工业以太网交换机行业的分析报告.docx

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工业以太网交换机行业的分析报告

2019年工业以太网交换机行业分析报告

工业以太网行业，是工业自动化行业中工业通信子行业的一个细分行业。

工业通信主要有现场总线和工业以太网这两大主流通信技术。

工业以太网是国际上最新的工业自动化控制网络通信技术解决方案，工业以太网交换机是工业以太网的核心网络设备。

一、工业以太网行业简介

1、工业自动化控制与工业通信

工业自动化是机器设备或生产过程在不需要人工直接干预的情况下，按预期的目标实现测量、操纵等信息处理和过程控制的统称。

从20世纪50年代至今，工业自动化经历了单点控制、集中控制和网络控制三个发展阶段。

工业自动化控制网络从结构上可以划分为三层：

管理层、控制层和现场设备层。

管理层又称信息层或管理信息层，主要负责搜集工业生产过程中产生的各种数据，经过分析和处理后做出整体决策。

管理层主要通过以太网连入整个网络系统中。

控制层又称监控层或过程控制层，主要负责从现场设备中获取工业数据，实现监控、优化、调度等具体的控制功能。

现场设备层又称现场层或设备层，位于工业控制网络的底层，由工业现场的各种设备组成，实现各种生产作业功能。

工业通信设备在现场设备之间，以及现场设备与控制层之间传输相关测量和控制信息，要求具有较高的实时性、可靠性、安全性以及总线供电功能等。

工业通信是工业自动化控制系统中机器与机器之间的信息传输过程。

工业通信技术随着工业自动化控制系统的演变而发展起来。

工业通信网络相当于工业自动化控制系统的神经系统，实现管理层、控制层和现场设备层之间各种信息和指令的传输。

目前，现场总线技术和工业以太网技术是工业自动化控制网络的主流通信技术解决方案。

工业通信技术的发展最初独立于商用数据通信技术的发展。

上世纪80年代末、90年代初发展起来的现场总线技术以专用的通信网络实现了底层现场设备互连、工业控制通信的全数字化、现场设备通信网络和控制系统的集成化。

现场总线技术目前在控制层和现场设备层成为最主要的通信方式。

进入21世纪以来，以太网技术开始应用于工业自动化控制网络，形成了工业以太网技术。

工业以太网采用统一的通信协议实现管理层、控制层和现场设备层的无缝连接，形成企业级管控一体化的透明全开放网络，实现工业控制通信的“e网到底”。

2、工业以太网行业的发展概况

以太网（Ethernet）出现于1975年，1982年成为IEEE802.3标准的第一版本。

1990年2月，该标准正式成为ISO/IEC8802.3国际标准。

在商用数据通信领域，以太网技术发展成为互联网的基础通信技术，导致了一场全球信息技术的革命。

以太网的成功之处在于实现了便捷的网络互连，通过以太网连接的网络和设备可以是不同类型的网络、运行不同网络协议的设备和系统，联网的设备可以方便地实现互连、互通与互操作。

进入21世纪以来，以太网技术开始应用于工业自动化控制网络。

工业以太网交换机是在商用以太网交换机（IEC8802.3标准）的基础上研制而成的，适应不同工业控制系统的功能和性能需求，适应各种恶劣环境的高可靠性数据交换设备。

2007年12月，IEC出版了IEC61158现场总线第四版国际标准，包括EPA实时以太网在内的9种类型的工业以太网进入新版标准。

它标志着工业以太网技术成为与现场总线技术并列的工业自动化控制系统网络通信解决方案。

由于以太网技术标准开放性好，应用广泛，使用透明、统一的通讯协议，以太网将成为工业控制领域唯一的统一通信标准。

工业以太网为机器与机器之间的数据通信提供了统一的网络平台，是未来物联网的重要网络基础。

工业以太网与商业以太网都符合OSI模型，但针对工业控制实时性、高可靠性的要求，工业以太网在链路层、网络层增加了不同的功能模块，在物理层增加了电磁兼容性设计，解决了通信实时性、网络安全性、抗强电磁干扰等技术问题。

目前工业以太网已逐步应用于电力、交通、冶金、煤炭、石油化工等工业领域中。

作为新兴产业，全球工业以太网行业目前正处于产业发展的导入期，最近十年的增长速度远高于互联网和现场总线的增长速度。

3、工业以太网与工业以太网交换机

（1）实时以太网和工业以太网

为满足工业现场高实时性能应用的需要，各大公司和标准组织纷纷提出各种提升以太网实时性的技术解决方案，从而产生了实时以太网。

实时以太网符合IEC8802.3标准，在逻辑链路层增加了一个逻辑调度子层，调度控制数据的收发，实现数据的实时通信。

实时以太网既保障了与商用以太网技术的兼容，又满足了工业控制现场的高实时性需求。

通常，人们习惯上将用于工业控制系统的以太网称为工业以太网。

工业以太网不仅要满足工业现场的实时性，而且还需要满足网络的快速冗余、精密时钟传输、零丢包、本质安全、高性能电磁兼容性、宽范围高低温适应性等特性。

工业以太网在IEC8802.3标准的基础上，在数据链路层的上层增加了逻辑调度模块、快速冗余模块、精密时钟模块、零丢包模块等，在物理层增加了电磁兼容性设计、本质安全设计等，满足了工业现场的特殊需求。

（2）工业以太网交换机

工业以太网交换机是构成工业通信网络的核心设备。

以工业以太网为架构的工业控制通信系统包含工业以太网交换机、工业集线器、工业传输转换模块（光电转换器）以及工业连接器、光缆、电缆等，如下图所示：

（3）工业以太网与商用以太网的关系

工业以太网通信技术来源于商用以太网。

工业以太网与商用以太网既有相同之处，又存在明显的区别。

两者的共同之处在于采用统一的IEC8802.3通信协议，可以构建互连、互通、互操作3的透明开放一体化网络。

两者的区别在于：

商用以太网单纯以传递普通信息数据为最终目的；而工业以太网用于传输工业过程中的测量及控制数据，并以引起工业自动化设备的物质或能量运动为最终目标。

工业以太网与商用以太网的关系及区别具体如下图所示：

（4）工业以太网交换机与商用以太网交换机的区别

工业以太网交换机是商用以太网技术在工业通信领域应用的结果。

工业以太网交换机与商用以太网交换机对数据的传输和交换在技术协议上兼容，两者之间存在如下差别：

4、工业以太网技术对现场总线技术的替代趋势

目前在工业自动化控制网络的控制层和现场设备层，现场总线是最主要的通信方式。

随着工业自动化控制的深化和广化，统一通信标准成为公认的发展方向，工业以太网技术将成为现场总线技术的重要替代。

（1）工业控制网络的发展需求

首先，随着工业现场设备的智能化以及控制方式由单点控制走向协同系统控制，现场设备之间需要进行实时、快速的通信，传输数据的带宽也相应由窄带转向宽带。

其次，工业控制系统由工厂自动化发展到城市公共事业自动化（如城市地铁控制系统、城市智能配电系统等），再发展到广域控制系统（如特高压智能电网控制系统、高速铁路智能控制系统等），工业控制系统日趋分散。

最后，在工业控制的上层，需要集成生产计划和控制、质量管理、跟踪能力、维护系统等功能，希望从现场设备到本地操作站、管理层的整个控制网络实现透明一体化以提高生产率，更快地评估、控制系统的每一部分，从而实现高效、实时、透明的远程运营和管理。

综上，工业控制网络正朝着宽带、实时、透明、双向、互操作的方向发展，这就需要工业控制网络具备标准化、归一化的技术特点，以实现管理层、控制层和现场设备层更好的互连、互通和互操作。

（2）现场总线技术的不足

现场总线技术（Fieldbus）是上世纪80年代末、90年代初国际上发展形成的一项工业通信技术，是安装在生产过程区域的现场设备、仪表与控制室内的自动控制装置或系统之间的一种串行、数字式、多点、双向通信的数据总线。

最近二十多年中，现场总线是现场级数据通信系统的主流解决方案。

现场总线技术尽管已有一定范围的磋商合并，但至今尚未形成完整统一的国际标准。

其中具有较强实力和影响力的现场总线技术包括FoundationFieldbus、LonWorks、Profibus、HART、CAN、Dupline等。

它们具有各自的特色，在不同应用领域形成了自己的优势，但互不兼容，这一现状一定程度上阻碍了全球工业信息化的进程。

现场总线技术的主要不足之处在于：

①管理层与控制层及现场设备层采用不同的通信协议，上下层之间通过上位机连接，无法直接通信，管理层不能直接访问控制区域的设备；

②由于国际标准推出缓慢，各类现场总线采用不同的技术，相互之间缺乏互连性和互操作性，不能实现透明连接；

③传输速率不高，缺乏对其它应用如语音、图像数据的支持能力；

④由于现场总线是专用实时通信网络，成本较高。

（3）工业以太网技术的优势

工业以太网能够提供现场总线无法提供的如下技术特性：

①将工业控制系统与办公信息化系统融合，形成一体化的透明网络；

②更宽的带宽和更大的数据包以满足越来越多的智能自动化设备的通信；

③更快速的同步实时通信以满足运动控制应用的需求；

④在更大范围内连接更多的设备并为之设置地址；

⑤主要使用以太网构造同质网络；

⑥提供新功能如制造执行系统MES、在线升级固件、远程组态及故障处理；

⑦集成现有的现场总线系统；

⑧实现更好的互操作性；

⑨可以使用标准化、低成本的以太网设备，如交换机、线缆、集线器等。

工业以太网可以构建互连、互通，以及具有更好互操作性的透明一体化工业控制网络，实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接，形成企业级管控一体化的全开放网络，实现管理层、控制层到现场设备层之间工业通信的“e网到底”，具体如下图所示：

5、工业以太网交换机的应用领域

工业以太网交换机在电力、交通、冶金、石油天然气、煤炭、船舶等行业具有日益广阔的应用前景，具体如下：

（1）在电力行业，工业以太网交换机主要应用在电网、风电、火电、核电等控制系统中，尤其是电网的变电站自动化、配电自动化、风电分布式检测控制系统、火电DCS、核电DCS系统中都有大量的应用需求。

（2）在交通行业，工业以太网交换机主要应用在高速铁路、城市轨道交通等控制系统中。

在高速铁路的应用包括信号控制系统、列车控制系统、牵引电力控制系统、隧道桥梁监控系统、防风监测系统、车内信息系统等；在城市轨道交通的应用包括车站环境控制系统、牵引电力控制系统、旅客信息系统、售检票系统、安防系统、车载多媒体系统等。

（3）在冶金行业，工业以太网交换机主要应用在冶金生产的能源管控系统、生产过程自动化系统。

（4）在石油天然气行业，工业以太网交换机主要应用在油田采油网络控制系统、输油（气）管道监控系统、集输检测控制系统、海上石油平台的综合监控系统、油田综合信息化系统等。

（5）在煤炭行业，工业以太网交换机主要应用在井下人员定位系统、井下电力监控系统、综合信息监控系统、皮带运输监控系统、瓦斯检测系统、井下数字视频监控系统、井下无线通信系统等。

（6）在船舶行业，工业以太网交换机主要应用在船舶信息管理系统，具体包括：

航海信息仪、中心监控机房、航运企业船舶管理系统、航管部门船舶查询系统以及数字电子海图等。

此外，水处理、汽车等行业对工业以太网交换机产品也有广泛的需求。

二、行业管理与主要行业政策

工业自动化利用高新技术改造传统产业，广泛应用于电力、交通等诸多行业。

各行业的自动化应用分属各行业主管部门管理。

各行业的自律组织主要包括：

中国自动化学会、中国仪器仪表学会、中国电机工程学会、中国机械工程学会机械工业自动化分会等。

支持工业自动化、现场总线及工业以太网发展的主要行业政策包括：

1、国家发改委、科学技术部、商务部、国家知识产权局于2007年1月23日联合发布《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南（2007年度）》，其中第七大类“先进制造”中第97项为工业自动化，即“大型复杂生产过程和连续生产过程所需综合自动化系统，多种现场总线标准和工业以太网并能利用互联网的综合自动化控制系统，应用现场总线技术的检测与控制仪表，高性能智能化控制器，大型传动装置用高效、节能调速系统，数字化、智能化传感器，现场总线集成的各种软件及硬件产品，智能化工业控制部件和执行机构。

”

2、科技部、财政部、国家税务总局于2008年4月14日下发的《高新技术企业认定管理办法》（国科发火【2008】172号）中，明确规定了《国家重点支持的高新技术领域》，其中在“八、高新技术改造传统产业

（一）工业生产过程控制系统1、现场总线及工业以太网技术”中，将现场总线及工业以太网技术列为国家重点支持的高新技术领域，具体内容为：

“符合国际、国内自动化行业普遍采用的主流技术标准（包括：

IEC61158、PROFIBUS、FF、DeviceNet、PROFINET、EtherNet/IP、EPA、MODBUS/TCP等）的现场总线及工业以太网技术。

”

三、行业竞争情况

1、行业竞争格局

目前参与国内工业以太网交换机市场竞争的企业可分为两类：

第一类是专业的工业以太网交换机生产厂商。

以赫思曼、摩莎、东土科技、罗杰康、卓越信通等为代表的专业厂商是国内工业以太网交换机市场的主要企业。

这类企业由于抢占了市场先机，发展速度较快，涉及行业较广，市场份额较高。

赫思曼由于在电力等行业拥有优势资源，其国内市场占有率排名第一的地位短时期内不会出现变化。

但是赫思曼产品价格偏高，未来将面临摩莎、东土科技、罗杰康等企业的挑战。

第二类是以西门子、施耐德为代表的大型系统集成商。

西门子、施耐德等系统集成商既是工业以太网交换机生产企业，又是工业以太网交换机使用企业。

虽然目前该类企业没有对交换机产品做重点推广，但依然在国内工业以太网交换机市场上有较大影响。

目前，国内工业以太网交换机市场主要由外资或台资品牌主导，前十大厂商中除东土科技外，均为外资或台资企业。

国内工业以太网交换机行业集中度较高，2009年、2010年国内市场前十大工业以太网交换机厂商的市场份额之和均超过80%。

随着国内工业以太网交换机市场的快速成长，今后几年进入该领域的企业将逐步增多，市场竞争日趋激烈。

未来一段时间内，新进企业仍会以欧美、台湾企业为主，国内企业由于技术、资金等因素限制，进入该领域仍然存在较大困难。

2、主要企业及其市场份额

前十名厂商的市场份额情况如下：

3、行业进入障碍

（1）技术壁垒

工业以太网交换机是电力、交通等行业工业通信系统的重要设备，其应用领域对于产品的技术性能、安全性和可靠性的要求非常高，往往要求相关产品通过各种高端国际认证。

企业必须掌握工业以太网交换机的核心技术，具有充分的技术储备，只有不断通过各种技术测试及认证，才能拓展相应行业的市场。

目前在国内市场上，除了赫思曼等国际企业外，国内厂商只有东土科技等少数企业取得比较全面的技术认证。

新企业在技术上达到各个行业的相关要求需要一个较为漫长的过程。

（2）业绩积累与品牌树立

工业以太网交换机应用于工业自动化系统，通常服务于一些国家重点工程项目和大型企业的重大技术改造项目。

这些重点工程和重大技术改造项目出于对产品的技术性能、安全性和可靠性的考虑，对投标厂商及其产品品牌和过往业绩有极高要求。

因此，那些在重大工程和重大技术改造项目中没有出色业绩、品牌尚未被市场认可的新企业很难在短时间内扩大市场份额。

4、行业细分市场

工业以太网交换机的应用领域主要集中于电力、石油天然气、冶金等流程行业。

2010年国内工业以太网交换机市场中来自这三个行业的份额达到了49%。

此外，工业以太网技术在轨道交通和市政行业也有较为广泛的应用，2010年来自这两个行业的份额达到了34%。

国内工业以太网交换机市场主要集中在上述五个行业中，其市场份额之和超过80%，而电力和轨道交通这两大行业的市场份额之和超过60%。

5、行业利润水平的变动趋势

工业以太网交换机厂商主要根据最终行业客户的项目需求确定产量，产销率较高且比较稳定。

未来几年，电力、轨道交通、石油天然气和冶金等行业对工业以太网交换机的需求仍将保持良好的发展势头，依然是该产品应用的主要行业，而石化、水处理、烟草等行业的需求量也将逐步增加。

由于技术壁垒和品牌效应的限制，目前工业以太网交换机厂商数量相对较少，各厂商都保持较好的利润率。

四、行业成长空间

目前，国内工业以太网交换机行业整体上仍处于产业发展的导入期，但由于在电力、轨道交通等对通信网络有特殊要求的行业得到了系统应用，成为该领域主流工业通信解决方案，在短短几年的产业导入过程中保持了快速发展的势头。

未来国内工业以太网交换机行业市场空间的成长主要来源于技术层面上工业以太网对现场总线的替代，应用层面上工业以太网向现场设备层的延伸和向非流程行业的拓展，以及市场层面上电力、交通、物联网等行业领域对工业以太网快速增长的需求。

这几方面的结合意味着未来在整个工业通信市场规模不断增长的背景下，工业以太网在工业通信市场的比重也将稳步增加。

1、工业以太网对现场总线具有技术优越性和广阔的替代空间

由于各个利益集团之间的博弈，现场总线有多个标准，并且每种总线都有国际著名自动化厂商做支撑，这使得现场总线技术的开放性和兼容性受到极大的限制，可靠性也存在隐患，对用户内部的技术管理提出了更高的要求。

工业以太网技术可以实现工业控制系统在管理层、控制层和现场设备层之间数据传输和管理技术的统一，将处于“设备孤岛”状态的生产系统连接起来，从而实现控制网络资源的共享。

工业以太网技术符合工业控制网络的发展需求，能提供现场总线无法提供的技术特性，因此成为现场总线技术的重要替代，在工业自动化系统新建、升级、改造过程中具有普遍性的需求，市场成长空间广阔。

由于工业以太网在我国的发展历史较短，目前在工业通信市场的份额还很低。

截至2010年底，中国在用的各类现场总线节点数达到1,780万，在用的工业以太网安装节点数为19.2万，仅占现场总线节点数的1.08%；当年新增现场总线节点数240万，新增工业以太网节点数5.4万，仅占新增现场总线节点数的2.25%。

尽管如此，由于工业以太网在技术层面上的优越性，其增长速度远高于现场总线。

2010年，我国在用的工业以太网安装节点数同比增长39.1%，而现场总线安装节点数同比增长15.6%。

5工业以太网的发展潜力巨大，对现场总线有着广阔的替代空间。

2、工业以太网向现场设备层的延伸将带动交换机的市场需求

尽管我国引入工业以太网的历史还很短，但由于具有应用广泛、成本低廉、通信速率高、软硬件资源丰富、开放兼容性高、带宽充足、易于互联网连接，能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无缝集成等优点，工业以太网在实际应用过程中已成为工业自动化系统中管理层和控制层的首选，并呈现出向下延伸、直接应用于现场设备层的趋势。

现场设备层对工业以太网交换机的需求远高于管理层和控制层的需求。

随着国内工业自动化的不断发展，以及工业以太网技术在现场设备层的应用普及，工业以太网交换机的市场需求将进一步扩大。

3、工业以太网向非流程行业的拓展将提升在工业通信市场的份额

在我国，现场总线技术主要在机械配套、冶金、建筑、汽车、水处理、公共设施等行业有着较为广泛的应用。

现场总线技术主要应用在非流程行业，在电力、石油、化工等流程行业的应用相对较少。

目前国内工业以太网在电力、石油天然气等流程行业以及轨道交通行业得到广泛应用。

整体而言，目前工业以太网和现场总线的应用分别侧重于流程行业和非流程行业。

工业以太网在电力等流程行业取得长足发展和宝贵经验的同时，也在不断拓展自己的应用领域范围，逐步向非流程行业拓展，目前已在轨道交通、市政等非流程行业取得了较好的成绩。

未来由于技术先进性，工业以太网还将逐步渗透至现场总线现有占优势的领域，进一步扩大行业应用范围，提升在工业通信市场的份额。

4、国家加大对电力、交通等领域基础设施的投入

电力和轨道交通是目前工业以太网交换机应用的主要行业。

2008年金融危机后国家逐步加大了对电力、交通等领域基础设施的投资力度，为工业以太网交换机行业的发展带来广阔的市场空间。

（1）电力行业

电力行业的投资可分为电网建设和电源建设两部分。

根据中国电力企业联合会发布的《电力工业“十二五”规划研究报告》，未来十年我国电力投资总额高达11.1万亿元，其中“十二五”期间全国电力工业投资将达到5.3万亿元，比“十一五”期间增长68%。

①电网建设

智能电网是新能源产业的重要组成部分，而新能源产业是我国七大战略新兴产业之一。

《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》将智能电网建设上升为国家战略，指出要“依托信息、控制和储能等先进技术，推进智能电网建设，切实加强城乡电网建设与改造，增强电网优化配置电力能力和供电可靠性。

开展智能电网建设试点，改造建设智能变电站，推广应用智能电表，配套建设电动汽车充电设施。

”

工业以太网交换机在智能电网建设中主要有两大应用领域：

数字化变电站和配网智能改造。

数字化变电站需要使用高等级的网管型工业以太网交换机来完成通信工作，目前国内的数字化变电站已经基本完成试点阶段，后续市场空间较大。

实现中低压配电网自动化已成为电力系统发展的趋势。

2010年国务院决定实施新一轮农村电网改造升级工程，其重点就是改造升级农村中低压配电网。

工业以太网交换机在配网过程的通信系统中也发挥着举足轻重的作用。

以变电站为例，《IEC61850：

变电站通信网络和系统系列标准》是全世界唯一的变电站网络通信标准。

IEC61850将变电站通信体系分为三层：

变电站层、间隔层和过程层。

在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到制造报文规范MMS、TCP/IP以太网或光纤网；而在间隔层和过程层之间的网络采用单点向多点的单向传输以太网。

IEC61850标准决定了变电站必须采用工业以太网技术以实现网络通信，因此工业以太网交换机在智能电网建设中不可或缺，而这也是工业以太网交换机在电力行业应用最为广泛的一个重要原因。

我国智能电网发展将以坚强网架为基础，以通讯信息平台为支撑，以智能调控为手段，包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度六大环节，覆盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化。

根据国家电网公司的规划，2011年至2015年为我国智能电网的全面建设阶段；2016年至2020年为我国智能电网的引领提升阶段，将全面建成统一的坚强智能电网，技术和装备全面达到国际先进水平。

根据《电力工业“十二五”规划研究报告》，未来十年我国电网投资总额高达5.4万亿元，占电力总投资的48.65%。

大规模的电网建设将给工业以太网行业带来持续、旺盛的市场需求。

②电源建设

工业以太网交换机在火电、水电和风电等发电领域也有着广泛的应用。

火力发电系统包括主控系统和辅助系统两大部分，前者包括锅炉控制系统、电气控制系统、热机控制系统；后者包括水、煤、灰等供应控制系统。

在火电厂，随着电力现场设备的增多及其自动化过程的复杂化，对辅网控制系统设备的数据采集与监控的要求也日益严格。

火力发电系统的传输网络可采用工业以太网交换机组成双星型或双环型网络，为火电厂的控制系统提供可靠的网络保障。

水力发电系统包括主控系统和辅助系统两大部分，前者包括水轮机控制系统、电力监测系统；后者包括大坝监测系统、水位监测系统、库区气象系统。

工业以太网交换机主要负责主控室、调度系统等的网络冗余通讯，可以将水轮机的状态信息、电力监测信息、大坝的渗漏信息、大坝的位移信息、水位信息、气象信息等联网，并通过互联网传送到电网控制系统中。

风力发电系统中，风机的各种检测传感器将振动、转速、风向、风桨位置、电力等信息通过工业以太网传送到控制中心，然后再通过公共网络传送到上级控制系统。

风力发电近几年在中国快速成长，是工业以太网交换机在电力行业应用的一个新市场。

随着风力发电场的大量建设，风场变电站监控系统、视频安防系统和风力发电机组远程监控系统都会用到大量的工业以太网交换机。

根据《电力工业“十二五”规划研究报告》，未来十年我国电源投资总额高达5.7万亿元，占电力总