CN103208962A - 一种大容量晶闸管变流型矢量控制装置的主动防危系统 - Google Patents

Abstract

一种大容量晶闸管变流型矢量控制装置的主动防危系统，包括大容量同步电动机转子机械位置及其转速数据信息的芯片级加解密控制单元、多源/异构型工业控制网络网关、交流电流动态数据的流量控制及其过滤的紧凑型嵌入式处理单元、自然换流半周期内电流调节专家型规则库的嵌入式分析系统、电压前馈补偿及气隙磁链轨迹实时信息获取的风险评估与典型运行状态分析单元等。本发明针对钢铁工业主轧机等装备的工控网络的安全漏洞、攻击、病毒入侵，提供一种进行主动防御、远程实时监控、安全可信、自主可控的防危装置及其工业设备级信息安全控制技术。

Description

一种大容量晶闸管变流型矢量控制装置的主动防危系统

技术领域

    本发明属于工业自动化信息安全领域，涉及一种针对冶金流程工业、基础自动化级、大容量晶闸管变流型矢量控制设备的主动防危技术，针对钢铁工业主轧机等装备的工控网络的安全漏洞、攻击、病毒入侵，进行主动防御、远程实时监控的防危装置及其工业设备级信息安全控制技术。

背景技术

自2010年以来，针对工业控制系统的“震网”病毒及其衍生病毒不断涌现，为各国的工业基础设施带来了巨大隐患，引起了各国的高度重视。这些病毒不以获取用户数据或者经济利益为最终目的，而是针对特定国家的关键基础设施或者特定行业的工控系统，目的是为了获取系统中的敏感信息，或者摧毁关键基础设施的正常运行。

目前国外TOFINO、GE等公司有一些故障实时分析、预测及优化运行系统的产品，刚进入国内市场，还未形成垄断之势，同时尤为重要的是：这些国外的产品仅仅是面向纵深防御的目标、ANSI/ISA-99区域与管道防护模型的防火墙，包括国内目前应用广泛的单向网闸和工业防火墙等产品，它们都不能满足冶金流程基础自动化级主轧机等装备的工业设备级信息安全控制的实际要求。因此，面向大型装备的安全漏洞、攻击、病毒入侵等信息安全控制问题，若没有得到有效的解决，必将给国家的工业、国防等重大基础设施，带来毁灭性的打击。

发明内容

本发明的目的是提供面向钢铁冶金工业基础自动化级、大容量晶闸管变流型矢量控制的主动防危技术，以实现在多源、异构型工业控制网络环境下，对大型主轧机高功率密度循环变流矢量控制装备核心数据信息的安全、可信获取，并应用于本地及远程工业网络中，参与实时控制；提供协同进化等分析技术，以实现大容量晶闸管变流型矢量控制装备的数据信息安全的自主、可控及其控制性能两者之间的最优效果；提供概率分布的状态空间计算技术，以实现基于风险评估、典型运行状态超前识别的大型电气传动装备的自适应鲁棒控制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种大容量晶闸管变流型矢量控制装置的主动防危系统,包括：大容量同步电动机转子机械位置及其转速数据信息的芯片级加解密控制单元、矢量控制装备中力矩电流给定值及其实际值数据传输的多源/异构型工业控制网络网关、循环变流装置中交流电流动态数据的流量控制及其过滤的紧凑型嵌入式处理单元、自然换流半周期内电流调节专家型规则库的嵌入式分析系统、电压前馈补偿及气隙磁链轨迹实时信息获取的风险评估与典型运行状态分析单元等。

所述大容量同步电动机转子机械位置及其转速数据信息的芯片级加解密控制单元，包括：32位精简指令集CPU核心处理器系统，3DES分组密码算法加速引擎，16KB静态存储器和512KB闪存，USB、GPIO、UART、SPI等标准的通信接口；

    所述32位精简指令集CPU核心处理器系统，主频48MHz，采用0.16微米生产工艺，规模为300万MOS管，芯片工作电压2.7V～5.5V，平均工作电流为3mA，计算公钥密码算法时最大峰值电流13mA。

所述3DES分组密码算法加速引擎，密钥长度为192位，使用三个密钥，进行三次加密，每次加密的密钥不同，从而大幅提高了抵抗穷举攻击的能力；通过UART接口接收中央处理器发送来的数据，针对大容量同步电动机转子机械位置可实现高速率数据加解密，通过USB KEY加密过的指令，传输到高速缓存区进行解密，以获取转子机械位置的实际值，分辨率与光电编码器一致，并通过差分计算得到准确的转速数据信息，为本地及远程控制系统提供实时准确的大容量同步电动机转子机械位置与转速值。以实现控制指令与现场数据的双向硬件加密，从而保证数据的安全性。

所述矢量控制装备中力矩电流给定值及其实际值数据传输的多源/异构型工业控制网络网关，包括：为系统工作提供稳定电源的稳压源模块，为系统提供时钟及决定系统运行速率的高频高精晶振模块，以太网接口协议转换模块，用于大量信息存储的数据存储模块;

所述以太网接口协议转换模块，包括：通用与专用串行接口的协议通信、Modbus接口的数据转换、ProfiBus现场总线的协议通信转换及数据传输；通过多源/异构型（多源异构型）工业控制网络环境下数据交换格式的变换，实现在满足实时条件的矢量控制装备中力矩电流给定值以及强实时条件的矢量控制装备中力矩电流实际值的精准采集与本地/远程的在线控制。使得支持Profibus DP协议的设备与支持Modbus 协议的设备的数据能在同一网络中进行传输，解决了不同类型现场总线应用的协议多源异构问题。

所述自然换流半周期内电流调节专家型规则库的嵌入式分析单元，包括：电流断续补偿数字分析子单元，用于大容量晶闸管在低负载时避免电流不连续而采用提高触发移相角度；无环流逻辑数字分析子单元，用于在晶闸管相控整流过程中，进行整组或反组触发的逻辑判断；正向触发数字分析子单元，用于整组晶闸管装置进行触发导通控制；反向触发数字分析子单元，用于反组晶闸管装置进行触发导通控制；过流保护数字分析子单元，用于大容量晶闸管变流装置电流均方根值超过额定电流1毫秒以上时，进行推进逆变角度并封锁脉冲以及将角度信息与电流值之间的关系进行数值化处理，作为链表形式进行存储；专家库数据结构模块，包括上述分析子单元的多层节点数据二叉树数据结构，在每个采样周期内，建立起随负载非线性变化的电流补偿量、无逻辑死区时间的精确度量（减少有电流时间的损耗：200微秒）、晶闸管触发换流角度的量化分析及强触发计算、过流保护的阈值自适应分析的专家库数据结构；以确保在晶闸管自然换流半周期内，即:1.6毫秒以内，实现大容量循环变流装置三相电流幅值和相位的实时、准确控制。

所述电压前馈补偿及气隙磁链轨迹实时信息获取的风险评估与典型运行状态分析单元，包括：电压前馈补偿数据分析模块、气隙磁链轨迹实时信息获取模块、扰动抑制数字化分析模块、风险评估与典型运行状态分析单元等。

所述风险评估与典型运行状态分析单元，包括融合时空特性的分布式概率矩阵分析模块，通过对电压前馈补偿扰动抑制与气隙磁链轨迹动态特性的识别与分类，得到循环变流器触发脉冲扰动补偿的量化值以及气隙磁链轨迹的畸变数字量，同时结合大容量电力电子快速仿真分析系统的仿真计算结果，得到当前状态下大容量晶闸管变流型矢量控制设备实际运行性能与理想状态之间的量化差值，最终根据有源场状态空间的双向隐马尔科夫算法分析，进行风险评估与典型运行状态识别与分类。

本发明的优点和积极效果在于：

    1）芯片级加解密控制单元具备多个密钥的分组密码算法加速引擎，对于穷举攻击等网络侵害行为，具有强鲁棒性的抵抗能力；通过对大容量同步电动机转子机械转速的高速率数据加解密，在本地和远程安全、准确的获取电机运行速率，从根本上杜绝类似伊朗核电站由于病毒入侵，大量电机频繁正反向起动运行，而本地和远程控制系统根本无法察觉，造成近1000台电动机全部烧毁的灾难；进一步安全、准确的获取大容量同步电动机机械运行位置，为气隙磁链定向的矢量控制算法的实施高效监控，奠定了决定性的基础；实现了应用模型级主动安全；

2）力矩电流给定值及其实际值数据传输的多源/异构型工业控制网络网关，通过ModBus接口的数据转换、ProfiBus现场总线的协议通信转换及数据传输，解决了不同类型现场总线应用的协议多源异构问题；满足实时条件的力矩电流给定值以及强实时条件的力矩电流实际值的精准采集与本地/远程的在线控制；紧凑型SoB（板级应用系统）上，完成交流电流调节器动态数据的流量控制及其过滤；实现了现场总线级主动安全。

3）在每个采样周期内，建立起典型大容量循环变流系统电流控制算法的数字化分析模块及其专家库数据结构；在1.6毫秒内，三相电流幅值和相位的实时、准确控制；实现了嵌入式规则级主动安全。

4）通过对电压前馈补偿扰动抑制与气隙磁链轨迹动态特性的识别与分类；结合大容量电力电子快速仿真分析系统的仿真计算结果，得到当前状态下大容量晶闸管变流型矢量控制设备实际运行性能与理想状态之间的量化差值，进行风险评估与典型运行状态识别与分类；实现了策略级主动安全。

附图说明

图1是本发明主动安全装置各功能模块之间的关系图；

图2是本发明主动安全装置的芯片级加解密控制单元逻辑图；

图3是本发明主动安全装置力矩电流的的多源/异构型工业控制网络网关图；

图4是本发明主动安全装置电流调节专家型规则库的板上系统的结构图；

图5是本发明主动安全装置电流调节专家型规则库的关系图；

图6是本发明主动安全装置异构网关总线通信转换的流程图；

图7是本发明主动安全装置风险评估与典型运行状态转换关系图。

具体实施方式

下面结合附图与实例做进一步说明。

图1是本发明装置的各功能模块的关系结构图，通过应用模型级主动安全、现场总线级主动安全、嵌入式规则级主动安全、策略级主动安全等多层次模块式单元结构，提供一种主动安全技术，实现针对流程工业大型设备的实时数据采集，解决了现场总线协议异构的问题，并双向保证数据信息的安全性。所采用结构包括：

1）芯片级加解密控制单元, 提供实时准确的大容量同步电动机转子机械位置及其转速数据信息，如图2所示，设计基于2048位超长字宽数据运算、存储、交换技术，并配合流水线并行计算技术的体系结构，大幅度提高了大容量同步电动机转子机械位置高速率数据加解密的运算速度；全定制、多相时钟、动态锁存结构的设计方法，大幅度减小芯片面积、降低功耗、提高运算速度；采用滑动窗优化编码快速8位模幂乘和蒙哥马利快速16位模乘计算技术，大幅度降低了运算复杂度，提高运算效率；使得3DES分组密码算法加速引擎芯片实现了加/解密运算3000次/秒的突破。

    加解密系统可分为接口模块，判断模块与数据处理模块。接口模块通过UART接口实现与ARM Cortex-M3微处理器的通讯。UART的全称是Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，即通用异步收发器，它的作用是将外部设备串行数据转换为并行数据来接收；并将内部的并行数据转换为串行数据后再进行发送。UART通讯有相应的UART通讯协议，有起始位、奇偶校验位、数据位、停止位和波特率设置，可实现芯片间或者与PC间的通讯，在该系统中，用它实现两个芯片间的数据传输。判断模块是根据接收到的数据的起始位进行判断，决定进行加密还是解密操作。数据处理模块通过加解密芯片实现，该芯片提供非对称式的加密算法，即公钥加密体制，其安全性更高，原理是：采用两个相关的密钥将加密和解密分开，其中一个密钥是公开的，称为公钥，用来加密；另一个密钥为用户专用，称为私钥，用于解密。该算法的重要特点是已知密码算法和加密密钥，求解解密密钥在计算上是不可行的，从而很好地保证了安全性。此外，采用DES新型加密算法设计算法加速引擎，该算法在多个平台上的运行速度快，可以实现高速率的数据加解密，该算法支持ECB和CBC两种模式的加密和解密。

2）多源/异构型工业控制网络网关，用于矢量控制装备中力矩电流给定值及其实际值数据传输，如图3所示，选择STM32F107作为ARM Cortex-M3 核的主控芯片，该ARM微处理器体积小，功能强大，接口配置种类多且可自由配置，对于不需要的功能可以自由关闭。该芯片是由意法半导体公司生产的集成以太网模块，支持以太网数据的收发，它的最高工作频率为72 MHz，内置高速存储器，而且具有丰富的增强I/O端口和外设资源，非常符合矢量控制装备中力矩电流给定值及其实际值数据传输的多源/异构型工业控制网络网关的要求。

同时，针对工业中多种现场总线并存的现状，将多种总线协议接口以及以太网的RJ45接口集成在一块嵌入式网关上，不仅通过组网结构实现下层车间的不同现场总线协议之间的通信，还实现了工业现场总线与Internet网络的互联，实现了管控一体化。

以太网通讯模块，选择DP83848作为以太网物理层接口器件，10/100 Mb/s以太网接口芯片DP83848具有功耗低、单路高速、性价比高的特点，而且有通用的网络接口，弥补了没有提供物理层接口的ARM Cortex-M3 核的缺陷，实现物理层以太网数据的转换。该模块能将工业现场控制系统中的信号转换，使其可以通过以太网传输出去，同时又能将从以太网接收到的数据信号进行转换传输到工业现场总线网络中，实现以太网与工业现场总线数据的实时、有效、安全交互，实现管控一体化，使管理人员不必深入现场，便可通过Internet联网监测现场设备的运行状态，提高了工作的灵活性和可靠性。实现在满足实时条件的矢量控制装备中力矩电流给定值以及强实时条件的矢量控制装备中力矩电流实际值的精准采集与本地/远程的在线控制，解决了不同类型现场总线应用的协议多源异构问题。

 为了提高系统的抗干扰能力,和外界进行通信的部分需要和系统在物理接口上进行电气隔离,此处每个通信接口都需要进行隔离。根据通信速度要求的不同,选择磁耦芯片模块完成Profibus-DP 通信的隔离兼物理层电平转换功能;用双通道磁耦隔离芯片来完成另外两路串行口通信的隔离。这两款芯片都采用了最新的基于芯片尺寸的变压器隔离技术的磁耦。和传统的光耦比较,其转换速度、瞬态共模抑制能力、功耗、尺寸及成本等方面均有很明显的优势。

3）嵌入式分析单元，用于分析自然换流半周期内电流调节专家型规则库，如图4和图5所示，将嵌入式实时操作系统进行规则任务级裁剪，应用电流断续补偿数字分析子单元、无环流逻辑数字分析子单元、正向触发数字分析子单元、反向触发数字分析子单元、过流保护数字分析子单元、专家库数据结构模块等多任务、线程优先级、中断级别等模式，不仅可以实时采集流程工业大型设备的多种总线协议上的不同格式的数据，如图6所示，且实时处理速度很快，在每个采样周期内，建立起随负载非线性变化的电流补偿量、无环流逻辑死区时间的精确度量（减少有电流时间的损耗：200微秒）、晶闸管触发角度的量化分析及强触发计算、过流保护的阈值自适应分析等的专家库数据结构；以确保在晶闸管自然换流半周期内，即:1.6毫秒以内，实现大容量循环变流装置三相电流幅值和相位的实时、准确控制。

 4）风险评估与典型运行状态分析单元，根据电压前馈补偿及气隙磁链轨迹实时信息获取并进行风险评估与典型运行状态分析，如图7所示，包括融合时空特性的分布式概率矩阵分析模块，通过对电压前馈补偿扰动抑制与气隙磁链轨迹动态特性的识别与分类，得到循环变流器触发脉冲扰动补偿的量化值以及气隙磁链轨迹的畸变数字量，同时结合大容量电力电子快速仿真分析系统的仿真计算结果，得到当前状态下大容量晶闸管变流型矢量控制设备实际运行性能与理想状态之间的量化差值，最终根据有源场状态空间的双向隐马尔科夫算法分析，进行风险评估与典型运行状态识别与分类。

本发明针对钢铁工业主轧机等装备的工控网络的安全漏洞、攻击、病毒入侵，能进行主动防御、远程实时监控，并且安全可信、自主可控。

Claims (10)

1.一种大容量晶闸管变流型矢量控制装置的主动防危系统,其特征在于，所述系统包括：

芯片级加解密控制单元，提供实时准确的大容量同步电动机转子机械位置及其转速数据信息；

多源/异构型工业控制网络网关，用于矢量控制装备中力矩电流给定值及其实际值数据传输；

嵌入式分析单元，用于分析自然换流半周期内电流调节专家型规则库；

风险评估与典型运行状态分析单元，根据电压前馈补偿及气隙磁链轨迹实时信息获取并进行风险评估与典型运行状态分析。

2.  根据权利要求1所述的系统，其特征在于，其中在芯片级加解密控制单元中采用3DES分组密码算法加速引擎，密钥长度为192位，使用三个密钥，进行三次加密，通过UART接口接收中央处理器发送来的数据，针对大容量同步电动机转子机械位置可实现高速率数据加解密，通过USB KEY加密过的指令，传输到高速缓存区进行解密，以获取转子机械位置的实际值，分辨率与光电编码器一致，并通过差分计算得到准确的转速数据信息，为本地及远程控制系统提供实时准确的大容量同步电动机转子机械位置与转速值，以实现控制指令与现场数据的双向硬件加密，从而保证数据的安全性。

3.  根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多源/异构型工业控制网络网关包括：稳压源模块，为系统工作提供稳定电源；以太网接口协议转换模块，高频率晶振模块，为系统提供时钟及决定系统运行速率；以及数据存储模块。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述嵌入式分析单元包括：电流断续补偿数字分析子单元、无环流逻辑数字分析子单元、正向触发数字分析子单元、反向触发数字分析子单元、过流保护数字分析子单元以及专家库数据结构模块。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，风险评估与典型运行状态分析单元，包括融合时空特性的分布式概率矩阵分析模块，通过对电压前馈补偿扰动抑制与气隙磁链轨迹动态特性的识别与分类，得到循环变流器触发脉冲扰动补偿的量化值以及气隙磁链轨迹的畸变数字量，同时结合大容量电力电子快速仿真分析系统的仿真计算结果，得到当前状态下大容量晶闸管变流型矢量控制设备实际运行性能与理想状态之间的量化差值，最终根据有源场状态空间的双向隐马尔科夫算法分析，进行风险评估与典型运行状态识别与分类。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统针对流程工业设备，通过多种总线网桥实现数据格式的转换；一方面，使流程工业设备的数据可以转换成统一格式，传输到以太网中；另一方面，对以太网发送来的数据，在数据区加上相应的规则和校验，进行数据过滤，以此保证传输到底层的数据的安全性，然后再对数据解密、分析后，通过网桥传到底层设备，控制设备的运行。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统采用基于ARM Cortex-M3内核的STM32F107芯片作为主处理器，采用DP83848作为以太网物理层转换芯片，最终实现多种协议数据格式的转换。

8.  根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述STM32F107是一款高性能的32位微处理器，该芯片的运行频率最高为72 MHz，其内置高速存储器，并有通用的网络接口。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：在所述芯片级加解密控制单元中采用基于Cortex-M3设计的加解密芯片，可以对流程工业设备的数据进行加密，将密文经过以太网传输到企业管理层网络，还可以对以太网发送过来的加密指令数据进行解密、分析、传输，实现对底层设备的控制，由此实现控制指令与现场数据的双向硬件加密，从而保证数据的完整性、安全性和保密性。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流程工业设备包括大型轧机主传动、大型可编程控制器系统。

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