工业过程控制及安全技术

工业控制系统在石油、化工、电力、交通、冶金、市政等关键基础设施领域得到了广泛应用，其与企业管理信息系统构成了现代企业的综合自动化系统（IT与OT融合的系统），其中，工业控制系统处于底层核心地位。随着现代工业生产规模不断扩大，工业控制系统的作用越来越重要。提高工业控制系统的可靠性和抗风险能力，确保工业控制系统及其受控过程安全稳定运行一直是安全生产的生命线。
工业控制系统在发展过程中，不断受到各类信息技术的影响，并且与被控的物理过程不断融合，已成为复杂的信息物理融合系统，如“工业4.0”、工业互联网等新兴工业的生产和制造模式。伴随着互联网 在不同行业的推进，以及物联网应用的爆发式增长，工业控制系统的安全运行面临着巨大的挑战。近年发生的伊朗布什尔核电站和乌克兰电力系统被网络攻击的重大事件使得全球范围内工业生产的安全态势呈现了新的特点。传统的安全问题与新兴的信息安全问题交汇在工业生产及控制中，这导致传统的安全技术和管理手段已经不能满足信息时代的安全需求。在复杂多变的安全形势下，我国已把关键基础设施信息安全上升到国家安全层面，凸显了其重要性和紧迫性。然而，由于工业生产控制与安全技术属于交叉的新兴领域，无论是现有的自动化技术人员、功能安全技术人员，还是信息安全技术人员，都无法独立面对工业化与信息化深度融合给工业生产控制及其安全带来的挑战。当前社会对系统地掌握工业生产控制、工业生产安全、工业信息安全理论与技术的复合型工程技术人才的需求很大，但供给严重不足。各校的控制工程专业为了满足国家对制造业相关控制领域高级工程技术人才的需求，对专业学位研究生的教学培养计划进行了调整，设置了控制、计算机、信息安全等多学科交叉的课程，强化理论与应用相结合。在这个背景下，作者结合自己多年的工业控制系统研究与工程实践经验，以及近年来在功能安全、工业控制系统信息安全领域的科研工作，尝试把相关的知识进行交叉融合，编写了本教材，以满足广大工程技术人员继续教育和相关专业学生的学习需求。
本书分为6章。
第1章介绍了安全系统工程的基本知识，使得读者能从安全系统工程角度理解工业生产与工业控制中的安全问题。
第2章介绍了工业控制系统的相关核心知识，对典型工业控制系统及其应用做了概述性介绍，并从安全保护层的角度出发，概括地介绍了工业生产过程及控制中的一些基本安全策略，包括工业报警、生产控制中的硬保护措施与软保护措施等。
第3章介绍了隶属于安全保护层的工业过程故障检测与设备状态监测技术，使读者了解相关的知识及其应用技术。
第4章和第5章重点介绍了安全保护层中重要的功能安全知识与安全仪表系统，阐述了功能安全的基本概念、安全仪表系统安全完整性等级评估与验证，并通过工程案例介绍了安全仪表系统在过程工业中的应用。
第6章介绍了工业互联时代新的安全问题—工业控制系统信息安全问题，阐述了工业控制系统信息安全的基础知识、工业控制系统漏洞、工业控制系统信息安全标准和工业控制网络安全监控技术等，从而使读者深刻地了解工业控制系统安全问题的本质，掌握提高工业控制系统信息安全的理论和技术，为工业控制系统安全运行保驾护航。
本书注重理论与实践相结合，所用案例都来自实际工业现场。全书内容具有很强的可读性、实用性、学科交叉性和新颖性。
本书可以作为高校自动化类、安全系统工程、网络空间安全等相关专业学生的教学用书，也可以作为工业控制系统安全相关人员的培训教材，还可以作为对工业过程控制及工业过程安全技术感兴趣的读者或技术人员的参考书。通过学习本书，希望读者能够全面了解工业生产过程控制中的基本安全技术及工业安全中的安全评估、安全监测、安全防护技术、安全生命周期等知识，为确保工业生产安全打下系统和扎实的基础。
本书由华东理工大学王华忠主编，南京工业大学吕波参与编写了部分内容。本书的编写得到了德国希马（上海）有限公司蒋卉和张薇薇、中国石化齐鲁分公司功能安全专家张国会等行业专家的支持。本书的出版获华东理工大学研究生教育基金资助，在此一并表示感谢。
本书在编写过程中，除了引用作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，无法将所有参考文献一一列出，在此对这些资料的作者表示由衷的感谢，同时也声明，所参考文献的版权属于原作者。
由于所著内容交叉性强，且受时间和作者水平限制，疏漏在所难免，恳请读者提出批评建议，以便进一步修订完善，作者的E-mail是hzwang@ecust.edu.cn。

编著者

前 言本书在阐述安全系统工程基本原理的基础上，以系统化的观点，从功能安全国际标准的安全保护模型出发，全面地阐述和分析了用于工业过程的工业控制系统、工业控制中典型的安全保护策略和功能安全技术在工业生产安全中的应用，包括本质安全技术、工业报警、故障检测与诊断、常规控制系统的工艺联锁及安全仪表系统的安全联锁，并对相关的技术原理、基本概念、安全完整性等级评估与验证等做了详细介绍。针对工业化与信息化深度融合对工业控制系统安全带来的挑战，本书对工业控制系统信息安全的现状、典型特征、工业控制系统的脆弱性、安全监控与防护、有关标准及安全评估等内容进行了深入介绍，并结合工业控制系统测试床开发实例，分析了测试床在工业控制系统信息安全中的作用。本书按照安全保护层的结构层次来统领各种安全策略，侧重于对工业控制系统及与工业过程相关的安全技术进行全面、系统和完整介绍。在内容安排上，既有传统的功能安全知识，又结合了*的安全仪表系统、工业控制系统信息安全等内容。同时结合实际工程案例剖析相关知识点，有利于培养读者在进行工业过程控制系统设计时的安全意识，以及针对工业过程的安全分析、评估和综合实施各类安全策略的能力。本书可以作为自动化类、安全系统工程、网络空间安全等相关专业大学本科生、研究生的教材，也可以作为工业企业安全技术人员、工业信息安全公司和相关工程设计技术人员的参考书。

男，工学博士，副教授、硕士生导师。长期从事工业控制系统应用开发、工业控制系统信息安全研究与应用，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；发表论文被SCI/EI收录10余篇；获得上海市教学成果一等奖2次、上海市育才奖、华东理工大学教学贡献奖、华东理工大学育英奖一等奖等荣誉。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 绪 论 （1） 
1.1 安全系统工程相关概念 （1） 
1.1.1 安全与安全标准 （1） 
1.1.2 安全系统 （1） 
1.1.3 系统工程 （2） 
1.1.4 安全系统工程 （2） 
1.2 安全系统工程的研究对象、内容与特点 （3） 
1.2.1 安全系统工程的研究对象 （3） 
1.2.2 安全系统工程的内容 （4） 
1.2.3 安全系统工程的特点 （6） 
1.3 工业生产安全 （7） 
1.3.1 工业生产安全问题 （7） 
1.3.2 工业生产安全的主要保障措施 （7） 
1.4 本书内容介绍与安排 （8） 
复习思考题 （10） 
第2章 工业控制系统及其基本安全策略 （11） 
2.1 工业控制系统概述 （11） 
2.1.1 工业自动化的一般概念 （11） 
2.1.2 工业控制系统的体系结构 （13） 
2.1.3 工业控制系统的组成 （18） 
2.2 工业控制系统的发展及其关键技术 （24） 
2.2.1 工业控制系统的发展 （24） 
2.2.2 控制装置（控制器）的类型 （29） 
2.2.4 工业控制系统人机界面技术 （37） 
2.2.5 工业控制系统控制器编程技术及语言规范 （39） 
2.2.6 工业控制系统的数据通信及其功能安全 （42） 
2.2.7 工业控制系统实时数据交换规范—OPC与OPC UA （44） 
2.3 集散控制系统 （48） 
2.3.1 集散控制系统概述 （48） 
2.3.2 集散控制系统的特点 （49） 
2.3.3 集散控制系统的组成 （50） 
2.4 监督控制与数据采集（SCADA）系统 （57） 
2.4.1 SCADA系统的概述 （57） 
2.4.2 SCADA系统的组成 （58） 
2.4.3 SCADA系统的应用 （61） 
2.4.4 SCADA系统、DCS与PLC的比较 （63） 
2.5 工业控制系统的报警功能与报警管理系统 （65） 
2.5.1 工业控制系统的报警功能 （65） 
2.5.2 工业过程先进报警系统（AAS）的功能设计 （69） 
2.6 工业生产的安全保护措施与联锁 （71） 
2.6.1 工业生产的安全保护措施 （71） 
2.6.2 常规控制系统的安全联锁功能 （74） 
2.7 工业控制系统电源、接地、防雷与环境适应性 （76） 
2.7.1 电源系统设计 （76） 
2.7.2 接地系统设计和防雷设计 （77） 
2.7.3 环境适应性设计技术 （79） 
复习思考题 （81） 
第3章　故障检测与诊断 （82） 
3.1 故障检测与诊断技术概述 （82） 
3.1.1 故障检测与诊断的基础知识 （82） 
3.1.2 故障诊断系统的性能指标 （85） 
3.1.3 故障诊断方法综述 （86） 
3.2 多变量统计故障诊断方法 （95） 
3.2.1 主元分析法和偏小二乘法 （95） 
3.2.2 基于主元分析的故障诊断方法 （98） 
3.2.3 基于变量贡献图的故障诊断 （100） 
3.2.4 基于核函数主元分析（KPCA）的非线性过程实时监测方法 （101） 
3.2.5 仿真示例 （104） 
3.3 人工神经网络及其在工业过程故障诊断中的应用 （112） 
3.3.1 BP神经网络基本原理 （112） 
3.3.2 BP神经网络在冷冻机组故障诊断中的应用 （115） 
3.4 支持向量机在工业过程故障诊断中的应用 （117） 
3.4.1 支持向量机原理与分类算法 （117） 
3.4.2 支持向量机故障诊断方法原理 （120） 
3.4.3 仿真示例 （121） 
3.5 多模态工业过程状态监测 （122） 
3.5.1 多模态工业过程状态监测概述 （122） 
3.5.2 MPCA及其在间歇过程状态监测中的应用 （123） 
3.6 机械设备状态监测与故障诊断 （127） 
3.6.1 机械设备状态监测与故障诊断概述 （127） 
3.6.2 机械设备状态监测中的信号处理 （131） 
复习思考题 （133） 
第4章 功能安全与安全仪表系统 （134） 
4.1 功能安全基础 （134） 
4.1.1 安全功能与功能安全 （134） 
4.1.2 危险与风险 （135） 
4.1.3 风险评估 （135） 
4.1.4 风险降低与保护层模型 （136） 
4.1.5 安全完整性等级 （139） 
4.1.6 必要的风险降低与SIL的关系 （140） 
4.1.7 安全生命周期 （141） 
4.2 安全仪表系统 （143） 
4.2.1 安全仪表系统的概念 （143） 
4.2.2 安全仪表系统的分类 （144） 
4.2.3 安全仪表系统与基本过程控制系统 （145） 
4.2.4 安全仪表系统的安全性与可用性 （147） 
4.2.5 安全仪表系统的种类及其特征 （148） 
4.2.6 安全仪表系统相关的主要参数 （155） 
4.3 风险评估与SIL定级 （158） 
4.3.1 过程危险分析 （158） 
4.3.2 主要的风险分析方法 （158） 
4.3.3 安全保护层分析（LOPA）与示例 （162） 
4.3.4 SIF的SIL确定方法 （164） 
4.4 安全仪表系统的结构及其可靠性分析与计算 （167） 
4.4.1 安全仪表系统的冗余结构及其定性分析 （167） 
4.4.2 安全仪表系统冗余结构的故障树分析 （170） 
4.4.3 安全仪表系统冗余结构的可靠性框图分析 （174） 
4.4.4 安全仪表系统冗余结构的马尔可夫模型分析 （178） 
4.5 安全仪表系统的设计与应用 （183） 
4.5.1 安全仪表系统的设计原则 （183） 
4.5.2 安全仪表系统的设计步骤 （184） 
4.5.3 SIF的PFD计算 （185） 
复习思考题 （186） 
第5章 安全仪表系统工程案例 （188） 
5.1 引言 （188） 
5.2 工艺流程概述 （188） 
5.2.1 工艺流程 （188） 
5.2.2 主要工艺参数 （189） 
5.3 废气处理站的安全完整性等级评估 （190） 
5.3.1 安全仪表系统的设计流程与风险评估中的参照标准 （190） 
5.3.2 废气处理站的安全完整性等级评估 （194） 
5.3.3 废气处理站燃烧器节点的HAZOP （196） 
5.3.4 废气处理站的LOPA与SIL等级确定 （199） 
5.4 废气处理站安全仪表系统的设计与验证 （206） 
5.4.1 SIS安全需求规范 （206） 
5.4.2 废气处理站安全仪表系统的SIF回路设计 （207） 
5.4.3 安全仪表系统的SIF验证 （209） 
5.5 基于HIMA安全仪表产品的废气站安全仪表系统实施 （213） 
5.5.1 希马公司的安全仪表产品介绍 （213） 
5.5.2 基于HIMA安全仪表的废气站安全仪表系统组态 （216） 
5.5.3 功能安全管理 （220） 
5.5.4 项目实施 （221） 
第6章 工业控制系统信息安全 （225） 
6.1 工业控制系统信息安全问题 （225） 
6.1.1 信息安全基础 （225） 
6.1.2　工业控制系统信息安全概述 （226） 
6.1.3　工业控制系统信息安全与IT系统信息安全的比较 （229） 
6.2　网络控制协议解析与漏洞分析 （230） 
6.2.1　Modbus/TCP协议解析 （230） 
6.2.2　IEC 60870-5-104远动规约协议解析 （233） 
6.2.3　工业控制系统的漏洞及其分析 （236） 
6.2.4　工业控制系统的典型通信协议漏洞分析 （240） 
6.2.5　网络扫描 （241） 
6.3　针对工业控制系统的攻击手段与攻击过程 （242） 
6.3.1　针对工业控制系统典型的攻击手段 （242） 
6.3.2　针对工业控制系统的攻击过程 （246） 
6.4　工业控制系统的安全监控工具 （248） 
6.4.1　协议分析器 （248） 
6.4.2　Libpcap抓包框架 （249） 
6.4.3　Snort入侵检测框架 （250） 
6.4.4　Wireshark分析框架 （253） 
6.5 工业控制系统信息安全防护 （256） 
6.5.1　工业控制系统的典型架构及其安全防护技术 （256） 
6.5.2　主要自动化公司的信息安全解决方案 （261） 
6.5.3　电力二次系统安全防护 （268） 
6.6 工业控制系统信息安全风险评估 （272） 
6.6.1　信息安全风险评估的概念 （272） 
6.6.2　典型风险评估方法及其对比 （272） 
6.6.3　工业控制系统信息安全风险评估分析 （275） 
6.7 工业控制系统信息安全标准 （280） 
6.7.1　工业控制系统信息安全相关标准规范的制定历程 （280） 
6.7.2 IEC 62443的主要内容 （281） 
6.8　工业控制系统入侵检测 （285） 
6.8.1　入侵检测系统的基本原理、分类及评估指标 （285） 
6.8.2　常用的入侵检测方法 （289） 
6.8.3　工业控制系统入侵检测案例分析 （290） 
6.9 一种控制器硬件的环工业控制系统测试床 （301） 
6.9.1　测试床的总体结构与通信方案 （301） 
6.9.2　测试床的被控物理过程介绍 （302） 
6.9.3　测试床开发 （303） 
6.9.4　测试床在工业控制系统信息安全中的作用 （313） 
复习思考题 （314） 
参考文献 （316）

前 言本书在阐述安全系统工程基本原理的基础上，以系统化的观点，从功能安全国际标准的安全保护模型出发，全面地阐述和分析了用于工业过程的工业控制系统、工业控制中典型的安全保护策略和功能安全技术在工业生产安全中的应用，包括本质安全技术、工业报警、故障检测与诊断、常规控制系统的工艺联锁及安全仪表系统的安全联锁，并对相关的技术原理、基本概念、安全完整性等级评估与验证等做了详细介绍。针对工业化与信息化深度融合对工业控制系统安全带来的挑战，本书对工业控制系统信息安全的现状、典型特征、工业控制系统的脆弱性、安全监控与防护、有关标准及安全评估等内容进行了深入介绍，并结合工业控制系统测试床开发实例，分析了测试床在工业控制系统信息安全中的作用。本书按照安全保护层的结构层次来统领各种安全策略，侧重于对工业控制系统及与工业过程相关的安全技术进行全面、系统和完整介绍。在内容安排上，既有传统的功能安全知识，又结合了*的安全仪表系统、工业控制系统信息安全等内容。同时结合实际工程案例剖析相关知识点，有利于培养读者在进行工业过程控制系统设计时的安全意识，以及针对工业过程的安全分析、评估和综合实施各类安全策略的能力。本书可以作为自动化类、安全系统工程、网络空间安全等相关专业大学本科生、研究生的教材，也可以作为工业企业安全技术人员、工业信息安全公司和相关工程设计技术人员的参考书。

男，工学博士，副教授、硕士生导师。长期从事工业控制系统应用开发、工业控制系统信息安全研究与应用，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；发表论文被SCI/EI收录10余篇；获得上海市教学成果一等奖2次、上海市育才奖、华东理工大学教学贡献奖、华东理工大学育英奖一等奖等荣誉。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。