智能制造時(shí)代來臨，控制器是自動(dòng)化的核心，工業(yè)機(jī)器人將成為控制器下游利潤重要增長點(diǎn)

控制系統(tǒng)作為工業(yè)自動(dòng)化的大腦，在智能制造的大潮下得以迅速發(fā)展，全球運(yùn)動(dòng)控制器市場規(guī)模到2022年預(yù)計(jì)將達(dá)到228.4億美元。工業(yè)機(jī)器人是控制器新興下游，2016年在專用控制器、PC-based控制器市場占比已達(dá)13.93%、10.50%?？刂破髯鳛楣I(yè)機(jī)器人核心零部件，在總成本中占比12%。未來工業(yè)機(jī)器人市場持續(xù)擴(kuò)張將使控制器需求進(jìn)一步擴(kuò)大，據(jù)估算2020年我國工業(yè)機(jī)器人控制器市場規(guī)?？蛇_(dá)63億元。

1.1控制器是自動(dòng)化的核心

工業(yè)過程大致分為連續(xù)過程工業(yè)、離散過程工業(yè)、間隙過程工業(yè)三大類。1930年以來，工控技術(shù)經(jīng)歷了三個(gè)主要階段。

圖表1工控發(fā)展歷程資料來源：公開資料整理、廣證恒生

目前工業(yè)控制屬于直接數(shù)字控制（DDC），即由計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)。通常使用的控制系統(tǒng)包括集散控制系統(tǒng)（DCS）、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS），二者主要區(qū)別在于DCS一對(duì)多，F(xiàn)CS一對(duì)一。

圖表2計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)可分為集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

工業(yè)控制系統(tǒng)一般包括現(xiàn)場控制器、操作員站計(jì)算機(jī)、工程師站計(jì)算機(jī)，以及聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?？删幊踢壿嬁刂破鳎?a href="http://m.u63ivq3.com/p/plc/" target="_self">PLC）等同于工業(yè)控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場控制器。PLC負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)生產(chǎn)線上所有工業(yè)機(jī)器人、工裝夾具、傳送帶、焊接變位機(jī)、移動(dòng)導(dǎo)軌等設(shè)備的運(yùn)作。無論是工業(yè)控制系統(tǒng)或是系統(tǒng)下的工業(yè)機(jī)器人，都擁有本身的控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)上游包括各類電子元器件，如PCB面板、IC芯片、晶體管、電阻電容等，中游核心部件包含運(yùn)動(dòng)控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)等，下游運(yùn)用于工業(yè)機(jī)器人、半導(dǎo)體、機(jī)床等各行各業(yè)。目前控制器有三種主要的控制方式：PLC控制、專用控制、PC-based控制，三種方式在控制系統(tǒng)市場上平分秋色，各占比30%、38%、32%。

從三種工業(yè)控制器下游分布可看出，專用控制主要運(yùn)用于機(jī)械、工業(yè)機(jī)器人等，PC-based控制器主要運(yùn)用于半導(dǎo)體、包裝和工業(yè)機(jī)器人，PLC主要運(yùn)用于紡織機(jī)械、包裝機(jī)械、EMS等行業(yè)。PC-based相較PLC在功能占優(yōu)，可實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，下游廠商可利用PC-based廠商提供的底層函數(shù)庫進(jìn)行靈活的二次開發(fā)和編程，除了傳統(tǒng)的PLC語言，開發(fā)者更可以C++、Basic等語言進(jìn)行編程，通用性強(qiáng)。

專用控制器早期主要用于機(jī)床領(lǐng)域，即計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)（CNC,ComputerizedNumericalControl），隨后在機(jī)械、工業(yè)機(jī)器人等行業(yè)大范圍使用，是面向特定行業(yè)提供專用的控制產(chǎn)品。專用控制器集成現(xiàn)有的所有控制器技術(shù)，包括PLC、PC-based，核心不在硬件，而在于行業(yè)應(yīng)用軟件功能塊，這種類型的控制器只能滿足特定行業(yè)使用，性能穩(wěn)定，定價(jià)高。

控制領(lǐng)域包括運(yùn)動(dòng)控制、過程控制、開關(guān)量邏輯控制等，其中運(yùn)動(dòng)控制占比最高。三類控制器中，運(yùn)動(dòng)控制在專業(yè)控制器的占比最高，預(yù)計(jì)到2020年，運(yùn)動(dòng)控制功能在PC-based控制器、專用控制器、PLC控制領(lǐng)域的比重將分別達(dá)到59%、92%、27%，其中專業(yè)控制器和PC-based控制器控制領(lǐng)域中運(yùn)動(dòng)控制的比例將顯著提升。在一些運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)用領(lǐng)域中，專用控制器或者PC-based將替代PLC，PLC的市場占比在減少。比如專用控制器在傳統(tǒng)切削機(jī)床、高端工業(yè)機(jī)器人中發(fā)展較快；PC-based在雕刻機(jī)、半導(dǎo)體、物流、激光加工機(jī)等運(yùn)用領(lǐng)域增長較快。

汽車、半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人需求的增加，以及陶瓷衛(wèi)浴、制藥等新興行業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的使用刺激了PC-based運(yùn)動(dòng)控制器在機(jī)器人領(lǐng)域的快速發(fā)展。另外由于直角坐標(biāo)機(jī)器人和國產(chǎn)品牌的多關(guān)節(jié)機(jī)器人功能簡單、價(jià)格便宜，越來越多的廠商會(huì)選擇性價(jià)比較高的PC-based運(yùn)動(dòng)控制器。

1.2工業(yè)機(jī)器人是控制器的重要下游領(lǐng)域

工業(yè)機(jī)器人是控制器的重要下游領(lǐng)域在自動(dòng)化生產(chǎn)中，工業(yè)機(jī)器人整體，包括自有控制器，屬于PLC控制下的一個(gè)部分，而且自有的控制器通常屬于專業(yè)控制器或PC-based控制器，兩種控制器技術(shù)共用，主要差別在于對(duì)應(yīng)用領(lǐng)域是否專業(yè)化。

控制器作為工業(yè)機(jī)器人最為核心的零部件之一，是工業(yè)機(jī)器人的大腦，對(duì)機(jī)器人的性能起著決定性的影響。工業(yè)機(jī)器人控制器主要控制機(jī)器人在工作空間中的運(yùn)動(dòng)位置、姿態(tài)和軌跡，操作順序及動(dòng)作的時(shí)間等。

對(duì)于不同類型的機(jī)器人，如有腿的步行機(jī)器人與關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人，控制系統(tǒng)的綜合方法有較大差別，控制器的設(shè)計(jì)方案也不一樣。例如直角坐標(biāo)機(jī)器人售價(jià)低，運(yùn)動(dòng)控制相對(duì)簡單，多采用運(yùn)動(dòng)控制卡+工控機(jī)；在多關(guān)節(jié)機(jī)器人和SCARA機(jī)器人售價(jià)高，結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)控制較為復(fù)雜，多采用嵌入式控制器。

目前使用較為廣泛的為運(yùn)動(dòng)控制卡+工控機(jī)和嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器，控制器的研發(fā)可分為硬件和軟件兩部分，在工業(yè)機(jī)器人控制硬件研制方面，已經(jīng)開發(fā)出了比較有代表性的雙、多CPU及分級(jí)控制系統(tǒng)。其中，基于DSP技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)較為典型。軟件部分是工業(yè)機(jī)器人的“心臟”，也是目前國內(nèi)外控制器差距最大的地方。

1.3機(jī)器人市場擴(kuò)張帶動(dòng)控制器需求上漲

機(jī)器人市場擴(kuò)張帶動(dòng)控制器需求上漲工業(yè)機(jī)器人密度實(shí)現(xiàn)了跨越式的發(fā)展，千億市場蓄勢(shì)待發(fā)。隨著人口紅利消退和產(chǎn)業(yè)升級(jí)需求擴(kuò)張，中國制造業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求旺盛。自2013年起，我國發(fā)展成為全球工業(yè)機(jī)器人的第一大市場。2018年我國工業(yè)機(jī)器人市場規(guī)模達(dá)到62.3億美元，占全球市場的37.04%。根據(jù)國家級(jí)專項(xiàng)規(guī)劃《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年》，2020年我國工業(yè)機(jī)器人使用密度達(dá)到150臺(tái)/萬人。

假設(shè)到2020年目標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)，預(yù)計(jì)2018-2020年我國工業(yè)機(jī)器人使用密度分別為109、129和150臺(tái)/萬人，同時(shí)假設(shè)我國工人數(shù)量保持穩(wěn)定，每年存量工業(yè)機(jī)器人更新率為12.5%。考慮工業(yè)機(jī)器人售價(jià)降低的情況，我們預(yù)計(jì)2020年我國工業(yè)機(jī)器人本體市場規(guī)模可達(dá)到459億元，2018-2020年我國工業(yè)機(jī)器人本體市場規(guī)模總計(jì)可達(dá)千億元以上。

控制器屬于工業(yè)機(jī)器人上游生產(chǎn)核心零部件，其他核心零部件包括減速器和伺服系統(tǒng)。核心零部件占工業(yè)機(jī)器人成本的72%，其中控制系統(tǒng)占比12%。

可以預(yù)見，未來幾年中國工業(yè)機(jī)器人市場將持續(xù)擴(kuò)張，伴隨而來的是對(duì)控制器日益增長的需求。據(jù)IFR數(shù)據(jù)顯示，假設(shè)每臺(tái)工業(yè)機(jī)器人對(duì)應(yīng)3萬元的控制器市場需求，可以大致估算出我國近年來的工業(yè)機(jī)器人控制器市場規(guī)模，2020年我國工業(yè)機(jī)器人控制器市場可達(dá)63億元，現(xiàn)有空間有限，但前景廣闊。

文章數(shù)據(jù)來源：廣證恒生