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          工業互聯網:工控、工業機器人、智能機床三大基石

          關鍵詞 機床|2022-05-17 09:53:42|來源 科工網
          摘要 一、工業互聯網:軟件定義制造的關鍵工業互聯網內涵豐富,是新一代信息通信技術與先進制造業深度融合所形成的新興業態與應用模式。工業互聯網通常是指能夠滿足工業智能化發展需求,具有低時延、...

          一、工業互聯網:軟件定義制造的關鍵

          工業互聯網內涵豐富,是新一代信息通信技術與先進制造業深度融合所形成的新興業態與應用模式。工業互聯網通常是指能夠滿足工業智能化發展需求,具有低時延、高可靠、廣覆蓋特點的關鍵網絡基礎設施,工業互聯網的發展涵蓋工業軟件、工業云平臺、工業通信、工業互聯網基礎設施和工業安全體系。從產業鏈作用來看,工業設備是基礎,工業網絡是媒介,工業云平臺是核心,工業軟件是承上啟下數據利用的關鍵,工業互聯網應用是價值兌現的載體,工業安全是體系保障。

          設備層需要形成云-邊-端相結合的算力架構。邊緣計算讓工業設備成為數據的入口,通過大范圍、深層次的數據采集,以及異構數據的協議轉換與邊緣處理,構建了工業互聯網平臺的數據基礎。

          網絡層需要建立三個重要體系。(1)網絡互聯體系:將各生產要素進行連接。包括工廠內網絡和工廠外部網絡。工廠內部網絡包括IT網絡和OT(工業生產與控制)網絡,連接的主體包括在制品、智能機器、工業控制系統、人等。工廠外部網絡連接企業上下游、企業與智能產品、企業與用戶等。(2)地址與標識解析體系。標識解析體系是工業互聯網的重要神經系統,是識別和管理物品、信息、機器的關鍵基礎資源。標識系統是物品、數據和機器的“身份證”,屬于工業互聯網的重要基礎設施。(3)應用支撐體系。包括三個層面,一是實現工業互聯網應用、系統與設備之間數據集成的應用技術;二是工業互聯網應用服務平臺;三是服務化封裝和集成。

          平臺層需要整合數據處理、數據分析和微服務功能。工業互聯網平臺是面向制造業數字化、網絡化、智能化需求,構建基于海量數據采集、匯聚、分析的服務體系,支撐制造資源泛在連接、彈性供給、高效配置的工業云平臺。工業互聯網平臺是在傳統工業云平臺基礎上,疊加物聯網、人工智能、大數據等技術,實現更加實時、高效、精準的數據采集系統。

          軟件層沉淀工業知識。工業軟件的本質是將特定工業場景下的經驗知識以數字化模型或專業化軟件工具的形式積累沉淀下來。為配合云-變-端協同的底層架構,工業軟件需要向工業APP升級。這種升級包括兩個路徑,一個是讓傳統架構工業軟件逐漸解構,以更細的功能顆粒度變身成為工業微服務;一個是工業技術軟件化,直接將工業技術和知識轉變成為工業微服務,讓所有來自企業實踐一線的工業技術、經驗、知識和最佳實踐都沉淀下來,經過模型化、軟件化、再封裝,成為互不相關、高度適應外部需求變化的微服務,然后再根據具體的工業場景,為組建工業APP提供服務。

          應用層是工業互聯網價值的出口。工業互聯網應用包括1)通用工業服務,如資產服務、數據服務、分析服務、供應鏈管理、智能診斷、設備檢測等。2)垂直服務,凝聚不同行業的工業知識,解決特定場景下的智能化需求,提升生產效率。工業互聯網應用可以通過工業APP、API、數據平臺、微服務等多種方式呈現。

          安全體系是工業互聯網的護航使者。工業互聯網安全的需求主要從工業和互聯網兩個方面出發。(1)工控安全:重點關注生產的可靠性、設備安全和控制安全,即在保證生產的同時維持控制協議穩定,智能設備安全運轉。(2)互聯網方面:重點關注APP應用的安全、網絡的安全、數據的安全以及產品的服務安全。工業互聯網安全體系框架主要包括:設備安全、網絡安全、控制安全、應用安全和數據安全。

          從工業互聯網的不同層級分析,我國仍與國外有一定差距。其中在邊緣采集層面,我國缺乏工控領域的領軍企業,95%中高端PLC市場、50%以上的DCS市場被跨國公司壟斷;國產化的工控自動化核心部件產品僅占35%的市場份額。在工業PaaS層上,整合控制系統、通信協議、生產裝備、管理工具、專業軟件等各類資源的能力不足;集業務流程咨詢、軟件部署實施、平臺二次開發、系統運行維護等于一體的綜合能力欠缺。在工業SaaS層上,高端工業軟件主要依賴進口;缺乏相關開發者社區。

          5G技術的成熟為工業互聯網的發展提供了堅實的底層基礎。海外大國的“制造業回流”政策有望倒逼國內制造業轉型升級的節奏。新基建為工業互聯網的發展提供了良好的政策環境。因此,工業互聯網有望成為中國制造業智能升級、模式創新的突破口和必經環節。

          工業云平臺領域,重點推薦用友網絡、能科股份、寶信軟件,建議關注東方國信、賽易信息。工業大數據領域,重點推薦能科股份,建議關注東方國信。

          二、工業軟件:下一個國產化重點領域

          傳統制造時代,工業軟件是提升效率的工具。工業軟件指專用于或主要用于工業領域,以提高工業企業研發、制造、管理水平和工業裝備性能的軟件,包括運營管理類、生產控制類、研發設計類、協同集成類和嵌入式工業軟件等。

          工業互聯網時代,工業軟件是智能制造的大腦。人、機、物、業務活動等要素的互聯互通,是實現智能制造的起點。而互聯互通并不能完全解決問題,只有在此基礎上實現了較大范圍內的數據自動流動,才是智能制造的落地。而數據自動流動,建立在物理設備的正確聯通和軟件邏輯的正確驅動上。沒有工業互聯網平臺作為工業操作系統,沒有工業APP作為新型工業應用軟件,不可能實現數據在工業互聯網上的自動流動。

          自主工業軟件任重道遠

          中國工業軟件市場規??焖僭鲩L。截至2018年底,全球工業軟件市場規模達到3893億美元,同比增長5.2%,亞太區市場占全球市場份額的23.8%,亞太區市場規模同比增速為7.6%,快于全球平均水平。

          2018年中國工業軟件市場規模約為1678.4億人民幣,同比增長16%,增速快于全球平均水平。大型企業是工業軟件需求的主力,來自大型企業的投資超過一半,側面反映出中小企業工業生產數字化水平仍較低,發展潛力大。

          高端工業軟件是我國工業化的痛點。根據國家統計局,2018年中國制造業增加值占世界制造業份額的達到28%以上,但中國高端CAD、CAE、MES、PLM等工業軟件市場被SAP、西門子、達索、PTC等國外廠商壟斷。根據走向智能研究院2018年的研究評估,在核心工業軟件領域中的CAD研發設計類軟件市場,法國達索、德國西門子、美國PTC以及美國Autodesk公司在我國市場占有率達90%以上,國內數碼大方、中望軟件、山大華天等只占不到10%的市場;CAE仿真軟件市場領域,美國ANSYS、ALTAIR、NASTRAN等公司占據了95%以上的市場份額。在生產管理類工業軟件領域,德國SAP與美國ORACEL公司占有高端市場,用友、金蝶等國內軟件企業起步于中低端市場,不斷向上拓展。生產控制軟件領域也主要被西門子、施耐德、GE、羅克韋爾等國外巨頭占據,寶信、石化盈科等國內軟件企業只在電力、鋼鐵冶金和石化等細分行業爭得一席之地。

          究其原因,一是因為工業軟件的開發具有高度復雜性。工業軟件不同于一般的軟件,其工業屬性更強,是工業知識、工業經驗和技術訣竅的凝聚和沉淀,單純的計算機軟件工程師設計不出先進的工業軟件。二是因為我國在工業化的過程中,直接使用國外成熟產品的“拿來主義”讓我們錯失了工業軟件成長的關鍵培育期。

          我國制造業的發展面臨的內外部環境發生變化。內部,傳統投資拉動經濟增長的方式邊際效用遞減,轉型升級的壓力加大;外部,逆全球化的潛在風險,使得工業生產的獨立、安全、自主上升到國家安全層面。在這種環境下,國產工業軟件的發展具有前所未有的戰略性意義。

          關注具有行業整合能力的潛在龍頭

          從國際工業軟件巨頭的經驗來看,工業軟件的發展史是一部巨頭并購史。法國工業軟件巨頭達索通過50多次的并購,已經發展為CAD/CAE/CAM/CAPP/PLM的全生命周期數字化、網絡化協同研發與管理平臺,幾乎壟斷了航空、汽車等復雜制造行業。德國工業軟件巨頭西門子斥資上百億美元并購了UGS、LMS、Camstar、Mentor等優秀工業軟件公司,通過強強聯合,快速地實現了工業軟件與工業自動化的深度融合,構成了完整的工業整體解決方案行業整合能力對于工業軟件的發展如此重要,其背后的原因在于工業軟件下游應用場景豐富,需求差異大,難以通過標準化的產品解決所有環節的問題。這就需要不斷擴充軟件產品線,軟件產品線的延伸意味著業務邊界的擴張,繼而帶來可觸達市場空間的提升。

          目前國內工業軟件市場格局總體較為分散。管理軟件領域有用友、金蝶等本土巨頭,研發設計、生產控制、嵌入式軟件等領域仍缺乏具有超強競爭力的本土廠商。長遠來看,工業軟件有望成為下一個國產化重點,新基建的推動和工業互聯網的發展為本土工業軟件的發展提供了機遇??春镁哂行袠I整合潛力,通過擴張產品線不斷提升可觸達市場空間的工業軟件公司。

          工業軟件領域,重點推薦寶信軟件,建議關注鼎捷軟件、柏楚電子。

          三、硬件支撐:工控核心產品、工業機器人、智能機床

          工控核心產品、工業機器人、智能機床等制造業是工業互聯網在硬件環節的核心支撐,“新基建”投資有望進一步激活中國制造業對機器人等智能制造裝備的需求。工控核心產品、工業機器人、智能機床等要素作為工業互聯網體系的重要組成部分,承載著大量相關系統、工藝參數、軟件工具、企業業務需求和制造能力,引導匯聚和鏈接著大量工業資源,通過交互協同和迭代優化,為智能的產生提供必要基礎,為制造業智能化的發展創造前提條件。同時,工控核心產品、工業機器人、智能機床能夠充分發揮工業互聯網平臺的重要作用,成為工業全要素鏈接的樞紐,向上對接工業應用,向下連接海量設備,持續沉淀和積累海量具備應用推廣價值的工業經驗與知識模型,通過更為科學、高效的工業資源配置方式及路徑,驅動制造業體系和生態的智能化升級與運轉。

          工控核心產品

          工業自動化的核心產品以變頻器、伺服、PLC等為主,直接服務于工業升級,下游廣泛應用于電梯、起重機、機床、印刷包裝、紡織化纖、建材、冶金、煤礦、汽車、軌道交通等?;陔娏﹄娮蛹夹g和電機控制兩大核心能力在不同行業的通用性,工控自動化產品企業以快速為客戶提供個性化的解決方案為主要經營模式,實現企業價值與客戶價值共同成長。海外工控龍頭多元化發展,一體化解決方案是必經之路。工業自動化的必要條件是生產線的自動化,歐美等國率先進行了生產線的自動化升級,海外工控龍頭企業也乘勢增長。從發展路徑上看,多元化是工控企業發展的必然選擇。歐美工業自動化龍頭向解決方案轉變,逐步推出自身的物聯網平臺,進一步與下游融合;與此同時,頭部工控企業均采用多元化發展模式,截至2018年,GE、ABB和SIEMENS等企業營收均超過了2千億人民幣,而又各有側重。GE著力打造通用平臺,ABB以下沉策略發力機器人與智能制造,SIEMENS深耕數字工廠,打造全生產流程自動化。

          日系工控廠商發展晚于歐美,工控業務占比高于歐美工控企業。日本工控企業起步晚于歐美企業,多成立于1920-1960年。日系工控企業先后抓住了日本制造業騰飛和中國等發展中國家崛起兩大機會,專注于工業自動化領域,工業自動化業務占比高于歐美系企業。從市場定位看,日系企業大多集中于中端的OEM市場,與國內企業競爭最為激烈。從未來發展方向看,日本企業工業自動化產品迭代較慢,解決方案本土化程度遠低于國內企業,市場份額或被繼續被國內企業取代。

          歐美自動化產品進口仍居于高位,國內自動化產品需求有所提升。隨著制造業走向自動化生產,全球自動化市場規模增速明顯,從進出口規???,歐盟國家的自動化產品的進出口額均居于四個地區之首,是自動化產品的主要凈出口方,優勢明顯。中國進口金額低于歐洲和美國,在國際貿易中自動化產品份額仍處于低位。從凈出口角度看,歐洲和日本自動化產品凈出口規模為正,是主要的產品輸出方,美國和中國凈出口為負,是主要的進口方。我國工控企業主要面對歐洲和日本的工控企業競爭,以技術和營銷實現進口替代是行業的應有之舉。

          項目型市場發展提升技術營銷重要性,本土系低壓變頻器業務占比穩步提升。人力成本提升帶動下游市場自動化改造需求,貼近下游市場的定制化解決方案需求不斷增加。根據睿工業統計,2018年我國自動化市場同比增長6.2%,其中OEM市場同比增加5.2%,項目型市場同比增加9.6%,貼近終端客戶的技術營銷是實現市占率提升的重要影響因素。當前國內龍頭公司的技術水平已經接近海外領先水平,品牌知名度和項目經驗仍有欠缺,貼近終端客戶的技術營銷為比較優勢。本土系工控廠商以價格和技術營銷接近終端客戶,為其提供針對性的解決方案,穩步推進進口替代。

          建議關注本土工控龍頭——匯川技術。認為,匯川技術作為國內領先的工業自動化產品及解決方案的龍頭廠商,核心產品技術領先,解決方案加深了公司護城河,模式難以復制。技術營銷能夠有效的針對下游需求提供解決方案,從而帶動產業升級。EU市場的突破具有重要意義,我們認為國內工控企業進口替代進程仍將持續,行業龍頭有望實現細分領域的各個擊破。

          工業機器人

          工業互聯網對工業機器人的技術發展起到促進作用,為產業應用提供了更多可能和場景,充分激活制造業對智能制造轉型升級的需求。1)協助機器人實現互聯互通與數據共享:通過基于工業互聯網的大數據技術實現機器人相關數據分析與共享,減輕勞動強度,改善作業環境,從整體上提高生產率、降低成本。2)有效降低機器人損耗及維修成本:通過遠程實時數據監控管理和報警,及時同步生產管理狀況,使機器人在工作期間有效地降低物耗,有效避免變形、劃傷、碰傷,減少維修造成的停產成本。3)支撐機器人開展定制化生產:通過工作模型的設計與優化,使機器人快速適應多品種、小批量的定制化生產,產品快速更新換代,適應日益激烈的市場競爭,有效節約投資,形成規模效益。

          中國具備誕生世界領先機器人公司的基礎,本土企業成長潛力大。從“機器換人”到“智能制造”,國內工業機器人需求有望改善。認為國內工業機器人需求有望復蘇,2020年或出現溫和增長,長期成長空間廣闊,原因是:1)人口結構的變化將長期推動中國制造業進行智能制造升級;2)伴隨技術發展,工業機器人的實際應用效果從“機器換人”升級為“智能制造”,從僅僅是替代人工變為提升企業制造效率、穩定產品品質及降低庫存;3)國家及地方政策支持力度大,助力智能制造升級,為機器人產業發展提供有利環境;4)貿易摩擦緩和或將促使制造業恢復投資意愿,2019Q4工業機器人行業數據已經出現改善跡象(2019年10月國內產量當月增速同比轉正達1.7%,11、12月增速分別提升至4.3%、15.3%),雖然新冠疫情或對2020Q1機器人產業景氣度產生一定負面影響(2020年1-2月國內機器人累計產量同比下滑19.40%),但隨著國內YQ基本得到控制和制造業復工復產有序推進,認為機器人溫和復蘇的趨勢不會改變。

          汽車行業目前仍是國內工業機器人最主要的下游應用,隨著中國制造業產業升級和轉型的不斷深化,工業機器人的應用將有望更深入衍射到3C、半導體、新能源、物流倉儲等領域,需求更加多元化,增量空間廣。汽車制造行業生產程序相對標準化,工業機器人應用發展較早,技術成熟,自動化程度較高。消費電子行業的自動化模式與汽車行業類似,均可在產品零部件生產和整裝等環節進行自動化生產,但消費電子行業目前除了個別廠商外,自動化滲透率仍然處于較低水平,自動化升級的空間仍然廣闊。對比2010、2018年中國工業機器人市場銷售結構可以發現,汽車行業均位居第一應用領域,但占比由50%下降到35%,3C需求由13%擴張到23%,除金屬加工以外的其他行業占比由27%提升至32%,行業總體容量增長的同時需求分布呈逐漸多元化的趨勢。我們認為,隨著智能制造及工業物聯網的應用領域不斷橫向延展,2019年及以后機器人下游需求多元化的趨勢有望延續。

          中國工業機器人密度仍明顯低于全球其他制造強國,“新基建”投資或有助于中國制造業的智能化程度和工業機器人密度的提升。自動化生產的單元產品(機器人)是衡量一個國家自動化水平的重要指標。雖然中國工業自動化行業規模呈現較快增長趨勢,但生產制造業中自動化率仍低于歐美發達國家。lFR數據顯示,中國自2013年開始成為全球工業機器人最大市場,2018年中國銷量達15.4萬臺,占全球比重達36%。但是,按照機器人使用密度(平均每萬名制造業工人所使用的工業機器人數量)為標準,中國的工業機器人密度為140臺/萬人,雖然已經超過全球平均水平,但仍然顯著低于美國(217臺/萬人)、德國(338臺/萬人)、韓國(774臺/萬人)、日本(327臺/萬人)等制造業強國。我們認為,中國正處于制造業轉型升級的歷史機遇期,半導體、面板、消費電子智能終端、新能源等高端制造業產能穩步擴張,其對自動化、智能化生產所產生的工業機器人多元化需求將提高中國制造業整體工業機器人密度,中國工業機器人市場有望進一步擴容。

          5G護航,工業機器人企業有望與工業互聯網深度融合,打造全流程閉環數據傳輸分析系統,提升自動化和人工智能效率。5G技術的普及,有望賦予機器人更加完善的交互能力,更強大的分析和數據處理能力,很大程度上優化機器人的性能。通過5G提供的低時延+高穩定性的數據流傳輸,系統可以精確分析每一臺機器人主機。通過監控系統對機器人各項歷史數據的分析及學習,對實時數據的采集和分析,實現局部故障預警,機械壽命分析等功能,可幫助客戶提前排查生產中的各項問題,有效提升生產效率。與此同時,將客戶處的機器人運轉數據返回至企業,用于新一代機器人的技術研發與更新,實現數據的全流程閉環。與工業物聯網的融合,有望提升企業在價值鏈中的增加值,提升企業經營的回報率和智能制造升級的投資意愿。

          工業機器人與工業互聯網的發展相輔相成,2020年或是中國機器人產業的新起點,未來有望孕育世界領先企業。結合人口結構、應用場景、產業政策、企業投資信心等多種因素綜合分析,我們判斷2020年或是中國機器人產業的新起點,未來主要發展趨勢包括:1)市場份額或進一步集中,研發可持續增長;2)5G商用時代機器人企業有望與工業互聯網、物聯網深度融合;3)協作機器人需求有望快速擴張,或是本土企業重點突破的領域之一;4)中國有望在新一輪發展期誕生世界領先機器人企業。建議關注國內工業機器人領先企業——機器人(新松機器人)。

          智能機床

          數控機床屬于高端裝備制造業戰略新興產業的重要組成部分。隨著電子信息技術的發展,機床行業已進入以數控機床為代表產品的機電一體化時代。數控機床是制造業的加工母機,歐、美、日等工業化國家已先后完成數控機床產業化進程。全球范圍來看,世界機床產業主要集中在亞洲、歐洲、美洲等區域,其中德日兩國成為世界機床行業發展的主導力量。從全球消費占比看,中國是世界上最大的機床消費市場,但目前中國在高端機床領域仍存在核心技術薄弱等短板,本土產業重心主要以中低端機床生產為主。



          中國制造業產業結構優化、高端制造業較快發展和智能制造升級需求日益強烈對高端數控機床產生了龐大需求。隨著中國以汽車、航空航天、船舶、電力設備、工程機械、3C行業為代表高端制造業下游對數控機床性能和精度要求日益提高,中國數控機床特別是高端數控機床市場需求日益擴大,市場規模有望穩步提升。據中國電子信息產業發展研究院預計,2018~2021年中國數控機床需求有望保持穩健增長,2021年中國數控機床市場規模將有望接近5,000億元。

          但另一方面,目前國內本土機床產業技術實力仍存在不足:1)長期工作后的精確度、穩定性、可靠性不足;2)數控系統的差距:數控系統是數控機床的核心。傳統的數控系統一般由數控裝置、交流伺服系統、檢測裝置、電氣控制系統等部件組成,用于對機床工作的速度、載荷和位置實施自動控制,實現自動化、高精度、高效率制造;3)刀具等其他關鍵配套件存在差距。

          數控機床正從數字化機床向智能機床方向發展,新基建時代智能機床產業有望跨越式發展。新一代智能機床有望能夠實現自主感知、自主學習、自主優化與決策、自主控制與執行,顯著提高機床加工質量、使用效率,降低成本,是工業互聯網時代的典型底層硬件支撐。近年來,大數據、云計算和新一代人工智能技術取得了群體性、革命性的突破。新一代人工智能技術與先進制造技術深度融合所形成的新一代智能制造技術,成為了新一輪工業革命的核心驅動力。我們認為,新一代人工智能技術將有望與數控機床深度融合,形成新一代智能機床,這一趨勢將為數控機床產業帶來新的變革,亦將為中國機床行業“換道超車”、從“跟跑”到“領跑”提供重大機遇。新基建投資驅動及工業互聯網應用推廣既對智能機床產生了客觀需求,又提供了本土機床產業發展的機會,機遇與挑戰并存。


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