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。

王华忠，博士，华东理工大学教授。具备丰富的工业控制系统设计与实践经验，编著有多本相关科技图书，曾指导学生两次获得全国大学生自动化系统应用大赛全国一等奖。

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