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如何了解并布局工业4.0?

点击次数:2340 发布时间:2015-4-20 14:35:08 作者:
   

那么到底什么是工业4.0?

简单的说“工业4.0”,是以智能制造为主导的第四次工业革命。

随着信息技术与工业技术的高度融合,网络、计算机技术、信息技术、软件与自动化技术的深度交织产生新的价值模型,在制造领域,这种资源、信息、物品和人相互关联的“虚拟网络-实体物理系统(Cyber-Physical System,CPS)”,德国人称其为“工业4.0”。

工业4.0概念首先由德国提出。2013年4月德国在汉诺威工业博览会上首次发布《实施“工业4.0”战略建议书》,德国电气电子和信息技术协会于2013 年12 月发布“工业4.0”标准化路线图。2014 年汉诺威工业博览会的主题“融合的工业——下一步”很好地契合了德国自2013 年以来力推的创新概念“工业4.0”。

东方证券对工业4.0的定义是:在现代智能机器人、传感器、数据存储和计算能力实现突破的条件下,通过工业互联网将供应链、生产过程和仓储物流智能连接,从而实现智能生产的“四化”:供应和仓储成本较小化,生产过程全自动化,需求相应速度较大化和产品个性化。

工业4.0的终极目的是使制造业脱离劳动力禀赋的桎梏,将全流程成本降到较低,从而实现制造业竞争力的较大化。在4.0 时代,不仅制造环节的人工将得到节省(机器人为主体的自动化生产连线),前端供应链管理、生产计划(互联网接入,实施管理订单)、后端仓储物流管理(WMS+自动化立体仓库)都将实现实现无人化,以及较低的渠道库存和物流成本。

工业4.0的特点是什么?

回顾前三次工业革命,实际上是应用机械、电气和信息技术等越来越先进的工具逐步将人力从生产中解放,从而提高生产效率、降低生产成本的过程。而对于即将到来的工业革命4.0,一项更为伟大的工具 – 互联网将深度参与到生产过程中去,从而将制造业对劳动力的依赖和生产成本的优化带到一个全新的高度。

1)工业革命1.0:18 世纪末期始于英国的第一次工业革命,19 世纪中叶结束。这次工业革命的结果是机械生产代替了手工劳动,经济社会从以农业、手工业为基础转型到了以工业以及机械制造带动经济发展的模式。

2)工业革命 2.0:第二次工业领域大变革发生在20 世纪初期,形成生产线生产的阶段。通过零部件生产与产品装配的成功分离,开创了产品批量生产的新模式。

3)工业革命3.0:20 世纪70 年代以后,随着电子工程和信息技术充实到工业过程之中,实现了生产的优化和自动化。自此,机械能够逐步替代人类作业。

中金公司认为,与现行的大规模、批量化生产相对应,工业4.0 将确保多批次,小产量状态下产业的获利能力,确保工艺流程的灵活性和资源利用率。这种生产模式成功后,能够提供品种更丰富的个性化、功能更齐全的多样性、性能更稳定的高质量、使用更人性化的产品,中国依靠大规模工业化生产的、高性价比产品的吸引力将会降低。

东方证券指出,互联网让工厂设备“能说话,会思考”

在理想化的智能车间里,所有加工设备、待加工部件(运输小车)、装料机器人都装有CPS,都具有无线上网功能。待加工部件不通过中央控制器,直接与加工设备联系确定,到哪台设备进行哪些加工。工件控制工厂负责下道工序的加工设备直接调用待加工件,独立自主的运输小车根据地下铺设的感应线路,把工件送给装料机器手。所有后续工序需要的产品信息,包括生产销售文件都由各工件自己携带。如果出现差错,或顾客的特别要求与现有的CAM 数据不符,研发部的工程师会立刻得到报警。补充改进措施会立刻在一个虚拟的试验环境下检查,然后发给工件。

为什么要推动工业4.0?

随着人口红利的消失,劳动力供给减少、人工成本上升和新一代劳动力制造业就业意愿的下降,对我国制造业的国际竞争力形成了巨大制约。有数据显示中国沿海地区劳动力综合成本已经与美国本土部分地区接近。客观上说,推进“工业化和信息化”融合,抢先进入“工业4.0”时代,以保持第一大支出产业-制造业竞争力,是中国无法不选择的一个命题。

李克强总理2014年10月份访德期间签订“工业4.0”战略合作框架,显示出高层对制造业4.0升级改造的强力支持,工业4.0大概率将上升到国家战略高度。

工业4.0在国际上的发展情况

中金指出在国际分工体系中德国成为市场主导者:

德国成为新一代工业生产技术(即CPS)的供应国和主导市场(标准制定者、领先供应商),从而使德国制造业在持续发展的前提下提升它的全球竞争力。意味着德国人创建了新的生产环境,包括新的管理、流程、模型等,还提供新的智能生产装备和新的技术手段。将推动德国的机器人、制造成套装备、IT 技术、控制技术、信息技术等核心产业的变革,并加入到工业4.0 体系内,再借助这新的工业体系生产制造出来的产品冲击世界原有生产体系中的产品,“确保了德国制造业的未来”。

德国的工业4.0 概念是建立在德国在自动化装备全球领先的优势地位上,几乎所有国内的大型自动化工业企业,以及上千的中小企业也将加入到这一体系里去。西门子、菲尼克斯电气、倍福、施耐德电气、库卡等都在朝这一方向努力。

► 西门子(Siemens)凭借全集成自动化(TIA)和“数字化企业平台”,西门子长久以来占据着信息技术集成领域的领导地位。西门子公司还将与德国弗劳恩霍夫研究院以及大众汽车公司,通过利用产品生命周期管理软件(PLM)进行虚拟生产规划,可降低生产线上机器人的能耗高达50%。

► 菲尼克斯电气(Phoenix Contact):全面投入Profinet 工业以太网的开发,目前形成了全面的基于Profinet 工业以太网的竞争力。

► 倍福(Beckhoff):与传感器、视觉系统及机械厂商一起参与“科技自动化-系统化工程”与“极速控制-标准加工设备能效提升”两个项目的实施。

► 施耐德电气(Schneider Electric):推出的EcoStruxure 能效管理平台,除了实现了对电力、工业、建筑楼宇、数据中心和安防5 大领域的技术和专业经验的整合,EcoStruxure 与其子系统更强调软件带来的灵活性。

► 罗克韦尔自动化(Rockwell Automation):通过与思科密切合作,推进标准以太网EtherNet/IP 快速发展。Ethernet/IP 是未经修改的以太网标准,可以和现在所有的标准以太网设备透明衔接,使得产业融合成为可能。值得关注的是:2014 年4 月全球最大的工业展会“汉诺威工业博览会”上,西门子展示的新一代汽车生产线吸引了很多人。从表面来看只是机器人对生产线上的车体进行组装,任何一个汽车工厂都有这样的组装线。不过,制造的思路却完全不同。在该生产线上,车体与机器人一边“对话”一边进行组装。其工作原理为在车体内嵌入IC 标签,记录汽车型号、必要零部件以及组装顺序等信息。车体接近机器人时会发出“需要5 扇门”等指示。机器人会按照指示进行作业。

其他工业化先进国家也在积极推进“新工业战略”

与德国的工业4.0 相比,其他工业化国家虽然未普遍使用这一术语,但尽可能降低生产操作成本、提高灵活性和加快创新周期也是这些国家的共同目标。

► 美国:在美国,GE 主导的“工业互联网”革命同样如火如荼,已经成为美国“制造业回归”的一项重要内容。

与工业4.0 的基本理念相似,它同样倡导将人、数据和机器连接起来,形成开放而全球化的工业网络,但其内涵已经超越制造过程以及制造业本身,跨越产品生命周期的整个价值链,涵盖航空、能源、交通、医疗等更多工业领域(九大平台)。

相比于西门子的“工业4.0”,GE 的“工业互联网”方案更加注重软件、网络、大数据等对于工业领域的服务方式的颠覆—— 与德国强调的“硬”制造不同,“软”服务恰恰是软件和互联网经济发达的美国经济较为擅长的

根据GE 的预测,在美国,工业互联网能够使生产率每年提高1%-1.5%,那么未来20 年,它将使美国人的平均收入比当前水平提高25%-40%;如果世界其他地区能确保实现美国生产率增长的一半,那么工业互联网在此期间会为全球GDP 增加10 万亿-15 万亿美元—— 相当于再创一个美国经济

► 日本:一是采用“小生产线”的企业增多,本田公司通过采取新技术减少喷漆次数、减少热处理工序等措施把生产线缩短了40%,并通过改变车身结构设计把焊接生产线由18 道工序减少为9 道,建成了世界最短的高端车型生产线。二是采用小型设备的企业增多,日本电装公司对铝压铸件的生产设备、工艺进行改革,使得铸造线生产成本降低了30%,设备面积减少80%,能源消费量降低50%。三是通过机器人、无人搬运机、无人工厂、“细胞生产方式”等突破成本瓶颈佳能公司从“细胞生产方式”到“机械细胞方式”,再到世界首个数码照相机无人工厂,大幅度地提高了成本竞争力。

此外政府加大了开发力度,加大对3D 打印机等尖端技术的财政投入。2014 年,经济产业省继续把3D 打印机列为优先政策扶持对象,计划当年投资45 亿日元,实施名为“以3D 造型技术为核心的产品制造革命”的大规模研究开发项目,开发世界最高水平的金属粉末造型用3D 打印机。

中国面临什么样的挑战和机遇

东方证券指出,美德等发达国家的工业革命信号给我国制造业敲响了警钟。欧洲计划到2030 年将其制造业占GDP的份额提高5个百分点,而竞争的矛头即直指世界第一制造业大国 - 中国。

反观我国,随着人口红利的消失,劳动力供给减少、人工成本上升和新一代劳动力制造业就业意愿的下降,对我国制造业的国际竞争力形成了巨大制约。根据美国某咨询机构统计,中国沿海地区劳动力单位综合成本已经与美国本土部分地区接近。

客观上说,抢先进入“工业4.0”时代、保持第一大支出产业 - 制造业竞争力,是中国无法不选择的一个命题。

中国作为生产1/3 世界的制造大国如果不积极应对,一方面,规模化生产模式生产出来的产品将受到挑战;另一方面,产业升级时将被动接受德国的新标准、新设备。

近几年来,国家及各级政府不断推出支持工业机器人行业发展的政策,推动行业发展。例如上海 、昆山、徐州、芜湖等多地规划了机器人产业园,推出政府引导资金、所得税优惠等多项产业扶持政策。2013 年11 月,浙江省提出在未来五年年均实施“机器换人”项目5000 项、完成技术改造投入5000 亿元。

2014 年10 月,李克强总理访问德国期间,在第三轮中德政府磋商后发表的《中德合作行动纲要》中宣布,两国将开展“工业4.0”合作,该领域合作有望成为中德未来产业合作的新方向。

中国社会科学院工业经济研究所黄群慧等认为,“工业4.0”不仅会削弱中国等发展中国家的低成本比较优势,而且有利于发达国家形成新的竞争优势,通过发展现代装备制造业控制产业制高点,发达国家可以运用现代制造技术和制造系统装备传统产业来提高传统产业的生产效率,通过装备新兴产业来强化新兴技术的工程化和产业化能力。同时,其在高端服务业的领先优势也可能被进一步强化。

因此,后发国家的产业赶超将面临来自发达国家的全方位抑制。“第三次工业革命”本质是人机关系的深刻变化,这种变化大大增加了对知识和技能的需求。而与先进制造技术相适应的知识和技能的形成和积累,恰恰是中国这样的发展中国家遇到的最大挑战。

工业4.0离真正的产业化大规模应用还有相当长的路要走。中金公司在报告中指出:提高生产效率、产品质量、产品能效以及自动化整体水平,降低生产能耗是我国当前制造业转型的第一步。目前我国已经在两化深度融合、智能制造装备重大专项、战略性新兴产业等方面有了诸多布局。中央和各地方政府也在纷纷支持工业机器人、3D 打印等新型智能制造项目的发展。

工业4.0应该关注国内那些公司

中金公司在报告中看好机器人、智能工具、智能仪器仪表等智能制造设备。主要因为:

1)系统集成商的业绩能够快速释放,2)随着制造业自动化程度的提升,单个集成项目的合同额大幅提高,集聚效应开始显现,3)现在从事机器人相关集成的两化融合企业有望统治未来的“智能工厂”的大集成。

中金重点推荐机器人和利时,关注博实股份

东方证券则将工业4.0产业分为上中下游三部分企业,并看好智能工厂解决方案提供商:

从工业4.0 产业链的上游看,现代智能工厂所高度依赖的四大基础条件 – 传感器(数据采集)、大容量存储(数据存储)、大数据计算能力(数据处理)和工业以太网(数据通信),以及执行单元-智能机器人,均是工业4.0 实施的关键要素。智能工厂这种新型生产模式的兴起,必将带来机器人的大规模普及、传感器的大量使用,以及工业大数据服务商和通信服务商的兴起。东方证券建议关注工业以太网服务商东土科技、管理软件提供商用友软件、传感器供应商华天科技汉威电子等。

从工业4.0 产业链下游看,智能工厂将大幅节省劳动成本、提高生产效率、提升客户体验,增强制造厂商的竞争优势。较早适应4.0 改造的产业和厂商将先受益。建议关注云印刷运营商长荣股份

东方证券看好工业4.0 产业链中游环节,即软硬结合的行业解决方案提供商、智能工厂总包商掌握核心的技术诀窍,也是智能工厂模式兴起的直接受益者。由于在中国大部分行业并没有成熟的智能工厂解决方案,先进入者往往具有较强的先发优势,在细分行业形成较高进入壁垒。东方证券看好智能工厂行业方案提供商,新松机器人、软控股份、蓝英装备、博实股份、天奇股份、华昌达、京山轻机、慈星股份、上工申贝等。

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