工业互联系统分析与设计

第1章 工业通信总线及传输协议 1 br 1.1 工业通信网络 1 br 1.1.1 工业通信网络的特点 2 br 1.1.2 工业通信网络的类型 3 br 1.1.3 工业通信网络的发展历程 5 br 1.2 工业现场总线 6 br 1.2.1 现场总线的实质 6 br 1.2.2 现场总线的特点 7 br 1.2.3 现场总线协议标准 7 br 1.2.4 现场总线的通信模型 10 br 1.2.5 现场总线技术的发展趋势 11 br 1.3 工业以太网 12 br 1.3.1 以太网 12 br 1.3.2 以太网引入工业控制带来的问题 13 br 1.3.3 工业以太网技术 13 br 1.3.4 工业以太网通信协议 14 br 1.3.5 工业以太网的应用前景 20 br 1.4 OPC UA协议 21 br 1.4.1 概述 21 br 1.4.2 信息模型 24 br 1.4.3 OPC UA服务 30 br 1.4.4 安全模型 35 br 1.5 MQTT协议详解 39 br 1.5.1 MQTT协议介绍 39 br 1.5.2 MQTT安全机制 49 br 本章习题 50 br 案例一 MQTT协议消息发送与订阅代码示例 52 br 案例二 OPC UA 案例分析 54 br 第2章 工业现场数据采集与监控 59 br 2.1 现场装置设备 59 br 2.1.1 检测仪表 60 br 2.1.2 执行器 62 br 2.1.3 工业装备 63 br 2.2 远程I/O 64 br 2.2.1 总线耦合器 66 br 2.2.2 I/O模块 66 br 2.3 工业通信协议转换器 67 br 2.3.1 工业总线协议转换关键技术 68 br 2.3.2 工业总线协议转换器的应用 69 br 2.3.3 工业总线协议转换器的发展趋势 69 br 2.4 网络化控制系统 70 br 2.4.1 网络化控制系统的基本结构 70 br 2.4.2 网络化控制系统的基本问题 72 br 2.4.3 网络化控制系统分析方法 74 br 2.5 数据采集与监控系统 75 br 2.5.1 SCADA系统概述 75 br 2.5.2 SCADA系统的组成和架构 76 br 2.5.3 SCADA系统的应用领域 82 br 本章习题 83 br 第3章 工业数据分析方法 84 br 3.1 数据预处理 84 br 3.1.1 数据质量评估 85 br 3.1.2 缺失值处理 86 br 3.1.3 异常值处理 89 br 3.1.4 数据压缩 91 br 3.2 特征工程 95 br 3.2.1 线性降维 95 br 3.2.2 非线性降维 98 br 3.2.3 特征编码 99 br 3.2.4 特征评估与选择 103 br 3.3 信号处理 106 br 3.3.1 傅里叶变换 106 br 3.3.2 短时傅里叶变换 109 br 3.3.3 小波变换 111 br 3.3.4 经验模态分解 114 br 3.4 分类和聚类 117 br 3.4.1 K近邻 118 br 3.4.2 贝叶斯分类 119 br 3.4.3 支持向量机 123 br 3.4.4 K均值聚类 125 br 3.5 模型回归 126 br 3.5.1 线性回归 126 br 3.5.2 Logistic回归 129 br 3.5.3 岭回归 131 br 3.5.4 LASSO回归 131 br 3.5.5 逐步回归 132 br 3.6 神经网络 133 br 3.6.1 非线性激活函数 133 br 3.6.2 单层神经网络 137 br 3.6.3 反向传播算法 138 br 3.6.4 梯度下降优化算法 140 br 3.6.5 深度神经网络 142 br 本章习题 143 br 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 br 案例四 图像降维与分类案例分析 149 br 第4章 工业互联系统数据中台 154 br 4.1 数据中台 154 br 4.1.1 数据中台历史 154 br 4.1.2 数据中台概念 155 br 4.1.3 工业企业数据管理现状 155 br 4.1.4 搭建工业数据中台的目标 156 br 4.1.5 工业数据中台架构简析 157 br 4.1.6 通用术语 159 br 4.2 工业数据中台核心功能和操作 160 br 4.2.1 全域数据集成 160 br 4.2.2 数据资产管理 161 br 4.2.3 数据治理 165 br 4.2.4 数据利用 167 br 4.2.5 数据共享 171 br 4.2.6 数据可视化 172 br 本章习题 173 br 案例五 钢铁行业数据中台案例 174 br 案例六 电力行业数据中台案例 177 br 案例七 装备行业数据中台案例 179 br 案例八 能源行业数据中台案例 182 br 案例九 电动机振动数据分析与可视化综合案例分析 184 br 第5章 工业控制系统安全 191 br 5.1 工业控制系统安全的主要风险 191 br 5.1.1 设备故障 192 br 5.1.2 网络攻击 194 br 5.1.3 物理攻击 198 br 5.2 工业控制系统的功能安全 200 br 5.2.1 风险评估和安全需求分析 201 br 5.2.2 安全设计和实施 204 br 5.2.3 安全验证 206 br 5.2.4 故障诊断和故障处理 208 br 5.3 工业控制系统安全的预防措施 213 br 5.3.1 审计与评估 213 br 5.3.2 策略与标准 215 br 5.3.3 访问控制与身份认证 217 br 5.3.4 安全更新与补丁管理 219 br 5.4 工业控制系统安全的技术手段 221 br 5.4.1 防火墙 221 br 5.4.2 虚拟专用网络 223 br 5.4.3 入侵检测系统 224 br 5.4.4 安全隔离 226 br 5.4.5 加密技术 227 br 5.5 工业控制系统安全的法规与标准 229 br 5.5.1 国际标准 229 br 5.5.2 国家标准 230 br 5.5.3 行业标准 231 br 5.5.4 企业标准 232 br 本章习题 233 br 案例十 针对西门子PLC的攻击示例 235 br 参考文献 239第1章 工业通信总线及传输协议 11.1 工业通信网络 11.1.1 工业通信网络的特点 21.1.2 工业通信网络的类型 31.1.3 工业通信网络的发展历程 51.2 工业现场总线 61.2.1 现场总线的实质 61.2.2 现场总线的特点 71.2.3 现场总线协议标准 71.2.4 现场总线的通信模型 101.2.5 现场总线技术的发展趋势 111.3 工业以太网 121.3.1 以太网 121.3.2 以太网引入工业控制带来的问题 131.3.3 工业以太网技术 131.3.4 工业以太网通信协议 141.3.5 工业以太网的应用前景 201.4 OPC UA协议 211.4.1 概述 211.4.2 信息模型 241.4.3 OPC UA服务 301.4.4 安全模型 351.5 MQTT协议详解 391.5.1 MQTT协议介绍 391.5.2 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 592.1 现场装置设备 592.1.1 检测仪表 602.1.2 执行器 622.1.3 工业装备 632.2 远程I/O 642.2.1 总线耦合器 662.2.2 I/O模块 662.3 工业通信协议转换器 672.3.1 工业总线协议转换关键技术 682.3.2 工业总线协议转换器的应用 692.3.3 工业总线协议转换器的发展趋势 692.4 网络化控制系统 702.4.1 网络化控制系统的基本结构 702.4.2 网络化控制系统的基本问题 722.4.3 网络化控制系统分析方法 742.5 数据采集与监控系统 752.5.1 SCADA系统概述 752.5.2 SCADA系统的组成和架构 762.5.3 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 843.1 数据预处理 843.1.1 数据质量评估 853.1.2 缺失值处理 863.1.3 异常值处理 893.1.4 数据压缩 913.2 特征工程 953.2.1 线性降维 953.2.2 非线性降维 983.2.3 特征编码 993.2.4 特征评估与选择 1033.3 信号处理 1063.3.1 傅里叶变换 1063.3.2 短时傅里叶变换 1093.3.3 小波变换 1113.3.4 经验模态分解 1143.4 分类和聚类 1173.4.1 K近邻 1183.4.2 贝叶斯分类 1193.4.3 支持向量机 1233.4.4 K均值聚类 1253.5 模型回归 1263.5.1 线性回归 1263.5.2 Logistic回归 1293.5.3 岭回归 1313.5.4 LASSO回归 1313.5.5 逐步回归 1323.6 神经网络 1333.6.1 非线性激活函数 1333.6.2 单层神经网络 1373.6.3 反向传播算法 1383.6.4 梯度下降优化算法 1403.6.5 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 1544.1 数据中台 1544.1.1 数据中台历史 1544.1.2 数据中台概念 1554.1.3 工业企业数据管理现状 1554.1.4 搭建工业数据中台的目标 1564.1.5 工业数据中台架构简析 1574.1.6 通用术语 1594.2 工业数据中台核心功能和操作 1604.2.1 全域数据集成 1604.2.2 数据资产管理 1614.2.3 数据治理 1654.2.4 数据利用 1674.2.5 数据共享 1714.2.6 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 1915.1 工业控制系统安全的主要风险 1915.1.1 设备故障 1925.1.2 网络攻击 1945.1.3 物理攻击 1985.2 工业控制系统的功能安全 2005.2.1 风险评估和安全需求分析 2015.2.2 安全设计和实施 2045.2.3 安全验证 2065.2.4 故障诊断和故障处理 2085.3 工业控制系统安全的预防措施 2135.3.1 审计与评估 2135.3.2 策略与标准 2155.3.3 访问控制与身份认证 2175.3.4 安全更新与补丁管理 2195.4 工业控制系统安全的技术手段 2215.4.1 防火墙 2215.4.2 虚拟专用网络 2235.4.3 入侵检测系统 2245.4.4 安全隔离 2265.4.5 加密技术 2275.5 工业控制系统安全的法规与标准 2295.5.1 国际标准 2295.5.2 国家标准 2305.5.3 行业标准 2315.5.4 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