工业互联系统分析与设计

本书深入探讨了现场级工业互联系统的相关知识和技术，以该系统中的数据流为主要脉络，详细介绍了现场级工业互联系统的基本概念、架构和组成部分，现场设备的数据采集、传输与处理技术，工业数据分析与智能决策方法，工业互联系统数据中台的构建以及工业控制系统的安全技术。本书内容讲解深入浅出，注重理论与实践相结合，尽可能从实际工程的分析中引入要研究、讨论的问题、概念和方法，从简单到复杂给出实际应用案例和实验操作，便于读者对工业互联系统分析与设计方法的深入理解和掌握。 　　本书可作为普通高等院校电子信息、电气、自动化等专业的教材，也可作为工业自动化从业人员、数据分析人员以及从事工业互联网开发和应用等人员的参考书。

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第1章 工业通信总线及传输协议 1 1.1 工业通信网络 1 1.1.1 工业通信网络的特点 2 1.1.2 工业通信网络的类型 3 1.1.3 工业通信网络的发展历程 5 1.2 工业现场总线 6 1.2.1 现场总线的实质 6 1.2.2 现场总线的特点 7 1.2.3 现场总线协议标准 7 1.2.4 现场总线的通信模型 10 1.2.5 现场总线技术的发展趋势 11 1.3 工业以太网 12 1.3.1 以太网 12 1.3.2 以太网引入工业控制带来的问题 13 1.3.3 工业以太网技术 13 1.3.4 工业以太网通信协议 14 1.3.5 工业以太网的应用前景 20 1.4 OPC UA协议 21 1.4.1 概述 21 1.4.2 信息模型 24 1.4.3 OPC UA服务 30 1.4.4 安全模型 35 1.5 MQTT协议详解 39 1.5.1 MQTT协议介绍 39 1.5.2 MQTT安全机制 49 本章习题 50 案例一 MQTT协议消息发送与订阅代码示例 52 案例二 OPC UA 案例分析 54 第2章 工业现场数据采集与监控 59 2.1 现场装置设备 59 2.1.1 检测仪表 60 2.1.2 执行器 62 2.1.3 工业装备 63 2.2 远程I/O 64 2.2.1 总线耦合器 66 2.2.2 I/O模块 66 2.3 工业通信协议转换器 67 2.3.1 工业总线协议转换关键技术 68 2.3.2 工业总线协议转换器的应用 69 2.3.3 工业总线协议转换器的发展趋势 69 2.4 网络化控制系统 70 2.4.1 网络化控制系统的基本结构 70 2.4.2 网络化控制系统的基本问题 72 2.4.3 网络化控制系统分析方法 74 2.5 数据采集与监控系统 75 2.5.1 SCADA系统概述 75 2.5.2 SCADA系统的组成和架构 76 2.5.3 SCADA系统的应用领域 82 本章习题 83 第3章 工业数据分析方法 84 3.1 数据预处理 84 3.1.1 数据质量评估 85 3.1.2 缺失值处理 86 3.1.3 异常值处理 89 3.1.4 数据压缩 91 3.2 特征工程 95 3.2.1 线性降维 95 3.2.2 非线性降维 98 3.2.3 特征编码 99 3.2.4 特征评估与选择 103 3.3 信号处理 106 3.3.1 傅里叶变换 106 3.3.2 短时傅里叶变换 109 3.3.3 小波变换 111 3.3.4 经验模态分解 114 3.4 分类和聚类 117 3.4.1 K近邻 118 3.4.2 贝叶斯分类 119 3.4.3 支持向量机 123 3.4.4 K均值聚类 125 3.5 模型回归 126 3.5.1 线性回归 126 3.5.2 Logistic回归 129 3.5.3 岭回归 131 3.5.4 LASSO回归 131 3.5.5 逐步回归 132 3.6 神经网络 133 3.6.1 非线性激活函数 133 3.6.2 单层神经网络 137 3.6.3 反向传播算法 138 3.6.4 梯度下降优化算法 140 3.6.5 深度神经网络 142 本章习题 143 案例三 基于西储大数据集的神经网络故障诊断案例分析 145 案例四 图像降维与分类案例分析 149 第4章 工业互联系统数据中台 154 4.1 数据中台 154 4.1.1 数据中台历史 154 4.1.2 数据中台概念 155 4.1.3 工业企业数据管理现状 155 4.1.4 搭建工业数据中台的目标 156 4.1.5 工业数据中台架构简析 157 4.1.6 通用术语 159 4.2 工业数据中台核心功能和操作 160 4.2.1 全域数据集成 160 4.2.2 数据资产管理 161 4.2.3 数据治理 165 4.2.4 数据利用 167 4.2.5 数据共享 171 4.2.6 数据可视化 172 本章习题 173 案例五 钢铁行业数据中台案例 174 案例六 电力行业数据中台案例 177 案例七 装备行业数据中台案例 179 案例八 能源行业数据中台案例 182 案例九 电动机振动数据分析与可视化综合案例分析 184 第5章 工业控制系统安全 191 5.1 工业控制系统安全的主要风险 191 5.1.1 设备故障 192 5.1.2 网络攻击 194 5.1.3 物理攻击 198 5.2 工业控制系统的功能安全 200 5.2.1 风险评估和安全需求分析 201 5.2.2 安全设计和实施 204 5.2.3 安全验证 206 5.2.4 故障诊断和故障处理 208 5.3 工业控制系统安全的预防措施 213 5.3.1 审计与评估 213 5.3.2 策略与标准 215 5.3.3 访问控制与身份认证 217 5.3.4 安全更新与补丁管理 219 5.4 工业控制系统安全的技术手段 221 5.4.1 防火墙 221 5.4.2 虚拟专用网络 223 5.4.3 入侵检测系统 224 5.4.4 安全隔离 226 5.4.5 加密技术 227 5.5 工业控制系统安全的法规与标准 229 5.5.1 国际标准 229 5.5.2 国家标准 230 5.5.3 行业标准 231 5.5.4 企业标准 232 本章习题 233 案例十 针对西门子PLC的攻击示例 235 参考文献 239