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  • 工业控制网络

    2012-11-26 17:03:35
    现场总线 哈尔滨工业大学 李中伟主讲教师,工业控制网络
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  • 工业控制网络概述

    2020-08-09 16:26:29
    《现场总线及工业控制网络》 汤旻安 机械工业出版社 1控制网络 工业网络是一种特殊的,用于工业自动化领域去完成自动控制任务的计算机网络。 企业网络是一种通过各项事务协调动作,从而实现企业集成管理和控制的一种...

    ——
    参考自:
    《现场总线技术及应用教程(第二版)》 王永华 机械工业出版社
    《现场总线及工业控制网络》 汤旻安 机械工业出版社

    1控制网络

    工业网络是一种特殊的,用于工业自动化领域去完成自动控制任务的计算机网络。
    企业网络是一种通过各项事务协调动作,从而实现企业集成管理和控制的一种网络环境。

    1.1概述

    工业企业网络一般包含两部分:
    在这里插入图片描述

    1. 处理工业控制系统管理与决策信息的信息网络,位于企业网络中上层
    2. 处理控制现场实时测控信息的控制网络,位于企业网络中下层

    控制网络是指将具有数字通信能力的测量控制仪表作为网络节点,采用公开、规范的通信协议,把控制设备连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统。
    控制网络不仅要把生产现场设备的运行参数、状态,以及故障信息等送往控制室,还要将各种控制、维护、组态等命令送往现场总线中;同时控制网络还要在与操作终端、上层管理网络的数据连接和信息共享中发挥作用。

    控制网络经历从集成控制系统(CCS)到集散控制系统,再到现场总线控制系统(FCS)的发展过程。

    1.2控制网络和信息网络的差异

    控制网络技术由计算机技术发展而来,与通用的信息网络有很多相似之处以及不同点。

    1. 控制网络的数据传输与系统处理对实时性的要求远高于信息网络
    2. 控制网络能在恶劣环境中保持稳定完整的数据传输

    1.3控制网络的简单分类

    1. 传统的控制网络:DCS、基于PLC的控制系统
    2. 基于现场总线技术
    3. 基于实时工业以太网技术
    4. 基于工业无线网络技术

    2工业网络的结构

    按网络连接结构,一般将企业的网络系统划分为:
    在这里插入图片描述
    其中Intranet属于局域网。
    ——————————————————————
    按网络功能划分:
    在这里插入图片描述

    1. ERP属于广域网层次,采用以太网技术实现;
    2. MES属于局域网层次,采用以太网或其他专用网络技术实现;传统概念上的监控、计划、管理、调度等多项管理控制功能交错的部分都包括在了中间的制造执行层中。
    3. 现场总线采用开放的、符合国际标准的控制网络技术实现;

    ERP(企业资源计划,Enterprise Resource Plan)是指将企业的物流、资金流、信息流进行一体化管理的系统,强调有效地管理和利用企业的整体资源。

    3现场总线在工业网络中的位置和作用

    现场总线属于工业网络中控制网络的范畴,在工业网络的功能层次结构中处于底层的位置,是构成整个工业网络的基础。

    现场总线的主要作用:

    1. 进行过程数据采集
    2. 进行直接的数字控制
    3. 进行设备和系统的检测和诊断
    4. 实施安全性和荣誉方面的措施
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    2.6 典型工业领域的工业控制网络

    本文讲的是工业控制网络安全技术与实践一2.6 典型工业领域的工业控制网络,工业控制系统是工业控制网络的服务对象。一些通过信息技术手段对工业控制系统实施的攻击都是通过工业控制网络完成的,因此保护好工业控制网络的安全,就能预防工业控制系统的非法入侵等攻击行为。为此,有必要了解一些具体行业的工业控制网络。
    2.6.1 钢铁行业的工业控制网络
    钢铁行业工业以太网一般采用环网结构,为实时控制网,负责控制器、操作员站及工程师站之间过程控制数据实时通信,网络上所有操作员站、数采机及PLC都使用以太网接口并设置为同一网段IP地址,网络中远距离传输介质为光缆,本地传输介质为网线(如PLC与操作员站之间)。生产监控主机利用双网卡结构与管理网相连。图2-16是典型钢铁厂网络拓扑图。
    1)垂直划分为互联网层、办公网层、监控层、控制层及现场层(仪表)。
    2)水平划分为不同功能区域(烧结、炼铁、炼钢、轧钢等)。

    原文标题:工业控制网络安全技术与实践一2.6 典型工业领域的工业控制网络

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  • 本节书摘来自华章出版社《工业控制网络安全技术与实践》一 书中的第2章,第2.6节,作者:姚 羽 祝烈煌 武传坤 ,更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。 2.6 典型工业领域的工业控制网络 工业...

    本节书摘来自华章出版社《工业控制网络安全技术与实践》一 书中的第2章,第2.6节,作者:姚 羽 祝烈煌 武传坤  ,更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

    2.6 典型工业领域的工业控制网络

    工业控制系统是工业控制网络的服务对象。一些通过信息技术手段对工业控制系统实施的攻击都是通过工业控制网络完成的,因此保护好工业控制网络的安全,就能预防工业控制系统的非法入侵等攻击行为。为此,有必要了解一些具体行业的工业控制网络。
    2.6.1 钢铁行业的工业控制网络
    钢铁行业工业以太网一般采用环网结构,为实时控制网,负责控制器、操作员站及工程师站之间过程控制数据实时通信,网络上所有操作员站、数采机及PLC都使用以太网接口并设置为同一网段IP地址,网络中远距离传输介质为光缆,本地传输介质为网线(如PLC与操作员站之间)。生产监控主机利用双网卡结构与管理网相连。图2-16是典型钢铁厂网络拓扑图。
    1)垂直划分为互联网层、办公网层、监控层、控制层及现场层(仪表)。
    2)水平划分为不同功能区域(烧结、炼铁、炼钢、轧钢等)。
    2.6.2 石化行业的工业控制网络
    典型情形下,现有的炼化厂生产控制系统的网络拓扑图如图2-17所示。大型石油化工产业控制系统庞大,安全要求高,现场由多个控制系统完成控制功能。大型石油化工工程全厂DCS采用大型局域网架构,网络架构较为复杂。现场的主要控制功能都是由DCS来完成的,其他系统的集中控制在某种程度上可以完全由DCS监控。DCS含有大量的数据接口,是构建企业信息化的数据来源与执行机构。除DCS外的其他系统一般对外并没有数据接口(无生产数据),且相对独立,网络结构简单。
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    图2-16 典型钢铁厂网络拓扑图
    主要控制系统的功能如下所示。
    (1)分布式控制系统(DCS)
    DCS完成生产装置的基本过程控制、操作、监视、管理、顺序控制、工艺联锁,部分先进过程控制也在DCS中完成。大型石油化工工程全厂DCS采用大型局域网架构。根据生产需求、系统规模和总图布置划分为若干独立的局域网,确保每套生产装置独立开停车和正常运行。
    (2)安全仪表系统(SIS)
    SIS设置在现场机柜室(FAR),与DCS独立设置,以确保人员及生产装置、重要机组和关键设备的安全。SIS按照故障安全型设计,与DCS实时数据通信,在DCS操作员站上显示。大型石油化工工程全厂SIS采用局域网架构。根据生产需求、系统规模和总图布置划分为若干独立的局域网,确保采用SIS的生产装置独立开停车和安全运行。
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    图2-17 典型炼化厂网络拓扑图
    (3)可燃/有毒气体检测系统(GDS)
    生产装置、公用工程及辅助设施内可能泄漏或聚集可燃、有毒气体的地方分别设有可燃、有毒气体检测器,并将信号接至GDS。
    (4)压缩机控制系统(CCS)
    压缩机控制系统完成压缩机组的调速控制、防喘振控制、负荷控制及安全联锁保护等功能,并与装置的DCS 进行通信,操作人员能够在DCS操作员站上对机组进行监视和操作。
    (5)转动设备监视系统(MMS)
    MMS用于主要透平机、压缩机和泵等转动设备参数的在线监视,同时对转动设备的性能进行分析和诊断,对转动设备的故障预测维护进行有力的支持。
    (6)可编程逻辑控制系统(PLC)
    操作控制相对比较独立或特殊的设备的控制监视和安全保护功能原则上采用独立的PLC 控制系统。与DCS 进行数据通信,操作人员能够在DCS操作员站上对设备的运行进行监视与操作。
    (7)在线分析仪系统(PAS)
    在线分析仪(工业色谱仪、红外线分析仪等)应包括采样单元、采样预处理单元、分析器单元、回收或放空单元、微处理器单元、通信接口(网络与串行)、显示器(LCD)单元和打印机等。
    2.6.3 电力行业的工业控制网络
    大型电厂全厂DCS采用大型局域网架构,网络架构较为复杂。以下是DCS 网络的架构说明。
    (1)L1基础控制层
    该层网络完成控制生产过程的功能,主要由工业控制器、数据采集卡件,以及各种过程控制输入输出仪表组成,也包括现场所有的系统间通信。可以本地实现连续控制调节和顺序控制、设备检测和系统测试与自诊断、过程数据采集、信号转换、协议转换等功能。
    (2)L2监控层
    该层包含各个分装置的工程师站以及操作员站,可以对生产过程进行生产过程的监控、系统组态的维护、现场智能仪表的管理。事实上,由L1 和L2 层就能进行产品的正常生产,但是在大型电厂中,为了实现生产管理智能化以及信息化,通常都会设置L3 及以上的网
    络层。
    (3)L3 操作管理层(集控CCR)
    DCS管理层网络通过L3级交换机汇聚各分区L2层的LAN。设置全局工程师站可以对分区内所有装置的组态进行维护,查看网络内各装置的监控画面、趋势和报警。L3层设置的中心OPC服务器,可以实现对各装置实时数据的采集。
    (4)L4调度管理层(厂级SIS)
    SIS是实行生产过程综合优化服务的实时管理和监控系统,它将全厂DCS、PLC以及其他计算机过程控制系统(Process Control System,PCS)汇集在一起,并与管理信息系统(Management Information System,MIS)有机结合,在整个电厂内实现资源共用、信息共享,做到管控一体化。
    典型情形下,现有的火电厂生产控制系统的网络拓扑图如图2-18所示。
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    图2-18 现有的火电厂生产控制系统的网络拓扑图
    2.6.4 市政交通行业的工业控制网络
    地铁综合监控系统的总体架构如图2-19所示。它由中央综合监控系统、车站综合监控系统(包括车辆段综合监控系统)以及将它们连接的综合监控系统骨干网组成。
    (1)中央综合监控系统
    中央综合监控系统安装在线路监控中心,用于监视全线各个车站(包括车辆段)的各个子系统的运行状态,完成中心级的操作控制功能。中央综合监控系统由中央监控网、OCC(Operating Control Center,运行控制中心)实时服务器、历史和事件服务器、磁盘阵列、磁带记录装置、各类操作员工作站、中心互联系统、UPS、打印机、机柜和附件等部分组成。此外,还有全系统的网络管理系统(NMS)、大屏幕系统(OPS)。
    (2)车站综合监控系统
    车站级监控网为双冗余高速交换式以太网,数据传输率为100 Mbit/s或1 000 Mbit/s,遵循IEEE 802.3标准、使用TCP/IP 协议,网络交换机为冗余配置。
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    图2-19 典型的综合监控系统架构图
    (3)综合监控系统骨干网
    综合监控系统骨干网(MBN)可采用地铁工程通信骨干网的传输信道,也可单独组建骨干网。地铁综合监控系统是一个地理分散的大型SCADA 系统。它构建在分布于方圆几十千米的广域网上。

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  • 本节书摘来自华章出版社《工业控制网络安全技术与实践》一 书中的第1章,第1.1节,作者:姚 羽 祝烈煌 武传坤 ,更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。 1.1 工业控制系统与工业控制网络概述 ...

    本节书摘来自华章出版社《工业控制网络安全技术与实践》一 书中的第1章,第1.1节,作者:姚 羽 祝烈煌 武传坤  ,更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

    1.1 工业控制系统与工业控制网络概述

    为了全面理解工业控制网络和工业控制系统,我们需要首先了解其基本概念,本节主要介绍工业控制系统和工业控制网络的基本概念,以及二者的区别和联系,然后介绍工业控制网络和传统IT信息网络的区别。
    1.1.1 什么是工业控制系统
    工业控制系统(Industrial Control System,ICS)是指由计算机与工业过程控制部件组成的自动控制系统,它由控制器、传感器、传送器、执行器和输入/输出接口等部分组成。这些组成部分通过工业通信线路,按照一定的通信协议进行连接,形成一个具有自动控制能力的工业生产制造或加工系统。控制系统的结构从最初的CCS(计算机集中控制系统),到第二代的DCS(分布式控制系统),发展到现在流行的FCS(现场总线控制系统)。随着智能化工业的发展,基于以太网的工业控制系统得以迅速发展[1]。
    根据中华人民共和国公共安全行业标准中的信息安全等级保护工业控制系统标准,可将通用的工业企业控制系统层次模型按照不同的功能从上到下划分为5个逻辑层,依次为企业资源层、生产管理层、过程监控层、现场控制层和现场设备层。
    根据不同的层次结构划分,各个层次在工控系统中发挥不同的功能。
    在通用的工业企业控制系统中,各层次的功能单元和资产组件映射模型如图1-1所示。
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    图1-1 通用工业企业功能单元和资产组件映射模型
    企业资源层主要通过ERP系统为企业决策层及员工提供决策运行手段。该层次应重点保护与企业资源相关的财务管理、资产管理、人力管理等系统的软件和数据资产不被恶意窃取,硬件设施不遭到恶意破坏。
    生产管理层主要通过MES为企业提供包括制造数据管理、计划排程管理、生产调度管理等管理模块。该层次应重点保护与生产制造相关的仓储管理、先进控制、工艺管理等系统的软件和数据资产不被恶意窃取,硬件设施不遭到恶意破坏。
    过程监控层主要通过分布式SCADA系统采集和监控生产过程参数,并利用HMI系统实现人机交互。该层次应重点保护各个操作员站、工程师站、OPC服务器等物理资产不被恶意破坏,同时应保护运行在这些设备上的软件和数据资产,如组态信息、监控软件、控制程序/工艺配方等不被恶意篡改或窃取。
    现场控制层主要通过PLC、DCS控制单元和RTU等进行生产过程的控制。该层次应重点保护各类控制器、控制单元、记录装置等不被恶意破坏或操控,同时应保护控制单元内的控制程序或组态信息不被恶意篡改。
    现场设备层主要通过传感器对实际生产过程的数据进行采集,同时,利用执行器对生产过程进行操作。该层次应重点保护各类变送器、执行机构、保护装置等不被恶意破坏。
    1.1.2 什么是工业控制网络
    目前,工业控制网络还没有一个标准的定义。在一些学术文章和相关文献中,通常将工业控制网络定义为以具有通信能力的传感器、执行器、测控仪表作为网络节点,以现场总线或以太网等作为通信介质,连接成开放式、数字化、多节点通信,从而完成测量控制任务的网络。
    工业控制网络就是工业控制系统中的网络部分,是一种把工厂中各个生产流程和自动化控制系统通过各种通信设备组织起来的通信网络。工业控制系统包括工业控制网络和所有的工业生产设备,而工业控制网络只侧重工业控制系统中组成通信网络的元素,包括通信节点(包括上位机、控制器等)、通信网络(包括现场总线、以太网以及各类无线通信网络等)、通信协议(包括Modbus、Profibus等)。
    从前面的定义可以看出,工控网络由多个“网络节点”构成,这些网络节点是指分散在各个生产现场,具有相应数字通信能力的测量控制仪器。它采用规范、公开的通信协议,把现场总线当作通信连接的纽带,从而使现场控制设备可以相互沟通,共同完成相应的生产任务。
    实现测量监控是工业控制网络的基本任务,因此工业控制网络特别强调数据传输的完整性、可靠性和实时性,这就要求工业控制网络能够提供相应的实时通信功能。
    从发展过程来看,工控网络经历了从传统控制网络到现场总线,再到目前研究非常广泛的无线网络以及工业以太网的道路。
    20世纪90年代以前,大多数控制系统一般采用专用硬件、软件和通信协议,有独立的操作系统,系统之间的互联要求也不高,因此几乎不存在网络安全风险。随着科技的发展,现场总线技术兴起,并已被广泛应用于连接现场设备,如控制器、传感器与执行器等,其定义、规格、实现和市场等日趋成熟。
    随着应用需求的提高,现场总线的高成本、低速率、难于选择以及难于互连、互通、互操作等问题逐渐显露,将以太网应用于工控网络构成工业以太网成为解决上述问题的有效手段。现有的工业以太网大致可以分为软实时工业以太网、硬实时工业以太网、同步硬实时工业以太网以及非实时工业以太网。不同类型的以太网在传输率、传输距离、实时和非实时调度以及应用模式方面各有不同,可在不同工业场景下发挥其作用。
    随着无线通信技术的发展以及工业生产的需求,无线通信技术也逐渐进入工业控制领域,降低了设备的安装复杂度,减少了线缆,配置灵活,使用方便。特别是在“智能制造2025”国家战略的牵引下,智慧工厂蓬勃发展,无线工控网络将大展拳脚。
    目前,我国各领域的关键基础设施、各行业的自动化控制均依赖工业控制系统和工业控制网络。如工控网络总线技术应用于先进的城轨交通中,它不仅被应用于牵引、制动、空调、照明和通风等系统的控制,还应用于系统的故障诊断分析以及车辆行为安全相关的一些检测设备,如火灾报警等,并能根据需要对设备进行远程控制。因此,工控网络的安全性是一切涉及国计民生事件平稳运行的前提。
    但是,多年来企业更关注管理传统网络领域的安全问题,许多企业对工业控制网络安全存在认识上的误区:认为工业控制网络没有直接接入互联网,入侵者无法通过工业控制网络攻击工业控制系统。而实际的情况是,企业的许多控制网络都是“开放的”,系统之间没有有效的隔离。进一步,采用最新技术的黑客和恶意软件甚至可以有效入侵物理隔离的网络。因此,随着信息化的推动和工业化进程的加速,工厂信息网络、移动存储介质、因特网等其他因素导致的信息安全问题正逐渐向工业控制网络扩散,这将直接影响工控网络的安全与稳定,必须引起足够的重视。
    1.1.3 工业控制网络与传统IT信息网络
    从大体上看,工业控制网络与传统IT信息网络在网络边缘、体系结构和传输内容三大方面有着主要的不同[2]。
    网络边缘不同:工控系统在地域上分布广阔,其边缘部分是智能程度不高的含传感和控制功能的远动装置,而不是IT系统边缘的通用计算机,两者之间在物理安全需求上差异很大。
    体系结构不同:工业控制网络的结构纵向高度集成,主站节点和终端节点之间是主从关系。传统IT信息网络则是扁平的对等关系,两者之间在脆弱节点分布上差异很大。
    传输内容不同:工业控制网络传输的是工业设备的“四遥信息”,即遥测、遥信、遥控、遥调。
    此外,还可以从性能要求、部件生命周期和可用性要求等多方面,进一步对二者进行对比,详细内容如表1-1所示。
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    工业控制系统安全涉及计算机、自动化、通信、管理、经济、行为科学等多个学科,同时拥有广泛的研究和应用背景。
    两化融合后,IT系统的信息安全也被融入了工控系统安全中。不同于传统的生产安全(Safety),工控系统网络安全(Security)是要防范和抵御攻击者通过恶意行为人为制造生产事故、损害或伤亡。可以说,没有工控系统网络安全就没有工业控制系统的生产安全。只有保证了系统不遭受恶意攻击和破坏,才能有效地保证生产过程的安全。虽然工业控制网络安全问题同样是由各种恶意攻击造成的,但是工业控制网络安全问题与传统IT系统的网络安全问题有着很大的区别。

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  • 本文讲的是工业控制网络安全技术与实践一1.1.2 什么是工业控制网络,目前,工业控制网络还没有一个标准的定义。在一些学术文章和相关文献中,通常将工业控制网络定义为以具有通信能力的传感器、执行器、测控仪表作为...
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