监控与数据采集（SCADA）系统及其应用（第2版）

卓越工程师教育培养计划系列丛书

监控与数据采集（SCADA）

系统及其应用

（第2版）

王华忠编著

Publishing House of Electronics Industry

北京·BEIJING

内容简介

本书系统地介绍了监督控制与数据采集（SCADA）系统的组成和特点，对SCADA系统设计与开发中的关键技术，包括OPC规范、I/O接口与数据采集、IEC61131-3编程语言标准、工业控制组态软件、基于PC的控制、通信与网络技术和SCADA系统集成等进行了详实的介绍，并通过实际应用案例来加深读者对内容的理解与掌握。此外，对SCADA系统开发中的一些典型软、硬件产品及其使用也做了介绍。

本书侧重于SCADA系统应用开发中的关键技术和系统集成及其应用，注重实用性与新颖性。

本书可作为自动化、测控技术及仪器、电气工程及其自动化等相关专业大学本科生、研究生的教材，也可作为工控、自动化领域工程技术人员的参考书。

未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。

版权所有，侵权必究。

图书在版编目（CIP）数据

监控与数据采集（SCADA）系统及其应用/王华忠编著． —2版． —北京：电子工业出版社，2012．9

（卓越工程师教育培养计划系列丛书）

ISBN 978-7-121-17971-6

Ⅰ． ①监…Ⅱ． ①王…Ⅲ． ①监视控制—自动化系统—程序设计②数据采集—自动化系统—程序设计Ⅳ．①TP277②TP274

中国版本图书馆CIP数据核字（2012）第194253号

责任编辑：陈韦凯特约编辑：吕晓林

印刷：

装订：

出版发行：电子工业出版社

北京市海淀区万寿路173信箱邮编 100036

开本：787×1 092 1/16 印张：20．5 字数：527千字

印次：2012年9月第1次印刷

册数：4 000册定价：48．00元

凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。

质量投诉请发邮件至zlts@phei．com．cn，盗版侵权举报请发邮件至dbqq@phei．com．cn。

服务热线：（010）88258888。

前言

SCADA是英文“Supervisory Control And Data Acquisition”的简称，翻译成中文就是“监控与数据采集”，有些文献也简称监控系统。一般来讲，SCADA系统特指分布式计算机测控系统，主要用于测控点十分分散、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，如城市排水泵站远程监控、城市煤气管网远程监控、电力行业调度自动化等。SCADA系统在硬件上不如DCS或FCS等系统紧凑和专用，但系统更加开放和多样，组成更加灵活。SCADA系统在控制层面上至少具有两层结构，以及连接两个控制层的通信网络，这两层设备是处于测控现场的数据采集与控制终端设备（通常称为下位机——Slaver Computer）和位于中控室的集中监视、管理和远程监控计算机（上位机——Master Computer）。

由于SCADA系统的应用领域极其广泛，而不同应用领域的特点和监控要求又导致SCADA系统解决方案的多样性和行业特征，从而导致对SCADA系统的认识有所不同。但不论在哪个领域应用，用户对SCADA系统的功能要求是一致的。从名称可以看出，它包含两个层次的基本功能：数据采集和监督控制。因此，SCADA系统在系统结构、功能、开发工具等方面是有许多共性的，本书正是针对性地介绍SCADA系统中的共性内容，特别是近些年来控制领域出现的一些新的技术和规范。

本书在第1版的基础上，根据教学实践和读者反馈进行了修改，原书9章顺序不变，部分章节内容有修改，特别是第1章，增加了控制系统功能安全与信息安全等内容。全书主要内容介绍如下。

第1章是SCADA系统概述，主要介绍什么是SCADA系统，系统组成、功能、特点及其应用，对SCADA系统与DCS和PLC也进行了比较，对控制系统功能安全与信息安全进行了概述性介绍。

第2章是数据通信与网络技术，主要介绍SCADA系统中常用的通信手段和技术，由于SCADA系统广泛用于测控点较为分散、测控设备分布范围广的领域，因此，实现通信的手段和技术很多，涵盖了目前主流的有线与无线通信。

第3章是I/O接口与数据采集技术，主要介绍数据采集中有关输入/输出接口知识、SCADA系统中常用的数据采集方法与编程、基于Internet的数据采集等。

第4章是工业控制数据交换标准——OPC规范，主要介绍OPC规范的产生、特点、主要内容、OPC的体系结构和OPC服务器与客户程序开发及应用。

第5章是工业控制组态软件，主要介绍组态软件的产生和发展历史、组态软件的主要功能和组成、主流的组态软件产品及嵌入式组态软件技术，对采用组态软件开发SCADA系统人机界面也进行了详细介绍。

第6章是工业控制编程语言标准IEC 61131-3，主要介绍该标准的产生、特点、基本内容，特别是对公共元素和编程语言进行了比较系统的介绍，最后还介绍了几种支持该标准的软件产品。

第7章是基于PC的控制技术，主要介绍该技术的产生背景和特点、系统结构、主要的产品和解决方案，特别是对基于该技术产生的新型控制器——可编程自动化控制器进行了分析。

第8章是SCADA系统设计与开发，主要介绍SCADA系统开发的原则、步骤、控制策略与PID算法、调试与运行、可靠性设计及抗干扰措施等。

第9章是SCADA系统应用案例分析，介绍几个富有特色的应用案例。

这9章内容中，第1章内容是SCADA系统概述，第3、6和7章与SCADA系统下位机关系比较紧密，而第5章与上位机关系紧密，第2、4章属于SCADA系统中的上、下位机通信内容，这些内容都是属于SCADA系统开发中的关键技术。第8章是关于SCADA系统集成，而第9章是案例分析，综合利用了前8章的内容。除了第9章外，在第2～7章也都有相应的实例。

本书由王华忠编著。研究生张守川、王婷婷、卢慧康、林云威和周磊等帮助绘制了部分插图，在此表示感谢。本书第1版的编写得到了华东理工大学继续教育学院教材出版基金支持，第2版的出版得到了华东理工大学教务处的支持，在此特表感谢。此外，作者还要感谢华东理工大学信息科学与工程学院领导和自动化系教师的关心和支持。感谢西门子自动化与驱动、北京亚控科技、北京安控科技、美国OPTO22、中国台湾研华科技、中国台湾泓格科技、上海宝昌自动化、深圳华夏盛等提供的技术资料。在编写过程中还参考了许多书籍和资料，在此也向有关作者表示感谢。

为便于教学，凡采用本书作为教材的，作者免费提供电子教案，可在华信教育资源网（www．hxedu．com．cn）下载。

由于时间和编著者的水平所限，疏漏在所难免，恳请读者提出批评建议，以便进一步修订，同时欢迎大家交流讨论，作者的E-mail：hzwang@ecust．edu．cn。

编著者

目录

第1章 SCADA系统概述 (1)

1．1 SCADA系统概念 (1)

1．2 SCADA系统组成 (2)

1．2．1 下位机系统 (3)

1．2．2 上位机系统（监控中心） (6)

1．2．3 通信网络 (8)

1．2．4 检测和执行设备 (8)

1．3 SCADA系统典型架构 (9)

1．3．1 客户机/服务器结构 (10)

1．3．2 浏览器/服务器结构 (10)

1．3．3 两种系统结构比较 (11)

1．4 几种工业控制系统及比较 (12)

1．4．1 集散控制系统 (12)

1．4．2 可编程控制器 (13)

1．4．3 现场总线控制系统 (13)

1．4．4 DCS与SCADA系统比较 (14)

1．5 SCADA系统的应用 (16)

1．6 SCADA系统信息安全与功能安全 (18)

1．6．1 控制系统功能安全 (18)

1．6．2 控制系统信息安全 (19)

第2章数据通信与网络技术 (20)

2．1 SCADA系统中的数据通信 (20)

2．2 数据通信概述 (21)

2．2．1 数据通信系统组成 (21)

2．2．2 数据传输的几个基本概念 (22)

2．2．3 差错控制 (24)

2．3 通用串行通信 (26)

2．3．1 串行通信参数 (26)

2．3．2 流量控制 (27)

2．3．3 RS-232C接口特性与串行通信 (28)

2．3．4 RS-422与RS-485串行接口 (30)

2．3．5 RS-485网络的主从式通信 (31)

2．3．6 串口服务器 (34)

2．4 Modbus通信协议 (38)

2．4．1 Modbus 协议概述 (38)

·Ⅴ·

2．4．2 常用Modbus 协议 (40)

2．5 现场总线技术 (41)

2．5．1 现场总线的体系结构与特点 (41)

2．5．2 几种有影响的现场总线 (43)

2．6 SCADA系统中的网络技术 (46)

2．6．1 通信网络概述 (47)

2．6．2 计算机网络拓扑结构与分类 (47)

2．6．3 网络传输介质 (49)

2．6．4 介质访问控制方式 (55)

2．6．5 网络体系结构与参考模型 (57)

2．7 Internet上的协议 (59)

2．7．1 TCP协议 (59)

2．7．2 UDP协议 (62)

2．7．3 网络层IP协议 (64)

2．8 以太网与工业以太网 (66)

2．8．1 以太网 (66)

2．8．2 以太网的物理层和数据链路层规范 (66)

2．8．3 工业以太网 (67)

2．9 SCADA系统中无线通信技术 (71)

2．9．1 SCADA系统常用无线通信技术 (71)

2．9．2 短程无线通信技术 (72)

2．9．3 数传电台及其应用 (76)

2．9．4 GPRS无线通信技术及其应用 (81)

第3章 I/O接口与数据采集技术 (85)

3．1 SCADA系统I/O接口概述 (85)

3．2 I/O接口模块 (86)

3．2．1 数字量模块 (86)

3．2．2 模拟量模块 (89)

3．3 基于PC的数据采集技术 (89)

3．3．1 常用的数据采集方法 (89)

3．3．2 数据采集中的I/O控制方式 (91)

3．4 基于PC的数据采集系统编程 (93)

3．4．1 基于DLL的数据采集 (95)

3．4．2 基于ActiveX的数据采集程序设计 (96)

3．4．3 PC总线I/O板卡设备数据采集编程 (99)

3．5 PLC在数据采集系统中的应用 (102)

3．5．1 集成PLC与数据采集模块的模拟量数据采集编程 (102)

3．5．2 用PLC与智能仪表配合进行数据采集编程 (104)

3．5．3 用PLC进行数据采集编程 (108)

3．6 基于虚拟仪器的数据采集技术 (112)

·ⅤI·

3．6．1 虚拟仪器技术 (112)

3．6．2 虚拟仪器软件开发平台 (112)

3．7 基于Web的远程数据采集与监控 (118)

3．7．1 基于Web的远程数据采集与监控 (119)

3．7．2 利用组态软件实现数据的远程访问 (120)

3．7．3 利用ASP实现数据的远程访问 (121)

第4章工业控制数据交换标准——OPC规范 (123)

4．1 OPC的开发背景和历史 (123)

4．2 OPC的关键技术与体系结构 (125)

4．2．1 COM与DCOM技术 (125)

4．2．2 COM主要特性 (127)

4．2．3 基于OPC的客户机/服务器数据交换模型 (128)

4．3 OPC分层模型结构与对象接口 (129)

4．3．1 OPC 分层模型结构 (129)

4．3．2 OPC对象接口 (130)

4．4 OPC接口与数据访问方法 (132)

4．4．1 OPC接口 (132)

4．4．2 OPC数据访问方法 (133)

4．5 其他OPC规范 (135)

4．5．1 OPC报警与事件 (135)

4．5．2 OPC历史数据存取 (136)

4．5．3 OPC批量服务器 (136)

4．6 OPC服务器与客户程序设计 (137)

4．6．1 OPC服务器设计 (137)

4．6．2 OPC 客户程序设计 (138)

4．6．3 OPC软件工具包 (139)

4．6．4 互操作性测试 (139)

4．7 组态软件网络OPC功能使用说明 (139)

4．7．1 配置充当OPC服务器的机器 (140)

4．7．2 组态软件作为OPC客户端与OPC服务器连接 (141)

第5章工业控制组态软件 (145)

5．1 组态软件的产生及发展 (145)

5．2 组态软件的功能需求 (146)

5．3 组态软件系统构成与技术特色 (147)

5．3．1 组态软件的总体结构及其相似性 (147)

5．3．2 组态软件的功能部件 (149)

5．3．3 组态软件的技术特色 (155)

5．3．4 组态软件的发展趋势 (156)

5．4 主要的组态软件介绍 (158)

·ⅤII·

5．4．1 iFIX (158)

5．4．2 InTouch (160)

5．4．3 WinCC (161)

5．4．4 组态王 (163)

5．4．5 WebAccess (165)

5．5 嵌入式组态软件 (167)

5．5．1 嵌入式组态软件的产生 (167)

5．5．2 嵌入式组态软件的功能与特点 (168)

5．5．3 嵌入式组态软件的构成 (169)

5．6 组态软件的局限及功能扩展 (169)

5．6．1 组态软件的功能局限性 (169)

5．6．2 用DDE扩展组态软件功能 (171)

5．7 用组态软件开发SCADA系统上位机人机界面 (173)

5．7．1 组态软件选型 (174)

5．7．2 用组态软件设计SCADA人机界面 (175)

5．7．3 SCADA系统中数据报表开发 (178)

5．7．4 SCADA系统人机界面的调试 (179)

第6章工业控制编程语言标准 IEC 61131-3 (180)

6．1 IEC 61131-3标准的产生与特点 (180)

6．1．1 传统的PLC编程语言的不足 (180)

6．1．2 IEC 61131-3标准的产生 (181)

6．1．3 IEC 61131-3标准的特点 (182)

6．2 IEC 61131-3的基本内容 (184)

6．2．1 语言元素 (185)

6．2．2 数据类型 (191)

6．2．3 变量 (193)

6．3 程序组织单元 (199)

6．3．1 程序组织单元及其组成 (199)

6．3．2 功能 (201)

6．3．3 功能块 (202)

6．3．4 程序 (203)

6．4 软件和通信模型 (204)

6．4．1 软件模型 (204)

6．4．2 通信模型 (207)

6．5 IEC 61131-3标准的5种编程语言 (208)

6．5．1 顺序功能图 (209)

6．5．2 梯形图语言 (210)

6．5．3 功能块图 (210)

6．5．4 结构化文本语言 (212)

6．5．5 指令表语言 (212)

·ⅤIII·

6．6 基于IEC 61131-3标准的编程软件 (213)

6．6．1 MULTIPROG (214)

6．6．2 OpenPCS (216)

6．6．3 CoDesys (217)

第7章基于PC的控制技术 (218)

7．1 基于PC（PC-Based）的控制技术概述 (218)

7．1．1 基于PC的控制技术产生 (218)

7．1．2 基于PC控制中的操作系统 (219)

7．2 软PLC控制技术 (220)

7．2．1 软PLC控制系统架构 (220)

7．2．2 几种类型的工业PC (222)

7．2．3 软PLC工业控制系统设计 (223)

7．2．4 软PLC软件 KingACT (224)

7．3 基于PC的控制技术的发展 (227)

7．3．1 传统基于PC的控制技术的局限性 (227)

7．3．2 可编程自动化控制器（PAC） (228)

7．4 西门子基于PC控制解决方案 (230)

7．5 用ISaGRAF开发嵌入式控制器应用程序 (231)

7．5．1 ISaGRAF简介 (231)

7．5．2 用ISaGRAF开发嵌入式控制器程序 (233)

7．6 PAC在真空制盐过程控制中的应用 (241)

7．6．1 真空制盐工艺过程与控制要求 (241)

7．6．2 真空制盐控制系统总体设计 (241)

7．6．3 真空制盐过程PID控制方案及其实现 (242)

第8章 SCADA系统设计与开发 (246)

8．1 SCADA系统设计概述 (246)

8．2 SCADA系统设计原则 (246)

8．3 SCADA系统设计与开发步骤 (248)

8．3．1 SCADA系统需求分析与总体设计 (248)

8．3．2 SCADA系统类型确定与设备选型 (251)

8．3．3 SCADA系统应用软件开发 (253)

8．4 控制策略与PID算法 (255)

8．4．1 PID控制算法 (256)

8．4．2 PLC中的PID控制指令 (257)

8．4．3 PID控制器参数整定 (260)

8．5 SCADA系统调试与运行 (261)

8．5．1 离线仿真调试 (262)

8．5．2 在线调试和运行 (263)

8．6 SCADA系统可靠性设计 (264)

·IX·

8．6．1 供电抗干扰措施 (264)

8．6．2 接地抗干扰措施 (265)

8．6．3 软件抗干扰措施 (267)

8．6．4 空间抗干扰措施 (268)

第9章 SCADA系统应用案例分析 (269)

9．1 污染源在线监控SCADA系统设计与实现 (269)

9．1．1 概述 (269)

9．1．2 系统结构与特点 (270)

9．1．3 系统配置及功能 (271)

9．2 污水处理厂SCADA系统设计与开发 (273)

9．2．1 概述 (273)

9．2．2 污水处理厂SCADA系统结构与功能 (275)

9．2．3 污水处理厂SCADA系统主要硬件设备选型 (278)

9．2．4 污水处理厂SCADA系统下位机PLC站控制软件开发 (281)

9．2．5 基于OPC技术的上、下位机通信系统开发 (292)

9．2．6 污水处理厂SCADA系统上位机软件开发 (294)

9．2．7 系统调试与运行 (297)

9．3 油田抽油机SCADA系统设计与开发 (297)

9．3．1 油田抽油机SCADA系统组成 (297)

9．3．2 油田中心控制室软件描述 (299)

9．3．3 抽油机现场控制器 (302)

9．3．4 油井自动计量控制器 (305)

9．4 原油输送管线SCADA系统设计与开发 (306)

9．4．1 概述 (306)

9．4．2 OPTO 22 SCADA系统解决方案 (306)

9．4．3 原油输送管线SCADA系统设计与开发 (309)

参考文献 (315)

·X·