工業控制系統及應用 — SCADA 系統篇, 2/e

本書系統地闡述了工業控制系統——監督控制與數據採集（SCADA）系統的技術問題，包括系統組成、特點、應用及與集散控制系統等其他控制系統的比較。對SCADA系統設計與開發中的關鍵技術，包括工業數據採集技術、通信與網絡技術、SCADA系統應用軟件開發、經典OPC與OPC UA標準、功能安全與工業控制系統信息安全等都結合應用實例進行了詳實的分析和論述，並通過對不同行業領域典型SCADA系統工程案例的剖析來加深讀者對內容的理解，幫助讀者掌握SCADA系統的分析、設計、開發與調試技能。此外，對SCADA系統開發中的一些典型軟硬件產品及其使用方法也做了介紹。本書側重SCADA系統應用與開發中的關鍵技術和系統集成及其應用，註重內容的系統性、準確性、實用性與新穎性。本書的程序都已通過模擬或實物調試，可以指導讀者進行類似的工程開發。本書可作為自動化、電氣工程及其自動化、測控技術及儀器、物聯網工程等相關專業本科生、研究生的教材，也可作為相關工程技術人員的參考書。

目錄

第1章 工業控制系統與SCADA系統概述 1
1.1 工業生產中的工業控制系統 1
1.1.1 工業生產行業分類及其對應的工業控制系統 1
1.1.2 離散製造業控制系統與流程工業控制系統 3
1.1.3 典型工業控制系統與設備介紹 6
1.2 SCADA系統概述 11
1.2.1 SCADA系統及其典型特徵 11
1.2.2 SCADA系統的發展趨勢 13
1.2.3 兩類典型工業控制系統——SCADA系統與DCS的比較 14
1.2.4 工業互聯網及其與SCADA系統的比較 18
1.3 SCADA系統組成與典型結構 20
1.3.1 下位機系統 21
1.3.2 上位機系統 26
1.3.3 通信網絡 27
1.3.4 檢測儀表和執行器 28
1.3.5 SCADA系統典型結構 29
1.4 SCADA系統的應用 31
1.4.1 SCADA系統在電力行業的應用 31
1.4.2 SCADA系統在高鐵防災系統中的應用 32
1.4.3 SCADA系統在樓宇自動化中的應用 34
1.4.4 SCADA系統在油氣長距離輸送中的應用 35
1.4.5 SCADA系統在其他領域的應用 38
1.4.6 SCADA系統的應用效果 39
第2章 數據通信與網絡技術 40
2.1 數據通信概述 40
2.1.1 SCADA系統的數據通信 40
2.1.2 數據通信系統的組成 41
2.1.3 數據傳輸的幾個基本概念 42
2.1.4 數據通信中的差錯控制 45
2.2 通用串行通信 46
2.2.1 串行通信參數 47
2.2.2 RS-232接口特性及其串行通信 47
2.2.3 RS-422串行通信與RS-485串行通信 49
2.2.4 串行通信應用實例 51
2.3 Modbus通信協議 56
2.3.1 Modbus協議概述 56
2.3.2 常用Modbus協議及報文解析 57
2.3.3 Modbus通信模擬工具 61
2.4 SCADA系統中的網絡技術 62
2.4.1 通信網絡概述 62
2.4.2 電腦網絡拓撲結構與分類 63
2.4.3 網絡傳輸介質 65
2.4.4 介質訪問控制方式 68
2.4.5 網絡體系結構與參考模型 70
2.4.6 SCADA等工業控制系統典型網絡結構 74
2.5 TCP與UDP及其在SCADA系統中的應用 77
2.5.1 TCP 77
2.5.2 UDP 81
2.5.3 基於TCP的Socket通信及其在SCADA數據通信中的應用 82
2.5.4 SCADA系統中的TCP與UDP通信 85
2.6 現場總線與工業以太網 91
2.6.1 現場總線的體系結構與特點 91
2.6.2 幾種典型的現場總線 92
2.6.3 工業以太網 94
2.6.4 工業網關 104
第3章 工業數據採集技術與應用 108
3.1 工業數據採集基礎 108
3.1.1 工業數據採集系統組成與結構、I/O接口功能與分類 108
3.1.2 採樣定律與數據採集卡的性能指標 110
3.1.3 SCADA系統中的數據採集 113
3.1.4 常用的數據採集技術 115
3.2 數據採集系統的I/O接口模塊 117
3.2.1 數字量接口模塊 117
3.2.2 模擬量接口模塊 120
3.2.3 多功能接口模塊 123
3.3 基於PC的數據採集 124
3.3.1 數據採集中的I/O控制方式 124
3.3.2 基於PC的板卡類設備集中數據採集 126
3.3.3 基於OPC DA的分佈式數據採集 130
3.3.4 基於PC的Modbus TCP網絡分佈式數據採集 135
3.4 PLC與數據採集設備串行通信協同數據採集 137
3.4.1 PLC與智能模塊協同數據採集技術 137
3.4.2 西門子S7-1200與研華ADAM-4117模塊協同數據採集 138
3.4.3 FX5UC與Modbus從站模擬軟件模擬數據採集 140
3.4.4 FX5UC與智能儀表協同數據採集 142
3.5 PLC與數據採集設備基於Modbus TCP協同數據採集 146
3.5.1 基於以太網的協同數據採集 146
3.5.2 FX5UC與研華ADAM-6017以太網模塊協同數據採集 147
3.5.3 S7-1200與研華ADAM-6024以太網模塊協同數據採集 151
3.6 基於物聯網MQTT通信的數據採集 155
3.6.1 物聯網通信協議MQTT 155
3.6.2 MQTT在工業數據採集中的應用 161
第4章 SCADA系統應用軟件編程與組態 163
4.1 SCADA系統應用軟件 163
4.1.1 下位機（控制器）應用軟件 163
4.1.2 人機界面軟件 164
4.2 SCADA系統下位機編程規範IEC61131-3 165
4.2.1 傳統的控制器編程語言的不足 165
4.2.2 IEC61131-3標準的產生與特點 166
4.2.3 IEC61131-3標準的基本內容 168
4.2.4 IEC61131-3標準的程序組織單元 177
4.2.5 IEC61131-3標準的軟件模型 181
4.3 IEC61131-3標準編程語言及應用 183
4.3.1 IEC61131-3標準編程語言概述 183
4.3.2 梯形圖語言及其應用 184
4.3.3 順序功能圖及其應用 190
4.3.4 功能塊圖語言及其應用 195
4.3.5 結構化文本語言及其應用 197
4.3.6 連續功能圖語言及其應用 201
4.4 SCADA系統上位機組態軟件 202
4.4.1 上位機組態軟件的產生及發展 202
4.4.2 上位機組態軟件的功能需求 204
4.4.3 組態軟件的總體結構及其相似性 205
4.4.4 組態軟件的功能部件 206
4.4.5 組態軟件技術特色 212
4.5 主要的組態軟件介紹 213
4.5.1 組態軟件產品概述 213
4.5.2 施耐德的InTouch組態軟件 214
4.5.3 西門子的SIMATIC WinCC和WinCC OA 216
4.5.4 亞控科技組態王軟件 218
4.6 用組態軟件開發SCADA系統上位機人機界面 220
4.6.1 組態軟件選型 220
4.6.2 組態軟件設計SCADA人機界面的原則與步驟 221
4.6.3 SCADA系統人機界面的調試 225
4.7 組態王軟件開發人機界面實例分析 226
4.7.1 設備添加與構建數據詞典 226
4.7.2 圖形界面設計 228
4.7.3 趨勢曲線功能設計 235
4.7.4 報警和事件等功能設計 236
4.7.5 報表功能 238
4.7.6 系統配置 238
4.7.7 運行和調試 240
第5章 經典OPC與OPC UA標準及其應用 242
5.1 經典OPC標準概述 242
5.1.1 OPC的開發背景和歷史 242
5.1.2 工業控制系統採用OPC標準的好處 244
5.2 經典OPC接口與數據訪問方法 245
5.2.1 OPC分層模型結構 245
5.2.2 OPC接口 247
5.2.3 OPC數據訪問方法 247
5.2.4 OPC DA服務器使用示例 250
5.3 OPC UA標準及其應用 253
5.3.1 OPC UA標準提出的背景及其特點 253
5.3.2 OPC UA標準主要內容 255
5.3.3 OPC UA應用示例 259
5.3.4 S7-1500控制器OPC UA服務器的配置與測試 264
5.4 基於經典OPC通信的CSTR過程工業控制系統數字化模擬 267
5.4.1 CSTR及其數學模型 267
5.4.2 數字化模擬系統方案 269
5.4.3 數字化模擬系統開發 273
第6章 安全儀表系統與工業控制系統信息安全 278
6.1 功能安全基礎 278
6.1.1 功能安全相關的基本概念與標準 278
6.1.2 風險評估與風險降低 279
6.1.3 安全完整性等級 282
6.1.4 安全生命周期 283
6.2 安全儀表系統 285
6.2.1 安全儀表系統基礎 285
6.2.2 安全儀表產品 290
6.2.3 安全儀表系統與常規控制系統 292
6.3 安全儀表系統設計與應用 293
6.3.1 安全儀表系統設計原則 293
6.3.2 安全儀表系統設計步驟 294
6.3.3 安全儀表系統工程應用案例 295
6.4 工業控制系統信息安全 298
6.4.1 信息安全 298
6.4.2 工業控制系統信息安全概述 299
6.4.3 工業控制系統信息安全與傳統IT系統信息安全比較 301
6.4.4 工業控制系統體系結構及其脆弱性分析 303
6.4.5 工業控制系統的信息安全標準 306
6.5 工業控制系統安全防護 307
6.5.1 工業控制系統典型結構及其安全防護技術 307
6.5.2 主要自動化公司的信息安全解決方案 312
第7章 SCADA系統設計與開發 319
7.1 SCADA系統設計概述 319
7.2 SCADA系統設計原則 319
7.3 SCADA系統設計與開發步驟 321
7.3.1 SCADA系統需求分析與總體設計 322
7.3.2 SCADA系統類型確定與設備選型 324
7.3.3 SCADA系統應用軟件開發 326
7.4 SCADA系統調試與運行 329
7.4.1 離線模擬調試 329
7.4.2 工廠驗收、現場驗收、現場綜合測試與驗收 330
7.5 SCADA系統可靠性設計 331
7.5.1 供電抗乾擾措施 331
7.5.2 接地抗乾擾措施 332
7.5.3 軟件抗乾擾措施 334
7.5.4 空間抗乾擾措施 335
第8章 SCADA系統應用案例分析 336
8.1 引言 336
8.2 大型污水處理廠SCADA系統案例 337
8.2.1 污水處理工藝與主要處理單元及設備 337
8.2.2 污水處理廠工業控制系統總體設計 338
8.2.3 污水處理工業控制系統程序設計 342
8.2.4 系統調試與運行 347
8.3 基於MOX公司自動化產品的企業能源集控SCADA系統 350
8.3.1 MOX公司的SCADA解決方案 350
8.3.2 某企業能源集控調度SCADA系統 351
8.3.3 能源集控調度系統投運 359
8.4 原油長距離輸送管線SCADA系統設計與開發 362
8.4.1 案例概述 362
8.4.2 OPTO 22 SCADA系統解決方案 362
8.4.3 原油輸送管線SCADA系統設計與開發 363
8.5 冶金企業電力調度自動化系統的設計與開發 367
8.5.1 案例概述 367
8.5.2 電力調度自動化系統網絡結構與功能設計 368
8.5.3 電力調度自動化系統軟件功能設計 372
8.5.4 電力調度自動化系統軟件開發與系統配置 374
8.5.5 電力調度自動化系統投運 386
參考文獻 389