智能制造之控制系统行业深度研究

在一级市场投资人全面拥抱硬科技、智能制造的时代，以控制系统为技术核心的制造业创业公司层出不穷。笔者通过一年的时间，访谈了百余家与控制相关的创业公司、上市公司，与产业专家密切交流，长期跟踪行业发展，尝试对控制行业进行较为系统性的梳理及投资方法论探究。本文以控制器为主题，着重区分了控制领域的常见概念，并对传统控制、泛控制行业展开深度探讨，在投资机会上笔者认为：传统PLC控制器，行业增速趋于平稳，市场格局基本确定，机会更多来自于国产替代。对于中低端的产品，同质化竞争激烈，公司需要比拼销售渠道、供应链、管理等综合能力；对于中大型的高端PLC，国内公司长期缺乏客户试用机会，产品力与国外有较大差距，但近年来随着军工、关键基础设施等行业国产替代意愿加强，有望推动国产厂商业务加速发展。从投资角度，中大型PLC行业属性较强，细分行业市场规模有限，建议重点关注企业跨行业扩展能力或垂直行业内工控产品综合解决方案能力。泛控制器领域，大部分是针对垂直行业做基于控制器原理的模式创新，投资的核心关注点包括：垂直行业增长潜力、下游客户自研动力、技术的外溢性及跨行业扩展性、下游客户付费能力及意愿、长期是否具备一体化解决方案的能力等。

01

PLC、DCS、SCADA、工控机、上位机“傻傻分不清”？

作为工控圈最为常见的词汇，它们的关系与区别到底是什么，下边谈谈笔者的理解：

（1）DCS与PLC的区别：

DCS（Distributed Control System）是一种用于工业过程控制的“分散式控制系统”，硬件上包括现场控制器、操作员站计算机、工程师站计算机，以及连接他们的网络系统。DCS软件是一个整体方案，解决的是一个系统的所有技术问题。PLC（Programmable Logic Controller）称为可编程逻辑控制器，是一个装置，硬件上等同于DCS中的现场控制器。软件上大多是一个局部方案，站与站之间组织松散。
基于以上，可以粗略认为DCS是一整个工控系统，其包含众多个PLC。（2）SCADASCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）是数据采集与监视控制系统。SCADA可以对现场的运行设备进行监视和控制（通常是整个站点和工厂），以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等功能。SCADA不是完整的控制系统，而是位于控制设备之上，侧重于管理的纯软件。SCADA所接的控制设备通常是PLC（可编程控制器），也可以是智能表，板卡等。一定程度上可以粗略的认为流程行业DCS=多PLC组合+通信模块+SCADA。


图：SCADA系统在控制产线的位置

（3）工控机工控机(Industrial Computer)即工业控制计算机，其构成与普通电脑基本一样，核心硬件也包括内存、CPU、硬盘、显卡等，可以连接工业现场的各种设备类型，一般复杂的产线通常采用工控机+PLC的形式对整线实施控制。其与普通电脑的区别包括：①抗干扰能力强于普通电脑：工控机的相关元器件等都是工业级别的，因此比较稳定，可以适应各种恶劣或者严苛的应用环境；②硬件可扩展性强：工控机采用底板+CPU卡结构，具有很强的输入输出功能，最多可扩充20个板卡以上，如：一些工控机除会配备CPU外，还配有并发实时性高的FPGA、AI计算的GPU、运动控制的运动控制卡等。③实时性系统：工控机对工业生产过程进行实时在线检测与控制，对工作状况的变化给予快速响应，及时进行采集和输出调节，遇险自复位，保证系统的正常运行，而普通电脑的系统对实时性要求不高。通常中大型的PLC会使用工控机进行控制，通过EatherCAT总线等方式与PLC控制器进行连接。（4）上位机
上位机是与下位机相对而言的，负责提交信息的终端设备是下位机,负责接收和处理信息的设备是上位机。因此，工控机有时候可以作为上位机，但上位机不一定都会需要工控机来处理信息。

02

PLC行业分析
（1）发展历程：PLC的发展是以提升控制效率、产品稳定性和可靠性，小型化，以及成本更优为核心展开。行业的整体发展与计算机技术、通信技术的不断更新迭代密不可分。现阶段，随着核心硬件技术架构趋于稳定，PLC硬件架构近20年没有显著变化，差异更多体现在操作系统、集成开发环境、行业工艺包等软件层面。PLC历史上大致可划分为三大流派：即美、欧、日。美国和欧洲的PLC技术是在相互隔离情况下独立研究开发的，存在差异；日本的PLC技术是由美国引进的，对美国的PLC产品有一定的继承性，但日本主推产品定位在小型PLC上，并走出了自己的特色，某些用欧美的中型机或大型机才能实现的控制，日本的小型机就可以解决。（2）PLC基本组成PLC构成中核心为处理器、实时操作系统以及集成开发环境（IDE）。

①处理器：PLC中处理器常见的主要有CPU、FPGA、运动控制卡。CPU最为常见，主要优势在于逻辑计算效率高，架构主要为X86或ARM，客户基于自身场景需求选择；FPGA具备高实时性及高效处理并发数据的优势，对于复杂视觉、高速通信等场景，一般会与CPU进行联用；运动控制卡一般在专注于运动控制的场景中广泛使用。

②操作系统工业控制对精度以及时效性要求高，系统卡顿会对被控对象带来较大影响，因此PLC通常采用实时操作系统，市场主流玩家包括：商业化的硬实时操作系统如VXworks、Windows Intime等，以及开源软实时Linux RT等。VXworks（约8%市占率）由美国风河公司开发的工业级实时操作系统，是当下市场占有率最高的商业级操作系统，系统整体性能与稳定性高。Windows intime（约20%市占率）由微软公司开发的实时操作系统，也是商业化版本，用户需要支付SDK及license费用，系统整体性能与稳定性较高。Linux RT（约70%市占率）在开源的Linux非实时系统的基础上演变而来，采用了双内核的做法；简单理解就是系统中存在两个内核，实时核和非实时核。底层硬件资源和实时的内核打交道绕开非实时核，把非实时的Linux内核当成实时核上的一个低优先级的进程来运行。国内公司大多数采用该开源系统，但为不保证处理高并发、复杂指令时的系统稳定性，厂商必须具备较强的操作系统开发能力，如：需要完成操作系统与不同主控芯片的适配；开源内核的调整（舍弃蓝牙、部分网络协议等与实际操作关系不大的功能等）；通过操作系统的调整，降低对处理器的开销以优化成本等。

③集成开发环境目前最为常用的PLC集成开发环境使用的是CODESYS软件，该工具是一款基于IEC 61131-3 国际编程标准的PLC软件开发平台，其独特优势是用户使用该单一软件工具套件就可以实现一个完整的工业自动化解决方案开发，即在 CODESYS 软件平台下可以实现：逻辑控制（PLC）、运动控制（Motion Control）及 CNC 控制、人机界面（HMI）、基于 Web Service 的网络可视化编程和远程监控、冗余控制（Redundancy）和安全控制（Safety）等。CODESYS的优势在于：支持五种PLC编程语言，简单易学，且支持编程语言的自动编译转换；将PLC应用开发所涉及的功能全部以模块化形式封装好，工程师无需过多写代码，即可完成功能实现，高效快捷；拥有丰富的模型库，基本涵盖大多数行业的大部分PLC功能点；对于CODESYS中没有的模型库，提供API接口，可由用户自行开发并通过API调用。CODESYS的缺点包括：底层算法不公开，客户难以拥有自己核心算法技术；价格较高，基于CODESYS开发的PLC需要向其支付授权费。但为满足厂商对自主可控的要求，CODESYS提供了Automation Platform功能，支持用户定制化开发CODESYS上位机编程环境，二次开发后，用户可以拥有自主知识产权的上位机，且可以去掉IDE中的CODESYS logo加上自己公司的商标。国内已知汇川的InoProShop(CODESYS V3)、固高的OtoStudio(CODESYS V2.3)；国外的倍福TwinCAT3、KEBA的KeMotion，都是基于CODESYS Automation Platformm深度定制、二次开发，形成了自己独特风格的IDE。

（3）PLC的分类根据最大支持的I/O点数不同划分为小、中、大型PLC。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，技术要求更高。

（4）PLC市场空间及增速2017-2019年，我国PLC行业市场规模较为稳定，2020年开始我国PLC规模增长较快，主要原因为：随着全球疫情爆发，我国供应链优势凸显，通用设备出口增长迅速，对PLC需求增加；2020年以来新能源产业爆发，国内PLC需求快速增长。从行业专家了解到，2023年由于海外供应链的恢复以及新能源增速下降带来的上游设备需求下降，PLC行业总规模亦呈现下滑态势。分PLC类别来看，小型PLC市场规模占比最高，约占总规模的49%，其次为中型PLC占比约为36%，大型PLC虽然技术难、单价高但由于其数量少，市场规模约占15%左右。

（5）PLC应用场景PLC应用场景较为分散，中大型PLC跟小型PLC应用场景差别大，主要由各行业自动化及控制的特点决定。中大型PLC主要应用行业为动力电池、物流、汽车、流程行业等；小型PLC应用规模较大的为：纺织、半导体、包装、食品饮料等。根据PLC的市场总规模推算，细分行业PLC市场规模较为有限，最大的行业每年市场规模不超过20亿，且相当一部分行业市场规模不超过5亿。

（6）行业竞争格局——我国PLC市场国产化渗透率低我国PLC市场参与者众多，西门子是行业龙头，整体市场份额占比达43%，在中大型PLC占比达48%、小型PLC占比达37%。日本厂商—三菱和欧姆龙分列2、3位，以中型、小型为主。在小型PLC市场，中国厂商有一定的竞争力，汇川技术、信捷电气排名第五、六位。根据汇川技术2022年年报，其小型PLC产品在中国的市场份额约11.9%，超越三菱，排名仅次于西门子，位于国内品牌第一名。在中大型PLC市场，中国厂商竞争力较弱，整体市场份额不足5%；中大型PLC TOP3品牌占据超70%的市场份额。


（7）大中小型PLC厂商能力要求①小型PLC核心拼性价比疫情爆发后，口罩机需求爆发，拉动小型PLC需求快速增长，叠加国外品牌供应不足，国产品牌获得了宝贵的进口替代机会，小型PLC国产化率从2019年的8.70%提升至2022年的18.30%。国产产品逐步得到客户认可后，凭借超高性价比、快速响应、定制化机型开发能力和良好的售后服务等优势不断提升市场占有率。典型的国内品牌有：汇川、信捷、雷赛等。

②中大型PLC核心拼行业Knowhow中型PLC：受疫情和物流不畅等因素影响，2022年国外品牌的中型PLC仍处于缺货状态且不断涨价，国产品牌凭借货期和性价比优势迎来进口替代窗口期。国内PLC厂商积极布局景气赛道，提升中型份额。中型PLC对行业的工艺Knowhow要求高。近年来锂电、光伏的高速发展，国外供应链供不上货，部分国产设备商开始与国内PLC公司联合研发、打磨产品，为国产公司在锂电、光伏领域产品的快速成熟提供绝佳的时代契机。国内公司如汇川、禾川、雷赛在锂电、光伏市场份额大幅提升。大型PLC：大型PLC总体市场空间不大，国内每年约15亿，散布于多个行业，每个行业市场规模约2-3亿。大型PLC的开发难度主要体现在系统稳定性以及行业工艺Knowhow的积累，厂商投入意愿不高。大型PLC对业务影响大，但货值不高，客户一般难给国产厂商提供联合研发、试验的机会。（8）西门子PLC的优势西门子是全球工控龙头，也是全球PLC龙头。2022年实现总收入719亿欧元，净利润102.7亿欧元。西门子实现了从设计研发、生产制造到智能分析为一体的全产业链自动化解决方案。西门子从1959年诞生的第一台PLC开始到现今60多年的时间里，在绝大多数行业积累了深度的工艺包及行业Knowhow，使其获得了绝对领先的市场占有率。西门子最大的竞争壁垒在于通过工业软件技术优势构建排他性。PLC行业硬件架构近20-30年无显著的变化，西门子并不存在明显的技术优势；但软件的壁垒难以被其他厂商突破。一方面，西门子PLC相关的通信协议、开发环境、操作系统皆为自主研发且不对外开放，不与其他任何第三方设备兼容，购买了西门子的PLC之后其他的工控设备基本要全套配备西门子，产品打包形成差异化定价策略（西门子PLC价格性价比较高）；另一方面，西门子与各高校深度合作，将其PLC的开发语言作为学校中最为主流的学习教材，培养工程师的心智及使用习惯，保持产品粘性。

03

控制器衍生应用探究
（1）软PLC软PLC即PLC的功能实现是通过纯软件完成，构成主要包括含实时性内核的操作系统（可双内核，即带有非实时性内核）、BSP及集成开发环境IDE。但是由于操作系统要跑在硬件设备上，因此，通常软PLC的交付也需要带工控机硬件。根据调研，主流PLC厂家在中大型PLC解决方案中大部分采用最早起源于德国公司倍福的PC-based技术方案，PLC的控制方案设计、通讯、数据处理皆通过工控机实现。近年来有些创业公司以主打软PLC的概念在一级市场融资，通过与产业专家及软PLC公司沟通，软PLC可以与PC-based的方案视为一致。软PLC公司的核心技术能力包括：操作系统的稳定性以及与不同硬件层的稳定适配；操作系统占硬件的开销；对行业工艺深度理解；IDE开发环境的简易性。


（2）APC与RTOAPC（Advanced Process Control），即先进控制，主要用于流程行业的多变量控制。RTO（Real Time Optimization）即实时优化，可在装置稳态模型的基础上，通过数据校正和更新模型参数，根据经济数据与约束条件进行模拟和优化，并将优化结果传送到先进控制系统，一般与APC联用。以自动驾驶为例来理解两者的关系：如将APC比作定速巡航，那RTO便是辅助驾驶系统。APC会根据路况、风速等不同，通过自动化调节底盘刹车、油门、方向盘的方式来保持车速的稳定不变。RTO是在此技术上对定速巡航的调节有了新的要求，如在现有车速下做到最省油、最佳保持发动机寿命等，基于新的约束条件，对底盘刹车、油门、方向盘进行优化控制。当下流程行业的控制基础设施主要是DCS，SIS等系统，来实现流程生产的平稳、安全运行，但流程工业尤其是复杂生产的煤化工、石油炼化等依然有较大的优化空间，因为仅通过DCS的单回路及复杂控制有其调节优化的天花板，多变量调节的APC及RTO将进一步提升生产优化效率。


APC通常根据优化目标函数、约束条件的特点和决策变量的数目来选择优化方法。一般情况，操作人员会选择在较大的运行区域内运行装置，远离各种约束或限制条件，从而保证装置安全平稳运行。但是，一般保证装置安全平稳的操作点并不一定是最具备经济效益的点，装置运行的最优点一般位于各种约束的边界上（如图中的红色圆圈区域）。这也说明了优化的问题并没有唯一的最优解，是客户在各种约束条件下选择自身最为重视的变量。


APC行业现阶段面临的挑战主要包括：单一产品市场非良性竞争，某DCS上市公司作为一家一体化解决方案提供商在APC单产品上进行低价销售；即使APC产品力相对弱，一定程度上仍可以帮助客户提升生产效益，在价格低廉的情况下有一定的市场认可度；APC的实际效益可能会受到设备老化、外部条件变化等影响，按效果持续收费的模式目前看难跑得通。对比国外在APC上的应用，国内现阶段APC渗透率还非常低，原因是过去中国流程工业更重视产量的提升，近年来在碳中和政策背景下，精益化生产将成为工作重心，预计APC将迎来快速成长期。（3）智能控制对于生产流程链路短，工艺复杂程度低的场景，通过多变量的参数采集并基于AI或简单机理模型做动态优化也是提升企业生产效能的方式。如：被投公司远舢智能在烟草行业就有相关的智能控制解决方案。通常智能控制的方式是在通信层及SCADA层下发控制指令，通过PLC具体执行。不过在中国制造业内卷的当下，智能控制企业也在试图通过项目解决方案的形式做业务，为客户提供一整套优化节能解决方案，部分公司开始尝试做PLC。根据与下游制造业的客户交流得知，ROI的计算在经济不景气时不应过于乐观，即使解决方案可以帮助客户提升ROI，但客户会对ROI要求非常苛刻，尤其是民营企业，2023年很多项目要求ROI半年回本才会采购，国央企会相对好很多。此类项目建议重点关注客户结构。




（4）垂直行业控制器控制一定要跟行业工艺结合才可以发挥出最大效益，因此，在各个垂直细分行业皆有针对性的控制解决方案提供商。一些行业的时代红利带来了三方控制器公司的高速发展，包括激光切割、AGV、无人叉车、工业机器人、锂电制造、军工等。对于垂直行业的控制器，核心争论点在于行业下游头部公司是否会自研，抢占三方控制器公司的市场份额，使得其难以规模化发展。对于头部公司是否自研主要考量因素为：控制器的开发难度及迭代速度，与需要投入的人力成本、开发时间相关；控制器在设备中的价值量占比；头部公司的市场份额。


04

控制行业投资建议
（1）传统控制器投资建议传统的控制器市场格局较为确定，中低端产品陷入价格战，公司开始比拼销售渠道、供应链、管理等综合能力，对于创业公司而言突破的机会及意义不大。对于中大型的的高端PLC，国内公司由于长期缺乏客户试用机会，产品力与国外有较大差距。但近年来，随着国内军工、关键基础设施行业国产化进程的加快，为国产公司发展带来机遇：一方面，客户提供了足够的耐心与厂商共同研发打磨产品，帮助企业快速提升产品力；另一方面，非市场化竞争下，有利于提升国产公司收入规模，形成收入到研发的良性循环。建议重点关注具备核心技术能力，在军工、国央企有较好客户关系的公司。（2）泛控制器投资建议泛控制器大部分是针对垂直领域做基于控制器原理的模式创新，核心关注点在于：①下游行业快速增长潜力，行业贝塔较高时，短期供需关系往往不平衡，更容易跑出三方龙头公司；②头部客户控制器自研的动力评估，主要参考因素包括：控制器价值量占比，研发的ROI计算，下游行业增速及竞争激烈程度等；③技术的外溢性。核心关注底层技术的可扩展性，如：实时操作系统除了是控制器本身的核心技术之一，还是控制器测试系统的关键技术。技术扩展性强的公司其未来产品可延展性更高，潜在市场空间更大；④现有下游客户的付费能力，在2B的生意中尤为重要；⑤早期团队关注技术实力及商业模式创新，团队背景要多方面评估，不能只看高学历及光辉履历，高校老师创业要重点关注其商业嗅觉及内部管理决策机制；
⑥一体化解决方案的能力。当下国内工业市场及经济环境，难以让企业通过单一产品走上IPO道路，企业做到一定规模都需要有一定一体化解决方案的能力，其对管理者管理经验、商务关系、科学高效的研发体系都有较高要求。
（欢迎交流，作者微信号：Rogersqiu）

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