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用于操作设备的各种控制系统

 

最低限度的人为干预是必需的 控制许多大型设施，如这个发电站。

自动化描述了一系列减少流程中人工干预的技术。通过预先确定决策标准、子流程关系和相关操作，并在机器中体现这些预先确定，可以减少人工干预。

自动化，包括各种设备和控制系统的使用，如机械、工厂的过程、锅炉和热处理炉、电话网络的开关、船舶、飞机的转向和稳定，以及减少人为干预的其他应用和车辆。

自动化的应用范围从控制锅炉的家用恒温器，到具有数万个输入测量和输出控制信号的大型工业控制系统。自动化也在银行业找到了空间。在控制复杂度方面，它可以从简单的开关控制到多变量高级算法。

在最简单的自动控制回路中，控制器将过程的测量值与期望的设定值进行比较，并处理产生的误差信号，以改变过程的某些输入，从而使过程在有干扰的情况下保持在其设定值。这种闭环控制是负反馈对系统的一种应用。控制理论的数学基础始于18世纪，并在20世纪迅速发展。

自动化已经通过各种手段实现，包括机械、液压、气动、电气、电子设备和计算机，通常是组合使用。复杂的系统，如现代工厂、飞机和船舶通常使用所有这些组合技术。自动化的好处包括节省劳动力、减少浪费、节约电力成本、节约材料成本，以及提高质量、准确性和精确度。

世界银行《2019年世界发展报告》显示，技术领域的新行业和就业机会超过了自动化取代工人的经济影响。

自动化被认为是2010年代以来民族主义、保护主义和民粹主义政治在美国、英国和法国等国复苏的众多因素之一。

“自动化”一词的灵感来自于早期的“自动化”一词，在1947年福特成立自动化部门之前，这个词并没有被广泛使用。正是在这个时期，工业界迅速采用了反馈控制器，这种控制器是在20世纪30年代引入的。

有限公司 控制操作

离散的有限公司控制(开/关)

最简单的控制类型之一是开关控制。家用电器上的恒温器就是一个例子，它可以打开或关闭电触点。(恒温器最初是作为真正的反馈控制机制而开发的，而不是普通家用恒温器的开关。)

序列控制，在这种控制中，离散操作的程序序列被执行，通常基于涉及系统状态的系统逻辑。电梯控制系统就是顺序控制的一个例子。

PID控制器

比例-积分-微分控制器(PID控制器)是一种广泛应用于工业控制系统的控制回路反馈机制(控制器)。

在PID回路中，控制器连续计算误差值criptlevel="0" >e (t) {\displaystyle e(t)}作为期望的设定值和被测量的过程变量之间的差值，并分别基于比例、积分和导数项(有时表示为P, I，D)它们给控制器类型命名。

其理论理解和应用始于20世纪20年代，并在几乎所有的模拟控制系统中得以实现;最初应用于机械控制器，后来应用于离散电子学，后来应用于工业过程计算机。

连续的有限公司控制和逻辑顺序或系统状态控制

顺序控制可以是一个固定的序列，也可以是一个逻辑序列，根据不同的系统状态来执行不同的操作。草坪洒水喷头上的计时器就是一个可调节但固定顺序的例子。

状态是指在系统的使用或顺序场景中可能发生的各种条件。电梯就是一个例子，它使用基于系统状态的逻辑来执行特定的操作，以响应其状态和操作员输入。例如，如果操作员按下楼层n的按钮，系统将根据电梯停止或移动、上升或下降、门是打开或关闭等情况作出响应。

顺序控制的早期发展是继电器逻辑，通过这种逻辑，电气继电器接合电气接点，从而启动或中断设备的电源。继电器首先应用于电报网络，然后才被开发用于控制其他设备，如启动和停止工业规模的电动机或打开和关闭电磁阀。为控制目的使用继电器允许事件驱动控制，在这种控制中，动作可以不按顺序触发，以响应外部事件。它们的响应比刚性的单序列凸轮计时器更灵活。更复杂的例子包括维护设备的安全序列，如旋桥控制系统，在旋桥移动之前，锁栓需要松开，而锁栓只有在安全闸门关闭后才能松开。

继电器和凸轮计时器的总数可以数到数百甚至数千在一些工厂。早期的编程技术和语言需要使这样的系统易于管理，最早的编程技术之一是阶梯逻辑，其中互连继电器的图表就像梯子的梯级。后来设计了一种叫做可编程逻辑控制器的特殊计算机，用一个更容易重新编程的单元来代替这些硬件集合。

在一个典型的硬接线马达启动和停止电路(称为控制电路)，马达是通过按下“启动”或“运行”按钮启动的，该按钮激活一对电气继电器。“锁定”继电器锁定触点，使控制电路在按钮释放时保持通电。(启动按钮为常开触点，停止按钮为常闭触点。)另一个继电器激活一个开关，为在主电源电路中抛出电机启动开关(三相工业电源的三组触点)的设备供电。大型电机使用高电压和经历高涌流电流，使速度重要的接通和断开接触。使用手动开关可能会对人员和财产造成危险。启动电路中的“锁定”触点和电机的主电源触点由各自的电磁体保持接触，直到按下“停止”或“关闭”按钮，这将解除继电器中的锁定。

通常在控制电路上加联锁装置。假设例子中的电机驱动的是需要润滑的机器。在这种情况下，可以增加一个联锁，以确保油泵在电机启动之前运行。定时器、限位开关和电眼是控制电路中其他常见的元件。

电磁阀广泛应用于压缩空气或液压流体，为机械部件上的执行机构提供动力。虽然电机用于提供连续的旋转运动，但执行机构通常是一个更好的选择，以间歇性地创造一个有限的运动范围的机械组件，如移动各种机械手臂，打开或关闭阀门，抬起沉重的压辊，对压力机施加压力。

计算机控制

计算机可以同时执行顺序控制和反馈控制，通常在工业应用中，一台计算机可以同时执行这两种控制。可编程逻辑控制器(plc)是一种特殊用途的微处理器，它取代了继电器逻辑类型系统中使用的许多硬件部件，如定时器和鼓序列器。通用过程控制计算机已经越来越多地取代了独立的控制器，单台计算机能够执行数百个控制器的操作。过程控制计算机可以处理来自plc、仪器和控制器网络的数据，以实现许多独立变量的典型(如PID)控制，或在某些情况下，使用多个输入和数学操作实现复杂的控制算法。它们还可以分析数据，为操作员创建实时图形显示，并为操作员、工程师和管理人员提供运行报告。

自动柜员机(ATM)的控制是交互过程的一个例子，在这个过程中，计算机将根据从网络数据库中检索到的信息，对用户的选择执行逻辑派生的响应。ATM流程与其他在线交易流程有相似之处。不同的逻辑反应被称为情景。这样的过程通常是在用例和流程图的帮助下设计的，它们指导了软件代码的编写。最早的反馈控制机制是希腊工程师Ctesibius(公元前285-222年)发明的水钟。

历史

早期历史

希腊人和阿拉伯人(在公元前300年到公元1200年之间)一直致力于精确地记录时间。大约在公元前270年，在托勒密王朝的埃及，Ctesibius描述了一种水钟的浮子调节器，这是一种类似于现代抽水马桶里的球和旋塞的装置。这是最早的反馈控制机制。14世纪机械钟的出现使得水钟和它的反馈控制系统过时了。

波斯人Banū Mūsā兄弟在他们的《精巧的装置》(公元850年)一书中描述了许多自动控制装置。流体的两步液位控制是一种不连续的可变结构控制形式，是由巴努·穆萨兄弟开发的。他们还描述了一个反馈控制器。在工业革命期间，反馈控制系统的设计是通过反复试验，以及大量的工程直觉。因此，与其说它是一门科学，不如说是一门艺术。直到19世纪中期，人们才用数学这一自动控制理论的形式化语言来分析反馈控制系统的稳定性。

离心调速器是由克里斯蒂安·惠更斯在十七世纪发明的，用来调节磨盘之间的间隙。

西欧的工业革命

原动机或自动驱动机器、先进的谷物碾磨机、熔炉、锅炉和蒸汽机的引入，对自动控制系统提出了新的要求，包括温度调节器(发明于1624年;参阅Cornelius Drebbel)，压力调节器(1681)，浮动调节器(1700)和速度控制装置。另一种控制机制被用来支起风车的风帆。1745年，埃德蒙·李申请了专利。同样在1745年，雅克·德·沃康森发明了第一台自动织布机。1800年左右，约瑟夫·玛丽·雅卡尔发明了一种穿孔卡片系统来为织机编程。

1771年，理查德·阿克莱特发明了第一个由水力驱动的全自动纺纱机，当时被称为水力纺纱机。1785年，奥利弗·埃文斯(Oliver Evans)发明了自动面粉厂，使其成为第一个完全自动化的工业流程。

1784年，英国邦斯先生曾用离心调速器作为蒸汽起重机模型的一部分。1788年，詹姆斯·瓦特将离心调速器应用到蒸汽机上，当时，瓦特的搭档博尔顿在一家名叫博尔顿瓦特的面粉厂看到了一台。总督实际上不能保持既定的速度;发动机将以新的恒定速度响应负载的变化。调速器能够处理较小的变化，如那些引起锅炉热负荷波动。此外，每当有速度变化时，都有振荡的趋势。因此，配备这个调速器的发动机不适合要求恒定速度的操作，如棉纺。

对调速器的几次改进，加上对蒸汽机阀门关闭时间的改进，使蒸汽机在19世纪末以前适用于大多数工业用途。蒸汽机的发展远远领先于科学，包括热力学和控制理论。在詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)发表了一篇论文，为理解控制理论奠定了理论基础之前，这位州长得到的科学关注相对较少。

20世纪

继电器逻辑是随着工厂电气化而引入的，这经历了从1900年到20世纪20年代的快速适应。中央发电站也在迅速发展，新的高压锅炉、汽轮机和变电站的运行对仪器和控制装置产生了很大的需求。中央控制室在20世纪20年代开始普及，但直到30年代早期，大多数过程控制都是开-关的。操作人员通常会监控由记录仪绘制的图表，这些记录仪将仪器上的数据绘制出来。为了进行纠正，操作人员需要手动开启或关闭阀门，或打开或关闭开关。控制室还使用彩色编码灯向工厂的工人发送信号，让他们手动做出某些改变。

在20世纪20年代，电子放大器的发展对长途电话非常重要，它要求更高的信噪比，这是通过负反馈噪声消除来解决的。这个和其他电话应用对控制理论作出了贡献。20世纪40年代和50年代，德国数学家Irmgard Flügge-Lotz发展了不连续自动控制理论，该理论在第二次世界大战期间被用于军事射击控制系统和飞机导航系统。

控制器在20世纪30年代开始被引入，这种控制器能够根据设定值的偏差而不是开关控制做出计算变化。控制器使制造业继续显示生产率的提高，以抵消工厂电气化影响的下降。

20世纪20年代，电气化大大提高了工厂的生产力。美国制造业生产率增长从1919-29年的5.2%/年下降到1929-41年的2.76%/年。亚历山大·菲尔德指出，非医疗器械的支出从1929年到1933年显著增加，此后一直保持强劲。

第一次和第二次世界大战见证了大众通信和信号处理领域的重大进步。自动控制的其他关键进展包括微分方程、稳定性理论和系统理论(1938)、频域分析(1940)、船舶控制(1950)和随机分析(1941)。

从1958年开始，各种基于固态数字逻辑模块的硬接线可编程逻辑控制器(可编程逻辑控制器(PLC)的前身)的系统出现了，以取代工业控制系统中用于过程控制和自动化的机电继电器逻辑，包括早期Telefunken/AEG Logistat，Siemens Simatic, Philips/Mullard/Valvo [de] Norbit, BBC sigmatonic, ACEC Logacec, Akkord [de] Estacord, Krone Mibakron, Bistat, Datapac, Norlog, SSR，或Procontic系统。

1959年，德士古的亚瑟港精炼厂成为第一个使用数字控制的化工厂。20世纪70年代，随着计算机硬件价格的下降，工厂向数字控制的转变开始迅速蔓延。

重要的应用

自动电话总机是在1892年和自动电话一起推出的。到1929年，贝尔系统的31.9%是自动的。

电话开关继电器执行的逻辑是数字计算机的灵感来源。1905年，世界上第一台成功的吹瓶机是一种自动模型。这台机器由两名工人12小时轮班操作，可以在24小时内生产17280瓶葡萄酒，而六名男子和男孩在一个车间里工作一天可以生产2880瓶葡萄酒。用机器制造瓶子的成本是每毛10到12美分，而手工吹玻璃工和助手的成本是每毛1.80美元。

利用控制理论开发了分段式电气传动装置。分段电力驱动用于机器的不同部分，在这些部分之间必须保持精确的差速器。在轧钢过程中，金属在通过一对轧辊时拉长，而这对轧辊必须以连续更快的速度运行。在造纸过程中，纸张在经过蒸汽加热干燥时收缩，而蒸汽加热干燥必须连续以较慢的速度运行。分段式电力驱动最早应用于1919年的造纸机上。在20世纪，钢铁工业最重要的发展之一是连续宽带钢轧制，由Armco公司在1928年开发。

在自动化之前，许多化学品是成批生产的。1930年，随着仪器的广泛使用和控制器的出现，陶氏化学公司的创始人提倡连续生产。

19世纪40年代，詹姆斯·内史密斯发明了自动机床，取代了手的灵活性，使男孩和不熟练的工人可以操作。20世纪50年代，机床通过穿孔纸带实现了数控(NC)的自动化。这很快就演变成了计算机化的数控(CNC)。

今天，广泛的自动化实践在几乎所有类型的制造和装配过程。一些较大的工序包括发电、炼油、化工、钢铁厂、塑料、水泥厂、化肥厂、纸浆和造纸厂、汽车和卡车组装、飞机生产、玻璃制造、天然气分离厂、食品和饮料加工、罐装、装瓶及各种零配件的制造。机器人在危险的应用中特别有用，比如汽车喷漆。机器人还被用来组装电子电路板。自动焊接由机器人完成，自动焊机被用于管道等应用。

空间/计算机时代

随着1957年太空时代的到来，控制设计，特别是在美国，从经典控制理论的频域技术转向了19世纪晚期的微分方程技术，它是在时域中产生的。在20世纪40年代和50年代，德国数学家Irmgard Flugge-Lotz发展了间断自动控制理论，该理论被广泛应用于迟滞控制系统，如导航系统、火控系统和电子学。通过flug- lotz等人，现代出现了非线性系统的时域设计(1961年)、导航(1960年)、最优控制和估计理论(1962年)、非线性控制理论(1969年)、数字控制和滤波理论(1974年)以及个人计算机(1983年)。

优点，缺点和局限性

也许工业上最常提到的自动化优势是，它与更快的生产速度和更低的劳动力成本有关。另一个好处是它可以取代艰苦的、体力的或单调的工作。此外，在危险环境中或在其他方面超出人类能力的任务可以由机器完成，因为机器甚至可以在极端温度或放射性或有毒的大气中工作。它们也可以通过简单的质量检查来维护。然而，目前并不是所有的任务都可以自动化，而且有些任务的自动化成本比其他任务更高。在工厂安装机器的初始成本很高，系统维护失败可能会导致产品本身的损失。

此外，一些研究似乎表明，工业自动化可能会造成经营问题以外的不良影响，包括由于系统性失业和复合环境破坏造成的工人失业;然而，这些发现在本质上既复杂又有争议，并且有可能被规避。

自动化的主要优点是:

• 增加的吞吐量或生产力
• 改进质量
• 增加可预测性
• 改进过程或产品的健壮性(一致性)
• 增加公司nsistency输出
• 减少直接人力成本和费用
• 减少周期时间
• 提高准确性
• 解除人类的monotonously重复性的工作
• 自动化流程的开发、部署、维护和操作所需的工作——通常结构为“作业”
• 增加了人类做其他事情的自由

自动化主要描述的是机器取代人类的动作，但它也与机械化有松散的联系，即机器取代人类劳动。与机械化相结合，在尺寸、力量、速度、耐力、视距和敏锐度、频率和精度、电磁传感和效果等方面扩展了人类的能力，其优势包括:

• 减轻人们危险的工作压力和占用外伤性损伤(例如，因举起重物而扭伤的背部减少)
• 把人类从危险的环境中移走Nments(如火、太空、火山、核设施、水下等)

自动化的主要缺点是:

• 高初始成本
• 在没有人为干预的情况下，更快地生产意味着更快地不受限制地生产缺陷自动化过程是有缺陷的。
• 当系统故障时，扩大容量意味着扩大问题——以扩大的速度释放危险的毒素、力量、能量等。
• 自动化发起者往往对人类的适应性知之甚少。要预料到每一个公司往往是困难的应急和发展完全预先计划的自动化反应Nses适用于所有情况。自动化流程中固有的发现可能需要非预期的迭代来解决，从而导致非预期的成本和延迟。
• 人们预期的就业收入可能会被部署自动化的其他人严重扰乱没有类似的收入。

悖论的自动化

自动化悖论认为，自动化系统越高效，操作员的人为贡献就越重要。人类的参与较少，但他们的参与变得更加重要。认知心理学家莉莎娜·班布里奇(Lisanne Bainbridge)在她被广泛引用的论文《自动化的讽刺》(irony of Automation)中指出了这些问题。如果一个自动化系统有错误，它会增加这个错误，直到它被修复或关闭。这时就需要人工操作员了。法国航空公司(Air France) 447航班就是一个致命的例子，由于自动化故障，飞行员陷入了他们没有准备好应对的手动状态。

限制

• 目前的技术无法将所有需要的任务自动化。
• 许多使用自动化的操作需要投入大量的资本，生产大量的产品，这使得故障极其昂贵和潜在的危险。因此,一些人Nnel需要确保整个系统正常运行，并保持安全和产品质量。
• 随着一个过程变得越来越自动化，可以节省的劳动力越来越少，可以提高的质量也越来越少。这是一个关于收益递减和逻辑函数的例子。
• 随着越来越多的流程实现自动化，剩下的非自动化流程就会越来越少。这是机会枯竭的一个例子。然而，新的技术范式可能会设定新的限制，超越以前的限制。

当前的限制

目前，人类在工业流程中的许多角色超出了自动化的范围。人类水平的模式识别、语言理解和语言生成能力远远超出了现代机械和计算机系统的能力(但请参阅沃森计算机)。需要主观评估或合成复杂感官数据(如气味和声音)的任务，以及战略规划等高级任务，目前都需要人类的专业知识。在许多情况下，即使工业任务可以实现自动化，使用人工比机械方法更划算。克服这些障碍是一条通往后稀缺性经济学的理论化道路。

社会影响及失业问题

随着技术的发展，他们的技能或经验变得不必要，自动化程度的提高常常会让工人们对失去工作感到焦虑。在工业革命早期，当蒸汽机之类的发明使得一些工作变得无足轻重时，工人们强烈反对这些改变。例如，卢德分子(Luddites)是英国的纺织工人，他们通过摧毁机器来抗议引进织布机。最近，亚利桑那州钱德勒市的一些居民用割伤轮胎、向无人驾驶汽车投掷石块的方式，抗议无人驾驶汽车对人类安全和就业前景构成的威胁。

民意调查中反映出的对自动化的相对焦虑，似乎与该地区或国家的工会力量密切相关。例如，皮尤研究中心(Pew Research Center)的一项研究显示，72%的美国人对工作场所自动化程度的提高感到担忧，而80%的瑞典人则认为自动化和人工智能是一件好事，因为瑞典的工会仍然强大，国家安全网络也更加健全。

根据专家卡尔?贝内迪克特?弗雷(Carl Benedikt Frey)和迈克尔?奥斯本(Michael Osborne)的研究，到2033年，美国47%的现有工作都有可能实现完全自动化。此外，工资和教育程度似乎与职业自动化的风险呈强烈的负相关。甚至像律师、医生、工程师、记者这样的高技能职业也面临着自动化的风险。

目前不需要大学学位的职业前景尤其黯淡，比如卡车驾驶。即使在硅谷这样的高科技走廊里，人们也在担心，未来相当大比例的成年人几乎没有机会继续有收入的工作。在《第二次机器时代》(The Second Machine Age)一书中，埃里克·布林约尔松(Erik Brynjolfsson)和安德鲁·麦卡菲(Andrew McAfee)认为，“……对于拥有特殊技能或受过正确教育的工人来说，现在是最好的时机，因为这些人可以使用技术来创造和获取价值。然而，对于一个只有‘普通’技能和能力的工人来说，从来没有比这更糟糕的时候了，因为计算机、机器人和其他数字技术正以惊人的速度获得这些技能和能力。”然而，正如瑞典的例子所表明的那样，如果有足够的政治意愿来促进对那些职位正在被淘汰的工人进行再培训，向更加自动化的未来过渡就不需要引起恐慌。

根据《政治经济学杂志》(Journal of Political economics) 2020年发表的一项研究，自动化对就业和工资产生了巨大的负面影响:“每千名工人多一个机器人，就业人口比就会降低0.2个百分点，工资就会降低0.42%。”

牛津大学马丁学院(Oxford Martin School)的卡尔?贝内迪克特?弗雷(Carl Benedikt Frey)和迈克尔?奥斯本(Michael Osborne)进行的一项研究认为，从事“按照明确定义的程序、可以通过复杂算法轻松完成的任务”的员工，面临着被取代的风险，美国47%的工作岗位面临着被取代的风险。这项研究于2013年作为一篇工作论文发表，并于2017年发表。通过调查一组同事的意见，该研究预测，自动化将使低收入的体力职业面临最大的风险。然而，根据2015年发表在麦肯锡季刊上的一项研究，在大多数情况下，计算机化的影响不是取代员工，而是自动化他们执行的部分任务。麦肯锡的研究方法因不透明和依赖主观评估而受到严厉批评。弗雷和奥斯本的方法论一直受到批评，因为缺乏证据、历史意识或可信的方法论。此外，经合组织发现，在21个经合组织国家中，9%的工作是可自动化的。

奥巴马政府指出，每3个月，“经济中约6%的工作岗位因企业收缩或关闭而被摧毁，而增加的工作岗位比例略高一些。”麻省理工学院(MIT)最近对美国1990年至2007年的自动化进行的一项经济学研究发现，当机器人被引入一个行业时，可能会对就业和工资产生负面影响。如果每1000名工人增加1个机器人，就业与人口的比率就会下降0.18 ~ 0.34个百分点，工资也会下降0.25 ~ 0.5个百分点。在研究期间，美国经济中没有很多机器人，这限制了自动化的影响。然而，自动化预计将增加三倍(保守估计)或四倍(慷慨估计)，导致这些数字大幅上升。

根据图卢兹大学(Toulouse 1 University)经济学家吉尔斯?圣保罗(Gilles Saint-Paul)的一个公式，对非熟练人力资本的需求下降的速度要慢于对熟练人力资本需求的增长速度。从长远来看，对整个社会来说，它导致了更便宜的产品，更低的平均工作时间，以及新产业的形成(例如，机器人产业，计算机产业，设计产业)。这些新兴产业为经济提供了许多高工资、以技能为基础的工作。到2030年，全球3%至14%的劳动力将被迫转换工作类别，因为自动化会减少整个行业的工作岗位。虽然自动化带来的失业人数往往会被技术进步带来的就业机会所抵消，但同样类型的失业并不会被取代，并导致中下层阶级失业人数增加。这主要发生在美国和发达国家，这些国家的技术进步提高了对高技能劳动力的需求，但对中等工资劳动力的需求继续下降。经济学家称这种趋势为“收入两极化”，即低技能工人的工资被压低，而熟练工人的工资被抬高，预计这种趋势将在发达国家持续下去。

由于自动化和技术的指数级增长，失业正在成为美国的一个问题。根据Kim, Kim和Lee(2017:1)的说法，“Frey和Osborne在2013年的一项重要研究预测，由于计算机化的结果，美国702个被调查的职业中有47%面临着未来10-25年就业率下降的高风险。”由于许多工作岗位变得过时，导致工作岗位流失，一个可能的解决方案是政府援助全民基本收入(UBI)计划。UBI是指向21岁以上的所有美国公民支付的每月约1000美元的有保障的、免税的收入。UBI将帮助那些流离失所的人从事工资更低但仍能维持生计的工作。它还将为那些从事可能被自动化和技术取代的工作的人提供额外资金，用于教育和培训新的高要求的就业技能。然而，UBI应该被视为一个短期的解决方案，因为它并没有完全解决收入不平等的问题，而这一问题将因工作替代而加剧。

熄灯制造业

熄灯制造是一种没有人工的生产系统，以消除劳动力成本。

1982年，通用汽车(General Motors)实施了人工“放手”制造，以“用自动化和机器人取代规避风险的官僚主义”。然而，这家工厂从未达到完全“熄灯”状态。

灯具制造业的扩张需要:

• 设备的可靠性
• 长期机械功能
• 预防性维护计划
• 员工的承诺