Podstawy przemysłowych systemów sterowania

Przemysłowe systemy sterowania (ICS) to komputery i urządzenia, które monitorują procesy fizyczne i sterują nimi: sieciami energetycznymi, uzdatnianiem wody, liniami produkcyjnymi, rurociągami oraz systemami budynkowymi. Wraz z szerszą kategorią technologii operacyjnej (OT) łączą one świat cyfrowy ze światem fizycznym.

Awaria w tym obszarze nie oznacza utraty danych; może doprowadzić do zatrzymania produkcji, szkód dla środowiska lub zagrożenia życia ludzkiego.

Programowalny sterownik logiczny (PLC) to wytrzymały komputer przemysłowy, który w czasie rzeczywistym odczytuje wejścia z czujników i steruje wyjściami elementów wykonawczych. Wykonuje logikę sterowania w ciągłym cyklu skanowania: odczytuje wejścia, uruchamia program, zapisuje wyjścia i powtarza te czynności.

• Jest deterministyczny i niezawodny, a także przystosowany do trudnych warunków
• Często programuje się go w języku drabinkowym, przypominającym schematy przekaźnikowe
• Bezpośrednio steruje zaworami, silnikami, pompami i wyłącznikami

Powiązane urządzenia polowe rozszerzają możliwości sterowania o role zdalne i wyspecjalizowane.

• RTU (Remote Terminal Unit) — podobny do PLC, ale zoptymalizowany pod kątem geograficznie rozproszonych obiektów, z telemetrią przesyłaną łączami dalekiego zasięgu; często stosowany w obiektach użyteczności publicznej i rurociągach
• IED (Intelligent Electronic Device) — sterowniki przeznaczone do konkretnych zastosowań, takie jak przekaźniki zabezpieczeniowe w podstacjach

Urządzenia te gromadzą dane i wykonują polecenia na brzegu sieci, często w lokalizacjach bez personelu.

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) to system, który umożliwia operatorom monitorowanie rozproszonych procesów i sterowanie nimi z centralnej lokalizacji. Nie steruje procesem bezpośrednio; nadzoruje sterowniki PLC i RTU, które to robią.

• Gromadzi dane telemetryczne z wielu urządzeń polowych
• Prezentuje je operatorom i przechowuje w celach historycznych
• Wysyła polecenia nadzorcze (wartości zadane, uruchamianie/zatrzymywanie)

Proszę wyobrazić sobie SCADA jako kokpit, a sterowniki PLC jako silniki.

Interfejs człowiek–maszyna (HMI) to okno operatora na proces: ekrany graficzne pokazujące poziomy w zbiornikach, temperatury, przepływy i alarmy oraz elementy sterujące umożliwiające dostosowanie procesu.

Z punktu widzenia cyberbezpieczeństwa HMI ma istotne znaczenie, ponieważ jego przejęcie może pozwolić atakującemu oślepić operatora — wyświetlać prawidłowe wartości, gdy proces jest sabotowany — lub bezpośrednio wydawać niebezpieczne polecenia.

Rozproszony system sterowania (DCS) jest blisko spokrewniony z systemem SCADA, ale służy do obsługi ściśle sprzężonych, ciągłych procesów w obrębie jednego zakładu, takich jak rafineria lub zakład chemiczny.

• SCADA — geograficznie rozproszony, nadrzędny, odporny na opóźnienia (rurociągi, sieci przesyłowe)
• DCS — lokalny dla zakładu, skoncentrowany na sterowaniu procesem, pętle o małych opóźnieniach (rafinerie, elektrownie)

W praktyce granica między nimi się zaciera, a oba systemy mają te same problemy związane z cyberbezpieczeństwem, które omówiono w tym kursie.

Historian danych rejestruje szeregi czasowe danych procesowych — odczyty czujników, wartości zadane i alarmy — z dużą częstotliwością na potrzeby analizy, zgodności z wymaganiami i rozwiązywania problemów.

Znaczenie dla bezpieczeństwa:

• Często łączy sieci OT i IT, aby zasilać analitykę biznesową, przez co staje się częstym punktem przesiadkowym
• Jego dane są cenne dla atakujących prowadzących rozpoznanie procesu
• Należy go chronić bez zakłócania ścieżki sterowania w czasie rzeczywistym

Stacja inżynierska (EWS) służy do programowania i konfigurowania sterowników PLC oraz innych kontrolerów. Zawiera pliki projektu i oprogramowanie, które może wgrywać, pobierać i modyfikować logikę sterowania.

Sprawia to, że jest jednym z najniebezpieczniejszych celów w OT: atakujący, który przejmie kontrolę nad EWS, może przepisać logikę sterującą urządzeniami fizycznymi. Przejęcie EWS było elementem kilku głośnych ataków na systemy ICS.

Na styku z fizycznym procesem pętlę zamykają dwa rodzaje urządzeń:

• Czujniki mierzą parametry procesu: ciśnienie, temperaturę, poziom, przepływ i położenie
• Elementy wykonawcze zmieniają stan procesu: zawory, silniki, pompy, wyłączniki i grzałki

Kontroler odczytuje dane z czujników, podejmuje decyzje i steruje elementami wykonawczymi. Kluczowy wniosek dotyczący bezpieczeństwa: jeśli atakujący sfałszuje odczyty czujników lub polecenia dla elementów wykonawczych, logika sterowania będzie podejmować błędne decyzje, mimo że system będzie wyglądać na sprawny.

System bezpieczeństwa instrumentowanego (SIS) to niezależna warstwa, której jedynym zadaniem jest doprowadzenie procesu do stanu bezpiecznego, gdy pojawią się niebezpieczne warunki, na przykład awaryjne wyłączenie reaktora po wykryciu nadciśnienia.

SIS jest celowo oddzielony od systemu sterowania, aby awaria sterowania nie mogła jednocześnie unieszkodliwić zabezpieczeń. Jeden z głośnych ataków był wymierzony konkretnie w SIS i miał na celu wyłączenie zabezpieczeń; dlatego izolację i integralność SIS uznaje się za najwyższy priorytet.

Typowa hierarchia sterowania, od dołu ku górze:

• Czujniki i elementy wykonawcze oddziałują bezpośrednio na fizyczny proces
• PLCs / RTUs / IEDs realizują sterowanie w czasie rzeczywistym
• SCADA / HMI / DCS nadzorują proces i umożliwiają operatorom ingerencję
• Historian i EWS wspierają analizę i prace inżynierskie
• SIS niezależnie chroni bezpieczeństwo procesowe

Zrozumienie tego stosu jest podstawą do poznania różnic w zakresie bezpieczeństwa i zabezpieczeń omawianych w dalszej części kursu.

Poznali Państwo podstawowe elementy sterowania przemysłowego.

• PLCs, RTUs, IEDs realizują sterowanie fizycznymi procesami w czasie rzeczywistym
• SCADA, HMI, DCS nadzorują proces i umożliwiają operatorom monitorowanie oraz ingerencję
• Systemy historian przechowują dane procesowe, a EWS służy do programowania sterowników
• Czujniki i elementy wykonawcze zamykają pętlę sprzężenia zwrotnego; ich fałszowanie wprowadza logikę sterowania w błąd
• SIS jest niezależną warstwą bezpieczeństwa i krytycznym celem wymagającym ochrony

Dalej: dlaczego zabezpieczanie OT zasadniczo różni się od zabezpieczania IT.