工業控制系統及應用：SCADA系統篇

第1章 SCADA系統概述 1
1.1 SCADA系統概念 1
1.2 SCADA系統組成 3
1.2.1 下位機系統 4
1.2.2 上位機系統（監控中心） 7
1.2.3 通信網路 9
1.2.4 檢測和執行設備 9
1.3 SCADA系統典型結構 10
1.3.1 客戶機／伺服器結構 11
1.3.2 流覽器／伺服器結構 11
1.3.3 兩種系統結構比較 12
1.4 典型工業控制系統及其比較 13
1.4.1 工業生產行業特性及其控制系統特點 13
1.4.2 幾種典型工業控制系統 14
1.4.3 DCS與SCADA系統比較 17
1.5 SCADA系統的應用 20
1.5.1 SCADA系統應用效果 20
1.5.2 SCADA系統在電力系統中的應用 20
1.5.3 SCADA系統在高鐵防災系統中的應用 21
1.5.4 SCADA系統在樓宇自動化中的應用 21
1.5.5 SCADA系統在油氣長距離輸送中的應用 23
1.5.6 SCADA系統在其他領域的應用 25

第2章 資料通信與網路技術 26
2.1 SCADA系統中的資料通信 26
2.2 資料通信概述 27
2.2.1 資料通信系統組成 27
2.2.2 資料傳輸的幾個基本概念 28
2.2.3 差錯控制 30
2.3 通用串列通信 32
2.3.1 串列通信參數 33
2.3.2 流量控制 34
2.3.3 RS-232C介面特性與串列通信 35
2.3.4 RS-422與RS-485序列介面 37
2.3.5 RS-485網路的主從式通信 38
2.3.6 串口伺服器 41
2.4 MODBUS通信協議 46
2.4.1 Modbus 協議概述 46
2.4.2 常用Modbus 協議 47
2.5 現場匯流排技術 49
2.5.1 現場匯流排的體系結構與特點 49
2.5.2 幾種有影響的現場匯流排 50
2.6 SCADA系統中的網路技術 54
2.6.1 通信網路概述 54
2.6.2 電腦網路拓撲結構與分類 54
2.6.3 網路傳輸介質 57
2.6.4 網路架構與參考模型 62
2.7 TCP／IP協議 64
2.7.1 TCP協議 65
2.7.2 UDP協議 67
2.7.3 網路層IP協定 69
2.8 工業乙太網 71
2.8.1 乙太網技術 71
2.8.2 介質存取控制方式 74
2.8.3 工業乙太網概述 76
2.8.4 幾種典型工業乙太網 79

第3章 I／O介面與資料獲取技術 86
3.1 SCADA系統I／O介面概述 86
3.2 I／O介面模組 87
3.2.1 數位量模組 87
3.2.2 類比量模組 90
3.3 基於PC的資料獲取技術 91
3.3.1 常用的資料獲取方法 91
3.3.2 資料獲取中的I／O控制方式 92
3.4 基於PC的資料獲取系統程式設計 95
3.4.1 基於DLL的資料獲取 96
3.4.2 基於ActiveX的資料獲取程式設計 98
3.4.3 PC匯流排I／O板卡設備資料獲取程式設計 100
3.5 PLC在資料獲取系統中的應用 104
3.5.1 集成PLC與資料獲取模組的類比量資料獲取程式設計 104
3.5.2 用PLC與智慧型儀器表配合進行資料獲取程式設計 106
3.5.3 用PLC進行資料獲取程式設計 109
3.6 基於虛擬儀器的資料獲取技術 113
3.6.1 虛擬儀器技術 113
3.6.2 虛擬儀器軟體發展平臺 114
3.7 基於WEB的遠端資料獲取與監控 120
3.7.1 基於Web的遠端資料獲取與監控 121
3.7.2 利用組態軟體實現資料的遠端存取 122

第4章 工業控制程式設計語言標準及基於PC的控制技術 125
4.1 IEC 61131-3標準的產生與特點 125
4.1.1 傳統的PLC程式設計語言的不足 125
4.1.2 IEC 61131-3標準的產生 126
4.1.3 IEC 61131-3標準的特點 128
4.2 IEC 61131-3的基本內容 130
4.2.1 語言元素 130
4.2.2 資料類型 136
4.2.3 變數 139
4.3 程式組織單元 145
4.3.1 程式組織單元及其組成 145
4.3.2 功能 147
4.3.3 功能塊 148
4.3.4 程式 150
4.4 軟體、通信和功能模型 150
4.4.1 軟體模型 150
4.4.2 通信模型 153
4.5 IEC 61131-3標準的5種程式設計語言 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 結構化文本語言 158
4.5.5 指令表語言 159
4.6 基於IEC 61131-3標準的程式設計軟體 160
4.6.1 MULTIPROG 161
4.6.2 OpenPCS 163
4.6.3 CoDesys 164
4.7 基於PC（PC-BASED）的控制技術及應用 164
4.7.1 基於PC的控制技術產生 164
4.7.2 基於PC的控制技術的發展 165
4.8 PAC在真空制鹽程序控制中的應用 170
4.8.1 真空制鹽工藝過程與控制要求 170
4.8.2 真空制鹽控制系統總體設計 170
4.8.3 真空制鹽過程PID控制方案及其實現 171

第5章 工業控制組態軟體 175
5.1 人機界面 175
5.2 組態軟體的產生及發展 176
5.3 組態軟體的功能需求 177
5.4 組態軟體系統構成與技術特色 178
5.4.1 組態軟體的總體結構及其相似性 178
5.4.2 組態軟體的功能部件 180
5.4.3 組態軟體技術特色 186
5.5 主要的組態軟體介紹 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 組態王 194
5.5.6 WebAccess 196
5.6 組態軟體的局限及功能擴展 199
5.6.1 組態軟體的功能局限性 199
5.6.2 用DDE擴展組態軟體功能 200
5.7 用組態軟體開發SCADA系統上位機人機界面 203
5.7.1 組態軟體選型 203
5.7.2 用組態軟體設計SCADA人機界面 205
5.7.3 SCADA系統中資料包表開發 208
5.7.4 SCADA系統人機界面的調試 209

第6章 工業控制即時資料交換標準 —OPC規範 210
6.1 OPC的開發背景和歷史 210
6.2 OPC的關鍵技術與體系結構 212
6.2.1 COM與DCOM技術 212
6.2.2 COM主要特性 214
6.2.3 基於OPC的客戶機／伺服器資料交換模型 215
6.3 OPC分層模型結構與物件介面 216
6.3.1 OPC分層模型結構 216
6.3.2 OPC物件介面 217
6.4 OPC介面與資料存取方法 220
6.4.1 OPC介面 220
6.4.2 OPC數據存取方法 221
6.5 其他OPC規範 223
6.5.1 OPC報警與事件 223
6.5.2 OPC歷史資料存取 224
6.5.3 OPC批量伺服器 224
6.6 OPC伺服器與客戶程式設計 224
6.6.1 OPC伺服器設計 224
6.6.2 OPC客戶程式設計 226
6.6.3 OPC軟體工具包 227
6.6.4 互通性測試 227
6.7 OPC UA規範 227
6.7.1 OPC UA規範提出的背景 227
6.7.2 OPC UA規範內容 230
6.8 OPC規範在TE過程類比模擬與控制中的應用 234
6.8.1 TE過程類比模擬與控制系統總體結構 234
6.8.2 基於OPC規範的TE過程類比模擬與控制系統實現 238

第7章 工業控制系統功能安全與資訊安全 246
7.1 功能安全與安全儀錶系統 246
7.1.1 功能安全相關知識 246
7.1.2 安全儀錶系統 250
7.1.3 安全生命週期 257
7.1.4 安全儀錶產品類型 259
7.1.5 安全儀錶系統與常規控制系統的不同 261
7.2 安全儀錶系統設計與應用 262
7.2.1 安全儀錶系統設計原則 262
7.2.2 安全儀錶系統設計步驟 263
7.2.3 安全儀錶系統工程應用案例 264
7.3 工業控制系統資訊安全 268
7.3.1 資訊安全 268
7.3.2 工業控制系統資訊安全概述 270
7.3.3 工業控制系統資訊安全與IT系統資訊安全比較 272
7.3.4 工業控制系統體系結構及其脆弱性分析 274
7.4 工業控制系統資訊安全標準 277
7.4.1 國際標準和指南 277
7.4.2 我國國家和行業標準 280
7.5 工業控制系統安全防護 280
7.5.1 工業控制系統資訊防護措施 280
7.5.2 工業控制系統資訊安全防護典型解決方案 282

第8章 SCADA系統設計與開發 286
8.1 SCADA系統設計概述 286
8.2 SCADA系統設計原則 286
8.3 SCADA系統設計與開發步驟 288
8.3.1 SCADA系統需求分析與總體設計 288
8.3.2 SCADA系統類型確

前言

典型的工業控制系統包括集散控制系統（DCS）和監控與資料獲取系統（SCADA）。SCADA是英文“Supervisory Control And Data Acquisition”的簡稱，翻譯成中文就是“監督控制與資料獲取”，有些文獻也稱為“監視控制與資料獲取”。一般來講，SCADA系統特指分散式運算機測控系統，主要用於測控點十分分散、分佈範圍廣泛的生產過程或設備的監控，在通常情況下，測控現場是無人或少人值班，如城市排水泵站遠端監控系統、城市煤氣管網遠端監控、電力行業調度自動化等。SCADA系統在硬體上不如DCS或FCS等系統緊湊和專用，但其系統更加開放和多樣，組成更加靈活。SCADA系統在控制層面上至少具有兩層結構及連接兩個控制層的通信網路，這兩層結構是處於測控現場的資料獲取與控制終端設備（通常稱作下位機——Slaver Computer）和位於中控室的集中監視、管理及遠端監控電腦（上位機——Master Computer）。

由於SCADA系統的應用領域極其廣泛，而不同應用領域的特點和監控要求又導致SCADA系統解決方案的多樣性和行業應用特徵屬性，從而導致對SCADA系統的認識有所不同。但不論在哪個領域應用，使用者對SCADA系統的功能要求是一致的。從其名稱可以看出，它包含兩個層次的基本功能：資料獲取和監督控制。因而，SCADA系統在系統結構、功能、開發工具等方面是有許多共性的，本書正是針對性地介紹SCADA系統中的這些共性內容，特別是近些年來控制領域出現的一些新的技術和規範。
《工業控制系統及應用——SCADA系統篇》共有9章，各章主要內容介紹如下。

第1章是SCADA系統概述，主要介紹什麼是SCADA系統，系統組成、功能、特點及其應用，對SCADA系統與DCS和PLC也進行了比較，對控制系統功能安全與資訊安全做了概述性介紹。

第2章是資料通信與網路技術，主要介紹SCADA系統中常用的通信手段和技術，由於SCADA系統廣泛用於測控點較為分散、測控設備分佈範圍廣的領域，因此，實現通信的手段和技術很多，涵蓋了目前主流的有線與無線通訊。

第3章是I／O介面與資料獲取技術，主要介紹了資料獲取中有關輸入／輸出介面知識、SCADA系統中常用的資料獲取方法與程式設計、基於Internet的資料獲取等。

第4章是工業控制程式設計語言標準IEC61131-3及基於PC的控制技術，主要介紹了該標準的產生、特點、基本內容，特別是對公共元素和程式設計語言做了比較系統的介紹，最後還介紹了幾種支援該標準的軟體產品。由於基於PC的控制技術普通採用IEC61131-3標準的程式設計語言，因此，在本章也對這種控制技術做了介紹。

第5章是工業控制組態軟體，主要介紹組態軟體的產生和發展歷史、組態軟體的主要功能和組成、主流的組態軟體產品及嵌入式組態軟體技術，對採用組態軟體開發SCADA系統人機界面也做了詳細介紹。

第6章是工業控制資料交換標準——OPC規範，主要介紹OPC規範的產生、特點、主要內容、OPC的體系結構和OPC伺服器與客戶程式開發及應用，對OPC UA規範也做了介紹，最後給出了OPC規範在工控系統類比模擬中的應用案例。

第7章是工業控制系統功能安全與資訊安全，除了介紹經典的功能安全特別是安全儀錶系統的內容外，還重點介紹了近年來受到極大重視的工控系統資訊安全，對其產生的根源、工控系統脆弱性、工控系統安全防護技術等做了詳細分析。

第8章是SCADA系統設計與開發，主要介紹SCADA系統開發的原則、步驟、控制策略與PID演算法、調試與運行、可靠性設計及抗干擾措施等。

第9章是SCADA系統應用案例分析，介紹了幾個富有特色的應用案例。

這9章內容中，第1章內容是SCADA系統概述，第3、4章與SCADA系統下位機關係比較緊密，而第5章與上位機關係緊密，第2、6章屬於SCADA系統中的上、下位機通信內容，第7章屬於SCADA系統安全相關的內容，這些內容都是屬於SCADA系統開發中的關鍵技術。第8章是關於SCADA系統集成技術；而第9章是案例分析，綜合利用了前8章的內容。除了第9章外，在第2章～第7章也都有相應的實例。

本書作者長期從事工業控制系統、工控資訊安全相關的教學、科研與工程實踐，結合作者在實踐中的經驗、體會，以及SCADA系統相關技術的發展和大量相關的技術文獻，編寫了本書。

本書由華東理工大學資訊學院王華忠和中國資訊安全測評中心陳冬青編著。作者感謝兩個單位和同事的支援。感謝北京亞控科技、美國OPTO 22、研華科技、上海寶昌自動化等公司提供的技術資料。在編寫過程中還參考了許多線上和線下資料，在此也向有關作者表示感謝。

編著者
2016年10月