工业自动化设备产业可行性研究

工业自动化设备产业可行性研究

十三五以来，机械各行业加快与新一代信息技术、先进制造技术、新材料技术等高新技术深度融合，推动了传统机械产品的更新换代。融合现代通信与网络技术的智能网联汽车方兴未艾，技术创新加速迭代，市场牵引力凸显。融合了传感、控制、执行与通信功能的各种智能化电力设备，比传统电力设备控制更灵活、自动化程度更高、使用更方便。基于北斗系统的自动驾驶计亩测产联合收割机、免耕精量播种机等智能农机从样机试验步入应用。数字化、信息化、智能化、轻量化及互联网等先进技术的融入，使得我国工程机械产品获得了新的发展机遇，国际竞争力不断提高。在融合发展理念带动下，跨行业、跨领域、上下游联动融合发展的速度加快，极大推动了机械工业全产业链创新发展。内燃机行业龙头企业发挥全产业链的协同优势，同供应商、研发咨询机构开展合作，对柴油机热效率进行专项攻关，成功发布了全球首款达到50．26%热效率的商业化柴油机。轴承企业与用户单位联合攻关，研制成功国内首台Φ6．28m复合盾构机主轴承，各项技术指标达国际先进水平，实现了我国重大技术装备配套轴承的一项重大突破。坚持以创新驱动为基石，把企业自主创新摆在机械工业发展全局的核心位置，激发科技创新源动力。围绕产业链部署创新链，充分发挥企业在技术创新决策、研发投入、成果转化等环节的主体作用，重视充分发挥民营企业的重要作用，持续激发民营企业活力和创造力。推动行业领军企业牵头组建创新联合体，主动与高等院校、科研院所一起攻克技术难关，带动中小企业协同创新。虽然我国机械工业门类比较齐全、规模优势突出，但仍存在一些短板弱项，突出表现就是核心零部件自主研发能力不强，部分关键零部件严重依赖进口。一方面，高端轴承钢、高端液压铸件、高端涂料、关键绝缘材料、高性能密封材料、润滑油脂等关键基础材料大幅落后于国际先进水平，限制了各类零部件产品的自主创新和提档升级;另一方面，铸造、锻压、焊接、热处理及表面处理等基础制造工艺及装备发展滞后，直接影响到零部件的质量、寿命及可靠性水平。受制于关键基础材料、先进基础工艺和产业技术基础的落后，导致高端轴承、齿轮、液气密件、链传动及联结件、弹簧及紧固件、模具、传感器等基础零部件的自主化能力不足，难以满足主机发展需求而依赖进口。研发能力有所增强十三五时期，我国机械工业坚持创新驱动发展战略，行业技术创新体系进一步加强。2016-2020年，共分3批批准建设机械工业工程研究中心和重点实验室48家，其中工程研究中心24家，重点实验室23家，创新中心1家。截止至2020年底，已挂牌运行和正在筹建的创新平台241家，为加快提升我国机械工业技术研发和工程化试验能力、协同创新水平、促进我国机械产品在国内外市场形成竞争优势，切实发挥了重要作用。2016年至今，面向制造业创新发展重大需求的国家制造业创新中心建设迅速推进。截至2020年底，已论证通过和启动建设17家国家制造业创新中心，其中机械行业就有7家，分别为国家动力电池创新中心、国家增材制造创新中心、国家机器人创新中心、国家智能传感器创新中心、国家轻量化材料成形技术及装备创新中心、国家农机装备创新中心以及国家智能网联汽车创新中心等。重大装备有新突破在创新驱动战略推动下，一批具有较高技术含量的重大技术装备实现突破发展。自主设计建造的三代核电华龙一号全球首堆福清核电5号机组成功并网发电，核心零部件全部实现国产制造。自主三代核电国和一号（CAP1400）示范工程项目设备国产化率达到85%以上。装机总容量达1600万千瓦的白鹤滩水电站为目前世界上在建规模最大、单机容量最大的水电站，水电站的设备制造全部实现国产化。昌吉-古泉±1100kV特高压直流输电工程双极全压通电成功，张北可再生能源±500kV柔性直流电网的投运，标志着我国特高压直流输电成套设备和柔性直流电网居国际领先水平。中海油惠州石化120万吨/年乙烯装置一次试车成功，其关键设备裂解气压缩机、丙烯压缩机、乙烯压缩机全部由国内企业制造。总重2400吨的260万吨/年沸腾床渣油锻焊加氢反应器创造了世界加氢反应器重量和制造工艺复杂性两项世界之最。国产10万m3/h等级空分装置在神华宁煤投产，装置规模等级和各项性能指标均达到或超过了世界先进水平，装置成套设备以及大型空气透平压缩机组实现了国产化突破。工程机械实现了掘进机械整机系统集成技术的产业化应用，15米及以上超大直径泥水盾构和超小直径（≤4．5米）盾构实现了施工应用;700吨超大型液压挖掘机、4000吨级超大型履带起重机、2000吨级全地面起重机、52000千牛米大型动臂塔机等超大型起重机在大型矿山、大化工、核电、超高层建筑和超大型桥梁施工多个重大吊装领域得到运用。高端装备行业的经营模式变频调速一体机、专用变频器、特种电机、电气控制及供电产品属于工业自动化领域电气传动与控制设备，其广泛应用于煤炭开采、油气钻采、工程机械、港口、冶金、船舶及水泥等行业。随着下游行业的不同，行业的经营模式亦会有所差异。总体来说，工业自动化领域的销售模式包括直销模式、代理模式及经销模式。从业务获取方式上来看，通常包括招投标和商务谈判。高端装备行业技术发展趋势（一）高端装备行业智能控制以现代控制理论为基础，融入模糊控制、专家控制、神经网络控制，以形成高智能化的自动控制系统为现代自动化控制领域的发展方向。模糊控制依靠模糊控制器在执行控制过程中通过不断获取现场信息，及时调整模糊控制规律，改善系统性能，具有自学习功能。由于具有较强的鲁棒性和不敏感性，模糊控制使得控制系统的稳定性获得改善，可以提高控制精度、抑制振荡等现象；专家控制是人工智能领域的一个重要研究方法，在提高控制系统的灵活性和智能化方面具有优越性；神经网络控制从仿生学角度出发，对人体大脑神经系统进行模拟，使机器具有感知、学习和推理能力，神经网络能够不断逼近任意复杂的非线性关系，能学习与适应严重不确定的系统的动态性能，所有信息都等势分布储存于网络内各神经元，因此有极强的鲁棒性和容错性，在解决高度非线性和严重不确定系统控制方面有巨大潜力。（二）高端装备行业基于新材料的电力电子器件SiC（碳化硅）是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，可制作出性能更加优异的高温、高频、高功率、高速度、抗辐射器件。基于SiC的IGBT综合了GTR（电力晶体管）和MOSFET（金属氧化物场效应晶体管）的优点，具有较大的通流能力。目前已有实验证明，使用SiC混合的IGBT与普通IGBT相比，功耗约减小30%，开关频率的提高也有效降低了输出谐波，减小了电机脉动转矩，使整个系统效率提高。基于SiC的新型电力电子器件的研发将成为未来一个主要发展方向。（三）高端装备行业边缘计算传统的工业自动化架构，围绕连接到远程现场设备的集中式可编程控制器搭建。随着计算能力逐渐嵌入到使用新型智能组件的自动化系统的边缘，与传统的集中策略相比，边缘计算在设计上具备更多优势：例如，采用整合输入/输出、控制、数据处理、通信和人机界面等功能的边缘可编程工业控制器，可以实现控制决策实时进行，在数据源附近即可获得、预处理和分析数据，从而减少边缘设备上游组件所需的网络带宽、数据存储和处理能力。同时，边缘计算可以与其它现场自动化平台的监控系统、企业数据库进行交互，甚至可以与云端交换数据。边缘计算实现了物联网技术前所未有的连接性、集中化和智能化，由此可以满足敏捷连接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的需求，是未来实现分布式自治、工业控制自动化的重要支撑。（四）高端装备行业控制系统网络化随着计算机技术、通信技术和网络技术的不断发展，传统的控制领域正经历着向网络化方向发展的变革。控制系统的结构从最初的CCS（计算机集中控制系统），到第二代的DCS（分散控制系统），发展到现在流行的FCS（现场总线控制系统），语音信号等大数据量、高速率传输的要求，又催生了工业以太网与控制网络的结合。这种工业控制系统网络化浪潮又将诸如嵌入式技术、多标准工业控制网络互联、无线技术等多种当今流行技术融合进来，从而拓展了工业控制领域的发展空间，带来新的发展机遇。将现场总线、以太网、多种工业控制网络互联、嵌入式技术和无线通信技术融合到工业控制网络中，在保证控制系统原有的稳定性、实时性等要求的同时，又增强了系统的开放性和互操作性，提高了系统对不同环境的适应性。在经济全球化的今天，这一工业控制系统网络化及其构成模式使得企业能够适应空前激烈的市场竞争，有助于加快新产品的开发、降低生产成本、完善信息服务，具有广阔的发展前景。（五）高端装备行业工业通信无线化随着计算机网络技术、无线技术以及智能传感器技术的相互渗透、结合，产生了基于无线技术的网络化智能传感器的全新概念。这种基于无线技术的网络化智能传感器，使得工业现场的数据能够通过无线链路直接在网络上传输、发布和共享。无线通讯技术能够在工厂环境下，为各种智能现场设备、移动机器人以及各种自动化设备之间的通信提供高带宽的无线数据链路和灵活的网络拓扑结构，在一些特殊环境下有效地弥补了有线网络的不足，进一步完善了工业控制网络的通信性能。高端装备行业进入壁垒（一）高端装备行业技术与人才壁垒变频调速一体机、专用变频器、特种电机、电气控制及供电产品等工业自动化设备属于高新技术产品，涉及电机设计及制造、电力电子技术、控制理论与控制工程、机械设计及自动化等多项学科领域。无论是在理论上还是设计及制造工艺上，均需要较高的技术水平和经验积累，因此对人才队伍有较高的要求，需要在软件算法、电路设计、电磁计算、结构设计等方面具备较高理论素养和实践水平、经验丰富的技术人才。对于变频调速一体机、专用变频器、特种电机、电气控制及供电产品，核心技术的研发需要在软件工具、硬件设备、人才队伍等方面的持续投入，行业存在较高的技术与人才壁垒。（二）高端装备行业客户黏性壁垒工业自动化控制系统是一项庞大的系统工程，对系统中的各类设备选型均有较高的要求，用户在购买产品时除考虑其控制和节能的效果外，更为关注其性能的稳定性和产品的安全性，对于煤炭开采、油气钻采、工程机械领域，前述要求则更为突出。为了确保自动化生产环节的稳定运行，用户需要对工业自动化控制产品进行长时间的配套测试。目前国内外知名厂商经过多年的发展，已经凭借其先进的技术和可靠的产品品质树立了品牌优势，获得了较为稳定的客户群体。因此，对于新进入者而言，较难在短期内形成市场声誉并获得优质客户资源。（三）高端装备行业规模经济壁垒随着行业的逐步成熟和市场竞争的加剧，对于尚未形成规模经济的企业不能在采购、生产、销售、售后服务等各方面形成成本优势，也难以获得充足的资金开展研发工作以实现产品升级迭代和技术前沿探索，从而缺乏可持续发展能力，难以适应当前日趋激烈的市场竞争。从规模经济来看，目前变频调速一体机、专业变频器、特种电机等行业将越来越面临较高的规模经济壁垒。新兴产业不断壮大十三五期间，我国机械工业中战略性新兴产业增长相对较快，规模不断壮大，成为行业新的增长点。新能源装备快速发展，2016-2020年，我国风电机组总产量达到11296万千瓦，较十二五时期增长38．9%;光伏设备总产量达到21017万千瓦，比十二五时期翻了两番还多。在新能源车领域，2015年以来我国新能源汽车产销量连续5年位居全球第一，产业技术水平显著提升，产业体系日趋完善，已形成从原材料供应、动力电池、整车控制器等关键零部件研发生产到整车设计制造的完整产业链，电池电机电控等技术也取得明显进步，具备较强的产业基础和优势。机器人产业蓬勃发展，自主品牌工业机器人销量由2015年的2．23万台增长到2019年的4．46万台，年均增速达19．0%;自主创新能力显著增强，机器人动力学控制、高性能伺服驱动等关键技术取得突破，高精密减速器研发取得重大进展。产业基础能力不足（一）共性技术研发能力弱我国机械工业技术创新面临的最大困境在于共性技术研发能力较为薄弱，阻碍了我国机械工业的高质量发展。依托企业建设的各类创新载体促进了一些企业创新能力的提升，但是无法有效满足行业大多数企业对共性技术的广泛需求。共性技术研究的缺失，一方面导致了部分共性技术研发存在重复投入、分散投入的问题，另一方面大量技术基础薄弱与资金缺乏的中小企业根本无力自行开发，进而限制了其自主创新能力的提升。由于不掌握核心技术，很多技术标准处于被动跟随状态，国际话语权较弱，存在和断链隐忧。（二）核心零部件依赖进口虽然我国机械工业门类比较齐全、规模优势突出，但仍存在一些短板弱项，突出表现就是核心零部件自主研发能力不强，部分关键零部件严重依赖进口。一方面，高端轴承钢、高端液压铸件、高端涂料、关键绝缘材料、高性能密封材料、润滑油脂等关键基础材料大幅落后于国际先进水平，限制了各类零部件产品的自主创新和提档升级;另一方面，铸造、锻压、焊接、热处理及表面处理等基础制造工艺及装备发展滞后，直接影响到零部件的质量、寿命及可靠性水平。受制于关键基础材料、先进基础工艺和产业技术基础的落后，导致高端轴承、齿轮、液气密件、链传动及联结件、弹簧及紧固件、模具、传感器等基础零部件的自主化能力不足，难以满足主机发展需求而依赖进口。（三）人才短缺问题仍突出机械企业尤其是传统机械制造企业工作条件艰苦、工资水平相对较低，对人才吸引力不足，成为行业人才短缺的重要原因。目前，不仅高层次研发人才缺乏，一线熟练技工、尤其是高级技工非常紧缺。相对于发达国家平均超过35%的高级技工占比来看，中国这一比例仅为5%。同时，高技能技术工人的培养体系缺