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紫金港资本 | 万物互联之工业以太网行业研究
在当今快速发展的工业自动化领域，通信技术扮演着至关重要的角色。工业以太网，作为连接现代工业系统的关键技术之一，已经成为实现设备智能化、网络化和提高生产效率的重要工具。
随着第四次工业革命的兴起，工业4.0的概念深入人心，工业以太网技术的研究与应用更是成为了学术界和工业界的热点话题。
工业以太网是基于标准以太网技术的扩展，它不仅继承了传统以太网的高速数据传输能力，还针对工业环境的特殊需求进行了优化和增强。在工业环境中，设备往往面临着极端温度、高振动、强电磁干扰等恶劣条件，这对网络设备的稳定性和可靠性提出了更高的要求。
此外，工业以太网还需满足实时性、确定性和高可靠性的需求，以保证生产过程的连续性和可控性。
工业网络的发展历程经历了计算机集中控制系统、集散控制系统以及现场总线控制系统的三个重要阶段。
数据来源：贾东耀，汪仁煌《工业控制网络结构的发展趋势》,梁晓辉，黄骅，张骥等《工业网络新技术研究与趋势展望》,西南证券整理
其中，工业以太网作为第三代工业通信技术，凭借其高带宽和低时延的显著优势，正逐步取代工业现场总线，成为工业控制系统中主流的通信技术。
工厂内网主要包括工业现场的生产网络（OT）以及信息网络（IT）。OT以工业控制网络为主，IT以工厂信息系统及办公网络为主。
进入21世纪，信息技术的快速发展促使IT与OT之间的信息交互模式发生了显著变革。
由于OT与IT数据网络的传输协议有所差异，数据集成存在困难，无法满足工业互联网大趋势下多种业务彼此协同、共网传输的需求，二者的融合发展十分关键，工业以太网作为一种解决OT与IT互联互通的方案在工厂内网架构中被大量应用。
数据来源：曾梦妤，甘露，张迪等《以数字电网促进新型电力系统IT与OT融合的思考》，王峰，于青民，黄颖等，《工业互联网网络关键技术与发展究》,西南证券整理
展望未来，工业网络将继续朝着5G、TSN（Time-Sensitive Networking时间敏感网络）、APL（Ethernet Advanced Physical Layer以太网高级物理层）等新型网络技术方向持续演进，以适应日益复杂多变的工业应用需求。
神秘的工业以太网到底是什么？
工业互联网、工业网络、工业物联网、工业以太网 到底“网”住了谁？
工业互联网、工业物联网和工业以太网是工业自动化和智能制造领域中的三个相关但不同的概念。
工业互联网是新一代信息通信技术与工业经济深度融合的新型基础设施、应用模式和工业生态。
它通过对人、机、物、系统等的全面连接，构建起覆盖全产业链、全价值链的全新制造和服务体系。
工业互联网为工业乃至产业数字化、网络化、智能化发展提供了实现途径，是第四次工业革命的重要基石。
工业网络是在工业环境中部署的通信网络，它可以包括有线（如工业以太网）和无线技术，用于连接工业设备和系统，实现数据的传输和控制命令的下达。
数据来源：智能制造之家，陈尚文《现场总线标准的发展与工业以太网技术D, 西南证券整理
据HMS统计数据显示，2018年工业以太网首次实现了对传统现场总线的超越，标志着其在工业通信领域的地位显著提升。
到了2023年，工业以太网的市场份额进一步攀升至68%，而现场总线则降至24%，进一步凸显了工业以太网在工业通信领域的主导地位。
资料来源：HMS，上海证券研究所
工业物联网是物联网技术在工业领域的应用，它通过将具有感知、管控能力的各类传感器、控制器等设备通过物联感知和通信技术融入到工业生产过程。
目的是实现工业生产的智能化，提高生产效率，降低成本，优化资源配置。
工业物联网侧重于设备的互联互通和数据的收集、分析与应用。
工业以太网是一种局域网技术，主要用于工业自动化领域。
它基于标准的以太网技术，但针对工业环境的高可靠性、实时性和抗干扰性进行了优化。
工业以太网常用于连接工业控制系统中的各种设备，如PLC（可编程逻辑控制器）、传感器、执行器等，实现设备间的通信。
总的来说：
工业以太网是工业网络的一部分，提供了工业网络所需的通信基础设施。
工业网络是工业物联网的基础，为物联网设备提供连接和数据传输的途径。
工业物联网是工业互联网的一个关键组成部分，通过设备互联实现数据的收集和初步分析。
工业互联网则是一个更宏观的概念，它利用工业物联网收集的数据，结合其他信息技术，实现全面的智能化和优化。
以上共同构成了智能制造和工业4.0的基础，它们相互依赖、相互促进，共同推动工业领域的数字化转型。
以太网——工业以太网——实时工业以太网 是某种“套娃”吗？
以太网是大家熟悉的“老朋友”，但工业以太网的“工业”这一前缀的添加却并非随意之举。
在工业网络体系中，以太网技术已在监控层级得到广泛应用。然而，在围绕PLC的核心控制层级通信领域，长期以来，我们仍受限于传输速率偏低、仅达数十兆级别的现场总线技术。为应对这一挑战，业界相继推出了CANopen、Modbus、PROFIBUS、DeviceNet、CC-Link等一系列近十种国际标准。
然而，这些标准在实践中暴露出明显的不兼容问题，通讯速度缓慢，带宽有限，不仅制约了数据传输效率，也增加了安装实施和维护的难度。同时，保持线性拓扑结构的要求、对电平信号和线缆标准的严格规定，以及阻抗匹配、接地和屏蔽等复杂问题，都使得这些标准的实际应用变得异常繁琐。
相比之下，以太网技术以其高带宽、高速度以及广泛的硬件支持性，展现出了巨大的优势。以太网技术起步于10M速率，百兆已成为标配，千兆速率也触手可及。其数据包容量大，支持自协商和自交叉功能，使得网络搭建和维护变得更为简便高效。在调试和诊断环节，只需在PC端安装免费的Wireshark软件，即可轻松实现报文的记录与分析，极大地提升了工作效率。
尽管以太网技术具有诸多优势，但考虑到工控领域对技术严谨性和可靠性的特殊要求，特别是在直接应用于工业现场的控制网络中，必须对以太网及上层技术进行针对性的改造和优化，以满足工控领域的特殊需求。
1.环境适应性：工业以太网需要适应更加恶劣的工业环境，如极端温度、湿度、振动和电磁干扰等。因此，工业以太网设备必须具备出色的物理强度和故障恢复能力。
2.实时性和确定性：工业以太网对数据传输的实时性、确定性有更高的要求。在工业控制系统中，事件发生后，系统必须在一个可准确预见的时间内作出反应，这要求数据传输具有低延迟和高可靠性。
3.可靠性：工业以太网要求高可靠性，能够在恶劣的工业环境下稳定运行。为此，工业以太网采用了冗余机制、错误检测与纠正、网络管理等技术手段。
4.网络拓扑：工业以太网支持多种网络拓扑结构，如星型、环形、总线型等，可以根据实际应用的需求选择适合的网络结构。
5.高带宽：工业以太网提供高带宽的通信能力，以满足大量数据传输的需求，支持复杂的控制和监控系统。
6.灵活性：工业以太网具有较强的灵活性，可以适应不同规模和复杂度的工业自动化系统。它支持多种通信协议和设备接口，能够与其他工业网络进行互联。
7.安全性：工业以太网注重数据的安全性和网络的保护。通过加密技术、身份认证和访问控制，工业以太网可以防止未经授权的访问和数据泄露，确保工业网络的安全性。
8.管理和诊断：工业以太网提供了强大的管理和诊断功能，便于工程师对网络和设备进行监控和维护。通过中央管理系统和诊断工具，可以实时监测网络状态和设备运行情况，及时发现和解决问题。
为了提高实时性能，实时以太网技术被引入，它通过特定的通信协议和网络配置，确保了数据传输的低延迟和可预测性：
1.实时性能：实时以太网提供了低延迟和可预测性，确保数据在规定的时间内传输，支持对时间敏感的应用；
2.通信协议：使用特定的通信协议，如Profinet、EtherCAT、Modbus TCP、POWERLINK等，这些协议对实时数据传输进行了优化；
3.高可靠性：实时工业以太网技术通过冗余、错误检测和纠正机制，提高了网络的可靠性；
4.确定性：与标准以太网相比，实时工业以太网提供了更高的确定性，减少了因网络延迟带来的不确定性；
5.兼容性：虽然专为工业环境设计，但实时工业以太网通常与商用以太网技术兼容，便于集成和扩展。
实时工业以太网的发展和应用，体现了工业4.0时代对网络化、智能化和自动化的不断追求，它通过提供高度可靠的实时通信，为工业生产带来了更高的效率和灵活性。
不同工业设备制造商的推动下，多种不同的工业以太网协议呈现出了百家争鸣的局面：
现在的工业以太网协议并没有统一的标准，每种协议都各有利弊。随着工业自动化的发展，将来工业以太网协议有望不断发展融合，适应工厂设备的连网和自动化。
工业以太网相关政策导向与市场规模概况
工业互联网是新型工业化的战略性基础设施，相关政策持续出台：
《工业互联网创新发展行动计划（2021-2023年）》：该行动计划由工业和信息化部发布，旨在推动工业互联网的创新和发展。
《工业互联网网络建设及推广指南》：由工业和信息化部于2018年12月29日发布，该指南提出了工业互联网网络建设的总体要求、工作目标、标准制定等，对工业以太网的建设和推广具有指导意义。
《“十四五”数字经济发展规划的通知》：中国政府网发布的规划中提到了加快建设信息网络基础设施，包括工业互联网的发展。
习近平总书记针对推进新型工业化作出重要指示：要把高质量发展的要求贯穿新型工业化全过程。工业互联网作为新工业体系的“核心平台”，在构建新型工业化体系的过程中，将率先承享发展的丰硕成果。
为了深入推动工业互联网与新型工业化的融合发展，2023年11月，工信部正式发布了《“5G+工业互联网”融合应用先导区试点建设指南》。该指南鼓励各地以城市（地级及以上城市）为单位，积极开展先导区试点建设工作。在此过程中，各地将加大政策支持力度，为试点建设提供有力保障。
2023年12月28日，国家标准化管理委员会又发布了《工业互联网平台应用实施指南》系列共5项国家标准。这些标准与已发布实施的《第1部分：总则》相配套，共同构成了工业互联网平台应用的完整标准体系，为企业基于工业互联网平台构建新模式提供了科学、实用的方法指南。这些标准的发布，将进一步推动工业互联网的规范化、标准化发展，为新型工业化进程提供坚实支撑。
中国工业互联网市场规模稳步增长，产业增加值占GDP比重不断上升。据前瞻产业研究院统计，2018、2019年中国工业互联网市场规模分别达到5318、6110亿元，预计2025年将突破1.27万亿元，2020-2025年均复合增长率约为 13%。
资料来源：前瞻产业研究院，上海证券研究所
工业以太网作为工业互联网核心组成部分，随着工业互联网的快速增长，带动国内工业以太网市场规模增长明显。
根据智研咨询、engineering china数据，预计2026年我国工业以太网市场规模将达到395.7亿元2019-2026年复合增长率预计将达到24%。
交换机（Switch）意为“开关”，是一种用于电（光）信号转发的网络设备，是工业以太网中核心的硬件设备。中国工业以太网交换机正处在生命周期的成长期，广泛应用于交通出行、电力工程、冶金工业、煤炭、石油化工、水处理等领域。
依据Frost&Sullivan的行业分析，从2005年起，中国工业以太网交换机市场的需求发生大幅上升。2008年，中国工业以太网交换机市场规模达5.4亿人民币，将在未来都以26.2%的增长速度维持上升（2008-2013年的CAGR为26.2%）。
以太网交换机设备由芯片（交换芯片、CPU、PHY）、PCB、光器件、插接件、阻容器件等组成。
资料来源：www.elecfans.com
交换机市场格局方面，全球市场思科为绝对龙头，占据近50%份额，其余海外厂商包括Arista、HPE、Juniper。国内交换机主要厂商包括：华为、新华三(紫光股份）、锐捷网络、中兴通讯、智微智能、菲菱科思、共进股份。
紫光股份：ICT基础设施及服务提供商，产品包括服务器、路由器、交换机、存储产品、IDC整机柜系统等。
盛科通信：国内以太网交换芯片龙头厂商。
锐捷网络：主营网络设备、网络安全产品，产品包括交换机、路由器、无线产品、网络安全产品。
菲菱科思：网络设备ODM/OEM生产商，产品包括交换机、路由器、无线产品等。
沪电股份：国内服务器、交换机PCB龙头厂商，以通信设备、服务器、汽车电子为核心领域。
其中工业以太网交换芯片、工业以太网PHY芯片是太网交换设备核心部件，同时也是亟待国产化的芯片领域。
（1）工业以太网交换芯片
根据中金企信国际咨询资料，全球以太网交换芯片市场总体规模在2016年为318.5亿元人民币，预计到2025年将达到434.0亿元人民币，2020-2025年的年均复合增长率为3.4%。而中国商用以太网交换芯片市场规模在2016年为54.1亿元人民币，2020年达到90.0亿元人民币，预计到2025年将达到171.4亿元人民币，2020-2025年的年均复合增长率为13.8%。
根据观研天下发布的报告，销售额计，2016-2020年我国商用工业用以太网交换芯片总体市场规模从1.0 亿元增长到 1.4 亿元，年均复合增长率为 9.6%；预计至 2025 年我国商用工业用以太网交换芯片总体市场规模将达到 2.3 亿元。
目前，以太网交换芯片领域的市场格局呈现出高度集中的特点，少数几家企业占据了绝大多数的市场份额。
作为全球以太网交换芯片领域的领军企业，博通凭借其卓越的产品性能，在超大规模的云数据中心、高性能计算（HPC）集群以及企业网络市场占据显著的市场份额，成为行业的全球领导者。
由于以太网交换芯片行业具备较高的技术门槛、客户粘性以及资金投入要求，目前行业整体国产化水平较低，国内参与厂商数量相对有限。
在自用以太网交换芯片市场方面，华为和思科是主要的参与者。据相关资料显示，2020年我国自研以太网交换芯片市场中，华为和思科分别以88.0%和11.0%的市场占有率位列前两位，两者合计占据了高达99.0%的市场份额。
而在商用以太网交换芯片市场，2020年我国商用以太网交换芯片市场的竞争格局同样显著。博通、美满和瑞昱分别以61.7%、20.0%和16.1%的市场占有率位列前三甲，三者合计占据了97.8%的市场份额。其中，盛科通信以1.6%的市场份额位列第四，成为在中国商用以太网交换芯片市场中表现最为突出的国内厂商。
（2）工业以太网PHY芯片
PHY（以太网物理层芯片）的主要作用是模拟信号和数字信号的转换。
根据IDC《Data Age 2025》报告预测，全球每年产生的数据将从2018年的 33ZB增长到2025年的175ZB，相当于每天产生491EB的数据。
根据中国汽车技术研究中心有限公司的预测数据，2021年全球以太网物理层芯片市场规模约为120亿元，2022年-2025年，全球以太网物理层芯片市场规模预计保持25%以上的年复合增长率，2025年全球以太网物理层芯片市场规模有望突破300 亿元。
市场研究未来（MRFR）称，预计到2026年，全球以太网PHY芯片市场的价值将达到142.171亿美元，达到10.3%的复合年均增长率。
HMS Networks现发布了对工业网络市场的年度分析，重点关注全球工厂自动化中的新安装节点。工业以太网以10%的速度增长，持续占据市场份额。2022年工业以太网目前占全球工厂自动化新安装节点市场的66%(去年为65%)。
2022年全球工业以太网市场规模达2370.22亿元（人民币），中国工业以太网市场规模达937.9亿元，据贝哲斯咨询预测，2028年全球工业以太网市场规模将增长至4841.71亿元， 2022-2028预测期间CAGR将达到12.54%。
MRFR称到 2026年工业自动化以太网PHY芯片复合年均增长率可能达到11.9%，达到24.461亿美元。
PHY 芯片技术门槛非常高，芯片设计时需要数模混合，既包含了高速ADC/DAC、 高精度 PLL 等模拟设计，也需要滤波算法和信号恢复的DSP设计能力，目前国外仅恩智浦（高通收购）、博通、美满电子、瑞昱、微芯、德州仪器六家供应商能够实现量产。
国内布局PHY芯片的厂商也不少，目前境内仅少数厂商能够大批量供应多速率、多端口的以太网物理层芯片。国内具备量产能力的有裕太微、景略半导体。
国外高通、博通，国内裕太微、景略半导体都是Fabless模式。
中国集成电路起步较晚，错失了早期 IDM 模式发展的黄金阶段，因此对于中国集成电路设计企业而言，采用资产较轻、成本较低的Fabless 模式更有利于集中比较优势从而实现弯道超车。
AI+赋能工控网络领域新未来
AI+工业互联网模式以工业互联网的数据资源的泛在连接能力为基础支撑，发挥AI边缘设备层、平台层以及应用层等多个领域的高级计算、智能分析价值，有助于生产与服务资源在更大范围内精准、高效配置，传统工业AI主要在故障检测、预测性维护等方面发挥重要作用。
生成式人工智能工业领域落地趋势明显。
1)生产流程优化：AI可以通过分析来自生产线的大量数据，帮助企业优化生产流程，提高效率。例如，通过机器学习算法分析生产数据，可以预测生产瓶颈并提前进行调整。
2)预测性维护：利用AI对设备状态进行实时监控，通过分析设备传感器数据预测潜在的故障，减少意外停机时间，提高设备的可靠性和维护效率。
3)智能监控系统：AI可以集成到工业以太网中，实现对生产环境的智能监控，包括安全监控、质量控制等，通过视频分析等技术及时发现生产过程中的异常情况。
4)自动化和机器人技术：AI使机器人能够处理更复杂的任务，例如，通过AI培训，机器人可以识别并处理新型材料，甚至是未加工的家禽，提高生产的灵活性和自动化程度。
5)数字孪生技术：结合工业以太网，AI可以创建数字孪生模型，即虚拟副本，用于模拟和测试不同的生产场景，优化产品设计和制造流程。
6)网络性能优化：针对生成式AI等高性能应用，NVIDIA推出的Spectrum-X以太网网络平台，利用AI技术优化网络性能，满足AI基础设施的高性能需求。
7)工业互联网：AI与工业互联网的融合，推动了智慧能源综合管理和设备预防性维护等应用，成为建设制造强国和数字中国的重要技术支撑。
8)云服务和边缘计算：AI在工业以太网中的应用还包括云服务和边缘计算，通过在网络边缘处理数据，减少延迟，加快决策速度，提高响应能力。
据赛迪顾问《AI+工业互联网平台市场研究》显示，在电子信息制造、装备制造和石油化工行业，AI+工业互联网平台的行业渗透率仅达到 10.5%\8.6%\8.5%。
我们认为，随着AI+工业互联网的深入融合与发展，其渗透率将逐渐提升，进而推动工业互联网产业不断实现长期且稳定的增长。
我们也期待着AI+工业互联网的融合不仅将带来技术层面的革新，更深刻影响工业互联网产业的商业模式、运营管理和价值创造，促进产业链的协同与创新。
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