进入21世纪，数字化技术作为创新驱动发展的重要力量，正深度融入经济社会的各个领域，并与新质生产力的发展紧密相连，成为驱动工业生产模式革新与产业升级的核心引擎。从智能制造领域柔性生产线的精准调控，到智慧城市中能源管理系统的智能优化，再到智慧交通网络的动态调度，数字化技术深度渗透至国民经济各领域，重塑着现代社会的运行范式。随着全球制造业向数字化、智能化转型加速推进，工业生产对控制系统的实时性、精准性、自适应性提出了更高要求，智能控制系统数字化技术凭借其在数据处理、模型构建、智能决策等方面的显著优势，成为破解复杂工业控制难题、实现生产效能跃升的关键技术。然而，当前智能控制系统数字化技术发展仍面临诸多挑战。一方面，工业控制系统与数字化技术的深度融合带来数据安全、系统兼容性等新问题；另一方面，产业对复合型专业人才的需求缺口持续扩大，既精通控制理论又掌握数字化技术的专业人才供给不足，成为制约产业创新发展的瓶颈。在此背景下，构建系统、全面且兼具前瞻性的知识体系，培养适应产业变革需求的高素质人才，已成为工程教育的重要使命。本书立足智能控制系统数字化技术前沿，系统地整合理论研究成果与工程实践经验，旨在为读者搭建起完整的知识架构与技术应用框架。全书共7章，各章节内容紧密关联、层层递进，形成了从基础理论到前沿技术、从系统架构到软件开发、从模型构建到工程实践的完整教学体系。第1章系统地梳理了控制系统的演进历程。从早期机械化控制系统的机械传动与简单逻辑控制，到电气化控制系统借助电力驱动与电子元件实现的功能拓展，再到数字化控制系统将物理控制过程转化为数字信号处理以达成精准灵活控制，最后到智能控制系统融合人工智能、机器学习技术达成的自主决策与优化，清晰展现了控制系统的技术迭代脉络。同时，对数字化技术进行全面概述，深入剖析其发展轨迹、分类体系，重点阐释组态技术、数字孪生技术等前沿领域，为后续章节的学习奠定坚实基础。第2章聚焦SCADA系统，全面解析其概念内涵、组成结构、典型架构，以及与其他工业控制系统的关联和差异。通过对下位机系统数据采集与现场控制、上位机系统集中监控与管理决策、通信网络数据传输与交互、检测和执行设备精准感知与动作执行等组成部分的细致阐述，以及对客户机/服务器架构、浏览器/服务器架构等典型架构的对比分析，帮助读者深入理解SCADA系统的运行机制与应用特性。此外，通过与集散控制系统、可编程逻辑控制器等其他工业控制系统的对比，明确SCADA系统的技术优势与适用场景，进一步拓宽读者的专业视野。第3章讲解数据通信与网络技术，深入探讨SCADA系统中数据通信与网络技术的核心原理与关键技术。从数据通信系统的基本组成、数据传输方式、差错控制策略，到通信网络的拓扑结构设计、传输介质选择、介质访问控制机制，再到网络体系结构与参考模型解析，全面覆盖数据通信与网络技术的关键知识点，助力读者掌握SCADA系统稳定运行与高效通信核心技术。第4章围绕SCADA系统设计与开发展开，系统地阐述SCADA系统设计原则、开发流程与关键技术。从需求分析与总体架构设计，到系统类型确定与硬件设备选型，再到应用软件开发、控制策略优化与控制算法应用，以及系统调试与运行维护，完整呈现SCADA系统从设计构思到实际应用的全生命周期，强化读者对控制策略的理解与应用能力。第5章介绍GENESIS平台及应用，全面阐述其功能特性、适用场景、系统架构、界面设计与模块配置。结合油库管理系统、煤矿开采智能监控系统等实际应用案例，详细展示该软件在不同工业场景中的应用价值与实践效果，帮助读者掌握软件操作技能与工程应用方法。第6章介绍智能制造与数字孪生，深入探讨智能制造与数字孪生技术的融合发展路径。通过对智能制造技术体系、数字孪生技术原理的系统概述，对建模技术与优化调度理论的深入讲解，以及对数字孪生建模方法、数字孪生软件工具的详细介绍，展现数字孪生技术在智能制造领域的核心作用与广阔应用前景。同时，对VUP、EMET、MELSOFT Gemini等数字孪生软件进行功能剖析与案例解读，为读者提供技术应用参考。第7章专门介绍MELSOFT Gemini平台及应用，详细阐述其功能特点、系统架构、界面设计与操作流程，并通过激光雕刻系统、高尔夫球包装机等数字孪生应用案例，展示该软件在工业自动化领域的强大功能与应用潜力，帮助读者深入理解数字孪生技术与软件工具的融合应用。本书在编写过程中始终秉持理论与实践相结合、技术与应用相融合的原则，既系统地阐述智能控制系统数字化技术的基础理论与核心技术，又通过大量实际案例与工程应用分析，增强内容的实用性与可操作性。同时，密切关注行业技术发展动态，及时引入新技术成果与应用案例，确保知识体系的时效性与先进性。本书可作为从事智能控制系统数字化技术研究、设计、开发与应用的工程技术人员的参考书，也可作为高等院校自动化、机器人工程、电气工程及其自动化、计算机科学与技术等相关专业的本科及研究生教材，还可用于应用型本科和高职院校电类相关专业学生创新项目实践训练。本书由教育经验丰富的教师与实践经验丰富的企业技术专家共同编写，得到了*产学合作协同育人项目、高校电气工程教育教学改革与创新实践重点课题项目、天津大学新工科新形态教学资源建设项目、天津大学人工智能赋能课程建设专项项目、天津大学教材建设项目的支持。本书相关课程获批国家级虚拟仿真一流课程、天津市社会实践一流本科建设课程。由于智能控制系统数字化技术发展日新月异，加之编者学识水平有限，书中难免存在疏漏与不足之处，恳请广大读者和同行专家不吝赐教、批评指正。

立足智能控制系统数字化技术前沿，系统地整合理论研究成果与工程实践经验，旨在为读者搭建起完整的知识架构与技术应用框架。注重产教深度融合，技术前瞻性强，重视理论与实践相结合。每章都配有思考题与习题，指导读者深入学习。

本书立足智能控制系统数字化技术前沿，系统地整合理论成果与工程实践经验，旨在构建适应产业变革的知识体系。内容包括智能控制系统、SCADA系统、数据通信与网络技术、SCADA系统设计与开发、GENESIS平台及应用、智能制造与数字孪生、MELSOFT Gemini平台及应用。本书涉及知识面广，注重产教深度融合，技术前瞻性强，重视理论与实践相结合。每章都配有思考题与习题，指导读者深入学习。本书可作为工业控制工程师、智能制造技术研发人员的工具书，也适用于高等院校自动化、机器人工程、电气工程等专业本科生及研究生教学，兼顾应用型本科与高职院校电类专业的项目实训需求，助力培养新工科复合型人才，破解产业发展瓶颈。

白瑞峰，天津大学电气与自动化实验中心主任。作为负责人承担了省部级教改项目14项，研制10余项实验教学装置及系统。作为核心成员，负责国家级虚拟仿真实验教学中心教学运行管理，创建天津大学创新创业教育基地，天津市科普基地，作为项目执行负责人，获批国家级虚仿一流课程。指导学生科技竞赛获奖30余项，国创项目20余项，发表教改论文20余篇，获国家级实验教学示范中心联席会评选教学资源建设成果一等奖、国家级教学成果二等奖，天津市教学成果特等奖。

前言第1章智能控制系统11控制系统发展概述111机械化控制系统112电气化控制系统113数字化控制系统114智能控制系统12数字化技术概述121数字化技术发展122数字化技术种类13组态技术概述131基本概念132计算机系统中;组态的含义133组态技术的发展134组态监控系统的层次结构135组态软件14数字孪生技术概述141数字孪生技术背景142数字孪生软件设计思想143数字孪生软件特点144数字孪生软件功能145典型数字孪生软件146应用场景本章小结思考题与习题第2章SCADA系统21SCADA系统概念22SCADA系统组成221下位机系统222上位机系统223通信网络224检测和执行机构23SCADA系统典型架构231C/S架构232B/S架构233系统架构对比24SCADA与其他工业控制系统241集散控制系统242可编程逻辑控制器243现场总线控制系统244DCS与SCADA系统比较25SCADA系统的应用251电力系统252高铁防灾系统253楼宇自动化254油气长距离输送255其他应用本章小结思考题与习题第3章数据通信与网络技术31SCADA系统中的数据通信32数据通信概述321数据通信系统组成322数据传输323差错控制33SCADA系统中的网络技术331通信网络概述332计算机网络拓扑结构与分类333网络传输介质334介质访问控制方式335网络体系结构与参考模型34SCADA系统中的5G通信技术本章小结思考题与习题第4章SCADA系统设计与开发41SCADA系统设计原则42SCADA系统设计与开发步骤421需求分析与总体设计422类型确定与设备选型423应用软件开发43控制策略与控制算法431PID控制算法432先进控制算法433自研控制算法44SCADA系统调试与运行441离线调试442在线调试本章小结思考题与习题第5章GENESIS平台及应用51GENESIS平台511GENESIS简介512GENESIS特点513适用职能52核心功能521Workbench522GraphWorX523AssetWorX524AlarmWorX525Hyper Historian526TrendWorX527DataWorX528IoTWorX529AnalytiX5210KPIWorX5211ReportWorX5212WebHMI5213MobileHMI5214FDDWorX5215GridWorX5216BridgeWorX5217RecipeWorX5218ScheduleWorX5219ScriptWorX5220Workflow53GENESIS解决方案54GENESIS案例1：油库管理系统541系统概述542项目需求分析543GENESIS64安装544创建项目545配置数据源546配置数据连接547配置资产548使用GraphWorX配置显示55GENESIS案例2：基于多源数据的煤矿开采智能监控系统551系统概述552设计与实现本章小结思考题与习题第6章智能制造与数字孪生61智能制造与数字孪生概述611智能制造技术612数字孪生技术62建模技术与优化调度理论621建模技术622优化调度理论63数字孪生建模技术631数字孪生模型632数字孪生五维模型633数字孪生模型的设计与评估64数字孪生应用案例641基于数字孪生的航空发动机生命周期管理642基于数字孪生的装配工艺平台643基于数字孪生的微型电芯物流仓储系统65典型数字孪生软件651Virtual Universe Pro652DRP三维数字化工厂仿真软件653EcoStruxure MachineExpert Twin654MELSOFT Gemini本章小结思考题与习题第7章MELSOFT Gemini平台及应用71MELSOFT Gemini特点72系统功能73界面及功能设置731布局界面及功能732数据导入界面及功能733连通性界面及功能734运行模拟界面及功能735工艺建模界面及功能736组件建模界面及功能737机器人编程界面及功能738数据导出界面及功能74数字孪生应用案例分析741基于MELSOFT Gemini的激光雕刻系统数字孪生建模与仿真742基于MELSOFT Gemini的高尔夫球包装机数字孪生系统本章小结思考题与习题参考文献