《工业控制系统信息安全》课件-第三节 工业控制系统基础 -p1

内容SCADA(SupervisoryControlandDataAcquisition)数据采集与监督控制系统DCS(DistributedControlSystem)分布式控制系统PLC(ProgrammingLogicController)可编程控制器SCADA系统是一类功能强大的计算机远程监督控制与数据采集系统，它综合利用了计算机技术、控制技术、通信与网络技术，完成了对测控点分散的各种过程或设备的实时数据采集，本地或远程的自动控制，以及运行过程的全面实时监控、管理、安全控制和故障诊断、并为上级MES系统提供必要的数据接口和支持。2.1SCADA（数据采集与监控系统）分布式的数据采集系统（下位机）过程监控与管理系统（上位机）数据通信网络SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition）系统被设计为收集现场的信息，传输到中央计算机设施，并向操作员显示图形或文字的信息，从而使操作员能够从一个中央位置实时监视或控制整个系统。实现数据处理与控制调节、数据存储与系统交互的功能。2.1.1SCADA（数据采集与监控系统）现场网络通信网络控制网络监视与控制监视与控制RTU/PLC电力线通信、租用线路通信、卫星通信、数字微波接力通信等广域网通信技术.MTU、HMI、工程师站、操作员站、历史数据库上位机系统通常包括SCADA服务器、工程师站、操作员站、Web服务器等，这些设备通常采用以太网联网。2.1.2SCADA组成分布式的数据采集系统（下位机）过程监控与管理系统（上位机）数据通信网络上位机通过网络与在测控现场的下位机通信，并以各种形式、如声音、图形、报表等方式显示给用户，以达到监视的目的。同时数据经处理后，告知用户设备的状态，这些处理后的数据可能会保存到数据库中，也可能通过网络系统传输到不同的监控平台上，还可能与别的系统结合形成功能更加强大的系统；上位机还可以接受操作人员的指示，将控制指令发送到下位机中，以达到远程控制的目的。对于复杂的SCADA系统，可能包含多个上位机系统。即系统有一个总的监控中心外，还包括多个分监控中心，如对于大型电力系统，就包含多个地区监控中心。（1）历史数据服务器——收集下位机传来的数据，进行汇总；（2）Web服务器——负责监控中心的网络管理与上一级监控中心的连接；（3）人机界面（HMI）/控制服务器/操作员站——通常是SCADA客户端，在监控中心完成各种监督、管理和控制功能；（4）工程工作站——负责系统的组态、画面制作和系统的各种维护。2.1.2SCADA组成分布式的数据采集系统（下位机）过程监控与管理系统（上位机）数据通信网络数据采集与状态显示：各种分析与应用的基础远程监控：特别对于无人现场的意义报警与报警处理：故障信息及处理事故追忆和趋势分析：分析与评价必不可少的部分与其他系统的结合应用：ERP/MES/PCS工控一体化下位机一般来讲都是各种智能节点，这些下位机都有自己独立的系统软件和由用户开发的应用软件。该节点不仅能完成数据采集功能，而且还能完成设备或过程的直接控制。这些智能采集设备与生产过程各种检测与控制设备结合，实时感知设备各种参数的状态，各种工艺参数值，并将这些状态信号转换为数字信号，并通过各种通信方式将下位机信息传递到上位机系统中，并且接受上位机的监控指令。典型的下位机有远程终端单元RTU、可编程控制器PLC、PAC和智能仪表等。2.1.2SCADA组成（1）RTU（RemoteTerminalUnit）是安装在远程现场的电子设备，用来监视和测量安装在远程现场的传感器和设备，是SCADA系统的基本组成单元。RTU的主要作用是进行数据采集和本地控制，进行本地控制时作为系统中一个独立的工作站，这时RTU可以独立地完成连锁控制、前馈控制、PID等工业上常用的控制功能；进行数据采集时作为一个远程数据通信单元，完成或响应本站与中心站或其他站的通信和遥控功能。（2）各种中、小型PLC和可编程自动化控制器（ProgrammableAutomationController,PAC）。随着现场总线技术的发展，现场总线在以PLC为下位机的系统中的应用也不断增长。目前的PAC产品主要包括两类：一类是以基于PC控制思想和控制系统编程语言标准化的机会推出的PAC产品；另一类是传统的PLC制造商，直接把他们高端PLC就称为PAC。（3）智能仪表（IED）更侧重数据采集、信息集中管理与远程监管，而远程控制能力要求较低，大量使用各种现场仪表做下位机，如智能流量计量表、冷量热量表等。采用智能仪表控制后，下位机系统具有更强的控制功能。检测元件直接响应工艺变量，并转换为一个与之成对应关系的输出信号，这些信号可以是位移、电压、电流、电荷、频率、光量、热量等。如热电偶测温时，将被测温度转化为热电势信号；热电阻测温时，将被测温度转换为电阻信号。通信网络实现SCADA系统的数据通信，是SCADA系统的重要组成部分。大多具有地理分散的特点。在一个大型SCADA系统中，包含多种层次的网络，如设备总线，现场总线；在控制中心有以太网；在连接上、下位机的通信形式更是多样，既有有线通信，也有无线通信，有些系统还有微波、卫星等通信方式。SCADA系统中，上位机系统、下位机之间及下位机与智能设备之间多采用基带传输。2.1.2SCADA组成分布式的数据采集系统（下位机）过程监控与管理系统（上位机）数据通信网络2.1.3SCADA的结构发展基于专用计算机和专用操作系统的SCADA基于通用计算机的SCADA系统基于分布式计算机网络及关系数据库实现大范围联网的SCADA/EMS采用Internet技术、面向对象技术的与其他系统的集成，综合安全经济及商业化运营的需要。第一代第二代第三代第四代采用VAX等通用计算机、Unix操作系统资源、数据更加集成互联、集成、开放、安全2.1.3SCADA的结构发展客户/服务（C/S）浏览/服务(B/S)2.1.4SCADA的应用典型的电力SCADA系统结构图。该系统采用集中管理、分散布置的模式，分层、分布式的系统结构。系统由站内管理层、数据通信层、基础设备层组成，其中：（1）站内管理层实现变电所控制室对本变电所设备的监视、报警功能，并负责变电所综合自动化系统与综合监控系统之间的数据交换。（2）数据通信层实现变电所内管理层与基础设备层之间的通信。（3）基础设备层实现对基础设备数据的采集、测量等功能。系统还配置GPS精密对时设备，这是电力SCADA系统与一般行业SCADA系统的一个重要不同之处。2.1.4SCADA的应用在武广高铁上采用SCADA技术建立铁路防灾系统。武广高铁全长995公里，有10个车站，3个数据调度中心，分别位于武昌新火车站、长沙火车站和广州南站内。全线共设置155个防灾监控单元，包括2处监控数据处理设备，2处调度所监控设备。整个防灾监控系统采用贝加莱公司的SCADA产品。该系统实现了对远程无人值守站点、环境恶劣站点的监控。系统设有风速监测站109个、雨量监测站51个、异物监测站点125个，可以将暴风在机车运行时产生的影响，暴雨造成的潜在泥石流、路基受陷等潜在因素，以及在桥梁、隧道、山体等区段出现异物进入轨道与运行区域时，及时进行数据采集，并将上述数据上传给调度中心，以便能够及时给出调整。由于该SCADA系统的可靠运行对保障列车的运行安全和乘客的生命安全具有非常重要的作用。因此，在进行SCADA系统配置时，采用冗余设计，包括电源、机架、CPU、I/O和通信等。2.1.4SCADA的应用楼宇自动化的上位机通常采用组态软件开发，下位机主要是各种DDC控制器。上位机通过楼宇自动化系统的总线及其他通信协议与下位机通信，完成数据采集与集中监控功能。通常楼宇SCADA系统包括多个子系统，它们分别是高压配电监控系统、低压配电监控系统、供水监控系统、排污监控系统、中央空调系统、照明监控系统、电梯集群管理系统、停车场监控系统。2.1.4SCADA的应用SCADA系统在油气长距离输送中占有重要地位，它对油气输送有关的首站、门站、分输站、压气站、阀室、末站等场站设备进行监控。SCADA系统由调度中心、场站常规控制系统、安全仪表系统，以及连接调度中心和场站控制系统的通信网络组成。在控制层级上，具有控制中心级、站控、现场设备级和手动4级结构，可以选择一种模式进行操作。在正常情况下管道沿线各站无须人工干预，各站在调度中心的统一指挥下完成各自的工作。经调度中心授权后，可将控制权切换到站控级。当数据通信系统发生故障时，由站控级自动接管控制权，完成对本站的监视控制。当进行设备、通信系统检修或紧急停车时，才采用就地控制。2.1.4SCADA的应用除了上述领域，SCADA系统在以下领域也得到广泛使用：无人工作站系统：用于集中监控无人看守系统的正常运行；生产线管理：用于监控和协调生产线上各种设备正常有序的运营；大型设备远程监控；重要危险源的远程监控；其他生产和生活相关行业，如粮库质量和安全监测、油库安全等。2.1.5SCADA的安全性讨论从计算机系统到电力系统方面，一个对SCADA系统可能的网络威胁是公认的。一个攻击最大的影响是：当一个入侵者获得了一个SCADA系统的监督控制权限并且发送了可能导致灾难性损害的控制命令。一个更紧密的集成可能导致新的脆弱性。SCADA系统连接到因特网上所伴随的脆弱性风险已经被知晓。当可能的网络威胁增加时，各种电力实体之间的信息交换中的安全问题更具挑战性。日益增长的对因特网上通信的依赖增加了问题的重要性和规模。有关SCADA系统的安全意识和人员培训是极其重要的。一个比较不同的安全准则和标准的报告”SecurityforInformationSystemsandIntranetsforElectricPowerSystems,”(2007)已经被提出，以强调SCADA系统网络安全的关键要素。在报告InformationSecurity:TechnologiestoSecureFederalSystems(2007)中确定的网络安全技术解决了防御的有效性。SCADA测试床的开发是一个有效的方式去鉴别电力基础设施网络安全的脆弱性。现场总线控制网络利用总线技术（如Profibus等）将传感器/计数器等设备与PLC以及其他控制器相连，PLC或者RTU可以自行处理一些简单的逻辑程序，不需要主系统的介入即能完成现场的大部分控制功能和数据采集功能，如控制流量和温度或者读取传感器数据，是的信息处理工作实现现场化。现场总线控制网络，位于作业现场、环境复杂，部分控制网络采用各种接入作为网络的延伸（无线、微波）现场总线控制网络实时性要求及工业控制系统通信协议私有性的局限，在这些访问过程中多数情况并未实现基本访问控制及认证机制。现场总线缺少工控网络安全审计与检测及入侵防御措施与现场总线相连的控制组件（PLC，DCS）存在自身的安全隐患2.1.5SCADA的安全性讨论过程控制与监控网络因其具有监控、数据存储和控制的原因，可能有：不安全的移动维护设备（便携式计算机、移动存储）的未授权接入，而造成木马病毒传播。监控网络与RTU/PLC的不安全无线通信，可能被利用以攻击工业控制系统。SCADA的现场设备和过程控制层主要使用现场总线协议和工业以太网协议。现场总线协议在设计时缺乏安全考虑、缺少认证、授权和加密，数据以明文传输；工业以太网知识对控制协议进行简单的封装如CIP封装为EtherNet/IP，ModBus封装为ModBus/TCP2.1.5SCADA的安全性讨论DCS(DistributedControlSystem)

系统用于控制在同又称为集散式控制系统，是工业控制系统的组成部分。DCS是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机、通信、终端显示（GRT）和控制技术发展起来的信息控制系统。其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。2.2.1DCS（分布式控制系统）分散控制集中操作分级管理配置灵活组态方便操作员站工程师站监控计算机现场控制站数据采集站通信系统DCS被用于控制在同一地理位置的工业生产系统。DCS是一个过程控制和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统:计算机、通信、终端显示、控制。2.2.1DCS的体系结构一个最基本的DCS应包括四大组成部分：至少一台现场控制站，至少一台操作员站，一台工程师站（也可利用一台操作员站兼做工程师站），一条系统网络。在工业控制系统中，数据传输的特点是需要周期性的进行传输，每次传输的数据量不大而传输次数比较频繁，而且要求在确定的时间完成传输，这些应用需求的特点不太适宜使用以太网。但是由于以太网应用的广泛性和成熟性，特别是它的开放性，使得大多数DCS厂家都转向了以太网。典型的DCS体系结构2.2DCS（分布式控制系统）现场总线技术进入DCS后的系统体系结构图所示为一个采用了现场总线技术以后的DCS体系结构，将现场总线引入现场，实现了现场I/O和现场总线仪表与现场控制站主处理器的连接，那么DCS结构将发生很大的改变。第一，现场信号线的连接方式将从1:1的模拟信号线连接改变为1:n的数字网络连接；第二，现场控制站中有很大一部分设备将被安装在现场，形成分散安装、分散调试、分散运行和分散维护；第三，回路控制的实现方式将发生改变，由于现场I/O和现场总线仪表已经具备了回路控制计算的能力，可将回路控制的功能下放给它们，实现更加彻底的分散。2.2DCS（分布式控制系统）2.2.2DCS的软件DCS的软件基本构成跟随硬件被分为现场控制站软件、操作员站软件和工程师站软件和网络软件。从软件的功能层次看，系统可分为以下三个层次：（1）直接控制层软件——完成系统的直接监控功能；（2）监督控制层软件——完成系统的监督控制和人机界面功能；（3）高层管理软件——完成系统的高层生产调度管理功能。按照上述的三个功能层次，系统将具有直接控制、监督控制和高级管理这三个层次的数据库。直接控制层和监督控制层的数据库主要是指实时数据库，比较注重数据访问的实时性，因此都是建立在内存之中的，容量一般在MB级别。高级管理层的数据库，数据量庞大采用集中数据库的方式。由于DCS的分布结构，其数据库也必然是一种分布结构，必须借助网络通信。本地数据库有时还需其他节点的数据，可从网络上传送过来，这种操作被称为数据的引用。如何保证这种引用快速、准确及尽量少地占有网络资源，这就是系统体系结构设计所要解决的问题，其中包括网络规约、网络通信的方式、物理I/O点的分站设计及各类功能软件如何分布的设计等。2.2.3DCS的硬件现场控制站的物理结构及硬件构成在物理结构方面，一般来说，一个现场控制站，包括输入/输出模块、主控模块及现场信号电缆相连接的端子排等。在硬件上，DCS的现场控制主要由以下几个部分组成：过程量I/O，主控单元，电源，通信网络等。2.DCS的物理结构及网络硬件在实际工程中，还必须具体决定网络的拓扑结构和物理结构，包括采用什么样的网络设备，如何组网和划分网段等。在网络硬件方面，包括网络线、网络接口板、网络连接器、集线器、交换器、路由器、重复器、网关及网桥等，应该注意的是其环境自适应能力，特别是网络的传输介质。由于DCS网络，特别是现场总线网络是连接各个现场设备的，其网络线是在工业现场敷设的，因此对恶劣环境的耐受力，如温度、湿度、腐蚀性气体和液体、电磁干扰等都有很高的要求。在网络布线方面，除要求网络线应该具有电磁屏蔽层，还应该对网络线进行防护。在系统中各个设备通过网络实现连接时，应特别注意接地问题。2.2.4DCS的发展第四代DCS都包含了各种形式的现场总线接口，可以支持多种标准的现场总线仪表、执行机构等。此外，DCS还改变了原来机柜式安装I/O模块、相对集中的控制站结构，取而代之的是进一步分散的I/O模块或小型化的I/O组件及各种中小型的PLC。分布式控制的一个重要优点是逻辑分割，工程师可以方便地把不同设备的控制功能按设备分配到不同的合适控制单元上。另外的优点是各个控制单元分布安装在被控设备附近，即节省电缆，又可以提高该设备的控制速度。当今的DCS厂商更强调的系统集成性和方案能力，DCS中除保留传统DCS所实现的过程控制功能之外，还继承了PLC、RTU、FCS