工控设备行业研究：国产替代和赛道切换带来新机遇

工控设备主要分为控制层、驱动层、执行层、传感层，并通过系统集成形成满足 下游需要的自动化设备。工控设备涉及机械、电气、电子、计算机等多个学科，技术 壁垒高，处于工业自动化产业链的核心位置。工控设备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，控制层产品主要用于控制生产制造过程的温度、压力、流量等变量或物体位置、 倾斜、旋转等参数，如 DCS、PLC 等；驱动层和执行层产品则根据控制层发出的具 体指令驱动执行层设备执行相关动作，如伺服系统、变频器、电机等；传感层产品主 要负责感应、测量、反馈内外部信息并传输相关信号，如视觉系统、编码器等。以上 设备系统集成后可完成离散自动化和过程自动化。

工控设备下游行业可分为 OEM 型市场和项目型市场，二者占比各 50%左右， 且 OEM 市场占比在逐年提升。OEM 市场多以设备的批量供应为主，少数会提供解 决方案；项目型市场是指工程整体自动化解决方案的设计与实施。2009、2018、2020 年OEM型市场和项目型市场份额分别为42.6%/57.4%、50.1%/49.9%、51.1%/48.9%， OEM 型市场份额不断提升且超过了项目型市场份额。

据工控网统计，2019年 OEM下游应用市场机床工具占比最大，比重高达21.0%；其次为电子制造设备，占整体应用市场比重为 10.0%；风电行业占整体应用市场比 重为 8.0%。OEM 型市场下游主要包括：纺织机械、机床工具、塑料机械、橡胶机械、 食品机械、包装机械、印刷机械、起重机械、暖通空调、矿用机械、电梯、造纸机械、 电子制造设备、建筑机械、交通运输工具、电源设备、医疗设备、风电等。据工控网统计，2019 年项目型市场下游应用化工行业占比最大，比重高达 24%；其次为石化行业占整体应用市场比重为 15%；市政行业占整体应用市场比重为 13%。项目型市场下游主要包括：石化、化工、冶金、市政、公共设施、油气、建材、矿业、 造纸、电力、汽车。

2022 年固定资产投资完成额累计同比保持正值且走势趋于稳定，第二产业投资 额累计同比增长稳定在 10%以上，我们预计未来制造业投资也将保持稳定。2022 年 2 月份以来，固定资产投资完成额累计同比由 12.2%下降至 2022 年 12 月的 5.1%， 但降低幅度越来越少，走势趋于稳定。第二产业（制造业）固定资产投资完成额近 6个月保持在 10%以上同比增长。我们预计 2023 年整体固定资产投资额累计同比将保 持稳定，甚至会有较小的上升趋势。

2023 年 2 月，制造业 PMI 和大中小型企业制造业 PMI 均返回荣枯线以上，分 别为 52.6%、53.7%、52%、51.2%，我们预计 2023 年制造业将复苏。从 2022 年 10 月-2023 年 2 月的制造业 PMI 和大中小型企业制造业 PMI 数据来看，大型制造企 业率先恢复生产经营情况，中小型制造企业紧随其后。大型企业主要集中在项目型市 场，中小型企业主要集中在中游制造装备和上游元器件以及下游 OME 市场，其订单 和利润改善，将支撑整个工控设备行业的增长。

2021 中国工业自动化市场规模占全球的比重为 8.37%，而中国工业增加值占全 球的比重为 30%，我们认为相比中国腾飞的工业，中国工业自动化的发展水平还较 低，具有很大的上升空间。根据前瞻产业研究院整理和预测数据，2020-2023 年中国 工业自动化市场规模的全球占比分别为 6.6%、8.37%、8.76%、9.26%，不足 10%；而 2020-2023 年全球和中国工业自动化市场规模复合增速为 2.29%和 14.52%，中国 领先全球。而根据国家统计局和工信部数据，2012 年和 2021 年中国工业增加值占全球的比重分别为 22.5%和 30%，未来有进一步上升的趋势。相比中国腾飞的工业， 中国工业自动化水平明显发展滞后，具有较大的上升空间。

2020 年后中国新生人口急剧下降，预计总人口将在“十四五”时期陷入负增长， 且将于 2031 年左右进入占比超过 20%的超级老龄化社会，劳动人口将严重不足，机 器人换人和智能制造迫在眉睫，我们认为处于机器上游的工控设备需求有望高增。根 据国际统计局七普数据显示，2020 年中国人口达 14.1 亿，出生人口较 2019 年下降 260 万，65 岁及以上人口占比达 13.5%；2021 年出生人口降至 1062 万人，创 1949 年以来新低，65 岁及以上人口占比达 14.2%，进入深度老龄化社会。老龄化、少子 化、不婚化三大趋势加速到来。根据育娲人口预计，2031 年左右进入占比超过 20% 的超级老龄化社会，之后持续快速上升至 2055 年的约 35%。

智能制造将促进工业机器人、数控机床、自动化装备、3D 打印等领域市场规模 将极大增长，从而促进上游工控设备的增长。智能制造技术包括自动化、信息化、互 联网化和智能化四个层次，从前往后逐步发展，自动化是实现信息化、互联网化、智 能化的基础，而后三者又促进了自动化的快速发展，即促进了工控设备的快速发展。根据前瞻产业研究院数据显示，2021-2027 年我国智能制造行业相关产业市场规模增 长空间较大，其中属于工控设备下游的工业机器人、数控机床、自动化装备、3D 打 印市场规模将分别从 400 亿元/3800 亿元/2400 亿元/200 亿元增长至 1800 亿元/5700 亿元/2900 亿元/9500 亿元，6年增长率分别为450%、150%、120.83%和4750%。

国产工控设备市场规模占全球的比重还较小，且增速较快。根据 GIR、MIR、华 经产业研究院数据，DCS/小型 PLC/大型 PLC/伺服系统全球和国内市场规模分别为 239 亿美元/119.2 亿元、56 亿美元/77 亿元、56 亿美元/77 亿元、375 亿美元/233.27 亿元，2018-2021 年国内市场规模复合增速分别为 19%、5.74%、5.74%、15.86%。低 压变频器和高压变频器全球市场规模合计 115 亿美元，国内市场规模分别为 436.6 亿 元和 147.24 亿元，2018-2021 年国内市场复合增速为 10.52%和 6.22%。步进系统 国内市场规模为 10 亿元，2018-2021 年复合增速约为 7-13%。

国产品牌 DCS、步进系统市占率已超过国外品牌，变频器、伺服系统、中小型 PLC 市占率低于国外品牌，但正在加速替代且具有较大国产替代空间，大型 PLC 主 要是国外品牌为主，国产品牌正在突破。根据 GIR、MIR、华经产业研究院，DCS/ 小型 PLC/大型 PLC/伺服系统/低压变频器/高压变频器/步进系统的国产化率分别为 55.72%、21%、1%、30%、74%、26%，还具有较大的国产化空间。

中国 DCS 市场已进入相对稳定和成熟的时期，且本土厂商强势，市占率高达 56%。根据智研咨询整理数据，2021 年我国 DCS 市场规模达到 111.2 亿元，三年 CAGR 为 19%。市场前 9 大厂商中智深控制、和利时及中控技术等中国厂商占比合 计 56%，相比 2020 年的 54%增加 2pct，国产替代趋势明显。国产伺服占比 30%左右，且呈明显上升趋势，国产替代空间较大。根据 MIR 数 据，我国伺服系统市场主要被安川、三菱、松下等日系厂商和西门子等欧美厂商占据， 2020 年和 2021 年，国产厂商汇川科技和禾川科技占比分别为 9.8%/16.3%和 3%/4%， 占比共提升 7.5pct。

根据 MIR 数据，中国大型 PLC 市场主要被国外品牌垄断，国内厂商正在突破， 占比约 1%。根据 MIR 数据，2021 年中国大型 PLC 市场中排名第一的西门子和排名 第二的欧姆龙占市场份额为 49%/15%,且分别比 2020 年增长了 1pct/3pct，2021 年 仅台达占比 1%，国际厂商在中大型 PLC 市场中占垄断地位。根据 MIR 数据，中国中小型 PLC 市场内资品牌占比 21%左右，国外品牌强势，但国产替代趋势明显且空间较大。2021 年中国中小型 PLC 市场中前 2 家占比 59%， 均为国际厂商；前 8 家中有汇川技术、信捷电气 2 家本土厂商，合计占比 14%，相 比 2020 增长 1pct。

国内品牌变频器市场占有率逐步提升，与国外品牌形成相抗衡的局势。根据华经 产业研究院统计数据，2021 年中国变频器市场份额中，欧美占比 44.6%，中国本土 产品占比 45.3%，日韩占比 13.1%。中国变频器细分产品中包括高压变频器和低压 变频器，随着高效节能的市场需求与国家鼓励政策驱动下，高压变频器规模占比逐年 增长，根据华经产业研究院统计，低压变频器占比 74%，高压变频器占比 26%。

中国工控市场目前形成了欧美、日韩、国产品牌三足鼎立的局势，国产市场份额 稳定增长。以低压变频器、小型 PLC、伺服系统为例，2021 年国产品牌市场份额分 别提升 1.4pct/3pct/3pct。

工控产品目前中低端产品（ DCS、中小型 PLC、低压变频器、中低端伺服）正 在替代，高端产品（大型 PLC、高压变频器、高端伺服）正在突破。最常见的控制层 产品包括 DCS 和 PLC，驱动层包括变频器，执行层包括伺服系统和步进系统，传感 器主要为传感器。控制层产品最核心的部件为芯片、实时操作系统、实时以太网、高 可靠控制算法、工业软件；驱动层最核心的部件为芯片、实时以太网、功率部件；执 行层最核心的部件为芯片、实时以太网、高精度编码器、功率部件；传感层最核心的 部件为光电器件和特殊材料。

2.2.1 控制层：DCS 和中小型 PLC 正在替代，大型 PLC 正在突破

DCS（Distributed Control System）即集散控制系统，由输入输出模块、通信 模块、控制器和人机界面组成，用于实现对生产过程的数据采集、控制和监视功能。其主要特点是分散控制、集中操作。DCS 主要应用于化工、石化、电力、核电、制 药、冶金。

根据智研咨询整理数据，2021 年我国 DCS 市场规模达到 111.2 亿元，三年 CAGR 为 19%。由于 DCS 市场集中度高且以中大型项目为主，存在规模效应，未来 有进一步国产替代的空间。DCS 是流程工业的大脑，下游应用集中度高，根据头豹 研究院整理数据，化工及电力合计市场占比超过 60%，而化工、电力、石化三者合计 市场占比高达 80.7%。

国产品牌在参数上与国际品牌差距不大，中低端产品已经替代，高端产品正在替 代。DCS 的重要指标包括可靠性、开放性、灵活性、实时性和接入规模，目前国产 厂商（智深控制、和利时及中控技术）在产品上已与国际品牌差距不大，中控技术份 额领先其他国内外品牌。

可编程逻辑控制器（简称 PLC），一种用于自动化控制的数字逻辑控制器，可以 将控制指令随时加载存储器内存储与执行。按 I/O 点数分为小（256 点以下）、中（256- 2048 点）及大型（2048 点以上）PLC。PLC 由 CPU、指令及资料存储器、输入输出 单元、电源模块、数字模拟等单元所模块化组合成。PLC 可接收及发送多种类型的电 气或电子信号，并使用他们来控制或监督几乎所有种类的机械与电气系统。

根据未来智库整理数据，2021 年全球 PLC 市场规模为 112 亿美元，5 年 CAGR 为 5.55%，预计 2022-2026 年 CAGR 为 3.37%。而中国市场增速高于全球，2021 年中国 PLC 市场规模为 153.57 亿元，5 年 CAGR 为 5.74%，预计 2022-2026 年 CAGR 为 4.65%。

从市场结构来看，根据华经产业研究院统计数据，我国中大型 PLC 和小型 PLC 大致平分市场，2021 年市场份额均占比分别为 50.19%和 49.81%。

国产品牌中小型 PLC 与国际品牌在产品上差异不大，大型 PLC 在 I/O 点数和可 靠性上尚有差距。PLC 的性能指标主要包括 I/O 点数、扩展模块数量、脉冲输出通道 数、通信协议的支持程度、编程语言的支持程度。中小型 PLC 的性能指标与国外品 牌已无差距，大型 PLC 在 I/O 点数和可靠性上尚有差距，主要原因系大型 PLC 需求 场景较少，终端客户不愿切换新的品牌，国产 PLC 厂商不愿投入过多的研发经费。

2.2.2 驱动层：国内品牌变频器与国外品牌形成相抗衡的局势

变频器是可调速驱动系统的一种，是应用变频驱动技术改变交流电动机工作电 压的频率和幅度，来平滑控制交流电动机速度及转矩。最常见的是输入及输出都是交 流电的交流/交流转换器。变频器主要分为低压变频器（低于 690V）、中压变频器（690- 3kV）和高压变频器（3Kv-10kV）。变频器控制技术包括正弦脉宽调制（SPWM）、电 压空间矢量（SVPWM）、矢量控制（VC）和直接转矩控制（DTC）等。

根据中商产业研究院数据，2022 年中国低压变频器和高压变频器市场规模分别 为 466.2 亿元和 159.78 亿元，近三年 CAGR 分别为 10.52%和 6.22%。低压变频器 下游应用领域主要分布在起重、电梯、纺织、冶金、电力、石油石化、市政、建筑、 建材等领域。高压变频器下游应用领域主要分布在冶金、电力、石化、采矿、市政、 建材等领域。

变频器的主要性能指标包括在 0.5Hz 时能输出的启动转矩、频率范围、频率稳定精度、频率分辨率，目前国产品牌与国外品牌在产品大部分性能参数上并无差距， 欧美品牌主要在控制技术、产品可靠性、通用性上有一些优势，且欧美品牌行业解决 方案和工业积累也具备优势。

内资品牌如汇川技术、英威腾、伟创电气等在低压变频器领域产品矩阵完善，且 主要参数与国外品牌差距不大。欧美品牌主要在产品稳定性、可靠性以及行业解决方 案和工艺积累上具备一些优势。

内资品牌在高压变频器领域才刚起步，产品布局相对较少。国外品牌在产品效率、 可靠性、通用性上具有一些优势。

2.2.3执行层：高端伺服正在突破，步进电机已经替代

伺服系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。伺服系统使物体 的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动 控制系统。

伺服系统按照功率大小可以分为小型伺服、中型伺服和大型伺服系统，根据中商 产业研究院数据，上述类型分别占比 45%、37%、18%。大型伺服是指系统功率大于 5KW，主要用于驱动重型机械设备。中型伺服是指功率介于 1KW 和 5KW 之间，在 OEM 市场得到广泛应用。小型伺服是指系统功率小于 1KW，主要应在在中低端 OEM 市场。

根据华经产业研究院数据，2021 年国内伺服市场规模为 233.27 亿元，2018- 2021 年 CAGR 维 15.86%。2019 年相比 2018 年有所下降，主要系中美贸易环境波动导致电子、工业机器人、机床等领域需求不振。伺服系统行业下游应用广泛，2021 年，电子制造设备、电池制造设备、工业机器人、包装机械和光伏设备的应用占比依 次为 22%、13%、12%、9%、7%。

从产品参数上看，国产品牌与国外品牌差距不大，目前差距主要在产品的稳定度、 行业的认知和工艺的积累上。伺服系统的主要性能指标包括编码器分辨率、电机过载 能力、电机最高转速、频率响应速度。目前国内厂商已经具备自主研发伺服驱动器、 伺服电机和高端编码器的能力。

步进系统由步进电机和步进驱动器构成，步进电机按照驱动器发出的指 令脉冲工作，按照设定的方向转动相应的角度；通过控制脉冲个数可以控制角 度位移量，达到准确定位。通过控制脉冲频率可以控制电机的转速和加速度， 达到准确调速。

根据雷赛智能招股说明书，2020 年步进系统市场规模约 8.5 亿元。根据中金企 信数据，2017-2022 年，我国步进电机制造行业市场规模将保持 7～13%左右的年增 长速度。其中，工业自动化领域，年均增速将维持在 20%以上；办公自动领域，保持 在 0-10%之间；印刷设备制造领域，保持在 6～10%的水平；家用电器制造领域，增 速将会放缓；中长期，数控机床行业的产量将会有所回升，应用在数控机床上的步进 电机将有所增长。伺服系统在控制精度、过载能力、响应速度、低频特性上优于步进系统，但步进 系统价格低，适合较多低端制造业领域。伺服系统主要应用于数控机床加工设备、影 像测量、电子半导体设备、工业机器人、纺织服装加工设备等领域，步进系统主要应 用于主要应用于雕刻机、电子加工设备、医疗、电池生产设备、自动生产线设备等领 域。

根据中商产业研究数据，预计 2022年中国半导体设备市场规模为 2485.4亿元， 2019-2022 年复合增速为 39.82%，我们认为高速发展将带动伺服系统和控制系统的 发展。半导体设备主要包括光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备、离子注入机、测试机、 分选机、探针台等设备，属于半导体行业产业链的技术先导者。随着下游需求的快速 发展，中国将成为全球第一大半导体设备市场。

根据高工锂电和 CPIA 统计数据，2021 年我过锂电设备和光伏设备增速分别高 于 50%和 20%，拉动国产工控设备需求高速增长。我们认为随着锂电、光伏技术的 高速发展，工艺迭代较快，故需要下游设备厂商快速升级解决方案，且提供高质量的 服务，国产设备厂商在该领域具备优势，故将加速工控设备的国产替代。

成本占比提升：我们认为工控设备在自动化设备的成本占比越来越高加快了工 控设备的国产替代进程。长久以来客户不愿将工控从国外品牌替换为国内品牌，是因 为工控设备在自动化设备的成本占比较低，且替换成本较高（软件生态学习成本、可 靠性验证时间成本等）。但随着制造设备的自动化水平和智能化水平越来越高，单个 设备上工控设备越来越多，工程设备在自动化设备的成本占比越来越高，故客户为节 省成本和获得更好的服务，会将国外品牌的工控设备替换为国产品牌。以钻孔设备为例，发展分为 3 个阶段。第 1 阶段上下料和定位均为手动，只需 2 个轴就能完成钻孔工艺流程；第二阶段，自动上下料，但工件需要定位，共需要 10 轴完成该工艺流程；第三阶段，自动上下料，工件无需精确定位，机器视觉方案确定 工件位置后，钻孔机构移动到相应位置进行转孔，工序 11 轴，1 个工业相机系统。共工控设备需求越来越多，成本占比越来越高。

政策驱动+产品完善+下游新需求+工控设备成本占比提升，内资品牌增速领跑全 球，以伺服领域为例，根据各公司年报，汇川技术在 2021 年通用自动化执行层营收 增速为 99.10%，禾川科技、伟创电气、雷赛智能 2021 年伺服领域营收增速超过 40%， 我们认为未来内资品牌将保持该趋势，实现进一步的国产替代。国产品牌近 12 年持 续采取定制化与低价策略抢占外资品牌份额，华经产业研究院数据显示 2021 年中国 伺服系统市场份额占比最高的仍是日本等外资企业，但是国产企业占比大幅度增高， 其中汇川技术 2021 年市场占比 16.3%，上升 6.5pct。就增速而言，禾川科技、汇川 技术、雷赛智能、伟创电气等国产品牌增速领先，进口替代趋势明显。

从工控产品技术难度来分析，PLC 难于伺服，伺服难于变频器，国内工控企业 产品矩阵逐渐完善，从单产品切换到多产品，我们认为将带来公司业绩快速增长。从 产品结构看，工控企业各具优势，有以 PLC 为主要产品并向伺服拓展的，如信捷电 气；有以伺服为主要产品并向 PLC 拓展的，如禾川科技、雷赛智能；有以变频器为 主要产品并向伺服和 PLC 拓展的，如伟创电气等。

从下游行业来看，工控企业纷纷布局需求旺盛的新兴领域（光伏、锂电、新能源 汽车、半导体等），我们认为新领域的需求将提升国产工控设备渗透率。以锂电设备 和光伏设备为例，根据高工锂电和 CPIA 统计数据，2021 年增速分别高于 50%和 20%，拉动国产工控设备需求高速增长。工控龙头汇川技术和英威腾在新能源汽车和 轨道交通领域业务增长迅猛，收入占比高达 20%以上，而禾川科技光伏锂电业务占 比超过 40%，雷赛智能以运动控制系统为主要技术，布局光伏、锂电、机器人、半导 体等精密运动控制下游市场，英威腾网络能源和新能源汽车业务占比约 35%。

从战略布局来看，工控企业逐步从 OEM 市场切入项目型市场，由提供单产品到 提供整体解决方案，提升客户粘度和整体设备价值量，进而提升企业盈利能力。根据 MIR 和工控网，2021 年我国工控自动化行业规模为 1970 亿元左右（不含整机），其 中离散自动化和流程自动化占比约为 65%/35%。其中流程自动化中主要以中大型 PLC、DCS、中高压变频器等为主，市场格局稳定。而离散自动化中主要以中小型 PLC、 伺服为主，且下游多为 3C、通信、汽车电子、光伏、锂电设备等新型领域，国产工 控设备渗透快。

在研发流程方面，由于工控产品多为硬件产品和项目型产品，故适合采用集成产 品开发（IPD）流程，加快产品研发效率，提供产品质量，降低研发成本。采用 IPD 流程的典型代表企业为汇川技术、禾川科技、伟创电气、雷赛智能。微观的 IPD 是指 产品集成开发流程；中观的 IPD 是指包括 PDP、市场管理和产品规划及需求管理过程的产品创新管理体系；宏观的 IPD 是指端到端的产品管理。

在商业流程方面，工控企业多采用 LTC 流程（Leads To Cash），是线索到回款、 端到端贯穿公司运作的主业务流，保证企业资源产生最大化收益。采用 LTC 流程的 工控企业有汇川技术、雷赛智能、英威腾等。LTC 流程是从营销视角建立的 “发现 销售线索-培育线索-将线索转化为订单-管理订单执行/汇款”，端到端的流程。

以汇川技术为例，工控企业早期发展一般分为三个阶段：1）单产品阶段；2）多 产品和业务阶段；3）解决方案提供商阶段。为适应这些阶段，组织架构也随之变化：1）职能部门+行业子公司；2）职能部分+产品线；3）职能部门+事业部。目前沿袭 此类组织架构变革线路的公司有汇川技术、雷赛智能、伟创电气、英威腾。

在销售渠道方面，标准产品适合采用经销模式，经销比例越高，产品销售能力越 强。而公司演变为解决方案提供商后，大客户或项目型市场占比提高，直销将更为合 适，故工控企业随着发展阶段的不同，直销和经销的比例也随之变化。目前汇川技术 销售渠道完善，而英威腾、雷赛智能、伟创电气、禾川科技、信捷电气经销比例大于 直销，随着解决方案类业务占比的提升，这些公司正在发展大客户战略和直销模式。

我们认为工控设备公司将受益于整个行业的景气度提升，2021 年汇川技术、禾 川技术、伟创电气、雷赛智能、英威腾等营收增速均高于 20%。根据 HIS 和工控网 数据统计，中国工控自动化设备占全球 12%-14%左右，具有很大的成长空间。国内 工控自动化行业 2015-2020 年复合增长率为 8.09%，高于全球增速 2.35%，加之下 游新兴领域需求旺盛和国产替代，内资品牌增速领跑全球。

运动控制、伺服系统市场空间广阔，2022 年 Q1-Q3 工控领域公司变现不一，但 整体增速较大。我们认为随着疫情管控政策的调整，2023 年工控需求有望高增。以 3C、锂电、光伏、物流、新能源汽车为代表的新兴制造领域需求高增，工程机械、电 梯等传统制造需求有望复苏。而随着国内工控企业产品阵列不断完善，加之工控行业 自主可控的趋势，国内工控企业将在新的下游领域快速发展，抢占外资份额。