CN111065827A - 用于保护防止网络攻击时的气穴的方法和用于执行该方法的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于保护导流装置（2）免受由网络攻击引起的气穴的方法。在该方法中，首先检测到信号。然后测评所述信号，以便探测出网络攻击。随后，单元将信号进一步传送给组件以输入如下状态，在该状态中保护导流装置免受网络攻击。

Description

用于保护防止网络攻击时的气穴的方法和用于执行该方法的 装置
技术领域
本发明涉及一种用于保护导流装置免受在设备中由网络攻击引起的气穴损伤（Kavitationsschaden）的方法和单元。
背景技术
导流装置在生产设备中起到重要作用。这种导流装置例如是泵或配件。对于配件而言，在用于调节流量的调整配件、像比如调节配件和优选在开/关位置中运行的开关配件、像比如滑块、活门或旋塞之间进行区分，以便完全释放流量或完全截止流量。
根据本发明的方法尤其还用于保护离心泵。离心泵基于通过由于转矩引起的旋流变化将能量传递到流体上的作用原理，所述转矩由旋转的叶轮触发到流经所述离心泵的流体上。离心泵是一种流体机械。它利用离心力来输送液体。因此，它也被称为离心式泵。待输送的介质通过抽吸管进入到离心泵中，被旋转的叶轮抓住并且在螺旋轨道上向外运送。液体的由此施加的向外减小的径向速度导致泵内部的向外增大的压力，该压力将液体输送到压力管中。
在导流装置、像比如离心泵或配件中，可能出现被称为气穴的现象。气穴是指在介质中的填充有蒸汽的空腔（蒸汽气泡）的形成和溶解。在气穴出现时，区分为两种极限情况，在两种极限情况之间存在多种过渡形式。在蒸汽气穴（也称为硬气穴）中，空腔主要包含周围液体的蒸汽。这种空腔在外部压力的作用下通过气泡内爆而塌陷。由此出现显微的蒸汽冲击。在软的气体气穴的情况下，在液体中溶解的气体进入到气穴（气体析出），从而塌陷较不硬。
如果液体中的静态压力下降到低于液体的蒸汽压力，则形成蒸汽气泡。这些蒸汽气泡随后随着流动的液体被一起送到较高压力的区域中。随着静态压力再次升高到蒸汽压力以上，蒸汽在空腔中突然冷凝并且蒸汽气泡塌陷。在此出现极端的压力峰值和必要时出现温度峰值。
当在固体表面出现气穴时，有时会发生所谓的气穴麻点。表面材料由于高的机械应力而损坏。在蒸汽气泡内爆时经常出现损坏构件的所谓的微喷射束。
有针对性地引起气穴现象也是在网络攻击时的手段。网络攻击或者攻击是指从外部对重要计算机网络的特定基础结构的有针对性的攻击。这样的计算机网络也越来越多地用于控制设备。为了测量、控制和调节流程，例如为了过程的自动化和为了对大型系统进行监控在许多工业领域中使用所谓的工业控制系统（ICS；德语：工业上的控制系统、自动化系统）。这些系统通常在制造工业中得到应用。
在过去，ICS与其他IT系统和网络物理地解耦，从而保护其免受外部影响。因此，它们的IT安全性具有次要的重要性。
随着来自办公室的IT系统的引进和ICS的日益联网，这些系统如今经受与来自传统企业IT的系统类似的危害。
攻击者的行为方式根据目标而不同。在可以直接通过互联网访问的系统中，有针对性地开始对系统的攻击。因此，直接利用了被攻击的系统的弱点。
这些可以可能涉及操作系统或服务器应用。
在近年来已知的许多攻击中，Spear-Phishing-Attacken用作企业入口。通过这种方式，将一种“网桥端”指向企业中的计算机。从该网桥端出发，网络被熟知和其他系统被识别。如果攻击者已经到达了真正的目标系统，则攻击者从那里提取所寻找的信息并且进行操纵。如果攻击者已经实现其目的，则攻击者试图抹去其踪迹并且保持不被发现。
其它攻击通过经由移动数据存储器的普及来针对封闭的系统，所述移动数据存储器无意地被连接到封闭的系统上。通过读取移动数据存储器，程序本身得到安装。
如果黑客经由Cyberattacken攻击工业设备，那么经常是如下情况，即，有针对性地中断供电。对于一般攻击，其比一般切断更有区别地起作用，建立节点（Nöten）的过程更复杂。为了针对具体的过程，对此准确地了解其结构和节点控制。在此引起损坏是非常特殊的方法。
但是，所有利用流体的过程具有或多或少标准化结构形式的导流装置，这些导流装置在宽度上可识别并且可比整个过程更有结构化地受到攻击。在设备中的导流装置中有针对性地引起破坏性的气穴现象也是现实的情景。
例如，通过网络攻击可以操纵调节流向泵的液体流的阀的位置。通过这种操纵，静态压力可以下降到低于蒸汽压力，从而在液体中形成蒸汽气泡。如果这些蒸汽气泡在泵附近不久塌陷，对泵组件、像比如泵的叶轮引起微观上小的损坏。因此，随着时间的推移，设备受损并且在最坏的情况下发生意外的停机。配件本身也可能由于气穴而损坏。因此，例如在受损的状态下的流量发生改变或不再提供密封性。
一些泵是定制设计，使得在损坏之后可能经过数周或数月，直到备用泵准备好。在最坏的情况下，设备到那时为止是停机的。因此，由于对导流装置的这种攻击可能产生高的生产损失。
在最坏的情况下，通过这种操纵甚至会在生产过程的多个位置上引起爆炸。在化学设备的情况下，后果是致命的。在油或气体输送设备中，对于环境可能会出现影响广泛的后果。
在EP 2 279 465 B1 中描述了一种用于工业控制系统的网络安全管理的计算机实施的方法。在此提供了一种集中式系统安全管理程序模块。该集中式系统安全管理程序模块可以通过处理装置导入。所述集中式系统安全管理程序模块被集成到监控、控制和数据采集单元中的集成的命令和控制用户接口中。
在EP 2 500 579 A1 中描述了一种用于监控由电动机驱动的离心泵的方法。在该文献中描述的方法基于这样的认识，即在气穴作用时内爆的气泡以及在一同输送气体而压缩的气泡冲击力矩在叶轮的叶片上引起振动，该振动在驱动装置中可作为转矩脉冲探测到。因为电动机的功率消耗和负载电流对于转矩形成是决定性的，所以其值可以有利地为了识别这种脉冲而被获取和测评。因为功率消耗的值或负载电流的值大多反正存在于马达控制设备中，所以为了监控离心泵不需要附加的传感装置。
在EP 2 433 010 B1 中描述了一种用于确定工作机器的运行点的方法和装置。由工作机器消耗的功率或其输送量在此表征运行点。在该方法中，工作机器的与运行点相关的测量参量通过传感器检测。测量值在运行期间被存储和测评。
发明内容
本发明的任务在于提供如下一种方法和一种装置，通过所述方法和所述装置能够有效地防止对导流装置、像比如配件的泵等的网络攻击。在此，应可靠地保护安装在设备中的组件，从而防止设备停机。此外，该方法或装置应当简单地在设备中实施，从而使得装置或加装与对于制造商和运营商而言尽可能小的成本耗费相关联。
根据本发明，该任务通过一种具有权利要求1的特征的方法和具有权利要求10的特征的单元来解决。优选的变型方案在从属权利要求、说明书和附图中进行描述。
根据本发明，首先检测设备中的至少一个第一信号，导流装置位于该设备中，其中，第一信号涉及设备的运行状态。借助至少一个传感器进行检测。第一信号被传送给单元或者由单元检测并且在那里被测评。在单元中，将理论参量和实际参量相互比较或者将至少一个第一信号与至少一个参考值进行比较。如果单元根据测评确定，存在设备的故意引起的运行，即是否已经发生或发生了用于引起气穴的网络攻击，那么单元通过发送第二信号作出反应。
响应于第二信号，通过相应地操控设备的一个或多个组件使设备又进入符合规则的状态，在该状态下保护导流装置免受气穴损伤并且有效地防御网络攻击。另一方面，响应于第二信号，使设备或导流装置进入如下一种状态，在该状态中，保护其免受当前的和/或另外的网络攻击，也就是说，在该受保护的状态中，排除了将设备故意地置于非规则的（regelwidrig）运行中。导流装置或整个设备和/或单元于是例如也可与如下网络脱离，通过该网络实现网络攻击，从而不再可能实现进一步的网络攻击。
根据本发明的方法在此既适合于防御对与设备连接的中央网络的网络攻击，也适合于防御对设备的单个组件的网络攻击。当至少一个第一信号的变化曲线或特定的特征（像比如振幅、频率内容等）与至少一个参考值相比明显不同时，也就是说，当超过或低于预先给定的极限值时，或者当至少一个第一信号的时间变化曲线具有特定的特性或模式时，那么在通过单元进行测评时确定设备的故意引起的非规则的运行。满足取决于相应的设备、其组件、所使用的介质等的这些标准表明，不存在设备的正常运行，或者第一信号的可能的异常没有偶然地或通过技术上的故障被触发，而是发生或已经发生对设备运行的有针对性的干预，以便引起损坏导流装置的气穴。
根据本发明，由至少一个传感器来检测导流装置或设备的一种或多种运行状态。所述运行状态例如可以是（热）辐射、振动、声发射、泄漏、压力、流动速度或温度。这些运行状态由单元分析并且测评是否存在表明网络攻击的签名。
在网络攻击的识别之后的对策中，可以应用迭代方法，其中单个步骤或步骤序列或整个方法一次或多次地重复。
通过单元对第一信号的分析或测评可以特别注意到微小的持续作用的、短时强烈的、阈值化的或结构化地出现的在正常运行（调节运行）中不出现的异常。为了识别正在进行的网络攻击，可以识别由依赖于运行点的标准信号行为表征的现有的无失真负载集合并且将其存储为参考。
在此，术语“网络攻击”表示非规则运行的每个从外部进行的故意的起振。
在本发明的一种变型方案中，所述单元是去中心化的控制和/或调节装置。单元可以直接安装在相应的导流装置上或内，即例如直接安装在待保护的配件或待保护的泵上。如果整个过程控制系统已经被网络攻击或者黑客攻击感染，那么通过该去中心化的单元也可以实现防止网络攻击。独立的去中心化的单元可以检测导致气穴出现的不利的运行状态并因此探测到黑客攻击。此外，该去中心化的单元可以有利地使相应的导流装置与网络/计算机网络或过程控制系统这样长时间地脱离，直至黑客攻击被防御。
单元可以是完全独立于过程控制系统或网络的监控单元。在一种变型方案中，所述单元直接安装在导流装置上并且仅与传感器连接或与导流装置的驱动机组的组件连接。在分析由与过程控制系统或网络完全脱离的单元检测到的信号时，该单元可以探测到可能导致气穴并且指示网络攻击的不利的运行状态并且独立地采取相应的对策。
但也可以是这种情况，即不是导流装置而是设备的其它部件与计算机网络连接。网络攻击于是可以具有如下目的，即，通过有针对性地操纵设备的某些组件、例如在导流装置的流入管线中的阀而在设备中引起气穴，该气穴尽管如此仍损坏与原本的计算机网络根本不连接的导流装置。在这种情况下，本身与计算机网络连接的单元可以自主地分离设备的相关组件或整个设备以及必要时本身与受到危及的计算机网络分离并且操控设备的不同组件，使得这些组件又转移到符合规则的运行中，在该运行中不出现气穴。
在本发明的一个特别优选的变型方案中，该单元在此这样设置，使得该单元在命令结构中相对于过程控制系统或网络占优势，整个设备与该网络联网。如果单元探测到网络攻击，则该单元将导流装置或设备和/或本身完全与过程控制系统或网络分离并且因此保护所述导流装置或设备或其本身免受进一步的攻击。
补充地或替代地，可以发出光学的和/或声学的警报消息，从而向运营者指明所探测到的网络攻击。
在本发明的一种变型方案中，该单元具有数据存储器。数据存储器用于检测和存储设备的技术数据，特别是导流装置的技术数据和/或与导流装置处于连接之中的驱动装置的技术数据。此外，在数据存储器中可存储有流经导流装置的介质的蒸汽压力状态。
优选地，单元具有至少一个用于传感器的接头。在此，特别是光学传感器、声学传感器（例如超声传感器）、压力传感器、流量传感器或温度传感器适合于探测将导致气穴的网络攻击。
用于检测静态压力的压力传感器也能够检测动态压力波动。这种压力传感器按照标准安装在多个泵上，特别是用于检测其最终压力。因此，所述至少一个第一信号也可以涉及设备内的、特别是导流装置的流入管线和/或流出管线中的压力波动。
在本发明的一种特别有利的变型方案中，单元具有监控模块。监控模块可以具有测评单元。测评单元本身可以与数据存储器连接。此外，监控模块可以包括输入单元或输出单元。
在本发明的一种有利的变型方案中，监控模块与马达模块连接。监控模块和马达模块可以去中心化地完全与过程控制系统或网络分离，或者在一种替代的变型方案中也可以是过程控制系统的一部分。
优选地，马达控制器与马达模块、监控模块的测评单元连接并且与电动机连接。电动机在此可以用作用于导流装置的驱动装置。
为了避免气穴和防止网络攻击，单元可以在探测到网络攻击之后例如这样改变在通向导流装置的输入部中的流量，使得有效地避免气穴现象。通过改变例如阀位置，可以避免静态压力降到低于蒸汽压力并形成蒸汽气泡，所述蒸汽气泡随后可能会内爆并由于微喷射束的产生而引起相应的损坏。
在设计成泵的导流装置的略微降低的抽吸压力的情况下，可在驱动泵的驱动装置以较低转速维持功能性的情况下防止出现气穴。
作为涉及设备的运行状态的第一信号，例如可以在导流装置之前和/或之后检测流经该导流装置的介质的压力和/或通流速度和/或温度。
在本发明的一种特别有利的实施方案中，在此检测通向导流装置的入口压力。
补充地或替代地，也可借助于安装在导流装置之前、之后和/或中的传感器来检测压力波动。通过分析压力波动同样可以探测由于可能的网络攻击而出现气穴。
作为防御气穴出现的补充方案或替代方案，也可改变导流装置的压力侧上的流量。这同样可以经由通过单元进行相应的操控通过改变阀位置来引起。
附图说明
本发明的其它特征和优点从借助于附图对实施例的描述中并且从附图本身中获得。在此示出：
图1示出了具有实施为离心泵的导流装置的组件；并且
图2示出了导流装置的单元的方框图。
具体实施方式
图1显示了组件1，在其中示出设计成离心泵的导流装置2。实施为离心泵的导流装置2通过轴3与驱动装置4相连接。在该实施例中，驱动装置4被设计为驱动导流装置2的异步电动机。异步电动机4由电网引线5馈电。在导流装置2的压力接管6处布置有用于测量离心泵的压力侧的压力或最终压力的传感器7。传感器7通过管线8与单元9连接。
单元9对传感器7的测量信号进行测评并且由此可以分析关键的运行状态，所述运行状态导致出现气穴并且能够推断出网络攻击。单元9为此利用根据本发明的方法。
作为用于执行根据本发明的方法的补充方案或替代方案，也可以考虑驱动装置4的特征参量、像比如额定功率和/或转速。由这些参数也可以推导出或计算出其他的参数。单元9具有用于检测传感器7的一个信号或多个信号的合适的接头10。在本实施例中，接头10被构造为信号输入端。
在该实施例中，单元9具有信号处理模块11。信号处理模块11例如也能够以相对高的精度确定旋转响声频率（Drehklangfrequenz）。
在单元9中运行的方法由计算模块12控制和协调。此外，单元9具有显示和操作元件13。
在该组件上可以设置有这里未示出的另外的压力传感器接口，该压力传感器接口例如用于检测泵抽吸压力。此外，该组件还可以具有另外的、这里未示出的信号输入端和/或串行总线接口或用于读入或读出参数。
图2示出了方框图并且示出了用于控制和/或调节导流装置2的单元9。单元9在根据图2的图示中具有测评模块14、与测评模块14连接的存储器15和同样与测评模块14连接的输入/输出单元16。单元9与马达模块17连接。单元9和马达模块17可以是过程控制系统18的一部分，但不是必须的。马达控制器19与马达模块17、单元9并且与驱动装置4连接。必要时，马达控制器19直接与导流装置2连接。
驱动装置4驱动设计成离心泵的导流装置2。导流装置2通过输入管线20被供给液态的输送介质并且通过输出管线21将输送介质泵出。所提及的组件之间的数据传输通过箭头说明。
附图标记列表
1 组件
2 导流装置
3 轴
4 驱动装置
5 电网引线
6 压力接管
7 传感器
8 管线
9 单元
10 接头
11 信号处理模块
12 计算模块
13 操作元件
14 测评模块
15 存储器
16 输入/输出单元
17 马达模块
18 过程控制系统
19 马达控制器
20 输入管线
21 输出管线。

Claims (15)

1.一种用于保护设备的导流装置（2）免受由网络攻击引起的气穴的方法，所述方法具有以下步骤：
- 借助至少一个传感器检测至少一个涉及所述设备的运行状态的第一信号，
- 借助单元（9）测评所述第一信号，其中，所述测评包括将所述第一信号与至少一个参考值进行比较，
- 如果所述单元（9）基于对于第一信号的测评而确定该设备的故意引起的非规则的运行，则通过该单元（9）输出第二信号，
- 调设所述设备的组件以响应于所述第二信号引起所述设备的符合规则的运行，在该运行中避免气穴的产生，和
- 响应于所述第二信号引起所述导流装置（2）的防止当前的和/或另外的网络攻击的状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单元（9）是局部的控制和/或调节装置，其优选布置在所述导流装置（2）上或中。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述单元（9）具有如下数据存储器（15），所述数据存储器具有所述设备的、特别是所述导流装置（2）的和/或与该导流装置处于连接之中的驱动装置（4）的技术数据。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所存储的技术数据包括流经所述导流装置（2）的介质的热力学的物质数据、优选蒸汽压力状态。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了引起设备的符合规则的运行而对设备的组件进行调设包括在通至所述导流装置（2）的输入部中和/或在所述导流装置（2）的压力侧上优选通过操控阀来改变流经所述导流装置（2）的介质的流量。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，作为涉及所述设备的运行状态的第一信号，在所述导流装置（2）之前和/或之后检测流经所述导流装置（2）的介质的压力和/或通流速度和/或温度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述导流装置（2）和/或所述单元（9）与对所述设备进行调节和/或控制的计算机网络连接。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，引起导流装置（2）的防止当前的和/或另外的网络攻击的状态包括将所述导流装置（2）和/或与所述设备的组件和/或所述单元（9）与计算机网络的连接分离。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述单元（9）被设置用于在与计算机网络分离的状态下独立地执行对至少一个第一信号的测评和/或对设备的组件的操控，以便引起所述设备的符合规则的运行，在该运行中避免气穴的产生。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述导流装置（9）是离心泵，所述离心泵由驱动装置（4）驱动。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，如果对至少一个第一信号的测评检测到在所述设备的正常运行中不出现的持续作用的和/或规律出现的和/或短时强烈的和/或阈值化的和/或结构化出现的异常，则所述单元（9）确定所述设备的故意引起的非规则的运行。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在测评时考虑至少一个第一信号的振幅和/或频率内容的时间变化曲线。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个传感器是光学和/或辐射和/或声音和/或振动和/或压力和/或流量和/或温度传感器。
14.一种用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的单元（9），该单元被设置用于保护导流装置（2）免受由网络攻击引起的气穴，其中该单元（9）优选与用于调节和/或控制该设备的计算机网络连接并且被设置用于在确定该设备的故意引起的非规则的运行时通过测评至少一个第一信号自主地中断与计算机网络的连接。
15.根据权利要求14所述的单元（9），其特征在于，该单元具有用于处理至少一个第一信号的信号处理模块（11）、用于测评至少一个第一信号的测评模块（14）、具有设备的技术数据的存储器（15）和优选输入/输出单元（16），其中该单元（9）优选被设置用于通过测评至少一个第一信号来确定该设备的故意引起的非规则的运行以自主地对该设备的组件进行操控/调节，以便将该设备转换到符合规则的运行中，在该运行中避免气穴的产生。
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