27、网络安全与工业自动化：关键技术与应用解析

网络安全与工业自动化：关键技术与应用解析

网络安全工具概述

在当今数字化时代，网络安全至关重要。以下为大家介绍几种常见的网络安全工具：
- Kali Linux ：作为一款渗透测试工具，Kali Linux 集成于操作系统中，包含超过 300 种不同的安全审计工具。它可用于扫描网络和 IT 系统，避免系统出现安全隐患。其主要优势在于能为用户提供不同级别的安全防护，操作简单，即使没有高级网络安全专家，也能通过一键操作实现主机监控和网络管理。
- Netstumbler ：这是一款专为 Windows 操作系统设计的免费网络防御工具。安全专家可通过它识别网络中的开放端口，但由于是为 Windows 系统开发，所以没有提供源代码。它采用 WAP 搜索方法来查找开放端口，是网络防御中常用的工具，能够识别网络中的安全漏洞。
- Splunk ：一款强大的网络安全监控工具，可用于历史威胁数据搜索和网络分析。它易于访问，处理能力强，拥有集成的用户界面。能将数据捕获、索引并整理到可搜索的存储库中，实时生成报告、警报、图表、可视化界面和仪表盘。
- Nmap ：即网络映射工具，是一款开源软件，用于扫描网络和 IT 系统中的漏洞。通过定期监控服务，它可以绘制网络上潜在攻击的地图，其映射功能包括识别网络中的主机、防火墙类型、数据包过滤器、安全网络以及操作系统状态等。

网络安全术语解析

常见网络安全术语

术语	定义
Admin privilege	控制计算机系统的权限
Adware	用户离线时，自动下载或显示内容的软件
Backdoor	情报机构设置的访问软件或硬件的其他途径
Bot	根据创建者的指导自动执行任务的程序
Brute force attack	攻击者多次尝试后最终猜对密码的攻击方式
Bug	程序代码中的错误或故障，可能导致意外交互
Catfishing	在社交媒体上创建虚假身份，针对特定受害者进行欺骗的行为
Crypojacking	受害者误在设备上安装程序，被秘密用于挖掘加密货币的情况
Cryptography	在信息公开或发送给特定接收者之前，将其转换为秘密消息以保护信息的技术
Data breach	敏感或机密信息被有意泄露到未知环境或不可信人员手中的事件
DDoS	分布式拒绝服务攻击，大量系统同时攻击目标网络的情况
DoS	拒绝服务攻击，中断服务，浪费时间、精力和金钱的攻击方式
Dumpster diving	通过翻找垃圾获取代码或其他敏感信息的行为
Firewall	阻止互联网上未经授权的进出流量的安全设备
Hacker	使用软件和社会工程学方法窃取数据和信息的网络攻击者
Hijacking	攻击者接管两个用户之间的实时连接，伪装成其中一个用户的过程
IP address	互联网协议地址，借助互联网用一串数字标识每台计算机的地址
IP spoofing	在用户不知情的情况下使用虚假 IP 网络地址的行为
Malware	恶意软件，旨在损害系统或允许未经授权访问系统的软件程序
Password	用于访问计算机的秘密术语或公理
Phreaker	破解电话系统以免费打电话的人
Pretexting	黑客冒充远程同事，制造虚假信任的行为
Ransomware	攻击者威胁受害者，除非支付赎金，否则将阻止、公布或破坏其数据的恶意软件
Smishing	利用短信或 SMS 重定向到网页、电子邮件或电话号码的攻击方式
Spam	通过邮件或其他消息服务发送的不需要的广告或其他信息
Spoofing	攻击者伪装成他人以获取信任的攻击方式，可能是个人或程序
Trojan	伪装成无害计算机程序的恶意软件，能够执行窃取信息、中断功能或损坏数据的攻击
Two - factor authentication	为增强安全性，将用户的电话号码或电子邮件地址与账户访问关联的认证方式
Virus	损害计算机功能和服务的代码，通常附着在看似无害的文件、应用程序或下载内容中
Vishing	不要回应声称来自银行或组织的诈骗电话，警惕 VoIP 攻击，因为它允许伪造来电者身份
VPN	虚拟专用网络，允许用户通过互联网在另一个网络之间创建安全连接的技术
Warez	盗版软件的俚语
Wiretapping	拦截电子通信以获取信息的行为
Worm	比病毒更具传染性的程序，自大型机时代就已存在
Zero - day exploit	在漏洞被修复之前，攻击者利用未知漏洞释放恶意软件的攻击方式

网络安全自我测试

以下是一些网络安全相关的自我测试题目，帮助大家巩固知识：
1. 为保护计算机免受病毒侵害，应在计算机上安装 _。
2. 为保护计算机免受未经授权的访问，应开启 _。
3. _描述了一种可以独立运行并在不同系统之间传播以中断计算机通信的程序。
4. 人们通过 _挑战来获取个人信息，扭曲他人的个性。
5. _是通过反复尝试所有可能的凭证排列来找出正确凭证的方法。
6. _是数据的更改，除非更改不完整，否则通常不合适。
7. _是组织有意或无意地将数据传输到外部未经授权的组织的行为。
8. _是在目标上查找漏洞的过程。
9. 大量设备连接到互联网，每个设备都能运行大量机器人程序的情况被称为 _。
10. _是网络安全中常见的认证方法。

工业自动化系统分类

自动化系统的分类

自动化系统可以根据集成度、灵活性和工业运营过程进行分类，主要分为以下几种类型：
- Fixed Automation（固定自动化） ：在大规模制造中使用专用设备，具有固定的操作流程。适用于连续流和离散大规模生产系统，如蒸馏、输送机、油漆店、开关、生产线等。主要用于机械类设备，执行固定操作，以生产大量同质零件。
- Programmable Automation（可编程自动化） ：使用电子控制器配置机器和可变操作序列。重新编程需要一定的编程工作，但由于生产方法不常修改，实施可编程仪器的投资相对较少。常用于工作选择较少、产品产量中等至较高且通常为联合输出的大规模生产，如钢铁轧制、造纸等工厂。
- Flexible Automation（灵活自动化） ：通常由计算机控制，应用于柔性制造系统（FMS）。软件向操作人员发送代码，操作人员识别设备及其在过程中的位置，初级调整自动处理。计算机向参与过程的所有机器发送指令和设置，必要的工具可以自动加载或卸载，并执行处理命令。产品在处理后自动转移到下一台机器，常用于批量生产和具有多种产品类型、中小批量的车间，如多用途自动导引车（AGV）、数控机床等。
- Integrated Automation（集成自动化） ：代表生产工厂的完全自动化，通过计算机管理协调所有功能和数据。包括软件生产、计算机辅助规划技术、计算机数控工具、机器控制的存储和回收系统、标准加工设置、机器控制的物料处理系统（如机器人、输送机、自动起重机）、数字编程和制造管理等技术。可用于将商业框架集成到标准数据中，象征着使用信息通信技术（ICT）实现过程和管理流程的完全集成，如计算机集成制造（CIM）和先进过程自动化系统。

不同自动化类型的适用场景

自动化类型	适用场景
Fixed Automation	1. 产品类型变化极小，包括质量、形式、使用设备数量和材料；2. 需求可预测且稳定，至少持续 2 年，生产能力需求恒定；3. 需要大规模制造；4. 由于市场竞争，成本至关重要，需要优化特定产品的自动化系统
Flexible Automation	1. 需要创新产品，生产系统应能够进行更改，如添加不同部件来生产产品；2. 产品生命周期短，传统和革命性发展改变生产需求；3. 产量中等，需求不可预测

工业自动化系统的类型

工业自动化系统的分类

工业自动化系统通常分为以下两类：
- Manufacturing Automation System（制造自动化系统） ：生产行业使用机器或机器人将原材料加工成成品。食品和饮料、造纸厂、陶瓷和玻璃、服装和纺织品等行业都属于制造行业。如今，大多数制造单元在物料处理、加工、组装、检查和包装等各个阶段都实现了完全自动化。通过采用工业机器人系统和计算机辅助控制，制造自动化变得非常有用和灵活。
- Process Plant Automation System（过程工厂自动化系统） ：在水泥、造纸、制药、石化等过程工业中，输出结果基于未加工资源的多个化学过程。因此，过程工厂需要进行优化，以实现对过程物理变量更高效、高质量的控制。

工业自动化的功能元素

工业自动化系统由多个元素组成，这些元素相互协作，以实现工业过程中的控制、监督、仪表和管理等功能。以下是对这些元素的详细介绍：
- Sensing and Actuating Elements（传感和执行元素） ：这些组件直接与特定过程中的设备和机器进行物理连接。传感设备将物理信号（如位移、应力或温度）转换为气动、电压或电流形式，方便计算机进行分析、决策和控制输入。这些输入值在转换为相应的物理数据（如力、流量或热量）后，通过执行元素实现输出的期望变化。
- Industrial Sensors and Instrument Systems（工业传感器和仪器系统） ：科学仪器系统和工程传感器在质量、价格和复杂性方面各不相同，但它们都以特定方式连接，以提供特定类型的信号。一个典型的传感器系统通常包括以下几个主要功能组件：
- Physical Medium（物理介质） ：指发生物理过程的对象以及与之相关的物理变量被监测或测量的环境。例如，在测量熔炉中热气的温度时，熔炉中的热气就是物理介质；在测量液体流量时，包含液体的管道部分就是物理介质。
- Sensing Element（传感元件） ：受物理介质现象的直接或间接影响。在一些温度监测系统中，热电偶探头常被用作传感元件，它通常与锅炉 - 熔炉中的烟道气直接接触。

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px;

    A([物理介质]):::startend --> B(传感元件):::process
    B --> C(信号调理元件):::process
    C --> D(信号处理元件):::process
    D --> E(目标信号处理):::process

以上流程图展示了典型传感器系统的功能配置，从物理介质开始，经过传感元件、信号调理元件、信号处理元件，最终到达目标信号处理阶段。这些元素共同协作，实现了对工业过程中物理变量的准确监测和控制。

工业自动化系统的功能元素（续）

工业传感器和仪器系统（续）

除了前面提到的物理介质和传感元件，工业传感器和仪器系统还包含以下几个重要的功能组件：
- Signal - Conditioning Elements（信号调理元件） ：传感元件输出的信号可能很微弱，或者存在噪声干扰，信号调理元件的作用就是对这些信号进行放大、滤波、线性化等处理，使其成为更适合后续处理的形式。例如，将传感器输出的微小电压信号放大到合适的范围，以便后续的信号处理元件能够准确识别和处理。
- Signal Processing Elements（信号处理元件） ：对经过调理的信号进行进一步的分析和处理，提取有用的信息。这可能包括对信号进行数字化转换、计算统计特征、进行模式识别等操作。例如，通过对温度信号的处理，计算出平均温度、温度变化率等信息。
- Target Signal - Handling（目标信号处理） ：根据信号处理元件的输出结果，采取相应的行动。这可能涉及到控制执行器的动作、触发警报、记录数据等操作。例如，如果温度超过了设定的阈值，目标信号处理模块会触发警报，并控制冷却系统启动。

工业执行器系统

工业执行器系统用于将控制信号转换为物理动作，以实现对工业过程的精确控制。它通常包含以下几个部分：
- Electronic Signal - Processing Elements（电子信号处理元件） ：接收来自控制系统的信号，并对其进行处理和转换，使其适合后续的功率放大和驱动。
- Electronic Power Amplification Elements（电子功率放大元件） ：将经过处理的电子信号进行功率放大，以提供足够的能量来驱动执行器。
- Variable Conversion Elements（变量转换元件） ：将电子信号转换为其他形式的能量或变量，如将电信号转换为机械位移、压力等。
- Non - Electrical Power Conversion Element（非电功率转换元件） ：将一种非电形式的能量转换为另一种非电形式的能量，例如将液压能转换为机械能。
- Non - Electrical Variable Conversion Element（非电变量转换元件） ：将一种非电变量转换为另一种非电变量，如将压力转换为位移。

可编程逻辑控制器（PLC）

PLC 的发展历程

可编程逻辑控制器（PLC）是一种基于计算机技术的工业控制设备，它的发展经历了多个阶段。最初，PLC 主要用于替代传统的继电器控制系统，实现简单的逻辑控制功能。随着技术的不断进步，PLC 的功能逐渐增强，不仅可以实现复杂的逻辑控制，还可以进行数据处理、通信等操作。如今，PLC 已经成为工业自动化领域中不可或缺的核心设备之一。

PLC 的应用领域

PLC 在工业生产的各个领域都有广泛的应用，主要包括以下几个方面：
- 制造业 ：用于控制生产线上的机器和设备，实现自动化生产。例如，在汽车制造、电子制造等行业中，PLC 可以控制机器人的运动、生产线的速度和节奏等。
- 过程工业 ：在化工、电力、石油等过程工业中，PLC 可以对生产过程中的温度、压力、流量等参数进行精确控制，确保生产过程的安全和稳定。
- 交通运输 ：在铁路、地铁、机场等交通运输领域，PLC 可以用于控制信号系统、电梯、自动扶梯等设备，提高交通运输的效率和安全性。
- 建筑自动化 ：在建筑物中，PLC 可以控制照明、空调、通风等系统，实现能源的高效利用和环境的舒适控制。

PLC 的组成部分

PLC 主要由以下几个部分组成：
|组成部分|功能描述|
| ---- | ---- |
|Central Processing Units（中央处理器）|负责执行 PLC 的程序，处理输入信号，控制输出信号，是 PLC 的核心部件。|
|Communications Processors（通信处理器）|用于实现 PLC 与其他设备之间的通信，如与计算机、传感器、执行器等进行数据交换。|
|Program and Data Memory（程序和数据存储器）|存储 PLC 的程序和运行过程中的数据，包括用户程序、系统程序、输入输出数据等。|
|Programmers（编程器）|用于编写、调试和下载 PLC 的程序，通常可以是专用的编程设备，也可以是安装了编程软件的计算机。|

监督控制和数据采集（SCADA）

SCADA 系统概述

监督控制和数据采集（SCADA）系统是一种用于远程监控和控制工业过程的系统。它可以实时采集工业现场的数据，如温度、压力、流量等，并将这些数据传输到监控中心。监控中心的操作人员可以通过 SCADA 系统对工业过程进行实时监控和控制，及时发现和处理异常情况。

PLC 和 SCADA 在工业应用中的实施

自动化有效锅炉系统在热电厂的应用

在热电厂中，使用 PLC 和 SCADA 系统可以实现锅炉的自动化控制，提高锅炉的运行效率和安全性。具体实施步骤如下：
1. 系统设计 ：根据热电厂的需求和锅炉的特点，设计 PLC 和 SCADA 系统的架构和功能。确定需要采集的参数、控制的对象和控制策略。
2. 硬件安装 ：安装 PLC 控制器、传感器、执行器等硬件设备，并进行布线和连接。确保硬件设备的正常运行。
3. 软件编程 ：使用 PLC 编程软件编写控制程序，实现对锅炉的温度、压力、水位等参数的精确控制。同时，使用 SCADA 软件设计监控界面，实现对锅炉运行状态的实时监控和数据显示。
4. 系统调试 ：对 PLC 和 SCADA 系统进行调试，检查系统的功能是否正常，参数设置是否合理。进行模拟测试和实际运行测试，确保系统的稳定性和可靠性。
5. 系统优化 ：根据实际运行情况，对系统进行优化和调整。不断改进控制策略，提高锅炉的运行效率和安全性。

自动化锅炉的必要性

自动化锅炉可以带来以下几个方面的好处：
- 提高效率 ：通过精确控制锅炉的运行参数，如温度、压力、水位等，可以提高锅炉的燃烧效率，降低能源消耗。
- 增强安全性 ：实时监控锅炉的运行状态，及时发现和处理异常情况，避免事故的发生，保障人员和设备的安全。
- 降低成本 ：减少人工干预，降低人力成本。同时，通过优化运行参数，延长锅炉的使用寿命，降低维护成本。

锅炉自动化使用 PLC 和 SCADA 的实现

在锅炉自动化中，PLC 和 SCADA 系统的具体实现方式如下：
- 数据采集 ：通过传感器采集锅炉的温度、压力、水位等参数，并将这些数据传输到 PLC 控制器。
- 数据处理 ：PLC 控制器对采集到的数据进行处理和分析，根据预设的控制策略进行决策。
- 控制输出 ：PLC 控制器根据决策结果，向执行器发送控制信号，控制锅炉的燃烧器、水泵、阀门等设备的运行。
- 远程监控 ：SCADA 系统将采集到的数据传输到监控中心，监控中心的操作人员可以通过监控界面实时监控锅炉的运行状态，并进行远程控制。

SCADA 系统的控制参数和设计

控制参数

SCADA 系统的控制参数通常包括以下几个方面：
- 过程参数 ：如温度、压力、流量、液位等，这些参数直接反映了工业过程的运行状态。
- 设备状态 ：如设备的启动、停止、故障等状态，用于监控设备的运行情况。
- 报警参数 ：设置报警阈值，当参数超过阈值时，系统自动发出报警信号。

SCADA 设计

SCADA 系统的设计需要考虑以下几个方面：
- 系统架构 ：确定系统的层次结构，包括数据采集层、传输层、监控层等。
- 通信协议 ：选择合适的通信协议，确保数据的可靠传输。
- 界面设计 ：设计友好、直观的监控界面，方便操作人员进行监控和控制。
- 数据存储 ：选择合适的数据存储方式，如数据库，用于存储历史数据，以便进行分析和查询。

SCADA 与物联网（IoT）的结合

随着工业 4.0 的发展，SCADA 系统与物联网（IoT）技术的结合越来越紧密。SCADA 系统主要侧重于对工业过程的控制和监督，而 IoT 技术则侧重于对机器数据的分析，以提高生产效率。两者结合可以带来以下好处：
- 数据共享 ：SCADA 系统将采集到的数据提供给 IoT 平台，IoT 平台可以对这些数据进行进一步的分析和处理，挖掘数据的价值。
- 云计算和大数据处理 ：IoT 技术提供了云计算和大数据处理能力，可以对海量的工业数据进行存储、分析和挖掘，为企业的决策提供支持。
- 增强安全性 ：IoT 技术可以为 PLC 和 SCADA 系统提供更强的安全性，如身份认证、数据加密等，保障工业系统的安全运行。

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px;

    A([PLC和SCADA系统]):::startend --> B(数据采集):::process
    B --> C(数据传输):::process
    C --> D(IoT平台):::process
    D --> E(数据分析):::process
    E --> F(决策支持):::process
    F --> G(控制反馈):::process
    G --> A

以上流程图展示了 PLC 和 SCADA 系统与 IoT 平台的结合过程。首先，PLC 和 SCADA 系统进行数据采集，然后将数据传输到 IoT 平台。IoT 平台对数据进行分析，为企业的决策提供支持。最后，决策结果通过控制反馈回到 PLC 和 SCADA 系统，实现对工业过程的优化控制。

综上所述，网络安全工具和工业自动化系统在当今数字化时代都起着至关重要的作用。网络安全工具可以保护企业的信息安全，防止数据泄露和攻击。而工业自动化系统，包括 PLC 和 SCADA 系统，以及它们与 IoT 技术的结合，可以提高工业生产的效率、安全性和智能化水平，推动工业 4.0 的发展。企业应根据自身的需求和实际情况，合理选择和应用这些技术，以提升自身的竞争力。