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目 錄

第1章 SCADA系統(tǒng)概述 1

1.1 SCADA系統(tǒng)概念 1

1.2 SCADA系統(tǒng)組成 3

1.2.1 下位機(jī)系統(tǒng) 4

1.2.2 上位機(jī)系統(tǒng)(監(jiān)控中心) 7

1.2.3 通信網(wǎng)絡(luò) 9

1.2.4 檢測(cè)和執(zhí)行設(shè)備 9

1.3 SCADA系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu) 10

1.3.1 客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu) 11

1.3.2 瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu) 11

1.3.3 兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較 12

1.4 典型工業(yè)控制系統(tǒng)及其比較 13

1.4.1 工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)特性及其控制系統(tǒng)特點(diǎn) 13

1.4.2 幾種典型工業(yè)控制系統(tǒng) 14

1.4.3 DCS與SCADA系統(tǒng)比較 17

1.5 SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用 20

1.5.1 SCADA系統(tǒng)應(yīng)用效果 20

1.5.2 SCADA系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 20

1.5.3 SCADA系統(tǒng)在高鐵防災(zāi)系統(tǒng)中的應(yīng)用 21

1.5.4 SCADA系統(tǒng)在樓宇自動(dòng)化中的應(yīng)用 21

1.5.5 SCADA系統(tǒng)在油氣長(zhǎng)距離輸送中的應(yīng)用 23

1.5.6 SCADA系統(tǒng)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用 25

第2章 數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 26

2.1 SCADA系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通信 26

2.2 數(shù)據(jù)通信概述 27

2.2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)組成 27

2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸讉€(gè)基本概念 28

2.2.3 差錯(cuò)控制 30

2.3 通用串行通信 32

2.3.1 串行通信參數(shù) 33

2.3.2 流量控制 34

2.3.3 RS-232C接口特性與串行通信 35

2.3.4 RS-422與RS-485串行接口 37

2.3.5 RS-485網(wǎng)絡(luò)的主從式通信 38

2.3.6 串口服務(wù)器 41

2.4 MODBUS通信協(xié)議 46

2.4.1 Modbus 協(xié)議概述 46

2.4.2 常用Modbus 協(xié)議 47

2.5 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) 49

2.5.1 現(xiàn)場(chǎng)總線的體系結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 49

2.5.2 幾種有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線 50

2.6 SCADA系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 54

2.6.1 通信網(wǎng)絡(luò)概述 54

2.6.2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與分類 54

2.6.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì) 57

2.6.4 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與參考模型 62

2.7 TCP/IP協(xié)議 64

2.7.1 TCP協(xié)議 65

2.7.2 UDP協(xié)議 67

2.7.3 網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議 69

2.8 工業(yè)以太網(wǎng) 71

2.8.1 以太網(wǎng)技術(shù) 71

2.8.2 介質(zhì)訪問控制方式 74

2.8.3 工業(yè)以太網(wǎng)概述 76

2.8.4 幾種典型工業(yè)以太網(wǎng) 79

第3章 I/O接口與數(shù)據(jù)采集技術(shù) 86

3.1 SCADA系統(tǒng)I/O接口概述 86

3.2 I/O接口模塊 87

3.2.1 數(shù)字量模塊 87

3.2.2 模擬量模塊 90

3.3 基于PC的數(shù)據(jù)采集技術(shù) 91

3.3.1 常用的數(shù)據(jù)采集方法 91

3.3.2 數(shù)據(jù)采集中的I/O控制方式 92

3.4 基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)編程 95

3.4.1 基于DLL的數(shù)據(jù)采集 96

3.4.2 基于ActiveX的數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì) 98

3.4.3 PC總線I/O板卡設(shè)備數(shù)據(jù)采集編程 100

3.5 PLC在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用 104

3.5.1 集成PLC與數(shù)據(jù)采集模塊的模擬量數(shù)據(jù)采集編程 104

3.5.2 用PLC與智能儀表配合進(jìn)行數(shù)據(jù)采集編程 106

3.5.3 用PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集編程 109

3.6 基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集技術(shù) 113

3.6.1 虛擬儀器技術(shù) 113

3.6.2 虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái) 114

3.7 基于WEB的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控 120

3.7.1 基于Web的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控 121

3.7.2 利用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問 122

第4章 工業(yè)控制編程語言標(biāo)準(zhǔn)及基于PC的控制技術(shù) 125

4.1 IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生與特點(diǎn) 125

4.1.1 傳統(tǒng)的PLC編程語言的不足 125

4.1.2 IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生 126

4.1.3 IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn) 128

4.2 IEC 61131-3的基本內(nèi)容 130

4.2.1 語言元素 130

4.2.2 數(shù)據(jù)類型 136

4.2.3 變量 139

4.3 程序組織單元 145

4.3.1 程序組織單元及其組成 145

4.3.2 功能 147

4.3.3 功能塊 148

4.3.4 程序 150

4.4 軟件、通信和功能模型 150

4.4.1 軟件模型 150

4.4.2 通信模型 153

4.5 IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的5種編程語言 155

4.5.1 順序功能圖 155

4.5.2 梯形圖語言 156

4.5.3 功能塊圖 157

4.5.4 結(jié)構(gòu)化文本語言 158

4.5.5 指令表語言 159

4.6 基于IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的編程軟件 160

4.6.1 MULTIPROG 161

4.6.2 OpenPCS 163

4.6.3 CoDesys 164

4.7 基于PC(PC-BASED)的控制技術(shù)及應(yīng)用 164

4.7.1 基于PC的控制技術(shù)產(chǎn)生 164

4.7.2 基于PC的控制技術(shù)的發(fā)展 165

4.8 PAC在真空制鹽過程控制中的應(yīng)用 170

4.8.1 真空制鹽工藝過程與控制要求 170

4.8.2 真空制鹽控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 170

4.8.3 真空制鹽過程PID控制方案及其實(shí)現(xiàn) 171

第5章 工業(yè)控制組態(tài)軟件 175

5.1 人機(jī)界面 175

5.2 組態(tài)軟件的產(chǎn)生及發(fā)展 176

5.3 組態(tài)軟件的功能需求 177

5.4 組態(tài)軟件系統(tǒng)構(gòu)成與技術(shù)特色 178

5.4.1 組態(tài)軟件的總體結(jié)構(gòu)及其相似性 178

5.4.2 組態(tài)軟件的功能部件 180

5.4.3 組態(tài)軟件技術(shù)特色 186

5.5 主要的組態(tài)軟件介紹 187

5.5.1 iFIX 187

5.5.2 InTouch 189

5.5.3 WinCC 191

5.5.4 羅克韋爾FactoryTalk View Studio 193

5.5.5 組態(tài)王 194

5.5.6 WebAccess 196

5.6 組態(tài)軟件的局限及功能擴(kuò)展 199

5.6.1 組態(tài)軟件的功能局限性 199

5.6.2 用DDE擴(kuò)展組態(tài)軟件功能 200

5.7 用組態(tài)軟件開發(fā)SCADA系統(tǒng)上位機(jī)人機(jī)界面 203

5.7.1 組態(tài)軟件選型 203

5.7.2 用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)SCADA人機(jī)界面 205

5.7.3 SCADA系統(tǒng)中數(shù)據(jù)報(bào)表開發(fā) 208

5.7.4 SCADA系統(tǒng)人機(jī)界面的調(diào)試 209

第6章 工業(yè)控制實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn) —OPC規(guī)范 210

6.1 OPC的開發(fā)背景和歷史 210

6.2 OPC的關(guān)鍵技術(shù)與體系結(jié)構(gòu) 212

6.2.1 COM與DCOM技術(shù) 212

6.2.2 COM主要特性 214

6.2.3 基于OPC的客戶機(jī)/服務(wù)器數(shù)據(jù)交換模型 215

6.3 OPC分層模型結(jié)構(gòu)與對(duì)象接口 216

6.3.1 OPC分層模型結(jié)構(gòu) 216

6.3.2 OPC對(duì)象接口 217

6.4 OPC接口與數(shù)據(jù)訪問方法 220

6.4.1 OPC接口 220

6.4.2 OPC數(shù)據(jù)訪問方法 221

6.5 其他OPC規(guī)范 223

6.5.1 OPC報(bào)警與事件 223

6.5.2 OPC歷史數(shù)據(jù)存取 224

6.5.3 OPC批量服務(wù)器 224

6.6 OPC服務(wù)器與客戶程序設(shè)計(jì) 224

6.6.1 OPC服務(wù)器設(shè)計(jì) 224

6.6.2 OPC客戶程序設(shè)計(jì) 226

6.6.3 OPC軟件工具包 227

6.6.4 互操作性測(cè)試 227

6.7 OPC UA規(guī)范 227

6.7.1 OPC UA規(guī)范提出的背景 227

6.7.2 OPC UA規(guī)范內(nèi)容 230

6.8 OPC規(guī)范在TE過程模擬仿真與控制中的應(yīng)用 234

6.8.1 TE過程模擬仿真與控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 234

6.8.2 基于OPC規(guī)范的TE過程模擬仿真與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 238

第7章 工業(yè)控制系統(tǒng)功能安全與信息安全 246

7.1 功能安全與安全儀表系統(tǒng) 246

7.1.1 功能安全相關(guān)知識(shí) 246

7.1.2 安全儀表系統(tǒng) 250

7.1.3 安全生命周期 257

7.1.4 安全儀表產(chǎn)品類型 259

7.1.5 安全儀表系統(tǒng)與常規(guī)控制系統(tǒng)的不同 261

7.2 安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 262

7.2.1 安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 262

7.2.2 安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟 263

7.2.3 安全儀表系統(tǒng)工程應(yīng)用案例 264

7.3 工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全 268

7.3.1 信息安全 268

7.3.2 工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全概述 270

7.3.3 工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全與IT系統(tǒng)信息安全比較 272

7.3.4 工業(yè)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及其脆弱性分析 274

7.4 工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全標(biāo)準(zhǔn) 277

7.4.1 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和指南 277

7.4.2 我國(guó)國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 280

7.5 工業(yè)控制系統(tǒng)安全防護(hù) 280

7.5.1 工業(yè)控制系統(tǒng)信息防護(hù)措施 280

7.5.2 工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全防護(hù)典型解決方案 282

第8章 SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā) 286

8.1 SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述 286

8.2 SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 286

8.3 SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)步驟 288

8.3.1 SCADA系統(tǒng)需求分析與總體設(shè)計(jì) 288

8.3.2 SCADA系統(tǒng)類型確定與設(shè)備選型 291

8.3.3 SCADA系統(tǒng)應(yīng)用軟件開發(fā) 293

8.4 控制策略與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控制器參數(shù)整定 301

8.5 SCADA系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行 303

8.5.1 離線仿真調(diào)試 303

8.5.2 在線調(diào)試和運(yùn)行 305

8.6 SCADA系統(tǒng)性設(shè)計(jì) 305

8.6.1 供電抗干擾措施 305

8.6.2 接地抗干擾措施 306

8.6.3 軟件抗干擾措施 308

8.6.4 空間抗干擾措施 310

第9章 SCADA系統(tǒng)應(yīng)用案例分析 311

9.1 污染源在線監(jiān)控SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 312

9.1.1 概述 312

9.1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 312

9.1.3 系統(tǒng)配置及功能 314

9.2 污水處理廠SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā) 316

9.2.1 概述 316

9.2.2 污水處理廠SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能 317

9.2.3 污水廠SCADA系統(tǒng)主要硬件設(shè)備選型 320

9.2.4 污水處理廠SCADA系統(tǒng)下位機(jī)PLC站控制軟件開發(fā) 324

9.2.5 基于OPC技術(shù)的上、下位機(jī)通信系統(tǒng)開發(fā) 335

9.2.6 污水處理廠SCADA系統(tǒng)上位機(jī)軟件開發(fā) 337

9.2.7 系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行 340

9.3 油田抽油機(jī)SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā) 341

9.3.1 油田抽油機(jī)SCADA系統(tǒng)組成 341

9.3.2 油田中心控制室軟件描述 342

9.3.3 抽油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制器 345

9.3.4 油井自動(dòng)計(jì)量控制器 348

9.4 原油輸送管線SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā) 349

9.4.1 概述 349

9.4.2 OPTO 22 SCADA系統(tǒng)解決方案 350

9.4.3 原油輸送管線SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā) 353

參考文獻(xiàn) 359