2019-2020智能制造系统全景图.pptx

,2020年2月24日,智能制造系统全景图机械/计算机/电新/通信,2019-2020智能制造系统全景图,智能制造系统全景图,通信系统,有 线 通 信,无 线 通 信,执行生产并实时数据,下达生产指令,目录 Content,工业4.0智能制造概述典型的智能制造系统市场规模和竞争格局 要点总结及风险提示,制造业升级，大国行动刻不容缓,美、日、德、中四国制造业发展战略,制造业升级是所有制造业大国面临的共同课题：（1）如何将高毛利留住的同时，将制造业 留在本国；（2）如何保持自身制造业的优势，而不是转变成劣势；（3）如何克服逐渐升高 的人力成本。各国高度重视，均有相应战略出台：（1）美国，先进制造业国家战略计划，工业互联网革 命（GE提出）；（2）日本，工业价值链计划；（3）德国，工业4.0战略；（4）中国，中国 制造2025。核心都是通过数字化的转型，提高制造业的水平。,中国制造2025：2025年制造业重点领域全面实现智能化,2015年5月19日，中国制造2025：为中国制造业未来10年设计顶层规划和路线图，实现 中国制造向中国创造、中国速度向中国质量、中国产品向中国品牌三大转变。2014年10月10日, 中德合作行动纲要：共塑创新：工业4.0对于未来中德经济发展具有 重大意义，该进程应由企业自行推进，两国政府应为企业参与该进程提供政策支持。,紧密围绕重点制造领域关键 环节，开展新一代信息技术 与制造装备融合的集成创新 和工程应用。到2020年，制造业重点领域智能化水平显著提升，试点,示范项目运营成本降低30%，,产品生产周期缩短30% ， 不,良品率降低30% 。到2025 年，,制造业重点领域全面实现智 能化，试点示范项目运营成 本降低50% ， 产品生产周期 缩短50%，不良品率降低50%,中国制造2025,新一代信 息技术,生物医药 及高性能 医疗器械,新材料,农机装备,电力装备,节能与新 能源汽车,先进轨道 交通装备,海工装备,航空航天 装备,高档机床 和机器人,中国制造2025的十大领域和五大重点工程,国家制造业 创新中心建设,智能制造,工业强基,绿色制造,高端装备创新,智能制造发展的三大背景：人力成本上升，制造业动能走弱，创新周期缩短,我国制造业平均工资(元/年),不 断 上 升 的 人 力 成 本 ：2018年我国制造业平均工 资为6.46 万元/年， 2013-,不断放缓的制造业增长动 力： 上一个阶段中国的快 速发展， 受益于全球制造 业分工中的制造业转移， 中国制造业占全球GDP的比,例快速上升。2010 年之后，,我国的制造业增长逐渐趋 缓，制造业对GDP增长的贡 献率逐渐走低。,不断缩短的产品创新周期：,各国布局科技创新，抢占 高附加值环节，创新周期 不断缩短。,0%,1%,2%,3%,4%,5%,中国制造业GDP占全球GDP的比例 %,我国各产业对GDP增长的贡献率,60000550005000045000400003500030000,2018 五年复合增长率8.5%。 65000,70000,我国制造业平均工资 年 元,我国制造业平均工资 年 元,中国制造业占全球GDP比例(%),1009080706050403020100-10,GDP累计同比贡献率:第二产业 季 %,GDP累计同比贡献率:第一产业 季 %GDP累计同比贡献率:第三产业 季 %,1784年，瓦特发明 蒸汽机用于织布机,1866年，西门子发 明大功率发电机,1969年，第一个可 编程逻辑控制器， Modicon084,2012年，德国产业 经济研究联盟提出CPS概念,最具历史观的定义：工业4.0,工业4.0是最具历史观的概念：历史上共发生过3次工业革命，分别以机械化、电气化、自动 化为主要特征。三个工业阶段被称为工业1.0，工业2.0，工业3.0，工业4.0时代正在到来。工业4.0不仅仅是工业3.0 的延续：计算机的发明，及在工业中的应用，已经可以实现生产 环节的自动化，即工业3.0，但它主要强调中枢控制单元对运动单元的控制能力，对运动单 元对中枢控制单元的反馈和反应、各运动单元之间的交流较少触及，因此必然无法生成决策。从从业1.0，到工业4.0,第一次工业革命 机械化,第二次工业革命 电气化,第三次工业革命 自动化,第四次工业革命 智能化,工业4.0的核心概念之一：CPS，信息物理融合系统,信息物理融合系统：CPS，Cyber-Physical System，由具备物理输入输出，且可相互作用的 单元组成的网络。强调各硬件单元之间的相互交流，进一步的，可由交流衍生出决策。工业3.0和工业4.0区别在于自动决策的层级：工业3.0中，控制单元仅对动作的执行做控制， 人仍要向控制单元发出指令；工业4.0中，软件将替代大部分人类的决策过程，由中枢控制 软件向受控单元网络发出指令，安排资源调配、时间分配等，并接受受控单元网络的反馈。各个阶段物理空间和信息空间之间的关系工业4.0工业3.0工业2.0工业1.0,工业4.0的核心概念之二：PLM，产品全生命周期管理,利用软件系统对产品的全生命周期进行协同管理,产品全生命周期管理：PLM，Product Lifecycle Management，对一个产品的整个生命周期 进行管理，从最初的生产设计和生产规划，到生产工程的建设和生产（包括物流），再到产 品的使用和服务。PLM是一种企业信息化的商业战略：它实施一整套的业务解决方案，把人、过程和信息有效 集成在一起。,生产 规划,生产 工程,生产,服务,生产 设计,软件,数据,算法,目录 Content,工业4.0-智能制造概述典型的智能制造系统 市场规模和竞争格局 要点总结及风险提示,典型的智能制造系统：信息空间、物理空间、通信系统,通信系统,有 线 通 信,无 线 通 信,执行生产并实时数据,下达生产指令,附注：典型的智能制造系统中部分英文缩写专有名词解释汇总表,典型的智能制造系统由3大部分组成，分别是信息空间、物理空间、通信系统：信息空间：由数据库和工业控制软件两部分组成，它们共同的特点是，它们的存在和呈现依附于实物（比如说计算机和硬盘），但它们的变化并不依托于实物的运动。工业控制软件：在现阶段，主要起到辅助人类梳理信息、做出规划和决策、并发出指令；数据库：一切有效决策必然是基于已知信息，信息、基础设施和规则，构成了数据库。物理空间：主要是指用于工业加工的设备及其他硬件，多数自动化设备不仅包含执行运动的 单元，也包括PLC、传感器等非运动单元，此二者常集成在设备上，其中PLC负责控制设备的 运动，在功能上PLC等是信息空间的一部分；传感器负责生产过程中的信息采集，功能上是 通信系统的一部分。通信系统：工业4.0和工业3.0相比，最重要的特点之一，就是不仅软件和设备之间可以进行 信息的交流，软件与软件之间、硬件与硬件之间，也存在信息的交流。通信系统是信息传递 和交流所依赖的载体，按照通讯范围常用的通信方式包括内网、局域网、外网等。通信系统 也包括一些硬件的基础设施，包括路由器、电缆/光缆、信号发生器/接收器等。内网：仅能实现系统内各单元之间的相互通信；外网：可实现与系统外（包括市场、其他公司等）的相互通信；局域网：允许系统访问外网，但不允许外网访问系统。信息空间+物理空间+通信系统=完整的CPS系统,典型的智能制造系统：信息空间、物理空间、通信系统,智能制造系统：巧合的仿生学,数据库,软件,通信系统,大脑,记忆,思考,运动控制,小脑,四肢,神经纤维,信号采集,人体系统,智能制造系统,神经末梢,运动/劳动,智能制造系统：巧合的仿生学,典型的智能制造系统的基本结构与人体系统有很 强的相似性，智能制造系统是在工业1.0、工业2.0、工业3.0的基础上逐步演化而来，所以整体 的仿生学设计可能并不存在。这种相似性也许是 由于人类认知的局限导致的。,数据库类似于大脑的记忆功能：已 知的信息，无论对于智造系统来说， 还是对于人体来说，都是做出决策 的基础。,工业软件类似于大脑的思考决策功 能：工业软件主要是基于已有数据 信息，辅助人类梳理信息、做出规 划和决策、并发出指令。,通信系统类似于神经纤维：人类的 神经纤维主要起到传输人类大脑和 各肢体器官中的电信号的作用，肢 体器官靠电信号向大脑反馈感觉， 大脑靠电信号向肢体发送指令。,智能装备类似于人的躯干：当前常 用的机械手，无论是外部形态和内 部结构，都与人类手臂有很大相似 性。,典型的智能制造系统结构,大脑思考VS工业软件,就像人类大脑的不同区域，有语言、动作、情感等不同分工一样，智能制造的过程也涉及不 同的功能板块，对应的由不同的工业软件进行管理，常见的工业软件包括PLM、ERP、MES、WMS、PDM、SCM、CRM、SCADA等，整个软件系统大体分为三个层次：规划层（企业层）：PLM为基础，ERP为核心，制定总的生产计划，负责资源的调配，并将生 产计划的命令下达给操作层；由于PLM涉及研发过程，通常PLM平台上会集成CAD等研发类软件。操作层（车间层）：以MES为核心和平台，集成所有生产中所需要的功能操作模块，包括 SCADA、WMS等，分解和细化规划层下达的生产计划，将生产命令下达给控制层。控制层（终端层）：以PLC为代表，是集成了软件的硬件，接受操作层的指令，并直接控制设备运动。控制层不是完全的软件，也是硬件设备的一部分。规划层、操作层、控制层之间的关系主要工业软件所在的坐标轴,规 划 层,操 作 层,命令,命令,反馈,反馈,控 制 层,设 备,命令,反馈,工业软件：数字孪生，打破物理空间和信息空间的界限,随着智能制造的发展，越来越多的新理念开始出现，如数字孪生技术等，物理空间和信息空 间的界限正在逐渐弱化。数字孪生车间主要由物理车间、虚拟车间、车间服务系统、车间孪生数据四部分组成。,数字孪生系统示意图,物理车间,虚拟车间,大脑的运动控制VS设备运动控制器（以PLC为代表）,运动控制：运动控制指通过对电动机电压、电流、频率等输入电量的控制，改变工作机械的 转矩、速度、位移等变量，使得工作机械按照人们的期望运行。运动控制器分为三类：运动控制器是绝大多数智能装备的大脑。运动控制器分为三类：PLC、专用控制器和PC-Based 运动控制器。运动控制器的主要类型,大脑记忆VS数据库,数据库是“按照数据结构来组织、存储和管理数据的仓库”。是一个长期存储在计算机内的、,有组织的、有共享的、统一管理的数据集合。每一种工业软件对应的都有自己的数据。云技术的诞生和发展，使得工业软件和数据库的基础设施变成了一种公共设施，大大降低了 企业的成本，有力的促进了工业软件和数据库技术在工业中的应用。,用友网络的云平台架构示意图,IaaS ： Infrastructure as a Service，这种云平台只将IT基 础设施作为一种服务通过网络 对外提供,PaaS：Platform as a Service， 把服务器平台作为一种服务。,SaaS：Software as a Service，通过网络提供软件服务。,根据服务内容不同，云平台可 分为三类：,神经末梢感受器VS传感器,传感器是一种检测元件，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成 为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制 等要求。是实现自动检测和自动控制的首要环节。现代智能制造要求传感器具有微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化等特征。按照用途传感器可分为压力敏和力敏传感器、位移传感器（包括各类位置传感器、速度传感 器、加速度传感器等）、液位传感器、能耗传感器（包括电流传感器等）、射线辐射传感器、 热敏传感器（热电偶等）等。,微型化,数字化,智能化,网络化,系统化,多功能 化,现代智能制造对传感器的要求,压力传感器,传感器的常见种类（按功能分）位移传感器液位传感器,电流传感器,辐射传感器,热敏传感器,神经纤维VS工业通信网络,工业通信网络类似人体神经纤维：工业通信网络类似人体的神经纤维。人类的神经纤维主要 起到传输人类大脑和各肢体器官中的电信号的作用。工业通信网络主要负责双向传输生产制 造、物流仓储等众多环节的大量信号和数据。工业通信网络分为有线和无线通信两类：(1)有线通信应用于实时监控生产流程，包括现场 总线、工业以太网、TSN（时间敏感网络）等；（2）无线通信目前主要应用于工业数据的采 集， 是对有线通信的补充， 包括短距离通信技术（ RFID/WIFI 等） 、蜂窝无线通信技术（4G/5G/NB-iot）等。未来随着5G技术的推广，无线通信可能在更多场景替代有线通信。,现场总线：用于传递控制器、智能仪器仪表等现场设备之间，,及这些现场设备和高级控制系统之间的信息，是连接智能现,场设备和自动化控制系统的全数字、双向、多站的通信系统。,工业以太网：是现场总线的一种，以太网采用TCP/IP协议，,运用于工业现场后，单帧数据量更大，主从站控制延迟更短，,不仅具备基础的控制监控功能，还可通过时间戳实现主从站 间的同步控制。,TSN：对现场总线的补充的一种网络，更适用于复杂的，多 主从站结构，实现不同类型的设备、不同类型的通讯。,NB-IOT（窄带物联网）：基于蜂窝网络的宽带，具有功耗低、,覆盖广、速率快、成本低、架构优等特点。适用于工厂外智 能产品、大型远距离移动设备、手持终端的网络连接等。,工业通信网络,有线通信,无线通信,现场总线,工业以太网,TSN,NB-iot,常用的工业通信网络,四肢运动VS智能装备,智能装备类似于人体四肢躯干：智能装备是实现智能生产的基础设备，大致分为通用设备和 专用设备两类。通用设备：广泛用于多类产品的自动化设备，如数控机床、工业机器人等。专用设备：专门用于某一类产品自动化生产线上的设备，如半导体设备、锂电池设备等。,智能制造系统对智能装备提 出更高要求：具有一定的思考能力：优异,的控制系统可以实现更高效、,更精密的生产。强大的可拓展性：便于和其 他智能装备兼容实现智能生 产。符合柔性生产要求：智能生 产未来将朝着多品种、小批 量的柔性生产方式升级。,智能装备,通用设备,专用设备,工业机器人,光刻机,卷绕机,数控机床,智能装备分为通用和专用两类,目录 Content,工业4.0-智能制造概述典型的智能制造系统 市场规模和竞争格局要点总结及风险提示,工业软件市场规模：预计2021年将超过2631亿元,研发设计 类, 8.5%生产控制 类, 17.0%,信息管理 类, 17.1%,嵌入式软 件, 57.4%,2019年，我国工业软件市场空间近2000亿元：赛迪顾问统计，2019年我国工业软件市场规模 达1949亿元，同比增长16%，预计2021年将超过2631亿元。进一步的，赛迪将工业软件分为四类，研发设计类、信息管理类、生产控制类、嵌入式软件 四大类，在2018年市场份额中分别占8.5%、17.1%、17.0%、57.4%。研发设计类（规划层）：PLM、PDM及其集成的CAD、CAE等研发设计软件；信息管理类（规划层）：以ERP为核心，及周边的CRM、SCM等软件；生产控制类（操作层）：以MES为代表，及其周边的DCS、DCADA等；嵌入式软件（控制层）：以PLC为代表的数控系统，及工业通信等其他嵌入式模块。我国工业软件市场规模（亿元）2018年我国各类工业软件市场占比（%）,17%16%15%14%13%12%11%10%,0,500,1000,1500,2000,2500,3000,我国工业软件市场规模（亿元）YoY(%)-右轴,工业软件竞争格局：本土供应商正在迎头追赶,2018年研发设计类国内前五：广联达、Dassault、西门子、神州软件、Synopsys。2018年信息管理类国内前五：用友、SAP、Oracle 、东软、浙江大学。2018年生产控制类国内前五：西门子、国电南瑞、宝信软件、GE、施耐德。2018年嵌入式软件国内前五：华为、西门子、国电南瑞、ABB、中兴。,广联达,14%,Dassault,13%,西门子, 12%神舟软件, 10%,Synops ys, 7%,其他, 45%,用友,16%,SAP, 14%,Oracle, 11%,东软, 7%,浙江大华, 7%,其他, 45%,西门子, 12%,国电南瑞, 9%,宝信软件, 9%,GE, 6%,施耐德, 6%,其他, 58%,华为, 16%,西门子, 9%,国电南瑞, 7%ABB, 5%中兴, 3%,其他, 60%,2018年研发设计类工业软件市占率(%)2018年信息管理类工业软件市占率(%),2018年生产控制类工业软件市占率(%),2018年嵌入式类工业软件市占率(%),工业机器人市场规模： 2018年国内销量超过15万台,占全球36.5%,工业机器人是智能装备代表，2018年国内销量15.4万台,占全球36.5%：进一步的，工业机 器人分为六轴多关节机器人、SCARA机器人、DETAL机器人、协作机器人等。,-50%,0%,50%,100%,150%,200%,180000160000140000120000100000800006000040000200000,销量:工业机器人:中国 年 台YoY(%)-右轴,45%40%35%30%25%20%15%10%5%0%,中国销量占全球比例 （%）,中国销量占全球比例 （%）,76543210,全球工业机器人平均价格(万美元/台),全球工业机器人平均价格(万美元/台),六轴多关节机器 人, 69%,SCARA, 23%,全球工业机器人价格多年来降幅有限,我国工业机器人销量（台）我国工业机器人销量占全球比例（%）,2018年我国各类工业机器人销量占比(%)协作机器人, 4%DETAL, 4%,工业机器人竞争格局：国产替代，任重道远,2018年外资品牌占比超过70%：2018年我国工业机器人销量中，外资品牌11.3万台，占比73%，,内资品牌4.1万台，占比27%。2018年外资品牌以四大家族为主：2018年我国机器人销量中外资品牌“四大家族”发那科、ABB、安川、库卡份额遥遥领先，占比分别为18.0%、17.0%、12.0%、10.3%。国内龙头为埃斯顿：2018年内资品牌前五名企业分别为埃斯顿、众为兴、欢颜、汇川、埃夫 特，占比分别为8.6%、7.2%、5.9%、4.7%、4.4%。控制系统、减速器、伺服等核心零部件仍大量依赖进口。,发那科,18.0%ABB, 17.0%,安川, 12.0%,库卡, 10.3%,爱普生, 9.4%,其他, 27.0%,埃斯顿, 8.6%众为兴, 7.2%,欢颜, 5.9%汇川, 4.7%,埃夫特, 4.4%,其他, 69.2%,2018年国内市场各外资品牌出货量占比(%),2018年国内市场各国产品牌出货量占比(%),A股部分相关上市公司概况,备注：A股相关上市公司数量较多，此处并未全部提及，相关细分行业标的，将在其他同系列报告中提及并分析,目录 Content,工业4.0-智能制造概述典型的智能制造系统市场规模和竞争格局 要点总结及风险提示,要点总结,（1）制造业升级，大国行动刻不容缓：随着我国人力成本不断上升、制造业增长动力持续放 缓，且面临着日益缩短的产品创新周期，以智能制造推动制造业升级已经刻不容缓。针对智能制 造的大课题，制造业大国们予以国家战略层面的重视，美国提出先进制造业国家战略计划，日本提出工业价值链计划，德国提出工业4.0战略，中国也于2015年发布了中国制造2025 ，核心 都是通过数字化转型，提高制造业水平。由德国提出的工业4.0概念，是最具有历史观、落地方 案最具体的概念。（2）工业4.0两大核心概念，信息物理融合系统（CPS）、产品全生命周期管理（PLM）：CPS和PLM是工业4.0中最核心的两个概念。CPS，是由具备物理输入输出，且可相互作用的单元组成的 网络；新技术的发展使得硬件和软件之间的界限逐渐弱化，人机交流成本大大降低。PLM，是指 对一个产品的整个生命周期进行管理，从最初的生产设计和生产规划，到生产工程的建设和生产（包括物流），再到产品的使用和服务。（3）典型的智能制造系统与人体系统有很大相似性：典型的智能制造系统由3大部分组成，分别 是信息空间、物理空间、通信系统，这个系统与人体结构有很大的相似性，信息空间负责信息的 存储、处理、决策，类似人类的大脑/小脑；物理空间类似于人类的四肢躯干，负责具体动作执 行生产；通信系统类似人类的神经纤维，负责软件与软件、软件与硬件、硬件与硬件之间的信息 传输。（4）软硬件齐头并进，国产替代大有可为：在中国由制造大国向制造强国转变的过程中，智能 制造领域的软硬件均在逐渐实现国产替代。 2019年我国工业软件市场规模达1949亿元，同比增 长16%，预计2021年将超过2631亿元，用友、广联达、宝信、东软等国内供应商已在各细分产品 赛道跻身前列。作为智能装备的代表，2018年国内工业机器人销量超过15万台,占全球36.5%，其 中内资品牌销量4.1万台，市占率达27%，埃斯顿、埃夫特等公司成为国产替代的排头兵。,风险提示,（1）重大事件对宏观经济产生严重打击的风险：宏观经济若大幅下滑，会影响智能制造相关软 硬件的需求，侵蚀国内供应商的研发力量，并使得供应商面临更大的风险。（2）技术突破不及预期的风险：尽管我国智能制造领域的软硬件均在快速实现国产替代，但在 高端市场、高精密核心零部件等领域仍有一定的差距，技术突破不及预期将影响国产化进度。（3）政策落实不及预期的风险：目前我国政策对智能制造行业强力支持，若政策层面出现负面的变化，或政策在细节执行方面不及预期，将影响国内相关产品的国产替代进程。,