一文详解变频器和PLC/PCA系统

技术前沿：工业自动化——变频器和PLC/PCA系统

工业自动化根据自动化层级递进顺序主要可分为设备单机自动化、设备生产作业过程自动化和企业生产管理自动化。其中自动化驱动产品是实现设备单机自动化的核心部件；智能操控系统是在设备单机自动化的基础上，实现设备生产作业过程的自动化，即设备操控的远程化或自动化。

在自动化驱动领域，变频器涉及电力电子、计算机、自动控制、运动控制、电机、传感器等多项学科领域，无论在理论上还是设计及制造工艺上，都需要较高的技术水平和经验积累，行业需要在软件、硬件、结构、电磁兼容、安规设计等方面具备较高理论素养和较高实践水平、经验丰富的技术人才。

在设备智能操控系统领域，涵盖图像处理、点云数字分析、算法、AI识别等多领域技术，这些技术应用到工业领域存在着较高的门槛，以智慧港口、水泥智能化应用为例，业内企业需要将物联网、人工智能、大数据等新一代信息技术更加深入的融合应用于相关的企业生产运营管理系统中，才能逐渐实现企业的自动化、智能化、智慧化运营目标。这对于企业技术人员的专业素质要求较高，他们不仅需要精通工业智能化技术应用，还需要深谙企业业务最佳实践及行业痛点，新进入企业难以在短期内培养出一批具备技术开发实力并拥有深厚行业实践经验储备的专业技术队伍。

自动化驱动产品一般包含变频器和行业专机。变频器是设备内部单机自动化控制系统中，应用最为广泛的核心驱动产品之一，变频器主要是通过调节电流频率控制电机的转速与转矩，实现对各行业各类设备的机械传动控制；行业专机是在变频器的基础上，根据各行业具体应用场景需求，添加行业专用控制器、传感、安全保护等功能模块或配件，并集成为一体形成专机形态，其主要工作原理、技术特征及核心功能模块仍与变频器产品趋同。

变频器

变频器是一种静止的频率变换器，可将电网电源的50Hz频率交流电变成频率可调的交流电，作为电动机的电源装置，目前在国内外使用广泛。使用变频器可以节能、提高产品质量和劳动生产率等。

变频器组成原理和变频器的基本结构

调速用变频器构成：主电路、控制电路、保护电路

变频器主电路工作原理

变压变频装置结构框图

按照不同的控制方式，交—直—交变频器可分成以下三种方式：

采用可控整流器调压、逆变器调频的控制方式，其结构框图。

可控整流器调压、逆变器调频的控制方式的特点：

在这种装置中，调压和调频在两个环节上分别进行，在控制电路上协调配合，结构简单，控制方便。但是，由于输入环节采用晶闸管可控整流器，当电压调得较低时，电网端功率因数较低。

而输出环节多用由晶闸管组成多拍逆变器，每周换相六次，输出的谐波较大，因此这类控制方式现在用的较少。

采用不控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器调频的控制方式，其结构框图。

不控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器调频的控制方式的特点：

整流环节采用二极管不控整流器，只整流不调压，再单独设置斩波器，用脉宽调压，这种方法克服功率因数较低的缺点；但输出逆变环节未变，仍有谐波较大的缺点；

采用不控制整流器整流、脉宽调制（PWM）逆变器同时调压调频的控制方式，其结构框图。

不控制整流器整流、脉宽调制（PWM）逆变器同时调压调频的控制方式的特点：

在这类装置中，用不控整流，则输入功率因数不变；用（PWM）逆变，则输出谐波可以减小。PWM逆变器需要全控型电力半导体器件，其输出谐波减少的程度取决于PWM的开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制。

采用绝缘双极型晶体管IGBT时，开关频率可达10kHz以上，输出波形已经非常逼近正弦波，因而又称为SPWM逆变器，成为当前最有发展前途的一种装置形式。

电压型变频器结构框图：

电压型变频器：

在交—直—交变频器中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这类变频器叫做电压型变频器。

电流型变频器结构框图：

电流型变频器：

当交—直—交变频器的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说基本上是一个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频器叫做电流型变频器。

交—直—交变频器主电路

①交—直—交电压型变频电路

常用的交—直—交电压型PWM变频电路。

交—直—交电压型PWM变频电路采用二极管构成整流器，完成交流到直流的变换，其输出直流电压Ud是不可控的；中间直流环节用大电容C滤波；电力晶体管V1～V6构成PWM逆变器，完成直流到交流的变换，并能实现输出频率和电压的同时调节，VD1～VD6是电压型逆变器所需的反馈二极管。

②交—直—交电流型变频电路

常用的交—直—交电流型变频电路。

交—直—交电流型变频电路：整流器采用晶闸管构成的可控整流电路，完成交流到直流的变换，输出可控的直流电压U，实现调压功能；中间直流环节用大电感L滤波；逆变器采用晶闸管构成的串联二极管式电流型逆变电路，完成直流到交流的变换，并实现输出频率的调节。

③交—直—交电压型变频器与电流型变频器的性能比较；

绝缘门极晶体管（IGBT）

IGBT的结构和基本工作原理

绝缘门极晶体管IGBT也称绝缘栅极双极型晶体管，是一种新发展起来的复合型电力电子器件。

由于它结合了MOSFET和GTR的特点，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又具有输入通态电压低，耐压高和承受电流大的优点，这些都使IGBT比GTR有更大的吸引力。

在变频器驱动电机，中频和开关电源以及要求快速、低损耗的领域，IGBT有着主导地位。

1.IGBT的基本结构与工作原理

1）基本结构

IGBT也是三端器件，三个极为漏极（D）、栅极（G）和源极（S）。

（a)内部结构（b）简化等效电路（c）电气图形符号

2）工作原理

IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，它是一种压控型器件。

开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的，当UGE为正且大于开启电压UGE（th）时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流使其导通。

当栅极与发射极之间加反向电压或不加电压时，MOSFET内的沟道消失，晶体管无基极电流，IGBT关断。

2.IGBT的基本特性与主要参数

IGBT的转移特性和输出特性

（a)转移特性（b)输出特性

1）IGBT的基本特性

①静态特性

IGBT的转移特性，它描述的是集电极电流IC与栅射电压UGE之间的关系，与功率MOSFET的转移特性相似。

开启电压UGE（th）是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。

UGE（th）随温度升高而略有下降，温度升高1ºC，其值下降5mV左右。在+25ºC时，UGE（th）的值一般为2~6V。

IGBT的输出特性，也称伏安特性，它描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电流IC与集射极间电压UCE之间的关系。

IGBT的开关过程

2）主要参数

①集电极—发射极额定电压UCES

②栅极—发射极额定电压UGES

③额定集电极电流IC

3.IGBT的擎住效应和安全工作区

从IGBT的结构可以发现，IGBT电流可能发生失控的现象，就像普通晶闸管被触发以后，即使撤消触发信号晶闸管仍然因进入正反馈过程而维持导通的机理一样，因此被称为擎住效应或自锁效应。

引发擎住效应的原因，可能是集电极电流过大（静态擎住效应），也可能是最大允许电压上升率duCE/dt过大（动态擎住效应），温度升高也会加重发生擎住效应的危险。

动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小，因此所允许的最大集电极电流实际上是根据动态擎住效应而确定的。

根据最大集电极电流、最大集电极间电压和最大集电极功耗可以确定IGBT在导通工作状态的参数极限范围；根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率可以确定IGBT在阻断工作状态下的参数极限范围，即反向偏置安全工作电压（RBSOA）

IGBT的驱动电路

（1)对驱动电路的要求

①IGBT是电压驱动的，具有一个2.5~5.0V的阀值电压，有一个容性输入阻抗，因此IGBT对栅极电荷非常敏感，故驱动电路必须很可靠，保证有一条低阻抗值的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽量短。

②用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压UCE有足够陡的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外，IGBT开通后，栅极驱动源应能提供足够的功率，使IGBT不退出饱和而损坏。

③驱动电路中的正偏压应为+12~+15V，负偏压应为-2~-10V。

④IGBT多用于高压场合，故驱动电路应整个控制电路在电位上严格隔离。

⑤驱动电路应尽可能简单实用，具有对IGBT的自保护功能，并有较强的抗干扰能力。

⑥若为大电感负载，IGBT的关断时间不宜过短，以限制di/dt所形成的尖峰电压，保证IGBT的安全。

（2)驱动电路

因为IGBT的输入特性几乎与MOSFET相同，所以用于MOSFET的驱动电路同样可以用于IGBT。

在用于驱动电动机的逆变器电路中，为使IGBT能够稳定工作，要求IGBT的驱动电路采用正负偏压双电源的工作方式。

为了使驱动电路与信号电隔离，应采用抗噪声能力强，信号传输时间端的光耦合器件。

基极和发射极的引线应尽量短，基极驱动电路的输入线应为绞合线

为抑制输入信号的振荡现象，基极和发射极并联一阻尼网络。

驱动电路的输出级采用互补电路的形式以降低驱动源的内阻，同时加速IGBT的关断过程。

IGBT基极驱动电路

（a）阻尼滤波（b)光电隔离

（3)集成化驱动电路

IGBT有与其配套的集成驱动电路。

这些专用驱动电路抗干扰能力强，集成化程度高，速度快，保护功能完善，可实现IGBT的最优驱动。

IGBT的保护电路

因为IGBT保护主要是栅源过电压保护、静电保护、采用R-C-VD缓冲电路等等。

在IGBT电控系统中设置过压、欠压、过流和过热保护单元，以保证安全可靠工作。

必须保证IGBT不发生擎住效应；具体做法是，实际中IGBT使用的最大电流不超过其额定电流。

1）缓冲电路

几种用于IGBT桥臂的典型缓冲电路。

（a)（b)（c)

a)图是最简单的单电容电路，适用于50A以下的小容量IGBT模块，由于电路无阻尼组件，易产生LC振荡，故应选择无感电容或串入阻尼电阻RS；

b)图是将RCD缓冲电路用于双桥臂的IGBT模块上，适用于200A以下的中等容量IGBT；

c)图中，将两个RCD缓冲电路分别用在两个桥臂上，该电路将电容上过冲的能量部分送回电源，因此损耗较小，广泛应用于200A以上的大容量IGBT。

（2）IGBT的保护

过电流保护措施主要是检测出过电流信号后迅速切断栅极控制信号来关断IGBT。

实际使用中，要求在检测到过电流后，通过控制电路产生负的栅极驱动信号来关断IGBT。只要IGBT的额定参数选择合理，10内的过电流一般不会使之损坏。

采用集电极电压识别方法的过流保护电路。

集电极电压识别方法的过流保护电路

为了避免IGBT过电流的时间超过允许的短路过电流时间，保护电路应当采用快速光耦合器等快速传送组件及电路。

检测发射极电流过流的保护电路。

智能操控系统

智能操控系统是在设备单机实现自动化的基础上，实现对设备群操控的远程化或自动化，即实现设备生产作业过程的自动化。设备现场工作环境普遍存在操控人员工作环境差、劳动强度高、对身体伤害大等特征，且工作效率受操控人员精神状态、工作经验、昼夜及气候变化等因素影响，生产效率不稳定，同时安全性也得不到根本保障，智能操控系统实现了该类设备操控的远程化与自动化，将操控人员工作场所由设备上的“操作岗位”变成了远程的“中控室”，将传统的一人现场操控一台设备改变成一人远程监控或操控多台设备，改善了操控人员工作环境、减少职业健康危害，同时通过系统操控设备自动化作业可以节省用工数量、降低人工操作出错率、提高设备作业效率与作业质量。

PLC/PAC系统技术

1）PLC技术

（1）基本概念和结构组成。

PLC就是常说的可编程控制器（programmablelogiccontroller），最早出现的时间可以追溯到19世纪末。PLC发展到今天已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品[1]。除逻辑控制外，PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

PLC的基本结构包括电源、中央处理单元、存储器、输入单元、输出单元等。

①电源：用于将交流电转换成PLC内部所需的直流电。

②中央处理单元：中央处理器(CPU)是PLC的控制中枢，也是PLC的核心部件，其性能决定了PLC的性能，中央处理器的作用是处理和运行用户程序，进行逻辑和数学运算，控制整个系统使之协调。

③存储器：存储器是具有记忆功能的半导体电路，它的作用是存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其他信息。

④输入单元：输入单元是PLC与被控设备相连的输入接口，是信号进入PLC的桥梁，它的作用是接收主令元件、检测元件传来的信号。

⑤输出单元：输出单元也是PLC与被控设备之间的连接部件，它的作用是把PLC的输出信号传送给被控设备，即将中央处理器送出的弱电信号转换成电平信号，驱动被控设备的执行元件。输出的类型有继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出3种类型。

（2）工作原理和应用。

PLC的工作原理包含3个阶段的内容，即输入采样、用户程序执行、系统输出刷新阶段如图1所示。在输入样阶段中，利用扫描方式对采样数据进行读取，数据存储在输入映像寄存器，在完成数据的输入流程后，会继续转入用户程序中开展下一步的执行输出。对于程序执行阶段，PLC控制器在对用户程序做扫描处理的过程中，始终遵循自上而下的原则，同时在规定的顺序指导下完成核算作业，核算同样也需要按照自上而下的原则。当用户程序执行结束后，PLC控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外部设备。

PLC技术具有诸多优点：具有较强的可靠性和抗干扰能力、通用性强，控制程序可变、功能强，适用面较广、编程简单，上手难度低、降低控制系统设计和施工的工作强度并且体积和重量具有明显优势。

PLC技术在电气设备自动化控制系统中的应用有以下几个方面：

①PLC技术在控制模拟量中的应用。在实际的工业生产中存在例如温度、流速、压强、液位等连续变化的模拟量，应用PLC技术能够实现模拟量与数字量进行互相转换，即A/D和D/A转换，使模拟量可以转换成能够被记录和追踪的数字量，这样一来就能够控制模拟量，同时PLC对模拟量也可以进行监控。

②PLC技术在开关量控制中的应用。PLC技术在控制系统中不断实践和应用的整个过程，关键是利用编程存储器代替继电器，从而实现对机械设备的控制。

③PLC技术在闭环控制系统中的应用。将PLC技术应用于电机启动系统闭环控制中，能够实现系统的自动化甚至智能化控制，不仅控制效率得到了提升，而且还更好的保障了闭环控制系统的稳定性。

2）PAC技术

（1）基本概念。PAC（可编程化自动控制器，programmableautomationcontroller）的概念定义为：控制引擎的集中，涵盖PLC用户的多种需要，以及制造业厂商对信息的需求。PAC包括PLC的主要功能和扩大的控制能力，以及PC-based控制中基于对象的、开放数据格式和网络连接等功能。从技术层面分析，PAC是一种总线型分布式控制系统，PAC系统总线技术作为工业现场的一种通信方式，具有传输速度快、数据量大、易于扩展安装和维护等优点。

（2）技术特点。PAC的技术特点：PAC结合了PC的处理器、内存及软件，并且拥有PLC的稳定性、坚固性和分布式本质，PAC采取开放式结构，使用COTS（commercialoftheshelt），也就是它是选用市面上已经成熟可用的产品组合成PAC平台。它具有如下优势：

①提高生产率和操作效率。一个通用轻便控制引擎和综合工程开发平台允许快速地开发、实施和迁移；且由于它的开放性和灵活性，确保了控制、操作、企业级业务系统的无缝集成，优化了工厂流程。

②降低操作成本。使用通用、标准架构和网络，降低了操作成本，让工程师们能为一个体现成本效益、使用现货供应的平台选择不同系统部件，而不是专有产品和技术。

③使用户对其控制系统拥有更多控制力，使用户拥有更多灵活性来选择适合每种特殊应用的硬件和编程语言，以他们自己的时间表来规划升级，并且可在任何地方设计、制造产品。

3）PAC与PLC的主要区别

①PAC的性能是基于它的轻便控制引擎和标准、通用、开放的实时操作系统、嵌入式硬件系统设计以及背板总线。

②PAC采用通用的实时操作系统，采用标准、通用的嵌入式硬件系统结构设计，其处理器可以使用高性能CPU。

③PAC系统的编程软件为同一平台，包括逻辑控制、运动控制、过程控制和人机界面等各功能。

综上所述，高新技术快速发展的背景下，PLC技术应运而生并实现了广泛的应用。将先进的PLC技术应用于电气工程自动化控制领域，解决了传统技术存在的诸多的不足。同时新一代控制系统PAC已经在我国机械、冶金、化工、水处理、交通等行业的自动化控制中得到了应用，效果良好。

DCS系统技术

1）基本概念

DCS是集散控制系统（distributedcontrolsystem）的简称，也可直译为分散控制系统或分布式计算机控制系统。它是相对于集中式控制系统而言的一种计算机控制系统，综合了计算机，通信、显示和控制等技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。

DCS控制系统是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术相互发展渗透而产生的。它既不同于分散的仪表控制系统，又有别于集中式计算机控制系统，而是在吸收了两者的基础上发展完善起来的一门系统控制技术。

2）结构组成

DCS的结构是一个分布式系统，从整体逻辑结构上讲，是一个分支树结构。其纵向结构分为过程控制级、控制管理级和生产管理级三级递阶结构。整个系统由3部分组成，即集中管理部分、分散控制检测部分和网络通信部分。系统结构图如图2所示。

（1）集中管理部分。集中管理部分包括工程师站、操作员站和上位机。

①工程师站：负责系统的管理、控制组态、系统生成与下装；

②操作员站：人机接口，由PC系统负责生产工艺的控制、过程状态显示、报警状态显示、实时数据和历史数据的显示打印等。

③上位机：即管理计算机，它实现生产调度管理、优化及计算、生产经营管理与分析决策等层次的管理和计算。

（2）分散控制部分。

分散控制部分的功能是：

①现场检测模拟量、数字量和脉冲量的输入输出并进行转换处理；

②各种控制回路的运算；

③控制运算结果的直接输出。

（3）网络通信部分。

网络通信部分包括局域网和控制网络以及网络间的接口网关设备，可实现各种功能站之间的数据、指令的通信传输。

3）特点及应用

DCS控制系统是采用标准化、模块化和系列化设计，由过程控制级、控制管理级和生产管理级所组成的一个以通信网络为纽带的集中显示操作管理，控制相对分散，具有灵活配置、组态方便的多级计算机网络系统结构。

随着DCS的性能提高、功能增强、价格下降、产品系列增多，其市场销售量逐年增长。据统计，我国化工和石化企业应用DCS最为普遍，有100%的大型乙炔厂，95%的大型氨厂都安装了DCS控制系统尤其是所有新建的化工装置，不论规模大小，都无一例外地采用了DCS控制系统。

3.FCS过程控制系统技术

1）基本概念

FCS（fieldbuscontrolsystem，现场总线控制系统）是一种基于DCS/PLC发展起来的新技术，实现了从控制室到现场设备的双向串行数字通信总线连接，FCS中的“现场”更多的是指现场中的设备，不是指具体的位置[4]。

2）技术特点

FCS在工控化领域的技术特点主要有以下几个方面：

①增强了现场信息的集成能力。FCS技术的应用和大力推广，提高了工控领域在现场对被控对象的控制和协调能力，特别是用户能够通过现场的总线从被控设备中获取大量极其具有价值的数据信息。

②具有开放性、互换性、可操作性等优势。FCS跟DCS区别之一，就是它通信协议的对外开放性，其结果是有利于不同系统网络之间的互联，彼此能够建立起通信机制。由于现场总线控制系统中的设备都具有相同标准的总线协议，这样由现场总线控制的设备都具有了互换性和可操作性的特点，从而减少了用户的备品备件，节省了设备的维护成本。

③具有可靠性高和可维护性好的特点。如果要确保整个系统能够安全的运行，系统就要实时的对现场所有被控设备进行不停的检测和诊断，且这种诊断方式必须是在线的模式。另外，系统在对生产现场设备进行远程操作和监控期间，所有现场的控制参数都是预先设置好的，如果系统检测到故障，马上在线修改参数值，这充分体现了FCS可维护性的特点。

FCS技术从开始在工控领域推广，尤其在石油化工行业应用之后，其逐步在世界工业大范围得到应用和推广。FCS现场总线控制技术在相关选矿企业中深入应用，对企业发展有重要的作用。FCS技术经过实践证明，现场总线模式为工控领域控制系统带来很多益处。尤其是在环境恶劣的场所，FCS充分发挥了其独有的抗干扰能力强、数据传输快且准确无误等技术特点。

部分行业核心技术特征

在各行业领域的中大型起重、搬运设备以及盾构机的单机自动化控制系统，该类设备实际运行工况中对低速大转矩、带负载电机动态自学习、多电机刚性同步、防摇摆等控制技术有着较高的要求，在国产变频器产品进入港口起重及盾构机领域之前，该领域变频器产品长期被安川、西门子、ABB、丹弗斯等国外品牌所垄断。

中交天和（2021年盾构机产量全国第三）联合研发成果“全断面隧道掘进机主驱动高性能变频器”经中国工程机械工业协会于2019年组织的专家委员会鉴定认为“项目整体技术达到国际先进水平，其中带载低速动态自学习技术和带负载观测器的Droop主动控制技术达到国际领先水平，项目已取得具有自主知识产权的创新型成果，对于高性能变频器的国产化及在我国全断面隧道掘进机主驱动上的应用具有重要意义，市场前景广阔”。

中铁工程装备（2021年盾构机产量全国第一）联合研发成果“大型盾构机/TBM控制系统核心部件开发”经中国机械工业联合会和中国机械工程学会于2021年联合组织的专家委员会鉴定认为“项目核心部件创新性强，具有自主知识产权，总体技术达到国际先进水平”，其中由公司主导完成研发的变频器部件经鉴定认为“采用定子磁链校正算法，提高了变频器驱动电机零速输出转矩；研制出盾构/TBM专用变频器，解决了动态负载突变条件下多电机同步的难题。

智能操控系统是在设备单机自动化基础上，针对各行业各类中大型起重、输送设备不同作业场景进行研究与分析，结合自身的技术储备，开发出的“软硬件一体化”产品，其技术核心在于结合特定工况需求对软件系统构架的搭建、各构架层算法或软件的开发、各类硬件的选型与布置、以及对软硬件一体化的调试与融合。

如国产智能操控系统目前已规模化应用于港口、水泥等行业的起重、输送设备，报告期内，公司持续进行产品升级与开发，成功完成港口门机、岸桥、堆取料机等机型的智能操控系统研发并实现市场规模化应用，其中“多门机协同作业智能控制系统”经中国港口协会组织的科技成果评价（中港协评字[2023]第007号），认为“已取得具有自主知识产权的创新性成果，整体技术达到国内领先水平，其中多门机协同作业智能控制的工程应用达到国际先进水平。港口门机作业自动化目前在国内尚处于起步阶段，未来发展空间较大。”

（1）变频器

①变频器基本概念

变频器是应用变频技术与微电子技术，通过把电压与频率固定不可调的交流电（通常来自电网端）通过“整流—逆变”成电压和频率可变可调的交流电，以实现对机械设备上电机的转速、转矩进行控制，从而实现对机械设备整体运转的调速控制。

变频器通常由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动等单元组成。整流是指对电网输入的三相不可调交流电进行整流，将交流电整流成直流电；滤波是通过对电路中所需频率之外的电信号或谐波进行滤除，以获得所需频率段质量较高的电源；逆变是指将直流电转化成为电压和频率可变可调的交流电；制动单元主要是对电机运行过程中由于减速或势能下降所产生的再生电能进行及时消耗，避免由于返回电能过大导致变频器直流电路电压过高，从而产生损坏。

通常情况下，制动单元是通过在直流电路上直接并联制动电阻，对电机再生发电返回的电能直接通过电阻转化成热能消耗掉。

变频器产品根据电压等级不同，可以分为低压变频器（690V以下）和中高压变频器，目前低压变频器占据市场的主导地位。根据中国工控网《2022年中国自动化市场白皮书》显示，2021年度我国低压变频器市场占整个驱动系统产品市场规模的80.86%。

低压变频器根据驱动电机或电机组数量的不同可以分为单传动变频器和多传动变频器。

单传动变频器是指一个变频器包含一个逆变器，同时只能驱动一个或一组电机，其工作原理与上图“变频器基本工作原理示意图”一致，产品功率范围涵盖0.4kW至1,120kW。多传动变频器是指一个变频器包含多个逆变器，同时能驱动多个或多组电机。

多传动变频器是针对各行业对节能减排、绿色发展的诉求推出节能型产品，主要应用定位于港口机械、盾构机等功率相对高、能耗相对大、且存在多电机组协同作业的设备或设备组。

多传动变频器通常由一个整流回馈单元连接并联在直流线路上的多个逆变器，驱动多个或多组电机运行，产品功率范围涵盖5.5kW至2,400kW。

多传动变频器主要通过以下两方面实现了电能的循环利用，达到节能降耗的目的：一方面，通过在直流电路并联多个逆变器，可同步驱动多个或多组不同频率运转的电机，不同电机或电机组之间电能可以互相连通，使得处于发电状态的电机所产生的再生电能可以直接用于驱动处于用电状态的其他电机运转；另一方面，电网端通过用“LCL滤波+IGBT整流”组合成的“整流回馈单元”代替了传统的二极管整流，实现了电流的双向高质量流通，即当所有电机整体处于再生发电状态时，再生电能不再通过电阻转化成热能消耗掉，而是直接通过整流回馈单元返回至电网，从而实现电能的循环利用。

（2）行业专机

行业专机是根据不同行业客户在具体应用场景中对设备自动化控制的驱控一体化、功能集成化、装配空间集约化等一系列个性化需求，在变频器的基础上，添加各类行业专用控制器、传感、安全保护等功能模块或配件，并集成为一体形成专机形态。相较于单一变频器，行业专机功能更加多元化，产品更加集约化，操作更加方便。

尽管专机产品根据不同客户需求增加了其他功能模块或配件，但其主要工作原理、技术特征及核心功能模块仍与变频器产品趋同，仍然是相对标准化产品，而非提供简单的系统集成服务。

智能操控系统

（1）智能操控系统简介

设备智能操控系统是公司通过对港口、水泥等行业各类大型起重、输送设备不同作业场景进行研究与分析，在了解市场需求的基础上，结合自身的技术储备，开发出的“软硬件一体化”产品，产品主要用于对各类大型起重、输送设备群的远程或自动化操控，以实现该类设备生产作业过程的自动化。

大型起重、输送设备传统的操控方式都是由人员在设备现场或设备上的司机室进行操控，该类设备现场工作环境中普遍存在噪声、粉尘等因素，且受天气寒热影响大，因此传统的操控方式普遍存在操控人员工作环境差、劳动强度高、对身体伤害大等特征，且工作效率受操控人员精神状态、工作经验、昼夜及气候变化等因素影响，生产效率不稳定，同时安全性也得不到根本保障。

安装了智能操控系统的设备，可以实现远程操控或者完全自动化操控，相较于传统的现场操控方式，大大改善了操控人员工作环境、减少职业健康危害，同时可以节省用工数量、降低操作出错率、提高设备作业效率与作业质量。

智能操控系统属于“软硬件一体化”产品。硬件部分主要包括各类具备传感、传输、控制、算力等功能的硬件或软件载体，硬件部分除了变频器以外，主要通过外采取得；软件部分主要包括各类感知、决策、执行及交互类算法或软件，根据不同行业设备的作业需求，结合硬件产品特性搭建软件系统构架，并自主开发各构架层算法或软件。

主要是根据客户具体诉求，结合设备工况环境，自行设计技术方案，并根据方案对各类硬件进行选型、采购、现场安装布置，同时于硬件中安装程序或软件，并完成软硬件各项功能调试，形成软硬件高度一体化融合的智能操控系统，操控设备实现自动化生产作业。

智能操控系统具备信息化程度高、软硬件融合度好、功能全面、性能稳定等优势。

智能操控系统的软硬件整体架构一般可分为数据层、服务层、应用层和交互层四个层级：

①数据层是对基础信息的采集，负责数据信息的生成、采集、优化及存储。信息采集主要包括通过摄像仪、激光雷达、毫米波雷达、红外热像仪、位置标识卡、编码器等各类数据采集与感知设备，完成对图像、三维点云、位置等各类基础信息的收集；以及通过建立客户生产作业管理系统与公司智能操控系统之间的通信，实时获取客户的生产作业指令信息；

②服务层是对基础信息的有效处理、传输与决策，实现生产作业指令的在智能操控系统各构架层之间的有效通信，以及完成作业指令的自动化执行。

服务层是智能操控系统的核心技术支撑，通过搭建系统构架、开发各层级软件并对硬件进行安装布置与集成，最终实现设备的自动化作业。底层通过自行开发点云3D重建、机器视觉、多模态融合感知、决策规划等技术对数据层获取的基础信息进行解析，转化成能被智能操控系统有效识别的信息；中层根据设备自动化作业的需求，利用解析后的基础信息针对性开发出系统各功能子系统（如定位系统、引导与纠偏系统、作业对象识别系统、吊具防摇系统、安全防护系统等），并通过软件系统形成决策指令；上层通过PLC通信程序建立智能操控系统与设备上单机自动化控制系统的通信，根据决策指令引导设备全自动完成作业，或者通过交互平台的智能操控软件进行人工远程操控完成作业。

③应用层是智能操控系统所能实现的目标，即产品的最终具体应用。智能操控系统除能实现设备生产作业流程自动化外，可以衍生出设备管理、作业区域管理、数据统计与分析等多种应用功能。

④交互层是人机交互界面，提供用户与系统的友好访问与互动。交互层是智能操控系统的可视化界面与远程操控平台，传统的设备操控交互层位于设备上的操作室，智能操控系统的交互层位于远程的中控室。

自动化驱动产品与单机自动化

单机自动化即单台设备的自动化控制，主要是通过设备自身的自动化控制系统带动设备的各机械部件实现运转，利用人工现场操控设备完成单台设备的各项生产作业指令。设备单机自动化控制系统主要包括控制层、驱动层和执行层，而控制层与驱动层通过系统集成商进行集成组合形成电控系统，实际操控中，由人工通过设备上的人机联动台（即人机界面）输入操控作业指令，指令通过电控系统转化成频率、电压可调整的交流电输出，从而控制执行层电机（也称电动机或马达）的转动，最终带动设备各机械单元按预期规划运转从而完成作业指令。

自动化驱动产品是单机自动化控制系统的核心组成部件，其对应单机自动化层级。

智能操控系统与生产作业自动化

智能操控系统是在设备单机实现自动化的基础上，实现对设备群操控的远程化或自动化，即实现多个设备生产作业过程的自动化。智能操控系统并不改变单机自动化控制系统的内部结构和控制路径，而是在单机自动化控制系统的基础上“做加法”。

智能操控系统可以替代人的感官、四肢及部分脑力分析与决策。主要是通过智能控制技术替代人工现场操控设备，使得设备或设备群在不需要人工干预的情况下按照既定操作指令与程序运转，完成各项生产作业指令。

①智能操控系统对人的感官的替代

通过在设备外部及作业区加装摄像仪、激光雷达、毫米波雷达、红外热像仪、位置标识卡、编码器等各类数据采集与感知设备，并进行设备二次开发，主要用于代替人的感官对周边环境数据进行采集。

②智能操控系统对人的大脑分析与决策的替代

通过搭建软硬件系统构架，对各类具备传输、控制、算力等功能的硬件或软件载体进行选型、采购、现场安装布置，同时于硬件中安装公司自主研发的各类决策、执行及交互类算法或软件，形成具有分析与决策功能的“软硬件一体化”智能系统，主要用于代替人的大脑对感官获取的信息进行处理、分析与决策。

③智能操控系统对人的四肢操作的替代

通过建立智能操控系统与单机自动化控制系统间的通信程序，将决策指令自动传送给单机自动化控制系统，并引导设备或设备群完成生产作业指令，主要用于代替人的四肢对操控手柄进行操控并完成生产作业。

智能操控系统能部分或全部替代人工的感官、四肢及部分脑力分析与决策活动，在不需要人工介入的情况下实现对各类大型起重、输送设备群的远程或自动化操控，完成生产作业，其对应生产作业自动化层级。（

管理系统软件与生产管理自动化

管理系统软件是在设备单机自动化以及作业流程自动化的基础上，结合具体行业客户对整个生产运营管理自动化的诉求，针对性开发的自动化与信息化软件产品，旨在帮助客户实现生产管理自动化。

自动化驱动产品生产工艺流程图：

经过多年积累，行业拥有了电机矢量控制、整流回馈控制、带负载电机动态自学习、同步控制、回转平稳控制、防摇摆控制、回转断电平稳减速控制、起重机制动器失效保护等多个领域自主研发的核心技术，具备从技术成果向产品应用快速转化的技术能力体系，包括底层软件算法、技术设计能力、产品设计能力、产品创新优化能力等，从而促进产品迅速迭代并落地生产，有效满足下游客户对产品的各类需求。

2020年以来，交通运输领域、建材工业、工程机械、高端制造、信息技术等行业领域一系列重要法律法规政策相继出台；交通运输领域，新型基础设施建设、立体交通网建设、现代综合交通运输体系发展等政策导向有力推动港口码头作业装备自动化、集装箱码头堆场自动化建设和自动化改造、码头起重设施远程自动操控改造；建材工业领域，绿色低碳循环发展的产业体系目标指引下，建材产业结构调整取得明显进展，能耗、碳排放强度下降等政策目标有力推动水泥、玻璃、陶瓷等行业生产方式的自动化、智能化、自动化变革；工程机械、高端制造、信息技术等领域，完善产业链、供应链及提高制造业数字化水平等政策导向有力支撑推动工业自动化相关领域发展。

工业自动化行业发展概览

工业自动化产品是现代化工厂实现规模、高效、精准、智能、安全生产的重要前提和保证，应用十分广泛，发展前景良好。进入21世纪以来，以人工智能、机器人技术、电子信息技术等为代表的第四次工业革命进一步整合机械和电子系统，工业自动化水平进一步提升，与之相应的工业自动化设备需求也不断增长。

我国工业自动化行业虽然起步较晚，但发展势头强劲，尤其在制造业转型升级的大背景下，我国传统工业技术改造、工厂自动化和企业信息化均需要大量工业自动化控制系统，市场潜力巨大。中国工控网发布的数据显示，2022年，我国工业自动化市场规模达到2,611亿元，同比增长3.2%。伴随供给侧改革进一步深化，预计2023年市场规模将达到2,822亿元。

近些年，我国政府制定的工业自动化控制产业政策对行业发展起到了积极地引导和支持作用，国产品牌凭借快速响应、成本、服务等本土化优势不断缩小与国际巨头在产品性能、技术水平等方面的差距，市场份额自2009年的24.80%逐渐增长到2022年的43.70%，工控行业正进入一个国产品牌全面替代进口品牌的快速发展阶段，国内厂商市场占有率将有望不断提高。

随着控制工程学、人机工程学、计算机软件、嵌入式软件、电力电子、机电一体化、网络通讯等学科的不断发展，现代工业自动化技术日益完善，基于信息化带动工业化生产的理念，智能化、微型化、网络化、平台化、集成化将成为工业自动化技术发展的主要方向。

（2）变频器行业发展状况和发展趋势

①变频器行业市场规模

变频器通过应用变频技术与微电子技术达到调节电动机变频调速、软启动、节能等功能，此外变频器还能通过连接PLC进行更准确有效的控制，在工业自动化中发挥着重要作用。根据工作电压，可分为中低压与高压变频器，低于3KV的归为中低压变频器（低于690V的为低压变频器），发行人自动化驱动产品属于低压变频器。

根据中国工控网数据，2020-2022年，我国低压变频器市场规模分别达到236.0亿元、283.0亿元、290.0亿元，同比增长分别为11.85%、19.92%、2.47%，2022年以来整体经济出现恢复态势，随着投资稳定增长和出口订单回流，整体低压变频器市场表现良好，预计2025年低压变频器市场规模将达到334.8亿元。2016-2025年我国低压变频器市场规模及增速如下：

从下游应用领域来看，低压变频器涉及下游应用领域较广，前五大应用领域包括起重机、电梯、纺织、冶金和电力领域，2021年前五大行业领域占比为43%。

A、港口、建机等应用在起重领域的低压变频器市场容量

根据中国工控网数据，2020-2022年，我国低压变频器市场规模分别达到236.0亿元、283.0亿元、290.0亿元，预计2025年低压变频器市场规模将达到334.8亿元，其中应用在起重领域的低压变频器市场占比9%。

假设应用在起重领域的低压变频器市场占比维持在9%，则2020-2022年，我国应用在起重领域的低压变频器市场规模分别达到21.24亿元、25.47亿元、26.10亿元，预计2025年应用在起重领域的低压变频器市场规模将达到30.13亿元，较2022年复合增长率为4.90%。

B、盾构机械低压变频器市场容量

根据中国工程机械工业协会掘进机械分会统计，自2018年以来，我国盾构机年生产总量一直稳定在600-700台之间。按照每台盾构机使用1台套主驱动变频器（鉴于盾构机其他辅助变频器占比很小，暂不考虑）、每台套主驱动变频器单价按照武汉港迪技术2022年盾构专机产品平均单价63.55万元测算，我国盾构机主驱动变频器市场规模约为3.81亿元至4.45亿元之间。

目前盾构领域变频器市场整体仍然由丹弗斯、ABB、施耐德等外资品牌占据主导地位，未来市场仍具备较好的国产替代空间。经过十余年的高速发展，城市轨道交通领域对盾构机产品销售需求已趋于平稳。同时随着基础设施建设的发展，盾构机朝着机型多元化、智能化方向发展，应用领域逐渐也从主要应用于城市轨道交通领域拓展到水利水电排水廊建设、铁路隧道工程、矿山隧道工程等场景，应用领域进一步拓展。总体来看，预计未来中国盾构机主驱动变频器市场规模将保持总体稳定。

②变频器行业发展趋势

随着用户需求日趋多样化，变频器市场应用领域不断扩大，同时越来越多的新型技术和材料被应用在变频器研制中，变频器产品也加快向智能化、定制化、集成化和节能化方向发展。

由于数字化转型与智能制造的持续推进，变频器作为智能制造的驱动单元，也正在迈向智能化。变频器不仅能完成节能调速、转矩控制、位置控制等驱动功能，也能够对驱动设备振动、电流、速度、温度等多维度数据在线监测，实现故障诊断、故障预警以及预测性维护等。随着市场应用领域的不断扩展，用户需求更加多样化。变频器在不断满足功能和性能需求的同时，需要不断适应用户操作习惯，满足安装简便、空间节省、多台自动化设备融合兼容等需求。起重机械专用变频器、电梯控制专用变频器、空调专用变频器等定制机型开始在细分机型种类中获得客户的认可和青睐。这些行业定制化变频器不但可以提供适应性更好的控制策略，而且能降低设备的综合成本。

随着各行各业自动化应用的系统化与集成化越来越高，用户对行业的整体解决方案的需求日益凸显，变频器作为工业自动化产品也朝着集成化方向发展。变频器与PLC控制器、PID调节器和通信单元等集成在一起，组成高可靠性、多功能的一体化产品和系统解决方案。集成化的变频器产品不仅可以精简控制系统，还可降低成本并提高可扩展性，可满足客户更多复杂需求。

随着可持续发展战略深入各主要行业门类，工业生产中环保要求日益提高，变频器运行产生的高次谐波对电网带来的污染也逐渐被加以重视。采用低谐波技术、变频调制方法等技术的变频器也因此近年来开始诞生，该类型变频器谐波污染小，功率因数高，工作的可靠性与安全性高。

A、港口、建机等应用在起重领域的低压变频器发展趋势

起重领域为低压变频器最大应用领域之一。从发展趋势来看，起重领域的低压变频器正在主要向智能化、定制化、集成化等方向发展。

智能化方面，起重领域变频器逐渐从实现节能调速、转矩控制、位置控制等驱动功能的基础上，发展到能够对起重电机振动、电流、速度、温度等多维度数据监测以及对起重机溜钩、冲顶、落地等外部运行状态实现安全防护，实现智能化运行、智能化操作、安全运行。

定制化方面，随着市场应用领域的不断扩展，用户需求更加多样化，起重机械专用变频器需要不断适应用户操作习惯，满足安装简便、空间节省、多台自动化设备融合兼容等需求，定制化程度预计进一步提高。

集成化方向，伴随着提高运行效率及提高扩展性的设备运行需求，用户对行业整体解决方案的需求日益凸显，起重机械变频器与控制器、调节器和通信单元等集成在一起可组成高可靠性、多功能的一体化产品和系统解决方案，朝着集成化方向发展。

B、盾构机械低压变频器发展趋势

盾构领域属于低压变频器细分应用领域，从发展趋势来看，盾构机械特殊的机械架构、作业工况决定该领域变频器发展趋势主要为定制化、高可维护性等方向。

定制化方面，由于盾构施工的环境恶劣，高温、高湿、多尘、振动不可避免，且不同地质结构导致施工环境差异较大，柜体防护、冷却散热、凝露预防、冷却液泄露和刀盘脱困等功能与变频调速功能需要结合具体盾构机械需要进行定制整合。

高可维护性方面，盾构工程施工空间有限，机械尺寸要求严格，施工环境密闭而且通常要求长时间不停机作业，这就要求盾构领域变频器必须采用模块化设计等方案提高可维护性，确保作业安全稳定运行。

（3）智慧港口行业发展现状及前景

①智慧港口行业简介

智慧港口是利用新一代信息技术，将港口运输业务和管理创新深度融合，使港口更加集约、高效、便捷、安全、绿色，具有生产智能、管理智慧、服务柔性、保障有力等鲜明特征的现代港口运输新业态。

智慧港口的设施配置主要涉及物流交通运输基础设施网络、信息化基础设施网络以及港口运输装卸装备。智慧港口建设模式既包括新建和改扩建自动化码头，也包括对码头现有设备进行自动化升级改造。智慧港口整体建设模式及全局技术架构图如下：

②智慧港口行业发展现状及技术水平

A.重要港口发力智慧港口建设

我国已成为世界第二大经济体和第一大贸易国，我国港口建设也迎来快速发展。近年来，智能化程度已成为衡量港口竞争力的重要指标，在相关政策鼓励支持下，各大港口紧抓数字经济发展契机，积极推动智慧港口建设，引领港口智能化发展。

目前智慧港口建设可主要分为新建自动化码头、改扩建自动化码头、对现有码头设备进行自动化升级改造等模式，多个重要港口采取不同方式发力智慧港口建设。新建自动化码头、改扩建自动化码头方面，自2016年3月厦门远海自动化码头建成以来，上海洋山港四期、青岛港前湾一期二期、天津港五洲国际、深圳妈湾、日照石臼、天津港北疆C段等新建或改造的全自动化码头和堆场自动化码头相继建成并投入运营。

深圳妈湾港是我国首个由传统码头升级改造成的自动化码头，并于2021年11月正式开港。深圳妈湾港依托人工智能、5G、北斗导航等技术，将大型港口机械与智慧操作新技术结合，原海星码头4个泊位升级改造为全新的自动化集装箱港区，与现有港区一体化运营，建成现代化智慧港口。

根据公开资料，我国已经全面掌握自动化集装箱码头全链条关键技术，具备世界先进水平，并已走出国门助力以色列、阿联酋建设自动化码头；截至2022年9月，我国已建成14座自动化集装箱码头，另有10座自动化集装箱码头在建。

对现有码头设备进行自动化升级改造方面，宁波舟山港近年来将智慧港口建设作为重要战略任务，不断提升港口自动化水平；2018年3月，建成全国首个5G港口基站；2019年4月，宁波舟山港实现5G+龙门吊起重机远程控制等创新应用试验；随着大型设备逐步远程化、智能化作业，宁波舟山港的自动化率已接近五成，作业链整体运作效率提升15%以上。

根据2022年交通运输行业发展统计公报，截至2022年末我国港口万吨级及以上泊位2,751个，其中沿海港口万吨级及以上泊位2,300个，内河港口万吨级及以上泊位451个；从用途结构看，专业化万吨级及以上泊位1,468个，通用散货万吨级及以上泊位637个，通用件杂货泊位434个。目前大量传统集装箱码头和散货码头传统的作业方式仍处于主流，在政策推动和重要港口智慧化建设带动下，中小型港口和传统码头智慧化建设将会进一步深化。

B.智慧港口底层技术日臻成熟

近年来，我国5G、物联网、大数据及人工智能等领域的发展为港口的自动化、智慧化提供了底层技术支持。依托图像识别技术对港口闸口、集装箱编码等进行识别，并依托自动化运输技术、网络层实现港口低延迟通信及高带宽视频传输，为智慧港口各个板块的联动发展提供基础技术支持。

在底层技术的基础上，结合各个港口的实际发展现状和业态特征，以数据中台为基础集中融合物联及互联数据，搭建智能生产管理系统、设备控制系统和大型设备智能监测/操控系统等应用系统。结合港口内部前沿智能装卸设备、堆场智能装卸设备和水平智能装卸设备，通过对应的前沿装卸管理系统、堆场装卸管理系统及车辆运输管理系统的统筹实现港口从整体管理、监测、统筹控制全流程的智能化操作运营，从而提升港口生产运营效率、强化港口安全生产管理、实现港口绿色低碳目标。

C.各类港口机械远程操控应用场景日益拓展

港口机械设备主要负责港口集装箱的装卸和搬运，包括岸边集装箱起重机（岸桥）、集装箱龙门起重机（场桥）等。其中岸边集装箱起重机是港口码头用于从运输船舶上装卸集装箱，而集装箱龙门起重机则用于在港口码头或集装箱堆场内堆放物料及运输货物。此外还涉及散货装卸机械设备，包括散货作业中常用的门座式起重机，以及散货装船机、卸船机、堆料机、斗轮堆取料机等。

集装箱装卸设备、散货装卸机械设备是自动化码头新建或升级改造的核心设备。通过自动化控制改造后，司机在中控室即可观看多路视频进行操作，完成各类装卸设备所有作业动作。例如单台场桥远程控制一般需要回传多路监控视频，对视频传输带宽需求要求较高，同时中控室与起重设备之间的通信对网络时延要求也较高。随着底层技术成熟及港口智慧化需求不断挖掘，各类港口机械远程操控应用场景日益拓展。

③智慧港口行业市场空间

我国智慧港口建设已从探索阶段逐步走向成熟，各地智慧港口落地进程加快。

2022年1月，国务院《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》提出推进大连港、天津港、青岛港等港口既有集装箱码头智能化改造，同时加快新一代自动化码头的建设。为响应《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》的要求，全国沿海、沿江主要省市相应出台智慧港口发展政策，我国智慧港口建设将迎来政策红利期和快速发展期，智慧港口建设的市场规模也将逐步增大。

④智慧港口行业发展趋势

由于智慧港口建设投资大、周期长、要素多，并面临技术储备、资本积累、创新能力、人力资源等不足的情况，智慧港口的内涵也在不断丰富。我国智慧港口的发展将继续围绕物流供应链协同化、运营智能化等趋势发展。

物流供应链协同化方面，港口充分利用处于物流供应链中心的优势，在更高层面上整合与优化物流链资源，推进跨行业、跨部门、跨区域的物流链高效协同，提高港口全程物流服务核心竞争力；物理层面，港口进一步完善码头、堆场、仓库、环保等基础设施、支持保障系统和港口集疏运系统，建立便捷、安全、高效、可靠的港口全程物流服务体系；业务层面，围绕以港口为核心枢纽的综合物流体系，加强港口物流上下游资源整合与集成，促进港口全程物流链服务相关方业务协同与高效衔接；信息层面，打造互联互通的智能云服务平台，保障全程物流链开放、透明、高效，促进港口服务链中的物流、信息流、资金流高效运转，为港口物流上下游客户提供全方位价值链服务。

运营智能化方面，一方面，港口充分利用现代信息技术、控制算法技术、自动控制技术及智能化机械设备等，推进实现港口作业调度、平面运输及堆场作业等全过程自动化、智能化，提升码头运作能力；另一方面，通过大数据智能分析技术、移动互联网、云计算等手段应用，打通港口物流供应链的信息孤岛，整合港口物流链信息资源，实现基于数据驱动的智能化运营服务，全面提升港口运营效率与生产力水平。

智慧港口集装箱、散货装卸搬运设备自动化及半自动化智能操控系统及相关自动化驱动产品将顺应智慧港口流供应链协同化、运营智能化总体发展趋势，将继续拓展在物流供应链协同中不同设备、不同系统中、不同信息平台中的应用场景，以及提升支撑港口运营数字化、智能化方面产品功能。

水泥智能化发展现状及前景

①水泥智能化发展现状

水泥工业是国民经济重要的基础产业，是改善人居条件、治理生态环境和发展循环经济的重要支撑。随着经济发展由高速增长阶段向高质量发展的转换，水泥行业的发展目前正处于新旧动能更迭的关键阶段，自动化、智能化和信息化水平参差不齐，亟需采用贴合生产工艺机理的智能化和信息化技术，推动生产、管理和营销模式从局部、粗放向全流程、精细化和绿色低碳发展方向变革，解决资源、能源与环境的约束问题，提高生产制造水平和效能，实现水泥行业高质量发展。

我国水泥行业智能化发展仍处于起步阶段，不同层次企业自动化、智能化和信息化水平参差不齐，尤其是在水泥物料传输、水泥联合储库进出料等工况复杂的生产环节智能化水平还有待提高。水泥行业存量市场大，近年来水泥行业的市场集中度较快提升，水泥企业降本、提效、增质的压力大，水泥行业对数据开放、数据共享与应用比较积极等因素都促进了近年来工业智能化技术在水泥行业的较快应用。华润水泥、安徽海螺集团有限责任公司、焦作千业水泥有限责任公司等一大批水泥龙头企业也积极发力，纷纷利用工业智能化技术赋能水泥行业各大业务场景降本增效。

智能水泥工厂建设成为水泥产业智能化转型的重要载体，涵盖了智能控制、智能管理、智能物流、智能分析和智能服务等方面内容，通过生产过程的自动化控制、生产信息的数字化收集处理、全局的智能化协同等手段，使生产制造更加透明化，极大提高了水泥产品质量水平。

根据麦肯锡咨询公司公开数据，智能化、数字化将是水泥工厂降本增效、节能减排的关键举措，可以将每吨水泥的利润提升3-6美元，让工厂的成本曲线升至同等技术装备工厂中排名前25%的水平。水泥行业智能化对水泥整个行业的生产效率和利润的贡献将会日益凸显。

②水泥智能化主要应用场景

水泥行业的智能化正在稳步推进，主要应用场景在以下方向：生产流程自动化有助于提高生产效率。水泥行业具有无间断的生产特性，一旦停机可能造成巨额经济损失，通过机器视觉、AI检测等技术手段，第一时间排除生产故障，保障生产的连续性。通过自动化系统，降低了生产系统操作难度，提升设备的可操作性，加快了生产节奏。

根据各自企业现有工艺情况量身制定完整、标准、自动控制的操作方式，减少操作员人为干预，避免了人力执行的不确定性，推动生产更加高效。例如传统的水泥联合储库存在进出料或库存缺少准确统计、存储空间利用率低、作业过程缺乏总体规划、物料堆放随意导致清库难等问题，智能仓储系统通过数字化、智能化手段，运用路径规划、多机构联动调度技术把原来人为的主观经验变成自动化运行物料系统从而提高生产效率。

设备运行数字化有利于生产连续性和稳定性。水泥生产设备数量众多，导致设备检修工作量大、备品备件库存压力大。设备一旦发生突发故障，无法按计划生产，不但会影响生产进度，也无法保证产品质量。提高设备可靠性、减少故障停机成为数字化生产的重要方向，通过数据分析可以提前进行预知性检修和检查，加快故障分析判断进度，进而提升维修速度，有效保障水泥生产的连续性和稳定性。

水泥智能化有助于提升安全与环境管理水平。水泥生产的不安全因素较多，本公司人员安全防护，外来人员安全识别、行走路线、危险区域预警等都可通过数字系统进行及时有效的辨别。环境管理方面，强化环境污染的实时监测，通过机器视觉和AI分析，避免污染事件的发生；强化生产工艺管理，自动调节氨水、脱硫剂等辅助材料及添加，达到控制指标值，降低能源消耗，减少环境污染。

③水泥智能化市场空间

根据数字水泥网，近十年来伴随水泥熟料产量增加，中国水泥行业碳排放量呈现增长趋势，从2009年的9.71亿吨逐步达到2020年的13.75亿吨。在工业大类中水泥行业2020年排放的二氧化碳在我国排放总量占比仅次于钢铁行业。

水泥行业作为国内碳排放重要来源，水泥行业节能减排对实现碳达峰与碳中和的“双碳”目标具有重要意义。国务院及各部委对水泥行业减排的重视程度日益提高，并提出了产能置换、智能化、绿色化改造升级等具体举措。国家发改委《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南（2022年版）》提出到2025年，水泥行业能效标杆水平以上的熟料产能比例达到30%，能效基准水平以下熟料产能基本清零，行业节能降碳效果显著，绿色低碳发展能力大幅增强。工信部、发改委、生态环境部联合印发《工业领域碳达峰实施方案》，推动水泥行业企业实施节能、节水、节材、减污、降碳等系统性清洁生产改造，助力行业绿色化转型，到2025年水泥熟料单位产品综合能耗水平下降3%以上。政策目标约束下，水泥熟料生产线向“小改大”“绿色化”“智能化”发展，逐步改造置换落后产能有望成为水泥行业未来发展趋势。

根据全球最大的水泥技术装备工程系统集成服务商中材国际（股票代码：600970）公开披露信息显示，我国目前在运行的水泥熟料生产线中运转10年以上的线大概有1,400余条，均有着智能化改造的需求。

根据申万宏源、中邮证券、开源证券等多家研究机构预测，2022年到2025年水泥行业完成智能化改造产线数量在500条至880条之间，单条水泥产线智能化改造成本在2,500万元至4,300万元之间。假设均按照保守估计到2025年完成500条水泥产线智能化改造，单条水泥产线智能化改造投资为2,500万元，则2022-2025年国内水泥产线智能化改造潜在空间合计为125亿元，国内水泥产线智能化改造年均市场规模为31.25亿元。未来在“双碳”政策约束下，水泥智能化、数字化改造景气度有望保持高位，水泥行业智能化市场发展空间也将扩大。

④水泥智能化行业发展趋势

我国水泥智能化行业已催生丰富的应用场景，如无人机巡检、协同作业、远程控制、设备安全运维、水泥库裂纹检测等。但是由于技术实施方面的困难，企业自身条件的限制等因素，水泥行业智能操控系统及应用大多数情况下并没有实现较好的融合与集成，由此导致水泥行业的制造业要素难以实现全要素连接，企业经营决策难以实现精准数据驱动，生产和管理决策的智能化水平提升有限。

为了实现水泥行业双碳环境下降本、增效、节能、降耗的政策强约束，水泥企业也必然加快实施覆盖生产经营全环节、全流程综合集成的智能操控系统应用，智能操控系统技术服务商也需要在全面洞悉水泥行业全产业链、全生命周期经营发展的基础上，充分应用新一代信息技术助力赋能企业生产方式、管理模式、经营模式的加速变革。

起重机械行业发展状况

起重机械主要包括桥式、门式起重机、流动式起重机、门座式起重机，也包括塔式起重机、升降机、缆索式起重机、桅杆式起重机、机械式停车设备。起重机械主要是在企业内部进行物料的装卸、运输、升降、分拣、堆垛、储存和配送，有时还需要对物料进行计量、识别、跟踪、管理和搬运加工，可以应用于社会生产、商品流通和日常生活的各个领域，是现代化工业生产不可或缺的重要工具。桥式、门式起重机应用领域较广，以水泥行业为例，桥式、门式起重机可在生产、仓储等环节于车间、仓库和料场进行物料吊运作业。

桥式、门式起重机行业是资源和技术密集性行业，随着行业不断发展与成熟，智能化、专业化、系统化、绿色化、全生命周期服务成为行业发展趋势。

据中国重型机械工业协会统计，2017-2021年，我国桥、门式起重机销量持续稳定增长，从2017年的8.6万台增长到2021年11.69万台；2017-2021年我国桥、门式起重机销售额为360亿元、393亿元、432亿元、460亿元及472亿元。

建筑机械（工程机械）行业发展状况

建筑机械（工程机械）指为城乡建设、铁路、公路、港口码头、农田水利、电力、冶金、矿山等各项基本建设工程服务的机械，主要有塔式起重机、汽车起重机、挖掘机、装载机、推土机、铲土运输机械等，是装备工业的重要组成部分。

工程机械行业内企业不断发展创新和转型升级，持续推出更加优质可靠、高效环保的工程机械，为满足新的市场需求打下坚实基础。近年来，得益于新基建热潮，我国工程机械行业市场需求增加，市场规模持续增长。“十三五”期间，我国工程机械行业呈现出规模、效益、品牌价值、国际化、创新研发和智能制造等全面提升的局面，在高质量发展的道路上稳健前行。2017-2021年工程机械行业营业收入及同比增长情况如下：

根据中国工程机械工业协会建筑起重机械分会统计，2016-2021年塔式起重机销量触底进入上升周期，塔式起重机销售数量由2016年的8,923台上升到2021年60,691台。2016-2021年塔式起重机销量及同比增长情况如下：

随着经济改革升级、环保法规要求不断提高，工程机械行业将不断加快转型升级进程，提升发展质量，从而产生更多市场需求。同时，行业替换周期到来以及出口市场逐步恢复等多重因素均会推动工程机械行业的快速发展。

港口机械行业发展状况

港口机械指在港口用于货物装卸、堆码、拆垛和搬运等作业的机械，主要包括港口起重机械、港口装卸搬运机械、港口连续输送机械、港口连续装卸机械、其他港口机械等。目前我国大型港口机械的设计与制造技术达到世界先进水平，在全球港口机械市场中也占据了重要地位，主要生产企业有振华重工、三一集团、中联重科等企业。

由于港口机械具备在固定场景下作业的特点，其自动化、智能化发展具备良好的应用场景支撑，随着港口分拣、起重、运输、仓储等物流环节对效率和安全性需求的不断提升，港口机械的自动化、智能化成为行业发展方向。

盾构机行业发展状况

盾构机（全断面隧道掘进机）根据应用地质层面的不同分为用于软土地层或者富水地层施工的全断面软土隧道掘进机和用于岩石地层的全断面硬岩隧道掘进机（TBM）。从下游应用来看，盾构机主要应用于城市轨道交通，并逐步向铁路、水利水电、公路、矿山等领域拓展。伴随着经济发展和隧道施工需求的不断提升，全断面隧道掘进机的生产总量稳中有升。根据中国工程机械工业协会掘进机械分会统计，2012-2022年中国全断面隧道掘进机年生产总量及同比变动情况统计如下：

全社会固定资产投资状况

工程机械等机械设备市场需求与基础设施建设等固定资产投资情况紧密相关。根据国家统计局发布数据，2020-2022年，全社会固定资产投资分别为52.73万亿元、55.29万亿元、57.96万亿元，分别比上年增长2.67%、4.85%、4.83%，固定资产投资维持稳健增长，其中2022年基础设施投资同比增长9.40%，出现较为明显恢复态势。2015-2022年全社会固定资产投资及同比变动情况如下：

②港口行业发展状况

近年来，我国港口行业保持健康稳定发展态势，2020年港口行业业绩情况受全球供应链冲击影响有所下挫，但2021年以来港口行业业绩指标快速复苏，港口行业业绩稳健态势为港口机械及港口智能化机械提供下游需求支撑。2015-2022年港口行业主要业绩指标及同比增长情况如下：

我国港口规模位居世界首位，根据中国交通运输部的数据，2022年我国港口货物吞吐量为156.85亿吨，其中外贸货物吞吐量46.07亿吨，集装箱吞吐量2.96亿标准箱，2015-2022年港口货物吞吐量、外贸货物吞吐量、集装箱吞吐量复合增长率分别为3.00%、3.33%、4.88%，庞大的港口货物吞吐量促使港口机械行业不断发展。随着我国经济的持续增长，进出口贸易规模保持增长，港口货物吞吐量的上升推动了我国港口建设的稳定发展，结合存量港口机械替换需求以及智能化升级改造需要，港口机械中长期需求相对稳定。

水泥行业发展状况

自1985年以来，中国水泥产量一直稳居世界第一，充足的供应保障我国地产、基建领域建设，有力地推动经济发展。2011-2022年全国水泥产量在20亿-25亿吨之间波动，近年来供给侧结构性改革政策推动水泥行业可持续发展。在高质量发展以及低碳节能等行业政策导向推动下，作为下游行业之一，水泥行业对桥式、门式起重机等作业设备智能化、节能化需求将进一步得到释放。

轨道交通行业发展状况

根据中国城市轨道交通协会《城市轨道交通2022年度统计和分析报告》，截至2022年底，我国共有55个城市开通城市轨道交通运营线路308条，运营线路总长度10,287.45公里。其中，地铁运营线路8,008.17公里，占比77.84%；其他制式城市轨道交通运营线路2,279.28公里，占比22.16%。2022年新增运营线路长度1,080.63公里。截至2022年底，扣除统计期末已建成投运的城市轨道交通建设规划线路以及已调整的项目后，2022年底仍有城市轨道交通建设规划项目并在实施的城市共计50个，在实施的建设规划线路总长6,675.57公里，其中，地铁4,407.20公里，占比66.02%。随着城市轨道交通尤其是地铁等基础设施建设的发展，以及隧道工程现场少人化、自动化的要求，盾构机市场需求预计将持续释放，盾构机市场亦将出现智能化、多元化发展趋势，超大断面掘进机、小断面掘进机、异形掘进机、硬岩掘进机、竖井掘进机等机型数量会增多。

行业竞争状况

（1）变频器行业竞争状况

变频器市场格局中，以ABB、西门子和施耐德等为主要代表厂家的欧美系品牌擅长生产制造大型自动化系统所用的变频器产品，以三菱电机、安川电机和富士电机等为主要代表厂家的日韩系品牌则在小型自动化系统变频器产品中更具优势。由于多年来持续的研发投入，国产变频器厂家逐步掌握和积累产品技术，并在产品性能、可靠性、销售服务、成本控制等方面逐渐显现优势，市场占有率逐步扩大。目前在低压变频器市场形成了以欧美品牌、日韩系品牌和本土品牌为主的三大品牌格局。2022年，欧美系、日韩系、国产品牌的市占率分别为51.00%、10.60%、38.40%，具体如下：

根据中国工控网统计，2022年国内低压变频器（不含风电）前10强企业中，外资企业占据了7席，合计市场占有率为56.90%，其中ABB、西门子占据了第一、第三；国产品牌主要是汇川技术、台达电子、英威腾分别以18.60%、5.60%、5.30%的市场占有率进入了前十，其中汇川技术位居第二。

（2）智慧港口竞争格局

智慧港口是复杂的系统工程，具备覆盖对象广、技术选型多、业务应用复杂、关联软硬件产品多的特点，同时要求高标准的安全性、开放性、实用性。智慧港口业务涵义广，主要包括智慧口岸、智慧物流、智慧港区、智慧商务、智慧运营、智慧创新等业务；技术应用主要包括5G通信技术、物联网技术、人工智能、大数据、云计算、设备智能诊断、机器视觉与自主控制等；涵盖产品类型多，既包括支撑智慧港口建设的信息技术基础设施，如数据中心、云平台等，也包括各类型的智慧港口设备，如自动化岸桥等，还包括各类支撑智慧港口运行的软件系统，如智能生产管理系统、设备控制系统和大型设备智能监测/操控系统等。正由于新兴的智慧港口业务场景复杂，产品类型繁多，目前还没有厂商能够领域垄断该市场，厂商往往根据自身的业务禀赋优势耕耘市场。

（3）水泥智能化竞争格局

我国目前水泥行业的发展现状来看，目前水泥行业智能化一方面涵盖操作过程控制、质量控制、生产管理控制等工业生产领域智能化，另一方面涵盖采购、销售、流通等水泥工厂运营方面的智能化，涉及智能化具体实现环节数量较多。近年来，伴随着水泥行业自动化、数字化、智能化转型的加快，水泥行业智能化厂商已逐渐从工程系统集成、工业软件平台、设备智能化解决方案等方面切入细分领域，但由于水泥智能化应用场景复杂，涉及流程繁多，业内厂商通常在细分领域市场发挥自身的业务优势。

审核编辑：汤梓红