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工业4.0，也称为第四次工业革命。工业革命的本质就是生产效率得到大幅提升，而生产模式的转变会推动生产效率的大幅提升，科技进步则会促使生产模式的转变。因此，在谈工业革命时，往往混淆两种提法：一种是技术进步；另一种是生产模式的转变。其实，科技进步是工业革命的起因，生产模式的转变是工业革命的结果。
工业4.0不是专家杜撰的概念，是工业时代新技术融合的具体表现。目前的社会已经进入第四次工业革命时代（见图1-1），工业4.0就是这次变革的具体体现。概念包含了由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。
图1-1 四次工业革命
前三次工业革命的发生，分别源于机械化、电力和信息技术，而互联网和制造业服务化迎来了智能制造为主导的第四次工业革命。较之蒸汽机发明带来的伟大工业技术变革，互联网掀起了一场建立在计算机技术基础上的社会革命，改变了文明演进的方式，创造了一种无所不在的新型网络社会，彻底改变了全球化进程中的各种联系。
三十年前，人们还在批评老子的“不出于户，以知天下”是唯心主义，然而今天，人们却能在家里、户外使用电脑和手机等互联网终端设备进行工作，完成购物和读书等，这是以往完全不敢想象的事情。互联网启动了人们的工作、购物和休闲活动的新模式，彻底地打破了人们对于固定工作场所的老旧思想，使整个世界成为即通有无的信息共同体，真正把人们带入了令人惊讶、可以足不出户就能知晓天下的新境界。
现如今蒸汽机火车头几乎看不见了，所以讲到工业1.0，大家一定觉得工业1.0很古老、很遥远、很落伍，其实不然。中国制造业不像德国，已经具备了传统装备设计与制造的国家优势，虽然经历了几十年跳跃式的发展，但仍然处于自动化的初级阶段，而且发展水平相当不对称，一些地方已经开始向工业4.0发展的同时，而部分地方还保留着工业1.0的印记，也就是手工作坊式的生产模式。不过，这里不去考究造成这种现象的原因，也不讨论解决办法，只是想简单掰扯一下工业1.0，就像同学聚会叙叙旧。
有个段子还是比较有意思的，这个段子来源于网络上的一篇文章——《自动控制的故事》。如图1-2所示的故事（瓦特与蒸汽机）想必大家都听过，不过据说故事是后人杜撰出来的，其实事情的经过是这样的：纽考门比瓦特先发明蒸汽机，但是蒸汽机的转速控制问题没有解决，弄不好转速飞升，机器损坏先不说，还可能引起大事故。瓦特在蒸汽机的转轴上安了一个小棍，棍的一端和放汽阀连着，棍的另一端是一个小重锤，棍中间某个地方通过支点和转轴连接。转轴转起来的时候，重锤由于离心力的缘故挥起来。转速太高了，重锤挥得很高，放汽阀就被按下去，转速下降；转速太低了，重锤不起来，放汽阀就被松开，转速回升。这样，蒸汽机可以自动保持稳定的转速，既保证安全，又方便使用。也就是因为这个小小的转速调节器，使得瓦特的名字和第一次工业革命（工业1.0）连在一起，而纽考门的名字就要到历史书里去找了。
图1-2 瓦特与蒸汽机
在2009年，笔者设计了一个产品，包括软硬件设计、外壳与安装，产品测试通过后进行生产。一开始是小批量生产，数目是10台，组织几个人来做，每个人组装若干台。笔者记得组装一台平均需要大概二十分钟，组装过程费时费力，想到这才是小批量生产，如果到后面大批量的话，需要的时间和人力成本将不可控。
后来，笔者发现了提高生产效率的秘诀——使用流水线（见图1-3），将产品的组装分为配料、装配、加固等若干工序，每道工序只做同样的操作，这样就可以大大缩短产品组装的平均时间，用极少的成本完成了原本看似极为复杂的工作，而且人手使用相当灵活。
图1-3 流水线生产
当时笔者深深地体会到了流水线生产的威力，只是不知道这就是当年福特汽车推动的第二次工业革命，现在看来笔者也算是补课“工业2.0”了，也就是说无师自通地想到了人工流水线的生产模式。记得笔者在整个组装流水线中所负责的工序就是拧螺钉（用电动螺丝刀而不是扳手），所以从某种意义上来说，笔者重拍了查理斯·卓别林的电影，也可以称为2009年版的《摩登时代》。呵呵，说大了，诸位见笑！
由图1-1可以看出，工业3.0的技术是以PLC为主导的自动化生产线，其核心当然是PLC了。随着工业生产规模越来越大，生产的过程也日益强化，现场总线的出现使自动化系统的控制方式从集中式控制变成分布式控制，为工业3.0的自动化生产模式又带来了一次技术进步。由此可见工业3.0中重要的两种技术是PLC和现场总线。那么，PLC是什么？现场总线又是什么呢？
在介绍这两种技术之前，需要先讲清楚集中式与分布式两种控制方式的概念。大家可以想象一下钢琴大师郎朗与维也纳爱乐乐团表演方式，集中式就是指钢琴大师用精湛的技艺将独奏曲目表现得淋漓尽致，而另一种分布式是指由各种乐器的音乐家们组成一个集体，和激情四射的指挥大师一起配合，将一些交响乐曲目演奏得荡气回肠。
PLC就是可编程序控制器，说到这儿，估计不做工业控制的人还是不知所云，那么有什么好方法能说明白呢？笔者想起语文老师曾教过，常见的说明方法有举例子、引资料、列数字、打比方、分类别、作比较。对啊，用作比较的方法，让我们找一个熟悉的东西来作比较。
想必大家都喜欢听音乐对吗？如果想随时随地听听歌，那该怎么办？你也许会想到，这还不简单吗，用MP3把喜欢的歌带在身边就行了。对啊，史蒂夫·乔布斯也是通过MP3产品将苹果公司带出事业的低谷，所以咱们就拿MP3说事儿，见表1-1。
表1-1 比较说明PLC
通过这么一比较，大家对PLC是不是就不那么困惑了。搞工业控制的工程师更应该深入了解一下PLC的发展历史。1968年，美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求。1969 年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程控制器PDP-14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程序控制器，是世界上公认的第一台PLC。后来出现了微处理器，人们很快将其引入，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机（PC）发展起来后，为了方便地反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为PLC。
IEC（国际电工委员会）对于现场总线（Fieldbus）的定义是：安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。
过程控制的实际装置最初全是直接安装在现场的，后来出现气动单元仪表，可以把压缩空气的信号管线从现场拉到中心控制室，操作工可以在中控观察、控制全厂了。电动单元仪表防爆问题解决后，中控的使用更加广泛。操作工坐在仪表板前，对管辖工段的情况一目了然。但是随着工厂的增大和过程的复杂，仪表板越来越长，如图1-4所示的也许只是化工厂控制系统通信网络的简化示意图，因为对于一个大型化工厂的控制系统通信网络组成而言，包含上千个基本控制回路和上万个监控报警点是很正常的，如果每个点都使用一路信号管线，仪表接线必须把信号线拉到接线板上，然后再连到终端上，这样的接线方式是很浪费的，显然这是不可想象的。
图1-4 工厂控制系统通信网络
随着计算机控制领域的扩大，类似USB（通用串行总线）那样的技术也开始用于数字化的仪表。现场总线使得各个仪表可以“挂”在一根总线上，然后将这根总线连到中央控制器就可以了，大大节约拉线费用和时间，对系统的扩展（如加一个测量用的变送器或控制阀）也极为方便。
既然后人能杜撰瓦特的故事，那么笔者也能想象一下发明现场总线的情形。比方说发明现场总线的是A君，那么A君小时候，发现家里晾晒衣物的方式发生了变化，奶奶原来需要为每件晾晒的衣物配备一个挂钩，这样的结果是衣服件数少还好办，一旦件数很多的话就显得很悲催了，会累死人的。后来奶奶会先架起一根长长的晾衣绳，然后将所有衣物都挂在绳子上，这样不仅节省了时间，而且想随时晾晒衣服也很方便。于是A君长大后，在解决数字化仪表接线的问题时，受到这个生活常识的启发——既然作为支撑功能的晾衣绳能方便晾晒衣服，那么作为通信功能的现场总线也能简化接线了。于是现场总线诞生了，而A君也成为善于观察、勤于思考的楷模。以上故事纯属虚构，如有雷同纯属巧合。
故事讲完了，玩笑开过了，现在该讲正事儿了。真正将通信技术引入控制系统的鼻祖是RS232/485信号传输方式。由于20世纪80年代串联通信技术的迅猛发展迎来了现场总线百家争鸣、百花齐放的局面，各种总线最大的不同点是采用了不同的网络拓扑结构，从而产生不同的传输协议。通过十多年不断的实践和不断的提高，形成一个比较完整的所谓的现场总线的概念和所应用的场合。PROFIBUS也是在这场实践和理论的提高和应用得到了巩固和发展。应该说现场总线技术是实现现场层或者将I/O层控制设备数字化通信的一种工业网络通信技术，是一次工业现场设备通信的数字化革命。通过标准的现场总线通信接口，现场I/O信号、传感器及变送器的设备可以直接连接到现场总线上，通过一根总线电缆传递所有数据信号，替代了原来的成百上千根电缆，大大降低了成本，提高了通信的可靠性。
工业4.0是一个发展的概念、动态的概念，工业4.0是一个理解未来信息技术与工业融合发展的多棱镜，站在不同角度会有不同的理解。
工业4.0的核心就是连接，把设备、生产线、工厂供应商、产品、客户紧密地连接在一起，是单机智能设备的互联，不同类型和功能的智能单机设备的互联组成智能生产线，不同的智能生产线间的互联组成智能车间，智能车间的互联组成智能工厂，不同地域、行业、企业的智能工厂互联组成一个制造能力无所不在的智能制造生态系统（见图1-5），这些单机智能设备、智能生产线、智能车间和智能工厂可以自由、动态地组合，以满足不断变化的制造需求，这是工业4.0区别于工业3.0的重要特征。
在大多数人的眼中，制造业本是一种以机器、设备、油污和钢屑为代表的陈旧事物，而现在工业4.0使得制造业变成了以3D打印、物联网、通信技术、大数据、云计算、软件为代表的摩登时代的事物，变得时尚光鲜起来。那么，工业4.0是如何做到的呢？
图1-5 智能制造生态系统
在传统制造业模式下，要把消费品送到消费者手中，需要经过一个固定的流程。也就是原料、机械设备、工厂、运输与销售五大环节。从工业1.0到工业3.0，这五个环节是不可或缺的基本模块，并且是固定的流程。那么在工业4.0中，生产智能化，原料、机械设备、工厂、运输与销售五大环节不再是生产的固定流程，而是统统独立出来了，每个模块都有自己的软件。进行智能化生产的智能工厂是由许多小的智能模块组合而成的。以中国制造业目前的实力来看，每个小模块我们都能够生产，这不是难事，已经是相当成熟的技术了。问题是工业4.0是智慧工厂，是智能制造，如何将这些小模块整合成一个工业4.0的智能工厂，这就是我们的短板所在。那么应该怎么办呢？
要推动工业4.0，首先要全面升级与提高工业3.0，而现场总线技术作为重要的技术之一，也需要不断发展；接下来，工业4.0所要追求的是在企业内部实行所有环节信息的无缝连接，因此数字化成为智能制造系统互联互通的必要条件；然后，实现智能制造需要构建庞大复杂的系统，产品的设计、生产、物流、销售、服务全生命周期中要与客户协同互动，实现当前所倡导的客户化定制。最后，将多个小的智能模块组成一个大的智能工厂，再将多个大型智能工厂融合成一个智能制造生态系统，如同表1-2所描述的那样。
表1-2 工业4.0的实现
有一个脑筋急转弯：为什么地球是最适宜人类生存的星球？答案是：因为地球上有互联网，而其他的星球上没有。笑过之余，我们发现当今社会，互联网已经深入到人们工作生活的方方面面。网络无处不在，网络无所不能。那么这项伟大的变革是从何开始的呢？让我们一起来转动时间的齿轮，回到那个勇于创新的年代。
作为对前苏联1957年发射的第一颗人造地球卫星的直接反应，以及由前苏联的卫星技术潜在的军事用途所导致的恐惧，美国国防部组建了高级研究项目局（ARPA）。当时，美国国防部为了保证美国本土防卫力量和海外防御武装在受到前苏联第一次核打击以后仍然具有一定的生存和反击能力，认为有必要设计出一种分散的指挥系统。1969 美国国防部委托ARPA进行联网的研究。
1969年9月2日，在加州大学洛杉矶分校实验室，约20名研究人员完成了两台计算机之间的数据传输试验，即ARPANET。它是国际互联网的雏形，这一天也被视为互联网的“诞生日”。
同年，美军在ARPA制定的协定下将美国加利福尼亚大学、斯坦福大学研究学院加利福尼亚大学和犹他州大学的四台主要的计算机连接起来。这个协定由剑桥大学的BBN和MA执行，在1969年12月开始联机。由于最初的通信协议下对于节点以及用户机数量的限制，建立一种能保证计算机之间进行通信的标准规范（即“通信协议”）显得尤为重要。
1973年，美国国防部也开始研究如何实现各种不同网络之间的互联问题。作为Internet的早期骨干网，ARPANET的试验奠定了Internet存在和发展的基础，ARPANET在技术上的另一个重大贡献是TCP/IP协议簇的开发和利用。1972年Robert Kahn来到ARPA，并提出了开放式网络框架，从而出现了大家熟知的TCP/IP（传输控制协议/网际协议）。
1983年1月，所有连入ARPANET的主机实现了从NCP（网络控制协议）向TCP/IP协议的转换。于是，TCP/IP协议在众多的网络通信协议中胜出，打破了各个机构设立不同规则的局限性，成为人类至今共同遵循的网络传输控制协议。1991年，HTTP（超文本传输协议）和HTML（超文本标记语言）实现了“连接所有人”的目标。
所谓“协议”可以理解成机器之间交谈的语言，TCP/IP通信模型是一系列网络协议的总称，这些协议的目的，就是使计算机之间可以进行信息交换。而控制系统最底层的控制器和现场设备互连也是遵循ISO（国际标准化组织）/OSI（开放式系统互联）参考模型的通信协议及现场总线形式，即信息传输数字化、控制系统分散化、现场设备之间互操作、技术和标准的全开放化。
OSI参考模型是通信的基础，是怎么都绕不开的话题，就像数学是理工科的基础学科一样。这个以计算机为原始设备的通信模型分成了物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层7个层次。图1-6通过最为大家所熟悉的TCP/IP协议为例，描述了TCP/IP协议的OSI参考模型及其功能说明。
图1-6 TCP/IP协议的OSI参考模型
其实有一种比较简单的理解方法。通信模型的分层本质就是分工，层与层之间通过接口相互作用，相当于工序之间的配合。我们拿网上购物做比方。首先是网上订货，需要什么只有买卖双方知道。订好货了卖家开始发货，具体的收货、送货之类的工作，就属于下一层的事情了。那么下一层是谁呢？当然是快递公司了，快递公司将货物打包成一定形式的包裹，再要求填写固定格式的快递单据。这些快递公司不是很关心里面的货物究竟是什么，只要问清楚不是不能寄送的违禁品就行，他们主要关注货物的大小、重量和目的地，只要快递单据正确填写好后就知道那是往哪儿送就行了。这个层次结束后还有一个层次，那就是底层——快递员，他们负责跑腿，无论是通过骑车、开车还是坐飞机，反正具体工作就是将货物送到你的手中，让你收货签字就齐活儿了。经过这一通流程，咱们回过头来仔细想想，从网上购物到拿到东西，基本上经历了三个层次（见表1-3）。
表1-3 物流分层说明
没有互联网，人类现在几乎寸步难行。以至于近年来，关于互联网对现实世界产生的颠覆，已经被神化到无所不在、无所不能。但凡是一个创业者或者职业人，拿着一份投资计划或者是谈到一次升职，都在谈O2O、线上、线下，甚至在生活中，人人都可以说自己是“互联网+”，或者“+互联网”。政府更是大力提倡“互联网+”，号召大众创业、万众创新。一时间，见面就谈互联网，相逢必说O2O，弄得传统行业的一些人自惭形秽。
为了不让自己脱离时代，不让制造业总带给人们“因循守旧”的印象，那么咱也要努力迸出几个和“互联网”相关的内容，不是为了应景，而是为了在新世界中讨一口饭吃。正所谓“理想很丰满，现实很骨感”，既然有了远大的理想，怎么去做呢？既然咱是做技术的，那么就从技术的角度剖析一下互联网吧。
首先，大家不必把互联网当成看不见摸不着的东西，觉得很神秘，其实互联网因成千上万米长的厚重而破旧的线缆连接而存在，其实它是由大量的金属、塑料和光纤组成的。其范围遍及全球，就像个机器怪兽抱住整个地球一样。漫长的海底光缆连接各个大陆，使世界连成一个整体。
互联网具有这样的能力——将各种各样的网络连接起来，而不论其规模、数量、地理位置。同时，把网络互联起来，也就把网络上的资源组合了起来，这当然比独个网络的价值要高出许多。因此，互联网最基本的特点就是全球范围内实时的流通数据，其实质是物理网络和信息资源相结合形成的一个信息网络实体，从组成上来说是一个网络之上的网络。
接下来，既然互联网是一个布满线缆的网络，那么家里的电脑、办公室里的设备以及国外的服务器，都通过这些线缆连接着，互联网是将各种不同的小型网络连接起来的一个大型网络，它以TCP/IP协议作为通信方式。如果能将每片大陆和小岛都孤立起来、剥离出来的话，那么互联网就不再是一个全球性的整体，而剩下的也就是一些局域网，不再是互联网了，无论地域面积有多大。所以说互联网是包括了局域网的一个全球性互联网络。
然后，局域网（Local Area Network，LAN）（见图1-7）是指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组，一般是方圆几千米以内。局域网可以实现文件管理、应用软件共享、打印机共享、工作组内的日程安排、电子邮件和传真通信服务等功能。局域网是封闭型的，可以由办公室内的两台计算机组成，也可以由一个公司内的上千台计算机所组成。换句话说，局域网就是本地互联网。而工控行业热门的现场总线，也可以说是运行在工业现场的一种局域网，它使用了OSI通信模型中的3层。
图1-7 局域网示意图
在许多人眼里，以太网只不过是一根网线，插到一个电话线插座一样的东西里。但是在科技行家眼里，以太网可是一个重要技术。以太网技术诞生，成为最流行的局域网技术，并且成为当今互联网的基石。IEEE标准委员会在其官方网站写到：“在今天的全世界影响人们日常生活的技术中，以太网名列前茅。数据中心网络、PC、笔记本、平板、智能手机、物联网、上网汽车等，以太网都多多少少和它们有关系。”
局域网包含以太网、令牌环网、FDDI、ATM、WLAN等类型。这其中，以太网（Ethernet）作为一种标准，也就是IEEE802.3系列标准，是工作在网络接口层的一种小型网络，它规定了局域网的网络拓扑结构、访问控制方式以及传输速率等技术规范。
罗伯特·梅特卡夫博士在1976年绘制了以太网草图，并在这一年6月的国家计算机会议提出了以太网，一种可以在短距离内使得电脑可以互相连通的标准，图1-8描绘了以太网的各部分术语。随着科技的发展，带有冲突检测的载波监听多路访问（CSMA/CD）的方法不断改进，从而形成了一致而又强大的局域网技术，将今天所有的大学和研究机构几乎都连接到网络中。
图1-8 以太网草图
以太网是当今现有局域网采用的通信协议标准，是最广泛安装的局域网技术。正如现在IEEE 802.3标准中指出的，以太网原来由Xerox开发，后来由Xerox、DEC和Intel共同开发完成。以太网一般使用同轴电缆和特种双绞线，连接在电缆上的设备争用线路、冲突采用CSMA/CD协议控制。该标准定义了在局域网中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网在互联设备之间以双绞线电缆传送数据信息包，由于其低成本、高可靠性以及较高的通信速率而成为应用最为广泛的通信技术。
一个统一的现场总线标准始终是用户的希望和要求，将当今已经成熟的互联网标准——以太网和信息技术（IT）应用到现场总线将显著提高分布式系统之间通信效率。
将计算机网络中的以太网技术应用于工业自动化领域构成的工业以太网，是当前工业控制现场总线技术的一个重要发展方向。与使用传统技术的现场总线相比，工业以太网具有以下优点：传输速度快，数据容量大，传输距离长；使用通用以太网元器件，性价比高；可以接入标准以太网端。工业以太网是常规以太网技术的延伸，以便满足工业控制领域的数据通信要求。目前，市场上已有的工业以太网的实现原理大致分为三种类型，见图1-9。
图1-9 三种工业以太网实现原理
在2015年上海工业博览会上，各个技术组织都使出浑身解数，争奇斗艳、各显神通，不仅展示了相关工业以太网技术的特色，而且彰显了其在相关领域的不凡业绩。不过对于这些工业以太网的实现原理，一般人他们是不告诉你的，所以在下拿出些“维基解密”的精神，给大家总结提炼了一下三类工业以太网的实现原理，以馈读者，请看表1-4。
表1-4 工业以太网的三类实现机理
关于工业4.0趋势的阐述并非虚无缥缈，因为它不但是西方学术界共同总结出的最佳实践理论体系，而且也是业界领军者们根据自身利益与产品定位所达成的普遍共识。
当前，中国制造业尚处于工业2.0和工业3.0并行发展的阶段，中国的生产模式依然较为粗放，与西方发达国家间仍存在着较大的差距。中国要搞工业4.0，首先要对工业2.0进行补课，对工业3.0进行普及，加强自动化技术在生产制造产业链的应用，只有充分地采用自动化技术才能提高产品生产质量可靠性。作为后来者与跟随者，学习与效仿西方先进理念与技术无疑是缩小差距的最佳途径。因此，笔者正想通过本书，为大家介绍一个国内尚未被广泛认知，而西方工业领军者们已经开始广泛采纳的技术路线——PROFINET。
两化融合是信息化和工业化的高层次的深度结合，是指以信息化带动工业化、以工业化促进信息化，走新型工业化道路。本章旨在从两化融合（工业化与信息化）的角度进行思考，以从古至今、从大到小的思路介绍了PROFINET中各种技术点所需要的背景知识，比如说生产流水线、PLC、现场总线、互联网、工业以太网等，希望能让读者在了解PROFINET的时候有一种似曾相识的感觉。