本书系统地介绍了一类主要的工业控制系统——监督控制与数据採集（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规範、I/O接口与数据採集、IEC61131-3程式语言标準、工业控制组态软体、通信与网路技术、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，并通过对实际套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、开发与套用维护技能。此外，对SCADA系统开发中的一些典型软、硬体产品及其使用也做了介绍。 本书侧重于SCADA系统套用与开发中的关键与主流技术和系统集成及其套用，注重实用性与新颖性。

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 通信网路 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/伺服器结构 11

1.3.2 浏览器/伺服器结构 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系统的套用 20

1.5.1 SCADA系统套用效果 20

1.5.2 SCADA系统在电力系统中的套用 20

1.5.3 SCADA系统在高铁防灾系统中的套用 21

1.5.4 SCADA系统在楼宇自动化中的套用 21

1.5.5 SCADA系统在油气长距离输送中的套用 23

1.5.6 SCADA系统在其他领域的套用 25

第2章 数据通信与网路技术 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 通用串列通信 32

2.3.1 串列通信参数 33

2.3.2 流量控制 34

2.3.3 RS-232C接口特性与串列通信 35

2.3.4 RS-422与RS-485串列接口 37

2.3.5 RS-485网路的主从式通信 38

2.3.6 串口伺服器 41

2.4 MODBUS通信协定 46

2.4.1 Modbus 协定概述 46

2.4.2 常用Modbus 协定 47

2.5 现场汇流排技术 49

2.5.1 现场汇流排的体系结构与特点 49

2.5.2 几种有影响的现场汇流排 50

2.6 SCADA系统中的网路技术 54

2.6.1 通信网路概述 54

2.6.2 计算机网路拓扑结构与分类 54

2.6.3 网路传输介质 57

2.6.4 网路体系结构与参考模型 62

2.7 TCP/IP协定 64

2.7.1 TCP协定 65

2.7.2 UDP协定 67

2.7.3 网路层IP协定 69

2.8 工业乙太网 71

2.8.1 乙太网技术 71

2.8.2 介质访问控制方式 74

2.8.3 工业乙太网概述 76

2.8.4 几种典型工业乙太网 79

第3章 I/O接口与数据採集技术 86

3.1 SCADA系统I/O接口概述 86

3.2 I/O接口模组 87

3.2.1 数字量模组 87

3.2.2 模拟量模组 90

3.3 基于PC的数据採集技术 91

3.3.1 常用的数据採集方法 91

3.3.2 数据採集中的I/O控制方式 92

3.4 基于PC的数据採集系统编程 95

3.4.1 基于DLL的数据採集 96

3.4.2 基于ActiveX的数据採集程式设计 98

3.4.3 PC汇流排I/O板卡设备数据採集编程 100

3.5 PLC在数据採集系统中的套用 104

3.5.1 集成PLC与数据採集模组的模拟量数据採集编程 104

3.5.2 用PLC与智慧型仪表配合进行数据採集编程 106

3.5.3 用PLC进行数据採集编程 109

3.6 基于虚拟仪器的数据採集技术 113

3.6.1 虚拟仪器技术 113

3.6.2 虚拟仪器软体开发平台 114

3.7 基于WEB的远程数据採集与监控 120

3.7.1 基于Web的远程数据採集与监控 121

3.7.2 利用组态软体实现数据的远程访问 122

第4章 工业控制程式语言标準及基于PC的控制技术 125

4.1 IEC 61131-3标準的产生与特点 125

4.1.1 传统的PLC程式语言的不足 125

4.1.2 IEC 61131-3标準的产生 126

4.1.3 IEC 61131-3标準的特点 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 变数 139

4.3 程式组织单元 145

4.3.1 程式组织单元及其组成 145

4.3.2 功能 147

4.3.3 功能块 148

4.3.4 程式 150

4.4 软体、通信和功能模型 150

4.4.1 软体模型 150

4.4.2 通信模型 153

4.5 IEC 61131-3标準的5种程式语言 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标準的编程软体 160

4.6.1 MULTIPROG 161

4.6.2 OpenPCS 163

4.6.3 CoDesys 164

4.7 基于PC（PC-BASED）的控制技术及套用 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在真空製盐过程控制中的套用 170

4.8.1 真空製盐工艺过程与控制要求 170

4.8.2 真空製盐控制系统总体设计 170

4.8.3 真空製盐过程PID控制方案及其实现 171

第5章 工业控制组态软体 175

5.1 人机界面 175

5.2 组态软体的产生及发展 176

5.3 组态软体的功能需求 177

5.4 组态软体系统构成与技术特色 178

5.4.1 组态软体的总体结构及其相似性 178

5.4.2 组态软体的功能部件 180

5.4.3 组态软体技术特色 186

5.5 主要的组态软体介绍 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 组态软体的局限及功能扩展 199

5.6.1 组态软体的功能局限性 199

5.6.2 用DDE扩展组态软体功能 200

5.7 用组态软体开发SCADA系统上位机人机界面 203

5.7.1 组态软体选型 203

5.7.2 用组态软体设计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準 —OPC规範 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/伺服器数据交换模型 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规範 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批量伺服器 224

6.6 OPC伺服器与客户程式设计 224

6.6.1 OPC伺服器设计 224

6.6.2 OPC客户程式设计 226

6.6.3 OPC软体工具包 227

6.6.4 互操作性测试 227

6.7 OPC UA规範 227

6.7.1 OPC UA规範提出的背景 227

6.7.2 OPC UA规範内容 230

6.8 OPC规範在TE过程模拟仿真与控制中的套用 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规範的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套用 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 安全仪表系统工程套用案例 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準 277

7.4.1 国际标準和指南 277

7.4.2 我国国家和行业标準 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系统套用软体开发 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 线上调试和运行 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 软体抗干扰措施 308

8.6.4 空间抗干扰措施 310

第9章 SCADA系统套用案例分析 311

9.1 污染源线上监控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系统主要硬体设备选型 320

9.2.4 污水处理厂SCADA系统下位机PLC站控制软体开发 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系统上位机软体开发 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 油田中心控制室软体描述 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