工業(yè)控制系統(tǒng)及應用：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)分類及其對應的工業(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 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 下位機系統(tǒng) 21
1.3.2 上位機系統(tǒng) 26
1.3.3 通信網(wǎng)絡 27
1.3.4 檢測儀表和執(zhí)行器 28
1.3.5 SCADA系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu) 29
1.4 SCADA系統(tǒng)的應用 31
1.4.1 SCADA系統(tǒng)在電力行業(yè)的應用 31
1.4.2 SCADA系統(tǒng)在高鐵防災系統(tǒng)中的應用 32
1.4.3 SCADA系統(tǒng)在樓宇自動化中的應用 34
1.4.4 SCADA系統(tǒng)在油氣長距離輸送中的應用 35
1.4.5 SCADA系統(tǒng)在其他領(lǐng)域的應用 38
1.4.6 SCADA系統(tǒng)的應用效果 39
第2章 數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡技術(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€基本概念 42
2.1.4 數(shù)據(jù)通信中的差錯控制 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 串行通信應用實例 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)絡技術(shù) 62
2.4.1 通信網(wǎng)絡概述 62
2.4.2 計算機網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)與分類 63
2.4.3 網(wǎng)絡傳輸介質(zhì) 65
2.4.4 介質(zhì)訪問控制方式 68
2.4.5 網(wǎng)絡體系結(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)絡結(jié)構(gòu) 74
2.5 TCP與UDP及其在SCADA系統(tǒng)中的應用 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)通信中的應用 82
2.5.4 SCADA系統(tǒng)中的TCP與UDP通信 85
2.6 現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng) 91
2.6.1 現(xiàn)場總線的體系結(jié)構(gòu)與特點 91
2.6.2 幾種典型的現(xiàn)場總線 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 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)絡分布式數(shù)據(jù)采集 135
3.4 PLC與數(shù)據(jù)采集設備串行通信協(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)采集中的應用 161
第4章 SCADA系統(tǒng)應用軟件編程與組態(tài) 163
4.1 SCADA系統(tǒng)應用軟件 163
4.1.1 下位機（控制器）應用軟件 163
4.1.2 人機界面軟件 164
4.2 SCADA系統(tǒng)下位機編程規(guī)范IEC61131-3 165
4.2.1 傳統(tǒng)的控制器編程語言的不足 165
4.2.2 IEC61131-3標準的產(chǎn)生與特點 166
4.2.3 IEC61131-3標準的基本內(nèi)容 168
4.2.4 IEC61131-3標準的程序組織單元 177
4.2.5 IEC61131-3標準的軟件模型 181
4.3 IEC61131-3標準編程語言及應用 183
4.3.1 IEC61131-3標準編程語言概述 183
4.3.2 梯形圖語言及其應用 184
4.3.3 順序功能圖及其應用 190
4.3.4 功能塊圖語言及其應用 195
4.3.5 結(jié)構(gòu)化文本語言及其應用 197
4.3.6 連續(xù)功能圖語言及其應用 201
4.4 SCADA系統(tǒng)上位機組態(tài)軟件 202
4.4.1 上位機組態(tài)軟件的產(chǎn)生及發(fā)展 202
4.4.2 上位機組態(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)軟件開發(fā)SCADA系統(tǒng)上位機人機界面 220
4.6.1 組態(tài)軟件選型 220
4.6.2 組態(tài)軟件設計SCADA人機界面的原則與步驟 221
4.6.3 SCADA系統(tǒng)人機界面的調(diào)試 225
4.7 組態(tài)王軟件開發(fā)人機界面實例分析 226
4.7.1 設備添加與構(gòu)建數(shù)據(jù)詞典 226
4.7.2 圖形界面設計 228
4.7.3 趨勢曲線功能設計 235
4.7.4 報警和事件等功能設計 236
4.7.5 報表功能 238
4.7.6 系統(tǒng)配置 238
4.7.7 運行和調(diào)試 240
第5章 經(jīng)典OPC與OPC UA標準及其應用 242
5.1 經(jīng)典OPC標準概述 242
5.1.1 OPC的開發(fā)背景和歷史 242
5.1.2 工業(yè)控制系統(tǒng)采用OPC標準的好處 244
5.2 經(jīng)典OPC接口與數(shù)據(jù)訪問方法 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)訪問方法 247
5.2.4 OPC DA服務器使用示例 250
5.3 OPC UA標準及其應用 253
5.3.1 OPC UA標準提出的背景及其特點 253
5.3.2 OPC UA標準主要內(nèi)容 255
5.3.3 OPC UA應用示例 259
5.3.4 S7-1500控制器OPC UA服務器的配置與測試 264
5.4 基于經(jīng)典OPC通信的CSTR過程工業(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)的基本概念與標準 278
6.1.2 風險評估與風險降低 279
6.1.3 安全完整性等級 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)設計與應用 293
6.3.1 安全儀表系統(tǒng)設計原則 293
6.3.2 安全儀表系統(tǒng)設計步驟 294
6.3.3 安全儀表系統(tǒng)工程應用案例 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)的信息安全標準 306
6.5 工業(yè)控制系統(tǒng)安全防護 307
6.5.1 工業(yè)控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)及其安全防護技術(shù) 307
6.5.2 主要自動化公司的信息安全解決方案 312
第7章 SCADA系統(tǒng)設計與開發(fā) 319
7.1 SCADA系統(tǒng)設計概述 319
7.2 SCADA系統(tǒng)設計原則 319
7.3 SCADA系統(tǒng)設計與開發(fā)步驟 321
7.3.1 SCADA系統(tǒng)需求分析與總體設計 322
7.3.2 SCADA系統(tǒng)類型確定與設備選型 324
7.3.3 SCADA系統(tǒng)應用軟件開發(fā) 326
7.4 SCADA系統(tǒng)調(diào)試與運行 329
7.4.1 離線仿真調(diào)試 329
7.4.2 工廠驗收、現(xiàn)場驗收、現(xiàn)場綜合測試與驗收 330
7.5 SCADA系統(tǒng)可靠性設計 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備 337
8.2.2 污水處理廠工業(yè)控制系統(tǒng)總體設計 338
8.2.3 污水處理工業(yè)控制系統(tǒng)程序設計 342
8.2.4 系統(tǒng)調(diào)試與運行 347
8.3 基于MOX公司自動化產(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 359
8.4 原油長距離輸送管線SCADA系統(tǒng)設計與開發(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)設計與開發(fā) 363
8.5 冶金企業(yè)電力調(diào)度自動化系統(tǒng)的設計與開發(fā) 367
8.5.1 案例概述 367
8.5.2 電力調(diào)度自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)與功能設計 368
8.5.3 電力調(diào)度自動化系統(tǒng)軟件功能設計 372
8.5.4 電力調(diào)度自動化系統(tǒng)軟件開發(fā)與系統(tǒng)配置 374
8.5.5 電力調(diào)度自動化系統(tǒng)投運 386
參考文獻 389