Учебно-лабораторный стенд на базе отечественного ПО MasterSCADA 4D. Моделирование технологических процессов, разработка АСУ ТП Часть 1

История создания и развития лаборатории в КФУ

В 2012 году на кафедре радиоэлектроники Казанского (Приволжского) федерального университета преподавателями кафедры совместно со специалистами компании ПРОСОФТ был создан учебно-лабораторный комплекс по применению автоматизированных систем для исследования явлений переноса в пористых средах [1, 2], рис. 1. За прошедшие годы комплекс стал хорошей базой для практической подготовки десятков молодых специалистов радиофизиков в области АСУ ТП для различных отраслей промышленности. Для работы с комплексом коллективом авторов было подготовлено и опубликовано учебно-методическое пособие [3]. На базе комплекса студентами Института физики выполнен ряд бакалаврских квалификационных выпускных работ и магистерских диссертаций. Аспирантами и сотрудниками кафедры ведутся научно-исследовательские работы с применением аппаратных и программных средств комплекса.
Первоначально основу комплекса составили отечественные модульные ПЛК FASTWEL I/O, компьютеры AdvantiX и SCADA-пакет GENESIS32. Постепенно комплекс модернизировался и развивался: на смену GENESIS32 для верхнего уровня автоматизации пришла программа GENESIS64, а в настоящее время идёт активное изучение и освоение современного ПО MasterSCADA 4D, включённого в Единый Реестр российских программ для электронных вычислительных машин и баз данных с перспективой внедрения отечественной SCADA в учебный процесс. При этом на каждом из этапов модернизации учебно-лабораторного комплекса становятся всё более актуальными темы информационной безопасности.

Новое направление – информационная безопасность АСУ ТП

Экспертами отмечается: статистика последних лет подтверждает резкий рост числа хакерских атак на автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) крупных и средних промышленных предприятий. Так, по материалам исследований киберугроз [4] в 2022 году аналитиками информационной безопасности зафиксировано, что промышленный сектор входит в тройку самых атакуемых отраслей: каждая десятая успешная атака на организации приходилась на промышленные предприятия. По мнению экспертов, киберпреступники будут атаковать промышленность не только ради финансовой выгоды, но и с целью остановки важнейших технологических процессов и организации аварий. 

С целью изучения современных средств создания АСУ ТП, знакомства с актуальными мерами обеспечения информационной безопасности промышленных объектов, освоения практических способов противодействия киберугрозам на производстве у авторов и возникла идея создания нового лабораторного стенда по информационной безопасности АСУ ТП в форме учебно-лабораторного комплекса. В рамках концепции, в первую очередь, было задумано реализовать новый стенд в виде имитационной модели АСУ ТП непрерывного производства (асфальтовый завод). 

В основу разработки легли результаты выпускной квалификационной работы студента 4-го курса Института физики КФУ Лытаева А.С. [5]. Целью студенческой работы стала разработка стенда, позволяющего моделировать работу такого предприятия, имитировать производственные процессы и систему управления ими. Немаловажным было требование возможности изучения и применения на стенде различных промышленных протоколов (OPC DA/HDA, OPC UA, Modbus RTU/TCP, IEC 61850, IEC 60870-5-104, Profinet) и сетевых протоколов (SNMP, MQTT, HTTP), чтобы в последующем интегрировать новое решение в учебный процесс для развития компетенций студентов в области сетевой информационной безопасности.

Выбор программной платформы для стенда

Для достижения поставленной цели был выбран отечественный SCADA-пакет MasterSCADA 4D. 
Основными аргументами в пользу выбора ПО MasterSCADA 4D стали сле­дующие соображения:

• это отечественный пакет программ, разработанный с применением современных технологий, учитывающих основные требования и правила проектирования верхнего уровня АСУ ТП. ПО включено в Единый Реестр российских программ для электронных вычислительных машин и баз данных;
• отличительными свойствами Mas­ter­SCADA 4D является модульность, масштабируемость и объектный подход к разработке; 
• актуальными особенностями яв­­­ля­ются Веб-ориентированность и кросс­платформенность. К примеру, среда исполнения MasterSCADA 4D может быть запущена под управлением ОС Astra Linux. Как указано на сайте ГК «Астра»: и платформа, и клиент визуализации MasterSCADA 4D Client корректно работают под управле­нием ОС Astra Linux, что подтверж­дает сертификат № 8655/2022, выданный в рамках программы технологической кооперации ИТ-производителей Ready for Astra Linux [6]. Этот факт также имеет важное значение при обучении будущих специалистов в области АСУ ТП, учитывая нарастающую необходимость перевода рабочих мест предприятий РФ на отечественные операционные системы;
• в среде MasterSCADA 4D присутствует возможность реализации алгоритмов с помощью языков стандарта МЭК 61131-3: FBD, ST, LD, SFC и их исполнения в режиме мягкого реального времени, что позволяет осуществлять имитационное моделирование физических процессов, работы различных агрегатов и установок. Эта возможность существенно расширяет область применения Maste­SCADA 4D в учебном процессе;
• ПО MasterSCADA позволяет реализовывать проекты любого масштаба и сложности – от локальных до крупных, территориально-распределённых систем, с применением различных промышленных технологий и сетевых протоколов;
• среда разработки MasterSCADA 4D бесплатна, важно также, что документация пакета MasterSCADA составлена на русском языке и опуб­ликована в Интернете. Имеются онлайн-учебник, интернет-уроки и учебные курсы. Обеспечивается техническая поддержка как напрямую российским производителем ПО, так и его региональными дистрибьюторами.

От идеи до реализации

Структурная схема учебного стенда АСУ ТП представлена на рис. 2. Стенд реализован на двух виртуальных машинах под управлением операционной системы Windows 10 с использованием ПО виртуализации.
В перспективе внедрения стенда в учебный процесс предполагается перенос модулей исполнения MasterSCADA 4D на ОС Astra Linux.

Стенд состоит из следующих основ­ных узлов: 

• сервер системы моделирования объекта автоматизации и программируемого логического контроллера (ПЛК);
• сервер системы сбора, обработки, публикации и хранения данных, управ­ления процессом, управления безопас­ностью; 
• клиенты визуализации, веб-клиенты (АРМы), взаимодействующие с сервером системы MasterSCADA 4D, работающей в режиме исполнения, через веб-интерфейсы;
• рабочие места разработчиков (студентов), взаимодействующие с ПО MasterSCADA 4D.

Сервер системы моделирования объекта автоматизации и ПЛК

Как было сказано ранее, прототипом для моделирования техпроцесса был выбран асфальтовый завод. Завод состоит из нескольких агрегатов и установок. В силосах (ёмкостях) хранятся исходные материалы. Битумная ёмкость служит для хранения и нагрева битума до требуемой температуры. Элеваторная вышка используется для отгрузки готовой асфальтовой смеси. Множество конвейеров соединяют хопперы, где происходит первичное смешивание сырья. 

Важной частью процесса является блок фильтрации, расположенный рядом с горелкой, где происходит процесс нагрева и замешивания асфальтовой смеси. Все эти элементы совместно моделируют непрерывный цикл произ­водства асфальта, что позволяет детально симулировать и анализировать различные аспекты типового технологического процесса.

Имитационная модель технологического производства была реализована в проекте MasterSCADA 4D с использованием групп программ, разрабо­танных на языке программирования функциональных блоковых диаграмм (FBD). 

На рис. 3 показан пример FBD-программы, которая контролирует работу силоса, управляя открытием и закрытием шиберного затвора, а также вычисляет производительность силоса на основе его состояния. Она передаёт информацию о состоянии силоса и объёме материала, поступающего за определённый промежуток времени. 
Блок 0 (MUL) принимает на вход параметр открытия затвора и умножает его на 1, формируя сигнал открытия на выходе. В свою очередь Блок 1 (RS-триггер) принимает сигналы открытия и закрытия затвора, формируя логическое состояние затвора силоса, которое указывает, открыт или закрыт затвор. Блок 2 (MUL) принимает расчётную производительность и умножает её на логическое состояние, полученное из блока RS триггера. 

Это значение определяет количество материала, поступающего из силоса за такт. Блок 3 (MUL) принимает сигнал о закрытии затвора, завершая логическую цепочку.

При создании автоматизированных систем управления (АСУ) технологическими процессами в основном применяют программируемые логические контроллеры (ПЛК). На стенде вместо реального контроллера для взаимодействия с моделью тех. процесса асфальтового завода была спроектирована упрощённая имитационная модель работы ПЛК.  

Взаимодействие между имитационными моделями (асфальтового производства и ПЛК) и сервером системы сбора, обработки, публикации и хранения данных осуществляется по протоколу Modbus TCP. Этот популярный протокол обеспечивает эффективное управление и контроль в системах управления производственными процессами. 

Сервер системы сбора, обработки, публикации и хранения данных, управления безопасностью

Стенд АСУ ТП изначально проектировался с возможностью создания распределённой системы в концепции архитектуры клиент-сервер. Для реализации сервера (ядра) системы Master­SCADA 4D обладает всеми необходи­мыми функ­циями:

• интеграция с различными базами данных (SQLITE; POSTGRESQL; MS SQL) для хранения и обработки информации. Это позволяет собирать и анализировать данные о состоянии устройств и процессов для последую­щего анализа и оптимизации;
• система многослойного и многосер­верного архивирования; 
• система разработки и генерации  отчётов; 
• система тревожных сообщений с возможностью квитирования этих сооб­щений; 
• стандартные и расширенные наст­ройки безопасности;
• поддержка большого числа промышленных протоколов.

Как мы уже описали ранее, обмен данными сервера с системой моделирования и ПЛК осуществляется по протоколу ModbusTCP. Ввиду того, что Master­SCADA 4D поддерживает протоколы OPC UA, OPC DA, при необходимости их можно использовать для сетевого взаимодействия. Для представления экранов в MasterSCADA 4D используется стандарт HTML5. В состав серверной части входит Веб-сервер, он формирует страницы формата HTML5, которые отображаются в клиенте визуализации MasterSCADA 4D. С помощью функций Веб-сервера MasterSCADA 4D была реализована возможность удалённого мониторинга и управления через Веб-интерфейс. 

Клиенты визуализации 

В качестве клиентов визуализации могут использоваться любые устройства, имеющие в своём составе современный браузер. Они подключаются к серверу MasterSCADA 4D и после авторизации получают клиентский доступ к экранам для мониторинга и управления технологическим процессом приготовления асфальта. АРМ оператора стенда АСУ ТП содержит два экрана: мнемосхема, отображающая технологический процесс (рис. 4), и экран настройки параметров модели техпроцесса (рис. 5). 

Рабочие места разработчиков 

Инструментальная среда разработки проектов MasterSCADA 4D (рис. 6) является Windows-приложением. 

Для удобства использования она развёрнута на обеих виртуальных машинах, и разработчикам системы может предоставляться доступ к ним через удалённый рабочий стол, по прото-
колу RDP.

Заключение

В этой части нашей статьи был описан аппаратно-программный комплекс, способный моделировать технологический процесс приготовления асфальта, а также автоматизированную систему управления этим технологическим процессом. Модель охватывает основные этапы производства асфальта. В следующей статье мы планируем на примере описанного стенда рассмотреть основные вопросы, связанные с обеспечением информационной безопасности на промышленных объектах. 

В данном контексте особое внимание будет уделено рассмотрению стандартов и методик, используемых в области информационной безопасности в АСУ ТП, а также их применимости к раз­работанно­му учебному стенду. ●

Литература

1. Гаврилов А., Деркач А., Камалиев Р. и др. Учебно-лабораторный комплекс по применению автоматизированных систем для исследования явлений переноса в пористых средах // СТА. 2014. № 4. С. 32–43.
2. URL: https://kpfu.ru/physics/struktura/kafedry/kafedra-radioelektroniki/laboratorii-i-sovremennoe-oborudo....
3. Учебно-лабораторный комплекс по применению автоматизированных систем для исследования явлений переноса в пористых средах: учебно-методическое пособие / М.Н. Овчинников, А.Г. Гаврилов, А.И. Деркач, В.А. Маценко. Казань: Казанский (Приволжский) федеральный университет, 2017. 79 с.
4. URL: https://d-russia.ru/v-2022-godu-prodazha-dostupov-k-promyshlennym-predprijatijam-v-darknete-vyrosla-....
5. Лытаев А.С. Разработка стенда информационной безопасности АСУ ТП на базе отечественного ПО: выпускная квалификаци­онная работа. Казань: Казанский (приволж­ский) федеральный университет, Институт физики. Кафедра радиоэлектроники.
6. Платформа MasterSCADA 4D работает под ОС Astra Linux. URL: https://astragroup.ru/about/press-center/news/platforma-masterscada-4d-rabotaet-pod-os-astra-linux/.

© СТА-ПРЕСС, 2024