CN112769861B - 一种电厂安全i区网络安全危急信号识别输出装置 - Google Patents

一种电厂安全i区网络安全危急信号识别输出装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电厂安全I区网络安全危急信号识别输出装置，属于电厂网络安全技术领域，包括MCU、实时时间标签模块、光耦输入DMA中断响应处理模块、切换信号通信DMA中断响应处理模块和中断优先级模块，该装置是针对电厂安全I区内态势感知系统配合使用的硬件执行机构，用于在设备危急时刻，发出关键信号，将备用控制系统接管至电厂关键运行设备，替代原有控制系统运行，脱离危险网络环境，避免对设备造成不可挽回的破坏。

Description

一种电厂安全I区网络安全危急信号识别输出装置
技术领域
本发明属于电厂网络安全技术领域，具体涉及一种电厂安全I区网络安全危急信号识别输出装置。
背景技术
物联网和网络安全需求越来越旺盛的情况下，工业控制系统也从封闭走向了开放，全球工控安全事件频发，2016年290起，2017年305起，2018年320起。为此，国家颁行了《网络安全法》，法律规定，国家对公共通信和信息服务、能源、交通、水利、金融、公共服务、电子政务等重要行业和领域，以及其他一旦遭到破坏、丧失功能或者数据泄露，可能严重危害国家安全、国计民生、公共利益的关键信息基础设施，在网络安全等级保护制度的基础上，实行重点保护。关键信息基础设施的运营者应当自行或者委托网络安全服务机构对其网络的安全性和可能存在的风险每年至少进行一次检测评估。
同时，国家能源局发布了36号文《监控系统安全防护总体方案》，明确提出了安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证和综合防护的工控网络安全的设计原则。因此，通过国家层面的推动，在工业控制领域网络安全进行了一场技术革新。
目前国内电厂方面，网络安全厂商的安全防护产品在电厂中的应用主要限于信息管理层级（MIS），用于防止外部用户对系统的非法访问。但伴随目前物联上网产品在电厂应用越来越多，亟需一种能够针对电厂生产运营设备网络安全防护的产品来提供安全解决方案，我司就针对这一块新兴市场进行设备开发，针对设计电厂核心安全的网络防护产品提供一种网络安全解决方案。
对于整个电厂的网络系统而言，这是一个复杂的系统，按照等保2.0的标准，将网络系统划为三个区域，安全I区、安全II区和安全III区。在电厂设备当中其各自的定义和功能划分为如下：
安全I区：此区设备为现场生产网络设备，为实时区。对于电厂而言，包括锅炉控制系统，电机控制系统、汽轮机控制系统和DCS系统等。同时相对于电网掉度通信接口而言，这个范围较为宽广，包括电力数据采集和监控系统、能量管理系统、配电自动化系统、变电站自动化系统等。
这个区的设备主要用户为调度员和运行操作人员，数据传输实时性非常高，达到mS级，数据通过实时网络进行传输。因此，亟需寻找到一种适用于本安全系统的识别输出模件，能在时间响应上达到毫秒级，满足本安全系统的高要求。
发明内容
为解决前述问题，本发明提供一种电厂安全I区网络安全危急信号识别输出装置，该装置是针对电厂安全I区内态势感知系统配合使用的硬件执行机构，用于在设备危急时刻，发出关键信号，将备用控制系统接管至电厂关键运行设备，替代原有控制系统运行，脱离危险网络环境，避免对设备造成不可挽回的破坏。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种电厂安全I区网络安全危急信号识别输出装置，包括MCU、实时时间标签模块、光耦输入DMA中断响应处理模块、切换信号通信DMA中断响应处理模块和中断优先级模块，
所述MCU采用智能芯片方式集成内部决策模块，其设计策略为输出逻辑优于输入逻辑，同时给DI数据进行打上时间标签，为态势感知系统提供可信数据，
所述实时时间标签模块用于接收上级系统的时间信号，为输入的DI信号生成精准的时间标签；
所述光耦输入DMA中断响应处理模块利用MCU的DMA硬件中断的方式，接收前一级输入的信号后，打上实时时钟标签标记的时间戳信号后转发给串口接口模块；
所述切换信号通信DMA中断响应处理模块利用MCU的DMA硬件中断方式，将从串口接口模块接收的硬件切换通信信号转换为DO输出，并将识别信号输出至下一级；
所述中断优先级模块用于调度实时时间标签模块、光耦输入DMA中断响应处理模块，以及切换信号通信DMA中断响应处理模块。
进一步地，所述切换信号通信DMA中断响应处理模块将接收的信号转换成DO输出信号后，通过驱动固态继电器将识别信号输出，所述固态继电器内部采用MOS管构造。
进一步地，所述切换信号通信DMA中断响应处理模块信号输出模块集成了4个固态继电器，在接收到识别输出信号时全部动作，在到达切换装置时采用4取3的策略进行动作。
进一步地，所述切换信号通信DMA中断响应处理模块驱动固态继电器通过继电器驱动电路实现，所述继电器驱动电路由三极管搭建而成，驱动5V供电电源，触发固态继电器动作，将DO信号输出出去，该电路为功率放大电路，将触发电流放大至满足继电器动作的时间。
进一步地，向所述光耦输入DMA中断响应处理模块输入的数字量输入电信号，是通过光耦输入模块输入至该模块，所述光耦输入模块包括光耦、TVS管、电阻和电容，所述光耦输入模块能够兼容24V、48V以及干触点方式接入。
进一步地，所述实时时间标签模块是通过实时时钟电路模块和实时时钟晶振电路产生的精准时钟信号，配合通过串口接口模块接收来自上位系统的时间信号来确定DI信号的精准时间节拍，为输入的DI信号生成精准的时间标签。
进一步地，所述实时时钟电路模块的时钟电路上配备有纽扣电池，所述纽扣电池用于提供该装置在失电情况的自动计时，且该实时时钟电路模块还接入有防反接二极管；所述实时时钟晶振电路由实时时钟晶体和COG电容组成的实时时钟震荡电路，提供实时时钟硬件信号。
进一步地，所述串口接口模块使用RS232专用芯片进行串口接口的适配，能够接收波特率为115200的传输信号。
进一步地，所述光耦输入模块的输入信号与固态继电器的输出信号均采用DB9电信号连接，并将4路光耦输入与4路固态继电器输出分别集成到独立DB9线缆接口上。
进一步地，该系统还包括系统时钟晶振电路和电源电路模块，所述系统时钟晶振电路由独立24MHz晶振接入3.3V电源后产生供MCU运行的系统时钟，该系统时钟配合MCU内部的分频、倍频电路组成了MCU运行所需频率信号；所述电源电路模块为整个系统提供工作电源。
本技术方案的有益效果如下：
一、本发明中，该电厂安全I区网络安全危急信号识别输出装置提供了一套完备的符合等保2.0的电厂工控网络安全的识别输出装置。
二、本发明中，采用MCU智能芯片，通过接收电厂安全I区态势感知系统的串口通信信号，通过MCU的DMA中断输出多路固态继电器DO信号控制硬件切换装置，将原有控制系统切换到备用控制系统，在备用控制系统接管系统后对硬件识别输出模件输出多路DI信号，该装置在接收到DI信号并打上时间戳后反馈给态势感知系统，即将控制系统状态反馈给态势感知系统。
三、本发明中，本装置接收态势感知系统采用串口通信的方式，采用专用芯片进行串口接口硬件设计，速率达到ms级。
四、本发明中，本装置采用固态继电器方式输出，该固态继电器动作时间为µs级，MCU前级的驱动电路采用电信号放大，输出速率，对ms级系统造成的影响可忽略不计，该装置整体应答速率为ms级。
五、本发明中，本装置在DI输入上进行了时间标记处理，通过使用纽扣电池和实时时钟晶振，在接收来自串口的定时时间同步后，可为备用控制系统的接管提供精准的实时标记，可为态势感知系统提供系统反应超时判断。
六、本发明中，本装置在外部电源的输入上兼容12VDC和24VDC。
七、本发明中，本装置在DI的输入电平上兼容24VDC、48VDC和干接点三种方式。
八、本发明中，本装置对切换信号通信DMA中断响应处理模块、实时时钟标签模块、光耦输入DMA中断响应处理模块进行优先级管理，即对MCU继电器驱动输出、时间同步和光耦输入三个中断处理模块进行了优先级管理，按照前述描述顺序进行依次排列，按照态势感知事务的应用需求进行合理部署。
九、本发明中，在光耦输入模块和固态继电器的输出电信号连接上采用DB9电信号连接，将多路光耦输入和多路固态继电器输出分别集成到独立DB9线缆接口上，方便现场将DI信号接入到备用控制系统，而将DO信号接入到硬件切换装置上。
附图说明
图1为本发明的系统框图。
图2是备用控制系统接管的示意图。
图3是本发明中的信号识别输出装置工作时的流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但实施方式不限于此。
实施例1
本实施例是基于我司电厂安全I区网络环境，将本网络安全危急信号识别输出装置应用在该环境的一种具体实施方式，属于电厂网络安全技术领域。
本实施例中的电厂安全I区网络安全危急信号识别输出装置是针对电厂安全I区内态势感知系统配合使用的硬件执行机构，用于在设备危急时刻，发出关键信号，将备用控制系统接管电厂关键运行设备，替代原有控制系统运行，脱离危险网络环境，避免对设备造成不可挽回的破坏。
该装置在时间响应上要求非常高，需要在数毫秒时间内进行动作。在上一级态势感知系统识别到危险信号时，通过串口通信方式发送给本装置，通过高速响应将通信信号转换为电信号，输出给控制系统切换装置，触发控制系统切换。同时，在实现控制系统切换后，还需要接收到备用控制系统的工作状态，用于态势感知系统掌握整个系统的运行状态。
对于整个系统的运行状态而言，事件判断主要分为四个安全层级，包括警告、严重警告、危险和严重威胁。其中警告是指侦测到网络通信工况不符合制定规则，比如：流量异常，异常通信故障码，设备自身通信故障等，提供给操作运维人员提示；严重警告是指侦测到网络通信工况不符合白名单规则，比如：异常IP，异常MAC等），疑似存在非法行为，提供给操作运维人员提示；危险是指侦测网络通信工况中存在危害网络设备行为，请求操作运维人员进行异常处理，在联合审计设备记录的情况下，结合人事管理系统审批，在符合责任落实的原则下配套信息系统进行处理；而严重威胁是指在设备即将出现危急情况、可能对设备造成不可挽回的破坏情况下，态势感知系统自动切入备用系统接管，发出危险信号，并通知现场维护人员。
这部分通过硬件实现，如图2所示。系统将接到切换装置上，切换装置将互联原控制系统和备用控制系统，在必要时刻接受来之态势感知平台的信号来进行信号的切换。而本技术方案中的电厂安全I区网络安全危急信号识别输出装置主要用于在备用系统接管的状态下进行硬件动作，是保护级别最高的适配装置。具体实施方式如下：
一种电厂安全I区网络安全危急信号识别输出装置，参照图1和图3，包括MCU、实时时间标签模块、光耦输入DMA中断响应处理模块、切换信号通信DMA中断响应处理模块和中断优先级模块。
所述MCU为整个装置的软件部分，采用智能芯片方式集成内部决策模块，其设计策略为输出逻辑优于输入逻辑，同时给DI数据进行打上时间标签，为态势感知系统提供可信数据。
所述实时时间标签模块通过实时时钟电路模块和实时时钟晶振电路产生的精准时钟信号，配合通过串口接口模块接收来自上一级的态势感知系统的时间信号来确定DI信号的精准时间节拍，为输入的DI信号生成精准的时间标签，让态势感知系统了解备用控制系统接管的时间节点。如态势感知系统在发出硬件切换信号后没有收到备用控制系统的接管信号，会发出严重系统报警。
所述实时时间标签模块分别与实时时钟电路模块、实时时钟晶振电路采用硬件电信号连接；与上位态势感知系统的软件信号采用软件逻辑进行连接。
进一步的，所述光耦输入DMA中断响应处理模块利用MCU的DMA硬件中断的方式，通过光耦DI通道输入的数字量输入电信号，一般为24V或者48V信号，通过所述光耦输入模块的电路转换为3.3V高低电平电压，打上实时时钟标签标记的时间戳信号后转发给串口接口模块，串口接口模块在接收到信号后反馈给态势感知系统。
进一步的，所述切换信号通信DMA中断响应处理模块利用MCU的DMA硬件中断方式，将从串口接口模块接收的硬件切换通信信号转换为DO输出，驱动固态继电器，将识别信号输出，该模块的实时响应为最高等级。
进一步的，所述中断优先级模块用于调度实时时间标签模块、光耦输入DMA中断响应处理模块，以及切换信号通信DMA中断响应处理模块的优先级，其优先级的按照由高到低的顺序依次排列为：切换信号通信DMA中断响应处理模块-实时时钟标签模块-光耦输入DMA中断响应处理模块。
进一步地，所述切换信号通信DMA中断响应处理模块将接收的信号转换成DO输出信号后，通过驱动固态继电器将识别信号输出，所述固态继电器内部采用MOS管构造，相比于机械触点结构的继电器而言，其由于采用电信号，动作时间更快，在平时状态下为阻断状态，在识别信号输出时为导通状态，导通电阻约为10Ω，通过电流达到3A左右，动作时间为µs级别，能够满足整体系统ms级的动作时间。
进一步地，所述切换信号通信DMA中断响应处理模块信号输出模块集成了4个固态继电器，在接收到识别输出信号时全部动作，在到达切换装置时采用4取3的策略进行动作，避免单个信号输出出现的误动作。
进一步地，所述切换信号通信DMA中断响应处理模块驱动固态继电器通过继电器驱动电路实现，所述继电器驱动电路由三极管搭建而成，驱动5V供电电源，触发固态继电器动作，将DO信号输出出去，该电路为功率放大电路，将触发电流放大至满足继电器动作的时间。
进一步地，向所述光耦输入DMA中断响应处理模块输入的数字量输入电信号是通过光耦输入模块输入至该模块，所述光耦输入模块包括光耦、TVS管、电阻和电容，在输入高电压的情况下光耦导通，向MCU输入低电平信号；在输入低电压的情况光耦不导通，MCU接收高电平信号。
光耦输入模块能够兼容24V、48V以及干触点方式接入，MCU在接收到4路信号直接转发给态势感知系统，由态势感知系统进行4取3逻辑进行判断，从而确知备用控制系统的状态。
进一步地，所述实时时间标签模块是通过实时时钟电路模块和实时时钟晶振电路产生的精准时钟信号，配合通过串口接口模块接收来自上位系统的时间信号来确定DI信号的精准时间节拍，为输入的DI信号生成精准的时间标签。
进一步地，所述实时时钟电路模块的时钟电路上配备有纽扣电池，所述纽扣电池用于提供该装置在失电情况的自动计时，且该实时时钟电路模块还接入有防反接二极管采用防反接设计，防止纽扣电池电源对电路造成影响；所述实时时钟晶振电路由实时时钟晶体和COG电容组成的实时时钟震荡电路，提供实时时钟硬件信号。
进一步地，所述串口接口模块使用RS232专用芯片进行串口接口的适配，能够接收来自态势感知系统波特率为115200的传输信号，整个串口接口模块是硬件识别输出模件传输速率都关键，通过稳定可靠的电平可以保证该装置在ms时间级别内进行动作。
进一步地，所述光耦输入模块的输入信号与固态继电器的输出信号均采用DB9电信号连接，并将4路光耦输入与4路固态继电器输出分别集成到独立DB9线缆接口上，方便现场将DI信号接入到备用控制系统，而将DO信号接入到硬件切换装置上。
进一步地，该系统还包括系统时钟晶振电路和电源电路模块，所述系统时钟晶振电路由独立24MHz晶振接入3.3V电源后产生供MCU运行的系统时钟，该系统时钟配合MCU内部的分频、倍频电路组成了MCU运行所需频率信号；所述电源电路模块为整个系统提供工作电源，包括24V电源转5V电路：用于将输入信号转换为5V电压；5V电源转3.3V电路：输出MCU运行需要的3.3V电压。所述电源电路模块还包括电源供电接口。本装置中的电路采用统一的2路供电接口，供电接口兼容电源24VDC和12VDC接口，电路能在两种电源方式下进行工作，为整个模件提供稳定可靠的冗余电源，在接线应用上需接入两路独立的电源进行供电。
上述输出装置的模块可以参照如图3所示的逻辑关系，来实现本方案，设备响应级别可达到毫秒级，能在数毫秒之内动作。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电厂安全I区网络安全危急信号识别输出装置，其特征在于：包括MCU、实时时间标签模块、光耦输入DMA中断响应处理模块、切换信号通信DMA中断响应处理模块和中断优先级模块，
所述MCU采用智能芯片方式集成内部决策模块，其设计策略为输出逻辑优于输入逻辑，同时给DI数据进行打上时间标签，为态势感知系统提供可信数据，
所述实时时间标签模块用于接收上级系统的时间信号，为输入的DI信号生成精准的时间标签；
所述光耦输入DMA中断响应处理模块利用MCU的DMA硬件中断的方式，接收前一级输入的信号后，打上实时时钟标签标记的时间戳信号后转发给串口接口模块；
所述切换信号通信DMA中断响应处理模块利用MCU的DMA硬件中断方式，将从串口接口模块接收的硬件切换通信信号转换为DO输出，并将识别信号输出至下一级；
所述中断优先级模块用于调度实时时间标签模块、光耦输入DMA中断响应处理模块，以及切换信号通信DMA中断响应处理模块；
所述实时时间标签模块与上位态势感知系统的软件信号采用软件逻辑进行连接，所述串口接口模块在接收到信号后反馈给态势感知系统，所述切换信号通信DMA中断响应处理模块将接收的信号转换成DO输出信号后，通过驱动固态继电器将识别信号输出，由中断优先级模块调度优先级，其优先级按照由高到低的顺序依次为切换信号通信DMA中断响应处理模块-实时时钟标签模块-光耦输入DMA中断响应处理模块，将DI信号接入到备用控制系统，与备用控制系统交互；而将DO信号接入到硬件切换装置上，驱动硬件切换装置。
2.根据权利要求1所述的一种电厂安全I区网络安全危急信号识别输出装置，其特征在于：所述固态继电器内部采用MOS管构造。
3.根据权利要求2所述的一种电厂安全I区网络安全危急信号识别输出装置，其特征在于：所述切换信号通信DMA中断响应处理模块信号输出模块集成了4个固态继电器，在接收到识别输出信号时全部动作，在到达切换装置时采用4取3的策略进行动作。
4.根据权利要求3所述的一种电厂安全I区网络安全危急信号识别输出装置，其特征在于：所述切换信号通信DMA中断响应处理模块驱动固态继电器通过继电器驱动电路实现，所述继电器驱动电路由三极管搭建而成，驱动5V供电电源，触发固态继电器动作，将DO信号输出出去，该电路为功率放大电路，将触发电流放大至满足继电器动作的时间。
5.根据权利要求1所述的一种电厂安全I区网络安全危急信号识别输出装置，其特征在于：向所述光耦输入DMA中断响应处理模块输入的数字量输入电信号，是通过光耦输入模块输入至该模块，所述光耦输入模块包括光耦、TVS管、电阻和电容，所述光耦输入模块能够兼容24V、48V以及干触点方式接入。
6.根据权利要求1所述的一种电厂安全I区网络安全危急信号识别输出装置，其特征在于：所述实时时间标签模块是通过实时时钟电路模块和实时时钟晶振电路产生的精准时钟信号，配合通过串口接口模块接收来自上位系统的时间信号来确定DI信号的精准时间节拍，为输入的DI信号生成精准的时间标签。
7.根据权利要求6所述的一种电厂安全I区网络安全危急信号识别输出装置，其特征在于：所述实时时钟电路模块的时钟电路上配备有纽扣电池，所述纽扣电池用于提供该装置在失电情况的自动计时，且该实时时钟电路模块还接入有防反接二极管；所述实时时钟晶振电路由实时时钟晶体和COG电容组成的实时时钟震荡电路，提供实时时钟硬件信号。
8.根据权利要求1或6所述的一种电厂安全I区网络安全危急信号识别输出装置，其特征在于：所述串口接口模块使用RS232专用芯片进行串口接口的适配，能够接收波特率为115200的传输信号。
9.根据权利要求3或5所述的一种电厂安全I区网络安全危急信号识别输出装置，其特征在于：所述光耦输入模块的输入信号与固态继电器的输出信号均采用DB9电信号连接，并将4路光耦输入与4路固态继电器输出分别集成到独立DB9线缆接口上。
10.根据权利要求1所述的一种电厂安全I区网络安全危急信号识别输出装置，其特征在于：该系统还包括系统时钟晶振电路和电源电路模块，所述系统时钟晶振电路由独立24MHz晶振接入3.3V电源后产生供MCU运行的系统时钟，该系统时钟配合MCU内部的分频、倍频电路组成了MCU运行所需频率信号；所述电源电路模块为整个系统提供工作电源。
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