我国工业传感器本土制造面临哪些问题,未来该如何进步

 慧兰      

在工业4.0和智能制造2025等时代浪潮的助推下,工业自动化进程如火如荼,工业的发展离不开众多感知技术的加持,其中最为关键的技术之一便是传感器,因为工业传感器让设备有了感知能力,实现设备的自动化,也为智能制造和工业自动化提供了可能。


智慧工厂的建设很重要的一个关键技术便是工业传感器。传感器为智慧工厂提供触觉,是实现自动检测和自动控制的首要环节。在自动化生产过程中需要用各种传感器来监视和控制各个参数,使设备工作在正常状态或最佳状态,并使产品达到最好的质量。它是设备的机械系统和控制系统连结的纽带,机械系统通过传感器将运动参数以及运行状态反馈给控制系统,控制系统通过传感器反馈的信号和数据发出指令驱动机械系统,其重要性不言而喻。


国产工业传感器画像:中低端市场混战,高端市场空白


在工业人圈中,他们将传感器称为“工业工艺品”或者“电五官”。这是因为传感器作为一种检测装置,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。简单来说,传感器的出现,赋予了物体触觉、味觉和嗅觉等感官,让物体慢慢变得活了起来。一般来说,传感器的种类包括光电传感器、接近传感器、光纤传感器、位移传感器和霍尔效应传感器。


当前,传感器正在向智能化、微型化、多功能、低功耗、高精度等方向发展。


由于起步晚基础弱,我国工业传感器和其他关键技术一样,核心元器件技术严重缺失、创新能力弱,国内工业传感器厂商主要在低端市场混战厮杀,近年来逐步向中高端市场发力,但是高端市场仍被美国、德国、日本等外资企业长期占据,如西克、基恩士、倍福、霍尼韦尔、欧姆龙等知名外企。


在2015年全球传感器市场报告中,美国、日本、德国分别占据了传感器整体市场份额的29%、19.5%、11.3%,三个国家占据了全球70%以上的市场份额。


这一点也得到行业内人士的佐证。上海长江电气设备集团有限公司传感事业部常务副总张碎红对OFweek工控网表示,目前国内约70%-80%市场份额仍然掌握在外资进口品牌中,但是国产传感器品牌近年来发展速度很快,3年前国产工业传感在市场上基本不被接受,推广起来很难,但是这几年通过不断提升性能,实现产品稳定可靠的性能,国产传感器在中低端市场完全够用,市场用户的反馈很好地证明了这一点。但是在高尖精领域,国产品牌仍然翘首以望,技术壁垒难以突破。


国产厂商奋力追赶,工业传感器国产化进程加快


近几年,中国传感器市场发展很快,但截止至2020年,本土的传感器技术与世界水平相比,仍然存在较大差距。


一方面,传感器在感知信息方面比较落后;另一方面,传感器自身在智能化和网络化方面技术落后。由于没有形成足够的规模化应用,导致国内市场上的传感器往往技术低、价格高。


未来,我国工业传感器的首要目标是实现核心元器件的国产化,产、学研用一条龙建设,由国家统筹发展,强化国家传感器基础产业链建设,同时培养产业所需的高精尖人才。


作为在工业传感器领域征程多年的长江传感,张总对于加快工业传感器国产化有着自己的切身体会,她认为工业传感器国产化这是一个民族使命,需要传感器行业同仁合力去做,每一家传感器企业在做产品里要有对标进口品牌实现进口替代的定位,加强行业同仁的交流,降低企业的试错成本,改变目前散兵游勇的现状,合力去推动我国传感器的发展。虽然目前可能暂时无法快速改变进口品牌的市场占有率情况,但是十年或者二十后年终将改变当前格局。


未来几年,随着智能制造的加速推进,智能传感、监控、生产、监测系统、技术、设备市场需求有望进一步攀升。面向新基建及新一代信息技术产业提升,采用需求牵引,拉动传感器的应用,进而实现迭代和研发的良性循环,分阶段发展和补齐工业传感器短板。


工业传感器国产化替代是一条漫长而持久的道路,但是我们相信,中国速度总能创造奇迹!


在国内,传感器并不容易挣钱。由于芯片不能自主,工艺研发投入巨大,再加上红海竞争激烈,中国传感器的利润一直被压得很低。根据国内40家传感器企业上市公司的财报,将近40%的企业利润率低于5%;而利润为负就有6家。


都说制造业利润低,传感器看来也是其中的一种。不过,不挣钱,并不是这个行业的真实情况。


日本基恩士传感器公司,可以说是日本最挣钱的公司。2019年营业额接近360亿人民币,而利润,则达到了惊人的180亿。利润率居然超过50%,而且常年如此。传感器这种在中国几乎无法建树的行业,被日本做成了真正的摇钱树。


这家以纯设计(Fabless)起家的传感器公司,主要是设计和销售传感器、测量系统、激光刻印机等。从产品开发策略来看,它从来不定制产品,坚持完全“以我为主”的标准化产品研发。这种策略,维持了产品研发的规律性,而定制产品则会有很大的周期不确定性,经常导致企业失去灵活性。为了不断开发新品,基恩士采用了广泛的研发信息源,促使产品的多样化。而从产品系列而言,则采用了深度嵌套的产品组合。既有传感器产品,更有在传感器基础上做好的测量系统,成为测量领域的领头羊。


国内像海康威视、大华等领头羊,都是走大型工程。虽然也挣钱不少,但其实跟传感器也没有太大关系。即使是以气体传感器起家的郑州汉威,这几年也是重点聚焦在水务、环保等总包工程。传感器事业板块,不过只是这家上市公司的高科技之名而已,从体量而言则基本就是无足轻重。


传感器主要用在电子产品、工控与测量、设备等几个板块。而传感器的发展,最早是来自工业自动化的推动。但在中国最黯淡的,也就是工控与测量这个分支了。最典型的可以算是上海威尔泰仪表公司了。这家企业以核电为入手点,进入到传感与仪表领域的,属于纯正的工业自动化产品。从上市公司财务报表来看,这家公司上市已经14年,但最近一年收入大约在六千万元。不得不说,经营惨淡。要知道,另外一家巨头公司霍尼韦尔公司,其传感与物联部门在全球的营收将近60亿元。


工业软件是中国制造的软肋,传感器更是如此。而传感器的设计软件,也是非常隐蔽的匕首。这几年MEMS传感器非常火爆,每个手机中都有几个,如感知加速度的。而一般的汽车至少也有十多个。德国博世、美国博通、荷兰恩智浦等都是业界巨头。中国只在麦克风的MEMS传感器扳回一个角,做得很好。


然而MEMS传感器的设计,需要两款很专业的CAD软件。一个是IntelliSuite,这是美国1991年创立的,这也是最早的MEMS专用CAD设计画图软件。


另外一家ConventorWare也是美国公司。中国很多传感器企业几乎都在用,能占据中国80%的市场。当年在国内承担863计划MEMS研究项目的30个研究小组,全部都使用这种软件。它在MEMS传感器的位置,跟6月份哈工大被断供的Matlab软件在科学计算中的地位,基本一样。而在中国,几乎没有这种软件。不幸的是,这款软件在2017年被泛林LAM收购;而LAM是美国第二大半导体设备制造商。这都是美国政府最容易动刀子的断供之地。


工业软件,非常的细分了。如果不深入到行业中去,很多软件都是隐藏而不可见。这种处境,倒是跟传感器一模一样。传感器和工业软件,似乎都穿着隐身衣。而正是这些看不见的工业软件,其实暗地封锁着中国制造的诸多命脉。传感器设计软件,就是其中一道令人紧张的暗穴。没有软件,这些传感器很难被设计出来。


在中国,消费类电子的传感器,由于市场的拉动,近十年已经有了很大的进步。然而在工业级的传感器,卡脖子情况比芯片还厉害。围绕着控制与测量,尤其是仪器仪表传感器,几乎100%进口。


中国仪表的变送器两大巨头,都是“国外芯”。重庆横河川仪年产归谐振变送器30万台,传感器用的是日本横河的;北京远东罗斯蒙特,每年30万台金属电容变送器,用的是美国罗斯蒙特的传感器。可以说,这两家占据中国70%以上市场的龙头企业,基本就是给日本和美国打工。其他企业情况也一样,苏州恩德斯豪斯E+H一年大约5万台,用的是德国E+H;而国内品牌的龙头企业,用的基本都是德国FirstSensor。要命的是,这家公司,在今年3月被美国传感器巨头泰克连接公司所收购。这对于中国的仪表,实际上非常的凶险。今后是否还能买到德国传感器芯片,存在着极大的不确定性。


这意味着,石化、医药等流程行业广泛使用的变送器,其中的传感器除了用日本横河和美国罗斯蒙特的芯片,原本用德国的公司的现在也要依赖美国公司了。


其他行业也基本是类似的状况。根据传感器国家工程研究中心《中国传感器发展蓝皮书》的统计,汽车传感器、高端化学类气体传感器、光纤传感器、环境检测传感器,对国外进口依赖度都是在95%以上。至于海洋传感器,用于移动观测平台的自动浮标、水下滑翔机,以及海上浮标等,则是100%进口。


国人非常关心的PM2.5值,其测量仪基本都是采用仪表巨头美国热电公司的产品。它内部所使用的微量振荡天平,通过测量滤膜上微小颗粒的质量而引起振荡管的频率变化,来测试空气颗粒物的浓度。以精密测量的传感器作为基础,热电公司的一台PM2.5测量仪,动辄几十万元,甚至上百万元。也只有国家级测量站,才用真正用得起这种仪表。而直到最近,这种技术才被天津大学精仪学院毕业博士所创立的天津同阳公司,基本攻克。这是一种很幸运的进展了。


传感器的卡脖子方式,与绝大部分其他工业产品都不一样。它就像一个漫山遍野的地雷阵,分散而隐蔽。要逐项对这一类卡脖子短板进行突破,必将是一个漫长的过程。而且要逐个突破,也基本不现实。

来源:中国智能化网

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