我们先按德国人工业3.0的说法,也就是PLC的发展，来梳理这段历史。

你们还记不记得瓦特的那台蒸汽机？它通过蒸汽产生动力，驱动后面的各种机械结构来实现纺纱这样的功能。但是这样就出现了一个问题，纺纱机要纺纱，那对它的运行速度是有一定要求的，如果快慢没有规律，那这个产品出来肯定是次品。而蒸汽这玩意儿又不是你家门口的王大爷，你也不能跟它商量用什么速度出来啊，那这个蒸汽动力的速度怎么控制？

最简单的办法就是先装个阀门，跟咱们家里的水龙头一样，龙头开多大，水就以多快的速度出来，这样就能控制蒸汽动力的速度了。

这个时候又有一个问题了：如果我需要保持在一个速度范围内，但又不想老去用手拧这个阀门，该怎么办？这就需要把阀门跟另外一个东西连起来，就是离心调速器。这个专业名词你可能听不懂，简单地说就是一个带线钢球，它跟阀门和蒸汽机都连在一起。

离心调速器示意图

如果蒸汽机转得太快了，这个钢球就会被甩飞起来，这样其另一端连着的阀门就会关小，蒸汽机就减速。等速度太慢了，这个球又垂下来了，阀门就开大，蒸汽机速度就又上去了。

用这个东西可以自动调节蒸汽机在一定速度范围内旋转，不快也不慢，蒸汽机也就可以不通过人来自己控制自己的速度，这就是最简单的闭环回路，也叫反馈控制。让它启动和停止，后来发展为数字量信号：0和1；而让它从每分钟转一圈慢慢地增到转十圈，后来发展为模拟量信号：0-100。

我只是用粗略的方法说了个大概，而实际控制的机械结构要比这个复杂得多，瓦特的这项发明实质上开创了自动调节装置的研究和应用。后面的数学家和工程师又把这里面的很多东西抽象出来用数学计算，以算出最好的控制结构和方法，这就慢慢地形成了自动控制这个学科。

刚开始的自动控制都是靠气体和液体的压力，也就是所谓的气动和液压，后来有了电能，工程师们就可以用电的通断和电流的大小模拟阀门的功能来进行自动控制了。最开始，主要的控制系统是由各种继电器组和仪表组成的，这个继电器是一种电控制器件，实际上就是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。

到了20世纪60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上已经都是由继电器控制装置了。这时候遇到了一个问题，就是汽车每一次改型都会导致流水线速度的变化，继电器控制装置因而就要重新设计和安装。而随着生产的发展，汽车型号更新周期越来越短，这种重新设计安装的频率就越来越高，非常费时、费工、费料，而且还影响汽车的更新换代时间。

继电器组控制，改动硬件非常复杂

美国通用汽车公司深受这个问题的困扰，所以它在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置；DEC公司为了应标，研制出了第一台PLC，用软件编程的功能实现了继电器硬件组的功能。自此，工业自动化真正成为工业领域里一个重要的独立分支。(www.daowen.com)

当前大部分工业自动化领域的霸主，比如西门子、ABB、施耐德、霍尼韦尔、松下等，都是在PLC的技术领域占据一席之地的，这些自动化厂商也正是今天工业4.0概念的主要推动者。因为德国西门子在PLC领域拥有几乎不可撼动的地位，所以这个时间节点也被德国人定义为“工业3.0”的开端。

这个阶段，PLC的控制方式基本上还都是集中控制，也就是将所有的现场信号集中采集到一个地方，集中进行运算和处理。随着工厂规模不断增大，系统越来越复杂，这种单机集中控制的方式越来越难以适应生产，一旦出现控制失效和事故，就会比较麻烦。所以到了20世纪80年代，出现了分散型控制系统（Distributed Control System，DCS）。

PLC控制

跟PLC相比，DCS是一系列软硬件产品组合成的一个系统，它把控制的权限进行了有效分割，单个工艺段的简单回路由现场的控制系统完成，而远端的服务器还可以进行信号设定和高级控制这些集中控制方式。这个跟公司的管理结构类似，公司小的时候，什么事情都由总经理一个人定，而当组织系统变得很复杂时，就把一部分权限下放给部门，简单的事由部门自行处理，总经理则只保留一些比较高的权限。DCS这种即分散又集中的控制方式特别适合石油化工这种规模比较大的、生产过程很连续的流程工业。

到了这一步，一个新的问题又出现了，无论是PLC也好、DCS也好，不同厂商的产品的操作系统和编程语言都是不同的。这就像早年的手机，一家一个操作系统，你家如果买的不全是我家生产的设备，那就没法互相通信、交换数据。

现场总线技术就因为这个需求而生，它的理念是从分散控制到现场控制，开放协议，各设备间的数据传输都用同一个总线，这样就实现了各厂家之间不同设备的信息沟通。为了争夺总线标准这个制高点，工控领域里的几大巨头纷纷结盟，频立山头，建立标准体系。

其中有两个体系是比较主流的，一个是Fieldbus Foundation体系，主要是美国和日本的公司在推动；另一个是Profibus体系，主要是德国企业在推动。虽然有了现场总线，各家的设备可以相互交流了，但是你要想跟对方通信，还是得对对方的设备型号和接口有一个比较深入的了解。如果觉得麻烦，那对不起，还是全买一家的设备吧。这其实还是一种无形的壁垒，所以现场总线技术只能算是一个半开放的协议。

瓦特搞的那一套反馈控制只考虑一个速度阀门的控制，这叫作经典控制理论。当我要同时考虑速度阀门、压力、温度等多个因素的时候，就得用更复杂的控制方式，这就是现代控制理论。

但是这两种控制都是要给定精确的设计量才能实现，也就是说你在设计编程之初，就得非常清楚这个机器可能遇到的所有问题。但这还远远达不到替代人脑的功能，于是就催生了一种更新的控制理论，叫作智能控制，也就是把一些可能遇到的情况汇总到一起，形成一个个类似人类专家的专家系统，用模式识别的方式实现控制。这个已经很类似人类的思考方式了，比如我们人类有句话“见人说人话，见鬼说鬼话”，其实并非我们见到“人”和“鬼”时大脑都做复杂的计算，而是把一系列思考固化为一个“人模式”和“鬼模式”，碰到哪个触发条件，就启动哪个模式，这就是智能控制的本质。

随着大规模集成电路芯片技术的快速发展，以及人工智能、智能识别、智能建模等软件技术的突飞猛进，智能控制的水平也越来越高，工业控制开始跟信息系统相互融合。事实上，在“工业4.0”的概念之前，早就有了柔性制造系统（Flexible Manufacture System，FMS）和计算机集成制造系统（Computer Integrated System，CIMS）这些概念，已经有了一部分“工业4.0”的雏形。今天的“工业4.0”体系并非凭空而来，而是在以上概念的基础上发展起来的。“工业3.0”就是自动化时代，工业控制技术极大地提高了人类的社会生产力，终结了几千年的物资匮乏情况。