汽车智能工厂专题研究
1智能工厂行业概况
1.1智能工厂:响应度高、适应性强的互联制造
智能工厂是数字化供应网络的组成部分,是一个柔性系统,能够自行优化整个网络的表现,自行适应并实时或近实时学习新的环境条件,并自动运行整个生产流程。
什么是“数字化供应网络”?传统的线性序列式供应链运营模式中,研发、采购、生产等流程依序展开,因此流程间互动有限,整体效率较低;数字化供应网络将这样的线性结构转变为一个以数字化为核心的、互联互通的开放式供应链体系,实现多向通讯,更加高频高效。
什么是“智能工厂”?智能工厂能够实时学习新的环境条件,并和数字化供应网络互联;根据企业需求的更新及生产能力的发展,自行适应、优化、运行整个流程;包括但不限于:进入新市场,开发新产品/服务,引入新技术;使得企业应对变化的适应性大大提高。
1.2基本架构:计划、执行、控制
智能工厂包含三项流程,可再细分为五个层面,层与层之间相互联系,形成闭环。
计划
协同层:在商业生态环境中,企业与其他参与者进行互动,将各自的实时数据上传至共享平台,形成数据库;
企业层:企业内部的生产管理软件从共享平台获取数据并进行分析,展开预测性分析,制定工作计划并排产,向下传达至执行部门;
执行
工厂层:接收派发的生产任务,同时从企业内部平台获取数据(如库存量)进行分析,根据实时生产能力调整流程、分配任务;
车间层:根据流程执行生产任务;
控制
设备层:对生产设备进行实时监控与中期检测,保证产品质量,协助必要维修工作。
1.3智能工厂产业链
智能工厂产业链由上游的硬件及软件厂商、中游的智能设备制造及方案设计供应商、下游的制造企业三部分共同组成,下游需求带动智能工厂扩大布局。
2汽车行业:特斯拉“超级工厂”
2.1智能工厂在汽车生产上的应用:生命周期全覆盖
以特斯拉、三星等智能工厂应用较为成熟的企业为例,智能工厂的布局往往从车间里的生产和质控环节开始。因此,短期内的发展方向是先着眼于企业的生产模块,再逐步拓宽到整个生产过程。
目标:汽车产品的完整生命周期包含从接收需求到报废再回收的7个流程;智能工厂的终极目标是实现7大流程全方位覆盖;现阶段应用最广的在生产和质控环节;部分龙头企业已通过大数据分析等技术实现前半部分主要环节的覆盖(即从与消费者、供应商的对接开始,到汽车的销售环节)。
模块拆解:汽车制造中智能工厂可被拆解成4个模块:市场、供应、生产、销售;狭义的“智能工厂”只应用于企业内部,主要包括设计、生产、质控三个环节;广义的“智能工厂”包括从市场、客户、供应商等获得数据和信息反馈从而作用于生产过程。
2.2特斯拉“超级工厂”:极致精益与高效
特斯拉“超级工厂”(Gigafactory)将智能工厂理念与从第一性出发的生产底层逻辑相结合,基本实现整车制造流程的全智能化,提高效率、优化质量、提升产品的可负担性。
2.3“超级工厂”的研发创新:成本控制的基石
相关领域:数字孪生,工业互联网
数字孪生
数字孪生的内核在于通过数字化技术,将生产过程中的物理实体转变为数字模型,根据历史数据以及随客户需求而改变的参数,对生产过程进行模拟、控制、验证和预测通过数字孪生,特斯拉车厂可以在实际生产之前,先通过虚拟生产的方式模拟客户预定的不同配置、型号的电动车的生产过程;
良性循环的形成:短期来看,模拟过程中发现的问题可以被提前解决、改进,从而避免在实际生产时出现瓶颈、对产品出货造成影响,还有助于减少计划外的停机时间,最大化效率与产能;长期来看,模拟生产的所有参数,如原材料、边线物流、工序要求、设备健康状况等,都将被记录到工业互联网平台的数据库中,作为未来模拟时的历史数据,并反馈到管理层,协助战略决策。
工业互联网技术为收集到的数据提供了一个开放、透明的平台。中国本土的部分车企的数字化转型尚且处在起步阶段,目前已能实现生产过程中各个环节数据的采集和分析,如原材料数据、车间的设备情况,
但也仅限于这样的小闭环,即有原材料数据的采购部门和有设备数据的车间之间并不互通,信息的不透明导致这些企业的决策速度较慢,遭遇市场变动时相对脆弱。
特斯拉“超级工厂”使用一个“一体化”平台,将研发、生产、物流三个重要环节产生的数据进行连接,使得数据的输送透明且快速;设备故障被检测到后将实时上报,第一时间通知采购部门故障对产能的影响,从而调整采购的顺序/品类
(调整采购的原因详见“物流创新”部分)。新产品的开发也能得到快速衔接——从实验室到车间、再到测试场地,一站式的产品研发流程提高了效率,控制了成本。
特斯拉超级工厂2.4“超级工厂”的厂房创新:更快决策,更快行动
相关领域:起重、传输机械,工业软件
边际优化
摒弃繁复的外观设计,一个大联合厂房涵盖了整车工艺四大板块,焊装、涂装、总装、电池、电机等车间集中布局,极大缩短各个工序之间的物流路径,提高运行效率;充分利用厂房结构的纵向空间,采用多层厂房设计,通过升降机、机运链进行自动化空中输送的物流措施,最大限度提升空间利用率,实现土地的高效利用;同时也减少人工垂直搬运,节约人力成本,以立方米论效率,达到业界领先水平;厂
房创新为研发、制造创新提供了可执行的土壤——厂房之间的自动化将厂房内部的自动化连接在一起,减下的成本被用于研发产品、提升质量。
3汽车行业:特斯拉“超级工厂”相关板块及重点公司分析
3.1数控机床:新能源车发展带来需求扩张
机床是指制造机器的机器,亦称工作母机或工具机。机床通过切削、铸造、锻造、焊接、冲压、挤压等方式,对精度要求较高和表面粗糙度要求较细的零件进行加工。数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床,相较传统机床,具有精度高、刚性大、生产率高、加工质量稳定等优点。
汽车行业是数控机床行业下游主要应用领域,新能源车发展带来新增机床的需求扩张。数控机床行业下游行业消费占比中,汽车行业比重最大约为40%。新能源车相较传统燃油车在动力总成结构上发生重大变化,以三电(电机、电控、电池)为代表的零部件均需定制化开发机床进行加工。
机床行业周期性叠加进口替代和下游产业需求拉动,行业景气度高。在国家政策的支持以及国内企业不断追求创新的背景下,中国数控机床行业发展迅速,行业规模不断扩大。由于疫情的影响及能源供应限制,2020年中国数控机床产业市场规模下跌为2473亿元。
竞争格局:国内集中中低端市场,国产替代空间大
中国机床行业集中于中低端市场,高端数控机床仍然依赖进口。中国数控机床目前处于中高端产品国产化阶段。据数据披露,中国出口数控机床进口均价是出口的十几倍,出口均价远低于进口均价。
中国机床企业的综合竞争力逐步显现,国产替代空间大。从机床进出口量来看,中国进口量已连续十年处于下滑态势,至2020年进口量占比为18%,与此同时机床出口量保持平稳增长,至2020年已提升至12%。伴随国内制造业转型升级,有利于推动数控机床结构升级,产生大量新增需求。
海天精工
战略布局新能源汽车领域,具有先发优势。公司以龙门产品为重心,并在2019年针对新能源汽车研发和生产专用的结构件专用高速龙门动柱式加工中心。新能源车的爆发增长将显著拉动龙门类机床的需求,公司龙门产品口碑好,品牌知名度较高,有望率先受益新能源车的发展。
技术领先,产品竞争力强。截至2020年,公司共有245项专利,并与国内科研院校合作开发了多项技术。公司成立之初产品定位于高端数控机床,此类产品技术含量高、附加值高。目前公司中高端领域产品质量已经接近甚至持平外资,龙门对手以意大利、西班牙为主,立式等对手以日韩为主,产品价格和韩国持平,并显著低于日本和欧洲,性价比高且具备服务优势。
产能充沛,充分享受行业红利。2020年机床行业下游需求旺盛,行业景气度持续向好。而机床行业扩产周期在一年半以上,2020年多数机床公司新建产能目前仍