國產PLC發展現狀及國內外PLC差距分析

可編程邏輯控制器（PLC）是一種面向工業控制的實時嵌入式計算機，通過專用的控制語言可以實現各類邏輯控制及流程控制。以PLC為中心，可以構建面向國防軍工、制造、軌道交通、電力、水利、市政等領域的自動化控制系統。PLC系統已經成為現代數字工業體系的“大腦”，可全面掌握各類核心工藝數據及運行數據，直接決定和保障國家工業體系、國防裝備體系安全健康運行。

1 國內PLC發展現狀

PLC問世近60年來，實現了工業控制領域繼電器接線邏輯到存儲邏輯的飛躍，功能從弱到強，實現了邏輯控制到數字控制的進步，應用領域從小到大，實現了單體設備簡單控制到復雜運動控制、過程控制以及集散控制等各種任務的跨越。

1.1 國產PLC發展歷史

我國PLC的研發應用從20世紀70年代開始，按照發展特點，可分為四個時期，分別為初始發展期、引進應用期、國產化發展期和深度自主化期，如圖1所示。初始發展期。我國從20世紀70年代中期，研制了第一臺具有實用價值的國產PLC，應用于工業生產控制。該時期主要以引進消化和二次開發國外產品為主，在引進生產線方面，建立合資企業引進國外PLC生產線，如1986年引進的西門子S5系列PLC生產線，1988年建立的AB公司PLC生產線等；在引進成套設備方面，在鋼鐵、水利等領域引進集成進口PLC的成套設備，取代了傳統繼電器實現工藝過程的邏輯控制，如上海寶鋼一期工程中引進的200余臺PLC實現傳輸帶控制，首鋼4號高爐引進進口PLC實現上料、加料和配料控制。同時，在80年代機械工業部組織下，以北京機械工業自動化研究所為代表的科研院所開始研制第一代國產PLC，先后形成了MPC-20、MPC-85、DJK-S-480等系列產品。

圖 1?國產 PLC 發展的四個階段 引進應用期。20世紀90年代初期，國內工業自動化程度相對偏低，PLC市場容量較小，而PLC研發需投入較多的資金和人力，短期內得不到回報，部分科研院所轉向系統集成，采用進口PLC產品開展控制系統工程應用，進口PLC產品逐漸占領國內市場，德國西門子、美國AB以及其他知名品牌的PLC開始大舉進入中國市場，進口PLC市場占比高達99%。 1995年后，我國的PLC市場形成了大型PLC以歐美為主、小型PLC以日本為主，中型PLC歐日平分秋色的格局。國產PLC的技術發展與推廣應用較為緩慢，但是PLC在國內的體系化發展逐漸得到重視，1991年成立了中國機電一體化應用協會PLC應用分會，推進PLC技術與產品開發、生產與應用等工作；1993年成立了全國工業過程測量和控制標準化技術委員會可編程序控制器系統標準化技術委員會SAC/TC124/SC5，建立我國可編程序控制器及系統標準體系，為我國PLC技術和產業的發展奠定了基礎。國產化發展期。

進入21世紀后，隨著國內制造業的快速發展，PLC需求量猛增，部分企業看到市場機遇后開始進入該領域，研制生產國產PLC產品，在制造、非標機械、動力設備等領域取得了規模應用。但是，該時期的國產PLC以小型PLC產品為主，缺乏核心技術，基礎零部件均采用進口產品，與國外廠商相比，產業規模都比較小。如2013年國內PLC市場規模78億元，境內企業無錫信捷憑借高性價比小型PLC以1.6%的市場份額進入市場排名前十。 深度自主化期。受伊朗“震網病毒”、“棱鏡門事件”、烏克蘭電網斷電事件、美國實體清單以及國際局勢變化等因素影響，十三五期間，國家將關鍵信息基礎設施作為網絡安全的重中之重，其控制系統PLC被納入網絡關鍵設備進行管理，開啟了關鍵基礎設施控制系統深度國產化的征程。國內企業攻克PLC關鍵核心技術，基于國產軟硬件平臺研制了自主安全PLC產品，在電力發電、軌道交通、石油石化等能源領域開展推廣應用，如2020年電子六所研制的IM30系列PLC在火電、風電、市政天然氣等領域應用，實現了關鍵基礎設施的深度國產化。

1.2 國內PLC市場現狀

隨著中國制造2025的穩步推進，自動化系統需求不斷增長，作為離散控制的核心設備，國內PLC市場規模逐年遞增，如圖2所示，從2010年60.24億元到2020年124.30億元（不含分布式IO產品的PLC市場規模為108.50億元），10年間的年平均增長率為7.51%。

圖 2 2010~2020 年國內

PLC 市場規模變化趨勢圖 按照PLC型號分析，大型PLC在10年間的市場變化不大，在11億元/年的規模上下波動，但隨著泛中型化趨勢的發展，中型PLC性能不斷增強，大型PLC的部分應用場景被中型PLC取代，導致大型PLC市場呈現出穩中有略降的趨勢。中型PLC市場穩定增長，市場規模從2010年18.89億元增加到2020年36.60億元，年平均增長率6.84%。由于電子制造設備、鋰電裝備、光伏裝備、半導體裝備、包裝機械等OEM行業細分領域需求增長快速，小型PLC市場規模在近些年大幅增加，從2010年27.33億元增長到2020年60.70億元，年平均增長率達到8.31%。 隨著工業互聯網對產業鏈的垂直整合，PLC在汽車制造、電氣和電子等行業廣泛應用，國內PLC市場隨著智能制造的不斷推進，未來幾年PLC市場將會保持穩定增長，預計2022年PLC市場規模將達到144.60億元。按照品牌對PLC市場規模進行分析，如圖3所示。

圖 3 2016~2020 年 PLC 廠商市場規模變化趨勢圖 西門子市場規模和增長率均遠超其他品牌，長期保持排名第一，日系的歐姆龍、三菱和美系羅克韋爾長期保持排名2~4位，前四位的排名相對穩定。隨著小型PLC市場規模增加，臺達和信捷的市場排名呈現上升趨勢，臺達在2020年的市場排名已經進入前五。

圖 4 2020 年國內 PLC 市場份額占比圖 2020年我國PLC市場規模為124.3億元，各品牌PLC市場份額結構如圖4（a）所示，西門子以53.1億元市場規模和43%的市場份額居首位，其他廠家依次為歐姆龍、三菱、羅克韋爾、臺達、施耐德電氣等企業，以上廠商占有90%左右的市場份額。境內企業僅信捷、匯川和和利時進入排名前十。 2020年大型PLC市場規模11.20億元，占比10%；中PLC市場規模36.60億元，占比34%，小型PLC市場規模60.70億元，占比56%，如圖4（b）所示。其中大型PLC以歐美廠商為主，羅克韋爾、西門子和施耐德排名大型PLC市場前三，占據大型PLC市場76.8%的市場份額，如表1所示。 表 1 2020 年各品牌 PLC 市場規模情況 (億元)

中型PLC市場格局中，西門子以49.2%的市場占有率遙遙領先。歐姆龍和三菱市場規模在2.0億元以上，形成第二梯隊，共占29.2%市場份額。羅克韋爾和施耐德構成第三梯隊，占10%市場份額。小型PLC技術壁壘較低，供應商數量眾多，但前五名廠商仍然占據了74.3%的市場份額，呈現一大（西門子）四?。W姆龍、三菱、臺達、無錫信捷）的競爭格局?？傮w上，國內PLC廠商在小型PLC領域具有了一定競爭力，并進入了中大型PLC市場。

1.3 國產PLC產品現狀

國內PLC生產廠商已超過了40家，主要頭部企業包括信捷、匯川、和利時等，經過近些年不斷努力，國產PLC在技術、產品和市場等層面均取得了顯著成果。信捷研制的PLC包括XD/XC小型PLC、XL薄型卡片式等系列PLC，主要應用于太陽能、隧道工程、紡織機械、動力設備、煤礦設備、中央空調等領域的中小型控制場景。匯川研制了高性能型H3U、通用型H2U-XP、經濟型H1U-XP等系列PLC產品，配套驅動執行類產品主要應用于電梯、空壓機、機械手、3C制造等領域。和利時研制了LE小型PLC、LK中大型PLC產品以及LKS安全性PLC產品，主要應用于包裝機械、機床等OEM設備以及市政、隧道、軌道交通等項目型行業。除上述企業外，國內企業還研制生產了各具特色的PLC產品，如中控技術、合信、億維等。但上述企業多基于進口軟硬件研制PLC產品，在特殊時期會面臨自主保障問題，針對此問題，以電子六所為代表的企業，基于國產軟硬件平臺研制了自主化PLC產品，如電子六所采用飛騰CPU處理器研制了IL40、IM30以及IS20系列自主安全PLC產品，已在國防軍工以及能源、市政等關鍵基礎設施領域取得批量應用。 雖然國產PLC取得了一定成就，但總體上呈現“小弱散”狀態。各廠商的市場規模較小，市場占有率低；產品以小型PLC為主，缺乏完整產品譜系；基于進口軟硬件產品或購買國外控制軟件研制產品，缺乏核心技術和先進控制軟件；面向行業的整體解決方案能力較弱；未形成國產PLC的技術和市場合力，與國外PLC廠商的競爭力較弱。

1.4 國內PLC相關標準

國內PLC及系統等專業領域的標準化工作由全國工業過程測量控制和自動化標準化技術委員會可編程序控制器及系統分技術委員會（TC124/SC5）負責，中國機械工業聯合會進行業務指導。 國內的PLC相關標準主要為GB/T15969系列標準，該標準是在中國機械工業部指導下，由TC124/SC5歸口，等同采用國際標準IEC61131，于1995年首次發布。截止到2022年，正式發布的GB/T15969包括9部分。其中第1部分為通用信息，定義PLC系統的主要功能特性。

第2部分為設備要求和測試，規定PLC的要求和相關試驗。第3部分為編程語言，規定了PLC編程語言的語法和語義。第4部分為用戶導則，為PLC用戶與PLC供應商之間信息交互提供了一些基礎規范規則。第5部分為通信，定義了PLC與其它電子系統間的通信。第6部分為功能安全，包括功能安全PLC安全生命周期管理、功能安全要求分配和開發規劃等。第7部分為模糊控制編程，定義了用于模糊控制的編程語言。第8部分為編程語言的應用，提供了在第3部分中所定義的編程語言的應用和實現的導則。第9部分規定了小型傳感器和執行器的單點數字通信接口。

第10部分是PLC開放的XML交換格式，為GB/T15969.3項目的導出和導入指定了一種基于XML的交換格式，該標準已完成意見征求正在審查過程中。 除了GB/T15969系列標準外，在PLC功能評定、信息安全以及工程集成等方面還制定了相關標準。GB/T36009規定了PLC的性能指標、測試和評定方法，為PLC的性能評定提供了依據。GB/T36011規定了PLC出廠前的環境適應性相關試驗的抽樣檢查方法以及外觀、IO功能、通信等例行試驗方法。GB/T37391規定了PLC成套控制設備的使用條件、功能要求等相關規范。針對PLC的信息安全防護能力，GB/T33008.1與正在報批的《信息安全技術可編程邏輯控制器（PLC）安全技術要求和測試評價方法》規定了PLC網絡安全要求與測試方法，其中GB/T33008與GB/T33009等標準共同構成了工業自動化和控制系統網絡安全的系列標準；GB/T41274從內生安全的要求方面描述了PLC系統內生安全的目標和各單元模塊的相關安全需求。 在PLC的行業應用方面，GB/T40329規定了工業機械電氣設備及系統中數控設備PLC的編程語言專用模塊編程的語法和語義；GB/T37761規定了電力變壓器冷卻系統PLC控制裝置的相關要求。在國軍標方面，首個PLC國軍標《軍用可編程控制系統通用規范》于2020年開始擬制，目前已完成編制，處于報批階段。

1.5 國內PLC相關政策

近年來，隨著歐美實體清單逐漸擴大范圍以及工業安全事件頻發，國家對工控領域的信息技術應用創新產業高度重視，相繼出臺一系列支持政策與計劃項目，實現關鍵核心技術自主化。國家對PLC的安全可控問題也極為關注，自主化、網絡安全等成為“關鍵詞”，相應政策的發布促進了國產PLC行業的健康有序發展，部分政策見表2。 表 2 PLC 相關政策

與政策配套，國家高度重視對工控系統的科研投入，陸續在國家高技術研究發展計劃（863計劃）、國家科技重大專項（核高基）、國家重點研發計劃（網絡安全專項、制造技術與關鍵部件專項等）等重大項目中設立PLC項目，從PLC大規模系統、安全防護、安全可控等多個方向進行能力提升，推動PLC關鍵技術攻關與推廣應用，加快實現PLC產業的自立自強，部分PLC相關科技項目見表3。 表 3 PLC 相關科技計劃和重大專項

2 國內外PLC差距分析

隨著國產PLC在不同領域的推廣應用，國產PLC在應用技術層面取得了一定突破，但短板環節仍然存在，與國外PLC相比，在功能性能、易用性、可靠性等方面仍存在較大差距。 在功能性能方面，國外PLC主流廠商的高性能PLC產品通常采用定制的專用SoC和實時運行軟件，從底層平臺提升指令處理、數據存儲、數據交換以及控制輸出的性能。而國產PLC產品通常借用通用信息系統處理器和通用嵌入式系統，大多采用“通用CPU+軟件”的低性能低成本設計方案。由于通用處理器通常面向信息化計算機和常規嵌入式系統設計，系統繁冗，基礎軟硬件的無用功能較多，且在實時性、先進控制算法等功能方面缺乏芯片與軟件的底層支持，導致PLC專用功能研制與升級難度大，優化提升空間較小，控制效率低，性能整體偏弱。 在邏輯編程軟件方面，國外PLC邏輯編程軟件通常集成監控、驅動執行等功能，實現了工程一體化設計能力，易用性強，工程開發效率高。

國產PLC邏輯編程軟件大多采用國外通用產品CoDeSys、KW-Software或者OpenPCS等產品的內核，只考慮PLC自身的編程與開發要求，無法與其他控制系統的集成實現一體化開發，與第三方系統集成工作量大，操作復雜，易用性差，工程開發效率低。如西門子邏輯編程軟件博途TIAPortal集成了PLC編程軟件Step7、PLC仿真軟件PLCSIM以及監控軟件WinCC等，可高效配置控制點和監控點，控制變量在工程全局可用，而國產PLC與其他系統聯調則需邏輯編程軟件的控制變量點與監控變量點頻繁導入導出，實現與其他系統的交互和通信，工程效率較低。 在通信協議方面，國外主流廠商的PLC產品大多采用自主研發的通信協議，在完善的自主生態背景下，通過一網到底實現上層監控層與現場儀表和執行機構的兼容互聯。國外廠家僅將常規協議部分形成IEC國際標準或開源代碼，而不公開面向復雜應用的協議和代碼。國內PLC廠家在自主通信網絡協議研發方面能力不足，大多直接使用IEC標準或基于開源代碼的工業現場總線。

國產PLC受制于既定標準，難以修改優化協議指標，定制化開發難度大，接入執行機構需要增加轉換接口，降低了系統響應時間，經常在復雜控制應用時發現功能不足或性能不夠，導致產品拓展性和適配性受到很大的限制。 在產品型譜方面，國外主流廠商除PLC產品外，還提供譜系完善的上下游軟硬件自動化產品，可快速形成覆蓋感知、執行、控制、監控等核心產品的一體化解決方案。國內PLC廠商通常僅提供PLC產品，產品線單一，缺少配套的上下游自動化產品，型譜不完善，難以提供系統級整體解決方案，在產品技術和市場競爭層面均無法形成產品體系合力。國內的整體解決方案一般選用不同廠商的產品構建，產品接口與功能定義、質量標準等存在差異，產品間匹配性不如國外同一廠商產品，無法從系統級優化整體性能、控制效率和可靠性，同時增加了系統設計復雜度和調試難度。同時，控制系統工程師對國產產品選型時，也難以實現一站式采購。 在標準化方面，國外PLC廠商經過幾十年積累和發展，形成了較大產業規模，在占據市場優勢情況下，主導制定了覆蓋自動化系統的完善標準體系，包括控制技術、信息安全、功能安全等國際標準或行業標準，掌握了行業話語權。目前國內雖已制定了部分PLC技術標準，但現有標準基本等效采用國外標準，缺少頂層規劃，尚未形成標準體系，且受制于國外既定技術標準，導致國產PLC自主創新較少，無法通過標準引領技術發展，在市場競爭中缺乏競爭力，行業話語權弱。

3 “中國系”PLC發展思路

目前，PLC按地域可分成歐系、美系以及日系三大流派，分別在產品定位、功能性能、邏輯編程以及市場布局等方面具有不同特點。歐系PLC以西門子、施耐德為代表，美系PLC以羅克韋爾、通用電氣為代表，日系PLC以三菱、歐姆龍為代表。 針對國內外PLC發展存在的差距，結合國產PLC的發展現狀，本文提出“中國系”PLC發展思路。與PLC三大流派對應，“中國系”PLC是立足于國內市場和應用場景特點，基于國產自主軟硬件研制、具備原生安全能力、符合國內工程師使用習慣、滿足國內多樣化工控應用需求的國產PLC產品。

3.1 總體情況

歐系、美系和日系PLC產品的研發背景、應用需求和市場定位等具有明顯區別，導致三系PLC具有不同的產品特點和市場分布。歐系和美系PLC以創新為主導，功能強大，以中大型PLC而聞名，產品譜系完善。歐系PLC的功能較強，編程方式嚴謹，易用性稍弱。美系PLC注重功能實用性，功能塊多，編程方式相對不復雜。 歐系和美系PLC主要應用于重大裝備和關鍵基礎設施領域，項目型市場占有率較高。日系PLC以市場為主導，以小型PLC著稱，產品集成度高，編程方式接近傳統電氣控制，功能一般。日系PLC主要應用于中小型機電自動化設備，OEM市場占有率較高?！爸袊怠盤LC則應重點面向國防軍工、關鍵基礎設施領域應用，對標歐系PLC，兼顧日系PLC經濟型強、集成度高的特點，通過重大裝備和重點領域的帶動作用，建立國產PLC生態，然后逐漸向其他領域推廣。

3.2 市場情況

在市場分布角度，對于整體市場規模，2020年歐系PLC占比約47.4%，市場規模最大，美系PLC占比約7%，日系PLC占比約21.6%。其中，歐系和美系PLC占有中大型PLC的絕大部分市場份額，日系PLC在小型PLC市場保持較高的占有率。美系羅克韋爾、歐系西門子和施耐德占據大型PLC市場份額的76.8%。歐系西門子在中型PLC市場一支獨秀，且市場格局長期比較穩定，市場占比超過50%。日系歐姆龍、三菱和德國西門子占領了小型PLC市場份額的56%。從實現關鍵基礎設施深度國產化角度考慮，“中國系”PLC應先瞄準中大型PLC產品市場。 在產品價格角度，歐系和美系PLC以中大型PLC為主，功能更強大，產品附加值更高，因此價格較高。

特別是美系AB品牌的PLC，日系PLC以小型PLC為主，定位于經濟型產品，性價比高，價格相對略低?？紤]目前國內基礎軟硬件的生態特點、產品指標能力以及應用場景特點，“中國系”PLC價格定位于中等，低于歐美系，略高于日系PLC產品。 在行業分布角度，歐系和美系PLC以項目型市場為主，PLC產品在控制系統的集成項目中應用，隨工程整體自動化系統進行設計和實施。日系PLC以OEM市場為主，將PLC組裝到設備中，隨設備一起批量化銷售。歐系PLC具有完善的產品線、可靠的質量、成熟的渠道網絡以及優秀的解決方案能力，幾乎在所有用戶行業中都有應用，并在電力、冶金、軌道交通、汽車制造等主要領域具有強勁的競爭力和很高的市場份額，如在水電領域，幾乎被法國施耐德PLC壟斷。

美系PLC憑借其強大的功能性能以及各行業最領先的系統集成商支持，在市政、油氣、冶金、電力、制藥和食品等等市場的具有較高的市場占有率。日系PLC憑借其突出的性價比、不斷推陳出新的產品系列、較高的功能集成度，廣泛應用于幾乎所有用到小型PLC產品的OEM行業，包括食品機械、包裝機械、紡織機械、機床工具、電子制造設備、暖通空調等?！爸袊怠盤LC重點面向涉及國計民生的領域應用，包括軍用裝備、軍工制造等國防軍工領域以及電力、水利、石油石化、冶金、市政等關鍵基礎設施領域。

3.3 產品特性

歐系和美系PLC產品注重過程控制與通信控制，而日系PLC更為關注離散控制和運動控制?！爸袊怠盤LC的中大型PLC產品偏重于過程和離散控制，小型PLC側重于運動控制。 從過程控制角度，歐系PLC支持復雜的浮點運算，模擬量精度具有優勢，實現控制邏輯程序簡單，可快速、簡便地實現閉環控制PID等算法，在過程控制領域優勢明顯。日系PLC多以整型計算為主，模擬量程序編制復雜，實現復雜控制需添加專用控制模塊，成本較高。 從運動控制角度，日系PLC通常具有專用的定位指令實現伺服控制和步進運動，更容易實現復雜的動作控制，如機械臂控制。而歐系和美系PLC缺少專用的運動控制指令，需編寫復雜的程序，且控制精度不高。 從通信能力角度，歐系和美系PLC多采用開放的工業通信協議，或提供通信協議芯片，易于接入第三方設備。日系PLC的網絡協議通常較為封閉，僅支持本企業產品，難以接入第三方設備。

3.4 控制邏輯編程

歐系和美系PLC的編程更接近于計算機編程的思維。把PLC作為一種工業化的特種計算機，PLC編程借鑒了計算機編程的通用簡易手段以及計算機數據運算的簡單方式，編程更為簡潔明快。歐系和美系PLC以結構化編程為主，層次性和結構化更為完善，具有豐富的函數塊、程序塊、組織塊，方便調用和復用，可讀性較高，易于定位故障和調試。部分歐美系PLC還支持高級語言編程，如C語言等，在編寫大規?？刂瞥绦驎r優勢明顯。但PLC的指令較為抽象，編程上手有一定門檻，工程師需一定的計算機基礎知識。 日系PLC具有更多的圖形化編程理念，數據處理上大多脫離了計算機數據處理的基本存儲區概念和格式，編程直觀，易于上手。

日系PLC通常采用自上而下的單一縱向結構，包括主程序和子程序，層次型和結構化不強，很多程序需放在一起。PLC編程效率較低，結果解釋繁瑣。因此日系PLC可勝任中小型控制系統，在大型系統中編程調試繁瑣復雜，難以實現高效快速的編程和制造?！爸袊怠盤LC則應主要參考歐美系PLC編程軟件的特點，并借鑒日系PLC圖形化編程理念，實現既能滿足復雜控制場景要求，又可以直觀編程和組態。 考慮國內PLC市場特點和用戶使用習慣，在產品譜系、產品特性以及產品應用等方面，“中國系”PLC基于國產軟硬件研制，對標歐系PLC產品，一是在產品譜系上，具有完善的大、中、小型PLC產品型譜，并以中大型高端PLC為主；二是在產品特性上，具有熱備冗余、先進控制算法等高端功能，納秒級指令處理速度、微秒級同步精度等先進性能，滿足復雜場景應用需求；三是在產品應用上，先期發揮國防軍工、關鍵基礎設施等涉及國計民生的重點領域的帶動作用，形成一定生態后逐漸向其他領域推廣應用。

4 結論

本文綜述了國內PLC發展的四個階段，分別從市場現狀、產品現狀、標準以及國家頒布的相關政策和計劃等方面介紹了國內PLC發展現狀。然后，本文分析了國產PLC與進口PLC產品的差距，并結合國內現狀，提出了與歐系、美系、日系PLC對標的“中國系”PLC發展思路。 作者：林浩 ?楊政厚 霍玉鮮 ?

審核編輯：黃飛

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