《工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全》課件-第四節(jié) 工業(yè)控制系統(tǒng)架構(gòu)

典型的工業(yè)控制系統(tǒng)由管理、監(jiān)測、控制、執(zhí)行和顯示環(huán)節(jié)組成。3.1.1工業(yè)控制系統(tǒng)架構(gòu)管理監(jiān)測控制執(zhí)行3.1.1工業(yè)控制系統(tǒng)架構(gòu)制造執(zhí)行系統(tǒng)（ManufacturingExecutionSystem）層3.1.2工業(yè)控制系統(tǒng)架構(gòu)組成制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）層包括工廠信息管理系統(tǒng)（PIMS）、先進(jìn)控制系統(tǒng)（APC）、歷史數(shù)據(jù)庫、計(jì)劃排產(chǎn)、倉儲(chǔ)管理等。工廠信息管理系統(tǒng)（ProcessInformationManagementSystem,PMIS）：根據(jù)企業(yè)在信息化時(shí)代生產(chǎn)過程中的實(shí)際需求而推出的一款管理軟件圖3-2PIMS軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（左側(cè)可接各具體的功能系統(tǒng)；中間部分從上到下依次為服務(wù)器層，系統(tǒng)界面層和數(shù)據(jù)庫層；右側(cè)為數(shù)據(jù)通訊接口，完成數(shù)據(jù)采集。PIMS可用Apache+Mysql/MariaDB+Perl/PHP/Python的模塊實(shí)現(xiàn)，服務(wù)架構(gòu)+數(shù)據(jù)庫+界面與應(yīng)用。）制造執(zhí)行系統(tǒng)（ManufacturingExecutionSystem）層3.1.2工業(yè)控制系統(tǒng)架構(gòu)組成制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）層包括工廠信息管理系統(tǒng)（PIMS）、先進(jìn)控制系統(tǒng)（APC）、歷史數(shù)據(jù)庫、計(jì)劃排產(chǎn)、倉儲(chǔ)管理等。先進(jìn)控制系統(tǒng)（AdvancedProcessControl,APC）：先進(jìn)控制系統(tǒng)就是以先進(jìn)過程控制技術(shù)為核心的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。其主要通過對被控對象運(yùn)行過程中產(chǎn)生的大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘與分析，建立系統(tǒng)運(yùn)行模型，利用系統(tǒng)模型進(jìn)行多變量實(shí)時(shí)優(yōu)化控制。APC-PIMS軟件功能結(jié)構(gòu)展示了PIMS數(shù)據(jù)流向(data-driven)。APC-PIMS軟件功能結(jié)構(gòu)及APC-PIMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向圖過程監(jiān)控層3.1.2工業(yè)控制系統(tǒng)架構(gòu)組成過程監(jiān)控層包括數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）、OPC服務(wù)器、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、監(jiān)控中心等。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）OPC（ObjectiveLinkingandEmbeddingforProcessControl）服務(wù)器：是一種利用微軟的COM/DCOM技術(shù)來達(dá)成自動(dòng)化控制的協(xié)定系統(tǒng)集成商和開發(fā)商急切需要一種具有高效性、可靠性、開放性、可互操作性的即插即用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。在這種情況下，OPC標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生。

OPC標(biāo)準(zhǔn)以微軟公司的OLE技術(shù)為基礎(chǔ)，它的制定是通過提供一套標(biāo)準(zhǔn)的OLE/COM接口完成的，在OPC技術(shù)中使用的是OLE2技術(shù)，OLE標(biāo)準(zhǔn)允許多臺微機(jī)之間交換文檔、圖像等對象。

現(xiàn)場控制層3.1.2工業(yè)控制系統(tǒng)架構(gòu)組成現(xiàn)場控制層包括數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）、分散型控制系統(tǒng)（DCS）、安全儀表控制系統(tǒng)（SIS）、可編程邏輯控制系統(tǒng)（PLC）等。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）SCADADCSPLCSIS，safetyinstrumentedsystem,安全儀表系統(tǒng):為了實(shí)現(xiàn)工廠控制系統(tǒng)中報(bào)警和安全聯(lián)鎖，對控制系統(tǒng)中檢測的結(jié)果實(shí)施報(bào)警動(dòng)作或調(diào)節(jié)或停機(jī)控制，是工廠企業(yè)自動(dòng)控制中的重要組成部分?，F(xiàn)場設(shè)備層3.1.2工業(yè)控制系統(tǒng)架構(gòu)組成現(xiàn)場設(shè)備層包括遠(yuǎn)程終端單元、現(xiàn)場儀表和其他控制設(shè)備。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）遠(yuǎn)程終端裝置（RemoteTerminalUnit，RTU）是用于監(jiān)視、控制與數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用控制設(shè)備，具有遙測、搖信、搖調(diào)、遙控等功能。智能電子設(shè)備：由一個(gè)或多個(gè)處理器組成，從外部源接收和傳送數(shù)據(jù)或控制外部源的任何設(shè)備（即電子多功能儀表、微機(jī)保護(hù)、控制器），在特定的環(huán)境下接口所限定范圍內(nèi)能夠執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)任務(wù)的實(shí)體。IED處理流程圖工業(yè)機(jī)器人廣泛使用于各個(gè)行業(yè)，尤其是3C行業(yè)、汽車行業(yè)等行業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)線?，F(xiàn)場設(shè)備層3.1.2工業(yè)控制系統(tǒng)架構(gòu)組成腦系統(tǒng)方面：硬件方面有CPU、內(nèi)存和閃存存儲(chǔ)器。軟件方面有嵌入式GNU、X86架構(gòu)、支持C++、python以及java的編程環(huán)境等。人機(jī)交互方面：視頻和音頻方面有攝像頭、還有多聲道揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)和按鈕。環(huán)境傳感器方面：有激光、紅外、聲吶的發(fā)生器與接收器、力敏電阻器、接觸傳感器和物理慣性單元。機(jī)械體方面：有執(zhí)行體及傳感器、物理慣性單元、機(jī)械臂、傳動(dòng)機(jī)制和電機(jī)。能量方面：機(jī)器人電池、電源和電池充電器等。通信與網(wǎng)絡(luò)方面：由關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)編碼、現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)和藍(lán)牙等。鋼鐵冶金行業(yè)3.2典型工業(yè)領(lǐng)域的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)鋼鐵行業(yè)工業(yè)以太網(wǎng)一般采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，為實(shí)時(shí)控制網(wǎng)，負(fù)責(zé)控制器、操作員站級工程師站之間過程控制數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通信，網(wǎng)絡(luò)上所有操作員站、數(shù)采機(jī)及PLC都使用以太網(wǎng)接口并設(shè)置為同一網(wǎng)段IP地址，網(wǎng)絡(luò)中遠(yuǎn)距離傳輸介質(zhì)為光纜，本地傳輸介質(zhì)為網(wǎng)線（如PLC有與操作員站之間）。生產(chǎn)監(jiān)控主機(jī)利用雙網(wǎng)卡結(jié)構(gòu)與管理網(wǎng)相連。石油化工行業(yè)3.2典型工業(yè)領(lǐng)域的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)大型石油化工產(chǎn)業(yè)控制系統(tǒng)龐大，安全要求高，現(xiàn)場由多個(gè)控制系統(tǒng)完成控制功能。大型石油化工工程全廠DCS采用大型局域網(wǎng)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)較為復(fù)雜?，F(xiàn)場的主要控制功能都是由DCS來完成的，其他系統(tǒng)的集中控制在某種程度上可以完全由DCS監(jiān)控。DCS含有大量的數(shù)據(jù)接口，是構(gòu)建企業(yè)信息化的數(shù)據(jù)來源與執(zhí)行機(jī)構(gòu)。除DCS外的其他系統(tǒng)一般對外并沒有數(shù)據(jù)接口（無生產(chǎn)數(shù)據(jù)），且相對獨(dú)立，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單。電力行業(yè)3.2典型工業(yè)領(lǐng)域的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)大型電廠全廠采用大型局域網(wǎng)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)較為復(fù)雜，基本遵循分區(qū)分域的模塊化架構(gòu)。交通行業(yè)3.2典型工業(yè)領(lǐng)域的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)它由中央綜合監(jiān)控系統(tǒng)、車站綜合監(jiān)控系統(tǒng)（包括車輛段綜合監(jiān)控系統(tǒng)）以及將他們連接的綜合監(jiān)控系統(tǒng)骨干網(wǎng)組成。安全性與可靠性安全性與可靠性系統(tǒng)可靠性的定義是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。這里的系統(tǒng)是指作為單獨(dú)研究或分別試驗(yàn)的任何元器件、設(shè)備或系統(tǒng)。以下我們介紹一些基本的可靠性概念和術(shù)語?？煽慷扰c不可靠度

平均壽命

平均壽命

平均壽命

平均恢復(fù)時(shí)間平均恢復(fù)時(shí)間（MeanTimeToRecovery，MTTR），指系統(tǒng)從故障開始到恢復(fù)正常的平均時(shí)間。對于可修復(fù)的系統(tǒng)來說，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障后能否盡快恢復(fù)運(yùn)行，也是系統(tǒng)可靠性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。系統(tǒng)故障的修復(fù)時(shí)間主要包括故障的定位時(shí)間、故障的修復(fù)時(shí)間和系統(tǒng)重新投入運(yùn)行所需要的時(shí)間和其他不確定的因素，如更換零件、安排維修人員必須等待的時(shí)間等。盡量縮短MTTR對系統(tǒng)可靠性影響很大，因此，對這些不確定的因素應(yīng)該進(jìn)行有效的控制。通常MTTR可以測量，也可以按照標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行預(yù)測。MTTF、MTBF和MTTR之間的關(guān)系為MTBF=MTTF+MTTR?？捎寐士捎寐适侵赶到y(tǒng)的無故障運(yùn)行時(shí)間與系統(tǒng)總運(yùn)行時(shí)間之比，用百分?jǐn)?shù)表示?？捎寐蔄表達(dá)式為因此要想提高系統(tǒng)的可用性，要么增加系統(tǒng)的可靠性，要么縮短系統(tǒng)的維修時(shí)間?？捎寐?/p>

子系統(tǒng)2子系統(tǒng)3子系統(tǒng)4子系統(tǒng)1某系統(tǒng)構(gòu)成圖

系統(tǒng)可靠性時(shí)間度量系統(tǒng)安全性時(shí)間度量植入攻擊發(fā)動(dòng)攻擊識別攻擊恢復(fù)系統(tǒng)

其他可靠性概念可靠性增長(ReliabilityGrowth)：可靠性增長是指通過逐步改正系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造中的缺陷，不斷提高系統(tǒng)可靠性的過程?？煽啃阅Ｐ?ReliabilityModel)：為預(yù)計(jì)或估算系統(tǒng)的可靠性所建立的框圖和數(shù)學(xué)模型稱為可靠性模型?？煽啃詰?yīng)力模型(ReliabilityStressModel)：可靠性應(yīng)力模型是用來描述關(guān)聯(lián)應(yīng)力對系統(tǒng)可靠性或其他性質(zhì)的影響的數(shù)學(xué)模型?？煽啃钥驁D(ReliabilityBlockDiagram)：可靠性框圖是指將復(fù)雜系統(tǒng)的一個(gè)或一個(gè)以上的功能模式，用方框表示的個(gè)組成部分的故障或它們的組合如何導(dǎo)致系統(tǒng)故障的邏輯圖?？煽啃苑峙?ReliabilityAllocation/Apportionment）：可靠性分配是為了把系統(tǒng)的可靠性定量要求按照給定的準(zhǔn)則分配給各組成部分而進(jìn)行的工作?？煽啃灶A(yù)測（Reliability