运动控制行业技术特点及技术发展趋势
思瀚产业研究院 固高科技    2023-08-08

①行业技术特点

高可靠性

1、高可靠性定义：高可靠性是指产品可在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力，通常以平均无故障时间来界定。工业装备能够长期、稳定地可靠运行是用户的最基本要求。现代工业场景下，装备的系统复杂度提升，非 确定性因素增加。作为装备的大脑，运动控制系统需在面对各种作业环境和 需求变化的情况下，消除整体系统的非确定性，保证装备的长期稳定有效运行。

2、高可靠性的体现：随着运动控制系统设计更加复杂，软件的可靠性主要体现在其容错能力和代码强健性上，而对于硬件来说，在持续降低系统功耗的 同时，提升其在各种严苛环境下（高温高湿、超低温和温度冲击、粉尘油 污、腐蚀性气体、金属颗粒物、强电磁干扰等）的抗干扰能力、7×24小时运 行环境中抗疲劳强度、抗扰动能力和信号链传递损失与补偿等。

3、作为智能制造装备的核心基础部件，高可靠性对于运动控制器系统来说是 一项基本的核心要求。一方面，在生产过程中需采用经过严格筛选测试的优 质元器件，组装过程也应具备严格的质量控制程序，以确保装备长期使用时 的高稳定性和高可靠性。另一方面，运行中控制系统的故障源经常来自于各 类连接点和运动部件扰动。如何减少连接，强化网络数据传输的实时安全， 以更加紧凑的结构实现更加复杂的控制过程，在保证可靠性的同时，还要能 够支撑更加复杂的算力需求。

实时性

1、实时性定义：实时性作为运动控制系统的一项重要性能指标，是指事件发生的时间确定性（相对与绝对的确定），以及在此基础上数据处理的精准和快速性，这对设备和任务间的时间同步精度，以及系统中的任务执行效率提 出了新的要求。

2、实时性需要解决在保证运动控制事件的时间确定性情况下系统的冗余安全、复杂网络中信息实时交互、多时钟源协同精准补偿，复杂系统相位控制中的高速信号处理和大型软件的实时性处理等等。

高速高精度

1、高速高精度是运动控制系统在性能上永恒的追求，面对不同应用场景，高速高精的具体指标有所不同，但总体指标要基于被控对象的模型辨识，对速 度和控制精度进行自适应和自优化，取得综合性全局最优。类似木桶效应， 一个系统的整体性能取决于最短的木板。

2、输入激励信号源的运动规划与被控对象响应能力是否匹配，系统各控制环节的同步性，传感反馈的物理分辨率精度，系统模型辨识的线性化能力，机械系统谐振频率和动刚度特征，关键部件热传导与热辐射效应，信号链完整 度、扰动频域是否与工作频域重合等，都会制约系统整体高速高精度性能指 标的达成，成为最短的那块木板。

②产品及技术发展趋势

A、向开放性、灵活性、易用性并重的方向发展

开放性代表系统要为用户打开二次技术开发、工艺快速迭代升级的技术路径，并为用户自身核心竞争力构建提供必要的技术手段。灵活性意指系统要能适应各种复杂工艺要求的能力，既有性能上的深度和功能上的宽度，还要具备多源异构系统的重构便利性。

易用性表示系统需具备人机交互的友好、直观、简便，安装调试的简洁、安全，运行维护的可预测、便捷和低成本。在现代智能制造更高精度、效率和制程柔性化的需求下，未来运动控制系统发展的核心需求之一为实现开放性、灵活性、易用性的统一。

B、网络化程度日益加强

传统机械设备采用的电机和I/O数量有限，往往采用一对一直连的方式连接。直连方式最大的问题在于布线复杂，线缆使用量较大，同时传输信号极易受到干扰。为解决这些问题，各装备或部件厂商纷纷采用高速工业总线连接伺服驱动器及运动控制器，网络化趋势明显。

采用高速工业总线后，运动控制器、伺服驱动器和I/O模块之间除了常规的控制命令及反馈信息传递外，还可以根据需要实时调节伺服驱动器的各类参数，从而实现更为复杂灵活的控制要求，设备连接的轴数和I/O数量也不断增加。

在数字化、智能化发展趋势下，工业总线作为“工业数字血管”的重要性日益凸显。逐渐成长为现代工业体系内一个独立的产业细分领域，并作为智能制造体系的底层核心技术支撑，成为制造大国产业竞争的战略制高点。

C、从工业现场总线到工业网络全互联

在新的工业体系中，工业数据成为制造业的“血液”，居于核心位置。以工业数据为脉络，整个智能制造逻辑重构为数据产生（工业现场）、数据传输、数据管理与价值发掘几个环节。从制造效率及工业大数据安全可靠角度看，制造业领域必须完整实现从现场总线到工业现场网络全互联的技术升级。

具体体现 “从工业现场总线到工业网络全互联”的技术升级趋势未来工业场景下，对工业装备的控制已经不仅仅是几个轴的运动控制和逻辑控制，而是基于全互联的综合系统控制。从底层的智能传感、控制决策、数据信从智能制造 息交互到基于多源异构数据的分析决策，全链打通，实现端到端、端到云的大效率角度 系统闭环控制，从而实现单台装备、柔性工作站和工作岛及自动化产线的综合运维成本降低、产品生命周期优化、生产效率提升、节能环保等多方面的进步。

不同于过去Profinet、EtherCAT等工业上已经具备的工业总线概念，工业现场全从工业大数 互联（高速工业现场网络的安全与互联互通）从标准、架构、交互、数据、应 据安全可靠 用和业务乃至生态等各个方面都要考虑安全可信体系的建立，还要考虑多主从角度 架构的数据安全与高度同步、多源异构数据链路的多级实时与可靠性、对等网络拓扑及去中心化、分布式数据存储与实时处理、共性模型算法提取与深化，以及智能算力分布等多维技术研发、耦合验证和复杂场景应用。

（2）运动控制行业整体发展趋势和发展驱动力

①全球科技和产业竞争聚焦制造业，智能制造成为全球主要工业国家的重点发展方向，智能制造产业拥有广阔的市场空间和发展前景

随着全球新一轮科技革命和产业变革深入发展，新一代信息技术、生物技术、新材料技术、新能源技术等不断突破，并与先进制造技术加速融合，为制造业高端化、智能化、绿色化发展提供了历史机遇。同时，国际环境日趋复杂，全球科技和产业竞争更趋激烈，大国战略博弈进一步聚焦制造业，美国“先进制造业领导力战略”、德国“国家工业战略2030”、日本“社会5.0”和欧盟“工业5.0”等以重振制造业为核心的发展战略，均以智能制造为主要抓手，力图抢占全球制造业新一轮竞争制高点。

我国智能制造及其基础产业之装备制造业近年来实现了快速发展。根据赛迪顾问发布的《2019中国智能制造发展白皮书》数据，2015年至2019年，我国智能制造装备产业保持较快的增长趋势，年复合增长率达18.42%，2019年我国智能制造装备产业的市场规模已达17,775亿元。

国家对智能制造做了明确的中远期发展规划。《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出“推动制造业优化升级”、“深入实施智能制造工程，发展服务型制造新模式，推动制造业高端化智能化”。《“十四五”智能制造发展规划》提出：到2025年，我国规模以上制造业企业基本普及数字化，重点行业骨干企业初步实现智能转型；到2035年，规模以上制造业企业全面普及数字化，骨干企业基本实现智能转型。

综上，智能制造是我国高质量发展的战略制高点，发展前景广阔，这也必定带动上游运动控制系统等核心基础环节的快速、高水平发展。

②随着劳动力成本的上升、人口红利的减弱，我国制造业转型升级的需求迫切，“机器替代人”已成为必然的发展方向，运动控制及智能制造产业的发展有着长期的内在驱动力

我国经济发展已进入速度变化、结构优化和动力转换的新常态。资源环境约束不断强化，劳动力等生产要素成本正在上升，主要依靠资源要素投入、规模扩张的粗放发展模式已难以为继，提质增效已成为经济发展的主要目标。

根据国家统计局数据，我国劳动年龄人口比例由2012年的69.2%下降至2020年的63.4%，8年间降幅达5.8个百分点；相对应的是我国制造业的年平均工资由2012年的4.17万元快速增至2020年的8.28万元，年复合增长率为8.95%。劳动力成本的上升、人口红利的减弱带给我国制造业巨大的产业升级压力，生产制造将必然向自动化、智能化方向发展，“机器替代人”成为不可逆的发展方向。

在后疫情经济发展环境下，我国乃至世界范围内的车间级设备数控化、自动化、智能化、无人化改造需求益发旺盛。制造业智能化转型升级将催生机器视觉、先进运动控制器、高精度伺服系统、高性能减速器、工业软件、工业互联网络技术等先进制造底层性、基础性技术的深度应用。运动控制系统作为智能制造的核心关键环节，具有持续快速发展的长期内在驱动力。

③除传统制造业转型升级需求外，我国以半导体、新能源、机器人、3C电子等为代表的新兴制造需求快速增加，运动控制及智能制造的应用领域不断扩大，进一步推动了行业发展

我国已经在新能源汽车、光伏、集成电路、通信设备、高端显示器件、航空航天等高端制造领域形成具备一定竞争力的产业集群，产生对国产高端装备和基础核心技术的广泛应用场景。同时，传统基础制造业如纺织、印刷、物流、冶金等也在市场化规律下形成特色化产业集聚，并在全面人工替代、高速同步控制、分布式控制、传统工艺数字化提炼等领域形成广泛的智能化提升需求。

新兴产业的蓬勃发展和传统制造业的转型升级带来的是数万亿级的智能终端市场空间，进而带来的是万亿级的装备制造产业规模和数百亿级的工业装备核心部件市场规模。

④运动控制及智能制造的核心基础技术实现自主可控是国家战略，相关产业将充分受益于国产替代进程

我国经济社会各领域的发展，要求制造业提供更先进的生产技术水平、高品质的消费产品、自主可控的重大技术装备。从“制造大国”转变为“制造强国”，是我国制造业发展的战略选择。发展先进制造技术，增强制造领域的自主创新能力和整体实力，推进制造质量和产品品牌建设，才能全面提升我国制造业水平。

长期以来，我国制造业基础技术研究薄弱已经成为制约制造业发展的主要瓶颈。我国制造业向智能制造发展，必须依靠传感、控制、通信、工业软件等底层基础技术的突破和深度应用。《“十四五”智能制造发展规划》明确提出，要加强关键核心技术攻关，攻克智能感知、高性能控制、人机协作、精益管控、供应链协同等共性技术，针对感知、控制、决策、执行等环节的短板弱项，要加强用产学研联合创新，突破一批“卡脖子”基础零部件和装置。

加强自主可控供给能力是我国智能制造发展的重点任务。《“十四五”智能制造发展规划》明确提出，到2025年，我国的供给能力明显增强，智能制造装备和工业软件技术水平和市场竞争力显著提升，国内市场满足率要分别超过70%和50%。因此，在当前的世界政治经济环境下，我国智能制造领域实现自主可控、国产化替代将是长期的发展趋势，运动控制行业作为关键核心环节，将充分受益于国产替代进程。

⑤运动控制系统是智能制造装备的大脑、工业控制的核心，在智能制造大力推进、传统制造业转型升级、新兴制造需求快速增加以及国产替代等背景下，我国运动控制行业市场规模持续增长

先进的运动控制系统融合了传感、通信、控制、工业软件、机构优化等多项基础技术，决定了工业现场核心装备及关键工序的数字化、网络化、智能化水平，是高端装备的核心基础部件，也是智能制造落地的关键环节。

经过多年发展，中国制造业已经实现了全世界最完整的全产业链基础，具有全世界最丰富的工艺业态和供应链群和全世界最庞大的消费群体。运动控制系统融于广泛的“新场景、新服务、新业态”的现代智能制造场景中，呈持续增长的发展趋势。结合有关运动控制器及伺服系统市场的研究数据，2019年我国运动控制系统的总体市场规模约为425亿元。

根据国际市场研究机构 Markets and Markets发布的研究报告，2020年全球智能制造市场规模2,147亿美元，预计到2025年将增至3,848亿美元，复合增长率达到12.4%。据此假设按照运动控制系统年复合增长率10%测算，2022年，我国运动控制系统市场将接近570亿元。

⑥中国制造产业链逐步重塑，运动控制系统需要进一步满足智能制造对于精益管理综合能力和全局效益的提升的需求

中国制造业具备全球最完整的全产业链基础，但过于离散的制造业带来人、财、物和能源的极大浪费。近些年的全球供应链紊乱更加剧了全球制造业的离散度和中间消耗，国际制造业产业链分工模式面临调整，区域化全链协作需求对制造产业布局影响明显，产业链需要周期更短、响应更快、灵活性和柔性更强；从消费端来看，国产消费产品正在蓬勃兴起，个性化体验感的创新驱动、高质量供给引领和创造新需求成为必然。

受消费和供应两端的需求变化拉动，正在重构的制造产业链生态圈将发挥中小制造型企业的灵活性，通过工业互联网与智能化手段拉通企业间的数据流、信息流，实现设备互联互通，节能降耗，提质增效，全面无人化等，设备全生命周期综合投资回报率的计算（一次性投入和综合维护成本）取代固定资产一次性投资回报率的计算成为企业主关注的问题。

这一系列的变化，在推动整体制造业向精益管理综合能力和全局效益的提升上发展，这是制造业智能化的关键价值，而作为智能制造核心实现路径就是：在制造业关键工艺装备和自动化装备实现国产自主可控的同时，通过运动控制系统的综合能力提升，实现其长期稳定可靠地工作、数据安全与智能地交互、远程故障诊断以及更高能效利用率。