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可编程逻辑控制器PLC行业研究:PLC国产替代空间

添加时间:2021-07-19

  可编程逻辑控制器简称PLC,是一种主要应用于工业控制领域的控制器。PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的新一代工业控制装置,目的是用来取代继电器、执行逻辑、计时计数等顺序控制功能,建立柔性的编程控制系统。目前,PLC在传统功能的基础上增加了模拟量运算、PID功能、通信功能以及更可靠的工业抗干扰技术等功能,广泛应用于工业生产的各个领域。

  PLC可以简单理解为一种用于特定工业环境下的计算机,并具备多种优良性能。PLC的硬件结构与计算机基本相同,具备CPU、I/O模块、电源模块、底板、外设以及通信联网设备,采用了可编程的存储器对逻辑运算、顺序控制、计时计数和算数运算进行存储,并通过数字的、模拟的输入输出指令控制各种类型的工业生产过程。与通用的计算机相比,PLC在工业领域的使用场景多、适应面广,并具备可靠性高、抗干扰能力强和编程简单等优点。

  依据I/O点数不同,PLC可以划分为小型PLC、中型PLC和大型PLC:

  1)小型PLC:一般来说,I/O节点低于256点的为小型PLC,体积小、价格低,主要用于小型设备实现单一功能;

  2)中型PLC:I/O节点介于256点和2048点之间,初步具备了通讯功能和模拟量功能,并具备比较丰富的指令系统,能够应用于大型控制系统或多机系统;

  3)大型PLC:I/O节点高于2048点的PLC为大型PLC,在软硬件方面的性能都比较优越,具备强大的通信能力和处理能力,主要应用于大型的分布式控制系统。

  从结构形式上,PLC通常又分为箱体式和模块式两种,并在此基础上发展出了叠装式:

  1)箱体式PLC:指的是将CPU、电源、I/O模块和存储器等部分集成到一个箱体内,具备体积小、集成度高等特点,主要应用于小型PLC;

  2)模块式PLC:将各单元包装成独立模块,通过各模块之间的装配实现相应功能,具备较好的灵活性和更丰富的功能,主要应用于中大型PLC;

  3)叠装式PLC:兼具了前两者的特点,将各部分包装成模块再进行叠装,同时保证了PLC的灵活性和紧凑型。

  PLC硬件通过连接多个相应的I/O端口,基于特定程序使指定的工业模块完成一系列动作。以松下PLCFP-X0L30R为例,该PLC硬件包括了供电端口、输入端口、输出端口和通讯端口等多个端口,其中通讯端口主要用于下载程序,输入端口主要用于连接按钮、接近开关和光电开关等,输出端口主要用于连接接触器、电磁阀等执行器件。在实际运作过程中,客户首先通过通讯端口导入编写好的程序,之后将输入输出端口依次连接,PLC从输入端口读入相应信号,经由程序处理后将指令发送到输出端口,从而完成各工业模块的协同信息交互,并实现PLC控制特定工业模块完成特定动作。

  PLC编程语言不同于一般的计算机语言,通常采用梯形图和助记符语言表两种常用的编程语言。PLC编程语言是面向用户的语言,具备图形式指令结构、明确的变量常数、简化的程序结构、简化应用软件生成过程和强化调试手段等特点。PLC的编程语言通常采用梯形图和助记符语言表两种,其中助记符语言表需要使用简易编程器进行编程,主要用于实验过程;梯形图语言需要使用PC机及相应的编程软件进行编程,多用于实际的工业控制场景。

  不同厂商的PLC编程软件与编程语言均不一致,但是基本的编程思路大致相同。以三菱的PLC编程为例,首先根据CPU选择相应的系列与机型,创建一个新的PLC工程,之后进行PLC程序编写。三菱PLC的梯形图程序主要由参数、程序设置、程序部件和软元件存储器四部分构成,其中参数部分除了存储参数之外还负责存储参数注释,而程序的主体部分则在程序部件中进行编写。程序编写完成之后,将电脑与PLC硬件通过指定端口相连接并将PLC程序写入PLC硬件中,便能实现PLC硬件执行特定动作的过程。

  PLC企业在产业链中的议价能力较强,对上游具备强劲的议价权,对下游的议价能力略高一筹:

  1)PLC上游:负责提供电子元器件、电力电子器件、钣金结构件等零部件,PLC的上游零部件市场准入门槛较低、较为同质化、行业内竞争激烈,上游的零部件市场为PLC行业提供近似无差异的产品,在产业链中的议价能力低,PLC行业通常情况下不会发生原材料紧缺的局面;

  2)PLC下游客户:广泛分布于各个工业行业,包括流程型工业、离散型工业在内的钢铁、石油、电力、建材、汽车、机械制造、交通运输等领域中都应用了PLC产品,目前各下游行业的PLC应用均比较成熟。PLC行业具备一定的技术壁垒和客户壁垒,但是整体行业的增长更多取决于下游需求的扩张,PLC行业与客户之间的价格博弈更多地取决于客户规模的大小和PLC厂商提供的产品/解决方案的优劣,其中PLC厂商依靠自身的技术优势与规模优势获得强劲的议价权,PLC厂商通过编写应用程序、集成PLC与提供解决方案等方式构筑自身的核心竞争力,所以通常情况下PLC与其下游客户相比具备较强的议价能力。

  PLC在一定程度上可以跨行业使用,但仍存在一定行业壁垒,小型PLC主要应用于OEM市场,大型PLC主要面向项目型市场。PLC具备一定的行业属性,应用于流程型行业(例如化工、石化)的PLC设备虽然可以实现一定程度的跨行业使用,但是依旧存在很多行业之间的PLC产品不能通用(例如流程型行业、汽车制造、OEM行业之间的PLC就较难实现通用),一般来讲,部分PLC之间的可替代性比较差,PLC与下游行业在一定程度上相互绑定,并伴随着下游行业的增长而增长,PLC行业从而呈现出与其下游行业的增速高度相关性。其中,小型PLC一般应用于OEM市场,大型PLC主要面向项目型市场。PLC作为典型的提高机械自动化水平的工具,在OEM市场中得到广泛应用,以纺织、包装和机床为代表的OEM行业多应用小型PLC以满足自身的控制需求,此外,大型PLC主要应用于以钢铁、电力、交通等项目型市场,具备强大的计算能力、处理能力、控制能力和通讯能力,从而实现大型项目的统一控制。

  小型PLC行业同质化比较严重,“技术壁垒+客户壁垒+资金壁垒+产品排他性壁垒”构筑中大型PLC较高行业壁垒:

  1)小型PLC市场:准入门槛比较低,技术难度不高,下游对小型PLC的价格敏感,导致小型PLC产品同质化严重和业内竞争较为激烈;

  2)大型PLC市场:技术难度很大,首先PLC对平台稳定性的要求很高,其次中大型PLC要需要具备一定的与周边设备的组网/组态能力,并且在与下游厂商合作的时候还会涉及到数据安全相关问题,“技术壁垒、客户壁垒、资金壁垒与产品排他性壁垒”共同构筑了中大型PLC厂商宽阔的护城河,新进入者难以打开市场。

  设备稳定性与客户群体是PLC行业的重要壁垒。PLC下游客户对工业事故率的容忍程度很低,倒逼PLC设备与PLC平台需要具备很强的稳定性;通常来讲PLC的稳定性远超通用型PC机,而长时间技术积累下设备与平台的稳定性也构成了PLC厂商的主要核心竞争力之一。另外,信任成本与前期投入成本、PLC生态、售后服务、用户使用习惯等因素共同提高了PLC的下游客户迁移成本,增强了客户(尤其是大客户)粘性,通常来讲,PLC下游客户不会随便更换PLC供应商。

  PLC组网能力提升客户忠诚度,不同厂家的PLC产品具备一定的排他性。优秀的PLC产品除了对稳定性的要求之外,还应当具备良好的组网能力,并具体体现在设备接口良好的兼容性与使用的便利性,最终可以使PLC与周边的设备(输入设备、执行设备等)组成稳定高效的网络,构成良好的PLC生态环境。此外,PLC生态也使得PLC厂商具备了一定的排他性,下游客户在选购PLC设备的时候通常会购买整套的解决方案,这也在一定程度上提升了客户群体的忠诚度。

  国内PLC市场稳定发展,市场规模逐步扩大。伴随着国内的工控水平不断提升与“工业4.0”时代的到来,国内PLC持续发展,并在新能源、环保等新兴行业中不断取得业务突破点。据智研咨询数据显示,2019年国内PLC市场首次突破百亿,达到102.8亿元的规模,未来在自动化升级和智能制造的逻辑下,PLC市场规模有望持续扩张。

  我国人口老龄化趋势加速,工业自动化成为必经之路,PLC景气度长期向好。在假设70岁以下人群不死亡的前提下,我们利用新生儿数量反推各个年龄段的人口得到了中国人口分布图。从统计结果来看,1-10岁人群有15918万人,11-20岁人群有16147万人,41-50岁人群有21035万人,51-60岁人群有25894万人;假设20岁以上的人进入劳动力市场,60岁以上的人逐步退出劳动力市场,未来十年国内劳动力约减少9700万人,未来二十年国内劳动力约减少14900万人。另外,新生儿逐年递减与青年受教育年限逐年增长的趋势将进一步削减国内劳动力的数量,社会养老负担逐步加重,我国人口老龄化问题进一步加剧。工业自动化是在老龄化社会中保持强劲生产力的有效解决方案之一。伴随着我国老龄化的来临,工业自动化成为缓解劳动力不足问题的重要途径,其中PLC能够有效降低工业生产过程中对工人数量的要求,在提质增效的同时降低事故率,预计未来PLC在工业中的渗透率将会进一步提升,PLC行业长期景气度向好。

  工业4.0进一步推进工业自动化,智能制造为PLC行业带来新机遇。工业3.0实现了生产的自动化,大量的自动化控制系统及仪表设备得以应用;工业4.0主要将实现生产的智能化,突破的重点由自动化设备转移向智能化软件,通过把行业知识和经验写入智能软件,打造“智慧工业大脑”,实现降本增效、安全可控、绿色环保的智能化生产过程。伴随着工业4.0时代的来临,智能制造对自动化生产的广度与深度提出了更高的要求,PLC有望伴随智能制造的发展,行业规模与渗透率进一步提升。

  “工控+互联网+智能”成为PLC发展的新趋势。互联网能力的提升是目前PLC技术统的重要发展方向之一,伴随着工业生产规模的不断扩大,传统的单一设备控制、小范围控制的PLC设备的需求正在逐步缩减,生产规模的扩大与生产中的规模效应对大型PLC设备提出了跨设备、跨厂区的新需求,在5G技术进一步落地的背景之下,技术与需求端倒逼PLC的通讯能力做出提升,“互联网+”成为PLC发展的必经之路。除此之外,人工智能的崛起也要求传统PLC做出改变,深度学习算法与大数据技术将进一步应用于PLC之中,智能生产、优化决策、大数据赋能、精准执行和柔性生产等成为PLC未来发展的重要方向。

  多任务处理或将是未来PLC的新运行模式,协同能力的增强进一步打通全生产线。PLC控制规模的进一步扩大对PLC提出了多线性并行运算的技术要求,传统PLC采取顺序处理的方式处理任务,但是在控制规模扩张带来的任务量增加的背景下,各任务的优先级差异扩大,任务之间的协同要求变高,传统的单线程处理向多线程处理的转变是大型PLC发展的必经之路。PLC系统协同能力的提升也是工业4.0提出的又一重要要求,其中既包括PLC在全厂区、全产线之间的纵向打通和PLC与APC、MES等其他工业软件的横向打通;协同性的提升能够进一步实现生产过程的互联互通能力,充分发挥数据价值和协同优势,同时也有助于形成集中控制和分布式计算/运作的格局,提高生产的效率和智能化水平。

  在PLC软件编程方面,算法、简洁性和用户交互能力是未来发展方向。PLC软件的算法需要针对工业4.0的生产要求做出进一步优化,在结合人工智能和大数据的基础上,PLC行业应该进一步优化软件,提供更符合行业实际应用的工具,提升工业算法解决问题的能力并降低算法复杂程度。另外,PLC作为一种辅助工业制造的工具,底层程序应该进一步封装为简洁易用的工具包,对上提供简单接口供技术人员调用,实现复杂生产工艺的操作简洁化。在用户交互方面,PLC工具需要结合具体场景对技术人员的操作习惯进一步理解,并依据实际情况制定切合实际的用户交互界面,进一步增强系统的交互性能。

  PLC支持政策频频颁布,监管政策进一步规范行业。政府陆续出台了一系列扶持PLC的相关政策,工信部在2011年的《关于结块推进信息化与工业化深度融合的若干策略》中提出要大力发展制造之系统系和工业控制系统等,2015年国务院的《中国制造2025》中提出推进信息化与工业化深度融合的观点,此外各部委还出台了一系列关于支持智能制造与工控系统的政策,引导PLC等工控系统发展。另一方面,工信部、标准化管理委员会等部委还出台了《工业控制系统信息安全防护指南》和《工业自动化和控制系统网络安全-可编程控制器(PLC)》,通过监管政策进一步规范PLC行业的发展。

  国内PLC市场呈现两个特点,一是国内PLC市场主要由外资主导,本土品牌市场份额较低;二是本土产品多以小型PLC为主,中大型PLC依旧依赖外资品牌:

  1)在中大型PLC产品方面:国内市场依旧以外资品牌为主,西门子、施耐德等欧美PLC厂商凭借多年的行业经验与研发优势,具备较强的行业竞争力,此外这些欧美老牌厂商依托先发优势已经在我国形成了比较明显的品牌优势和市场优势,占据了国内PLC市场的大部分份额;

  2)在小型PLC领域:以三菱、欧姆龙为代表的日本品牌具有较强的领先优势,产品主要应用于小型控制系统、机床和OEM设备;以宝信软件、汇川技术、信捷电气为代表的PLC本土品牌也在持续发力,依托产品定制、成本、服务和响应时间等优势打开国内小型PLC市场,持续向中大型PLC市场进军,不断提升市场占有率。

  西门子独揽国内PLC市场近半份额,本土PLC厂商市占率不足两成,可替代空间大。据普华有策数据显示,2020年国内PLC市场中西门子市占率高达44.3%,独揽近一半国内PLC市场份额。西门子的产品多以中大型PLC为主,依靠自身强大的技术与行业实力,西门子中大型PLC产品能够持续获得较高的毛利率与市场份额,三菱、欧姆龙、罗克韦尔等厂商的市场占有率紧随其后,产品覆盖大中小型PLC。国内PLC市场仍然以外资品牌为主,西门子、三菱、欧姆龙、罗克韦尔、台达和施耐德六家外资品牌2020年在国内PLC市场的占有率高达83%,本土PLC厂商市占率不足两成,伴随着国内技术的进步,国产化PLC市场市占率有望提升。

  我国PLC行业在二十一世纪后逐步进入国产替代期。二十一世纪之前受限于资金短缺与研发实力不足,我国PLC行业起步缓慢,PLC设备高昂并主要以进口为主,后来我国政府逐步出台了一系列扶持PLC发展的政策,国内PLC发展在二十世纪末初现曙光。二十一世纪伴随着计算机技术、自动化技术和通信技术的进步,一方面PLC的研发门槛逐步降低,另一方面我国的资金投入与研发实力俱增,越来越多的国产品牌以小型PLC产品为突破口进军PLC行业,并以价格低、定制化、本土化服务等优势逐步打开PLC市场。

  自主研发能力低与产品同质化严重是国内PLC厂商目前面临的问题。一方面,国内比较缺乏PLC(尤其是中大型PLC)的核心研发能力,本土的小型企业目前的创新能力薄弱,存在模仿海外PLC的现象,本土大型企业虽然资金与市场资源较为充足,但是后发劣势对它们形成了一定约束,缺乏长期持续的投入成为国内品牌短板。另一方面,国内PLC产品以技术含量较低的小型PLC产品为主,行业进入门槛低,业内产品同质化情况严重。

  未来国内PLC厂商的突破或将依赖于工程师红利与本土化服务,随着本土大型PLC企业的逐步崛起,未来盈利能力有望逐步提升。相较于海外PLC厂商,国内的工程师红利是本土PLC品牌的优势之一,虽然国内目前已经出现了人口老龄化的趋势,但是得益于人口基数大、二十世纪末/二十一世纪初中国人口快速增长,国内的工程师红利依旧显著,本土PLC厂商有望借助国内工程师红利,快速实现技术突破,抢占市场份额;另外,本土厂商对国内企业客户的理解更深刻、产品具备性价比、服务响应更快速等优势同样会增加本土PLC品牌的优势,有望以本土化服务的优势实现国产化PLC产品市占率的进一步提升;由小型PLC转中大型PLC是本土品牌的必经之路,大型PLC有望进一步提高公司的盈利水平、增强公司的核心竞争力。(报告来源:未来智库官网)

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