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配角之王,走进制造中央

发布日期:2021-10-12 浏览次数:778 来源:宜科电子作者:网络
 配角之王,已经亮相

 

在中国制造战略中,唱主角的是主机装备等大国重器,而处在感知最前端的传感器,则是微不足道的配角。这也并不奇怪,传感器作为一种很小的零部件,向来缺乏存在感;而且由于龙头企业的规模也很小,一个企业如果纯粹的传感器收入能做到1个亿,就已经是很厉害的角色了。这种规模,自然也缺少话语权。传感器在制造业中的定位,成为了“配套中的配套,边缘中的边缘”。

 

传感器,往往是处于一切工业产品的最前沿阵地,它提供了感知物理世界的第一道哨卡。哨卡从不出错,工厂运行良好,这就是工业运转所依赖的基本规则。直到有一天,有一种痛蔓延过来,定睛细看,哨卡或许并不可靠,而它的价值则会被瞬间放大。多年来,一家德国的传感器公司FirstSensor,一直为中国石化仪表行业提供压力传感器。然而,2019年这家德国公司突然被美国连接器巨头TE公司收购,于是整个石化仪表行业都自然而然地进入了一种恐惧的阴影之中,挥之不散。这几年,芯片作为“卡脖子”最耀眼的明星,担当了卡脖子超级形象大使。但其实,传感器、工业软件、科学仪表等很多产品,都具有同样的一剑封喉的作用,只是它们影响人们感受的方式并不相同。如果7nm的芯片没有了,你最多是无法享用到华为的P50手机;但是如果压力传感器没有了,一个上千亿产值的化工厂就会直接陷入停产。

 

实际上,作为智能化的起点,传感器是构建智能工业和智能社会大厦的基石。如同一座数百米的高楼建筑,离不开深入地下几十米的地基。人们总是容易被摩天大厦壮观的外立面所吸引,却很少有人在意地下的根基。然而,构建智能制造的大厦,却正是要靠着大量隐姓埋名的传感器打下根基。如果去剖解制造业的根基,配角之王,非传感器莫属。

 

然而,要认清楚传感器的真实面目,也的确非常不容易。传感器的种类繁多,恐怕很难准确说清楚,但3万种以上,应该是非常确定的数目。要想彻底搞清楚传感器的家当,几乎要跨越所有的制造业门类,难度有如识别满天繁星。要理解这样一个产业,难免让人心生畏惧。这也使得多年来,传感器行业很少能得到国家政策的直接有力扶持:配角之王,在冷板凳坐得久,也是有原因的。

 

三大领域,工业最迫切

 

从实际应用看,传感器在军工、民用、工业领域的情况也是大为迥异。而工业级传感器则是迫切需要破局之道。

 

就工业级传感器而言,国内产品与国外的差距则是最大的。一方面是受国内生产制造水平所限,产品的一致性和稳定性不够;另一方面,则与国内对于传感器的漠视有关。在技术攻关的时候,往往以主机牵头,传感器作为配角基本是拿来主义。而在引进国外设备时,往往采用整机引进方式,很少有国产零部件的机会。如核能、化工、电力等行业,一般都是直接输入成套设备,而这些设备基本上自带仪表和传感器。在许多项目在招标中,建设方也明确要求高端仪器和传感器必须采用国外品牌的产品。

 

由于传感器在整体设备价值占比相对较低,制造企业宁可采用品质更高的国外品牌。例如在30万元一台机床,加速度传感器价格不过几千元。机床厂并不愿意冒风险来采用国内传感器品牌,这使得国内传感器厂商长期处于饥饿状态,缺乏行业应用和试错成长的机会。

 

就军队而言,传感器就是导弹、火箭和各种军火的五官,这是所有武器的基准竞争力。在最新一次的美国国防部为联合战斗机F35的拨款预算中,依然包含了传感器与网络战的研究。而美国陆军参谋长米利(Milley)向来都将传感器视为未来智能战的关键核心。在今年年初美国一篇《猎杀对手:面向2035的传感器之战》的文章中,引用了米利提出的一个“高端战争”的说法。在这个概念中,“泛在传感器的作用,就是让敌手死的更快”。在面向2035的战争中,美军围绕着传感器设想了7种智能,包括视觉智能、通讯智能等,而人工智能不过是其中一种。从这个角度来看,虚谈人工智能,对制造业言,很容易造成一种虚火旺盛的假象;只有围绕传感器谈智能制造,才更容易接近智能的真相。

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图 2035战斗中的制胜传感器

 

军工行业向来对传感器的应用极为重视,在设计和生产制造上甚至不吝成本,代价高昂。作为军品的传感器,以追求有没有为第一目标,经济性是第二位的。它往往采用更为高级的生产线和工艺方法,费工费料在所难免。军用传感器的制造,跟工业级传感器呈现了完全不同的状态。

 

民用传感器,则与军品大为不同。它首先必须考虑的是经济性,要严格控制生产成本和不良品率。目前在中、高端传感器制造领域,我国在知识产权、设备和材料等方面都没有优势,成本居高不下。但近年来,在某些有限的领域,这种局面正在逐步改变。例如,随着苹果带动的高保真耳机TWS的广泛应用,声学传感器的发展也水涨船高,涌现出了一批明星企业,如歌尔、瑞声等。

 

实际上,民用传感器的快速发展,给了工业级传感器一个重要的启发,那就是应用会带动传感器的发展,大量应用则会带动传感器大力发展。昔日声学传感器都垄断在美国楼氏的品牌之下,但随着潍坊歌尔声学大量耳机的出货,它自然而然就向其中最为关键的MEMS传感器(这种传感器采用了一种与传统机械加工完全不同的半导体工艺)发起挑战。尽管主动发动了大量的专利诉讼战,楼氏依然是节节退后,中国声学传感器则是一个兵团般的崛起。同样,在新兴领域,中国的传感器由于依靠着巨大的国内市场,往往能够找到自信。随着生命医疗和大健康的崛起,测量血压、血糖等生物传感器也在蓬勃发展,这也是中国传感器的机会。

 

这对于多年来积重难返的工业传感器,启发良多。当然,三种不同领域的传感器,自有相通之处。国外的传感器制造商往往都是三者通吃,因为只有这样,才能实现最大的规模效应。而这恰好是中国传感器的短板。

 

这么小,如何搞?

 

国内传感器厂家没有规模。与传感器沾边的国内上市公司大约有40家,但传感器都无法成为主营业务。在国内传感器做的有声有色,算是闯出一套血路的郑州汉威,2020年收入为20亿。这其中纯粹的传感器不到20%,其他都是围绕着传感器而形成的物联网解决方案。而且,这么高的比例,跟新冠疫情引起的测温传感器需求剧增有很大关系。如果以2019年来看,传感器的收入占比则不到10%。

 

汉威是传感器的幸运儿。放眼看过去,国内具有一定规模的工业传感器生产厂家不到两千家,很多都在3000万的收入线上挣扎。很多传感器产品都是处于小批量生产状态,单一产品的研制成本居高不下。中国制造的产品往往给人一种深刻的印象,就是价格低廉,比国外有优势。但其实恰好相反,中国很多工业传感器,成本往往并没有竞争力。

 

这与传感器较为复杂和精准的生产工艺有关。以光电传感器为例,需要从微弱信号检测到提取信号、整形放大、噪声处理等,而针对不同传感器的工艺流程是对企业Know-how的真正考验。传感器企业需要购买芯片、材料、单片机等元件,然后自己做光学、做结构,进行收光、发光处理以及显示等。这个过程,需要的设备、工装、制具、校准仪器等,很多都需要企业自行研发。作为智能的起点产品,传感器居然是一种近乎“自给自足”的生产方式。这未免给人留下了一种沮丧的印象,传感器几乎还没有进入“工业化的状态”。

 

传感器制造还有软件算法问题,从而支撑传感器的智能化要求。光电开关看上去简单,有收发光线即可,但其实一个小小的光电开关通常有100多个元器件,针对不同的应用场景有不同要求,要做好也不容易。天津宜科自2003年开始从事传感器制造,多年来在光电传感器算法方面,一直寻找各种经验的积累。例如在食品包装线的饼干检测中,一条包装线上会有不同的饼干,包装数量、包装方式都不同。而光电开关的基础功能就是计数,例如数出有多少个饼干。这听上去很简单,实际情况要复杂得多。有的饼干成分中掺杂有芝麻、巧克力豆等,会形成干扰;有的饼干很薄,信号很弱;在混线生产时,不同颜色的饼干都混在一起。当林林总总的饼干在包装线上连在一起往前运动的时候,要将它们一个个数出来难度不小。为了得出一种可以对各种饼干进行准确计数的算法,宜科的研发人员就到超市去买饼干,总共买了上百包各式各样的饼干,一一测试。巧克力饼干黑白分明,算法就要将黑白比减少;带孔眼的饼干过线的时候,光斑不容易打出来,就要通过算法将光斑放大。

 

当剩余的饼干终于可以被吃掉的时候,意味着电路板硬件、材料和光学等技术条件都已经过关。接下来要考虑的就是小批量生产的稳定性,这也正是传感器制造最难的地方。如果有大订单量,生产线容易变得更稳定,厂家也就更愿意在质量控制体系可靠性和供应链稳定性方面投入精力。而国内传感器生产的批量通常只有几千只,大批量生产的需求很少。但小批量生产,几乎要花费同样的投入来实现来料、工艺、质量检测等,这样一来,生产一致性自然就不好控制了。

 

这种多品种、小批量的产品,半手工半自动化就在所难免,一下子也难以找到合适的智能制造生产方式。这真是一个巨大的讽刺,当一家传感器企业的产品被广泛集成到智能制造的生产线的时候,它自身的生产却还是采用一种很落后的方式。

 

前不着村 后不着店

 

然而,也并不是所有的传感器,都是批量很小的产品。真相是,量大面广的传感器产品,往往都被国外品牌所把控,只是把缝隙里的艰苦地带留给了中国制造,这种定制化的缝隙是很难产生足够多的利润。很多国外仪表的传感器,往往都是1万只起才接受订单,基本不接受个性化定制。日本的首富,出乎很多人的预料,居然是一家传感器制造公司的老板。这家公司,从来不接受定制化的产品,它往往将产品研制前置到用户端,提前研究好用户需求,然后都是采用大规模生产的方式,因此也保持了高额的利润。这家日本最赚钱的传感器公司,毛利率多年能保持在55%以上。

 

如此大的反差,一定是某个环节出了问题。细看过去,中国传感器产业是一个“前不着村、后不着店”的孤独村庄。在前面,它被芯片、材料所制约;往后看,则往往要嵌入到仪表之中,要接受仪表厂商的挑剔。

 

结果就是这样:好不容易,传感器厂商自己投入2-3年开发一个新品;下游的仪表厂商,先观望后取证,又是等待3-5年。好不容易证件齐全了,仪表又要接受终端用户的挑剔了。像中石化、中石化这样的大厂,对于新的国产仪表产品,又要有案例,又要性能精彩,仪表厂商也被挑剔了个够。产业化长路漫漫,传感器厂商既缺乏终端力量,又没有器件优势,自然饿得面黄肌瘦。

 

可以说,中国传感器厂商,以小小的身躯,爬行在一条漫长的产业链上,前后被挤压,而走在一个不确定的旅途。生存状态无法自理,国产传感器自然活得艰辛。

 

这一点,与德国传感器的生态化布局是完全不同的。德国的传感器是一个遍地开花的局面,小公司很多。这与德国传感器产业的共性技术完善有关。如果沿着供应链看过去,厂商千差万别,但相互之间组合清楚,各有卡位。就像拼图板一样,看似毫无规则的锯齿形,但相互接口其实早已对齐。这使得德国传感器产业,呈现了一种打群架的独有景象:小而美,多而强。虽然没有非常大的传感器制造商(西克是德国唯一上市的传感器公司,年产值超过100亿,在德国也是仅此一家),但却有一大批中小传感器,活跃在不同的山头和关口。

 

这意味着,要打开传感器孱弱瘦小、四处受卡的局面,中国传感器需要一个产业链条上的系统布局。

 

大工程,打开局面

 

许多产业的发展,并不在于自身的努力,而是在于下游的拉动作用。传感器,更是如此,它需要大型项目的拉动。

 

这些年来,集国内先进制造于一体的“三重山项目”(重点领域、重点行业、重大工程),虽然上马很多,但对于国产传感器而言,基本上毫无带动,根据沈阳仪表研究院的报告表明,“三重”项目选用的国产传感器占比不到总量的30%。但这也并非都是甲方之过,毕竟重大项目,安全生产是大事。这两年,虽然近年来国产中低端传感器取得了很大发展,诸如应变、电感、电容等一大批传感器产品年产量居世界领先地位。但在高端传感器,只是在某些方面完成了局部技术攻关,而产业化配套则基本为零。没有甲方用户的工艺知识传授,传感器企业也没有能力自我进化。这种“麻杆打狼,两头担心”的现象,只能由甲方主导,尝试打开口子。

 

从大工程入手,拉动装备并反推零部件的同步发展,是一条可行的发展路径。这样的先例并非没有。三峡工程,不仅仅是中国水利建造史上的丰碑,其实也是引领国产化设备大发展的一个标杆性的大工程。当前中国的高压输变电工程,占全球的一半以上,天下无有左右。这种辉煌的局面,就是来自三峡工程的荫护。中国中高压输电设备,就是随着三峡工程的左岸、右岸电厂的分段建造而分阶段挺立起来,成为能与国外ABB、日立、西门子相抗衡的一股新势力。这段大工程带动大设备发展的雄心,我们还需要另外以极大的篇幅来描述。这其中,传感器也是受益者。气体绝缘全封闭组合电器GIS,是近几十年发展起来的主流高压输变电设备,采用一定压力的六氟化硫SF6气体作为绝缘灭弧介质。虽然它自身无毒,但不可以泄露出去,否则容易造成事故。而传统的监测方法,很难及时发现这种无色无味气体的漏泄。受益于三峡工程总设计思想对于国产化的包容,沈阳仪表院也是重大工程的临危受命,针对SF6保护气体密度检测无法在线监测、不能集中管理以及一体化密度变送器绝缘密封等问题进行攻关。最后在国产GIS设备开花结果的同时,也研制出SF6密度传感器及在线监测系统。这是一次绝佳的配合,从三峡工程,到全封闭电气开关,到气体检测传感器,一环拉动一环,每一环都很精彩。三峡工程的高压输配电,以及配套体系,一气呵成。

 

很多人坚持认为,重大工程不可以用国产传感器作为尝试。这里面有谨慎的技术成分,其实也有隐约的国产化歧视。国产产品遭受非国民待遇,国外品牌受到超国民待遇,这一反常现象在制造领域是普遍存在的。在很多场合,采购何种传感器,不完全由最终的甲方来决定,中间会夹着工程集成商。有趣的现象出现了,当出现问题的时候,如果是国外传感器品牌,集成商首先想到的就是修改系统设计来适应国外传感器。但如果使用的是国内传感器,即使系统结构很容易修改,集成商也不愿意改动,而是要求传感器厂家改设计,要求定制。这些很难拿到明面来说的歧视或者不信任的氛围,瓦解了国产传感器厂商的部分努力。

 

全链条移动,拉唱都精彩

 

上个世纪六七十年代的日本制造业,无论是彩电、汽车还是半导体,都是一边发展工业品,同时发展上游装备的“打仗上战场,自建兵工厂”的模式。这是一种非常有效的举国布局之道。当下日本半导体制造装备,在全球处于领先地位,丝毫不逊于美国,正是靠昔日半导体崛起而带动起来。美国很多半导体设备,最后都是先强后弱,被逐渐长大的日本制造商挤压出局。虽然当前光刻机荷兰ASML一骑绝尘,已经碾压尼康和佳能。但在ASML没有崛起之前,尼康和佳能的光刻机,硬是靠着本国存储器所同步打磨的技术,将美国等早期光刻机霸主彻底清理出门。

 

同样,这种现象也发生在中国的新兴产业。光伏和锂电池的崛起,给中国装备行业的发展带来了千载难逢的机会。它们毫无包袱的进入了赛道,或者反过来说,光伏和锂电池的制造商,毫无包袱地选择了上游的国产装备制造商,其中就包括激光装备。国内至少有四五家上市的激光装备公司,就是专门为光伏和动力电池而生。中国激光装备产业,从2010年的100亿产值,发展为当前700亿的产值,成为全球最举足轻重的市场。这跟中国先进制造产业的拉动,密不可分。先进装备与新兴产业,同步弹唱。

 

这也是传感器的机会。中国造车新势力的崛起,给汽车供应链带来了设计的自主性。例如宁德时代面向宝马或者特斯拉供货的很多电池包自动化生产线,就采用了天津宜科的IO-Link传感器总线模块。这种传感器连接器,是控制系统的神经网络。而它们每分钟吞吐的海量信号,保障了这些电池包生产线的有序运转。宜科已经成为宁德时代电池生产线上这种传感器总线模块的主流供应商。这在以前封闭的汽车供应链体系中,是非常罕见的。国内的汽车合资企业通常是由外方指定供应商,除了机床等大型设备,也会有一长串的“御用零部件”,包括传感器。而合资公司的中方,很少有太多的话语权,自然也谈不上选择国产供应商品牌。上海大众桑塔纳汽车的一条生产线上,即使更改一颗螺丝钉,都需要总部批准。尽管目前宁德时代大多数生产线上用的控制系统可能还是西门子的,传感器还是以德国西克和倍加福为主,但宜科能够挤进去半个身子,也算是中国供应链生态的双重进步:像宁德时代、隆鑫光伏等制造工厂的开明,以及传感器供应商的技术突破。毕竟,只要能先用上国产传感器连接器,下一条生产线就有可能用上国产传感器。这并不需要等待太久,因为宜科的光电传感器,已经开始陆续进入到宁德时代的生产线上。这说明,对于国产品牌进入工业的主战场,需要给予足够的耐心,一颗钉子,一颗钉子地就会挤进去。

 

还有就是中国制造在整个链条上的升级。龙头升级,步步升级,龙骨、龙身、龙尾都跟着长进。中国制造整体实力的增长,也给国产传感器的发展带来了新曙光。像国内数控系统出货量第一的广州数控GSK,已经开始更大规模地使用国产编码器这种传感器。对于国产数控系统编码器来说,一直都面临着两座大山:德国海德汉和日本多摩川,这两家公司在运动控制、伺服方面都有强大优势,代表了两种不同的技术路线。当广州数控GSK开始向更高端的对手发起挑战的时候,它会带动它的供应商一起向上爬。宜科传感器也是这样的伴随者,早期的编码器还是用在主轴电机上,现在也开始挺进更艰难的伺服电机

 

通过整个链条的努力,横亘在中国制造业面前的巨大冰山已出现了裂缝。从机床到数控系统,再到传感器,产生了一个典型三节鞭式的连动效应。企业注重设备的集成创新,其实它后面至少还跟着2-3个链条环节。高质量制造正在成为中国工业航母的全新推动力,缓慢地推动着工业全链条的转动,逐次释放的拉动效应已经呈现。

 

小记:传感器的春天

 

中国传感器产业估计在1300亿元的规模,跟人工智能的规模差不多。但它真正能起到杠杆支点的作用,实打实地撬动着中国制造30多万亿的产值。相比而言,就知名度和吸金度而言,传感器差得实在太远。但传感器从来就不是熊熊大火,就产值体量而言,它的光亮度微不足道,这一点模糊了人们关注它的视线。然而,中国制造要往更高的阶梯向上,最需要的是重新认识这样一个多、散、小、弱的配角之王。

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