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。

本书遵循教指委相关指导文件和高等院校学生学习规律编写而成。践行四新理念，融入思政元素，注重理论与实践相结合。

随着全球制造业的快速发展，传统制造业面临着诸多挑战，如生产效率低下、质量不稳定、成本高昂等。这些问题严重制约了制造业的发展和竞争力，因此，制造业亟须转型升级。工业互联网的出现为制造业的转型升级提供了新的思路和方法。它通过将信息技术与制造业深度融合，实现了生产过程的数字化、网络化和智能化，为制造业的发展带来了新的机遇和挑战。现场级工业互联系统作为工业互联网的底层基础，负责采集和传输现场设备的数据，是实现工业互联网的关键环节。通过现场级工业互联系统，企业可以实现对生产过程的实时监控、数据分析和优化控制，从而提高生产效率、降低成本、提升产品质量和安全性。因此，深入研究和掌握现场级工业互联系统的相关知识和技术，对于推动制造业的转型升级、提高企业的竞争力具有重要意义。
　　本书是工业互联系统分析与设计方面的入门教材，旨在深入浅出地探讨现场级工业互联系统的相关知识和技术，为读者提供全面、系统性的学习指导。本书共有五章：第1章介绍了工业通信总线及传输协议，涵盖工业通信网络、工业现场总线、工业以太网、OPC UA 协议、MQTT 协议等，旨在让读者了解数据传输的基本原理和方法，以及如何选择合适的数据传输协议和技术来实现工业数据的可靠传输；第2章介绍了面向现场级工业互联系统的数据采集与监控，帮助读者了解现场装置设备、远程I/O、远程I/O数据采集与监控系统，了解网络化控制系统的基本结构、存在的问题及其分析方法，了解SCADA系统的主要功能、典型架构以及应用领域；第3章介绍了现场级工业互联系统的数据分析方法，旨在通过数据分析技术挖掘工业数据的潜在价值，快速构建和优化工业数据分析模型；第4章介绍了现场级工业互联系统的数据中台，读者结合现场级工业互联系统的实际案例学习和模拟操作，帮助读者快速了解数据中台的基本原理和方法，掌握其构建和优化方法；第5章研究了现场级工业互联系统的安全问题，涵盖工业控制系统面临的主要风险、预防措施、技术手段和法规与标准等，旨在使读者了解工业控制系统安全的基本原理，掌握保障工业控制系统安全运行的方法，以及应对安全挑战和威胁应具备的能力。
　　本书由浙江工业大学信息工程学院张文安教授、郭方洪副教授共同编写，由于作者水平有限，书中难免有疏漏之处，敬请广大读者批评指正。
　　编著者

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