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本书内容丰富、系统，完美结合项目实践。写作难度大，只有实力派作者才能驾驭，值得学习参考。

内容简介

本书系统地介绍了一类主要的工业控制系统——监督控制与数据采集（SCADA）系统的组成和特点，对SCADA系统设计与开发中的关键技术，包括OPC规范、I／O接口与数据采集、IEC61131-3编程语言标准、工业控制组态软件、通信与网络技术、控制系统功能安全与信息安全，以及SCADA系统集成等做了详实的介绍，并通过对实际应用案例的剖析来加深读者对内容的理解，帮助掌握SCADA系统的设计、开发与应用维护技能。此外，对SCADA系统开发中的一些典型软、硬件产品及其使用也做了介绍。本书侧重于SCADA系统应用与开发中的关键与主流技术和系统集成及其应用，注重实用性与新颖性。

作者简介

王华忠，博士，华东理工大学教授。具备丰富的工业控制系统设计与实践经验，编著有多本相关科技图书，曾指导学生两次获得全国大学生自动化系统应用大赛全国一等奖。

目　　录

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

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

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前　　言

前言
典型的工业控制系统包括集散控制系统（DCS）和监控与数据采集系统（SCADA）。SCADA是英文“Supervisory Control And Data Acquisition”的简称，翻译成中文就是“监督控制与数据采集”，有些文献也称为“监视控制与数据采集”。一般来讲，SCADA系统特指分布式计算机测控系统，主要用于测控点十分分散、分布范围广泛的生产过程或设备的监控，在通常情况下，测控现场是无人或少人值班，如城市排水泵站远程监控系统、城市煤气管网远程监控、电力行业调度自动化等。SCADA系统在硬件上不如DCS或FCS等系统紧凑和专用，但其系统更加开放和多样，组成更加灵活。SCADA系统在控制层面上至少具有两层结构及连接两个控制层的通信网络，这两层结构是处于测控现场的数据采集与控制终端设备（通常称作下位机——Slaver Computer）和位于中控室的集中监视、管理及远程监控计算机（上位机——Master Computer）。

前    言 典型的工业控制系统包括集散控制系统（DCS）和监控与数据采集系统（SCADA）。SCADA是英文“Supervisory Control And Data Acquisition”的简称，翻译成中文就是“监督控制与数据采集”，有些文献也称为“监视控制与数据采集”。一般来讲，SCADA系统特指分布式计算机测控系统，主要用于测控点十分分散、分布范围广泛的生产过程或设备的监控，在通常情况下，测控现场是无人或少人值班，如城市排水泵站远程监控系统、城市煤气管网远程监控、电力行业调度自动化等。SCADA系统在硬件上不如DCS或FCS等系统紧凑和专用，但其系统更加开放和多样，组成更加灵活。SCADA系统在控制层面上至少具有两层结构及连接两个控制层的通信网络，这两层结构是处于测控现场的数据采集与控制终端设备（通常称作下位机——Slaver Computer）和位于中控室的集中监视、管理及远程监控计算机（上位机——Master Computer）。 由于SCADA系统的应用领域极其广泛，而不同应用领域的特点和监控要求又导致SCADA系统解决方案的多样性和行业应用特征属性，从而导致对SCADA系统的认识有所不同。但不论在哪个领域应用，用户对SCADA系统的功能要求是一致的。从其名称可以看出，它包含两个层次的基本功能：数据采集和监督控制。因而，SCADA系统在系统结构、功能、开发工具等方面是有许多共性的，本书正是针对性地介绍SCADA系统中的这些共性内容，特别是近些年来控制领域出现的一些新的技术和规范。 《工业控制系统及应用——SCADA系统篇》共有9章，各章主要内容介绍如下。 第1章是SCADA系统概述，主要介绍什么是SCADA系统，系统组成、功能、特点及其应用，对SCADA系统与DCS和PLC也进行了比较，对控制系统功能安全与信息安全做了概述性介绍。 第2章是数据通信与网络技术，主要介绍SCADA系统中常用的通信手段和技术，由于SCADA系统广泛用于测控点较为分散、测控设备分布范围广的领域，因此，实现通信的手段和技术很多，涵盖了目前主流的有线与无线通信。 第3章是I／O接口与数据采集技术，主要介绍了数据采集中有关输入／输出接口知识、SCADA系统中常用的数据采集方法与编程、基于Internet的数据采集等。 第4章是工业控制编程语言标准IEC61131-3及基于PC的控制技术，主要介绍了该标准的产生、特点、基本内容，特别是对公共元素和编程语言做了比较系统的介绍，最后还介绍了几种支持该标准的软件产品。由于基于PC的控制技术普通采用IEC61131-3标准的编程语言，因此，在本章也对这种控制技术做了介绍。 第5章是工业控制组态软件，主要介绍组态软件的产生和发展历史、组态软件的主要功能和组成、主流的组态软件产品及嵌入式组态软件技术，对采用组态软件开发SCADA系统人机界面也做了详细介绍。 第6章是工业控制数据交换标准——OPC规范，主要介绍OPC规范的产生、特点、主要内容、OPC的体系结构和OPC服务器与客户程序开发及应用，对OPC UA规范也做了介绍，最后给出了OPC规范在工控系统模拟仿真中的应用案例。 第7章是工业控制系统功能安全与信息安全，除了介绍经典的功能安全特别是安全仪表系统的内容外，还重点介绍了近年来受到极大重视的工控系统信息安全，对其产生的根源、工控系统脆弱性、工控系统安全防护技术等做了详细分析。 第8章是SCADA系统设计与开发，主要介绍SCADA系统开发的原则、步骤、控制策略与PID算法、调试与运行、可靠性设计及抗干扰措施等。 第9章是SCADA系统应用案例分析，介绍了几个富有特色的应用案例。 这9章内容中，第1章内容是SCADA系统概述，第3、4章与SCADA系统下位机关系比较紧密，而第5章与上位机关系紧密，第2、6章属于SCADA系统中的上、下位机通信内容，第7章属于SCADA系统安全相关的内容，这些内容都是属于SCADA系统开发中的关键技术。第8章是关于SCADA系统集成技术；而第9章是案例分析，综合利用了前8章的内容。除了第9章外，在第2章～第7章也都有相应的实例。 本书作者长期从事工业控制系统、工控信息安全相关的教学、科研与工程实践，结合作者在实践中的经验、体会，以及SCADA系统相关技术的发展和大量相关的技术文献，编写了本书。 本书由华东理工大学信息学院王华忠和中国信息安全测评中心陈冬青编著。作者感谢两个单位和同事的支持。感谢北京亚控科技、美国OPTO 22、研华科技、上海宝昌自动化等公司提供的技术资料。在编写过程中还参考了许多线上和线下资料，在此也向有关作者表示感谢。 为便于教学，凡采用本书作为教材的，作者免费提供电子教案，可在华信教育资源网（<a href="http://www.hxedu.com.cn">www.hxedu.com.cn</a>）查找本书下载。 由于时间和作者的水平所限，本书疏漏在所难免，恳请读者提出批评建议，以便进一步修订。同时欢迎大家交流讨论，作者的E-mail是<a href="mailto:hzwang@ecust.edu.cn">hzwang@ecust.edu.cn</a>。
 编著者        2016年10月

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