2017年中国工业自动化行业发展概况、竞争格局分析-东莞市华楠骏业机械制造有限公司

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2017年中国工业自动化行业发展概况、竞争格局分析

        工业自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表理论、计算机和信息技术,对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策,达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的综合性技术。工业自动化技术作为现代工业的支撑技术之一,解决了生产效率与产品质量一致性的难题,是现代工业生产实现规模、高效、精准、智能、安全的重要前提和保证。自动化控制系统投入和企业效益提升的比例约为 1:4 至 1:6 之间,工业自动化技术的广泛应用将大幅提升生产效率、改善劳动条件、保证产品质量和标准化程度,并提高生产企业对现代工业生产的预测及决策能力。
        工业自动化控制系统是利用工业自动化技术对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行检测与控制的工业自动化技术工具的总称,其中设备自动化是工业自动化控制系统的基础和核心组成部分,应用最为广泛,实现设备自动化的工业自动化控制产品主要包括人机界面、控制器、伺服系统、步进系统、变频器、传感器及相关仪器仪表等。工业自动化控制系统作为智能装备的重要组成部分,是发展先进制造技术和实现现代工业自动化、数字化、网络化和智能化的关键,是实现产业结构优化升级的重要基础,广泛应用于机床、风电、纺织、起重、包装、电梯、食品、塑料、建筑、电子、暖通、橡胶、采矿、交通运输、印刷、医疗、造纸和电源等行业。
随着计算机、通讯、微电子、电力电子、新材料等技术不断更新,工业自动化技术也得到快速发展,全球工业自动化主要经历了三个阶段:
        20 世纪 40~60 年代为起步阶段,1952 年世界第一台数控机床在美国诞生,工业自动化随工业化大生产应运而生,该阶段应用的机器人不需具备较强的灵活性,仅需完成重复装卸一种零件等简单工作,对提高生产效率和产品质量发挥了重要作用。
        20 世纪 60~70 年代为发展阶段,在单机自动化的基础上,各种组合机床、组合生产线相继出现,同时软件数控系统出现并应用于机床等设备,计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)等软件开始应用于工程的设计和制造。
        20 世纪 80 年代以来,工业自动化开始进入快速发展阶段,为适应工件的多品种和小批量生产,工业自动化向集成化、网络化、柔性化方向发展,其中计算机集成制造系统(CIMS)和柔性制造系统(FMS)为该阶段的主要应用成果。
        我国工业自动化的发展始于改革开放初期,20 世纪 80 年代我国开始引进工业自动化技术,随着改革开放进程的加快,我国工业自动化发展迅速,人机界面、伺服系统、步进系统、可编程逻辑控制器、变频器等工业自动化控制产品被广泛应用于工业控制的各个领域,尤其在我国 2000 年加入世界贸易组织(WTO)后,随着出口的大幅增长,因应制造业各个领域的需求,工业自动化技术得到更加广泛的应用,促进中国制造业蓬勃发展,为我国工业现代化做出了较大贡献。
        2008 年国际金融危机发生后,发达国家纷纷实施“再工业化”战略,重塑制造业竞争新优势,加速推进新一轮全球贸易投资新格局。2010 年 7 月德国政府发布《高技术战略 2020》,确定十大未来项目,其中之一就是“工业 4.0”,目的是支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新,2012 年 2 月美国国家科学技术委员会发布《先进制造业国家战略计划》报告,该报告从投资、劳动力和创新等方面提出了美国先进制造业发展的目标和对策。与此同时,一些发展中国家也在加快谋划和布局,积极参与全球产业再分工,承接产业及资本转移,拓展国际市场空间。我国制造业面临发达国家和其他发展中国家“双向挤压”的严峻挑战,必须放眼全球,抓紧战略部署,加紧制造业的转型升级,加快从制造大国向制造强国的转变,固本培元,化挑战为机遇,抢占制造业新一轮竞争制高点。为此,国务院于 2015 年 5 月发布了《中国制造 2025》的战略规划,作为实施制造强国战略第一个十年的行动纲领。《中国制造 2025》明确提出要推进制造过程智能化,通过搭建智慧工厂,使企业生产过程由自动化向数字化和智能化方向发展。智慧工厂是因应制造业发展趋势,实现低成本的多品种、小批量、大规模柔性制造的关键,而智慧工厂的第一步仍然是要先实现工厂自动化的不断升级。当前,我国正在努力从制造大国向制造强国转变,随着国家振兴装备制造业政策的推进和落实,我国自主知识产权的工业自动化控制产品和技术将面临较大的发展空间。
 
        人机界面、伺服系统和低压变频器收入占营业收入的比重分别为 87.08%、85.70%和 86.87 %,因此本节主要介绍人机界面、伺服系统和低压变频器的行业相关情况。
 1 、人机界面简介及发展概况
        人机界面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和触摸屏。文本显示器是一种单纯以字符形式呈现的人机界面,文本显示器因采用键盘输入、色彩单一且屏幕显示范围较小,多适用于经济型自动化设备。触摸屏是一种以字符和图形结合呈现的人机界面,画面切换及参数输入均直接在屏幕上进行,操作简单直观、图形和色彩丰富、功能多样,多适用于中高端自动化设备。
        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。人机界面的软件包括下位机软件和上位机软件,其中下位机软件属于嵌入式软件,运行在人机界面硬件系统之中,主要负责软硬件资源分配、任务和信息处理、控制、协调并发活动,并可通过装卸功能模块实现相应功能,最重要的功能包括解析和处理上位机生成的工程应用软件;上位机软件又称画面组态软件,是人机界面软件的关键组成,上位机软件在各类基于微软 WINDOWS 操作系统的计算机上运行,可以实现文字、图形元件等编辑、组态工程管理、数据下载等功能,是人机界面实现具体工程应用必不可少的软件工具。
        早期工业自动化控制系统的人机交互主要依靠大量的开关按钮和二次仪表,操作人员需在较大范围内进行监视和操作。20 世纪 80 年代开始,随着计算机应用技术的逐渐普及,为了方便操作人员对机器设备的运行控制、工艺参数的记录和分析,以及更加及时地了解设备的具体运作情况,加强对生产信息和设备信息全面而直观的监控,人机界面应运而生。使用人机界面不仅可节省可编程逻辑控制器的 I/O 点数,还可节省大量的按钮开关、二次仪表及指示灯等显示装置,且能随时显示重要信息,从而有利于操作人员正确掌握机器运行状况并及时避免错误,基于计算机的人机界面开始取代传统的控制面板,被逐步应用于各种工业现场。20 世纪 90 年代后期开始,随着嵌入式计算机技术的发展,基于嵌入式技术的人机界面逐步取代了传统的工业计算机成为机器设备的主要配置。
 
        2 、伺服系统简介及发展概况
        伺服系统是指以位置、速度、转矩为控制量,能够动态跟踪目标变化从而实现自动化控制的系统。伺服系统集材料、电子、控制、通讯等技术于一体,是实现工业自动化精密制造和柔性制造的核心技术。随着电子、控制理论、计算机等技术的快速发展以及电机制造工艺水平的不断提高,伺服系统近年来获得快速发展,广泛应用于机床、包装、纺织、电子、塑料、医疗、印刷、橡胶、食品等行业。
        伺服系统由伺服驱动器和伺服电机两部分组成,其中伺服驱动器作为伺服系统的驱动装置,通常包括位置、速度和电流三个闭环控制模块,负责将不同的控制信号最终转换成电流指令驱动伺服电机运转;伺服电机作为伺服系统的执行元件,负责将从伺服驱动器收到的电信号转换成电机轴上的角位移或角速度输出,伺服电机通常自带运行反馈元件,主要是编码器,反馈元件决定了伺服系统的定位精度。伺服驱动器和伺服电机及负载一起决定了整个系统的动态响应、运行的稳定性、负载的过载能力等,伺服电机的效率决定了整个伺服系统的效率。伺服驱动器作为伺服系统性能、功能和应用的核心部分,主要包括电机控制模块(位置、速度、电流控制)、输入输出接口控制模块、传感器反馈处理模块、通信功能模块等,具备便于参数调试、修改和移植等特点。
        伺服系统的发展经历了由液压、气动到电气的过程,目前伺服系统市场主要以电气伺服系统为主,电气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流伺服系统和交流伺服系统。20 世纪 50 年代,直流伺服电机实现了产品化并开始应用,70年代直流伺服电机得到了广泛应用,但直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点,因此很多应用场合不太适合。从 20 世纪 70 年代后期到 80 年代初期,集成电路、交流可变速驱动技术的发展使得交流伺服系统逐渐成为主导产品。20 世纪 80 年代以来,由于电机永磁材料制造工艺的发展及其性价比的日益提高,永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展,同时,伺服驱动技术也随着微机和数字技术的发展,其性能得到不断提升,由于交流伺服系统的驱动装置采用了先进的全数字式驱动控制技术,硬件结构简单、参数调整方便,产品生产的一致性和可靠性较高,同时可以集成复杂的电机控制算法和智能化控制等功能,包括增益自动调整、网络通讯等,进一步拓展了交流伺服系统的应用领域;此外,随着机床、风电、纺织、起重、包装、电梯、食品、塑料等行业的机器设备对工艺精度、加工效率和工作可靠性的要求不断提高,交流伺服系统正逐步替代直流伺服系统,其市场需求将得到持续增长。
 
        3 、低压变频器简介及发展概况
    变频器是将固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的装置。我国变频器行业通常按照输入变频器的电压等级对变频器进行分类,一般分为低压(110V、220V、380V)、中压(690V、1,140V、2,300V)和高压(3KV、3.3KV、6KV、10KV)变频器。低压变频器为电压等级低于 690V 的可调输出频率交流电机驱动装置,广泛应用于各类生产制造领域,如风机、水泵、提升机、电梯等领域,具有节能、改善工艺流程、提高产品质量和实现自动控制等功能。
        由于变频器的主电路均采用电力电子器件作为开关器件,因此电力电子器件是变频器发展的基础。20 世纪 50 年代末,美国通用电气公司推出晶闸管电力电子器件,为变频器的发展提供了划时代的基础硬件。随后,电力电子器件从最初的晶闸管、门极可关断晶闸管,经过双极型功率晶体管、金属氧化物场效应管、静电感应晶体管、静电感应晶闸管、MOS 控制晶体管、MOS 控制晶闸管等,发展到今天的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、耐高压绝缘栅双极型晶闸管(HVIGBT),电子电力器件的更新使变频器的应用领域更为广泛。20 世纪 60年代,变频器在发达国家开始实现产业化生产。20 世纪 70 年代,变频器的软件技术出现飞跃式发展。20 世纪 80 年代,由于电力半导体开关器件和微电子技术的进步,变频器性能及可靠性大幅提高,应用领域进一步扩大,已在发达国家得到广泛应用。近十几年来,随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展,电气传动技术的发展日新月异,电机交流变频调速技术因其具备高效率、优异调速和启制动等性能,节电效果显著,被认为是最有发展前景的调速方式。
         预计未来几年变频器将向小型化、高性价比、多功能等方向发展,另外采用交-交变换的矩阵变频器、采用柔性 PWM 技术的绿色变频器也由于各自的优异性能,日益成为业界研究的重点。
 
         4、竞争格局及市场化情况
        (1)行业竞争格局
        工业自动化控制系统行业的发展水平与一个国家工业发展水平紧密相关,国外工业自动化控制系统行业起步较早。我国工业自动化控制系统行业起步于 20 世纪 80 年代,实现规模化自主研发主要起步于 2000 年以后。与国际知名企业相比,我国工业自动化控制产品生产企业在规模、技术与创新能力、品牌、产品线完整性、产品性能等方面都存在差距。随着国内工业自动化技术的积累和创新以及国家相关产业政策的支持,国产工业自动化控制产品在产品适应性、技术服务、性价比等方面逐步显现出优势,在内的部分国内自主研发优势企业经过多年的努力,形成了具有一定竞争力的自主品牌,并在细分产品和细分行业取得突破,国内企业的整体市场份额不断稳步增长。2009~2015 年,外资品牌与本土品牌在我国工业自动化控制系统行业的市场份额如下:
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         1)人机界面行业的竞争格局、主要企业和市场份额
        近年来,我国经济发展迅速,尤其制造业的较多领域都成了世界工厂,快速增长的工业自动化控制产品需求以及良好的投资收益预期吸引了众多国际知名工业自动化控制产品生产企业在我国投资设立全资或者合资企业。
        我国人机界面自主研发始于 2000 年以后,通过十多年的发展,主要生产企业在产品性能、功能、稳定性等方面均取得较大进步,我国人机界面生产企业整体呈现良好的发展势头,涌现出如步科股份、昆仑通态、信捷电气等国内厂商,国内人机界面市场已经占据了一定的市场份额。2014 年人机界面市场 TOP10品牌集中度进一步提高,由 75.0%上升至 76.6%,其中前三名格局稳定,分别为德国西门子(Siemens)、台湾威纶(Weinview)和日本普洛菲斯(Pro-Face),市场份额合计达 39.5%,提升 8.8 个百分点。2015 年度 TOP10 品牌的市场集中度略有上升,前几大品牌排名基本稳定。
      (2)伺服系统行业的竞争格局、主要企业和市场份额
        20 世纪 70 年代开始,国外伺服系统技术发展迅速,产生了日本松下(Panasonic)、日本安川(Yaskawa)、台湾台达(Delta)、日本三菱电机(MitsubishiElectric)、德国西门子(Siemens)、日本三洋(Sanyo)、法国施耐德(Schneider)、美国罗克韦尔(Rockwell)等伺服系统国际知名企业。其中,日本品牌以良好的性价比和较高的可靠性占据了我国较大的市场份额,在中低端设备市场中具有优势,而欧美品牌凭借较高的产品性能在高端设备中占据优势。我国伺服系统的自主研发起步较晚,目前该领域主要的自主研发生产企业起步于 2000 年以后,通过引进、消化吸收国际先进技术等举措,国内企业自主研发的伺服系统开始进入快速发展阶段,国产伺服系统产品质量和技术水平不断提升,并逐渐在国内市场中取得一定的份额,但与国际知名企业相比,在系统整体性能、可靠性上仍存在一定差距。2015 年,我国伺服系统市场主要生产企业及其市场占有率情况如下:
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2015年我国伺服系统市场主要生产企业及其市场占有率
 
        (3)低压变频器行业的竞争格局、主要企业和市场份额
        低压变频器自 20 世纪 50 年代末问世,到 20 世纪 80 年代在主要工业化国家已经得到广泛应用。相对于工业化国家而言,我国的低压变频器行业起步比较晚,20 世纪 90 年代末,低压变频器才逐渐得到国内广大用户的认可,在国内开始广泛地推广使用,但仍然以国际品牌为主。2000 年以来,在国家的大力支持下,以汇川技术、英威腾等为代表的国产低压变频器生产厂商开始尝试自主研发生产,极大地推动了低压变频器的国产化进程。
    目前,我国低压变频器市场可分为三大阵营,分别为欧美品牌、日韩台品牌和国产品牌。欧美品牌以中高端市场为主,占据传统的项目性市场,如冶金、建材、起重、机床和食品饮料等,国产品牌则主要布局在中低端市场。随着国内企业不断增加研发投入实现技术突破,我国低压变频器市场的进口替代进程将进一步加速。
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2015年我国低压变频器市场主要生产企业及其市场占有率
        5、市场供求状况
        工业自动化控制产品作为高端装备的重要组成部分,是现代工业生产实现规模、高效、精准、智能、安全的重要前提和保证,目前广泛应用于机床、风电、纺织、起重、包装、电梯、食品、塑料、建筑、电子、暖通、橡胶、采矿、交通运输、印刷、医疗、造纸和电源等行业,其市场供求情况与宏观经济形势紧密相关。
        6、国内市场容量
        一方面,工业自动化控制系统作为提升装备竞争力的重要手段,逐渐成为装备制造不可或缺的组成部分;另一方面,工业自动化技术不断提高,除了传统的机床、纺织、起重、食品、包装、建筑、医疗、电梯等行业,工业自动化正逐步向航空航天、海洋工程、新能源等行业拓展。伴随着我国高端装备制造业的快速发展以及工业自动化控制产品应用领域的不断拓展,工业自动化控制系统行业市场规模呈现增长态势,国内 OEM 市场自动化市场规模从 2012 年的 437.75 亿元增加到 2015 年的 465.03 亿元。
        (1)人机界面行业的国内市场容量
        2013 年虽然产业升级拉升了人机界面的产品销量,但由于价格竞争激烈,使全年市场规模小幅下降至 23.00 亿元,同比下滑 0.86%,其中 OEM 行业价格下降较为明显,使人机界面市场规模萎缩至 16.62 亿元,同比下滑 1.2%。2014 年,中国人机界面市场规模为 23.30 亿元,同比小幅增长1.3%。受宏观经济增速下滑影响,2015 年全国人机界面市场规模为 22.30 亿元,同比下滑 4.3%。
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        从应用行业的分布来看,未来风电、交通等行业将为国内人机界面市场提供持久稳定的增长动力。2015 年人机界面在国内各行业应用情况如下:
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        (2)伺服系统行业的国内市场容量
        伺服系统主要应用于对定位精度和运转速度控制要求较高的制造领域,在精密制造和柔性制造中有着不可替代的作用,目前已广泛应用于机床、包装、纺织、电子、塑料、医疗、印刷、橡胶、食品等行业,并逐步在风电、新能源汽车等新兴行业得到推广,应用领域的不断拓展将进一步推动伺服系统市场的增长。我国是制造业大国,受益于国家大力发展高端装备制造业的产业政策,随着《中国制造 2025》行动纲领的逐步推进,人口红利的逐步消失,工业自动化水平的不断提升,我国伺服系统行业发展前景广阔。,2015 年我国伺服系统市场规模为 61 亿元,与 2014 年相比下降 2.4%,主要是由于经济增速放缓,传统制造业市场需求受到一定影响所致,预计 2016 年伺服系统市场需求会有所上涨,随着下游需求的逐步增长以及自动化替代趋势的加速,预计未来 5 年伺服系统市场需求将保持 10~20%之间的年均复合增长率,2011~2016 年国内伺服系统市场规模如下:
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2014年伺服系统在国内各行业应用情况如下所示:
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        伺服系统作为工业自动化重要的控制和执行机构,除在机床、包装机械、纺织机械等传统领域得到广泛应用外,伺服系统在工业机器人、电子制造设备等新兴产业的应用规模亦增长迅速。随着我国人力成本的快速上涨,制造业生存压力的日益加大,加之“中国制造 2025”的推进,用工业机器人与自动化推动产业转型升级已成为共识,工业机器人产业的发展势必迎来一个需求快速发展的阶段。伺服系统约占工业机器人产品总成本的 25% 1 ,因此工业机器人产业的发展必将带动包括伺服系统在内的工业自动化控制系统装置的市场需求增长。
        2016-2018 年,全球工业机器人安装量年复合增长率至少达 15%,2018 年全球工业机器人总销量将达到 40 万台左右。随着我国工业机器人应用领域的不断扩大,家电、3C 等行业对工业机器人应用需求的不断增加,人口红利的消退以及现阶段相对较低的机器人密度,预计 2018年我国工业机器人市场销量将超过 15 万台。
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2010-2015 年我国工业机器人市场销量
        另外,从市场占有率来看,目前国外伺服系统企业在我国的市场占有率在75% 左右,其中,日本品牌占比为 50%,欧美品牌占比达 25%,当前我国中低端伺服系统已经能够实现大规模量产,但高端伺服系统尚未形成商品化和批量生产能力,国内对精密伺服电机控制系统的需求主要依赖进口。随着扶持政策对机器人产业的推进,以及国产伺服系统技术的不断提升,我国伺服系统进口替代的步伐将加快。
        (3)低压变频器行业的国内市场容量
        随着低压变频器在我国各行业的逐渐推广应用,我国低压变频器市场保持了较快的增长速度,伴随产业升级对工业自动化控制水平提出更高要求、劳动力成本上升带动自动化设备改造以及节能减排技术日趋成熟,低压变频器市场将保持持续增长,预计 2020 年其市场规模将达到 250 亿元。
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2012~2017 年我国低压变频器市场规模
        低压变频器作为装备制造业的重要组成部分,被广泛应用于国民经济的各行各业。低压变频器产品发展和工业生产密切相关,其市场分布同工业分布基本一致,其中起重、升降机、纺织、冶金、电力等行业是低压变频器市场的主要应用行业。2015 年,低压变频器在国内各行业应用情况如下所示:
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2015年低压变频器在国内各行业应用情况
        另外,依托自身先进的变频技术,成功研制出电动物流车驱动器产品,从而把握住当前新能源汽车产业快速起步的契机。2015 年我国新能源汽车的产量及销量分别达到 34 万辆和 33 万辆,分别同比增长 334%和343%。其中,电动物流车的销量增长尤为迅速,2015 年我国电动物流车的产量达 4.45 万辆,预计 2016 年将达到 10 万辆,2020 年将达到 32 万辆。随着新能源汽车市场的发展,我国电动汽车电机控制器需求量亦将不断上升, 2011 年我国电动汽车电机控制器市场规模为 1.57亿元,2012 年为 2.36 亿元,2013 年为 3.31 亿元,2014 年为 14.60 亿元,2011-2014 年间我国电动汽车电机控制器市场规模的年复合增长率达 110.29%。

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