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本书系统地阐述了工业控制系统——监督控制与数据采集（SCADA）系统的技术问题，包括系统组成、特点、应用及与集散控制系统等其他控制系统的比较。对SCADA系统设计与开发中的关键技术，包括工业数据采集技术、通信与网络技术、SCADA系统应用软件开发、经典OPC与OPC UA标准、功能安全与工业控制系统信息安全等都结合应用实例进行了详实的分析和论述，并通过对不同行业领域典型SCADA系统工程案例的剖析来加深读者对内容的理解，帮助读者掌握SCADA系统的分析、设计、开发与调试技能。此外，对SCADA系统开发中的一些典型软硬件产品及其使用方法也做了介绍。本书侧重SCADA系统应用与开发中的关键技术和系统集成及其应用，注重内容的系统性、准确性、实用性与新颖性。本书的程序都已通过仿真或实物调试，可以指导读者进行类似的工程开发。本书可作为自动化、电气工程及其自动化、测控技术及仪器、物联网工程等相关专业本科生、研究生的教材，也可作为相关工程技术人员的参考书。

目录

第1章  工业控制系统与SCADA系统概述	1
1.1  工业生产中的工业控制系统	1
1.1.1  工业生产行业分类及其对应的工业控制系统	1
1.1.2  离散制造业控制系统与流程工业控制系统	3
1.1.3  典型工业控制系统与设备介绍	6
1.2  SCADA系统概述	11
1.2.1  SCADA系统及其典型特征	11
1.2.2  SCADA系统的发展趋势	13
1.2.3  两类典型工业控制系统——SCADA系统与DCS的比较	14
1.2.4  工业互联网及其与SCADA系统的比较	18
1.3  SCADA系统组成与典型结构	20
1.3.1  下位机系统	21
1.3.2  上位机系统	26
1.3.3  通信网络	27
1.3.4  检测仪表和执行器	28
1.3.5  SCADA系统典型结构	29
1.4  SCADA系统的应用	31
1.4.1  SCADA系统在电力行业的应用	31
1.4.2  SCADA系统在高铁防灾系统中的应用	32
1.4.3  SCADA系统在楼宇自动化中的应用	34
1.4.4  SCADA系统在油气长距离输送中的应用	35
1.4.5  SCADA系统在其他领域的应用	38
1.4.6  SCADA系统的应用效果	39
第2章  数据通信与网络技术	40
2.1  数据通信概述	40
2.1.1  SCADA系统的数据通信	40
2.1.2  数据通信系统的组成	41
2.1.3  数据传输的几个基本概念	42
2.1.4  数据通信中的差错控制	45
2.2  通用串行通信	46
2.2.1  串行通信参数	47
2.2.2  RS-232接口特性及其串行通信	47
2.2.3  RS-422串行通信与RS-485串行通信	49
2.2.4  串行通信应用实例	51
2.3  Modbus通信协议	56
2.3.1  Modbus协议概述	56
2.3.2  常用Modbus协议及报文解析	57
2.3.3  Modbus通信仿真工具	61
2.4  SCADA系统中的网络技术	62
2.4.1  通信网络概述	62
2.4.2  计算机网络拓扑结构与分类	63
2.4.3  网络传输介质	65
2.4.4  介质访问控制方式	68
2.4.5  网络体系结构与参考模型	70
2.4.6  SCADA等工业控制系统典型网络结构	74
2.5  TCP与UDP及其在SCADA系统中的应用	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数据通信中的应用	82
2.5.4  SCADA系统中的TCP与UDP通信	85
2.6  现场总线与工业以太网	91
2.6.1  现场总线的体系结构与特点	91
2.6.2  几种典型的现场总线	92
2.6.3  工业以太网	94
2.6.4  工业网关	104
第3章  工业数据采集技术与应用	108
3.1  工业数据采集基础	108
3.1.1  工业数据采集系统组成与结构、I/O接口功能与分类	108
3.1.2  采样定律与数据采集卡的性能指标	110
3.1.3  SCADA系统中的数据采集	113
3.1.4  常用的数据采集技术	115
3.2  数据采集系统的I/O接口模块	117
3.2.1  数字量接口模块	117
3.2.2  模拟量接口模块	120
3.2.3  多功能接口模块	123
3.3  基于PC的数据采集	124
3.3.1  数据采集中的I/O控制方式	124
3.3.2  基于PC的板卡类设备集中数据采集	126
3.3.3  基于OPC DA的分布式数据采集	130
3.3.4  基于PC的Modbus TCP网络分布式数据采集	135
3.4  PLC与数据采集设备串行通信协同数据采集	137
3.4.1  PLC与智能模块协同数据采集技术	137
3.4.2  西门子S7-1200与研华ADAM-4117模块协同数据采集	138
3.4.3  FX5UC与Modbus从站仿真软件模拟数据采集	140
3.4.4  FX5UC与智能仪表协同数据采集	142
3.5  PLC与数据采集设备基于Modbus TCP协同数据采集	146
3.5.1  基于以太网的协同数据采集	146
3.5.2  FX5UC与研华ADAM-6017以太网模块协同数据采集	147
3.5.3  S7-1200与研华ADAM-6024以太网模块协同数据采集	151
3.6  基于物联网MQTT通信的数据采集	155
3.6.1  物联网通信协议MQTT	155
3.6.2  MQTT在工业数据采集中的应用	161
第4章  SCADA系统应用软件编程与组态	163
4.1  SCADA系统应用软件	163
4.1.1  下位机（控制器）应用软件	163
4.1.2  人机界面软件	164
4.2  SCADA系统下位机编程规范IEC61131-3	165
4.2.1  传统的控制器编程语言的不足	165
4.2.2  IEC61131-3标准的产生与特点	166
4.2.3  IEC61131-3标准的基本内容	168
4.2.4  IEC61131-3标准的程序组织单元	177
4.2.5  IEC61131-3标准的软件模型	181
4.3  IEC61131-3标准编程语言及应用	183
4.3.1  IEC61131-3标准编程语言概述	183
4.3.2  梯形图语言及其应用	184
4.3.3  顺序功能图及其应用	190
4.3.4  功能块图语言及其应用	195
4.3.5  结构化文本语言及其应用	197
4.3.6  连续功能图语言及其应用	201
4.4  SCADA系统上位机组态软件	202
4.4.1  上位机组态软件的产生及发展	202
4.4.2  上位机组态软件的功能需求	204
4.4.3  组态软件的总体结构及其相似性	205
4.4.4  组态软件的功能部件	206
4.4.5  组态软件技术特色	212
4.5  主要的组态软件介绍	213
4.5.1  组态软件产品概述	213
4.5.2  施耐德的InTouch组态软件	214
4.5.3  西门子的SIMATIC WinCC和WinCC OA	216
4.5.4  亚控科技组态王软件	218
4.6  用组态软件开发SCADA系统上位机人机界面	220
4.6.1  组态软件选型	220
4.6.2  组态软件设计SCADA人机界面的原则与步骤	221
4.6.3  SCADA系统人机界面的调试	225
4.7  组态王软件开发人机界面实例分析	226
4.7.1  设备添加与构建数据词典	226
4.7.2  图形界面设计	228
4.7.3  趋势曲线功能设计	235
4.7.4  报警和事件等功能设计	236
4.7.5  报表功能	238
4.7.6  系统配置	238
4.7.7  运行和调试	240
第5章  经典OPC与OPC UA标准及其应用	242
5.1  经典OPC标准概述	242
5.1.1  OPC的开发背景和历史	242
5.1.2  工业控制系统采用OPC标准的好处	244
5.2  经典OPC接口与数据访问方法	245
5.2.1  OPC分层模型结构	245
5.2.2  OPC接口	247
5.2.3  OPC数据访问方法	247
5.2.4  OPC DA服务器使用示例	250
5.3  OPC UA标准及其应用	253
5.3.1  OPC UA标准提出的背景及其特点	253
5.3.2  OPC UA标准主要内容	255
5.3.3  OPC UA应用示例	259
5.3.4  S7-1500控制器OPC UA服务器的配置与测试	264
5.4  基于经典OPC通信的CSTR过程工业控制系统数字化仿真	267
5.4.1  CSTR及其数学模型	267
5.4.2  数字化仿真系统方案	269
5.4.3  数字化仿真系统开发	273
第6章  安全仪表系统与工业控制系统信息安全	278
6.1  功能安全基础	278
6.1.1  功能安全相关的基本概念与标准	278
6.1.2  风险评估与风险降低	279
6.1.3  安全完整性等级	282
6.1.4  安全生命周期	283
6.2  安全仪表系统	285
6.2.1  安全仪表系统基础	285
6.2.2  安全仪表产品	290
6.2.3  安全仪表系统与常规控制系统	292
6.3  安全仪表系统设计与应用	293
6.3.1  安全仪表系统设计原则	293
6.3.2  安全仪表系统设计步骤	294
6.3.3  安全仪表系统工程应用案例	295
6.4  工业控制系统信息安全	298
6.4.1  信息安全	298
6.4.2  工业控制系统信息安全概述	299
6.4.3  工业控制系统信息安全与传统IT系统信息安全比较	301
6.4.4  工业控制系统体系结构及其脆弱性分析	303
6.4.5  工业控制系统的信息安全标准	306
6.5  工业控制系统安全防护	307
6.5.1  工业控制系统典型结构及其安全防护技术	307
6.5.2  主要自动化公司的信息安全解决方案	312
第7章  SCADA系统设计与开发	319
7.1  SCADA系统设计概述	319
7.2  SCADA系统设计原则	319
7.3  SCADA系统设计与开发步骤	321
7.3.1  SCADA系统需求分析与总体设计	322
7.3.2  SCADA系统类型确定与设备选型	324
7.3.3  SCADA系统应用软件开发	326
7.4  SCADA系统调试与运行	329
7.4.1  离线仿真调试	329
7.4.2  工厂验收、现场验收、现场综合测试与验收	330
7.5  SCADA系统可靠性设计	331
7.5.1  供电抗干扰措施	331
7.5.2  接地抗干扰措施	332
7.5.3  软件抗干扰措施	334
7.5.4  空间抗干扰措施	335
第8章  SCADA系统应用案例分析	336
8.1  引言	336
8.2  大型污水处理厂SCADA系统案例	337
8.2.1  污水处理工艺与主要处理单元及设备	337
8.2.2  污水处理厂工业控制系统总体设计	338
8.2.3  污水处理工业控制系统程序设计	342
8.2.4  系统调试与运行	347
8.3  基于MOX公司自动化产品的企业能源集控SCADA系统	350
8.3.1  MOX公司的SCADA解决方案	350
8.3.2  某企业能源集控调度SCADA系统	351
8.3.3  能源集控调度系统投运	359
8.4  原油长距离输送管线SCADA系统设计与开发	362
8.4.1  案例概述	362
8.4.2  OPTO 22 SCADA系统解决方案	362
8.4.3  原油输送管线SCADA系统设计与开发	363
8.5  冶金企业电力调度自动化系统的设计与开发	367
8.5.1  案例概述	367
8.5.2  电力调度自动化系统网络结构与功能设计	368
8.5.3  电力调度自动化系统软件功能设计	372
8.5.4  电力调度自动化系统软件开发与系统配置	374
8.5.5  电力调度自动化系统投运	386
参考文献	389

前    言
典型的工业控制系统包括监督控制与数据采集（SCADA）系统和集散控制系统（DCS）。SCADA是英文“Supervisory Control And Data Acquisition”的简称，翻译成中文就是“监督控制与数据采集”，国内有些文献将其称为“数据采集与监视控制”。SCADA系统与用于流程工业的DCS有明显不同。一般来讲，SCADA系统特指分布式计算机测控系统，主要用于对测控点十分分散、分布范围广泛的生产过程或设备的监控，在通常情况下，测控现场是无人或少人值班的，如城市排水泵站远程监控系统、城市煤气管网远程监控、电力调度自动化等。
SCADA系统的应用领域极其广泛，不同应用领域的特点和监控要求导致SCADA系统解决方案具有多样性和行业属性烙印，因此对SCADA系统的认识有所不同。但无论在哪个领域应用，用户对SCADA系统的要求都是一致的。从其名称可以看出，SCADA系统包含两个层次的基本功能：监督控制与数据采集。因此，SCADA系统除了在系统结构、功能上有相似性，在开发与调试等方面也有共性。本书正是基于此，有针对性地阐述SCADA系统的共性知识，以及近几年影响SCADA系统的新技术和规范。
本书的最早版本可以追溯到2010年1月出版的《监控与数据采集（SCADA）系统及其应用》，随后在2012年9月出版了第2版。2017年2月，在第2版的基础上进行了较大改动，重新以《工业控制系统及应用——SCADA系统篇》出版。近5年来，随着企业数字化转型的需要和工业控制软硬件的发展，以及工业互联网、大数据和人工智能技术的驱动，在SCADA系统作为工业控制基础层的地位不变的基础上，一方面与企业IT系统融合，另一方面吸收了新的技术，SCADA系统的内容更加丰富。为了使读者了解近5年来SCADA系统相关技术的发展与应用的深入，遂对《工业控制系统及应用——SCADA系统篇》第1版内容进行了大幅修改、补充与完善，出版了第2版。
《工业控制系统及应用——SCADA系统篇（第2版）》共8章，主要内容如下。
第1章是工业控制系统与SCADA系统概述。首先介绍由工业生产的不同特点而产生的工业自动化与流程工业自动化，对两者的内涵、应用和发展进行了概述。然后重点分析了SCADA系统的组成、功能、特点与发展趋势。最后对SCADA系统在电力、交通、能源等行业的应用进行了概述性介绍。
第2章是数据通信与网络技术，主要介绍SCADA系统中常用的通信技术。本章内容包括通用串行通信、现场总线与工业以太网等。对SCADA系统相关的网络体系内容进行了阐述。结合工控网络与通信应用实例，通过Wireshark抓包来对部分典型工控通信协议进行分析，以加深读者对网络体系与协议的直观理解。
第3章是工业数据采集技术与应用。本章对工业数据采集基础进行了介绍，对工业数据采集系统组成与结构、I/O接口功能与分类进行了分析。结合实例介绍了各类数据采集技术，包括基于PC的数据采集、PLC与数据采集设备串行通信协同数据采集、PLC与数据采集设备基于Modbus TCP协同数据采集、基于物联网MQTT通信的数据采集等。
第4章是SCADA系统应用软件编程与组态。本章内容主要包括下位机应用软件开发与上位机组态软件开发。介绍了SCADA系统应用软件开发的主要内容和工具软件，重点介绍SCADA系统下位机编程规范IEC61131-3，并结合实例介绍了下位机编程语言及其应用。本章概述了上位机组态软件的发展及其主要内容，对主要的上位机组态软件产品进行了分析，结合实例阐述了如何利用组态软件开发上位机人机界面及进行调试。
第5章是经典OPC与OPC UA标准及其应用。首先阐述了经典OPC标准的产生、特点、主要内容、体系结构等，结合实例介绍了OPC DA服务器的应用。然后对OPC UA标准及其主要内容进行了介绍，结合实例阐述了OPC UA标准及其应用。最后给出了基于经典OPC通信的CSTR过程工业控制系统数字化仿真的应用案例。
第6章是安全仪表系统与工业控制系统信息安全，本章除了介绍经典的功能安全，特别是安全仪表系统的内容，还重点介绍了近年来备受重视的工业控制系统信息安全，对其产生的根源、工业控制系统的脆弱性、工业控制系统安全防护等进行了详细分析。
第7章是SCADA系统设计与开发，主要介绍了SCADA系统设计的原则、步骤、内容和调试等，并介绍了SCADA系统可靠性设计。
第8章是SCADA系统应用案例分析，也是本书的重点部分。精选了污水处理、能源集控、原油长距离输送管线的SCADA系统和冶金企业电力调度自动化系统4个富有特色的案例，对案例中的关键技术进行了深入分析，以培养读者通过案例学习SCADA系统设计与开发技能。
本书编著者长期从事与工业控制系统、工业控制技术、工控信息安全相关的教学、科研与工程实践。在编写本书的过程中，除了引用编著者多年的工程实践与研究内容，还参考了不少国内外论文、期刊、书籍及互联网上的资料，受篇幅限制，无法将所有文献在参考文献中一一列出，编著者对这些资料的作者表示由衷感谢，同时声明，所参考文献的版权属于原作者。
本书由华东理工大学信息科学与工程学院王华忠编著。本书的出版获华东理工大学研究生教育基金资助，在此表示感谢。MOX（万科思）自动化、OPTO 22等公司为本书提供了技术资料，在此一并表示感谢！
为便于教学，编著者提供电子教案，读者可登录华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）查找本书免费下载（须先注册成为会员）。
限于时间和编著者的水平，SCADA系统涉及的内容庞杂，书中难免存在不当之处，殷切希望读者提出批评建议，恳请专家、学者批评指正，也欢迎读者交流讨论，编著者的E-mail是hzwang@ecust.edu.cn。

编著者   
2023年1月

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工业控制系统及应用—SCADA系统篇（第2版）