CN111679590A - 一种适用于工控安全测试的半实物仿真平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于工控安全测试的半实物仿真平台及方法。该系统包括：监控系统，用于实现仿真监控平台的实时、同步地采集并存储仿真数据，具有数据存储与记录、以及OPC通信等功能；仿真模型，位于监控终端计算机中，用于监控系统的数据来源。本模型中，MATLAB用来模拟工业系统控制运行过程并采集相关数据，同时作为OPC服务器为客户端提供对象化数据传输功能，利用LabVIEW提供的共享变量引擎SVE作为OPC客户端与动态仿真交互，监控各物理量，及时对超阈值或正常变化频率等现象进行报警，以达到发现异常的目的。同时DAQ数据端串口和协议端口与PLC相连，将仿真数据发送至PLC实物。上述平台可有效通过物理量的变化反映针对ICS系统数据被攻击后的状况。

Description

一种适用于工控安全测试的半实物仿真平台及方法

技术领域

本发明属于工控安全仿真分析技术领域，尤其涉及一种工控系统交互式动态仿真监控平台及方法。

背景技术

工业控制系统ICS一般是由SCADA、DCS、PLC、RTU等部分构成，在电力、石油化工、轨道交通等涉及到国计民生的重要领域广泛应用。信息安全研究方法主要有现场测试、理论分析和仿真测试几种类别。由于工控系统具有很强的基础性、复杂性和专用性，而且ICS是连续运行系统，传统IT系统风险评估中采用的漏洞扫描、渗透测试等侵入性方法会对系统运行产生影响，因此推广一种适用于工控安全测试的半实物仿真平台十分必要。目前业内多以网络仿真进行测试，但要想分析各种工控攻击对物理系统造成的影响，网络仿真覆盖面和专业性不够。另，许多网络攻击效果需经专业分析才能发现，无法在真实系统上验证展示，尤其与控制器硬件相关的部分，非到故障或发生事故不能证明，不利于问题的及早发现。传统仿真与真实网络设备组件相比，缺乏交互性，不能发现隐蔽性和滞后性较强的其他类型攻击，不能真实反映恶意攻击对ICS中的信息物理系统进行破坏的情况。

本发明综合计算机网络、自动控制及动态仿真技术，提出了一种硬件在环的、基于LabVIEW和MATLAB平台的半实物仿真实现方法。本模型中，MATLAB用来模拟工业系统控制运行过程并采集相关数据，同时作为OPC服务器为客户端提供对象化数据传输功能，利用LabVIEW提供的共享变量引擎SVE作为OPC客户端与动态仿真交互，可通过读写仿真数据控制仿真过程，并监控各物理量，能及时对超阈值或正常变化频率等现象进行报警，以达到发现异常的目的。同时DAQ数据端串口和协议端口与PLC相连，将仿真数据发送至PLC实物。上述平台可有效通过物理量的变化反映针对ICS系统数据被攻击后的状况。

发明内容

本发明的目的在于提出一种适用于工控安全测试的半实物仿真平台及方法，其特征在于：

监控系统，用于实现动态仿真的实时、同步数据采集和存储，能与仿真过程进行交互，能对异常数据进行监测和初步筛选、数据监测显示、报警事件控制、数据存储与记录、OPC通信、及管控整个仿真平台等功能；有别于工控系统中的组态监控可被回放欺骗，所述系统与现场设备属于同一层级，可离网、较难被攻击。

仿真模型，位于监控终端计算机中，用作监控系统的数据来源；

所述监控系统具体包括：

监控程序，用于反映仿真机运行的实时信息并提供实时操作手段，采用图形化界面进行功能开发，实现动态流程显示、趋势图形、数据输入、查询、自动报警与报表、数据存储、数据库管理、仿真模型计算显示与分析、参数优化分析等；

OPC客户端，用于各个读写模块绑定相应的变量，OPCRead模块将获得来自LabVIEW的控制信号，OPCWrite则把测量信号传递给SVE。OPCconfiguration模块配置SVE并将共享变量发布到网络。

所述仿真模型具体包括：

SIMLINK仿真模型，用于工控安全测试仿真；

OPC服务器(共享变量引擎SVE)，用于OPC客户端配置LabVIEW共享变量引擎，并把共享变量发布至网络上任意开放OPC服务器，从而实现不同应用程序间的数据交互。

所述OPC通信功能，在所述监控系统中使用共享变量引擎(SVE)组件作为OPC客户端，允许发布变量到网络并发布至网络上任意开放OPC服务器，从而实现不同应用程序间的数据交互。MATLAB与LabVIEW之间的信息交互。共享变量部署到SVE上，网络上的任何节点都可以读写SVE发布的共享变量。当写入到一个共享变量节点,LabVIEW将这个新值发送给部署和托管这个变量的SVE，SVE处理环路发布这个值，从而MATLAB可以得到更新后的变量值。

综上所述，MATLAB用来模拟工业系统控制运行过程并采集相关数据，同时具有OPC服务器为客户端提供对象化数据传输功能，利用LabVIEW提供的共享变量引擎SVE作为OPC客户端与动态仿真交互，可通过读写仿真数据控制仿真过程，并监控各物理量，能及时对超阈值或正常变化频率等现象进行报警，以达到发现异常的目的。同时DAQ数据端串口和协议端口与PLC相连，将仿真数据发送至PLC实物。上述平台可有效通过物理量的变化反映针对ICS系统数据被攻击后的状况。

所述监控系统与所述仿真模型，两者用OPC协议及其共享变量引擎SVE来解决二者间的通信问题。

所述自动报警功能，用于监测指定的共享变量，并允许基于特殊超限值或变化频率的报警事件发生，并以文本通知或其它形式告知使用者。当变量达到预设限值时由所述监控系统产生消息并通知。所述自动报警功能为使用者提供了一种方便的数据管理办法，能滤除大部分正常数据，聚焦于异常发生的时刻和状态，更便于问题的分析。

所述监控模式包括：实控监控模式、以及在线监控模式。

本发明有益效果如下：

提出的一种适用于工控安全测试的半实物仿真平台及方法，验证了LabVIEW与MATLAB之间通信的可行性，并详细描述了如何通过OPC技术、共享变量等技术建立MATLAB、LabVIEW及其PLC控制器之间的通信能实时、同步地采集仿真数据并存储，能对仿真过程进行控制，能对异常数据进行监测和初步筛选，且平台开放性强。

附图说明

图1为本发明的整体功能结构图。

图2为本发明的整体功能网络通信结构图。

图3为本发明的共享变量在MATLAB与LabVIEW之间的交互图。

图4为本发明的工控系统交互式动态仿真监控平台报警处理一般过程图。

图5为工控系统交互式动态仿真监控方法的结构示意图

图6为信息安全测试验证平台架构

图7为本发明示例的三相同步发电机运行仿真模型图。

图8为本发明示例的主程序实时监测与控制前面板图。

具体实施方式

为了解决现有的工控系统仿真软件主要关注功能实现，忽略操作的便携性和交互性，具有架构封闭、扩展性差等问题，本发明提供了一种工控系统交互式动态仿真监控平台及方法，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

根据本发明的实施例，提供了一种工控系统交互式动态仿真监控平台，图1是本发明实施例的工控系统交互式动态仿真监控平台整体功能结构图，如图1所示，根据本发明实施例工控系统交互式动态仿真监控平台包括：一个监控系统10、以及一个或多个仿真模型12，以下对本发明实施例的各个模块进行详细的说明。

监控系统10，用于实现仿真监控平台的实时、同步地采集仿真数据并存储，能对仿真过程进行控制，能对异常数据进行监测和初步筛选、数据监测显示、报警事件控制、数据存储与记录、以及OPC通信等功能；

仿真模型12，位于监控终端计算机中，用于监控系统的数据来源。

所述的工控系统交互式动态仿真监控平台，其特征在于，所述监控系统10具体包括：一个监控程序101以及OPC客户端102。

监控程序101，用于反映仿真机运行的实时信息并提供实时操作手段，采用图形化界面进行功能开发，实现动态流程显示、趋势图形、数据输入、查询、自动报警与报表、数据存储、数据库管理、仿真模型计算显示与分析、参数优化分析等；

OPC客户端102，用于发布变量到网络并发布至网络上任意开放OPC服务器，从而实现不同应用程序间的数据交互。

所述仿真模型12具体包括：一个监控程序121以及OPC客户端122。

SIMLINK仿真模型121，用于工控系统动态仿真；

OPC服务器122，用于配置LabVIEW共享变量引擎为OPC客户端。

其中所述监控系统10具有监控模块(DSC)，可用于快速开发应用于分散测量、控制和高信道传输监测，集成工业图像控件、数据监测显示、报警事件控制、数据存储与记录、以及OPC通信等功能；

所述监控系统10具有自动报警功能，用于变量达到预设限值时由所述监控系统10产生消息并通知的过程。它为使用者提供了一种方便的数据管理办法，能滤除大部分正常数据，聚焦于异常发生的时刻和状态，更便于问题的分析。

图2是本发明的工控系统交互式动态仿真监控平台整体功能网络通信结构图。其中，监控系统10以及作为数据来源的仿真模型12，两者通过TCP/IP网络相连。

图3是本发明的工控系统交互式动态仿真监控平台共享变量在MATLAB与LabVIEW之间的交互图。具体交互步骤如下：

步骤一：将网络发布共享变量部署到一个用于在网络上托管该变量的共享变量引擎SVE上,共享变量由共享变量引擎发布到主机。

步骤二：Labview客户端给共享变量赋值。

步骤三：当共享变量值发生变化后通过NI-PSP协议传给主机的共享变量引擎SVE。

步骤四：共享变量引擎记录该新值并重新部署全部。

步骤五：共享变量引擎再通过NI-PSP协议将改变后的值发布到MATLAB客户端。

步骤六：MATLAB客户端读取新数据。

其中Labview和MATLAB客户端可以装在两台不同的主机上，但由于他们之间的通讯要用NI-PSP协议，可能需要配置防火墙和NAT路由器，为了方便起见，本发明把Labview和MATLAB客户端装在一台主机上。只要运行引用任意共享变量的VI时,SVE即会部署并发布共享变量库。停止托管该变量的VI或重启机器并不影响共享变量在网上的可用性。如果需要删除网络上共享变量,必须明确地在该项目浏览窗口中对该变量解除部署。也可以选择工具》共享变量》变量管理器来对共享变量或整个变量项目库来解除部署。

图4为本发明的工控系统交互式动态仿真监控平台报警处理一般过程图。其中报警VI在监控系统中，用于监测指定的共享变量，并允许基于特殊超限值或变化频率的报警事件发生，并以文本通知或其它形式告知使用者。报警的工作方式类似于微机系统的软件中断机制。对共享变量设定允许报警和数据记录，报警系统会自动对这些变量进行监测，一旦数值超过设定的告警值就会有报警事件产生。对于每个变量，报警系统允许它有四级基于特殊值的报警和一级基于变化频率的报警，用户根据自己的需求进行等级和数值的配置。

基于上述的网络业务测试系统，根据本发明的实施例，提供了一种工控系统交互式动态仿真监控方法，图5是本发明实施例的工控系统交互式动态仿真监控方法的结构示意图，如图5所示，根据本发明实施例的工控系统交互式动态仿真监控方法包括如下步骤：

步骤501：算法及工控系统动态模型结构设计并利用MATLAB来模拟工控系统动态过程。

步骤502：利用LabVIEW软件构造监控系统操作界面及通过OPC协议及共享变量引擎SVE实现LabVIEW与MATLAB之间的实时数据交换及运行模型，进行计算机仿真。

步骤503：判断是否满足设计要求：判断如果此时系统满足设计要求，则进行步骤四，否则进行步骤一。

步骤504：构建工控系统交互式动态仿真平台：开发报警和事件通知子程序，以及数据库相关程序，调整控制参数，监测仿真数据，实现了数据采集与存储、监控、报警与模型控制交互等关键功能。判断是否满足设计要求：判断如果此时系统满足设计要求，则进行步骤504，否则进行步骤501；

步骤505：判断是否满足设计要求：判断如果此时系统满足设计要求，则系统仿真结束，否则进行步骤504。

图6为信息安全测试验证平台架构。本发明通过建立工控系统交互式动态仿真监控平台及方法解决现有的工控系统仿真软件主要关注功能实现，忽略操作的便携性和交互性，具有架构封闭、扩展性差等问题。

以下结合一个具体的三相同步发电机带负载仿真模型来说明本发明的有效性。建立了三相同步发电机带负载仿真模型，通过程序控制断路器接入两种负载产生不同工况，同时对发电机电气参数进行连续监测，并利用OPC通信技术将测量值传递到网络发布的虚拟仪器共享变量中。在虚拟仪器监控系统中实时显示各监测对象当前值和趋势图，并开发报警和事件通知子程序，以及数据库相关程序，实现了数据采集与存储、与模型控制交互等关键功能。实验结果表明，本监控平台能正确地监控仿真模型的运行，并正确执行所设计的各项功能。图7为本发明示例的三相同步发电机运行仿真模型图。其中模型主要由三相同步发电机、三相电压电流测量装置、三相RLC负载以及三个断路器组成，断路器的作用是电流、电压速断保护，当流过保护的电流大于整定值时断路器跳。在程序框图中断路器与三相并联负载相连，可以进行逻辑判断，产生控制脉冲。仿真产生了一系列发电机实时数据,如转速、电流、电压、功率等。仿真开始前在OPC客户端，为各个读写模块绑定相应的变量。OPCconfiguration模块配置LabVIEW共享变量引擎SVE并将共享变量发布到网上。OPC Read模块将获得来自LabVIEW的断路器控制信号，OPC Write则把发电机的测量信号传递给共享变量引擎，在通信成功后，LabVIEW前面板的指示器和控制器通过点对点的方式与模型交换数据。之后，在LabVIEW中通过DSC模块进行VI之间的数据交互以及监控模块显示。图8为主程序实时监测与控制前面板图。其中启动三相同步电机发电系统半实物仿真之后，在PC上运行LabVIEW的程序，可以看到前面板成功采集了实时的数据。负载接入时，可以看到电压、电流和功率有明显的波动。断路器有着速断保护的作用，因此当电压达到某个临界值会逐渐降低，而同时另外两路电压会逐渐升高，总体波形平滑延伸。这也验证了本次仿真的可行性。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种工控系统交互式动态仿真监控平台，其特征在于，包括：

监控系统，用于实现仿真监控平台的实时、同步地采集仿真数据并存储，能对仿真过程进行控制，能对异常数据进行监测和初步筛选、数据监测显示、报警事件控制、数据存储与记录、以及OPC通信等功能；

仿真模型，位于监控终端计算机中，用于监控系统的数据来源。

2.根据权利要求1所述的工控系统交互式动态仿真监控平台，其特征在于，所述监控系统具体包括：

监控程序，用于反映仿真机运行的实时信息并提供实时操作手段，采用图形化界面进行功能开发，实现动态流程显示、趋势图形、数据输入、查询、自动报警与报表、数据存储、数据库管理、仿真模型计算显示与分析、参数优化分析等；

OPC客户端，用于各个读写模块绑定相应的变量，OPC Read模块将获得来自LabVIEW的控制信号，OPC Write则把测量信号传递给共享变量引擎SVE。

3.根据权利要求1所述的工控系统交互式动态仿真监控平台，其特征在于，所述仿真模型具体包括：

SIMLINK仿真模型，用于工控系统动态仿真；

OPC服务器(共享变量引擎SVE)，用于OPC客户端配置LabVIEW共享变量引擎，并把共享变量发布至网络上任意开放OPC服务器，从而实现不同应用程序间的数据交互。

4.根据权利要求1所述的工控系统交互式动态仿真监控平台，其特征在于，所述OPC通信功能，在所述监控系统中使用共享变量引擎(SVE)组件作为OPC客户端，允许发布变量到网络并发布至网络上任意开放OPC服务器，从而实现不同应用程序间的数据交互。

5.根据权利要求1所述的工控系统交互式动态仿真监控平台，其特征在于，所述监控系统与所述仿真模型，两者通过TCP/IP网络相连。

6.根据权利要求2所述的工控系统交互式动态仿真监控平台，其特征在于，所述自动报警功能，用于监测指定的共享变量，并允许基于特殊超限值或变化频率的报警事件发生，并以文本通知或其它形式告知使用者。当变量达到预设限值时由所述监控系统产生消息并通知。所述自动报警功能为使用者提供了一种方便的数据管理办法，能滤除大部分正常数据，聚焦于异常发生的时刻和状态，更便于问题的分析。

7.根据权利要求2所述的工控系统交互式动态仿真监控平台，其特征在于，所述监控模式包括：实控监控模式、以及在线监控模式。

8.一种工控系统交互式动态仿真监控方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：算法及工控系统动态模型结构设计并利用MATLAB来模拟工控系统动态过程。

步骤二：利用LabVIEW软件构造监控系统操作界面及通过OPC协议及共享变量引擎SVE实现LabVIEW与MATLAB之间的实时数据交换及运行模型，进行计算机仿真。

步骤三：判断是否满足设计要求：判断如果此时系统满足设计要求，则进行步骤四，否则进行步骤一。

步骤四：构建工控系统交互式动态仿真平台：开发报警和事件通知子程序，以及数据库相关程序，调整控制参数，监测仿真数据，实现了数据采集与存储、监控、报警与模型控制交互等关键功能。判断是否满足设计要求：判断如果此时系统满足设计要求，则进行步骤四，否则进行步骤一；

步骤五：判断是否满足设计要求：判断如果此时系统满足设计要求，则系统仿真结束，否则进行步骤四。

9.根据权利要求8所述的工控系统交互式动态仿真监控方法，其特征在于，所述步骤一中选择MATLAB软件Simulink模块来完成动态仿真，所述MATLAB/Simulink提供一套功能完备的OPC Toolbox工具包，用以支持分布式网络通信，所述仿真模型，位于监控终端计算机中，用于监控系统的数据来源。有别于工控系统中的组态监控可被回放欺骗，所述系统与现场设备属于同一层级，可离网、较难被攻击。

10.根据权利要求7所述的工控系统交互式动态仿真监控方法，其特征在于，所述步骤二中LabVIEW软件所构造监控系统操作界面，用于实现仿真监控平台的实时、同步地采集仿真数据并存储，能对仿真过程进行控制，能对异常数据进行监测和初步筛选、数据监测显示、报警事件控制、数据存储与记录、以及OPC通信等功能；还可使用共享变量引擎(SVE)组件作为OPC客户端，允许发布变量到网络并发布至网络上任意开放OPC服务器，从而实现不同应用程序间的数据交互，并且工控系统交互式动态仿真监控方法，体现在步骤四中开发报警和事件通知子程序，用于监测指定的共享变量，并允许基于特殊超限值或变化频率的报警事件发生，并以文本通知或其它形式告知使用者。

Images