工业控制系统及应用：SCADA系统篇

目 录
第1章 SCADA系统概述1
1.1 SCADA系统概念1
1.2 SCADA系统组成3
1.2.1 下位机系统4
1.2.2 上位机系统（监控中心）7
1.2.3 通信网络9
1.2.4 检测和执行设备9
1.3 SCADA系统典型结构10
1.3.1 客户机／服务器结构11
1.3.2 浏览器／服务器结构11
1.3.3 两种系统结构比较12
1.4 典型工业控制系统及其比较13
1.4.1 工业生产行业特性及其控制系统特点13
1.4.2 几种典型工业控制系统14
1.4.3 DCS与SCADA系统比较17
1.5 SCADA系统的应用20
1.5.1 SCADA系统应用效果20
1.5.2 SCADA系统在电力系统中的应用20
1.5.3 SCADA系统在高铁防灾系统中的应用21
1.5.4 SCADA系统在楼宇自动化中的应用21
1.5.5 SCADA系统在油气长距离输送中的应用23
1.5.6 SCADA系统在其他领域的应用25
第2章 数据通信与网络技术26
2.1 SCADA系统中的数据通信26
2.2 数据通信概述27
2.2.1 数据通信系统组成27
2.2.2 数据传输的几个基本概念28
2.2.3 差错控制30
2.3 通用串行通信32
2.3.1 串行通信参数33
2.3.2 流量控制34
2.3.3 RS-232C接口特性与串行通信35
2.3.4 RS-422与RS-485串行接口37
2.3.5 RS-485网络的主从式通信38
2.3.6 串口服务器41
2.4 MODBUS通信协议46
2.4.1 Modbus 协议概述46
2.4.2 常用Modbus 协议47
2.5 现场总线技术49
2.5.1 现场总线的体系结构与特点49
2.5.2 几种有影响的现场总线50
2.6 SCADA系统中的网络技术54
2.6.1 通信网络概述54
2.6.2 计算机网络拓扑结构与分类54
2.6.3 网络传输介质57
2.6.4 网络体系结构与参考模型62
2.7 TCP／IP协议64
2.7.1 TCP协议65
2.7.2 UDP协议67
2.7.3 网络层IP协议69
2.8 工业以太网71
2.8.1 以太网技术71
2.8.2 介质访问控制方式74
2.8.3 工业以太网概述76
2.8.4 几种典型工业以太网79
第3章 I／O接口与数据采集技术86
3.1 SCADA系统I／O接口概述86
3.2 I／O接口模块87
3.2.1 数字量模块87
3.2.2 模拟量模块90
3.3 基于PC的数据采集技术91
3.3.1 常用的数据采集方法91
3.3.2 数据采集中的I／O控制方式92
3.4 基于PC的数据采集系统编程95
3.4.1 基于DLL的数据采集96
3.4.2 基于ActiveX的数据采集程序设计98
3.4.3 PC总线I／O板卡设备数据采集编程100
3.5 PLC在数据采集系统中的应用104
3.5.1 集成PLC与数据采集模块的模拟量数据采集编程104
3.5.2 用PLC与智能仪表配合进行数据采集编程106
3.5.3 用PLC进行数据采集编程109
3.6 基于虚拟仪器的数据采集技术113
3.6.1 虚拟仪器技术113
3.6.2 虚拟仪器软件开发平台114
3.7 基于WEB的远程数据采集与监控120
3.7.1 基于Web的远程数据采集与监控121
3.7.2 利用组态软件实现数据的远程访问122
第4章 工业控制编程语言标准及基于PC的控制技术125
4.1 IEC 61131-3标准的产生与特点125
4.1.1 传统的PLC编程语言的不足125
4.1.2 IEC 61131-3标准的产生126
4.1.3 IEC 61131-3标准的特点128
4.2 IEC 61131-3的基本内容130
4.2.1 语言元素130
4.2.2 数据类型136
4.2.3 变量139
4.3 程序组织单元145
4.3.1 程序组织单元及其组成145
4.3.2 功能147
4.3.3 功能块148
4.3.4 程序150
4.4 软件、通信和功能模型150
4.4.1 软件模型150
4.4.2 通信模型153
4.5 IEC 61131-3标准的5种编程语言155
4.5.1 顺序功能图155
4.5.2 梯形图语言156
4.5.3 功能块图157
4.5.4 结构化文本语言158
4.5.5 指令表语言159
4.6 基于IEC 61131-3标准的编程软件160
4.6.1 MULTIPROG161
4.6.2 OpenPCS163
4.6.3 CoDesys164
4.7 基于PC（PC-BASED）的控制技术及应用164
4.7.1 基于PC的控制技术产生164
4.7.2 基于PC的控制技术的发展165
4.8 PAC在真空制盐过程控制中的应用170
4.8.1 真空制盐工艺过程与控制要求170
4.8.2 真空制盐控制系统总体设计170
4.8.3 真空制盐过程PID控制方案及其实现171
第5章 工业控制组态软件175
5.1 人机界面175
5.2 组态软件的产生及发展176
5.3 组态软件的功能需求177
5.4 组态软件系统构成与技术特色178
5.4.1 组态软件的总体结构及其相似性178
5.4.2 组态软件的功能部件180
5.4.3 组态软件技术特色186
5.5 主要的组态软件介绍187
5.5.1 iFIX187
5.5.2 InTouch189
5.5.3 WinCC191
5.5.4 罗克韦尔FactoryTalk View Studio193
5.5.5 组态王194
5.5.6 WebAccess196
5.6 组态软件的局限及功能扩展199
5.6.1 组态软件的功能局限性199
5.6.2 用DDE扩展组态软件功能200
5.7 用组态软件开发SCADA系统上位机人机界面203
5.7.1 组态软件选型203
5.7.2 用组态软件设计SCADA人机界面205
5.7.3 SCADA系统中数据报表开发208
5.7.4 SCADA系统人机界面的调试209
第6章 工业控制实时数据交换标准 —OPC规范210
6.1 OPC的开发背景和历史210
6.2 OPC的关键技术与体系结构212
6.2.1 COM与DCOM技术212
6.2.2 COM主要特性214
6.2.3 基于OPC的客户机／服务器数据交换模型215
6.3 OPC分层模型结构与对象接口216
6.3.1 OPC分层模型结构216
6.3.2 OPC对象接口217
6.4 OPC接口与数据访问方法220
6.4.1 OPC接口220
6.4.2 OPC数据访问方法221
6.5 其他OPC规范223
6.5.1 OPC报警与事件223
6.5.2 OPC历史数据存取224
6.5.3 OPC批量服务器224
6.6 OPC服务器与客户程序设计224
6.6.1 OPC服务器设计224
6.6.2 OPC客户程序设计226
6.6.3 OPC软件工具包227
6.6.4 互操作性测试227
6.7 OPC UA规范227
6.7.1 OPC UA规范提出的背景227
6.7.2 OPC UA规范内容230
6.8 OPC规范在TE过程模拟仿真与控制中的应用234
6.8.1 TE过程模拟仿真与控制系统总体结构234
6.8.2 基于OPC规范的TE过程模拟仿真与控制系统实现238
第7章 工业控制系统功能安全与信息安全246
7.1 功能安全与安全仪表系统246
7.1.1 功能安全相关知识246
7.1.2 安全仪表系统250
7.1.3 安全生命周期257
7.1.4 安全仪表产品类型259
7.1.5 安全仪表系统与常规控制系统的不同261
7.2 安全仪表系统设计与应用262
7.2.1 安全仪表系统设计原则262
7.2.2 安全仪表系统设计步骤263
7.2.3 安全仪表系统工程应用案例264
7.3 工业控制系统信息安全268
7.3.1 信息安全268
7.3.2 工业控制系统信息安全概述270
7.3.3 工业控制系统信息安全与IT系统信息安全比较272
7.3.4 工业控制系统体系结构及其脆弱性分析274
7.4 工业控制系统信息安全标准277
7.4.1 国际标准和指南277
7.4.2 我国国家和行业标准280
7.5 工业控制系统安全防护280
7.5.1 工业控制系统信息防护措施280
7.5.2 工业控制系统信息安全防护典型解决方案282
第8章 SCADA系统设计与开发286
8.1 SCADA系统设计概述286
8.2 SCADA系统设计原则286
8.3 SCADA系统设计与开发步骤288
8.3.1 SCADA系统需求分析与总体设计288
8.3.2 SCADA系统类型确定与设备选型291
8.3.3 SCADA系统应用软件开发293
8.4 控制策略与PID算法296
8.4.1 PID控制算法297
8.4.2 PLC中的PID控制指令298
8.4.3 PID控制器参数整定301
8.5 SCADA系统调试与运行303
8.5.1 离线仿真调试303
8.5.2 在线调试和运行305
8.6 SCADA系统可靠性设计305
8.6.1 供电抗干扰措施305
8.6.2 接地抗干扰措施306
8.6.3 软件抗干扰措施308
8.6.4 空间抗干扰措施310
第9章 SCADA系统应用案例分析311
9.1 污染源在线监控SCADA系统设计与实现312
9.1.1 概述312
9.1.2 系统结构与特点312
9.1.3 系统配置及功能314
9.2 污水处理厂SCADA系统设计与开发316
9.2.1 概述316
9.2.2 污水处理厂SCADA系统结构与功能317
9.2.3 污水厂SCADA系统主要硬件设备选型320
9.2.4 污水处理厂SCADA系统下位机PLC站控制软件开发324
9.2.5 基于OPC技术的上、下位机通信系统开发335
9.2.6 污水处理厂SCADA系统上位机软件开发337
9.2.7 系统调试与运行340
9.3 油田抽油机SCADA系统设计与开发341
9.3.1 油田抽油机SCADA系统组成341
9.3.2 油田中心控制室软件描述342
9.3.3 抽油机现场控制器345
9.3.4 油井自动计量控制器348
9.4 原油输送管线SCADA系统设计与开发349
9.4.1 概述349
9.4.2 OPTO 22 SCADA系统解决方案350
9.4.3 原油输送管线SCADA系统设计与开发353
参考文献359