工業(yè)控制系統(tǒng)及應(yīng)用：SCADA系統(tǒng)篇（第2版）

目錄

第1章 工業(yè)控制系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)概述 1
1.1 工業(yè)生產(chǎn)中的工業(yè)控制系統(tǒng) 1
1.1.1 工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)分類及其對(duì)應(yīng)的工業(yè)控制系統(tǒng) 1
1.1.2 離散制造業(yè)控制系統(tǒng)與流程工業(yè)控制系統(tǒng) 3
1.1.3 典型工業(yè)控制系統(tǒng)與設(shè)備介紹 6
1.2 SCADA系統(tǒng)概述 11
1.2.1 SCADA系統(tǒng)及其典型特征 11
1.2.2 SCADA系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 13
1.2.3 兩類典型工業(yè)控制系統(tǒng)——SCADA系統(tǒng)與DCS的比較 14
1.2.4 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及其與SCADA系統(tǒng)的比較 18
1.3 SCADA系統(tǒng)組成與典型結(jié)構(gòu) 20
1.3.1 下位機(jī)系統(tǒng) 21
1.3.2 上位機(jī)系統(tǒng) 26
1.3.3 通信網(wǎng)絡(luò) 27
1.3.4 檢測(cè)儀表和執(zhí)行器 28
1.3.5 SCADA系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu) 29
1.4 SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用 31
1.4.1 SCADA系統(tǒng)在電力行業(yè)的應(yīng)用 31
1.4.2 SCADA系統(tǒng)在高鐵防災(zāi)系統(tǒng)中的應(yīng)用 32
1.4.3 SCADA系統(tǒng)在樓宇自動(dòng)化中的應(yīng)用 34
1.4.4 SCADA系統(tǒng)在油氣長(zhǎng)距離輸送中的應(yīng)用 35
1.4.5 SCADA系統(tǒng)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用 38
1.4.6 SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用效果 39
第2章 數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 40
2.1 數(shù)據(jù)通信概述 40
2.1.1 SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信 40
2.1.2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成 41
2.1.3 數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸讉€(gè)基本概念 42
2.1.4 數(shù)據(jù)通信中的差錯(cuò)控制 45
2.2 通用串行通信 46
2.2.1 串行通信參數(shù) 47
2.2.2 RS-232接口特性及其串行通信 47
2.2.3 RS-422串行通信與RS-485串行通信 49
2.2.4 串行通信應(yīng)用實(shí)例 51
2.3 Modbus通信協(xié)議 56
2.3.1 Modbus協(xié)議概述 56
2.3.2 常用Modbus協(xié)議及報(bào)文解析 57
2.3.3 Modbus通信仿真工具 61
2.4 SCADA系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 62
2.4.1 通信網(wǎng)絡(luò)概述 62
2.4.2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與分類 63
2.4.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì) 65
2.4.4 介質(zhì)訪問(wèn)控制方式 68
2.4.5 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與參考模型 70
2.4.6 SCADA等工業(yè)控制系統(tǒng)典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 74
2.5 TCP與UDP及其在SCADA系統(tǒng)中的應(yīng)用 77
2.5.1 TCP 77
2.5.2 UDP 81
2.5.3 基于TCP的Socket通信及其在SCADA數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用 82
2.5.4 SCADA系統(tǒng)中的TCP與UDP通信 85
2.6 現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng) 91
2.6.1 現(xiàn)場(chǎng)總線的體系結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 91
2.6.2 幾種典型的現(xiàn)場(chǎng)總線 92
2.6.3 工業(yè)以太網(wǎng) 94
2.6.4 工業(yè)網(wǎng)關(guān) 104
第3章 工業(yè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)與應(yīng)用 108
3.1 工業(yè)數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ) 108
3.1.1 工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)、I/O接口功能與分類 108
3.1.2 采樣定律與數(shù)據(jù)采集卡的性能指標(biāo) 110
3.1.3 SCADA系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集 113
3.1.4 常用的數(shù)據(jù)采集技術(shù) 115
3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的I/O接口模塊 117
3.2.1 數(shù)字量接口模塊 117
3.2.2 模擬量接口模塊 120
3.2.3 多功能接口模塊 123
3.3 基于PC的數(shù)據(jù)采集 124
3.3.1 數(shù)據(jù)采集中的I/O控制方式 124
3.3.2 基于PC的板卡類設(shè)備集中數(shù)據(jù)采集 126
3.3.3 基于OPC DA的分布式數(shù)據(jù)采集 130
3.3.4 基于PC的Modbus TCP網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)采集 135
3.4 PLC與數(shù)據(jù)采集設(shè)備串行通信協(xié)同數(shù)據(jù)采集 137
3.4.1 PLC與智能模塊協(xié)同數(shù)據(jù)采集技術(shù) 137
3.4.2 西門子S7-1200與研華ADAM-4117模塊協(xié)同數(shù)據(jù)采集 138
3.4.3 FX5UC與Modbus從站仿真軟件模擬數(shù)據(jù)采集 140
3.4.4 FX5UC與智能儀表協(xié)同數(shù)據(jù)采集 142
3.5 PLC與數(shù)據(jù)采集設(shè)備基于Modbus TCP協(xié)同數(shù)據(jù)采集 146
3.5.1 基于以太網(wǎng)的協(xié)同數(shù)據(jù)采集 146
3.5.2 FX5UC與研華ADAM-6017以太網(wǎng)模塊協(xié)同數(shù)據(jù)采集 147
3.5.3 S7-1200與研華ADAM-6024以太網(wǎng)模塊協(xié)同數(shù)據(jù)采集 151
3.6 基于物聯(lián)網(wǎng)MQTT通信的數(shù)據(jù)采集 155
3.6.1 物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議MQTT 155
3.6.2 MQTT在工業(yè)數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用 161
第4章 SCADA系統(tǒng)應(yīng)用軟件編程與組態(tài) 163
4.1 SCADA系統(tǒng)應(yīng)用軟件 163
4.1.1 下位機(jī)（控制器）應(yīng)用軟件 163
4.1.2 人機(jī)界面軟件 164
4.2 SCADA系統(tǒng)下位機(jī)編程規(guī)范IEC61131-3 165
4.2.1 傳統(tǒng)的控制器編程語(yǔ)言的不足 165
4.2.2 IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生與特點(diǎn) 166
4.2.3 IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的基本內(nèi)容 168
4.2.4 IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的程序組織單元 177
4.2.5 IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的軟件模型 181
4.3 IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)編程語(yǔ)言及應(yīng)用 183
4.3.1 IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)編程語(yǔ)言概述 183
4.3.2 梯形圖語(yǔ)言及其應(yīng)用 184
4.3.3 順序功能圖及其應(yīng)用 190
4.3.4 功能塊圖語(yǔ)言及其應(yīng)用 195
4.3.5 結(jié)構(gòu)化文本語(yǔ)言及其應(yīng)用 197
4.3.6 連續(xù)功能圖語(yǔ)言及其應(yīng)用 201
4.4 SCADA系統(tǒng)上位機(jī)組態(tài)軟件 202
4.4.1 上位機(jī)組態(tài)軟件的產(chǎn)生及發(fā)展 202
4.4.2 上位機(jī)組態(tài)軟件的功能需求 204
4.4.3 組態(tài)軟件的總體結(jié)構(gòu)及其相似性 205
4.4.4 組態(tài)軟件的功能部件 206
4.4.5 組態(tài)軟件技術(shù)特色 212
4.5 主要的組態(tài)軟件介紹 213
4.5.1 組態(tài)軟件產(chǎn)品概述 213
4.5.2 施耐德的InTouch組態(tài)軟件 214
4.5.3 西門子的SIMATIC WinCC和WinCC OA 216
4.5.4 亞控科技組態(tài)王軟件 218
4.6 用組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)SCADA系統(tǒng)上位機(jī)人機(jī)界面 220
4.6.1 組態(tài)軟件選型 220
4.6.2 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)SCADA人機(jī)界面的原則與步驟 221
4.6.3 SCADA系統(tǒng)人機(jī)界面的調(diào)試 225
4.7 組態(tài)王軟件開(kāi)發(fā)人機(jī)界面實(shí)例分析 226
4.7.1 設(shè)備添加與構(gòu)建數(shù)據(jù)詞典 226
4.7.2 圖形界面設(shè)計(jì) 228
4.7.3 趨勢(shì)曲線功能設(shè)計(jì) 235
4.7.4 報(bào)警和事件等功能設(shè)計(jì) 236
4.7.5 報(bào)表功能 238
4.7.6 系統(tǒng)配置 238
4.7.7 運(yùn)行和調(diào)試 240
第5章 經(jīng)典OPC與OPC UA標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用 242
5.1 經(jīng)典OPC標(biāo)準(zhǔn)概述 242
5.1.1 OPC的開(kāi)發(fā)背景和歷史 242
5.1.2 工業(yè)控制系統(tǒng)采用OPC標(biāo)準(zhǔn)的好處 244
5.2 經(jīng)典OPC接口與數(shù)據(jù)訪問(wèn)方法 245
5.2.1 OPC分層模型結(jié)構(gòu) 245
5.2.2 OPC接口 247
5.2.3 OPC數(shù)據(jù)訪問(wèn)方法 247
5.2.4 OPC DA服務(wù)器使用示例 250
5.3 OPC UA標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用 253
5.3.1 OPC UA標(biāo)準(zhǔn)提出的背景及其特點(diǎn) 253
5.3.2 OPC UA標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容 255
5.3.3 OPC UA應(yīng)用示例 259
5.3.4 S7-1500控制器OPC UA服務(wù)器的配置與測(cè)試 264
5.4 基于經(jīng)典OPC通信的CSTR過(guò)程工業(yè)控制系統(tǒng)數(shù)字化仿真 267
5.4.1 CSTR及其數(shù)學(xué)模型 267
5.4.2 數(shù)字化仿真系統(tǒng)方案 269
5.4.3 數(shù)字化仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 273
第6章 安全儀表系統(tǒng)與工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全 278
6.1 功能安全基礎(chǔ) 278
6.1.1 功能安全相關(guān)的基本概念與標(biāo)準(zhǔn) 278
6.1.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)降低 279
6.1.3 安全完整性等級(jí) 282
6.1.4 安全生命周期 283
6.2 安全儀表系統(tǒng) 285
6.2.1 安全儀表系統(tǒng)基礎(chǔ) 285
6.2.2 安全儀表產(chǎn)品 290
6.2.3 安全儀表系統(tǒng)與常規(guī)控制系統(tǒng) 292
6.3 安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 293
6.3.1 安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 293
6.3.2 安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟 294
6.3.3 安全儀表系統(tǒng)工程應(yīng)用案例 295
6.4 工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全 298
6.4.1 信息安全 298
6.4.2 工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全概述 299
6.4.3 工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全與傳統(tǒng)IT系統(tǒng)信息安全比較 301
6.4.4 工業(yè)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及其脆弱性分析 303
6.4.5 工業(yè)控制系統(tǒng)的信息安全標(biāo)準(zhǔn) 306
6.5 工業(yè)控制系統(tǒng)安全防護(hù) 307
6.5.1 工業(yè)控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)及其安全防護(hù)技術(shù) 307
6.5.2 主要自動(dòng)化公司的信息安全解決方案 312
第7章 SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā) 319
7.1 SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述 319
7.2 SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 319
7.3 SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)步驟 321
7.3.1 SCADA系統(tǒng)需求分析與總體設(shè)計(jì) 322
7.3.2 SCADA系統(tǒng)類型確定與設(shè)備選型 324
7.3.3 SCADA系統(tǒng)應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā) 326
7.4 SCADA系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行 329
7.4.1 離線仿真調(diào)試 329
7.4.2 工廠驗(yàn)收、現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收、現(xiàn)場(chǎng)綜合測(cè)試與驗(yàn)收 330
7.5 SCADA系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì) 331
7.5.1 供電抗干擾措施 331
7.5.2 接地抗干擾措施 332
7.5.3 軟件抗干擾措施 334
7.5.4 空間抗干擾措施 335
第8章 SCADA系統(tǒng)應(yīng)用案例分析 336
8.1 引言 336
8.2 大型污水處理廠SCADA系統(tǒng)案例 337
8.2.1 污水處理工藝與主要處理單元及設(shè)備 337
8.2.2 污水處理廠工業(yè)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 338
8.2.3 污水處理工業(yè)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 342
8.2.4 系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行 347
8.3 基于MOX公司自動(dòng)化產(chǎn)品的企業(yè)能源集控SCADA系統(tǒng) 350
8.3.1 MOX公司的SCADA解決方案 350
8.3.2 某企業(yè)能源集控調(diào)度SCADA系統(tǒng) 351
8.3.3 能源集控調(diào)度系統(tǒng)投運(yùn) 359
8.4 原油長(zhǎng)距離輸送管線SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā) 362
8.4.1 案例概述 362
8.4.2 OPTO 22 SCADA系統(tǒng)解決方案 362
8.4.3 原油輸送管線SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā) 363
8.5 冶金企業(yè)電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā) 367
8.5.1 案例概述 367
8.5.2 電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì) 368
8.5.3 電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì) 372
8.5.4 電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)與系統(tǒng)配置 374
8.5.5 電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)投運(yùn) 386
參考文獻(xiàn) 389