Chapter 1
第1章 制造业中的控制与计算发展概貌

1.1 综述

1.1.1 四次工业革命时期的制造自动化[1]

人类社会随着农耕生产和畜牧生产的发展而不断进步。农耕时代为了保证生产的持续进行，推动了手工业的发展进步。进入18世纪之后开始了工业革命。按照现在的观点我们已经进入第四次工业革命时期。下面从自动化大事件的角度回顾不同工业革命时期自动化的进程。

第一次工业革命（1700～1900年）。人类开始进入机械生产，由蒸汽提供动力。在这200年的进程中出现了一系列重要的自动化事件。例如1700年法国人René-Antoine Ferchault de Réamu提出可使自动化设备实现控制目的的反馈的概念；1788年瓦特改进蒸汽机，发明采用节流阀对蒸汽量进行比例控制；1900年，可通过远程控制室中的继电器盘柜进行开/关（继电器通/断路）控制，等等。

第二次工业革命（1900～1970年）。进入20世纪以后开启了大规模生产的模式，其特征是由电能提供动力。在这70年间发生的重要的自动化事件有：1932年负反馈概念形成，纳入当时最新的控制理论中，并用于设计控制系统；随后Foxboro公司设计了第一台可以进行比例积分运算的控制器；麻省理工学院的伺服机构实验室提出了方框图的概念，并用来对控制系统进行仿真；1950年穿孔纸带用于机床，以实现自动化数控；1959年大型工厂首次使用分布式控制；1968年首次设计出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller, PLC）概念机；1969年开发出第一台可编程逻辑控制器Modicon 084，首创采用梯形图编程。

第三次工业革命（1970～2010年）。随着电子技术的发展，半导体集成电路的普遍应用，促使了第三次工业革命快速推进。这一阶段的特征是采用电子技术的自动化生产，软件、通信起了越来越关键的作用。重要的自动化事件列举如下：1973年推出Modbus，实现PLC之间的通信；1975年第一套分布式控制系统（Distributed Control System, DCS）在Holleywell公司问世；1976年推出远程I/O；1986年PLC采用PC编程和监控；1990年继现场总线在流程工业获得成功之后，在离散制造业也开始了现场总线在工业现场的规模应用；1993年以太网和TCP/IP引入PLC和DCS，为进一步的连接性发展打下基础。

第四次工业革命（自2010年至今）。其特征可以简要地概括为在操作技术（Operation Technology, OT）与信息技术（Information Technology, IT）融合基础上的智能制造和智能管理。目前可以回顾的重要的自动化、信息化和智能化事件有：2015年德国政府正式宣布工业4.0（Industrie 4.0, I4.0）的德国发展国策；中国政府提出中国制造2025规划；美国GE提出工业互联网规划；之后又陆续出现人工智能、大数据、数字主线和数字孪生等一系列新的概念、理论和实践。这一切都促使制造业的控制和计算超出了经典自动化的范畴，从供应链的维度把制造业的上下游联动和协同纳入控制和管理的视野。