工业自动化及机器人展览会

63亿元丨工业机器人将成为控制器下游利润重要增长点

智能制造时代来临,控制器是自动化的核心,工业机器人将成为控制器下游利润重要增长点

控制系统作为工业自动化的大脑,在智能制造的大潮下得以迅速发展,全球运动控制器市场规模到2022年预计将达到228.4亿美元。工业机器人是控制器新兴下游,2016年在专用控制器、PC-based控制器市场占比已达13.93%、10.50%。控制器作为工业机器人核心零部件,在总成本中占比12%。未来工业机器人市场持续扩张将使控制器需求进一步扩大,据估算2020年我国工业机器人控制器市场规模可达63亿元。

1.1控制器是自动化的核心

工业过程大致分为连续过程工业、离散过程工业、间隙过程工业三大类。1930年以来,工控技术经历了三个主要阶段。

工控自动化 

图表1工控发展历程资料来源:公开资料整理、广证恒生

目前工业控制属于直接数字控制(DDC),即由计算机集中控制系统。通常使用的控制系统包括集散控制系统(DCS)、现场总线控制系统(FCS),二者主要区别在于DCS一对多,FCS一对一。

集散控制系统 

图表2计算机集中控制系统可分为集散控制系统和现场总线控制系统

工业控制系统一般包括现场控制器、操作员站计算机、工程师站计算机,以及联系的网络系统。可编程逻辑控制器(PLC)等同于工业控制系统中的现场控制器。PLC负责协调生产线上所有工业机器人、工装夹具、传送带、焊接变位机、移动导轨等设备的运作。无论是工业控制系统或是系统下的工业机器人,都拥有本身的控制系统。

工业控制系统 

控制系统上游包括各类电子元器件,如PCB面板、IC芯片、晶体管、电阻电容等,中游核心部件包含运动控制器、伺服驱动器、伺服电机等,下游运用于工业机器人、半导体、机床等各行各业。目前控制器有三种主要的控制方式:PLC控制、专用控制、PC-based控制,三种方式在控制系统市场上平分秋色,各占比30%、38%、32%。

 工业控制

运动控制器 

从三种工业控制器下游分布可看出,专用控制主要运用于机械、工业机器人等,PC-based控制器主要运用于半导体、包装和工业机器人,PLC主要运用于纺织机械、包装机械、EMS等行业。PC-based相较PLC在功能占优,可实现更为复杂的运动控制,下游厂商可利用PC-based厂商提供的底层函数库进行灵活的二次开发和编程,除了传统的PLC语言,开发者更可以C++、Basic等语言进行编程,通用性强。

专用控制器早期主要用于机床领域,即计算机数字控制系统(CNC,ComputerizedNumericalControl),随后在机械、工业机器人等行业大范围使用,是面向特定行业提供专用的控制产品。专用控制器集成现有的所有控制器技术,包括PLC、PC-based,核心不在硬件,而在于行业应用软件功能块,这种类型的控制器只能满足特定行业使用,性能稳定,定价高。

 PLC

控制领域包括运动控制、过程控制、开关量逻辑控制等,其中运动控制占比最高。三类控制器中,运动控制在专业控制器的占比最高,预计到2020年,运动控制功能在PC-based控制器、专用控制器、PLC控制领域的比重将分别达到59%、92%、27%,其中专业控制器和PC-based控制器控制领域中运动控制的比例将显著提升。在一些运动控制运用领域中,专用控制器或者PC-based将替代PLC,PLC的市场占比在减少。比如专用控制器在传统切削机床、高端工业机器人中发展较快;PC-based在雕刻机、半导体、物流、激光加工机等运用领域增长较快。

汽车、半导体行业对工业机器人需求的增加,以及陶瓷卫浴、制药等新兴行业对工业机器人的使用刺激了PC-based运动控制器在机器人领域的快速发展。另外由于直角坐标机器人和国产品牌的多关节机器人功能简单、价格便宜,越来越多的厂商会选择性价比较高的PC-based运动控制器。

PC-based控制器 

1.2工业机器人是控制器的重要下游领域

工业机器人是控制器的重要下游领域在自动化生产中,工业机器人整体,包括自有控制器,属于PLC控制下的一个部分,而且自有的控制器通常属于专业控制器或PC-based控制器,两种控制器技术共用,主要差别在于对应用领域是否专业化。

工业机器人 

控制器作为工业机器人最为核心的零部件之一,是工业机器人的大脑,对机器人的性能起着决定性的影响。工业机器人控制器主要控制机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹,操作顺序及动作的时间等。

对于不同类型的机器人,如有腿的步行机器人与关节型工业机器人,控制系统的综合方法有较大差别,控制器的设计方案也不一样。例如直角坐标机器人售价低,运动控制相对简单,多采用运动控制卡+工控机;在多关节机器人和SCARA机器人售价高,结构紧凑,运动控制较为复杂,多采用嵌入式控制器。

嵌入式控制器 

目前使用较为广泛的为运动控制卡+工控机和嵌入式运动控制器,控制器的研发可分为硬件和软件两部分,在工业机器人控制硬件研制方面,已经开发出了比较有代表性的双、多CPU及分级控制系统。其中,基于DSP技术的工业机器人控制器的设计较为典型。软件部分是工业机器人的“心脏”,也是目前国内外控制器差距最大的地方。

1.3机器人市场扩张带动控制器需求上涨

机器人市场扩张带动控制器需求上涨工业机器人密度实现了跨越式的发展,千亿市场蓄势待发。随着人口红利消退和产业升级需求扩张,中国制造业对工业机器人的需求旺盛。自2013年起,我国发展成为全球工业机器人的第一大市场。2018年我国工业机器人市场规模达到62.3亿美元,占全球市场的37.04%。根据国家级专项规划《机器人产业发展规划(2016-2020年》,2020年我国工业机器人使用密度达到150台/万人。

假设到2020年目标能够实现,预计2018-2020年我国工业机器人使用密度分别为109、129和150台/万人,同时假设我国工人数量保持稳定,每年存量工业机器人更新率为12.5%。考虑工业机器人售价降低的情况,我们预计2020年我国工业机器人本体市场规模可达到459亿元,2018-2020年我国工业机器人本体市场规模总计可达千亿元以上。

减速机 

控制器属于工业机器人上游生产核心零部件,其他核心零部件包括减速器和伺服系统。核心零部件占工业机器人成本的72%,其中控制系统占比12%。

 机械本体

可以预见,未来几年中国工业机器人市场将持续扩张,伴随而来的是对控制器日益增长的需求。据IFR数据显示,假设每台工业机器人对应3万元的控制器市场需求,可以大致估算出我国近年来的工业机器人控制器市场规模,2020年我国工业机器人控制器市场可达63亿元,现有空间有限,但前景广阔。

工业机器人控制器 

文章数据来源:广证恒生