安全链控制系统课件

安全链控制系统第一章工业控制系统的演进与现状从封闭到开放的转变安全隐患的激增工业控制系统经历了从封闭独立架构到开放互联网络的重大转型早期系统互联带来的安全挑战日益严峻电力、水务、石油化工等关键基础的系统采用专有协议和物理隔离，安全性主要依赖于封闭性随着工设施的控制系统一旦遭受网络攻击，可能造成生产中断、设备损坏甚至ICS业和智能制造的推进，系统逐步实现互联互通，智能化程度显著提升人员伤亡

4.0现代系统集成了大数据分析、云计算和人工智能技术实现了生产过程ICS,的实时监控、预测性维护和智能决策这种开放性带来了效率提升，同时也将关键基础设施暴露在互联网环境中核心组成与架构ICS可编程逻辑控制器（）分散控制系统（）数据采集与监控系统（）PLC DCSSCADA工业自动化的核心大脑，执行逻辑控制和顺用于连续过程控制，采用分散控制、集中监实现远程监控和数据采集，适用于地理分散序控制任务，广泛应用于生产线控制视的架构，主要应用于化工、电力等行业的基础设施如电网、管道等远程终端单元（）人机界面（）RTU HMI现场数据采集和传输设备，连接传感器和执行器，将数据传送至中央操作员与控制系统的交互窗口，提供可视化监控、参数设置和报警管控制系统理功能与企业信息网络的连接风险ICS随着企业信息化和工业化深度融合，制造执行系统（）和企业资源计划系统（）MES ERP与工业控制系统的互联日益紧密这种连接打通了从生产现场到企业管理的数据流，实现了生产计划、物料管理和质量控制的一体化病毒木马渗透恶意软件通过办公网络入侵，经由业务系统桥接进入工控网络数据泄露风险生产配方、工艺参数等核心数据可能通过互联通道被窃取未授权访问缺乏有效身份认证和权限管理，攻击者可能获取控制系统访问权限网络结构层级关系ICS现场设备层传感器、执行器、智能仪表等现场设备，直接与生产过程交互现场控制层、等控制器，执行实时控制逻辑和数据采集任务PLC RTU过程监控层服务器、工作站，提供过程监控和操作界面SCADA HMI生产管理层系统，协调生产计划执行和资源调度MES企业管理层第二章工控系统安全隐患全景软件漏洞威胁网络边界薄弱硬件环境隐患缓冲区溢出攻击攻击者通过向程序输入远程访问不安全许多工控系统支持远程设备老化问题工控系统设计寿命长达10-超长数据，覆盖内存中的关键数据结构，维护和监控功能，但缺乏强认证和加密机年，许多在役设备已严重老化，故障率20获取系统控制权或执行恶意代码工控软制攻击者可能通过弱口令、默认密码或上升，安全隐患增加老旧设备往往不支件由于开发周期长、更新缓慢，往往存在协议漏洞远程入侵系统持现代安全技术大量未修复的缓冲区溢出漏洞边界防护缺失传统防火墙难以识别工控拒绝服务攻击（）通过发送大量请协议的异常行为，工控专用防护设备部署DoS求或特制数据包，耗尽控制器的处理资源，率低网络边界成为攻击者渗透的主要突导致正常控制功能无法执行对于实时性破口要求高的工控系统，即使短暂的服务中断也可能造成严重后果工控系统安全的独特性安全优先级倒置私有协议普遍系统升级受限可用性第一工控领域存在大量厂商私有协议，如西门子工控系统变更管理严格，任何升级都需经过严、的等这些协议缺乏公开安格测试和审批流程，周期长达数月与系统优先保护数据机密性不同，工控系统S7Comm ABDF1全审查，安全机制薄弱IT首要目标是保证生产连续性系统停机造成的补丁安装可能影响系统稳定性，企业宁愿带病损失往往远大于数据泄露协议设计时未充分考虑安全性，普遍缺少认证、运行也不愿冒险更新许多系统运行在过时的加密和完整性校验协议栈实现质量参差不齐，操作系统上，如、等完整性次之Windows XPWindows2000漏洞频发确保控制指令和数据未被篡改，防止错误操作私有协议给安全检测和防护带来巨大挑战，需导致设备损坏或安全事故要针对每种协议开发专用的安全工具机密性最后虽然工艺参数保密重要，但在紧急情况下可以妥协以保证系统运行关键案例国外知名工业安全事件回顾年蠕虫事件2010-Stuxnet1是首个专门针对工控系统的蠕虫病毒，攻击目标是伊朗纳Stuxnet坦兹核设施的铀浓缩离心机病毒通过盘传播进入隔离网络，利U用和西门子的多个零日漏洞，篡改离心机转速控制程年乌克兰电网攻击Windows PLC序，同时向监控系统反馈正常数据以掩盖异常22015-黑客组织通过钓鱼邮件入侵电力公司网络，部署恶意攻击导致约台离心机报废伊朗核计划被严重延误此事件标BlackEnergy软件攻击者获取系统访问权限后，远程操作断路器切断1000,志着网络战争进入物理破坏时代，工控安全从此成为国家安全议SCADA供电，造成约万户居民停电数小时题23这是首次被证实的针对电网的成功网络攻击展示了工控系统遭受,定向攻击的巨大脆弱性年勒索软件2017-WannaCry3利用协议漏洞的勒索软件在全球范围内爆发多家汽Windows SMB,车制造商、物流企业的生产系统被迫停产虽非专门针对工控系统，但暴露了工控网络与办公网络互联的巨大风险年某炼油厂远程攻击事件42023-第三章安全链控制系统关键技术安全型继电器与故障安全原则-安全型继电器结构前接点与后接点安全逻辑安全型继电器采用冗余设计和强制导向触点结构，确保在发生故前接点（常开触点）设备启动前必须接通的安全回路，如安全门闭合、急停按障时系统自动转入安全状态核心特征包括钮释放等采用常开触点设计，确保安全条件满足时才允许设备运行双通道或多通道冗余架构后接点（常闭触点）设备运行中断开时立即触发安全响应的回路，如光幕遮挡、•压力超限等采用常闭触点设计，任何断线或故障都会导致系统停机强制导向机械结构防止触点粘连•自诊断和自检测功能故障安全原则的核心是任何单一故障都不能导致安全功能失效，系统应设计•-故障安全输出设计为在故障时自动转入安全状态•型号识别通常包含安全等级标识，如符合标准的等IEC61508SIL级、的等级或的等级IEC62061PLr ISO13849Category铁路机车安全防护系统介绍6A系统是铁路机车安全运行的综合监控与防护平台，通过实时采集机车关键参数，实现故障预警和应急处理系统名称来源于其六大核心子系统，每个子系6A统负责特定的安全防护功能制动系统监控防火系统实时监测制动缸压力、制动管压力，确保制动功分布式温度和烟雾传感器监控关键部位，自动启能可靠异常时自动触发紧急制动动灭火装置并切断相关电源回路蓄电池管理高压绝缘监测监测蓄电池电压和充电状态，确保应急电源系持续监测高压回路绝缘电阻，及时发现绝缘劣统可靠，保障安全系统不间断运行化，防止漏电和短路事故油压监控轴温监测监测润滑油压力和液压系统压力，保证关键部件红外传感器监测轴承温度，过热报警并自动限速，润滑和动力传递正常预防抱轴事故系统采用分布式智能传感器网络，通过总线或总线与中央处理单元通信具备故障记录、数据存储和地面下载功能，支持事后分析和维护决策CAN MVB安全集成调试技术PLUS010203硬件线路安全电路设计安全程序架构安全程序调试方法F-DI/O PLC故障安全数字量输入输出模块采用双通道冗余安全程序分为标准用户程序和故障安全程序使用专用编程软件进行安全程序开发，调试过程/PLC设计，每个通道独立采集信号并交叉比对输入两部分，运行在不同的处理器或分区中故障安包括离线仿真、在线监控和强制测试必须验证端使用测试脉冲技术检测短路故障，输出端采用全程序使用经过认证的安全功能块库，支持形式所有安全功能在故障条件下的响应，生成调试报双半导体输出元件串联确保单点故障安全化验证和自动测试告作为安全认证依据0405安全配置要点系统集成验证测试HMI安全需配置用户权限管理、操作日志记录和安全状态显示关键安全完成单机调试后，进行系统级集成测试，验证安全链的完整性测试内容HMI操作需双人确认或密码保护界面设计应清晰区分安全功能和普通功能，包括响应时间测试、故障注入测试和负载测试所有测试结果需详细记录使用标准化安全符号和颜色并由安全工程师确认安全技术架构图解上图展示了安全继电器的双通道冗余结构和强制导向触点机制，下图呈现了系统各子6A系统的逻辑关系和数据流向这些硬件和架构设计是实现故障安全原则的基础-第四章安全链控制系统标准与规范国家标准《机械电气安全安全相关控制系统功能安全指南》标准制定背景主要技术内容该标准由全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委安全功能分类与定义员会（）组织制定，等同采用国际标准SAC/TC124IEC紧急停止功能（）•Emergency StopTS63394:2023安全防护装置相关功能（）•Safety Guards制定目的是为机械电气安全领域提供功能安全实施指南，安全限制功能（）填补国内相关标准空白，推动我国机电产品安全技术水•Safety Limits能量隔离功能（）平提升•Energy Isolation设计与验证流程标准适用于机械设备的电气安全相关控制系统设计、实现、验证和维护全生命周期风险评估与安全需求确定

1.安全完整性等级（）分配

2.SIL硬件与软件安全架构设计

3.安全功能实现与测试

4.功能安全评估与认证

5.国际标准采标解读IEC TS63394:2023功能安全设计要求标准强调系统性安全设计方法，要求从项目初期就将安全考虑纳入设计过程明确了安全生命周期各阶段的活动、职责和交付物1对硬件架构提出了诊断覆盖率、共因失效防护等定量要求对软件开发规定了编码标准、测试覆盖率和配置管理要求强调使用经过预认证的安全元件和功能块库机械安全相关的额外要求针对机械领域特点，标准补充了动力源控制、安全距离计算、防护装置联锁等专用要求明确了机械设备典型安全功能的实现方式，如安全转矩关断（）、安全停止（）、安全限速（）、安全监控停止（）等功能的2STO SS1/SS2SLS SOS技术规范提供了机械设备与安全接口的参考设计，包括传感器选型、信号处理电路和故障诊断方法PLC与其他标准的协调关系标准与（功能安全基础标准）、（机械安全功能安全）、（机械安全控制系统）等标准协调一致，形成完整的标准体IEC61508IEC62061ISO138493系对于已有其他安全标准覆盖的领域，本标准提供补充指导；对于尚无专用标准的新技术领域，本标准提供基本要求标准对国产机电产品安全提升的推动作用国际接轨促进技术发展等同采用国际标准使国产产品满足国际市场准入要求，便于开拓海外标准的实施推动国内企业掌握功能安全核心技术，缩小与国际先进水市场增强与国际客户的技术交流，提升品牌国际认可度平的差距引导企业投入安全技术研发，培育安全工程师队伍保障用户安全提升出口竞争力提高国内工业设备的本质安全水平，减少生产事故发生率，保护操作符合国际标准的产品更容易通过、等国际认证，降低贸易技术壁人员生命安全和企业财产安全CE UL垒在国际招标中获得更高的技术评分和价格优势第五章安全链控制系统的设计与实现安全功能设计流程风险评估与安全需求定义识别机器或过程的所有潜在危险源，分析危险场景和可能后果采用风险矩阵方法评估风险等级，确定需要通过安全功能降低的残余风险定义安全功能的性能要求，包括响应时间、可靠性指标和安全完整性等级（或）编写安全需求规格书，明确每个安全功能的触发SIL PLr条件、响应动作和验证标准硬件与软件安全架构设计硬件架构选择根据等级选择合适的硬件架构，包括单通道、双通道、三重冗余等确定诊断覆盖率目标，设计故障检测和自诊断机SIL制软件架构设计划分安全相关软件和非安全软件的边界，定义接口规范选择经过认证的安全运行时系统或安全平台设计软件故障PLC检测机制，如程序流监控、数据完整性检查等设计过程需遵循结构化方法，每个阶段产生明确的文档输出，并经过独立评审确认设计评审应包括安全工程师、电气工程师和机械工程师的多方参与安全功能验证与测试故障率计算与等级现场调试与安全验收流程SIL失效率计算收集所有安全相关元件的失效率数据（值），计算系统的工厂验收测试（）在设备制造厂进行的功能测试，验证单机安全功λFAT每小时危险失效概率（）或平均危险失效概率（）能正常包括正常操作测试和故障注入测试PFH PFDavg等级判定现场验收测试（）在用户现场进行的集成测试，验证安全系统与SIL SAT生产系统的接口和协同工作⁻⁻⁶⁵•SIL1:10≤PFH10安全验收检查项⁻⁻⁷⁶•SIL2:10≤PFH10⁻⁸⁻⁷安全功能响应时间测试•SIL3:10≤PFH

101.紧急停止功能测试考虑共因失效和系统失效因素，应用因子和架构约束进行修正验证计

2.β算结果满足安全需求规格书的要求安全防护装置联锁测试

3.故障诊断功能验证

4.文档完整性检查

5.典型安全功能实现示例安全转矩切断（）安全停止（、）安全速度限制（）STO SS1SS2SLS通过切断电机驱动器的功率输出级电源，实现快受控停车，监控减速过程，停止后切断动通过安全编码器实时监控运动速度，超速时自动SS1速无转矩停车不依赖控制器和软件，响应时间力受控停车，停止后保持动力以维持位限制或停止用于机器人协作模式、人机混合作SS2短于广泛应用于机器人、数控机床等设置适用于需要平稳减速避免工件损坏的场合，业区域等场景，允许在低速下人员进入防护区域20ms备的紧急停止场景如印刷机、纺织机械等进行维护操作第六章安全链控制系统实操案例分享安全集成调试实录SINUMERIK840Dsl西门子数控系统的安全集成功能基于技术平台，将驱动器、和数控系统的安全功能集成在统一架构中以下是一个五轴加工中心安全系SINUMERIK840Dsl SafetyIntegrated PLC统调试的实际过程硬件组态与激活F-PLC1在中创建安全程序项目，配置故障安全和模块为STEP7CPU F-DI/DO F-CPU分配目标地址和参数，设置通信监控时间F-F-安全输入信号检测配置激活的安全模式，下载运行时许可证配置故障安全通信，建立标准PLC F-2与之间的安全数据交换配置安全门开关、急停按钮、安全光栅等输入设备使用测试脉冲模式检测PLC F-PLC输入信号的短路和断线故障短路保护与故障诊断设置信号滤波时间和去抖动参数，平衡响应速度和抗干扰能力配置双通道3输入的交叉比对逻辑，设置信号差异允许时间实施输出短路监测，使用半导体输出的短路电流限制功能配置输出反馈读回电路，验证输出状态与指令一致驱动集成安全功能编写故障诊断程序，记录故障时间、类型和位置配置故障响应策略，区分4不同故障的处理方式（立即停机、受控停车、报警继续）在软件中配置驱动器的、、等安全功能设置安全编码STARTER STOSS1SLS器参数，配置速度监控阈值和允许偏差系统集成测试与文档通过总线建立系统与驱动器的安全通信测试各轴的安全功能5PROFIsafe NC响应，验证多轴协调时的安全行为进行完整的安全功能测试，包括正常操作和所有故障场景记录响应时间、停止距离等关键参数生成安全验证报告，包括测试记录、失效模式分析和合规性声明铁路机车系统安全防护实操6A报警处理与故障排查乘务员与检修人员操作要点一级报警（预警）参数接近限值，发出提示音和黄色指示司机应关注出乘前检查相关仪表，准备采取措施如轴温达到、油压降至等90℃

1.5bar验证系统自检通过，所有指示灯正常•6A二级报警（警告）参数超出限值，发出持续报警音和红色指示司机应检查传感器外观和安装状态•立即采取措施，如降速、停车检查等系统可能自动限制牵引功率确认历史故障已清除和修复•三级报警（紧急）严重故障，系统自动触发紧急制动或切断动力司机运行中监控应立即确认故障类型，通知调度和维修人员定时查看各系统参数，注意异常趋势故障排查流程查看故障代码和时间记录，检查相关传感器连接和状态•遇到报警按规程处理，详细记录使用手持终端读取详细参数，判断是传感器故障还是实际设备异常•必要时使用备用模式或应急操作•检修要点定期标定传感器，更换老化探头•检查通信总线连接和屏蔽•下载故障记录进行趋势分析•更新系统软件和安全参数库•工控安全攻防实战演练工控蜜罐搭建漏洞利用演练协议安全检测部署等开源工控蜜罐，模拟西门子在隔离环境中搭建真实工控设备，使用协议检测使用的Conpot ModbusNmap modbus-、、等协议设备配等工具进行漏洞利用测试测试脚本扫描设备，用工具读取S7Modbus TCPBACnet Metasploitdiscover mbtget置逼真的设备标识和响应行为，吸引攻击者内容包括认证绕过、命令注入、内存溢出等寄存器数据检测是否存在未授权访问、功探测典型漏洞能码滥用等问题蜜罐记录所有访问请求和攻击尝试，分析攻分析利用成功后的影响范围，评估是否能够协议检测使用库或S7Comm Snap7击手法和工具特征定期更新蜜罐版本，增控制设备、篡改数据或造成拒绝服务记录解析通信内容，检查是否有明文Wireshark加新的漏洞模拟场景将蜜罐数据与威胁情攻击特征，更新入侵检测规则库传输的敏感数据测试的弱密码和默认PLC报平台集成，发现新型攻击模式密码问题协议检测扫描服务器开放端口，OPC OPC测试匿名访问权限检查是否启用加密通信和身份认证重要提示所有攻防演练必须在授权范围内进行，严禁对生产系统进行未经批准的安全测试建立专用的安全测试环境，与生产网络完全隔离安全监控实操环境上图展示了现代工控安全监控中心的典型布局多屏显示系统实时呈现设备运行状态、,报警信息和安全参数下图为系统的安全监控界面包含实时趋势图、报警列表SCADA,和视频监控集成体现了安全系统与生产系统的深度融合,第七章未来趋势与安全链控制系统发展方向智能制造与安全链控制系统的融合辅助安全监测与预警运行时自动安全控制参数生成全生命周期安全保障体系AI机器学习算法分析历史运行数据建立根据生产工艺和产品类型自动调整安设计阶段安全性设计工具集成到,,设备正常行为基线模型实时监测偏全功能的参数配置如根据工件材质平台在虚拟模型中验证安全CAD/CAE,离基线的异常模式提前预警潜在故障和加工速度动态调整安全限速值和安功能安全仿真与功能仿真同步进行,,,全距离及早发现安全隐患深度学习网络识别复杂的故障特征组基于实时风险评估结果自适应调整安实施阶段自动化安全配置和测试工,合提高误报和漏报率自然语言处理全防护等级高风险操作时自动提升具减少人为错误数字化安全验收流,,技术解析报警信息辅助操作员快速定安全监控频率和响应灵敏度程自动生成合规性报告,,位问题根源数字孪生技术在虚拟环境中预演操作运维阶段远程安全监控和诊断服务,计算机视觉技术监控现场人员行为检过程验证安全参数的合理性优化后实时健康评估预测性维护优化安全,,测违规操作和危险动作结合安全规的参数自动同步到物理系统实现虚实设备更换周期降低全生命周期成本,,则引擎实现智能化的安全监督和风险闭环优化退役阶段安全数据归档和知识提取,防控,为新项目提供设计参考结语筑牢安全链，保障工业未来安全链控制系统是工业安全的基石从传统的被动防护到主动预警从单一设备安全到系统级安全安全链控制技术不断演进它是连接人、机器和环境的纽带是实现本质安全的核心手段,,,持续学习与技术创新共同推动安全迈向新高度工控安全技术日新月异新的威胁和防护手段不断涌现安全工程师需要保持学习热情跟工业安全需要产业链各方的共同努力设备制造商提供本质安全的产品系统集成商实施符,,:,踪国际标准更新和行业最佳实践合标准的解决方案最终用户建立完善的安全管理体系,鼓励跨学科合作融合控制理论、信息安全、人工智能等多领域知识在实践中积累经验加强行业交流与经验分享建立安全事件通报机制通过标准化、认证和培训全面提升行,,,,在创新中突破技术瓶颈业安全水平为智能制造保驾护航,安全不是一次性的项目而是持续的过程让我们携手共建更安全、更可靠、更智能的工业未来,。