第一次工業(yè)革命發(fā)生于18世紀(jì)到19世紀(jì)，通過創(chuàng)造新的制造工藝改進(jìn)了生產(chǎn)流程從而促進(jìn)了社會(huì)的進(jìn)步。當(dāng)時(shí)的制造業(yè)主要依賴于手工進(jìn)行商品的生產(chǎn)，而誕生于英國(guó)的第一次工業(yè)革命改變了這種狀況，使得機(jī)器制造業(yè)能夠更好地利用水和蒸汽動(dòng)力促進(jìn)生產(chǎn)力提升。而這些改進(jìn)的創(chuàng)新思想和體系在第二次、第三次工業(yè)革命中自然也起了很大的作用。正在進(jìn)行的工業(yè)革命是第四次工業(yè)革命，也被稱為工業(yè)4.0（德國(guó)提出）或工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（美國(guó)提出）。工業(yè)4.0的基本概念與其他工業(yè)革命相同：通過改進(jìn)業(yè)務(wù)流程和制造工藝，減少生產(chǎn)時(shí)間，降低生產(chǎn)材料成本，減少制造缺陷產(chǎn)品的數(shù)量，并通過創(chuàng)造能夠代替人工作的機(jī)器來使工業(yè)制造更容易。

工業(yè)4.0或工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是正在進(jìn)行的工業(yè)革命的術(shù)語。它最初是指制造業(yè)的數(shù)字化，但實(shí)際上也指醫(yī)療、物流、石油和天然氣等其他行業(yè)的數(shù)字化。也指我們經(jīng)常聽到的有關(guān)智能工廠，智能城市或智能設(shè)備的概念。工業(yè)4.0是關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)（IoT），網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)（CPS），信息技術(shù)（IT）和操作技術(shù)（OT）的融合，其中，變革首先從信息技術(shù)領(lǐng)域引發(fā)，云計(jì)算，機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)等IT技術(shù)引導(dǎo)現(xiàn)代信息企業(yè)采用新的業(yè)務(wù)模式，改進(jìn)自身業(yè)務(wù)流程和運(yùn)營(yíng)效率，提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。而這些IT新技術(shù)的發(fā)展解決了互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)和傳統(tǒng)企業(yè)共同的一個(gè)訴求，即解決規(guī)模不斷擴(kuò)張、業(yè)務(wù)快速變化的挑戰(zhàn)，同時(shí)還有效控制成本。在傳統(tǒng)企業(yè)中，其他類型的企業(yè)愿意通過在早期階段部署新技術(shù)來承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)，而工業(yè)企業(yè)可能會(huì)更謹(jǐn)慎。由于工業(yè)環(huán)境的特殊性，工業(yè)企業(yè)的這個(gè)訴求是否能夠借鑒互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的成功還是一個(gè)未知數(shù)。為了克服這個(gè)門檻，這個(gè)行業(yè)需要?jiǎng)?chuàng)新，因此類似工業(yè)4.0等概念和體系的興起，目的就是為了進(jìn)行大量的研究、測(cè)試和實(shí)施這些技術(shù)變革引導(dǎo)到工業(yè)企業(yè)中。

關(guān)于實(shí)踐的最新進(jìn)展情況，我們通過分析傳統(tǒng)的自動(dòng)化金字塔模型來進(jìn)行說明。傳統(tǒng)的自動(dòng)化金字塔（圖2）代表了當(dāng)今工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域的一個(gè)典型模型。從傳感器到執(zhí)行器的所有物理設(shè)備都處于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，用于控制這些現(xiàn)場(chǎng)級(jí)物理設(shè)備的數(shù)據(jù)和動(dòng)作處于第二級(jí)，第二級(jí)通過使用PLC等物理硬件來控制現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的物理硬件。第三個(gè)級(jí)別是一個(gè)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控級(jí)別，允許用戶通過SCADA系統(tǒng)監(jiān)視和控制他們的工業(yè)控制過程。SCADA是數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)的縮寫，典型的SCADA架構(gòu)包括傳統(tǒng)自動(dòng)化金字塔的前三個(gè)級(jí)別。MES和ERP系統(tǒng)則在SCADA架構(gòu)之上。MES代表制造執(zhí)行系統(tǒng)，它是指實(shí)時(shí)監(jiān)控制造數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。MES系統(tǒng)可以跟蹤整個(gè)生產(chǎn)過程的貨物情況。企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）系統(tǒng)提供了自動(dòng)化金字塔的最高級(jí)別。ERP系統(tǒng)管理核心業(yè)務(wù)流程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，如生產(chǎn)或產(chǎn)品計(jì)劃，物料管理和財(cái)務(wù)情況等。

工業(yè)4.0和網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)到來后，傳統(tǒng)的基于該金字塔模型的工業(yè)控制系統(tǒng)架構(gòu)正在發(fā)生變化。首先在最頂層的ERP和MES就逐漸實(shí)現(xiàn)互聯(lián)和融合，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的上層聯(lián)動(dòng)，并最終利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)乃至人工智能的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和運(yùn)算的優(yōu)勢(shì)將生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘和加工，并最終輸出優(yōu)化的生產(chǎn)數(shù)據(jù)用于提高生產(chǎn)效率。而在下層的生產(chǎn)執(zhí)行層設(shè)備和系統(tǒng)，則也處于智能和重構(gòu)階段，比如最終生產(chǎn)數(shù)據(jù)的終端以及產(chǎn)生變化，包括人們身穿的跑鞋、智能工廠里面的智能生產(chǎn)線，這些從傳感器到執(zhí)行器的所有物理設(shè)備已經(jīng)在向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展并且已經(jīng)取得成績(jī)。因此可以發(fā)現(xiàn)，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)或工業(yè)40時(shí)代，工業(yè)控制系統(tǒng)最終的體系變革是將傳統(tǒng)的金字塔模型從兩端進(jìn)行變革。準(zhǔn)確一點(diǎn)來說，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)側(cè)重的是上層生產(chǎn)數(shù)據(jù)的技術(shù)變革，即工業(yè)控制系統(tǒng)和云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等的融合，提倡將工業(yè)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上載到工業(yè)云上，利用云進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和分析從而優(yōu)化生產(chǎn)的過程。所以在現(xiàn)在的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)上，其體系架構(gòu)實(shí)現(xiàn)要么是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)直接和PLC設(shè)備直接采集PLC上的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，要么是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)采集工業(yè)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，要么就是開發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，通過數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)將所有數(shù)據(jù)全部采集后，網(wǎng)關(guān)再將數(shù)據(jù)上傳至工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。所以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)上來說就是一個(gè)將工業(yè)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)全部匯聚到一個(gè)云計(jì)算平臺(tái)上。工業(yè)4.0則側(cè)重于實(shí)現(xiàn)底層從傳感器到執(zhí)行器的所有物理設(shè)備的數(shù)字化和智能化，并且實(shí)現(xiàn)這些終端設(shè)備直接將該數(shù)據(jù)上傳。上傳的平臺(tái)可能是MES，歷史數(shù)據(jù)庫也可能是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。對(duì)大多數(shù)企業(yè)來說，工業(yè)4.0首先要實(shí)現(xiàn)的第一步就是通過MES系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)所有相關(guān)子系統(tǒng)進(jìn)行垂直整合和數(shù)字化，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的工廠運(yùn)營(yíng)透明度。同時(shí)橫向整合還包括功能區(qū)的連接。在此MES起到了信息轉(zhuǎn)盤的核心元素功能，對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析、處理以及為支持其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換。

在自動(dòng)化控制誕生之前，系統(tǒng)和機(jī)器的生產(chǎn)必須依靠手工進(jìn)行操作。而自動(dòng)化所帶來的好處是，將那些需要重復(fù)操作的環(huán)節(jié)利用自動(dòng)化控制實(shí)現(xiàn)，解放了人的雙手并實(shí)現(xiàn)了諸多優(yōu)勢(shì)--從縮短上市時(shí)間到減少故障產(chǎn)品均能夠很好表現(xiàn)自動(dòng)化控制的優(yōu)點(diǎn)。盡管如此，隨著市場(chǎng)需求的不斷增長(zhǎng)，人們還是嫌棄現(xiàn)有的自動(dòng)化控制無法滿足生產(chǎn)效率的需求，而實(shí)質(zhì)也是這樣。人們需要更多的靈活性來保障快速的產(chǎn)品生產(chǎn)上市銷售，靈活性是現(xiàn)在工業(yè)自動(dòng)化的關(guān)鍵和重點(diǎn)。這些靈活性表現(xiàn)在：越來越多的工廠數(shù)據(jù)應(yīng)該是可復(fù)用的，邏輯代碼應(yīng)該是易于移動(dòng)和可重用的，系統(tǒng)應(yīng)該是模塊化和可擴(kuò)展的，生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)該根據(jù)自己的需求選擇他們的優(yōu)選供應(yīng)商而不是現(xiàn)在的綁定銷售等等。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0的這些實(shí)現(xiàn)支持了未來工業(yè)控制系統(tǒng)靈活性和可擴(kuò)展性的需求。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)使得我們的生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行規(guī)?；写鎯?chǔ)，實(shí)現(xiàn)以前不可能實(shí)現(xiàn)的大數(shù)據(jù)，并利用云計(jì)算平臺(tái)前所未有的計(jì)算能力對(duì)這些大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，挖掘和優(yōu)化生產(chǎn)效率。工業(yè)4.0使得現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、機(jī)器和工廠已經(jīng)變得“更智能”，所以我們可以談?wù)撝悄茉O(shè)備、智能機(jī)器和智能工廠。但是，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，無論是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還是工業(yè)4.0，均未對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的的“大腦”PLC做出任何更進(jìn)一步的技術(shù)變革。這種兩頭重中間輕的現(xiàn)象，就好比是高速路上的收費(fèi)站，光高速路擴(kuò)寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠?qū)崿F(xiàn)更大的汽車吞吐，矗立與高速路上的各個(gè)收費(fèi)站才是這條路上的瓶頸點(diǎn)。因此現(xiàn)在針對(duì)收費(fèi)站都需要設(shè)置更多收費(fèi)窗口、實(shí)現(xiàn)電子收費(fèi)等等舉措改革而適應(yīng)高速快速增長(zhǎng)的車流。適用于工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域也是一樣，控制的核心PLC設(shè)備不能夠靈活擴(kuò)展，無疑這一限制將會(huì)大大減弱工業(yè)控制系統(tǒng)靈活性和可擴(kuò)展性。

因此目前業(yè)界針對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0等的技術(shù)體系探索，重點(diǎn)將圍繞PLC展開。

具體來說實(shí)現(xiàn)PLC靈活性和可擴(kuò)展性的方案主要有以下兩種：

1、實(shí)現(xiàn)PLC虛擬化。利用PLC虛擬化是虛擬PLC（vPLC）取代傳統(tǒng)硬件PLC；

2、PLC硬件重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)下一代新型和智能的PLC設(shè)備，取代傳統(tǒng)硬件PLC。

這兩種技術(shù)是目前工業(yè)向互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)化的技術(shù)熱點(diǎn)和研究方向，至少從理論實(shí)現(xiàn)的角度上來說，實(shí)現(xiàn)PLC虛擬化將最大程度的保障現(xiàn)有的大部分廠家及其用戶的現(xiàn)有利益，并且基于信息系統(tǒng)的成功案例，使得大家對(duì)其實(shí)現(xiàn)信心滿滿。另外的PLC硬件重構(gòu)，主要以軟件定義思想為核心，將PLC硬件的邏輯運(yùn)算平面和邏輯控制平面進(jìn)行分離，PLC硬件將實(shí)現(xiàn)通用的邏輯運(yùn)算，統(tǒng)一由控制器進(jìn)行控制平面的邏輯控制和邏輯管理。