。

信息采集主要包括通过摄像仪、激光雷达、毫米波雷达、红外热像仪、位置标识卡、编码器等各类数据采集与感知设备，完成对图像、三维点云、位置等各类基础信息的收集；以及通过建立客户生产作业管理系统与公司智能操控系统之间的通信，实时获取客户的生产作业指令信息；

②服务层是对基础信息的有效处理、传输与决策，实现生产作业指令的在智能操控系统各构架层之间的有效通信，以及完成作业指令的自动化执行。

服务层是智能操控系统的核心技术支撑，通过搭建系统构架、开发各层级软件并对硬件进行安装布置与集成，最终实现设备的自动化作业。

底层通过自行开发点云3D重建、机器视觉、多模态融合感知、决策规划等技术对数据层获取的基础信息进行解析，转化成能被智能操控系统有效识别的信息；

中层根据设备自动化作业的需求，利用解析后的基础信息针对性开发出系统各功能子系统（如定位系统、引导与纠偏系统、作业对象识别系统、吊具防摇系统、安全防护系统等），并通过软件系统形成决策指令；    

上层通过PLC通信程序建立智能操控系统与设备上单机自动化控制系统的通信，根据决策指令引导设备全自动完成作业，或者通过交互平台的智能操控软件进行人工远程操控完成作业。

③应用层是智能操控系统所能实现的目标，即产品的最终具体应用。

智能操控系统除能实现设备生产作业流程自动化外，可以衍生出设备管理、作业区域管理、数据统计与分析等多种应用功能。

④交互层是人机交互界面，提供用户与系统的友好访问与互动。

交互层是智能操控系统的可视化界面与远程操控平台，传统的设备操控交互层位于设备上的操作室，智能操控系统的交互层位于远程的中控室。

管理系统软件

管理系统软件是在设备单机自动化以及作业流程自动化的基础上，结合具体行业客户对整个生产运营管理自动化的诉求，针对性开发的自动化与信息化软件产品。产品主要包括全生命周期资产管理系统、生产操作管理系统、机器智能管理系统、机械动态监视系统、管控一体化系统等软件产品。    

工业自动化层级情况

（1）自动化驱动产品与单机自动化

单机自动化即单台设备的自动化控制，主要是通过设备自身的自动化控制系统带动设备的各机械部件实现运转，利用人工现场操控设备完成单台设备的各项生产作业指令。

设备单机自动化控制系统主要包括控制层、驱动层和执行层，而控制层与驱动层通过系统集成商进行集成组合形成电控系统，实际操控中，由人工通过设备上的人机联动台（即人机界面）输入操控作业指令，指令通过电控系统转化成频率、电压可调整的交流电输出，从而控制执行层电机（也称电动机或马达）的转动，最终带动设备各机械单元按预期规划运转从而完成作业指令。    

（2）智能操控系统与生产作业自动化

智能操控系统是在设备单机实现自动化的基础上，实现对设备群操控的远程化或自动化，即实现多个设备生产作业过程的自动化。智能操控系统并不改变单机自动化控制系统的内部结构和控制路径，而是在单机自动化控制系统的基础上“做加法”。

智能操控系统可以替代人的感官、四肢及部分脑力分析与决策。主要是通过智能控制技术替代人工现场操控设备，使得设备或设备群在不需要人工干预的情况下按照既定操作指令与程序运转，完成各项生产作业指令。

①智能操控系统对人的感官的替代    

通过在设备外部及作业区加装摄像仪、激光雷达、毫米波雷达、红外热像仪、位置标识卡、编码器等各类数据采集与感知设备，并进行设备二次开发，主要用于代替人的感官对周边环境数据进行采集。

②智能操控系统对人的大脑分析与决策的替代

通过搭建软硬件系统构架，对各类具备传输、控制、算力等功能的硬件或软件载体进行选型、采购、现场安装布置，同时于硬件中安装公司自主研发的各类决策、执行及交互类算法或软件，形成具有分析与决策功能的“软硬件一体化”智能系统，主要用于代替人的大脑对感官获取的信息进行处理、分析与决策。    

③智能操控系统对人的四肢操作的替代

通过建立智能操控系统与单机自动化控制系统间的通信程序，将决策指令自动传送给单机自动化控制系统，并引导设备或设备群完成生产作业指令，主要用于代替人的四肢对操控手柄进行操控并完成生产作业。    

智能操控系统能部分或全部替代人工的感官、四肢及部分脑力分析与决策活动，在不需要人工介入的情况下实现对各类大型起重、输送设备群的远程或自动化操控，完成生产作业，其对应生产作业自动化层级。

（3）管理系统软件与生产管理自动化

管理系统软件是公司在设备单机自动化以及作业流程自动化的基础上，结合具体行业客户对整个生产运营管理自动化的诉求，针对性开发的自动化与信息化软件产品，旨在帮助客户实现生产管理自动化。    

自动化驱动产品生产工艺流程图：

自动化驱动产品包含了电机矢量控制、整流回馈控制、带负载电机动态自学习、同步控制、回转平稳控制、防摇摆控制、回转断电平稳减速控制、起重机制动器失效保护等多个领域技术，包括底层软件算法、技术设计能力、产品设计能力、产品创新优化能力等，从而促进产品迅速迭代并落地生产，有效满足下游客户对产品的各类需求。

（1）工业自动化行业发展概览

工业自动化产品是现代化工厂实现规模、高效、精准、智能、安全生产的重要前提和保证，应用十分广泛，发展前景良好。进入21世纪以来，以人工智能、机器人技术、电子信息技术等为代表的第四次工业革命进一步整合机械和电子系统，工业自动化水平进一步提升，与之相应的工业自动化设备需求也不断增长。    

我国工业自动化行业虽然起步较晚，但发展势头强劲，尤其在制造业转型升级的大背景下，我国传统工业技术改造、工厂自动化和企业信息化均需要大量工业自动化控制系统，市场潜力巨大。中国工控网发布的数据显示，2022年，我国工业自动化市场规模达到2,611亿元，同比增长3.2%。伴随供给侧改革进一步深化，预计2023年市场规模将达到2,822亿元。2017-2023年我国工业自动化市场规模与增速情况如下：

近些年，我国政府制定的工业自动化控制产业政策对行业发展起到了积极地引导和支持作用，国产品牌凭借快速响应、成本、服务等本土化优势不断缩小与国际巨头在产品性能、技术水平等方面的差距，市场份额自2009年的24.80%逐渐增长到2022年的43.70%，工控行业正进入一个国产品牌全面替代进口品牌的快速发展阶段，国内厂商市场占有率将有望不断提高。2009-2022年工业自动化本土品牌市场份额变化趋势如下：    

随着控制工程学、人机工程学、计算机软件、嵌入式软件、电力电子、机电一体化、网络通讯等学科的不断发展，现代工业自动化技术日益完善，基于信息化带动工业化生产的理念，智能化、微型化、网络化、平台化、集成化将成为工业自动化技术发展的主要方向。

（2）变频器行业发展状况和发展趋势

①变频器行业市场规模

变频器通过应用变频技术与微电子技术达到调节电动机变频调速、软启动、节能等功能，此外变频器还能通过连接PLC进行更准确有效的控制，在工业自动化中发挥着重要作用。根据工作电压，可分为中低压与高压变频器，低于3KV的归为中低压变频器（低于690V的为低压变频器），发行人自动化驱动产品属于低压变频器。根据中国工控网数据，2020-2022年，我国低压变频器市场规模分别达到236.0亿元、283.0亿元、290.0亿元，同比增长分别为11.85%、19.92%、2.47%，2022年以来整体经济出现恢复态势，随着投资稳定增长和出口订单回流，整体低压变频器市场表现良好，预计2025年低压变频器市场规模将达到334.8亿元。2016-2025年我国低压变频器市场规模及增速如下：    

从下游应用领域来看，低压变频器涉及下游应用领域较广，前五大应用领域包括起重机、电梯、纺织、冶金和电力领域，2021年前五大行业领域占比为43%。2021年低压变频器市场应用领域分布情况如下：

②变频器行业发展趋势

随着用户需求日趋多样化，变频器市场应用领域不断扩大，同时越来越多的新型技术和材料被应用在变频器研制中，变频器产品也加快向智能化、定制化、集成化和节能化方向发展。    

由于数字化转型与智能制造的持续推进，变频器作为智能制造的驱动单元，也正在迈向智能化。变频器不仅能完成节能调速、转矩控制、位置控制等驱动功能，也能够对驱动设备振动、电流、速度、温度等多维度数据在线监测，实现故障诊断、故障预警以及预测性维护等。

随着市场应用领域的不断扩展，用户需求更加多样化。变频器在不断满足功能和性能需求的同时，需要不断适应用户操作习惯，满足安装简便、空间节省、多台自动化设备融合兼容等需求。

起重机械专用变频器、电梯控制专用变频器、空调专用变频器等定制机型开始在细分机型种类中获得客户的认可和青睐。这些行业定制化变频器不但可以提供适应性更好的控制策略，而且能降低设备的综合成本。

随着各行各业自动化应用的系统化与集成化越来越高，用户对行业的整体解决方案的需求日益凸显，变频器作为工业自动化产品也朝着集成化方向发展。变频器与PLC控制器、PID调节器和通信单元等集成在一起，组成高可靠性、多功能的一体化产品和系统解决方案。

集成化的变频器产品不仅可以精简控制系统，还可降低成本并提高可扩展性，可满足客户更多复杂需求。

随着可持续发展战略深入各主要行业门类，工业生产中环保要求日益提高，变频器运行产生的高次谐波对电网带来的污染也逐渐被加以重视。采用低谐波技术、变频调制方法等技术的变频器也因此近年来开始诞生，该类型变频器谐波污染小，功率因数高，工作的可靠性与安全性高。

A、港口、建机等应用在起重领域的低压变频器发展趋势

起重领域为低压变频器最大应用领域之一。从发展趋势来看，起重领域的低压变频器正在主要向智能化、定制化、集成化等方向发展。    

智能化方面，起重领域变频器逐渐从实现节能调速、转矩控制、位置控制等驱动功能的基础上，发展到能够对起重电机振动、电流、速度、温度等多维度数据监测以及对起重机溜钩、冲顶、落地等外部运行状态实现安全防护，实现智能化运行、智能化操作、安全运行。

定制化方面，随着市场应用领域的不断扩展，用户需求更加多样化，起重机械专用变频器需要不断适应用户操作习惯，满足安装简便、空间节省、多台自动化设备融合兼容等需求，定制化程度预计进一步提高。

集成化方向，伴随着提高运行效率及提高扩展性的设备运行需求，用户对行业整体解决方案的需求日益凸显，起重机械变频器与控制器、调节器和通信单元等集成在一起可组成高可靠性、多功能的一体化产品和系统解决方案，朝着集成化方向发展。

B、盾构机械低压变频器发展趋势

盾构领域属于低压变频器细分应用领域，从发展趋势来看，盾构机械特殊的机械架构、作业工况决定该领域变频器发展趋势主要为定制化、高可维护性等方向。定制化方面，由于盾构施工的环境恶劣，高温、高湿、多尘、振动不可避免，且不同地质结构导致施工环境差异较大，柜体防护、冷却散热、凝露预防、冷却液泄露和刀盘脱困等功能与变频调速功能需要结合具体盾构机械需要进行定制整合。高可维护性方面，盾构工程施工空间有限，机械尺寸要求严格，施工环境密闭而且通常要求长时间不停机作业，这就要求盾构领域变频器必须采用模块化设计等方案提高可维护性，确保作业安全稳定运行。

（3）智慧港口行业发展现状及前景

智慧港口是利用新一代信息技术，将港口运输业务和管理创新深度融合，使港口更加集约、高效、便捷、安全、绿色，具有生产智能、管理智慧、服务柔性、保障有力等鲜明特征的现代港口运输新业态。智慧港口的设施配置主要涉及物流交通运输基础设施网络、信息化基础设施网络以及港口运输装卸装备。智慧港口建设模式既包括新建和改扩建自动化码头，也包括对码头现有设备进行自动化升级改造。    

近年来，我国5G、物联网、大数据及人工智能等领域的发展为港口的自动化、智慧化提供了底层技术支持。依托图像识别技术对港口闸口、集装箱编码等进行识别，并依托自动化运输技术、网络层实现港口低延迟通信及高带宽视频传输，为智慧港口各个板块的联动发展提供基础技术支持。

在底层技术的基础上，结合各个港口的实际发展现状和业态特征，以数据中台为基础集中融合物联及互联数据，搭建智能生产管理系统、设备控制系统和大型设备智能监测/操控系统等应用系统。结合港口内部前沿智能装卸设备、堆场智能装卸设备和水平智能装卸设备，通过对应的前沿装卸管理系统、堆场装卸管理系统及车辆运输管理系统的统筹实现港口从整体管理、监测、统筹控制全流程的智能化操作运营，从而提升港口生产运营效率、强化港口安全生产管理、实现港口绿色低碳目标。

港口机械设备主要负责港口集装箱的装卸和搬运，包括岸边集装箱起重机（岸桥）、集装箱龙门起重机（场桥）等。其中岸边集装箱起重机是港口码头用于从运输船舶上装卸集装箱，而集装箱龙门起重机则用于在港口码头或集装箱堆场内堆放物料及运输货物。此外还涉及散货装卸机械设备，包括散货作业中常用的门座式起重机，以及散货装船机、卸船机、堆料机、斗轮堆取料机等。    

集装箱装卸设备、散货装卸机械设备是自动化码头新建或升级改造的核心设备。通过自动化控制改造后，司机在中控室即可观看多路视频进行操作，完成各类装卸设备所有作业动作。例如单台场桥远程控制一般需要回传多路监控视频，对视频传输带宽需求要求较高，同时中控室与起重设备之间的通信对网络时延要求也较高。随着底层技术成熟及港口智慧化需求不断挖掘，各类港口机械远程操控应用场景日益拓展。

由于智慧港口建设投资大、周期长、要素多，并面临技术储备、资本积累、创新能力、人力资源等不足的情况，智慧港口的内涵也在不断丰富。我国智慧港口的发展将继续围绕物流供应链协同化、运营智能化等趋势发展。

物流供应链协同化方面，港口充分利用处于物流供应链中心的优势，在更高层面上整合与优化物流链资源，推进跨行业、跨部门、跨区域的物流链高效协同，提高港口全程物流服务核心竞争力；

物理层面，港口进一步完善码头、堆场、仓库、环保等基础设施、支持保障系统和港口集疏运系统，建立便捷、安全、高效、可靠的港口全程物流服务体系；

业务层面，围绕以港口为核心枢纽的综合物流体系，加强港口物流上下游资源整合与集成，促进港口全程物流链服务相关方业务协同与高效衔接；

信息层面，打造互联互通的智能云服务平台，保障全程物流链开放、透明、高效，促进港口服务链中的物流、信息流、资金流高效运转，为港口物流上下游客户提供全方位价值链服务。

运营智能化方面，一方面，港口充分利用现代信息技术、控制算法技术、自动控制技术及智能化机械设备等，推进实现港口作业调度、平面运输及堆场作等全过程自动化、智能化，提升码头运作能力；另一方面，通过大数据智能分析技术、移动互联网、云计算等手段应用，打通港口物流供应链的信息孤岛，整合港口物流链信息资源，实现基于数据驱动的智能化运营服务，全面提升港口运营效率与生产力水平。    

智慧港口集装箱、散货装卸搬运设备自动化及半自动化智能操控系统及相关自动化驱动产品将顺应智慧港口流供应链协同化、运营智能化总体发展趋势，将继续拓展在物流供应链协同中不同设备、不同系统中、不同信息平台中的应用场景，以及提升支撑港口运营数字化、智能化方面产品功能。

水泥智能化发展现状及前景

①水泥智能化发展现状

水泥工业是国民经济重要的基础产业，是改善人居条件、治理生态环境和发展循环经济的重要支撑。随着经济发展由高速增长阶段向高质量发展的转换，水泥行业的发展目前正处于新旧动能更迭的关键阶段，自动化、智能化和信息化水平参差不齐，亟需采用贴合生产工艺机理的智能化和信息化技术，推动生产、管理和营销模式从局部、粗放向全流程、精细化和绿色低碳发展方向变革，解决资源、能源与环境的约束问题，提高生产制造水平和效能，实现水泥行业高质量发展。

我国水泥行业智能化发展仍处于起步阶段，不同层次企业自动化、智能化和信息化水平参差不齐，尤其是在水泥物料传输、水泥联合储库进出料等工况复杂的生产环节智能化水平还有待提高。

水泥行业存量市场大，近年来水泥行业的市场集中度较快提升，水泥企业降本、提效、增质的压力大，水泥行业对数据开放、数据共享与应用比较积极等因素都促进了近年来工业智能化技术在水泥行业的较快应用。华润水泥、安徽海螺集团有限责任公司、焦作千业水泥有限责任公司等一大批水泥龙头企业也积极发力，纷纷利用工业智能化技术赋能水泥行业各大业务场景降本增效。    

智能水泥工厂建设成为水泥产业智能化转型的重要载体，涵盖了智能控制、智能管理、智能物流、智能分析和智能服务等方面内容，通过生产过程的自动化控制、生产信息的数字化收集处理、全局的智能化协同等手段，使生产制造更加透明化，极大提高了水泥产品质量水平。根据麦肯锡咨询公司公开数据，智能化、数字化将是水泥工厂降本增效、节能减排的关键举措，可以将每吨水泥的利润提升3-6美元，让工厂的成本曲线升至同等技术装备工厂中排名前25%的水平。水泥行业智能化对水泥整个行业的生产效率和利润的贡献将会日益凸显。

②水泥智能化主要应用场景

水泥行业的智能化正在稳步推进，主要应用场景在以下方向：生产流程自动化有助于提高生产效率。水泥行业具有无间断的生产特性，一旦停机可能造成巨额经济损失，通过机器视觉、AI检测等技术手段，第一时间排除生产故障，保障生产的连续性。通过自动化系统，降低了生产系统操作难度，提升设备的可操作性，加快了生产节奏。根据各自企业现有工艺情况量身制定完整、标准、自动控制的操作方式，减少操作员人为干预，避免了人力执行的不确定性，推动生产更加高效。例如传统的水泥联合储库存在进出料或库存缺少准确统计、存储空间利用率低、作业过程缺乏总体规划、物料堆放随意导致清库难等问题，智能仓储系统通过数字化、智能化手段，运用路径规划、多机构联动调度技术把原来人为的主观经验变成自动化运行物料系统从而提高生产效率。

设备运行数字化有利于生产连续性和稳定性。水泥生产设备数量众多，导致设备检修工作量大、备品备件库存压力大。设备一旦发生突发故障，无法按计划生产，不但会影响生产进度，也无法保证产品质量。提高设备可靠性、减少故障停机成为数字化生产的重要方向，通过数据分析可以提前进行预知性检修和检查，加快故障分析判断进度，进而提升维修速度，有效保障水泥生产的连续性和稳定性。    

水泥智能化有助于提升安全与环境管理水平。水泥生产的不安全因素较多，本公司人员安全防护，外来人员安全识别、行走路线、危险区域预警等都可通过数字系统进行及时有效的辨别。环境管理方面，强化环境污染的实时监测，通过机器视觉和AI分析，避免污染事件的发生；强化生产工艺管理，自动调节氨水、脱硫剂等辅助材料及添加，达到控制指标值，降低能源消耗，减少环境污染。

③水泥智能化市场空间

根据全球最大的水泥技术装备工程系统集成服务商中材国际（股票代码：600970）公开披露信息显示，我国目前在运行的水泥熟料生产线中运转10年以上的线大概有1,400余条，均有着智能化改造的需求。

④水泥智能化行业发展趋势我国水泥智能化行业已催生丰富的应用场景，如无人机巡检、协同作业、远程控制、设备安全运维、水泥库裂纹检测等。但是由于技术实施方面的困难，企业自身条件的限制等因素，水泥行业智能操控系统及应用大多数情况下并没有实现较好的融合与集成，由此导致水泥行业的制造业要素难以实现全要素连接，企业经营决策难以实现精准数据驱动，生产和管理决策的智能化水平提升有限。

为了实现水泥行业双碳环境下降本、增效、节能、降耗的政策强约束，水泥企业也必然加快实施覆盖生产经营全环节、全流程综合集成的智能操控系统应用，智能操控系统技术服务商也需要在全面洞悉水泥行业全产业链、全生命周期经营发展的基础上，充分应用新一代信息技术助力赋能企业生产方式、管理模式、经营模式的加速变革。

工业自动化重点领域发展状况

①起重机械行业发展状况

起重机械主要包括桥式、门式起重机、流动式起重机、门座式起重机，也包括塔式起重机、升降机、缆索式起重机、桅杆式起重机、机械式停车设备。起重机械主要是在企业内部进行物料的装卸、运输、升降、分拣、堆垛、储存和配送，有时还需要对物料进行计量、识别、跟踪、管理和搬运加工，可以应用于社会生产、商品流通和日常生活的各个领域，是现代化工业生产不可或缺的重要工具。桥式、门式起重机应用领域较广，以水泥行业为例，桥式、门式起重机可在生产、仓储等环节于车间、仓库和料场进行物料吊运作业。    

桥式、门式起重机行业是资源和技术密集性行业，随着行业不断发展与成熟，智能化、专业化、系统化、绿色化、全生命周期服务成为行业发展趋势。

据中国重型机械工业协会统计，2017-2021年，我国桥、门式起重机销量持续稳定增长，从2017年的8.6万台增长到2021年11.69万台；2017-2021年我国桥、门式起重机销售额为360亿元、393亿元、432亿元、460亿元及472亿元。2017-2021年我国桥、门式起重机销售额及同比增速情况如下：

②建筑机械（工程机械）行业发展状况

建筑机械（工程机械）指为城乡建设、铁路、公路、港口码头、农田水利、电力、冶金、矿山等各项基本建设工程服务的机械，主要有塔式起重机、汽车起重机、挖掘机、装载机、推土机、铲土运输机械等，是装备工业的重要组成部分。    

工程机械行业内企业不断发展创新和转型升级，持续推出更加优质可靠、高效环保的工程机械，为满足新的市场需求打下坚实基础。近年来，得益于新基建热潮，我国工程机械行业市场需求增加，市场规模持续增长。“十三五”期间，我国工程机械行业呈现出规模、效益、品牌价值、国际化、创新研发和智能制造等全面提升的局面，在高质量发展的道路上稳健前行。2017-2021年工程机械行业营业收入及同比增长情况如下：

根据中国工程机械工业协会建筑起重机械分会统计，2016-2021年塔式起重机销量触底进入上升周期，塔式起重机销售数量由2016年的8,923台上升到2021年60,691台。2016-2021年塔式起重机销量及同比增长情况如下：    

随着经济改革升级、环保法规要求不断提高，工程机械行业将不断加快转型升级进程，提升发展质量，从而产生更多市场需求。同时，行业替换周期到来以及出口市场逐步恢复等多重因素均会推动工程机械行业的快速发展。

③港口机械行业发展状况

港口机械指在港口用于货物装卸、堆码、拆垛和搬运等作业的机械，主要包括港口起重机械、港口装卸搬运机械、港口连续输送机械、港口连续装卸机械、其他港口机械等。

目前我国大型港口机械的设计与制造技术达到世界先进水平，在全球港口机械市场中也占据了重要地位，主要生产企业有振华重工、三一集团、中联重科等企业。由于港口机械具备在固定场景下作业的特点，其自动化、智能化发展具备良好的应用场景支撑，随着港口分拣、起重、运输、仓储等物流环节对效率和安全性需求的不断提升，港口机械的自动化、智能化成为行业发展方向。

④盾构机行业发展状况

盾构机（全断面隧道掘进机）根据应用地质层面的不同分为用于软土地层或者富水地层施工的全断面软土隧道掘进机和用于岩石地层的全断面硬岩隧道掘进机（TBM）。从下游应用来看，盾构机主要应用于城市轨道交通，并逐步向铁路、水利水电、公路、矿山等领域拓展。    

伴随着经济发展和隧道施工需求的不断提升，全断面隧道掘进机的生产总量稳中有升。根据中国工程机械工业协会掘进机械分会统计，2012-2022年中国全断面隧道掘进机年生产总量及同比变动情况统计如下：

全社会固定资产投资状况

工程机械等机械设备市场需求与基础设施建设等固定资产投资情况紧密相关。根据国家统计局发布数据，2020-2022年，全社会固定资产投资分别为52.73万亿元、55.29万亿元、57.96万亿元，分别比上年增长2.67%、4.85%、4.83%，固定资产投资维持稳健增长，其中2022年基础设施投资同比增长9.40%，出现较为明显恢复态势。2015-2022年全社会固定资产投资及同比变动情况如下：    

变频器行业竞争状况

变频器市场格局中，以ABB、西门子和施耐德等为主要代表厂家的欧美系品牌擅长生产制造大型自动化系统所用的变频器产品，以三菱电机、安川电机和富士电机等为主要代表厂家的日韩系品牌则在小型自动化系统变频器产品中更具优势。

由于多年来持续的研发投入，国产变频器厂家逐步掌握和积累产品技术，并在产品性能、可靠性、销售服务、成本控制等方面逐渐显现优势，市场占有率逐步扩大。

目前在低压变频器市场形成了以欧美品牌、日韩系品牌和本土品牌为主的三大品牌格局。2022年，欧美系、日韩系、国产品牌的市占率分别为51.00%、10.60%、38.40%，具体如下：    

我国自动化驱动产品整体市场集中度较高，汇川技术、ABB、西门子、丹弗斯、安川等头部企业业务通常会涉及各个行业。    

变频器不同细分应用领域的壁垒及难度

变频器具备无级调速、可靠性高、精度高、节能等优点，可提高各类设备调速、变速场景自动化水平，广泛应用在多个国民经济行业中。

变频器厂商通常会根据变频器的应用行业领域对变频器功能要求的不同将变频器分为通用变频器和行业专用变频器，通常情况下，通用变频器的应用行业只要求变频器具备基础的变频驱动功能，不对某项或某些特定性能指标有着特殊或更高要求，如食品饮料、塑料、印刷包装、物流输送、机床、风机、石油、木工等行业使用的机械设备；行业专用变频器是根据某些特定行业实际工况的需求，对变频器某些性能指标具有特殊或更高要求。

比如起重领域，对低速大转矩、过载保护等性能有着更高的要求；盾构领域，对低速大转矩、多电机刚性联轴同步、密闭空间散热等性能有着特殊或更高要求；煤炭矿山等领域，对散热、防爆等性能有着特殊要求。    

通用变频器和行业专用变频器通常是不同厂商根据自身的产品技术特征或行业特色属性而进行的人为划分与命名，行业内并没有公认且明确统一的划分标准，且不同品牌厂商的划分标准亦不尽相同，但通常会以行业为单位进行整体划分，即同一行业领域通常会统一归类为通用或行业专用，二者之间不存在替代关系。

例如汇川技术将用于注塑、起重、风电、空压机、中央空调、煤矿防爆等行业领域的变频器均称为行业专用变频器，而将用于上述行业领域之外的均称为通用变频器；英威腾将起重、空压机、光伏水泵、纺织机械、电源系统等行业领域的变频器均称为行业专用变频器，将用于上述行业领域之外的均称为通用变频器。

从技术壁垒来看，变频器不同细分应用领域，由于变频器涉及电力电子、计算机、自动控制、运动控制、电机、传感器等多项学科领域，无论在理论上还是设计及制造工艺上，都需要较高的技术水平和经验积累，切入不同的细分领域需要在硬件设备、软件工具、人才等多方面的持续投入，存在一定技术壁垒。

从市场壁垒来看，国内变频器市场经过多年的发展，各个细分行业市场已形成了一定的竞争格局，各细分市场中品牌厂商经过多年的业务拓展，已经积累了一定的品牌优势、客户粘性优势以及渠道优势，因此具备相对较高的市场壁垒。    

自动化驱动产品

ABB：成立于1988年，总部位于瑞士，全球500强企业之一，是电力和自动化技术的全球领导厂商，拥有广泛的产品线，销售和服务网络遍布世界各地，产品包括全系列中压、低压变频器、伺服系统、控制器、电机和传动系统、机器人软硬件和仿真系统等。

西门子：成立于1847年，总部位于德国，全球500强企业之一，业务范围广阔，涵盖工业自动化、楼宇科技、驱动技术、能源、医疗和交通等领域，为电子与电机产品全球业界先驱。

安川电机：1915年创立，全球伺服电机的龙头企业，日本安川电机以驱动控制、运动控制、机器人和系统工程四大事业为发展轴心。

汇川技术（300124）：成立于2003年，于2010年登陆深交所创业板。该公司聚焦工业领域的自动化、数字化、智能化，专注“信息层、控制层、驱动层、执行层、传感层”核心技术，业务涵盖通用自动化业务、电梯电气大配套业务、新能源汽车业务、工业机器人业务、轨道交通业务五大业务板块。    

正弦电气（688395）：成立于2003年，于2021年登陆上交所科创板，系国内较早从事变频器研发和生产的企业之一。该公司主要为机械设备制造商和电控系统集成商提供变频器、一体化专机、伺服系统产品和系统解决方案。

伟创电气（688698）：成立于2013年，于2020年登陆上交所科创板，自设立以来一直专注于电气传动和工业控制领域，该公司的主营业务为变频器、伺服系统与运动控制器等产品的研发、生产及销售。

智能操控系统

ABB、西门子：ABB、西门子作为世界知名工业自动化企业，既提供变频器等工业自动化硬件产品，也提供智慧港口、水泥智能制造等领域智能化解决方案。

北路智控（301195）：主营业务为智能矿山相关信息系统的开发、生产与销售，目前已形成了包含智能矿山通信、监控、集控及装备配套四大类系统的较完善产品体系。针对采矿行业提供智能矿山相关信息系统，能够为下游客户提供“软硬件一体”的信息化、智能化综合解决方案，包括整体方案设计、软硬件产品开发、信息系统集成及相关技术服务等；是国内少数产品能够覆盖智能矿山感知层、传输层、智能应用与决策层三大层级的智能矿山企业。

兰剑智能（688557）：主要产品是智能仓储物流自动化系统，并基于该产品提供RaaS代运营、售后运营维护、技术咨询规划等服务；通过方案仿真设计、软件产品开发、硬件产品设计及零部件定制和装配、系统集成等环节，为客户提供定制化仓储物流自动化系统解决方案，在智能仓储物流自动化细分市场领先。    

审核编辑：黄飞