CC BY
49
kosmicheskimi apparatami [Tekst] / V. M. Artjushenko, B. A. Kucherov // Mehatronika, avtomatizacija, upravlenie. -2014. - № 4. - S. 67-72.
7. Artyushenko V.M. Threshold method of measurement of extended objects speed of radio engineering devices of short-range detection / V. M. Artyushenko, V. I. Volovach // Proceedings of IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS'2014). - Kiev, Ukraine, September 26-29, 2014. - Kharkov: KNURE. -2014. - p. 220-223. DOI: 10.1109/EWDTS.2014.7027078.
8. Artjushenko V.M. Algoritmy adaptacii linij sputnikovoj svjazi po moshhnosti peredajushhih ustrojstv zemnyh stancij pri rabote v sostave uzlovoj seti [Tekst] / V. M. Artjushenko, B. A. Kucherov // Jelektrotehnicheskie i informacionnye kompleksy i sistemy. - 2014. - № 4, t.10. - p. 64-73.
9. Artjushenko V.M. Analiz sostojanija avtomatizacii raspredelenija sredstv upravlenija kosmicheskimi apparatami [Tekst] / V. M. Artjushenko, B. A. Kucherov // Privolzhskij nauchnyj vestnik. - 2014. - № 3-1 (31). - p. 14-17.
10. Rob P., Koronel K.Sistemy baz dannyh: proektirovanie, realizacija i upravlenie. - 5-e, pererab. i
dop. izd. - SPb.: BHV-Peterburg, 2004. - 1040 s.
11. Oracle Database proizvoditel'naja, masshtabiruemaja, funkcional'naja SUBD dlja srednego i malogo biznesa. OCS Distribution. URL: http://ocs.ru/ OCS/media/Products/Oracle/Sravnenie-SUBD-Oracle-i-Microsoft.pdf. Data obrashhenija: 22.08.2015.
12. Janet Stern, Mark Bauer, Vivian Schupmann, Douglas Williams. Oracle Database 2 Day + Real Application Clusters Guide 11g Release 1 (11.1). - Oracle, 2012. - 224 p.
13. Shaw S., Bach M. RAC Architecture, Pro Oracle Database 11g RAC on Linux. - Apress, 2010. - pp. 63-95. DOI: 10.1007/978-1-4302-2959-9_3.
14. Preimushhestva SUBD Oracle. URL: http:// oracle.axoft.ru/fordev/advantagesOracle.php. Data obrashhenija: 22.08.2015.
15. Avritzer A. Survivability Models for Global Software Engineering [Text] / A. Avritzer, S. Beecham, J. Kroll, M. Sadoc, J. Noll, M. Paasivaara // Proceedings of Global Software Engineering (ICGSE), 2014 IEEE 9th International Conference. -2014. - pp. 100-109. DOI: 10.1109/ICGSE.2014.19.
Павлова А.С. Pavlova A.S.
аспирант,
кафедра «Системы управления и контроля химических производств» ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)» Россия, г. Москва
УДК 004.58
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ САПР В РОССИИ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ, ИМЕЮЩИХ МНОГОСВЯЗНУЮ СТРУКТУРУ
В статье рассмотрен комплекс вопросов по выбору и созданию систем управления технологическими объектами, имеющими многосвязную структуру на примере газоцентрифужного производства. Представлены методы разделения изотопов урана и показана общая структурная схема газоцентрифужного производства. Дана краткая характеристика газоцентрифужного обогащения в России и описано состояние обогатительных комбинатов в нашей стране на настоящий момент. Выявлено, что разделительное производство отличается большим объемом данных контроля и управления, вследствие этого в статье раскрывается вопрос эффективности проектирования и эксплуатации систем подобных объектов автоматизации. Рассмотрены общеизвестные способы проектирования многосвязных систем: применение эталонных схем и копирование готовых узлов. Проанализированы особенности проектирования данными методами и выявлены слабые места систем автоматизированного проектирования и случаи взлома в современной автоматике на промышленных объектах разделительных производств. Представлены характеристики отечественных современных SCADA
-систем, указаны основные минусы систем под управлением операционных систем Windows или Linux. Затронута проблема внедрения вредоносного программного обеспечения (ВПО) в системах проектирования на промышленных объектах автоматизации. Целью ВПО является нарушение работы программно - аппаратных комплексов: удаление файлов, приведение в негодность структур размещения данных, дезинформация оператора автоматизированного рабочего места, блокирование работы оператора. Все действия ВПО могут носить террористический характер и приводить к катастрофе на предприятии, что влечет за собой не только экономический ущерб, но и потеряю человеческих жизней в результате ошибок систем безопасности. На основе проведенного исследования автором предлагается уделить особое внимание аппаратуре и системам управления на чувствительность к проникновению и утечке информации. Сделаны выводы в создании решений, способных обеспечить надежную защиту критически важных объектов промышленности нашей страны. Указаны задачи, которые нужно реализовать в создании нового надежного комплекса для успешной эксплуатации объектов с повторяющейся структурой.
Ключевые слова: АСУТП, SCADA-системы, САПР, МЭК 61131, контроль, управление, ПЛК, эталонные схемы, вирус, Stuxnet, Simatic PCS7, кибератаки, программное обеспечение, операционная система.
STATE AND DEVELOPMENT PROSPECTS FOR RUSSIA CAD TECHNOLOGICAL OBJECT HAVING A MULTIPLY STRUCTURE
In article, the complex of questions at a choice and creation of control systems of the technological objects having multicoherent structure on the example of gas-centrifugal production is considered. Methods of division of isotopes of uranium are presented and the general block diagram of gas-centrifugal production is shown. The short characteristic of gas-centrifugal enrichment in Russia is given and the condition of concentrating combines in our country currently is described. It is revealed that dividing production differs in large volume of data of control and management thereof in article the question of efficiency of design and operation of systems of similar objects of automation reveals. Well-known ways of design of multicoherent systems are considered: application of reference schemes and copying of ready knots. Features of design are analyzed by these methods and weak places of systems of the automated design and breaking cases in modern automatic equipment on industrial facilities of dividing productions are revealed. Characteristics of domestic modern SCADA - systems are submitted, the main minuses of systems under control of the Windows or Linux operating systems are specified. The issue of introduction of the malicious software (MS) in systems of design on industrial facilities of automation is touched. The purpose of MS is work violation programmatically - hardware complexes: removal of files, reduction in worthlessness of structures of placement of data, misinformation of the operator of the automated workplace, blocking of work of the operator. All actions of MS can have terrorist character and lead to accident at the enterprise that involves not only economic damage, but also I will lose human lives as a result of errors of security systems. On the basis of the conducted research by the author it is offered to pay special attention to the equipment and control systems to sensitivity to penetration and information leakage. Conclusions in creation of the decisions capable to provide reliable protection of crucial objects of the industry of our country are drawn. Tasks, which need to be realized in creation of a new reliable complex for successful operation of objects with the repeating structure, are specified.
Keywords: PCS, SCADA-systems, CAD, IEC 61131, control, management, PLC, reference circuit, virus, Stuxnet, Simatic PCS7, cyber-attacks, software, operating system.
Введение
Человечеству с каждым годом требуется все больше электроэнергии, миллиарды баррелей нефти в год тратятся на производство электроэнергии. Решением проблемы нехватки ископаемых энергоресурсов является активное развитие ядерной энергетики. Природный уран состоит из трех радиоактивных изотопов:
• и-238 (около 99, 3 %)
• и-235 (около 0, 7 %)
• и-234 (около 0, 005 %)
Большинство энергетических реакторов работает на урановом топливе, обогащенном изотопом и-235. Каким способом можно выделить более легкие атомы урана и-235 из массы и-238? Ведь разница между ними всего три атомные единицы.
Существует четыре основных метода разделения (обогащения): магнитная сепарация, газодиффузионный метод, центрифужный и лазерный. Методы разделения изотопов урана различаются по степени селективности. Высокая селективность не всегда приводит к лучшим экономическим пока-
зателям. Соотношение капитальных вложений и энергетических затрат может сделать предпочтительными процессы с малой селективностью. Если селективность мала, требуемая концентрация конечного продукта может быть достигнута путем последовательного обогащения в установках, состоящих из большого числа ступеней. Невысокий эффект разделения в одной ступени
и низкое содержание изотопа и-235 в природном уране приводят к очень большим размерам завода. Основной единицей оборудования являются газовые центрифуги, скомпонованные в технологические агрегаты, группы и секции. [1] В общем виде структурная схема газоцентрифужного производства представлена на рис.1.
Рис.1. Общая структурная схема газоцентрифужного производства [1]
Для процесса обогащения природный уран переводят в форму гексафторида. Разделительным элементом называется наименьшая часть установки для разделения изотопов, в которой питающая смесь разделяются на обогащенный урановый продукт (ОУП) и обедненный гексафторид урана (ОГФУ). ОУП передается потребителю, а ОГФУ направляется на хранение с последующей переработкой. Несколько разделительных элементов, соединенных
параллельно, образуют «ступень». На рисунке 2 показана схема соединения разделительных элементов в противоточный симметричный каскад Требуемой концентрации выделяемого изотопа можно достичь путем последовательного соединения нескольких ступеней. Разделительное производство в целом характеризуется значительной территориальной распределенностью и большим числом однотипного технологического оборудования. [1]
I
I
I
I
I
Обедненные потоки ОГтгащинныс потоки
I
ГЦ 1 ГЦ -г" ! ГЦ ГЦ ГЦ
Рис.2. Пример противоточного симметричного каскада
Разделительное производство в России Газоцентрифужное обогащение - одна из тех технологий, в которых Россия удерживает безоговорочное лидерство. В настоящее время в нашей
стране действует четыре обогатительных комбината. [2] Разделительное производство было введено в эксплуатацию более 50 лет назад. В основных цехах предприятия для контроля и управления
оборудованием применяются системы на базе релейно-контактных систем, сданные в эксплуатацию 20-30 лет назад и выработавшие свой ресурс. Вскоре, перед предприятиями встанет задача замены устаревших систем на систему контроля и управления, которая бы отвечала современным требования, предъявляемых к программно-техническим средствам.
Разделительное производство сегодня - это каскады из сотен тысяч центрифуг, непрерывный
режим работы, большое количество точек контроля, территориальная рассредоточенность точек контроля в пределах цеха, удаленность оборудования от диспетчерского пункта до 1 км, высокий уровень электрических помех, высокая стоимость оборудования, повышенные требования к надежности. Все эти технические сложности, должны быть четко проработаны. На рисунке 3 показана структурная схема объекта автоматизации с разбиением на зоны автоматизации.
Рис.3. Структурная схема объекта автоматизации
Перед нами объект автоматизации с большим количеством данных и сразу возникает вопрос: "Как же этими данными эффективно управлять?" Это большое количество данных является результатом наличия многократно повторяющихся структур. Каждая центрифуга имеет набор параметров, за которыми осуществляется контроль по границам, пересчет различных параметров, а также выявление различных групповых сигналов. В АСУТП используются языки программирования, соответствующих стандарту МЭК 61131. [3] На первый взгляд, создание проекта, кажется тривиальным: создать блоки для управления отдельными параметрами центрифуги или использовать аппаратно-независимые библиотеки, соединить их
между собой, связать блоки с программируемым логическом контроллером (ПЛК) и благополучно отправить на верхний уровень, для отображения информации оператору.
Традиционно все изготовители ПЛК имеют свои собственные фирменные наработки в области инструментального программного обеспечения. Безусловно, большинство из них представляют удобные инструменты, оптимизированные под конкретную аппаратуру. Практически все SCADA-системы имеют один и тот же принцип создания системы управления механизмами, отличие сосредоточены в реализации интерфейса, в стиле графики, наборе сервисных функций, дополнительных библиотек. Главная задача инструментов
комплекса программирования ПЛК состоит в автоматизации работы разработчика прикладной системы. Он должен быть избавлен от рутиной работы и использовать хорошо организованную среду программирования, которая сама толкает к созданию надежного, читабельного и пригодного для повторного применения кода. В интегрированных комплексах программирования ПЛК сложился определенный набор возможностей, позволяющий относить их к средствам быстрой разработки. Сервисные функции программирования не являются требованием стандарта. Но от полноты набора доступных программисту инструментов существенно зависит скорость и качество его работы.
Для нашего случая существует один самый известный способ размножения системы - это использования эталонных схем, или копирование уже готовых узлов объектов. Основная особенность данного метода - это наличие графического редактора или текстового. Принцип действия таких схем основан на создании страницы рабочего кода, многократно используемого при создании проекта. Использование данного принципа может оказаться совсем не удобной процедурой.
Во-первых, в процессе размножения может возникнуть потеря уникальных имен для идентификации объекта управления, следствием чего будет потеря данных. За потерей данных следует второй фактор - это проблема некорректной архивации и хранения очень большого объема данных. Данные поступают от каждой газовой центрифуги, примерно, по 10 аналоговых сигналов и 10 дискретных. Возьмем, к примеру, 5000 газовых центрифуг. Количество сигналов, которые будут последовательно поступать на верхний уровень равно 100000 тысяч сигналов. Это только одна ступень, которая содержит сто тысяч сигналов, а если добавить групповые сигналы и сигналы систем неисправности, и следующую ступень - то архив просто напросто переполнится, что приведет к большим ошибкам и очень пагубно отразиться на производстве.
И наконец, когда дело доходит до реализации, встает вопрос о том, что эти сотни-тысяч газовых центрифуг, соединены между собой определенными потоками, и далеко не идентичным способом. Управлять и контролировать приходиться не только отдельными объектами, но и в дополнении контролировать связь между ними, связь потоков ОУП и ОГФУ. При создании единой системы, существующими средствами САПР, проект превращается в сплошную паутину, разобраться в коде очень
сложно, и если кодировщик, не оставил исходных файлов или хорошо написанного руководства по эксплуатации, то внести изменения в проект становится практически невозможно. Все это приводит к тому, что при отсутствии сопровождения, этап модернизации проекта превращается в мертвую зону с проблемой переделывания проекта заново.
Вирус в современной автоматике
Один из примеров современной автоматики - это программное обеспечение (ПО) фирмы Siemens - Simatic PCS7 под управлением операционных систем (ОС) семейства Microsoft Windows NT. Данное ПО является одним из лидеров в среде автоматизации технологических объектов и установлено на производстве по обогащению урана в городе Натанза (Иран). SCADA-система, вместе с аппаратной частью, во втором полугодии 2010 года была атакована вредоносным программным обеспечением (ВПО) под названием<^ШхпеЪ>. [4] Данное ВПО перехватывает и модифицирует информационный поток между программируемыми логическими контроллерами марки Simatic S7 и рабочими станциями SCADA-системы Simatic WinCC. Уникальность программы заключалась в том, что впервые в истории информационных технологий вирус физически разрушал инфраструктуру. [5] Существует предположение, что Stuxnet представляет собой специализированную разработку спецслужб Израиля и США, направленную против ядерного проекта Ирана. Приходиться только гадать правдива эта информация или нет, однако остается неоспорим тот факт, что появились новые методы разрушения объектов -так называемые кибератаки.
В ходе последних событий и политической обстановки в мире, по отношению к нашей стране, остро встает вопрос - "Что же применять на наших заводах по обогащению урана?"
Аппаратура и система управления должна быть чувствительна к проникновению и утечке информации, необходимо обеспечить надежную защиту критически важных промышленных объектов нашей страны.
Сравнительная характеристика отечественных систем
Представители отечественных SCADA-сис-тем - это знаменитые «TRACE MODE», «Master-SCADA», «КРУГ-200». В таблице 1 представлена сравнительная характеристика отечественной продукции.
Таблица 1
Характеристики отечественных SCADA-систем
Критерии TRACE MODE MasterSCADA КРУГ-200
Операционная система Windows, Linux Windows, Linux Windows, Linux
Описание устройств нижнего уровня (контроллеров) основано на ОРС-серверах; также основано на ОРС-серверах; также основано на ОРС-серверах; также
поддерживаются драйвера поддерживаются драйвера поддерживаются драйвера
Способы
программирования МЭК 6-1131/3 МЭК 6-1131/3 МЭК 6-1131/3
алгоритмов
Использующиеся Базы данных ANSI SQL ANSI SQL ANSI SQL
Демо-версии Свободно распространяются демо-версии.
Каждая из этих систем под управлением Windows или Linux, умеет работать с большинством известных контроллеров и имеет стандартный OPC- сервер и протоколы для обмена данными. Общедоступность данных ПО непременно говорит об уязвимости системы для проникновения ВПО. Зараженные объекты могут нанести действия, которые приводят к катастрофе, при этом дезинформирую оператора. Для безопасной работы оператору критически важно получать достоверную информацию и, исходя из этой информации, управлять производством. Проблема внедрения ВПО на объектах наводит на необходимость в создании решений, способных обеспечить надежную защиту критически важных объектов промышленности. Это позволит избежать ошибок управления и поможет при необходимости вовремя остановить производство, не допустив аварии. В настоящее время не существует ОС и ПО результатам, работы которых, мы могли бы полностью доверять. Данный факт не оставляет нам иного пути, кроме как приступить к самостоятельной разработке таких средств. Базовым средством обеспечения безопасности является операционная система. Закрытая операционная система даст гарантию, что информация корректна, достоверна и не содержит вредоносной составляющей.
Известный российский производитель антивирусного программного обеспечения «Лаборатория Касперского» заявил о создании своей операционной системы, которая будет использоваться в промышленности и не иметь аналога [3]. Правда данное предложение было выдвинуто в 2010 году и до сих пор не реализовано, и каков шанс «закрытости» операционной системы в большой компании, которая знаменита на весь мир. В каждой большой
корпорации существует пути «утечки» кадров, которые разглашают информацию и продают данные для разработок ВПО. Вопрос создания ОС ведет за собой создание ПО для технологических объектов, а также соответствующей ему аппаратной части. Что касаемо нашего оборудования и объекта исследования, можно сказать, что создание ОС - это очень трудоемкий и долгий процесс, а фактор времени в нашем случае необходимо учитывать, что не оставляет нам выбора, как найти пути решения среди создания нового или поиск среди существующих, не общедоступных ПО, и аппаратных частей.
Вывод
Написание системы управления для технологического объекта процедура довольно сложная. Важно понимать, что на эффективную работу системы в целом, влияет не только среда разработки, но также устройства ввода - вывода, управляющий контроллер и система верхнего уровня отображения информации для оператора.
На сегодняшний день, не существует однозначного представления, что делать с огромным набором одинаковых параметров. Необходимо создать целую стандартизированную методологию с подходом рациональной организации структуры управления документами и схемам, найти наиболее эффективный способ представления передачи данных. Если данные вопросы получится реализовать, то в нашей стране появиться отличное ПО, которое позволит сократить время на разработку и создание условий для успешной эксплуатации системы обогащения урана, а в дальнейшем и применение ее на заводах с повторяющейся структурой.
В заключении, хотелось бы отметить, что при выборе АСУ ТП для данного технологического объекта, нужно руководствоваться не только именем бренда, поставляющим аппаратуру, но
Список литературы
1. Беккер Е. Обогащение урана [Текст] / Е. Беккер, Ф. Босхотен, Б. Бриголи, Р. Дженсен, Д. Массиньон, Н. Натрат, К. Робинсон, Суббарамайер, С. Виллани; под.ред. С. Виллани; пер. с англ. под ред. И.К. Кикоина. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 320 с.
2. Официальный сайт АО «ТВЭЛ» [Электронный ресурс]. - URL: http://www.tvel.ru (дата обращения 21.12.2012)
3. PLCopen. Введение в языки стандарта МЭК 61131-3.
4. Сайт PLCopen [Электронный ресурс]. - URL: http://www.plcopen.org.
5. Материал из Википедии - свободной энциклопедии [Электронный ресурс]. - URL:https:// ru.wikipedia.org/wiki/Stuxnet.
и задуматься, над уязвимости системы, над тем, что нужно искать отечественный, надежный программный комплекс, позволяющий защитить наши технологические объекты.
References
1. Bekker E. Obogashhenie urana [Tekst] / E. Bekker, F. Boshoten, B. Brigoli, R. Dzhensen, D. Massin'on, N. Natrat, K. Robinson, Subbaramajer, S. Villani; pod.red. S. Villani; per. s angl. pod red. I.K. Kikoina. - M.: Jenergoatomizdat, 1983. - 320 p.
2. Oficial'nyj sajt AO «TVJeL» [Jelektronnyj resurs]. - URL: http://www.tvel.ru (data obrashhenija 21.12.2012)
3. PLCopen. Vvedenie v jazyki standarta MJeK 61131-3.
4. Sajt PLCopen [Jelektronnyj resurs]. - URL: http://www.plcopen.org.
5. Material iz Vikipedii - svobodnoj jenciklopedii [Jelektronnyj resurs]. - URL:https://ru.wikipedia.org/ wiki/Stuxnet
Нурисламова Л.Ф. Nurislamova L.F.
ассистент кафедры «Математика и математическое моделирование», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный университет экономики и сервиса», Россия, г. Уфа
Губайдуллин И.М.
GubayduШn I.M.
доктор физико-математических наук, доцент, старший научный сотрудник, лаборатория математической химии,
ФГБУН «Институт нефтехимии и катализа» Российской академии наук, Россия , г. Уфа
Сафин Р.Р. Safin R.R.
доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Математика и математическое моделирование» ФГБОУ ВО «Уфимский государственный университет экономики и сервиса», Россия, г. Уфа
УДК 519.6:517, 001.891.573
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА АНАЛИЗА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ КИНЕТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ
Математическое моделирование широко востребовано и применяется для обеспечения масштабного перехода от лабораторных установок к пилотным и опытно-демонстрационным реакторам. Ки-
