技術前沿：工業自動化——變頻器和PLC/PCA系統

工業自動化根據自動化層級遞進順序主要可分為設備單機自動化、設備生產作業過程自動化和企業生產管理自動化。其中自動化驅動產品是實現設備單機自動化的核心部件；智能操控系統是在設備單機自動化的基礎上，實現設備生產作業過程的自動化，即設備操控的遠程化或自動化。

在自動化驅動領域，變頻器涉及電力電子、計算機、自動控制、運動控制、電機、傳感器等多項學科領域，無論在理論上還是設計及制造工藝上，都需要較高的技術水平和經驗積累，行業需要在軟件、硬件、結構、電磁兼容、安規設計等方面具備較高理論素養和較高實踐水平、經驗豐富的技術人才。

在設備智能操控系統領域，涵蓋圖像處理、點云數字分析、算法、AI識別等多領域技術，這些技術應用到工業領域存在著較高的門檻，以智慧港口、水泥智能化應用為例，業內企業需要將物聯網、人工智能、大數據等新一代信息技術更加深入的融合應用于相關的企業生產運營管理系統中，才能逐漸實現企業的自動化、智能化、智慧化運營目標。這對于企業技術人員的專業素質要求較高，他們不僅需要精通工業智能化技術應用，還需要深諳企業業務最佳實踐及行業痛點，新進入企業難以在短期內培養出一批具備技術開發實力并擁有深厚行業實踐經驗儲備的專業技術隊伍。

自動化驅動產品一般包含變頻器和行業專機。變頻器是設備內部單機自動化控制系統中，應用最為廣泛的核心驅動產品之一，變頻器主要是通過調節電流頻率控制電機的轉速與轉矩，實現對各行業各類設備的機械傳動控制；行業專機是在變頻器的基礎上，根據各行業具體應用場景需求，添加行業專用控制器、傳感、安全保護等功能模塊或配件，并集成為一體形成專機形態，其主要工作原理、技術特征及核心功能模塊仍與變頻器產品趨同。

變頻器

變頻器是一種靜止的頻率變換器，可將電網電源的50Hz頻率交流電變成頻率可調的交流電，作為電動機的電源裝置，目前在國內外使用廣泛。使用變頻器可以節能、提高產品質量和勞動生產率等。

變頻器組成原理和變頻器的基本結構

調速用變頻器構成：主電路、控制電路、保護電路

變頻器主電路工作原理

變壓變頻裝置結構框圖

按照不同的控制方式，交—直—交變頻器可分成以下三種方式：

采用可控整流器調壓、逆變器調頻的控制方式，其結構框圖。

可控整流器調壓、逆變器調頻的控制方式的特點：

在這種裝置中，調壓和調頻在兩個環節上分別進行，在控制電路上協調配合，結構簡單，控制方便。但是，由于輸入環節采用晶閘管可控整流器，當電壓調得較低時，電網端功率因數較低。

而輸出環節多用由晶閘管組成多拍逆變器，每周換相六次，輸出的諧波較大，因此這類控制方式現在用的較少。

采用不控整流器整流、斬波器調壓、再用逆變器調頻的控制方式，其結構框圖。

不控整流器整流、斬波器調壓、再用逆變器調頻的控制方式的特點：

整流環節采用二極管不控整流器，只整流不調壓，再單獨設置斬波器，用脈寬調壓，這種方法克服功率因數較低的缺點；但輸出逆變環節未變，仍有諧波較大的缺點；

采用不控制整流器整流、脈寬調制（PWM）逆變器同時調壓調頻的控制方式，其結構框圖。

不控制整流器整流、脈寬調制（PWM）逆變器同時調壓調頻的控制方式的特點：

在這類裝置中，用不控整流，則輸入功率因數不變；用（PWM）逆變，則輸出諧波可以減小。PWM逆變器需要全控型電力半導體器件，其輸出諧波減少的程度取決于PWM的開關頻率，而開關頻率則受器件開關時間的限制。

采用絕緣雙極型晶體管IGBT時，開關頻率可達10kHz以上，輸出波形已經非常逼近正弦波，因而又稱為SPWM逆變器，成為當前最有發展前途的一種裝置形式。

電壓型變頻器結構框圖：

電壓型變頻器：

在交—直—交變頻器中，當中間直流環節采用大電容濾波時，直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一個內阻抗為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，這類變頻器叫做電壓型變頻器。

電流型變頻器結構框圖：

電流型變頻器：

當交—直—交變頻器的中間直流環節采用大電感濾波時，直流電流波形比較平直，因而電源內阻抗很大，對負載來說基本上是一個電流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波，這類變頻器叫做電流型變頻器。

交—直—交變頻器主電路

①交—直—交電壓型變頻電路

常用的交—直—交電壓型PWM變頻電路。

交—直—交電壓型PWM變頻電路采用二極管構成整流器，完成交流到直流的變換，其輸出直流電壓Ud是不可控的；中間直流環節用大電容C濾波；電力晶體管V1～V6構成PWM逆變器，完成直流到交流的變換，并能實現輸出頻率和電壓的同時調節，VD1～VD6是電壓型逆變器所需的反饋二極管。

②交—直—交電流型變頻電路

常用的交—直—交電流型變頻電路。

交—直—交電流型變頻電路：整流器采用晶閘管構成的可控整流電路，完成交流到直流的變換，輸出可控的直流電壓U，實現調壓功能；中間直流環節用大電感L濾波；逆變器采用晶閘管構成的串聯二極管式電流型逆變電路，完成直流到交流的變換，并實現輸出頻率的調節。

③交—直—交電壓型變頻器與電流型變頻器的性能比較；

絕緣門極晶體管（IGBT）

IGBT的結構和基本工作原理

絕緣門極晶體管IGBT也稱絕緣柵極雙極型晶體管，是一種新發展起來的復合型電力電子器件。

由于它結合了MOSFET和GTR的特點，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩定性好和驅動電路簡單的優點，又具有輸入通態電壓低，耐壓高和承受電流大的優點，這些都使IGBT比GTR有更大的吸引力。

在變頻器驅動電機，中頻和開關電源以及要求快速、低損耗的領域，IGBT有著主導地位。

1.IGBT的基本結構與工作原理

1）基本結構

IGBT也是三端器件，三個極為漏極（D）、柵極（G）和源極（S）。

（a)內部結構（b）簡化等效電路（c）電氣圖形符號

2）工作原理

IGBT的驅動原理與電力MOSFET基本相同，它是一種壓控型器件。

開通和關斷是由柵極和發射極間的電壓UGE決定的，當UGE為正且大于開啟電壓UGE（th）時，MOSFET內形成溝道，并為晶體管提供基極電流使其導通。

當柵極與發射極之間加反向電壓或不加電壓時，MOSFET內的溝道消失，晶體管無基極電流，IGBT關斷。

2.IGBT的基本特性與主要參數

IGBT的轉移特性和輸出特性

（a)轉移特性（b)輸出特性

1）IGBT的基本特性

①靜態特性

IGBT的轉移特性，它描述的是集電極電流IC與柵射電壓UGE之間的關系，與功率MOSFET的轉移特性相似。

開啟電壓UGE（th）是IGBT能實現電導調制而導通的最低柵射電壓。

UGE（th）隨溫度升高而略有下降，溫度升高1oC，其值下降5mV左右。在+25oC時，UGE（th）的值一般為2~6V。

IGBT的輸出特性，也稱伏安特性，它描述的是以柵射電壓為參考變量時，集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的關系。

IGBT的開關過程

2）主要參數

①集電極—發射極額定電壓UCES

②柵極—發射極額定電壓UGES

③額定集電極電流IC

3.IGBT的擎住效應和安全工作區

從IGBT的結構可以發現，IGBT電流可能發生失控的現象，就像普通晶閘管被觸發以后，即使撤消觸發信號晶閘管仍然因進入正反饋過程而維持導通的機理一樣，因此被稱為擎住效應或自鎖效應。

引發擎住效應的原因，可能是集電極電流過大（靜態擎住效應），也可能是最大允許電壓上升率duCE/dt過大（動態擎住效應），溫度升高也會加重發生擎住效應的危險。

動態擎住效應比靜態擎住效應所允許的集電極電流小，因此所允許的最大集電極電流實際上是根據動態擎住效應而確定的。

根據最大集電極電流、最大集電極間電壓和最大集電極功耗可以確定IGBT在導通工作狀態的參數極限范圍；根據最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率可以確定IGBT在阻斷工作狀態下的參數極限范圍，即反向偏置安全工作電壓（RBSOA）

IGBT的驅動電路

（1)對驅動電路的要求

①IGBT是電壓驅動的，具有一個2.5~5.0V的閥值電壓，有一個容性輸入阻抗，因此IGBT對柵極電荷非常敏感，故驅動電路必須很可靠，保證有一條低阻抗值的放電回路，即驅動電路與IGBT的連線要盡量短。

②用內阻小的驅動源對柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓UCE有足夠陡的前后沿，使IGBT的開關損耗盡量小。另外，IGBT開通后，柵極驅動源應能提供足夠的功率，使IGBT不退出飽和而損壞。

③驅動電路中的正偏壓應為+12~+15V，負偏壓應為-2~-10V。

④IGBT多用于高壓場合，故驅動電路應整個控制電路在電位上嚴格隔離。

⑤驅動電路應盡可能簡單實用，具有對IGBT的自保護功能，并有較強的抗干擾能力。

⑥若為大電感負載，IGBT的關斷時間不宜過短，以限制di/dt所形成的尖峰電壓，保證IGBT的安全。

（2)驅動電路

因為IGBT的輸入特性幾乎與MOSFET相同，所以用于MOSFET的驅動電路同樣可以用于IGBT。

在用于驅動電動機的逆變器電路中，為使IGBT能夠穩定工作，要求IGBT的驅動電路采用正負偏壓雙電源的工作方式。

為了使驅動電路與信號電隔離，應采用抗噪聲能力強，信號傳輸時間端的光耦合器件。

基極和發射極的引線應盡量短，基極驅動電路的輸入線應為絞合線

為抑制輸入信號的振蕩現象，基極和發射極并聯一阻尼網絡。

驅動電路的輸出級采用互補電路的形式以降低驅動源的內阻，同時加速IGBT的關斷過程。

IGBT基極驅動電路

（a）阻尼濾波（b)光電隔離

（3)集成化驅動電路

IGBT有與其配套的集成驅動電路。

這些專用驅動電路抗干擾能力強，集成化程度高，速度快，保護功能完善，可實現IGBT的最優驅動。

IGBT的保護電路

因為IGBT保護主要是柵源過電壓保護、靜電保護、采用R-C-VD緩沖電路等等。

在IGBT電控系統中設置過壓、欠壓、過流和過熱保護單元，以保證安全可靠工作。

必須保證IGBT不發生擎住效應；具體做法是，實際中IGBT使用的最大電流不超過其額定電流。

1）緩沖電路

幾種用于IGBT橋臂的典型緩沖電路。

（a)（b)（c)

a)圖是最簡單的單電容電路，適用于50A以下的小容量IGBT模塊，由于電路無阻尼組件，易產生LC振蕩，故應選擇無感電容或串入阻尼電阻RS；

b)圖是將RCD緩沖電路用于雙橋臂的IGBT模塊上，適用于200A以下的中等容量IGBT；

c)圖中，將兩個RCD緩沖電路分別用在兩個橋臂上，該電路將電容上過沖的能量部分送回電源，因此損耗較小，廣泛應用于200A以上的大容量IGBT。

（2）IGBT的保護

過電流保護措施主要是檢測出過電流信號后迅速切斷柵極控制信號來關斷IGBT。

實際使用中，要求在檢測到過電流后，通過控制電路產生負的柵極驅動信號來關斷IGBT。只要IGBT的額定參數選擇合理，10內的過電流一般不會使之損壞。

采用集電極電壓識別方法的過流保護電路。

集電極電壓識別方法的過流保護電路

為了避免IGBT過電流的時間超過允許的短路過電流時間，保護電路應當采用快速光耦合器等快速傳送組件及電路。

檢測發射極電流過流的保護電路。

智能操控系統

智能操控系統是在設備單機實現自動化的基礎上，實現對設備群操控的遠程化或自動化，即實現設備生產作業過程的自動化。設備現場工作環境普遍存在操控人員工作環境差、勞動強度高、對身體傷害大等特征，且工作效率受操控人員精神狀態、工作經驗、晝夜及氣候變化等因素影響，生產效率不穩定，同時安全性也得不到根本保障，智能操控系統實現了該類設備操控的遠程化與自動化，將操控人員工作場所由設備上的“操作崗位”變成了遠程的“中控室”，將傳統的一人現場操控一臺設備改變成一人遠程監控或操控多臺設備，改善了操控人員工作環境、減少職業健康危害，同時通過系統操控設備自動化作業可以節省用工數量、降低人工操作出錯率、提高設備作業效率與作業質量。

PLC/PAC系統技術

1）PLC技術

（1）基本概念和結構組成。

PLC就是常說的可編程控制器（programmablelogiccontroller），最早出現的時間可以追溯到19世紀末。PLC發展到今天已經形成了大、中、小各種規模的系列化產品[1]。除邏輯控制外，PLC大多具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領域。

PLC的基本結構包括電源、中央處理單元、存儲器、輸入單元、輸出單元等。

①電源：用于將交流電轉換成PLC內部所需的直流電。

②中央處理單元：中央處理器(CPU)是PLC的控制中樞，也是PLC的核心部件，其性能決定了PLC的性能，中央處理器的作用是處理和運行用戶程序，進行邏輯和數學運算，控制整個系統使之協調。

③存儲器：存儲器是具有記憶功能的半導體電路，它的作用是存放系統程序、用戶程序、邏輯變量和其他信息。

④輸入單元：輸入單元是PLC與被控設備相連的輸入接口，是信號進入PLC的橋梁，它的作用是接收主令元件、檢測元件傳來的信號。

⑤輸出單元：輸出單元也是PLC與被控設備之間的連接部件，它的作用是把PLC的輸出信號傳送給被控設備，即將中央處理器送出的弱電信號轉換成電平信號，驅動被控設備的執行元件。輸出的類型有繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出3種類型。

（2）工作原理和應用。

PLC的工作原理包含3個階段的內容，即輸入采樣、用戶程序執行、系統輸出刷新階段如圖1所示。在輸入樣階段中，利用掃描方式對采樣數據進行讀取，數據存儲在輸入映像寄存器，在完成數據的輸入流程后，會繼續轉入用戶程序中開展下一步的執行輸出。對于程序執行階段，PLC控制器在對用戶程序做掃描處理的過程中，始終遵循自上而下的原則，同時在規定的順序指導下完成核算作業，核算同樣也需要按照自上而下的原則。當用戶程序執行結束后，PLC控制器就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映像區內對應的狀態和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外部設備。

PLC技術具有諸多優點：具有較強的可靠性和抗干擾能力、通用性強，控制程序可變、功能強，適用面較廣、編程簡單，上手難度低、降低控制系統設計和施工的工作強度并且體積和重量具有明顯優勢。

PLC技術在電氣設備自動化控制系統中的應用有以下幾個方面：

①PLC技術在控制模擬量中的應用。在實際的工業生產中存在例如溫度、流速、壓強、液位等連續變化的模擬量，應用PLC技術能夠實現模擬量與數字量進行互相轉換，即A/D和D/A轉換，使模擬量可以轉換成能夠被記錄和追蹤的數字量，這樣一來就能夠控制模擬量，同時PLC對模擬量也可以進行監控。

②PLC技術在開關量控制中的應用。PLC技術在控制系統中不斷實踐和應用的整個過程，關鍵是利用編程存儲器代替繼電器，從而實現對機械設備的控制。

③PLC技術在閉環控制系統中的應用。將PLC技術應用于電機啟動系統閉環控制中，能夠實現系統的自動化甚至智能化控制，不僅控制效率得到了提升，而且還更好的保障了閉環控制系統的穩定性。

2）PAC技術

（1）基本概念。PAC（可編程化自動控制器，programmableautomationcontroller）的概念定義為：控制引擎的集中，涵蓋PLC用戶的多種需要，以及制造業廠商對信息的需求。PAC包括PLC的主要功能和擴大的控制能力，以及PC-based控制中基于對象的、開放數據格式和網絡連接等功能。從技術層面分析，PAC是一種總線型分布式控制系統，PAC系統總線技術作為工業現場的一種通信方式，具有傳輸速度快、數據量大、易于擴展安裝和維護等優點。

（2）技術特點。PAC的技術特點：PAC結合了PC的處理器、內存及軟件，并且擁有PLC的穩定性、堅固性和分布式本質，PAC采取開放式結構，使用COTS（commercialoftheshelt），也就是它是選用市面上已經成熟可用的產品組合成PAC平臺。它具有如下優勢：

①提高生產率和操作效率。一個通用輕便控制引擎和綜合工程開發平臺允許快速地開發、實施和遷移；且由于它的開放性和靈活性，確保了控制、操作、企業級業務系統的無縫集成，優化了工廠流程。

②降低操作成本。使用通用、標準架構和網絡，降低了操作成本，讓工程師們能為一個體現成本效益、使用現貨供應的平臺選擇不同系統部件，而不是專有產品和技術。

③使用戶對其控制系統擁有更多控制力，使用戶擁有更多靈活性來選擇適合每種特殊應用的硬件和編程語言，以他們自己的時間表來規劃升級，并且可在任何地方設計、制造產品。

3）PAC與PLC的主要區別

①PAC的性能是基于它的輕便控制引擎和標準、通用、開放的實時操作系統、嵌入式硬件系統設計以及背板總線。

②PAC采用通用的實時操作系統，采用標準、通用的嵌入式硬件系統結構設計，其處理器可以使用高性能CPU。

③PAC系統的編程軟件為同一平臺，包括邏輯控制、運動控制、過程控制和人機界面等各功能。

綜上所述，高新技術快速發展的背景下，PLC技術應運而生并實現了廣泛的應用。將先進的PLC技術應用于電氣工程自動化控制領域，解決了傳統技術存在的諸多的不足。同時新一代控制系統PAC已經在我國機械、冶金、化工、水處理、交通等行業的自動化控制中得到了應用，效果良好。

DCS系統技術

1）基本概念

DCS是集散控制系統（distributedcontrolsystem）的簡稱，也可直譯為分散控制系統或分布式計算機控制系統。它是相對于集中式控制系統而言的一種計算機控制系統，綜合了計算機，通信、顯示和控制等技術，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態方便。

DCS控制系統是由計算機技術、信號處理技術、測量控制技術、通信網絡技術和人機接口技術相互發展滲透而產生的。它既不同于分散的儀表控制系統，又有別于集中式計算機控制系統，而是在吸收了兩者的基礎上發展完善起來的一門系統控制技術。

2）結構組成

DCS的結構是一個分布式系統，從整體邏輯結構上講，是一個分支樹結構。其縱向結構分為過程控制級、控制管理級和生產管理級三級遞階結構。整個系統由3部分組成，即集中管理部分、分散控制檢測部分和網絡通信部分。系統結構圖如圖2所示。

（1）集中管理部分。集中管理部分包括工程師站、操作員站和上位機。

①工程師站：負責系統的管理、控制組態、系統生成與下裝；

②操作員站：人機接口，由PC系統負責生產工藝的控制、過程狀態顯示、報警狀態顯示、實時數據和歷史數據的顯示打印等。

③上位機：即管理計算機，它實現生產調度管理、優化及計算、生產經營管理與分析決策等層次的管理和計算。

（2）分散控制部分。

分散控制部分的功能是：

①現場檢測模擬量、數字量和脈沖量的輸入輸出并進行轉換處理；

②各種控制回路的運算；

③控制運算結果的直接輸出。

（3）網絡通信部分。

網絡通信部分包括局域網和控制網絡以及網絡間的接口網關設備，可實現各種功能站之間的數據、指令的通信傳輸。

3）特點及應用

DCS控制系統是采用標準化、模塊化和系列化設計，由過程控制級、控制管理級和生產管理級所組成的一個以通信網絡為紐帶的集中顯示操作管理，控制相對分散，具有靈活配置、組態方便的多級計算機網絡系統結構。

隨著DCS的性能提高、功能增強、價格下降、產品系列增多，其市場銷售量逐年增長。據統計，我國化工和石化企業應用DCS最為普遍，有100%的大型乙炔廠，95%的大型氨廠都安裝了DCS控制系統尤其是所有新建的化工裝置，不論規模大小，都無一例外地采用了DCS控制系統。

3.FCS過程控制系統技術

1）基本概念

FCS（fieldbuscontrolsystem，現場總線控制系統）是一種基于DCS/PLC發展起來的新技術，實現了從控制室到現場設備的雙向串行數字通信總線連接，FCS中的“現場”更多的是指現場中的設備，不是指具體的位置[4]。

2）技術特點

FCS在工控化領域的技術特點主要有以下幾個方面：

①增強了現場信息的集成能力。FCS技術的應用和大力推廣，提高了工控領域在現場對被控對象的控制和協調能力，特別是用戶能夠通過現場的總線從被控設備中獲取大量極其具有價值的數據信息。

②具有開放性、互換性、可操作性等優勢。FCS跟DCS區別之一，就是它通信協議的對外開放性，其結果是有利于不同系統網絡之間的互聯，彼此能夠建立起通信機制。由于現場總線控制系統中的設備都具有相同標準的總線協議，這樣由現場總線控制的設備都具有了互換性和可操作性的特點，從而減少了用戶的備品備件，節省了設備的維護成本。

③具有可靠性高和可維護性好的特點。如果要確保整個系統能夠安全的運行，系統就要實時的對現場所有被控設備進行不停的檢測和診斷，且這種診斷方式必須是在線的模式。另外，系統在對生產現場設備進行遠程操作和監控期間，所有現場的控制參數都是預先設置好的，如果系統檢測到故障，馬上在線修改參數值，這充分體現了FCS可維護性的特點。

FCS技術從開始在工控領域推廣，尤其在石油化工行業應用之后，其逐步在世界工業大范圍得到應用和推廣。FCS現場總線控制技術在相關選礦企業中深入應用，對企業發展有重要的作用。FCS技術經過實踐證明，現場總線模式為工控領域控制系統帶來很多益處。尤其是在環境惡劣的場所，FCS充分發揮了其獨有的抗干擾能力強、數據傳輸快且準確無誤等技術特點。

部分行業核心技術特征

在各行業領域的中大型起重、搬運設備以及盾構機的單機自動化控制系統，該類設備實際運行工況中對低速大轉矩、帶負載電機動態自學習、多電機剛性同步、防搖擺等控制技術有著較高的要求，在國產變頻器產品進入港口起重及盾構機領域之前，該領域變頻器產品長期被安川、西門子、ABB、丹弗斯等國外品牌所壟斷。

中交天和（2021年盾構機產量全國第三）聯合研發成果“全斷面隧道掘進機主驅動高性能變頻器”經中國工程機械工業協會于2019年組織的專家委員會鑒定認為“項目整體技術達到國際先進水平，其中帶載低速動態自學習技術和帶負載觀測器的Droop主動控制技術達到國際領先水平，項目已取得具有自主知識產權的創新型成果，對于高性能變頻器的國產化及在我國全斷面隧道掘進機主驅動上的應用具有重要意義，市場前景廣闊”。

中鐵工程裝備（2021年盾構機產量全國第一）聯合研發成果“大型盾構機/TBM控制系統核心部件開發”經中國機械工業聯合會和中國機械工程學會于2021年聯合組織的專家委員會鑒定認為“項目核心部件創新性強，具有自主知識產權，總體技術達到國際先進水平”，其中由公司主導完成研發的變頻器部件經鑒定認為“采用定子磁鏈校正算法，提高了變頻器驅動電機零速輸出轉矩；研制出盾構/TBM專用變頻器，解決了動態負載突變條件下多電機同步的難題。

智能操控系統是在設備單機自動化基礎上，針對各行業各類中大型起重、輸送設備不同作業場景進行研究與分析，結合自身的技術儲備，開發出的“軟硬件一體化”產品，其技術核心在于結合特定工況需求對軟件系統構架的搭建、各構架層算法或軟件的開發、各類硬件的選型與布置、以及對軟硬件一體化的調試與融合。

如國產智能操控系統目前已規模化應用于港口、水泥等行業的起重、輸送設備，報告期內，公司持續進行產品升級與開發，成功完成港口門機、岸橋、堆取料機等機型的智能操控系統研發并實現市場規模化應用，其中“多門機協同作業智能控制系統”經中國港口協會組織的科技成果評價（中港協評字[2023]第007號），認為“已取得具有自主知識產權的創新性成果，整體技術達到國內領先水平，其中多門機協同作業智能控制的工程應用達到國際先進水平。港口門機作業自動化目前在國內尚處于起步階段，未來發展空間較大。”

（1）變頻器

①變頻器基本概念

變頻器是應用變頻技術與微電子技術，通過把電壓與頻率固定不可調的交流電（通常來自電網端）通過“整流—逆變”成電壓和頻率可變可調的交流電，以實現對機械設備上電機的轉速、轉矩進行控制，從而實現對機械設備整體運轉的調速控制。

變頻器通常由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動等單元組成。整流是指對電網輸入的三相不可調交流電進行整流，將交流電整流成直流電；濾波是通過對電路中所需頻率之外的電信號或諧波進行濾除，以獲得所需頻率段質量較高的電源；逆變是指將直流電轉化成為電壓和頻率可變可調的交流電；制動單元主要是對電機運行過程中由于減速或勢能下降所產生的再生電能進行及時消耗，避免由于返回電能過大導致變頻器直流電路電壓過高，從而產生損壞。

通常情況下，制動單元是通過在直流電路上直接并聯制動電阻，對電機再生發電返回的電能直接通過電阻轉化成熱能消耗掉。

變頻器產品根據電壓等級不同，可以分為低壓變頻器（690V以下）和中高壓變頻器，目前低壓變頻器占據市場的主導地位。根據中國工控網《2022年中國自動化市場白皮書》顯示，2021年度我國低壓變頻器市場占整個驅動系統產品市場規模的80.86%。

低壓變頻器根據驅動電機或電機組數量的不同可以分為單傳動變頻器和多傳動變頻器。

單傳動變頻器是指一個變頻器包含一個逆變器，同時只能驅動一個或一組電機，其工作原理與上圖“變頻器基本工作原理示意圖”一致，產品功率范圍涵蓋0.4kW至1,120kW。多傳動變頻器是指一個變頻器包含多個逆變器，同時能驅動多個或多組電機。

多傳動變頻器是針對各行業對節能減排、綠色發展的訴求推出節能型產品，主要應用定位于港口機械、盾構機等功率相對高、能耗相對大、且存在多電機組協同作業的設備或設備組。

多傳動變頻器通常由一個整流回饋單元連接并聯在直流線路上的多個逆變器，驅動多個或多組電機運行，產品功率范圍涵蓋5.5kW至2,400kW。

多傳動變頻器主要通過以下兩方面實現了電能的循環利用，達到節能降耗的目的：一方面，通過在直流電路并聯多個逆變器，可同步驅動多個或多組不同頻率運轉的電機，不同電機或電機組之間電能可以互相連通，使得處于發電狀態的電機所產生的再生電能可以直接用于驅動處于用電狀態的其他電機運轉；另一方面，電網端通過用“LCL濾波+IGBT整流”組合成的“整流回饋單元”代替了傳統的二極管整流，實現了電流的雙向高質量流通，即當所有電機整體處于再生發電狀態時，再生電能不再通過電阻轉化成熱能消耗掉，而是直接通過整流回饋單元返回至電網，從而實現電能的循環利用。

（2）行業專機

行業專機是根據不同行業客戶在具體應用場景中對設備自動化控制的驅控一體化、功能集成化、裝配空間集約化等一系列個性化需求，在變頻器的基礎上，添加各類行業專用控制器、傳感、安全保護等功能模塊或配件，并集成為一體形成專機形態。相較于單一變頻器，行業專機功能更加多元化，產品更加集約化，操作更加方便。

盡管專機產品根據不同客戶需求增加了其他功能模塊或配件，但其主要工作原理、技術特征及核心功能模塊仍與變頻器產品趨同，仍然是相對標準化產品，而非提供簡單的系統集成服務。

智能操控系統

（1）智能操控系統簡介

設備智能操控系統是公司通過對港口、水泥等行業各類大型起重、輸送設備不同作業場景進行研究與分析，在了解市場需求的基礎上，結合自身的技術儲備，開發出的“軟硬件一體化”產品，產品主要用于對各類大型起重、輸送設備群的遠程或自動化操控，以實現該類設備生產作業過程的自動化。

大型起重、輸送設備傳統的操控方式都是由人員在設備現場或設備上的司機室進行操控，該類設備現場工作環境中普遍存在噪聲、粉塵等因素，且受天氣寒熱影響大，因此傳統的操控方式普遍存在操控人員工作環境差、勞動強度高、對身體傷害大等特征，且工作效率受操控人員精神狀態、工作經驗、晝夜及氣候變化等因素影響，生產效率不穩定，同時安全性也得不到根本保障。

安裝了智能操控系統的設備，可以實現遠程操控或者完全自動化操控，相較于傳統的現場操控方式，大大改善了操控人員工作環境、減少職業健康危害，同時可以節省用工數量、降低操作出錯率、提高設備作業效率與作業質量。

智能操控系統屬于“軟硬件一體化”產品。硬件部分主要包括各類具備傳感、傳輸、控制、算力等功能的硬件或軟件載體，硬件部分除了變頻器以外，主要通過外采取得；軟件部分主要包括各類感知、決策、執行及交互類算法或軟件，根據不同行業設備的作業需求，結合硬件產品特性搭建軟件系統構架，并自主開發各構架層算法或軟件。

主要是根據客戶具體訴求，結合設備工況環境，自行設計技術方案，并根據方案對各類硬件進行選型、采購、現場安裝布置，同時于硬件中安裝程序或軟件，并完成軟硬件各項功能調試，形成軟硬件高度一體化融合的智能操控系統，操控設備實現自動化生產作業。

智能操控系統具備信息化程度高、軟硬件融合度好、功能全面、性能穩定等優勢。

智能操控系統的軟硬件整體架構一般可分為數據層、服務層、應用層和交互層四個層級：

①數據層是對基礎信息的采集，負責數據信息的生成、采集、優化及存儲。信息采集主要包括通過攝像儀、激光雷達、毫米波雷達、紅外熱像儀、位置標識卡、編碼器等各類數據采集與感知設備，完成對圖像、三維點云、位置等各類基礎信息的收集；以及通過建立客戶生產作業管理系統與公司智能操控系統之間的通信，實時獲取客戶的生產作業指令信息；

②服務層是對基礎信息的有效處理、傳輸與決策，實現生產作業指令的在智能操控系統各構架層之間的有效通信，以及完成作業指令的自動化執行。

服務層是智能操控系統的核心技術支撐，通過搭建系統構架、開發各層級軟件并對硬件進行安裝布置與集成，最終實現設備的自動化作業。底層通過自行開發點云3D重建、機器視覺、多模態融合感知、決策規劃等技術對數據層獲取的基礎信息進行解析，轉化成能被智能操控系統有效識別的信息；中層根據設備自動化作業的需求，利用解析后的基礎信息針對性開發出系統各功能子系統（如定位系統、引導與糾偏系統、作業對象識別系統、吊具防搖系統、安全防護系統等），并通過軟件系統形成決策指令；上層通過PLC通信程序建立智能操控系統與設備上單機自動化控制系統的通信，根據決策指令引導設備全自動完成作業，或者通過交互平臺的智能操控軟件進行人工遠程操控完成作業。

③應用層是智能操控系統所能實現的目標，即產品的最終具體應用。智能操控系統除能實現設備生產作業流程自動化外，可以衍生出設備管理、作業區域管理、數據統計與分析等多種應用功能。

④交互層是人機交互界面，提供用戶與系統的友好訪問與互動。交互層是智能操控系統的可視化界面與遠程操控平臺，傳統的設備操控交互層位于設備上的操作室，智能操控系統的交互層位于遠程的中控室。

自動化驅動產品與單機自動化

單機自動化即單臺設備的自動化控制，主要是通過設備自身的自動化控制系統帶動設備的各機械部件實現運轉，利用人工現場操控設備完成單臺設備的各項生產作業指令。設備單機自動化控制系統主要包括控制層、驅動層和執行層，而控制層與驅動層通過系統集成商進行集成組合形成電控系統，實際操控中，由人工通過設備上的人機聯動臺（即人機界面）輸入操控作業指令，指令通過電控系統轉化成頻率、電壓可調整的交流電輸出，從而控制執行層電機（也稱電動機或馬達）的轉動，最終帶動設備各機械單元按預期規劃運轉從而完成作業指令。

自動化驅動產品是單機自動化控制系統的核心組成部件，其對應單機自動化層級。

智能操控系統與生產作業自動化

智能操控系統是在設備單機實現自動化的基礎上，實現對設備群操控的遠程化或自動化，即實現多個設備生產作業過程的自動化。智能操控系統并不改變單機自動化控制系統的內部結構和控制路徑，而是在單機自動化控制系統的基礎上“做加法”。

智能操控系統可以替代人的感官、四肢及部分腦力分析與決策。主要是通過智能控制技術替代人工現場操控設備，使得設備或設備群在不需要人工干預的情況下按照既定操作指令與程序運轉，完成各項生產作業指令。

①智能操控系統對人的感官的替代

通過在設備外部及作業區加裝攝像儀、激光雷達、毫米波雷達、紅外熱像儀、位置標識卡、編碼器等各類數據采集與感知設備，并進行設備二次開發，主要用于代替人的感官對周邊環境數據進行采集。

②智能操控系統對人的大腦分析與決策的替代

通過搭建軟硬件系統構架，對各類具備傳輸、控制、算力等功能的硬件或軟件載體進行選型、采購、現場安裝布置，同時于硬件中安裝公司自主研發的各類決策、執行及交互類算法或軟件，形成具有分析與決策功能的“軟硬件一體化”智能系統，主要用于代替人的大腦對感官獲取的信息進行處理、分析與決策。

③智能操控系統對人的四肢操作的替代

通過建立智能操控系統與單機自動化控制系統間的通信程序，將決策指令自動傳送給單機自動化控制系統，并引導設備或設備群完成生產作業指令，主要用于代替人的四肢對操控手柄進行操控并完成生產作業。

智能操控系統能部分或全部替代人工的感官、四肢及部分腦力分析與決策活動，在不需要人工介入的情況下實現對各類大型起重、輸送設備群的遠程或自動化操控，完成生產作業，其對應生產作業自動化層級。（

管理系統軟件與生產管理自動化

管理系統軟件是在設備單機自動化以及作業流程自動化的基礎上，結合具體行業客戶對整個生產運營管理自動化的訴求，針對性開發的自動化與信息化軟件產品，旨在幫助客戶實現生產管理自動化。

自動化驅動產品生產工藝流程圖：

經過多年積累，行業擁有了電機矢量控制、整流回饋控制、帶負載電機動態自學習、同步控制、回轉平穩控制、防搖擺控制、回轉斷電平穩減速控制、起重機制動器失效保護等多個領域自主研發的核心技術，具備從技術成果向產品應用快速轉化的技術能力體系，包括底層軟件算法、技術設計能力、產品設計能力、產品創新優化能力等，從而促進產品迅速迭代并落地生產，有效滿足下游客戶對產品的各類需求。

2020年以來，交通運輸領域、建材工業、工程機械、高端制造、信息技術等行業領域一系列重要法律法規政策相繼出臺；交通運輸領域，新型基礎設施建設、立體交通網建設、現代綜合交通運輸體系發展等政策導向有力推動港口碼頭作業裝備自動化、集裝箱碼頭堆場自動化建設和自動化改造、碼頭起重設施遠程自動操控改造；建材工業領域，綠色低碳循環發展的產業體系目標指引下，建材產業結構調整取得明顯進展，能耗、碳排放強度下降等政策目標有力推動水泥、玻璃、陶瓷等行業生產方式的自動化、智能化、自動化變革；工程機械、高端制造、信息技術等領域，完善產業鏈、供應鏈及提高制造業數字化水平等政策導向有力支撐推動工業自動化相關領域發展。

工業自動化行業發展概覽

工業自動化產品是現代化工廠實現規模、高效、精準、智能、安全生產的重要前提和保證，應用十分廣泛，發展前景良好。進入21世紀以來，以人工智能、機器人技術、電子信息技術等為代表的第四次工業革命進一步整合機械和電子系統，工業自動化水平進一步提升，與之相應的工業自動化設備需求也不斷增長。

我國工業自動化行業雖然起步較晚，但發展勢頭強勁，尤其在制造業轉型升級的大背景下，我國傳統工業技術改造、工廠自動化和企業信息化均需要大量工業自動化控制系統，市場潛力巨大。中國工控網發布的數據顯示，2022年，我國工業自動化市場規模達到2,611億元，同比增長3.2%。伴隨供給側改革進一步深化，預計2023年市場規模將達到2,822億元。

近些年，我國政府制定的工業自動化控制產業政策對行業發展起到了積極地引導和支持作用，國產品牌憑借快速響應、成本、服務等本土化優勢不斷縮小與國際巨頭在產品性能、技術水平等方面的差距，市場份額自2009年的24.80%逐漸增長到2022年的43.70%，工控行業正進入一個國產品牌全面替代進口品牌的快速發展階段，國內廠商市場占有率將有望不斷提高。

隨著控制工程學、人機工程學、計算機軟件、嵌入式軟件、電力電子、機電一體化、網絡通訊等學科的不斷發展，現代工業自動化技術日益完善，基于信息化帶動工業化生產的理念，智能化、微型化、網絡化、平臺化、集成化將成為工業自動化技術發展的主要方向。

（2）變頻器行業發展狀況和發展趨勢

①變頻器行業市場規模

變頻器通過應用變頻技術與微電子技術達到調節電動機變頻調速、軟啟動、節能等功能，此外變頻器還能通過連接PLC進行更準確有效的控制，在工業自動化中發揮著重要作用。根據工作電壓，可分為中低壓與高壓變頻器，低于3KV的歸為中低壓變頻器（低于690V的為低壓變頻器），發行人自動化驅動產品屬于低壓變頻器。

根據中國工控網數據，2020-2022年，我國低壓變頻器市場規模分別達到236.0億元、283.0億元、290.0億元，同比增長分別為11.85%、19.92%、2.47%，2022年以來整體經濟出現恢復態勢，隨著投資穩定增長和出口訂單回流，整體低壓變頻器市場表現良好，預計2025年低壓變頻器市場規模將達到334.8億元。2016-2025年我國低壓變頻器市場規模及增速如下：

從下游應用領域來看，低壓變頻器涉及下游應用領域較廣，前五大應用領域包括起重機、電梯、紡織、冶金和電力領域，2021年前五大行業領域占比為43%。

A、港口、建機等應用在起重領域的低壓變頻器市場容量

根據中國工控網數據，2020-2022年，我國低壓變頻器市場規模分別達到236.0億元、283.0億元、290.0億元，預計2025年低壓變頻器市場規模將達到334.8億元，其中應用在起重領域的低壓變頻器市場占比9%。

假設應用在起重領域的低壓變頻器市場占比維持在9%，則2020-2022年，我國應用在起重領域的低壓變頻器市場規模分別達到21.24億元、25.47億元、26.10億元，預計2025年應用在起重領域的低壓變頻器市場規模將達到30.13億元，較2022年復合增長率為4.90%。

B、盾構機械低壓變頻器市場容量

根據中國工程機械工業協會掘進機械分會統計，自2018年以來，我國盾構機年生產總量一直穩定在600-700臺之間。按照每臺盾構機使用1臺套主驅動變頻器（鑒于盾構機其他輔助變頻器占比很小，暫不考慮）、每臺套主驅動變頻器單價按照武漢港迪技術2022年盾構專機產品平均單價63.55萬元測算，我國盾構機主驅動變頻器市場規模約為3.81億元至4.45億元之間。

目前盾構領域變頻器市場整體仍然由丹弗斯、ABB、施耐德等外資品牌占據主導地位，未來市場仍具備較好的國產替代空間。經過十余年的高速發展，城市軌道交通領域對盾構機產品銷售需求已趨于平穩。同時隨著基礎設施建設的發展，盾構機朝著機型多元化、智能化方向發展，應用領域逐漸也從主要應用于城市軌道交通領域拓展到水利水電排水廊建設、鐵路隧道工程、礦山隧道工程等場景，應用領域進一步拓展。總體來看，預計未來中國盾構機主驅動變頻器市場規模將保持總體穩定。

②變頻器行業發展趨勢

隨著用戶需求日趨多樣化，變頻器市場應用領域不斷擴大，同時越來越多的新型技術和材料被應用在變頻器研制中，變頻器產品也加快向智能化、定制化、集成化和節能化方向發展。

由于數字化轉型與智能制造的持續推進，變頻器作為智能制造的驅動單元，也正在邁向智能化。變頻器不僅能完成節能調速、轉矩控制、位置控制等驅動功能，也能夠對驅動設備振動、電流、速度、溫度等多維度數據在線監測，實現故障診斷、故障預警以及預測性維護等。隨著市場應用領域的不斷擴展，用戶需求更加多樣化。變頻器在不斷滿足功能和性能需求的同時，需要不斷適應用戶操作習慣，滿足安裝簡便、空間節省、多臺自動化設備融合兼容等需求。起重機械專用變頻器、電梯控制專用變頻器、空調專用變頻器等定制機型開始在細分機型種類中獲得客戶的認可和青睞。這些行業定制化變頻器不但可以提供適應性更好的控制策略，而且能降低設備的綜合成本。

隨著各行各業自動化應用的系統化與集成化越來越高，用戶對行業的整體解決方案的需求日益凸顯，變頻器作為工業自動化產品也朝著集成化方向發展。變頻器與PLC控制器、PID調節器和通信單元等集成在一起，組成高可靠性、多功能的一體化產品和系統解決方案。集成化的變頻器產品不僅可以精簡控制系統，還可降低成本并提高可擴展性，可滿足客戶更多復雜需求。

隨著可持續發展戰略深入各主要行業門類，工業生產中環保要求日益提高，變頻器運行產生的高次諧波對電網帶來的污染也逐漸被加以重視。采用低諧波技術、變頻調制方法等技術的變頻器也因此近年來開始誕生，該類型變頻器諧波污染小，功率因數高，工作的可靠性與安全性高。

A、港口、建機等應用在起重領域的低壓變頻器發展趨勢

起重領域為低壓變頻器最大應用領域之一。從發展趨勢來看，起重領域的低壓變頻器正在主要向智能化、定制化、集成化等方向發展。

智能化方面，起重領域變頻器逐漸從實現節能調速、轉矩控制、位置控制等驅動功能的基礎上，發展到能夠對起重電機振動、電流、速度、溫度等多維度數據監測以及對起重機溜鉤、沖頂、落地等外部運行狀態實現安全防護，實現智能化運行、智能化操作、安全運行。

定制化方面，隨著市場應用領域的不斷擴展，用戶需求更加多樣化，起重機械專用變頻器需要不斷適應用戶操作習慣，滿足安裝簡便、空間節省、多臺自動化設備融合兼容等需求，定制化程度預計進一步提高。

集成化方向，伴隨著提高運行效率及提高擴展性的設備運行需求，用戶對行業整體解決方案的需求日益凸顯，起重機械變頻器與控制器、調節器和通信單元等集成在一起可組成高可靠性、多功能的一體化產品和系統解決方案，朝著集成化方向發展。

B、盾構機械低壓變頻器發展趨勢

盾構領域屬于低壓變頻器細分應用領域，從發展趨勢來看，盾構機械特殊的機械架構、作業工況決定該領域變頻器發展趨勢主要為定制化、高可維護性等方向。

定制化方面，由于盾構施工的環境惡劣，高溫、高濕、多塵、振動不可避免，且不同地質結構導致施工環境差異較大，柜體防護、冷卻散熱、凝露預防、冷卻液泄露和刀盤脫困等功能與變頻調速功能需要結合具體盾構機械需要進行定制整合。

高可維護性方面，盾構工程施工空間有限，機械尺寸要求嚴格，施工環境密閉而且通常要求長時間不停機作業，這就要求盾構領域變頻器必須采用模塊化設計等方案提高可維護性，確保作業安全穩定運行。

（3）智慧港口行業發展現狀及前景

①智慧港口行業簡介

智慧港口是利用新一代信息技術，將港口運輸業務和管理創新深度融合，使港口更加集約、高效、便捷、安全、綠色，具有生產智能、管理智慧、服務柔性、保障有力等鮮明特征的現代港口運輸新業態。

智慧港口的設施配置主要涉及物流交通運輸基礎設施網絡、信息化基礎設施網絡以及港口運輸裝卸裝備。智慧港口建設模式既包括新建和改擴建自動化碼頭，也包括對碼頭現有設備進行自動化升級改造。智慧港口整體建設模式及全局技術架構圖如下：

②智慧港口行業發展現狀及技術水平

A.重要港口發力智慧港口建設

我國已成為世界第二大經濟體和第一大貿易國，我國港口建設也迎來快速發展。近年來，智能化程度已成為衡量港口競爭力的重要指標，在相關政策鼓勵支持下，各大港口緊抓數字經濟發展契機，積極推動智慧港口建設，引領港口智能化發展。

目前智慧港口建設可主要分為新建自動化碼頭、改擴建自動化碼頭、對現有碼頭設備進行自動化升級改造等模式，多個重要港口采取不同方式發力智慧港口建設。新建自動化碼頭、改擴建自動化碼頭方面，自2016年3月廈門遠海自動化碼頭建成以來，上海洋山港四期、青島港前灣一期二期、天津港五洲國際、深圳媽灣、日照石臼、天津港北疆C段等新建或改造的全自動化碼頭和堆場自動化碼頭相繼建成并投入運營。

深圳媽灣港是我國首個由傳統碼頭升級改造成的自動化碼頭，并于2021年11月正式開港。深圳媽灣港依托人工智能、5G、北斗導航等技術，將大型港口機械與智慧操作新技術結合，原海星碼頭4個泊位升級改造為全新的自動化集裝箱港區，與現有港區一體化運營，建成現代化智慧港口。

根據公開資料，我國已經全面掌握自動化集裝箱碼頭全鏈條關鍵技術，具備世界先進水平，并已走出國門助力以色列、阿聯酋建設自動化碼頭；截至2022年9月，我國已建成14座自動化集裝箱碼頭，另有10座自動化集裝箱碼頭在建。

對現有碼頭設備進行自動化升級改造方面，寧波舟山港近年來將智慧港口建設作為重要戰略任務，不斷提升港口自動化水平；2018年3月，建成全國首個5G港口基站；2019年4月，寧波舟山港實現5G+龍門吊起重機遠程控制等創新應用試驗；隨著大型設備逐步遠程化、智能化作業，寧波舟山港的自動化率已接近五成，作業鏈整體運作效率提升15%以上。

根據2022年交通運輸行業發展統計公報，截至2022年末我國港口萬噸級及以上泊位2,751個，其中沿海港口萬噸級及以上泊位2,300個，內河港口萬噸級及以上泊位451個；從用途結構看，專業化萬噸級及以上泊位1,468個，通用散貨萬噸級及以上泊位637個，通用件雜貨泊位434個。目前大量傳統集裝箱碼頭和散貨碼頭傳統的作業方式仍處于主流，在政策推動和重要港口智慧化建設帶動下，中小型港口和傳統碼頭智慧化建設將會進一步深化。

B.智慧港口底層技術日臻成熟

近年來，我國5G、物聯網、大數據及人工智能等領域的發展為港口的自動化、智慧化提供了底層技術支持。依托圖像識別技術對港口閘口、集裝箱編碼等進行識別，并依托自動化運輸技術、網絡層實現港口低延遲通信及高帶寬視頻傳輸，為智慧港口各個板塊的聯動發展提供基礎技術支持。

在底層技術的基礎上，結合各個港口的實際發展現狀和業態特征，以數據中臺為基礎集中融合物聯及互聯數據，搭建智能生產管理系統、設備控制系統和大型設備智能監測/操控系統等應用系統。結合港口內部前沿智能裝卸設備、堆場智能裝卸設備和水平智能裝卸設備，通過對應的前沿裝卸管理系統、堆場裝卸管理系統及車輛運輸管理系統的統籌實現港口從整體管理、監測、統籌控制全流程的智能化操作運營，從而提升港口生產運營效率、強化港口安全生產管理、實現港口綠色低碳目標。

C.各類港口機械遠程操控應用場景日益拓展

港口機械設備主要負責港口集裝箱的裝卸和搬運，包括岸邊集裝箱起重機（岸橋）、集裝箱龍門起重機（場橋）等。其中岸邊集裝箱起重機是港口碼頭用于從運輸船舶上裝卸集裝箱，而集裝箱龍門起重機則用于在港口碼頭或集裝箱堆場內堆放物料及運輸貨物。此外還涉及散貨裝卸機械設備，包括散貨作業中常用的門座式起重機，以及散貨裝船機、卸船機、堆料機、斗輪堆取料機等。

集裝箱裝卸設備、散貨裝卸機械設備是自動化碼頭新建或升級改造的核心設備。通過自動化控制改造后，司機在中控室即可觀看多路視頻進行操作，完成各類裝卸設備所有作業動作。例如單臺場橋遠程控制一般需要回傳多路監控視頻，對視頻傳輸帶寬需求要求較高，同時中控室與起重設備之間的通信對網絡時延要求也較高。隨著底層技術成熟及港口智慧化需求不斷挖掘，各類港口機械遠程操控應用場景日益拓展。

③智慧港口行業市場空間

我國智慧港口建設已從探索階段逐步走向成熟，各地智慧港口落地進程加快。

2022年1月，國務院《“十四五”現代綜合交通運輸體系發展規劃》提出推進大連港、天津港、青島港等港口既有集裝箱碼頭智能化改造，同時加快新一代自動化碼頭的建設。為響應《“十四五”現代綜合交通運輸體系發展規劃》的要求，全國沿海、沿江主要省市相應出臺智慧港口發展政策，我國智慧港口建設將迎來政策紅利期和快速發展期，智慧港口建設的市場規模也將逐步增大。

④智慧港口行業發展趨勢

由于智慧港口建設投資大、周期長、要素多，并面臨技術儲備、資本積累、創新能力、人力資源等不足的情況，智慧港口的內涵也在不斷豐富。我國智慧港口的發展將繼續圍繞物流供應鏈協同化、運營智能化等趨勢發展。

物流供應鏈協同化方面，港口充分利用處于物流供應鏈中心的優勢，在更高層面上整合與優化物流鏈資源，推進跨行業、跨部門、跨區域的物流鏈高效協同，提高港口全程物流服務核心競爭力；物理層面，港口進一步完善碼頭、堆場、倉庫、環保等基礎設施、支持保障系統和港口集疏運系統，建立便捷、安全、高效、可靠的港口全程物流服務體系；業務層面，圍繞以港口為核心樞紐的綜合物流體系，加強港口物流上下游資源整合與集成，促進港口全程物流鏈服務相關方業務協同與高效銜接；信息層面，打造互聯互通的智能云服務平臺，保障全程物流鏈開放、透明、高效，促進港口服務鏈中的物流、信息流、資金流高效運轉，為港口物流上下游客戶提供全方位價值鏈服務。

運營智能化方面，一方面，港口充分利用現代信息技術、控制算法技術、自動控制技術及智能化機械設備等，推進實現港口作業調度、平面運輸及堆場作業等全過程自動化、智能化，提升碼頭運作能力；另一方面，通過大數據智能分析技術、移動互聯網、云計算等手段應用，打通港口物流供應鏈的信息孤島，整合港口物流鏈信息資源，實現基于數據驅動的智能化運營服務，全面提升港口運營效率與生產力水平。

智慧港口集裝箱、散貨裝卸搬運設備自動化及半自動化智能操控系統及相關自動化驅動產品將順應智慧港口流供應鏈協同化、運營智能化總體發展趨勢，將繼續拓展在物流供應鏈協同中不同設備、不同系統中、不同信息平臺中的應用場景，以及提升支撐港口運營數字化、智能化方面產品功能。

水泥智能化發展現狀及前景

①水泥智能化發展現狀

水泥工業是國民經濟重要的基礎產業，是改善人居條件、治理生態環境和發展循環經濟的重要支撐。隨著經濟發展由高速增長階段向高質量發展的轉換，水泥行業的發展目前正處于新舊動能更迭的關鍵階段，自動化、智能化和信息化水平參差不齊，亟需采用貼合生產工藝機理的智能化和信息化技術，推動生產、管理和營銷模式從局部、粗放向全流程、精細化和綠色低碳發展方向變革，解決資源、能源與環境的約束問題，提高生產制造水平和效能，實現水泥行業高質量發展。

我國水泥行業智能化發展仍處于起步階段，不同層次企業自動化、智能化和信息化水平參差不齊，尤其是在水泥物料傳輸、水泥聯合儲庫進出料等工況復雜的生產環節智能化水平還有待提高。水泥行業存量市場大，近年來水泥行業的市場集中度較快提升，水泥企業降本、提效、增質的壓力大，水泥行業對數據開放、數據共享與應用比較積極等因素都促進了近年來工業智能化技術在水泥行業的較快應用。華潤水泥、安徽海螺集團有限責任公司、焦作千業水泥有限責任公司等一大批水泥龍頭企業也積極發力，紛紛利用工業智能化技術賦能水泥行業各大業務場景降本增效。

智能水泥工廠建設成為水泥產業智能化轉型的重要載體，涵蓋了智能控制、智能管理、智能物流、智能分析和智能服務等方面內容，通過生產過程的自動化控制、生產信息的數字化收集處理、全局的智能化協同等手段，使生產制造更加透明化，極大提高了水泥產品質量水平。

根據麥肯錫咨詢公司公開數據，智能化、數字化將是水泥工廠降本增效、節能減排的關鍵舉措，可以將每噸水泥的利潤提升3-6美元，讓工廠的成本曲線升至同等技術裝備工廠中排名前25%的水平。水泥行業智能化對水泥整個行業的生產效率和利潤的貢獻將會日益凸顯。

②水泥智能化主要應用場景

水泥行業的智能化正在穩步推進，主要應用場景在以下方向：生產流程自動化有助于提高生產效率。水泥行業具有無間斷的生產特性，一旦停機可能造成巨額經濟損失，通過機器視覺、AI檢測等技術手段，第一時間排除生產故障，保障生產的連續性。通過自動化系統，降低了生產系統操作難度，提升設備的可操作性，加快了生產節奏。

根據各自企業現有工藝情況量身制定完整、標準、自動控制的操作方式，減少操作員人為干預，避免了人力執行的不確定性，推動生產更加高效。例如傳統的水泥聯合儲庫存在進出料或庫存缺少準確統計、存儲空間利用率低、作業過程缺乏總體規劃、物料堆放隨意導致清庫難等問題，智能倉儲系統通過數字化、智能化手段，運用路徑規劃、多機構聯動調度技術把原來人為的主觀經驗變成自動化運行物料系統從而提高生產效率。

設備運行數字化有利于生產連續性和穩定性。水泥生產設備數量眾多，導致設備檢修工作量大、備品備件庫存壓力大。設備一旦發生突發故障，無法按計劃生產，不但會影響生產進度，也無法保證產品質量。提高設備可靠性、減少故障停機成為數字化生產的重要方向，通過數據分析可以提前進行預知性檢修和檢查，加快故障分析判斷進度，進而提升維修速度，有效保障水泥生產的連續性和穩定性。

水泥智能化有助于提升安全與環境管理水平。水泥生產的不安全因素較多，本公司人員安全防護，外來人員安全識別、行走路線、危險區域預警等都可通過數字系統進行及時有效的辨別。環境管理方面，強化環境污染的實時監測，通過機器視覺和AI分析，避免污染事件的發生；強化生產工藝管理，自動調節氨水、脫硫劑等輔助材料及添加，達到控制指標值，降低能源消耗，減少環境污染。

③水泥智能化市場空間

根據數字水泥網，近十年來伴隨水泥熟料產量增加，中國水泥行業碳排放量呈現增長趨勢，從2009年的9.71億噸逐步達到2020年的13.75億噸。在工業大類中水泥行業2020年排放的二氧化碳在我國排放總量占比僅次于鋼鐵行業。

水泥行業作為國內碳排放重要來源，水泥行業節能減排對實現碳達峰與碳中和的“雙碳”目標具有重要意義。國務院及各部委對水泥行業減排的重視程度日益提高，并提出了產能置換、智能化、綠色化改造升級等具體舉措。國家發改委《高耗能行業重點領域節能降碳改造升級實施指南（2022年版）》提出到2025年，水泥行業能效標桿水平以上的熟料產能比例達到30%，能效基準水平以下熟料產能基本清零，行業節能降碳效果顯著，綠色低碳發展能力大幅增強。工信部、發改委、生態環境部聯合印發《工業領域碳達峰實施方案》，推動水泥行業企業實施節能、節水、節材、減污、降碳等系統性清潔生產改造，助力行業綠色化轉型，到2025年水泥熟料單位產品綜合能耗水平下降3%以上。政策目標約束下，水泥熟料生產線向“小改大”“綠色化”“智能化”發展，逐步改造置換落后產能有望成為水泥行業未來發展趨勢。

根據全球最大的水泥技術裝備工程系統集成服務商中材國際（股票代碼：600970）公開披露信息顯示，我國目前在運行的水泥熟料生產線中運轉10年以上的線大概有1,400余條，均有著智能化改造的需求。

根據申萬宏源、中郵證券、開源證券等多家研究機構預測，2022年到2025年水泥行業完成智能化改造產線數量在500條至880條之間，單條水泥產線智能化改造成本在2,500萬元至4,300萬元之間。假設均按照保守估計到2025年完成500條水泥產線智能化改造，單條水泥產線智能化改造投資為2,500萬元，則2022-2025年國內水泥產線智能化改造潛在空間合計為125億元，國內水泥產線智能化改造年均市場規模為31.25億元。未來在“雙碳”政策約束下，水泥智能化、數字化改造景氣度有望保持高位，水泥行業智能化市場發展空間也將擴大。

④水泥智能化行業發展趨勢

我國水泥智能化行業已催生豐富的應用場景，如無人機巡檢、協同作業、遠程控制、設備安全運維、水泥庫裂紋檢測等。但是由于技術實施方面的困難，企業自身條件的限制等因素，水泥行業智能操控系統及應用大多數情況下并沒有實現較好的融合與集成，由此導致水泥行業的制造業要素難以實現全要素連接，企業經營決策難以實現精準數據驅動，生產和管理決策的智能化水平提升有限。

為了實現水泥行業雙碳環境下降本、增效、節能、降耗的政策強約束，水泥企業也必然加快實施覆蓋生產經營全環節、全流程綜合集成的智能操控系統應用，智能操控系統技術服務商也需要在全面洞悉水泥行業全產業鏈、全生命周期經營發展的基礎上，充分應用新一代信息技術助力賦能企業生產方式、管理模式、經營模式的加速變革。

起重機械行業發展狀況

起重機械主要包括橋式、門式起重機、流動式起重機、門座式起重機，也包括塔式起重機、升降機、纜索式起重機、桅桿式起重機、機械式停車設備。起重機械主要是在企業內部進行物料的裝卸、運輸、升降、分揀、堆垛、儲存和配送，有時還需要對物料進行計量、識別、跟蹤、管理和搬運加工，可以應用于社會生產、商品流通和日常生活的各個領域，是現代化工業生產不可或缺的重要工具。橋式、門式起重機應用領域較廣，以水泥行業為例，橋式、門式起重機可在生產、倉儲等環節于車間、倉庫和料場進行物料吊運作業。

橋式、門式起重機行業是資源和技術密集性行業，隨著行業不斷發展與成熟，智能化、專業化、系統化、綠色化、全生命周期服務成為行業發展趨勢。

據中國重型機械工業協會統計，2017-2021年，我國橋、門式起重機銷量持續穩定增長，從2017年的8.6萬臺增長到2021年11.69萬臺；2017-2021年我國橋、門式起重機銷售額為360億元、393億元、432億元、460億元及472億元。

建筑機械（工程機械）行業發展狀況

建筑機械（工程機械）指為城鄉建設、鐵路、公路、港口碼頭、農田水利、電力、冶金、礦山等各項基本建設工程服務的機械，主要有塔式起重機、汽車起重機、挖掘機、裝載機、推土機、鏟土運輸機械等，是裝備工業的重要組成部分。

工程機械行業內企業不斷發展創新和轉型升級，持續推出更加優質可靠、高效環保的工程機械，為滿足新的市場需求打下堅實基礎。近年來，得益于新基建熱潮，我國工程機械行業市場需求增加，市場規模持續增長。“十三五”期間，我國工程機械行業呈現出規模、效益、品牌價值、國際化、創新研發和智能制造等全面提升的局面，在高質量發展的道路上穩健前行。2017-2021年工程機械行業營業收入及同比增長情況如下：

根據中國工程機械工業協會建筑起重機械分會統計，2016-2021年塔式起重機銷量觸底進入上升周期，塔式起重機銷售數量由2016年的8,923臺上升到2021年60,691臺。2016-2021年塔式起重機銷量及同比增長情況如下：

隨著經濟改革升級、環保法規要求不斷提高，工程機械行業將不斷加快轉型升級進程，提升發展質量，從而產生更多市場需求。同時，行業替換周期到來以及出口市場逐步恢復等多重因素均會推動工程機械行業的快速發展。

港口機械行業發展狀況

港口機械指在港口用于貨物裝卸、堆碼、拆垛和搬運等作業的機械，主要包括港口起重機械、港口裝卸搬運機械、港口連續輸送機械、港口連續裝卸機械、其他港口機械等。目前我國大型港口機械的設計與制造技術達到世界先進水平，在全球港口機械市場中也占據了重要地位，主要生產企業有振華重工、三一集團、中聯重科等企業。

由于港口機械具備在固定場景下作業的特點，其自動化、智能化發展具備良好的應用場景支撐，隨著港口分揀、起重、運輸、倉儲等物流環節對效率和安全性需求的不斷提升，港口機械的自動化、智能化成為行業發展方向。

盾構機行業發展狀況

盾構機（全斷面隧道掘進機）根據應用地質層面的不同分為用于軟土地層或者富水地層施工的全斷面軟土隧道掘進機和用于巖石地層的全斷面硬巖隧道掘進機（TBM）。從下游應用來看，盾構機主要應用于城市軌道交通，并逐步向鐵路、水利水電、公路、礦山等領域拓展。伴隨著經濟發展和隧道施工需求的不斷提升，全斷面隧道掘進機的生產總量穩中有升。根據中國工程機械工業協會掘進機械分會統計，2012-2022年中國全斷面隧道掘進機年生產總量及同比變動情況統計如下：

全社會固定資產投資狀況

工程機械等機械設備市場需求與基礎設施建設等固定資產投資情況緊密相關。根據國家統計局發布數據，2020-2022年，全社會固定資產投資分別為52.73萬億元、55.29萬億元、57.96萬億元，分別比上年增長2.67%、4.85%、4.83%，固定資產投資維持穩健增長，其中2022年基礎設施投資同比增長9.40%，出現較為明顯恢復態勢。2015-2022年全社會固定資產投資及同比變動情況如下：

②港口行業發展狀況

近年來，我國港口行業保持健康穩定發展態勢，2020年港口行業業績情況受全球供應鏈沖擊影響有所下挫，但2021年以來港口行業業績指標快速復蘇，港口行業業績穩健態勢為港口機械及港口智能化機械提供下游需求支撐。2015-2022年港口行業主要業績指標及同比增長情況如下：

我國港口規模位居世界首位，根據中國交通運輸部的數據，2022年我國港口貨物吞吐量為156.85億噸，其中外貿貨物吞吐量46.07億噸，集裝箱吞吐量2.96億標準箱，2015-2022年港口貨物吞吐量、外貿貨物吞吐量、集裝箱吞吐量復合增長率分別為3.00%、3.33%、4.88%，龐大的港口貨物吞吐量促使港口機械行業不斷發展。隨著我國經濟的持續增長，進出口貿易規模保持增長，港口貨物吞吐量的上升推動了我國港口建設的穩定發展，結合存量港口機械替換需求以及智能化升級改造需要，港口機械中長期需求相對穩定。

水泥行業發展狀況

自1985年以來，中國水泥產量一直穩居世界第一，充足的供應保障我國地產、基建領域建設，有力地推動經濟發展。2011-2022年全國水泥產量在20億-25億噸之間波動，近年來供給側結構性改革政策推動水泥行業可持續發展。在高質量發展以及低碳節能等行業政策導向推動下，作為下游行業之一，水泥行業對橋式、門式起重機等作業設備智能化、節能化需求將進一步得到釋放。

軌道交通行業發展狀況

根據中國城市軌道交通協會《城市軌道交通2022年度統計和分析報告》，截至2022年底，我國共有55個城市開通城市軌道交通運營線路308條，運營線路總長度10,287.45公里。其中，地鐵運營線路8,008.17公里，占比77.84%；其他制式城市軌道交通運營線路2,279.28公里，占比22.16%。2022年新增運營線路長度1,080.63公里。截至2022年底，扣除統計期末已建成投運的城市軌道交通建設規劃線路以及已調整的項目后，2022年底仍有城市軌道交通建設規劃項目并在實施的城市共計50個，在實施的建設規劃線路總長6,675.57公里，其中，地鐵4,407.20公里，占比66.02%。隨著城市軌道交通尤其是地鐵等基礎設施建設的發展，以及隧道工程現場少人化、自動化的要求，盾構機市場需求預計將持續釋放，盾構機市場亦將出現智能化、多元化發展趨勢，超大斷面掘進機、小斷面掘進機、異形掘進機、硬巖掘進機、豎井掘進機等機型數量會增多。

行業競爭狀況

（1）變頻器行業競爭狀況

變頻器市場格局中，以ABB、西門子和施耐德等為主要代表廠家的歐美系品牌擅長生產制造大型自動化系統所用的變頻器產品，以三菱電機、安川電機和富士電機等為主要代表廠家的日韓系品牌則在小型自動化系統變頻器產品中更具優勢。由于多年來持續的研發投入，國產變頻器廠家逐步掌握和積累產品技術，并在產品性能、可靠性、銷售服務、成本控制等方面逐漸顯現優勢，市場占有率逐步擴大。目前在低壓變頻器市場形成了以歐美品牌、日韓系品牌和本土品牌為主的三大品牌格局。2022年，歐美系、日韓系、國產品牌的市占率分別為51.00%、10.60%、38.40%，具體如下：

根據中國工控網統計，2022年國內低壓變頻器（不含風電）前10強企業中，外資企業占據了7席，合計市場占有率為56.90%，其中ABB、西門子占據了第一、第三；國產品牌主要是匯川技術、臺達電子、英威騰分別以18.60%、5.60%、5.30%的市場占有率進入了前十，其中匯川技術位居第二。

（2）智慧港口競爭格局

智慧港口是復雜的系統工程，具備覆蓋對象廣、技術選型多、業務應用復雜、關聯軟硬件產品多的特點，同時要求高標準的安全性、開放性、實用性。智慧港口業務涵義廣，主要包括智慧口岸、智慧物流、智慧港區、智慧商務、智慧運營、智慧創新等業務；技術應用主要包括5G通信技術、物聯網技術、人工智能、大數據、云計算、設備智能診斷、機器視覺與自主控制等；涵蓋產品類型多，既包括支撐智慧港口建設的信息技術基礎設施，如數據中心、云平臺等，也包括各類型的智慧港口設備，如自動化岸橋等，還包括各類支撐智慧港口運行的軟件系統，如智能生產管理系統、設備控制系統和大型設備智能監測/操控系統等。正由于新興的智慧港口業務場景復雜，產品類型繁多，目前還沒有廠商能夠領域壟斷該市場，廠商往往根據自身的業務稟賦優勢耕耘市場。

（3）水泥智能化競爭格局

我國目前水泥行業的發展現狀來看，目前水泥行業智能化一方面涵蓋操作過程控制、質量控制、生產管理控制等工業生產領域智能化，另一方面涵蓋采購、銷售、流通等水泥工廠運營方面的智能化，涉及智能化具體實現環節數量較多。近年來，伴隨著水泥行業自動化、數字化、智能化轉型的加快，水泥行業智能化廠商已逐漸從工程系統集成、工業軟件平臺、設備智能化解決方案等方面切入細分領域，但由于水泥智能化應用場景復雜，涉及流程繁多，業內廠商通常在細分領域市場發揮自身的業務優勢。

審核編輯：湯梓紅