電子發燒友網報道（文/周凱揚）工業控制系統是作為工業自動化流程的基石，也是整個工業互聯網的上游。隨著工業4.0的進展加快，全球工業自動化控制市場保持著快速增長的態勢。甚至成了少數在疫情影響下，仍然實現了可觀增長的產業。

伴隨著越來越多的自動化生產流水線和智能設備大量出現，工控產品需求的增速將被充分帶動。根據市場調研公司The Business Research的統計，全球工業控制市場在2021年已經達到1286億美元，預計將在2022年達到1415美元，預計在2026年達到1907億美元，年復合增長率達到7.7%。 在工業數字化轉型中，工業控制系統占據了很大的份額。從調研數據來看，目前大型工業制造廠商，尤其是汽車制造業大部分完成了自動化與數字化轉型。然而對于多數中小型企業來說，由于預算限制，完成這樣的轉型依然存在不少挑戰，也正是因為如此，整個工業互聯網市場還留有很大的空間。

國內政策大力推動

根據國家統計局的2021年數據表明，我國工業制造業仍在較快增長，規模以上工業增加值比上年增長了9.6%，工業行業的增長面達到了95.1%。2021年的1月到11月份，41個工業大類行業營收都是同比增長的，可以說，中國依然是全球工業增速最快的地區之一，這也直接反映到了工業互聯網市場的增長上。

根據中國工業互聯網研究院的統計測算，我國2020年工業互聯網產業規模就已經達到了3.57萬億元，2021年規模也將突破4萬億元。工業互聯網產業直接帶動就業人數也已經超過600萬人，充分緩解了就業壓力。也正因如此，國家對上游的工控與通信市場的發展異常重視。

十四五信息化與工業化深度融合發展規劃明確指出，加快工業芯片、智能傳感器、工業控制系統、工業軟件等融合支撐產業培育和發展壯大，增強工業基礎支撐能力。加快數字化的進程中，重點行業涵蓋了原材料、裝備制造、消費品、電子信息、綠色制造和安全生產。據統計，2021年，中國工業控制市場的規模已經達到2600億元，保持著10%以上的增速。 今年4月，國家工信部印發了《工業互聯網專項工作組2022年工作計劃》，提出了十五項任務，重點舉措有：1.建設5G+工業互聯網，推廣5G+工業互聯網應用場景，包括船舶航空制造和消費品行業；2.支持開展工業邊緣計算，推動IT和OT網絡融合，在礦山、化工園區開展邊緣計算設備部署和網絡設備設施升級；3.壯大平臺體系，重點建設能源工業互聯網專網平臺，遴選跨領域綜合型工業互聯網平臺，加速工業軟件云化遷移，征集云化PLC、智能檢測、數字孿生工廠、工業視覺的案例4.加強推進標準化，包括20項工業互聯網標準立項，以及工業設備、軟件上云和數字孿生的標準。

產業鏈和上下游現狀與剖析

工業控制系統是不同類型的控制系統和相關設備儀器的統稱，主要包括控制設備、系統和網絡。從上游來看，主要分為工業控制/通信的芯片和模組，以及工業傳感器。

在關鍵業務的工業應用中，工業傳感器起到了改善工業流程并提供資產監控與保護的作用。主要的工業傳感器有壓力傳感器、光電傳感器、位移傳感器、接近傳感器、RFID、安全傳感器、編碼器、視覺傳感器等。尤其值得一提的是，工業機器人的普及促使了一批新型傳感器的研發與創新，比如三維視覺傳感器、力覺傳感器、大FOV的單線與多線激光雷達和高精度編碼器等等。

工業傳感器廠商主要有：精量電子、SICK、基恩士、倍福、霍尼韋爾、歐姆龍、得利捷、勞易測、納芯微、康耐視、北洋集團、西人馬、明皜傳感、芯奧微、美芯半導體、飛恩微電子等。

工業級芯片又主要由工業控制芯片和工業通信芯片組成。工業控制芯片開始朝更高的功能集成度和更低的功耗開始發展，為電機控制等應用提供了更優秀的性能與可靠性。而工業通信芯片在繼續推進標準化、實時性和安全性的同時，5G為首的工業無線通信芯片逐漸嶄露頭角。

工業級芯片主要廠商有：TI、ADI、ST、Microchip、英飛凌、恩智浦、安森美、瑞薩、美信、極海半導體、華大、中穎電子、芯旺微電子、聚辰半導體、萬高、時代、航順、賽元、峰岹、東土科技、中科晶上、芯海科技等。 工業控制市場的中游主體為PLC、DCS和SCADA，這三大控制層的控制器與系統。可編程邏輯控制器（PLC）作為自動化機械控制的核心，負責與流水線、機器人等自動化流程的通信、監控與控制，按I/O數分為小中大型PLC。

集散控制器（DCS）則是流程工業的大腦，是由分散在工廠和控制區域的子系統組成的自動化控制系統，雖然控制分散，但做到了管理和操作集中。其數據采集和控制功能主要是通過分布在被控制/收集數據的設備附近的微處理器單元完成的。

SCADA是工控系統中的數據采集和監視控制部分，主要由主站、通信系統和RTU組成，RTU收集現場數據，通過通信系統傳給主站，主站顯示獲取數據，同時讓運營者開展遠程控制任務。

工控與通信市場下游集中在工業機器人、工業路由、工業網關和工業互聯網平臺等應用上。雖然全球頂尖工業機器人廠商依然集中在國外，但根據工信部的統計我國已經連續八年成為全球最大的工業機器人消費國，十三五期間工業機器人的產量已經從7.2萬套增長到21.2萬套，實現了31%的年均增長，覆蓋了汽車、電子、冶金等52個行業。

另一大下游產業就是工業網關和工業路由，工業現場設備的通信通常都會遵守各自的協議，需要工業協議網關的轉換來完成網絡互連。而工業路由器在支持多種工業通信協議并提供無線網絡的同時，支持網絡管理控制和診斷，減少了因為網絡故障帶來的損失。

工業互聯網平臺的出現，為工業自動化帶來了降低成本的服務方案，這一塊降低的不只是IT運維成本，也降低OT的產品研發成本和資產管理成本。工信部公式的跨行業跨領域互聯網平臺中，既有深耕多年的工業互聯網平臺公司，也可以看到不少新晉云平臺公司的身影，比如百度、京東，根據其云平臺的技術底座，圍繞倉儲、物流和制造方面提供服務。

工控產業發展趨勢

雖說受到疫情影響，工業自動化的部署有所減緩，但工控市場需求仍保持著正向增長。去年上半年缺芯影響較為嚴重，加上備貨有限和海外疫情反復，延續了自2020年底以來的火爆局面，突破了傳統的淡季需求，在第一季度實現了40%以上的同比增長，第二季度開始消化上游缺芯缺貨的恐慌情緒，需求逐漸走向常態化，持續至第三季度，兩季度平均同比增長11.9%左右，第四季度能耗雙控、原材料漲價和一定的疫情反復影響，進一步降低了需求，漲價的趨勢在今年上半年得到了體現。今年開年以來，國內外工業自動化廠商都發布了一系列漲價公告，而這還是建立在去年已經數次上調價格的基礎上。

口罩機為PLC等工控產品帶來的紅利正在慢慢緩下來，但由于疫情反復加上全球對于醫護用品的認知開始加強，醫療器械自動化生產仍將持續作為一個可觀的增長點。加之各國仍在堅持一定的防疫措施，尤其是國內，一些參與到此類產品生產中來的新企業，依然是一塊不可小覷的蛋糕，也是不少國內自動化廠商的業績增長點。

除醫護用品之外，半導體、鋰電、工業機器人等先進制造和OEM的需求增長同樣強勁，細化到產品上還是以小型PLC增長為主。大型PLC還是集中在電力、石油、石化和化工等項目型市場，受到疫情影響有一定減緩，但本身體量足夠大，所以市場總值依舊龐大。

在國內PLC市場，來自歐美和日本的外資品牌依然占據主導地位，尤其是西門子一家就做到了近半的市場份額。國內目前還是主要以中小型PLC為主，不少都已經站穩腳跟，開始市場滲透，比如剛才提到的口罩機。與此同時，從新品發布和企業年報中也可以看出，一部分廠商也在突破技術壁壘，推出和布局中大型PLC，比如寶信、傲拓等等，不過市場份額還是羅克韋爾等廠商占大頭。 在電子發燒友網開展的調研中，有近半的用戶認為PLC、DCS等控制層工控產品已經可以完美實現國產替代。不過這很大程度上是DCS帶來的信心，尤其是靠中控技術與和利時兩家在DCS市場高占比。但在下游產業中，國內的DCS還是以化工、石化為主，電力能源上的DCS還是國外品牌占據主導。

SCADA系統國內品牌的占比已經過半，但還有不少替代的空間。尤其是在外資品牌陸續開始收購，提高競爭力的情況下，把握綠色能源、智能電網和南水北調、智慧水廠這類水處理等熱門應用會是突破的契機所在。

工業通信方式市場格局 在我們的用戶調研中，54.7%的用戶所用工業通信方式為工業以太網，31.3%的用戶在用現場總線，只有不到20%的用戶選擇了工業無線網。但工業無線網的增長速率還是可觀的，從HMS的統計數據中也可以看出，工業無線網的占比雖然保持不變，但8%的年增長率已經與工業以太網相近了。

工業以太網

主導工業以太網的主要是EtherNet/IP、PROFINET和EtherCAT這三大協議。EtherCAT的主站并不需要專屬硬件設備，因此大部分芯片方案都集中在EtherCAT從站控制器上，又主要以ASIC芯片和ARM MPU為主。EtherCAT芯片廠商有ADI、TI、瑞薩、Microchip、英飛凌、倍福、赫優訊、HMS、安川，國內做EtherCAT協議芯片的比較少，也只有亞信電子、訊成科技這幾家臺灣廠商有相關產品。

EtherCAT G/G10能將該技術的性能擴展到千兆/萬兆級，而且無縫兼容現在的百兆EhterCAT設備解決高采樣率測量應用和復雜運動控制應用的痛點。而EtherCAT P將高速以太網通信與外圍設備的電源整合在一根4芯標準以太網電纜中，尤其適用于獨立于系統其他部件的傳感器和執行器，在現場層實現單電纜自動化，減少了布線復雜程度和成本。

PROFINET是一種適用于自動化行業的開放式實時工業以太網通信協議，可以無縫集成現場總線系統，目前已經和EtherNet/IP并駕齊驅，成為了市面上最普及的工業以太網方案之一，主導著亞洲市場。根據PI給出的數據，去年又有850萬PROFINET產品投入市場，裝機量同比增長20%，設備總量達到4820萬臺。

EtherNet/IP雖然不像EtherCAT那樣需要專用的硬件，但帶寬和速度有限，也不如EtherCAT那么靈活，但仍是目前市占率第一的通信協議，所以無論是PLC、交換機廠商，雖然有的主推EtherCAT或PROFINET，卻也各自推出了對應的EtherNet/IP解決方案。

現場總線

作為老牌工業通信技術之一，現場總線簡化了控制系統中的設計、安裝和維護，工業自動化帶來了第一波的從模擬到數字的革命，這么多年來也在工業控制領域得到了迅速發展，已有設備量依然數一數二。

但差異化的發展促使了各種現場總線技術的出現，比如CANBUS、PROFIBUS、CC-LINK等等，雖然各具特點，但缺乏協議之間的互通。接著是從性能上、組網靈活性上被工業以太網反超，從HMS的數據來看，現場總線去年的年增長也只有4%，且市場占比處于繼續下滑中。不過目前現場總線的并沒有完全淘汰，還是有一部分市場在。尤其是在疫情和元器件供應的雙重影響下，工廠更趨向于使用成熟的工業網絡方案。

工業無線網

從工業通信網絡的發展來看，往往都是在新興通信方式崛起一段時間后，與之相關的工業應用場景才開始成熟，就像以太網過渡到工業以太網一樣，大家正是這樣看待工業無線網的。而現場總線設備因為平均壽命、升級換代的情況更加復雜，可能是最后一批遷移到無線的設備。

工業無線網起初因為性能、穩定性和成本的原因，雖然增速可觀，但所占份額依然不多。盡管如此，工業無線網帶來的優勢不可小覷，比如在系統復雜性更高的場景下，即便是有線網絡也會有傳輸距離或延遲的影響，從而限制了遠程監控純有線網絡的能力，而無線網絡在遠程監控和資產管理上有著天生的優勢。

Wi-Fi6/6E和藍牙5.2/5.3的出現也為兩種傳統無線通信方式帶來了技術創新，但前者成本的成本依然還沒有降下來，后者仍然有著速率上的劣勢，所以滲透率增長有限。5G的到來也給工業無線網創造了新的機遇，但5G網絡才經歷了一波爆發式增長，目前還在完善方案中。雖然已經有了相關政策的推動，但不少工廠依然在觀望5G能給下一代工業通信網絡帶來怎樣的影響。這在我們的調查報告中也可以看出，新興工控與通信方案中，最吸引人的還是5G智慧工廠，占比達到了28%。

工業通信網絡發展趨勢

確定性網絡

為了做到高效地使用、管理、維護、控制工業設備，需要以提供確定性服務質量的網絡通信平臺與技術作為支撐；工業制造網絡化與智能化升級，也對網絡提供確定性服務質量提出了要求。確定性網絡簡單來說就是將服務質量控制在確定范圍，比如時延、抖動、丟包率等等。

典型的確定性網絡有：時間敏感網絡（TSN）、靈活以太網（FlexE）、確定網（DetNet）、5G確定性網絡（5GDN）。目前TSN、5GDN已經開始了工業制造方面的商業應用，而DetNet、FlexE還需要一段時間的發展才能適應工業需求。

我們以TSN時間敏感網絡為例，為了進一步改善以太網實時性能、工業場景下OT與IT網絡的融合，TSN作為一套新的以太網標準被提出。TSN能夠保證控制類、實時運維類等時間敏感數據的優先傳輸，從而實現實時性和確定性，保證了各類業務流量共網混合傳輸，將已有的存量工業以太網、物聯網以及新型工業應用連起來，極大提高工廠網絡靈活組網的能力。

目前參與工業網絡與TSN融合研究工作的廠商越來越多，比如工業以太網行業標準組織（CC-Link、EtherCAT、PROFINET），還有國內的工業互聯網產業聯盟，加上大部分自動化廠商，比如西門子、ABB、庫卡等。

下一代工業網絡TSN應用于工業領域的技術研究正飛速進行，端到端應用場景逐漸豐富，研究成果的產業化時機已經到來。技術開發與測試成果已初步涌現，通信設備廠商和芯片廠商們也一并參與到TSN的開發中來，產品及服務廠商也在逐漸增多。據統計，市面上已有10多個行業領域對TSN的端到端應用進行了初步探索，國內外市場上能提供TSN各類軟硬件產品及服務的廠商也超過50多家。 以芯片廠商為例，就有ADI、英特爾、Xilinx、Microchip、博通、Marvell、NXP和德州儀器等多家大廠，但國內目前少有參與TSN芯片開發的廠商。

5G

5G作為時下熱門的無線通信網絡，在演進的過程中，5G不少新特性都為它在工業網絡中的應用打下了基礎。比如5G Advance進一步提升了網絡性能，做到了10Gbps的下行速度和1Gbps的上行速度，毫秒級的交互時延等等。5G網絡切片可對內網中不同需求的工控網絡進行切片，完成不同的業務的Qos保障需求。

然而打造5G工業網絡仍存在一些挑戰，比如可靠性上，5G的可靠性還不能穩定維持在99.9999%以上的目標；在提高通信容量和效率上，也還是在部分區域進行試點，并沒有大規模擴展。最后也是最重要的一環，就是終端支持方面，目前支持5G的工業網關、路由器設備已經開始少量出貨，但終端設備仍不算多，未來參與進來的廠商數量增加、產品與技術完善程度更高，勢必會帶來成本的下降，促進終端普及。最后，5G技術融合后的網絡安全能力尚待提升，且供應鏈安全還不能完全把控，尤其是5G芯片。

通信安全 在我們對工控產品的需求調研中，穩定性和使用壽命所占需求最高，其次是成本，然后是大家愈發重視的工控通信安全。與近年來被反復強調的互聯網安全、物聯網安全和信息安全一樣，工控安全同樣是極其重要的一環。而針對工業領域的攻擊也開始頻出不窮，這針對的不僅是企業的IT系統，也有包含PLC在內的OT系統。 而國內目前在自動化產品通信安全上的發展也有所欠缺，比如在近日工業控制系統信息產業聯盟發布的《工業控制系統信息安全產品及服務指南中（2022版）》中，“具有信息安全功能的工控產品—PLC”一項只有中電智科的超御PLC上榜。所以安全性仍是各大通信方式與通信協議的主要發力方向之一，在PROFINET、ETHERCAT等通信方式的標準更新中，除了對TSN的支持外，也在完善在安全方面的規范。

新興工控與通信方案 從我們的調研數據中，對于新興工控方案的意向中，用戶對于5G智慧工廠最感興趣。對于復雜的工廠環境來說，有線連接雖然久經驗證，但可能會帶來更高昂的布線與施工成本，而且設備的位置會受到限制。

5G智慧工廠結合了工業視覺、移動物流和AR輔助作業等方案，從對現有的設備層到管理層工業基礎設施都提供了靈活的方案，實現了設備的靈活切換，并減少了線纜成本。再加上國內政策的推進，運營商和設備廠商的發力，我國在這一塊的研究進展迅速。

另一個新興方案就是云化PLC。云化PLC作為在云端運行的可編程控制器，給到了一個軟件定義的方式，與云服務廠商建立的工業互聯網平臺聯通，并實現PLC遠程控制，免受地理位置的束縛。

云化PLC的出現，也象征著工控領域軟硬件解耦的誕生，對于國內的工控系統來說，云化PLC中通用IP協議的應用也可以解決七國八制的問題。與此同時，與云端伴生的AI還能給PLC帶來新的演進方式，讓PLC成為真正的智能可編程邏輯控制器。 在我國的十四五規劃中，數字孿生技術被重點提及并要求攻關。數字孿生面向的最主要場景之一，正是工業4.0。通過對工廠和流水線的數字孿生，可以測試、改善和優化整套生產流程，在不影響實際生產的情況下，提供實時監測與控制。 但為了實現這種實時的應用技術，就必須提供一個大帶寬、低時延、可靠性高且安全的工業網絡，這也與EtherCAT、PROFINET、5G等通信方式追求的性能表現相符。話雖如此，因為其由于技術和人力成本投入較大，業內仍在觀望中，目前在國際范圍內也只有少數工廠處于嘗試階段，方案廠商也有比較有限。

結語

可以看出，在市場需求和政策推動的作用下，工控與通信市場在國內仍是增速最快的市場之一，但供應鏈上的問題，無論是原材料漲價還是缺芯都會對增速造成一定的影響。

其次，主導工控通信中上游產品的依然是歐美日三個地區的廠商，國內廠商也已經找到了自己的一席之地，與此同時用戶中國產替代的意愿也在不斷增加，國產替代化程度已經呈現上升態勢，而且在大部分用人眼中PLC、DCS等中游產品已經可以做到一定程度的國產替代了。

最后大家有目共睹的是，工業通信上的創新正在加快工業4.0的進程，對工廠部署工業互聯網起到了相當大的推動作用，工業以太網仍然穩坐工業通信方式的寶座，但工業無線網的關注程度正在攀升，隨著技術逐漸成熟和成本降低，用戶樂意選擇5G這類新型工業組網方式。