工业4.0的核心概念之二：PLM产品全生命周期管理

证券分析师胡小禹投资咨询资格编号：S1060518090003胡小禹投资咨询资格编号：S1060518090003投资咨询资格编号：S1060519100002投资咨询资格编号：S1060518010003邮箱：huxiaoyu298@PINGAN.COM.CN一般从业资格编号：S1060118120012企业层CRMCRMSCMSCM客户管理财务管理采购管理主数据管理供应商管理交货管理市场管理人事管理流程制作库存管理下达生产指令反馈生产情况下达生产指令操作层PDMBOM管理工艺数据管理操作层PDMBOM管理工艺数据管理任务分解生产统计设备管理能源管理质量管理KPI分析调度排产报表看板WMS物料识别物料传输仓储管理自动分拣SCADA/DCS现场监测过程报警设备控制数据处理人机界面事故追忆下达生产指令执行生产并实时数据控制层（多为嵌入式，是软硬结合之处操作面板，PLC，其他类型控制器，传感器硬件网络（物理空间）硬件网络（物理空间）智能装备实时数据（信息空间）实时数据（信息空间）历史数据历史数据有有线通信无线通信、、（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（PLMCPS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（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、、◎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、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。美、日、德、中四国制造业发展战略20252025、、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。中国制造2025的十大领域和五大重点工程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%我国制造业平均工资(元/年)中国制造业占全球GDP比例(%)—中国制造业GDP占全球GDP的比例%我国制造业平均工资年元我国各产业对GDP我国制造业平均工资(元/年)中国制造业占全球GDP比例(%)—中国制造业GDP占全球GDP的比例%我国制造业平均工资年元我国各产业对GDP增长的贡献率GDP累计同比贡献率:第一产业季%GDP累计同比贡献率:第二产业季%GDP累计同比贡献率:第三产业季%0、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、2018年我国制造业平均工资为6.46万元/年，2013-2018五年复合增长率8.5%。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。第二次工业革命第三次工业革命第四次工业革命第二次工业革命第三次工业革命第四次工业革命智能化1866年，西门子发明大功率发电机1969年，第一个可Modicon0842012年，德国产业经济研究联盟提出CPS概念工业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第一次工业革命第一次工业革命机械化1784年，瓦特发明蒸汽机用于织布机工业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-PhysicalSystem，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产品全生命周期管理：PLM，ProductLifecycleManagement，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。利用软件系统对产品的全生命周期进行协同管理数据软件算法服务、、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有线通有线通信无线通信典型的智能制造系统：信息空间、物理空间、通信系统实时数据（信息空间）实时数据（信息空间）历史数据历史数据企业层CRMCRMSCMSCM客户管理财务管理采购管理主数据管理供应商管理市场管理交货管理人事管理流程制作库存管理反馈生产情况下达生产指令反馈生产情况操作层操作层任务分解生产统计设备管理能源管理质量管理KPI分析调度排产报表看板PDMPDMBOM管理工艺数据管理WMS物料识别物料传输仓储管理自动分拣SCADA/DCS现场监测过程报警设备控制数据处理人机界面事故追忆下达生产指令执行生产并实时数据控制层（包括嵌入式，是软硬结合之处操作面板，PLC下达生产指令执行生产并实时数据控制层（包括嵌入式，是软硬结合之处操作面板，PLC，其他类型控制器，传感器硬件网络（物理空间）智能装备附注：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一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C（Comput一种主要面向制造行业进行物质资源、资金资源和管理（物流）、人力资源管理（人流）、财务资源管理（财位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间层的管理操作人员/管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源(人、设备、物料、客户需求供应链管理WMSWarehouse 、典型的智能制造系统：信息空间、物理空间、通信系统、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。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系统智能制造系统：巧合的仿生学人体系统智能制造系统大脑神经纤维信号采集思考运动控制运动/劳动记忆大脑神经纤维信号采集思考运动控制运动/劳动记忆小脑轴树突信号传输神经末梢>数据库类似于大脑的记忆功能：>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。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。典型的智能制造系统结构>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控制层设备控制层设备、、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、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计算机数字控制系统(CNC)，随后在包装机用友网络的云平台架构示意图用友网络的云平台架构示意图数据库是“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。根据服务内容不同，云平台可分为三类：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把服务器平台作为一种服务。通过网络提供软件服务。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。传感器的常见种类（按功能分）现代智能制造对传感器的要求化 化常用的工业通信网络现场总线有线通信工业以太网TSN 工业通信网络NB-iot无线通信常用的工业通信网络现场总线有线通信工业以太网TSN 工业通信网络NB-iot无线通信…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TSN：对现场总线的补充的一种网络，更适用于复杂的，多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。适用于工厂外智通用设备智能装备专用设备通用设备智能装备专用设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。智能装备分为通用和专用两类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。、、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（%）0我国工业软件市场规模（亿元） YoY(%)-右轴研发设计、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。2018年研发设计类工业软件市占率(%)广联达,Dassault,Dassault,2018年生产控制类工业软件市占率(%)2018年信息管理类工业软件市占率(%)用友,其他,其他,2018年嵌入式类工业软件市占率(%) 宝信软件,9% 施耐德,西门子,9%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。我国工业机器人销量（台）销量:工业机器人:中国年台YoY(%)-右轴076543210全球工业机器人价格多年来降幅有限全球工业机器人平均价格(万美元/台)我国工业机器人销量占全球比例（%）中国销量占全球比例（%）2018年我国各类工业机器人销量占比(%) 埃斯顿,8.6%埃斯顿,8.6%爱普生,库卡,发那科,安川,众为兴,7.2%汇川,4.7%埃夫特,4.4%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%，>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。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(%)其他其他,A股部分相关上市公司概况领域、、、、（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