Разработка и исследование аппаратного и программного обеспечения АСУ (ТП) шагающего экскаватора

Проблема увеличения коэффициента использования мощного шагающего экскаватора – драглайна, который в современных промышленных условиях составляет не более 0,7-0,75, актуальна с момента начала эксплуатации горных машин данного типа. Основным сдерживающим фактором является низкий уровень автоматизации технологических процессов.

В разное время отечественными и зарубежными учеными производились исследования проблемы повышения эффективности управления экскаваторами – драглайнами. Так, в работах Л.Д. Певзнера [1] и А.Л. Мейлахса [2] были разработаны и затем скорректированы математические модели объекта управления и регулятора, а также алгоритмы управления.

Автоматизированная система управления тяжелым шагающим драглайном предусматривает участие человека в отдельных операциях. Это объясняется непостоянством условий, в которых работает оборудование, а также необходимостью выполнения нестандартных операций.

Рассматриваемая промышленная информационная система состоит из информационной и сетевой инфраструктур. В состав информационной входят компоненты:

аппаратные и программные средства сбора информации о ходе производственного технологического процесса с сигнализацией об отклонениях, архивированием, выдачей сигналов логического управления с позиционным регулированием технологического процесса;

аппаратные    и    программные    средства    мониторинга непроизводственных процессов;

аппаратные и программные средства обеспечения информационной безопасности;

средства обработки, хранения и представления информации оператору;

датчики и программируемые контроллеры.

В состав сетевой инфраструктуры входят:

промышленные сети (проводные и беспроводные); сетевые адаптеры;

коммутационное оборудование (концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы, шлюзы);

аппаратные средства обеспечения сетевой безопасности как компонента информационной безопасности.

Главной отличительной особенностью такой системы является возможность работы в сложных климатических условиях с использованием технологий резервирования и обеспечения безопасности. Нужно отметить, что в современных условиях под безопасностью следует понимать как промышленную безопасность, так и информационную.

В рассматриваемой АСУ основным элементом является бортовой вычислитель, который размещается внутри кабины машиниста. Бортовой вычислитель представляет собой встраиваемый компьютер UNO-2182 с центральным процессором Intel® Core® 2 Duo, двумя сетевыми интерфейсами Gigabit Ethernet, 4-я COM портами и портом DVI.

UNO-2182 – это высокопроизводительный контроллер с процессором Intel core 2 Duo, который имеет слот расширения PC/104, последовательные порты и несколько других сетевых интерфейсов. Он поддерживает OC Windows XP Embedded и поставляется с предварительно сконфигурированным образом операционной системы, а также с оптимизированными для своих интегрированных устройств драйверами. Windows XP Embedded обладает всей мощью Windows и позволяет отобрать только нужные для конкретного приложения компоненты этой ОС. Пользователь может бесшовно интегрировать свои приложения в Windows XP Embedded и ускорить разработку системы автоматизации, задействовав эту готовую к работе платформу. Она обладает множеством сетевых интерфейсов, что делает ее пригодной для решения широкого круга задач.

Для измерения длины канатов подъема и тяги, а также угла поворота платформы предусматривается использование бесконтактных датчиков угла поворота MEGATRON Elektronik AG & Co. MIB22H .

Для измерения силы тока и напряжения в якорных цепях приводов драглайна предполагается использовать модули аналогового ввода ЭлеСи TA 501 4IDC.

В качестве модуля дискретных входов/выходов принято решение использовать ЭлеСи TA 603 8I 8O DCI.

Для взаимодействия с бортовыми системами, а также хранения и обработки информации проектом предусмотрено использование промышленного сервера KISS 4U Short Q67Flex .

Рис. 1. Общая схема подключения оборудования

До недавнего времени вопросу обеспечения безопасности и резервирования программного обеспечения АСУТП уделялось не так много внимания и этому способствовали следующие предпосылки:

• е на промконтроллерах используются операционные системы собственной разработки производителя – QNX (реже – Linux) или DOS, информация о которых доступна ограниченному кругу лиц;

• • промышленные сети обычно изолированы не только от сетей общего пользования, но и от внутренних сетей предприятия, в них применяется очень специфическое оборудование, все процессы чётко регламентированы.

Таким образом, в целом IT-инфраструктуры АСУТП считались достаточно хорошо защищенными и надежными. Данное ошибочное, как оказалось, представление пришлось пересмотреть с обнаружением принципиально нового вредоносного ПО – компьютерного червя Stuxnet.

В процессе решения задачи обеспечения безопасности ПО АСУТП осуществляется создание модели угроз и модели потенциального злоумышленника.

По данным Positive Technologies, наибольшее количество уязвимостей (42) за отчетный период было обнаружено в компонентах АСУ ТП производства компании Siemens. На втором месте — системы Broadwin/Advantech (22 уязвимости). На третьем — Schneider Electric (18). Как в любых IТ-системах, в случае с АСУ ТП наибольшее количество уязвимостей обнаруживается в самых распространенных решениях. При этом наибольший интерес для злоумышленников могут представлять такие составляющие АСУ ТП, как системы SCADA и человеко-машинного интерфейса (HMI), в которых обнаружено 87 и 49 уязвимостей соответственно. В программируемых логических контроллерах различных производителей за отчетный период нашли 20 уязвимостей [4].

В настоящее время для АСУ ТП характерны следующие риски:

• V    Архитектура сетей не всегда позволяет обеспечить безопасную передачу данных. На многих предприятиях используются незащищенные беспроводные соединения;

• V    Кардинально изменить архитектуру сети передачи данных работающей АСУ ТП затруднительно или невозможно вовсе;

• V    Часто удаленный доступ к промышленным системам осуществляется без авторизации;

• V    Возможность нецелевого использования вычислительных ресурсов промышленных ИТ-систем;

• V Отсутствует проверка подлинности управляющих команд;

V Недостаточное количество инструментов для обнаружения подозрительной активности и расследования инцидентов ИБ.

Специалисты по информационной безопасности компании Cisco Systems отмечают, что можно повысить общий уровень надежности и безопасности АСУ ТП, прибегнув к следующим мерам:

V Кластеризация или дублирование компонентов  АСУ ТП, позволяющих осуществлять установку обновлений без простоя АСУ ТП;

V Полное резервирование информации, а также  реализация резервных тестовых платформ [5].

Для реализации описанных выше мер целесообразно прибегнуть к использованию виртуализации на промышленном сервере с использованием технологии OpenVZ, которая базируется на ядре Linux. OpenVZ позволяет на одном физическом сервере запускать множество изолированных копий операционной системы, называемых «виртуальные частные серверы». Виртуализация на уровне операционной системы в OpenVZ даёт лучшую производительность, масштабируемость, плотность размещения, динамическое управление ресурсами, а также лёгкость в администрировании, чем у альтернативных решений. Согласно информации, представленной на официальном сайте OpenVZ, накладные расходы на виртуализацию очень малы, и падение производительности составляет всего 1-3 %, по сравнению с обычными Linux-системами [6].

Каждая виртуальная среда по сути — отдельная сущность: имеет свои собственные файлы, пользователи и группы, дерево процессов, сеть, устройства и объекты межпроцессорного взаимодействия (разделяемая память, семафоры, сообщения).

Преимущества использования виртуализации:

изоляция систем;

возможность осуществлять обновления ядра ОС и ПО без перезагрузки системы при помощи технологии «Checkpoint-restore in userspace».

Возможности технологии «Checkpoint-restore in userspace»:

«Живая» миграция систем;

Ускорение старта тяжелых приложений;

Обновление ядра “без перезагрузки” (многие промышленные ИТ-системы не обновляются годами, поскольку для вступления обновлений в силу необходима перезагрузка , которую невозможно осуществить при непрерывном производственном цикле). Проблема заключается в том, что устаревшее ПО имеет достаточное количество известных уязвимостей, эксплуатируя которые можно нарушить работоспособность всей системы.

Обновление прикладного ПО «на лету» (например, для корректировки алгоритмов);

Снимки состояний рабочей среды (использование с целью резервного копирования, а также для реализации горизонтально масштабируемой системы);

Балансирование нагрузки в распределенной вычислительной системе.

На сегодняшний день поддерживается единственная архитектура — x86-64 и следующие объекты ОС Linux:

V Процессы, их иерархия, PID, идентификаторы пользователя и группы (uid, euid, sid, …), системные права.

V Память приложений, включая отображенные файлы и разделяемые участки.

• V    Открытые файлы.

• V    Pipes, включая FIFO.

• V    Сокеты Unix.

• V    Сокеты TCP/IP (в том числе и в состоянии ESTABLISHED).

• V    System VIPC.

• V    Таймеры [7].

В настоящий момент виртуализация не используется в промышленных ИТ-системах в таком виде. Checkpoint-restore in userspace – новая открытая технология, которая была представлена публике относительно недавно.

Бортовые вычислители, размещенные в кабинах машиниста экскаваторов, связаны с сервером обработки и хранения информации по каналу Ethernet, либо по беспроводным сетям (промышленная реализация Wi-Fi). Для обеспечения сетевой безопасности предусмотрено применение брандмауэров на шлюзах между подсетями «диспетчерский пункт – промышленный сервер» и «промышленный сервер – бортовой вычислитель». На шлюзах также целесообразно применять другие средства контроля сетевого трафика (например IDS – систем обнаружения вторжения).

Бортовой вычислитель связан по каналу Ethernet с АРМ машиниста, которая представляет собой промышленный компьютер небольшой мощности, либо ПК моноблочного типа. АРМ машиниста взаимодействует с модулями аналоговых выходов и дискретных входов/выходов напрямую.

В процессе реализации находится программный модуль, работающий по архитектуре «клиент-сервер». Программный модуль разрабатывается на языке программирования C++ с использованием библиотеки fuzzylite [10]:

В программном модуле реализовываются следующие нечеткие алгоритмы управления:

• •   движением ковша на разгрузку;

• •   движением ковша на черпание;

• •    траекторным движением ковша;

• •    поворотным движением ковша;

• •    согласования траекторного и поворотного движения ковша [2].

надежность ПО АСУ ТП, Безопасность ПО АСУ ТП, OpenVZ, Checkpoint-restore in userspace, АСУ ТП шагающего экскаватора, нечеткие алгоритмы управления reliability of automatic control systems, information security of automatic control systems software, OpenVZ, Checkpoint-restore in userspace, automated control system of walking excavator, fuzzy control algorithms