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智能装备企业将引领工业互联网浪潮

(2018-04-24 09:35:58)
分类: 智能制造


1.1 工业互联网是工业的智能化变革

工业互联网是以互联网为代表的新一代信息技术与工业系统深度融合所形成的新型产业,是我国发展智能制造的关键基础,本质是在实现机器、原材料、控制系统、产品以及人之间全面互连的基础上,通过数据流动和分析,达到工业的智能化变革,形成新型业态和应用模式。

工业互联网的诞生是工业和互联网发展到一定阶段融合的结果。互联网诞生于1969年,先后经历了因特网、万维网,到新兴的社交网络、移动互联网、云计算和物联网,与此同时工业制造经历了单机数控、计算机辅助系统(CAD)ERP和虚拟设计等过程。在2000年前互联网与工业制造是两个独立发展的体系,2000年后互联网与工业制造逐渐走向融合,物联网和云计算开始运用到工业制造环节,衍生出工业互联网。在工业互联网的融合趋势下,工业制造的趋势逐渐从数字化向网络化和智能化转变。

201711月,国务院印发《关于深化"互联网+先进制造业"发展工业互联网的指导意见》,将我国工业互联网的发展分为三个阶段,最终实现我国工业互联网创新发展能力、技术产业体系以及融合应用等全面达到国际先进水平,综合实力进入世界前列。

图表1 工业互联网"三步走"目标

 智能装备企业将引领工业互联网浪潮

1.2 网络、平台和安全构成工业互联网的三大功能体系

工业互联网的核心是基于全面互连而形成数据驱动的新型产业,网络、平台和安全是实现数据互连的三大功能体系,其中网络是工业系统互连和工业数据传输交换的支撑基础,通过互联网基础设施,实现信息数据在生产系统各单元之间、生产系统与商业系统的无缝传递;平台是核心驱动,为海量数据提供采集交换、集成处理、基于云的大数据计算和分析形成企业运营的管理决策以及机器运转的控制指令,驱动机器设备,运营管理智能化;安全是网络和平台在工业应用中的安全保障,通过涵盖整个工业系统的安全管理体系,确保数据传输与存储的安全性,实现对工业生产系统和商业系统的全方位保护。

平台体系主要包括四大层级,分别是边缘层,IaaS层,工业PaaS(平台层)和工业SaaS(应用层)。工业互联网平台是面向制造业数字机、网络化、智能化需求,构建基于海量数据采集、汇聚、分析的服务体系,支撑制造资源广泛连接、弹性供给、高效配置的载体。

工业互联网平台在边缘层获取数据并进行初步计算,在工业PaaS(平台层)将工业技术、知识、经验、模型等工业原理封装成微服务功能模块,在工业SaaS(应用层)提供面向特定行业、特定场景开发在线监测、运营优化和预测维护等具体应用服务。

网络是实现工业互联网的基础。网络体系包含三大部分:第一是网络互联,即以工厂网络IP化改造为基础的工业网络体系,包括工厂内部网络和工厂外部网络。工厂内部网络用于连接在制品、智能手机、工业控制系统、人等主体,包含工厂IT网络和工厂OT网络;工厂外部网络用于连接企业上下游、企业与智能产品、企业与用户等主体。第二是地址与标识,即由网络地址资源、标识、解析系统构成的关键基础资源体系。工业互联网标识解析系统,用于实现对物体的解析,即通过将工业互联网标识翻译为该物体的地址或其对应信息服务器的地址,从而找到该物品或其他信息。第三是应用支撑,即工业互联网业务应用交互和支撑能力,包含工业云平台和工厂云平台,及其提供的各种资源的服务化表述、应用协议。

图表2 工业互联网网络体系包含三大部分

 智能装备企业将引领工业互联网浪潮

安全体系是保障,工业互联网安全保障的最终目标是要实现数据的保密性和设备运行的稳定性。安全体系包括设备安全、网络安全、控制安全、应用安全和数据安全等五大方面,既包括数据的保密,也包括设备的稳定可靠运行。设备安全是指工业智能装备和智能产品的安全,包括芯片安全、嵌入式操作系统安全、相关应用软件安全以及功能安全等;网络安全是指工厂内有线网络、无线网络的安全,以及工厂外与用户协作企业等实现互联的公共网络安全;控制安全是指生产控制系统安全,主要针对PLCDCSSCADA等工业控制系统的安全,包括控制协议安全、控制平台安全、控制软件安全等;应用安全是指支撑工业互联网业务运行的应用软件及平台的安全,包括各类移动应用;数据安全是指工厂内部重要的生产管理数据、生产操作数据以及工厂外部数据(如用户数据)等各类数据的安全。

图表3 安全体系是工业互联网的保障

 智能装备企业将引领工业互联网浪潮

1.3 成熟的云系统和工业软件体系为工业互联网推广提供基础

我国云计算市场从2008年起步,初期一直处于概念和技术消化的阶段,直到2010年我国云计算市场逐渐激活,并进入快速膨胀期,根据中国产业信息网数据显示,2016年我国云计算市场规模为3540亿元,2008~2016CAGR62.53%

图表4 我国云计算市场规模增长态势强劲

 智能装备企业将引领工业互联网浪潮

工业软件产品体系完整,国内市场规模达到千亿。工业软件是指在工业领域里应用的软件,为提高工业研发设计、业务管理、生产调度和过程控制水平的相关软件与系统包含研发设计类(CADCAEPLM)、生产调度和过程控制类(MESSCADA)、业务管理类(ERPSCMHRM)三大领域。2016年全球工业软件市场达到3531亿美元,同比增长5.4%,我国工业软件市场规模达到1235亿元,同比增长15.5%,占全球市场的35%2016年我国工业软件行业中产品研发类占比约为8.3%,信息管理类占比约为15.5%;生产控制类占比约为13.2%;其余63%均为嵌入式软件开发。

2.1 利好政策纷纷落地,工业互联网加速推动"中国制造2025"

20155月,国务院出台《中国制造2025》,确立我国制造强国的发展战略,通过"三步走"实现制造强国的战略目标;第一步,到2025年迈入制造强国行列;第二步,到2035年中国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平;第三步,到新中国成立一百年时,综合实力进入世界制造强国前列。201711月,国务院印发《深化"互联网+先进制造业"发展工业互联网的指导意见》等政策,明确了我国工业与互联网融合的长期发展思路,同时为产业融合提供顶层文件支持。

20182月,经国家制造强国建设领导小组会议审议,决定在国家制造强国建设领导小组下设立工业互联网专项工作小组,由工信部部长苗圩烦人组长,工业互联网专项工作小组的设立将有力推动"中国制造2025"的实施。

2.2 我国制造业面临多重压力,工业互联网促进产业升级

2.2.1 发达国家率先提出先进制造战略抢占先机

近年来,国外发达国家相继提出先进制造战略。20114月的汉诺威工业博览会上德国政府正式推出"工业4.0"计划,其目的是为了提高德国工业的竞争力。美国的"工业互联网"的概念最早是由通用电气公司(GE)2012年提出的,随后联合另外四家IT巨头组建了工业互联网联盟(IIC),将这一概念大力推广开来,目的是将机器、设备和网络能在更深层次与信息世界的大数据和分析连接在一起,带动工业革命和网络革命两大革命性转变。2015年,我国工信部也启动"智能制造试点示范专项行动"。美国的"工业互联网",德国的"工业4.0"和中国的"中国制造2025"三者理念基本相近,目的都是解决批量化生产和个性化需求带来的矛盾,实现柔性化生产。但从具体在方式上仍有略微差异,工业4.0旨在推进生产或服务模式由集中式控制向分散式增强型控制转变,帮助实现高度灵活的个性化和数字化生产或服务;工业互联网更加注重软件、网络和大数据,目的是实现通信、控制和计算的集合;中国《智能制造发展规划》强调智能制造关键技术装备、核心支撑软件、工业互联网等系统集成应用等全面推进工程应用和产业化。

2.2.2 国内人工成本上升+自动化水平低,制造业产业升级迫在眉睫

人口红利消失,劳动适龄人口下降引发人工成本上升。根据国家统计局数据,2011~2016年中国劳动年龄人口由9.42亿人锐减至9.07亿人,占总人口的比重由69.83%跌落至65.72%。劳动年龄人口下降必将导致人力成本的提升,2010~2016年城镇非私营单位制造业人均工资由3.07万元增长至5.95万元,CAGR11.66%。人口红利的消失逐步削弱我国制造业的低成本的竞争优势,加之印度、泰国、越南等国具备更低的人力成本,引发制造业利润下降和资本外流,国内制造业转型升级势在必行。

我国制造业自动化率处于较低水平,有较大提升空间。我国制造业自动化水平较低,从使用密度(每万名工人对应工业机器人数)指标看,目前中国工业机器人使用密度仅为68/万人,落后于国际平均水平74/万人,和发达国家相比,韩国的工业机器人使用密度为631/万人,日本为303/万人,德国为309/万人,较低的自动化率限制了生产效率的提升,未来中国智能制造需求空间巨大。

图表5 中国的工业机器人使用密度远低于发达国家

 智能装备企业将引领工业互联网浪潮

2015年十二届全国人大三次会议审议的政府工作报告首次提出"制定'互联网+'行动计划,推动移动互联网、云计算、大数据、物联网与现代制造业结合,促进电子商务、工业互联网和互联网金融健康发展。"2015年的政府报告中提到的更多是以互联网为主导,通过"互联网+"的形式来促进行业发展,而2018年工信部实施的工业互联网三年行动计划,将"工业"放在"互联网"之前,强调工业在互联网实施中的主导地位。

(1)云层:以公有云为主,目前主流提供云的企业有华为、腾讯和阿里等等。

(2)ERP:主要是企业内部资源的应用,包括企业管理、产品开发等软件系统;

(3)MES:MES层是企业管理制造和产品生命周期的交叉点,负责具体的制造执行过程,工单生成和车间任务分配等。

(4)通信层:通信层是负责对工厂内部设备之间互联的重要设备,主要的硬件设备包括工业以太网、现场总线、交换机及无线网络系统。

(5)工业控制层:主要由SCADAPLCDCS构成,还包括人机交互界面(HMI),实现对底层设备实施逻辑控制和数据采集。

(6)设备执行层,主要包括工业机器人、智能机床、伺服系统传感器等,都是最终的执行机构。

从系统分类来看,整个工业互联网系统分为云层、ERP层、MES层、通信层、工业控制层和设备执行层。目前来看,工业互联网平台的企业主要分为两类,一类是从软件端等上位系统往下渗透的有用友网络,东方国信(CLOUDIIP工业互联网平台),航天云网(INDICS工业互联网平台)等以软件公司为主,一类是从硬件端等下位系统往上渗透的有机器人、徐工信息(XREA工业互联网平台),三一重工(树根互联工业互联网平台),海尔(COSMOPLAT工业互联网平台)等制造业公司为主,我们认为在工业互联网的大浪潮中,制造业公司从硬件端往上渗透更加有优势,尤其是智能装备企业主要分布在设备执行层和做自动化的系统集成行业,这些企业扎根制造业,对工业领域的工艺设计、生产流程有清晰的了解,而且他们是制造业最底层生产数据的获取方,掌握了生产节拍数据的流量入口。实施工业互联网的目的是实现生产优化,升级制造业,直接方式是对制造业采集到的生产数据进行优化,智能装备企业不仅卡位数据入口,而且对工艺有深刻理解,未来有望主导工业互联网。

3.1 中国是以工业机器人为代表的通用设备最大的需求市场

设备执行层的智能装备企业众多,他们是整个工业互联网最底层的企业,也是最"接地气"的企业,整个制造业所有环节的数据都来自设备执行层,他们是工业互联网数据的入口。设备执行层的企业主要分为专用设备和通用设备,专用设备涉及到各行各业,比如锂电行业中的锂电设备、轮胎行业中的橡胶装备、煤炭行业中的煤机设备等等,他们有伴随特定下游领域,由于各细分行业差异较大,涉及面过广,在此不再赘述;通用设备有工业机器人、高端机床等等,通用设备中国的市场需求和进口替代空间都很大,我们以工业机器人为例进行分析。

图表6 设备执行层主要分为通用和专用设备

 智能装备企业将引领工业互联网浪潮

中国市场已经连续五年成为全球头号工业机器人应用市场。2016年中国市场的工业机器人销量约为8.7万台,同比增长约27%2010~2016年中国市场工业机器人销量CAGR高达32%。自2013年以来,中国就已成为工业机器人最大的需求市场,销量远超过其他国家,2016年英国、德国、美国、日本的工业机器人销量分别为1787200393140438586台,远低于中国市场的销量。

图表7 中国是全球头号工业机器人市场

 智能装备企业将引领工业互联网浪潮

工业机器人"四大家族"占据了中国主要市场,进口替代空间巨大。从价值份额来看,"四大家族"日本发那科、安川、库卡、瑞典ABB占据工业机器人市场价值份额合计近60%,其他外资合资品牌瓜分了约35%的份额,国内自主品牌机器人只占据不到10%的份额。从销售台数份额来看,国产自主品牌在中国工业机器人市场占比30%左右,进口替代空间巨大。

图表8 "四大家族"占据中国工业机器人市场近

智能装备企业将引领工业互联网浪潮

图表9 国产自主品牌工业机器人销售台数占比

 智能装备企业将引领工业互联网浪潮

受益下游快速增长,中国工业机器人市场2017年需求旺盛。根据国家统计局数据,2017年中国市场工业机器人产量达13.1万台,同比增长68%。下游系统集成行业也增长迅速,其中汽车和3C对工业机器人的需求最为旺盛。在适龄工作人口下降,人口红利消失,劳动力成本增加的大环境下,自动化改造可以有效替代人工,提高生产效率,加速中国制造业升级转型。

3.2 系统集成企业掌握生产数据,有望向工业互联网上位系统延伸

系统集成通过结构化的综合布线系统和计算机网络技术,将各个分离的设备、功能和信息等集成到相互关联的、统一和协调的系统之中,使资源达到充分共享,实现集中、高效、便利的管理。系统集成应用广泛,从下游应用行业来看,汽车和3C是系统集成主要的应用领域,汽车行业自动化程度比较高,相比其他行业,供应商体系相对稳定。系统集成公司是对制造业公司进行自动化改造升级的企业,他们对行业生产工艺有深刻理解认识,是制造业生产数据的攫取方,未来有望凭借卡位数据入口的优势,逐步向上位系统延伸。

图表10 汽车行业是系统集成应用最广的领域

  智能装备企业将引领工业互联网浪潮

国内系统集成公司以中小规模企业为主,成长空间大。根据控制工程网的数据,截至201711月初,国内共有437家工业机器人行业相关企业,系统集成领域有278家相关企业,占全产业链的64%。从上市公司来看,绝大部分的系统集成企业2016年营业收入都在10亿元以下,和国内近千亿的系统集成市场相比,单个公司市场份额较小,未来成长空间大。

4.1 不同设备传输协议不同,建立统一的官方标准势在必行

数据采集是工业互联网的基础,要实现多元、多类型数据的采集和上云必须需要统一的协议标准。但是目前来看,全球对标准没有一个明确的定义,这就导致不同的机床、不同的设备各有一套数据传输协议,大大增加了数据采集与上云的难度。虽然国内目前有一些做的数据采集的公司对通讯协议的解析性超过80%,超过80%的控制器、传感器都可以采集,但是还是需要政府或者是相关机构出台一系列的制度或政策把标准统一。当前有两个影响比较大的标准化机构,一个美国的ISC,它与ISOIEC等多个国际化组织、开元组织和区域标准研制部门建立了一系列的协作关系,加快标准体系研究;德国也成立了专门的标准化机构叫LNI4.0,旨在推进包括工业互联网在内的制造业网络化、智能化、相关标准的研制。

4.2 各企业需打破信息孤岛,搭建合作共赢的生态圈

目前在工业互联网体系内,很多企业都面向自己的细分产业在做尝试,很难形成合力,而且信息孤岛现状还是比较严重。其次我国制造企业和互联网企业的合作不够普遍,我国工业门类众多、行业和企业特性需求庞大,产品个性化也很鲜明,但是传统的互联网企业很难介入到整个工业的价值链当中去,大部分合作集中在供应链,就是制造业、价值链的外围,流通、销售、服务等外围环节,研发和生产端的合作几乎没有。这也导致了产业各自为战,信息孤岛现状更为加剧。工业互联网所涉及的范围很广,没有企业能够单独应对所有的挑战,企业需要开放协作,整合产业伙伴资源。未来的工业互联网平台一定是合作共赢的,也就是说工业互联网平台与平台需要融合,生态系统需要强强联合,而不是关起门来闭门造车。

4.3 网络信息产业发展超前与工业基础较差不匹配

与发达国家相比,我国网络信息产业的基础设施处于领先地位,以4G为例,在我国覆盖率非常高,与国外发达国家齐头并进,现在大力发展的5G更是在全球处于领先地位。与领先的网络信息化产业形成鲜明对比的是,中国的工业基础比较差,工业信息化进程起步也比较晚。工业+互联网,虽然我国提出时间并不滞后于国外,但是受制于我国的工业基础不太好,发展相对缓慢。

 

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