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 MULTIPROG 161
4.6.2 OpenPCS 163
4.6.3 CoDesys 164
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 iFIX 187
5.5.2 InTouch 189
5.5.3 WinCC 191
5.5.4 罗克韦尔FactoryTalk View Studio 193
5.5.5 组态王 194
5.5.6 WebAccess 196
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