無線的透明性給用戶帶來安全
http://www.whhswh.com 2009-10-14 10:38 來源：Peter Welander
編者語：通過無線網絡設備制造商的不懈努力，給用戶帶來了安全、方便、功能與有線網絡產品絲毫不差的無線網絡產品。
讓我們聚焦于化工廠控制室內的一個操作人員。他（或者她）的眼睛注視著HMI屏幕控，短暫停留在儲罐液位顯示。這些操作人員是否能夠說出傳感器的測量值是如何到達控制室的呢？答案很有可能是否定的，而且操作人員也并不關心這些事情。只要信息準確及時就可以，他們不在意信息是如何傳遞的。正是網絡的透明性讓整個工廠正常運作。
那一點液位信息可以通過模擬連線、數字連線、現場總線或者無線網絡來傳輸。傳輸技術的選擇應該是基于工廠現有環境下尋求成本和可靠性的平衡。在過去幾年，無線網絡以新的方式加入了這個行列，并迅速打破了這種平衡。這引出了一個問題：將無線網路集成到現有大型工廠控制環境中是否會給控制體系結構帶來新的挑戰？
現場總線第二？
在HART和現場總線網路平臺出現的初期，它們承諾眾多，然而并沒有迅速被操作人員接納，因為它們需要對硬件和軟件進行升級。無線系統供應商吸取了這個教訓，做了很多努力，以避免這些問題再次發生。
“它必須十分簡便，連我的媽媽也可以使用?！?Emerson Process Management (EPM)公司無線商業部副總裁Bob Karschnia說，“這種技術必須是無
形的，所以我們花了大量時間確保其比我們意愿的更加簡便。我們希望一旦將其引入你的現有系統，它便立即可以使用，無需為了使用無線網絡而升級整個DCS系統?！?/P>
“否則的話，這就和基金會現場總線沒有區別了。那意味著你需要對工廠體系結構和設備進行徹底改造，以引入無線網絡。我們力圖使其能夠與現有系統輕松兼容?！?/P>
簡便，當然。但是用戶仍需要做些工作來使其起作用。雖然一些無線網絡設備可以自動形成它們自己的網絡，然而通訊不會自己到達控制室。用戶必須找到一些方法，將這些數據節點引入控制體系結構中。
無線設備與網關通訊，作為與有線網絡的接口。Honeywell Process Solutions (HPS)公司全球無線產品商業總監Jeff Becker說道：“我們通過使用Modbus、OPS或HART將信號引入控制系統。一旦它進入控制系統，它就和其他信號別無二致。不管它是有線設備還是無線設備，對于操作人員和控制系統來說都沒有關系。控制系統甚至不能判斷它是否是無線設備?！?/P>
標準的4-20mA模擬量有線儀表的數據輸出是連續的，所以其趨勢變化形成的圖表會顯示出一條光滑的曲線。而無線儀表的數據是以一定的更新頻率進行報告的，所以趨勢圖更接近于階梯狀。而操作員就能由此判斷出該儀表是采用無線通訊的，當然，也有很多類型的有線設備，由于其數據傳輸的方式和控制系統更新HMI的頻率等因素形成類似的趨勢圖效果。
安全性問題
集成策略的一個主要考慮方面便是無線網絡的安全性。如果你認為它是安全的，你更愿意直接將其引入你的控制系統。如果你比較謹慎，你可以先在路徑上放置防火墻，在設備或者網絡和你的控制級操作之間構建安全防護措施。
HPS無線顧問Andrew Nolan說道：“最大的障礙就是安全問題。我不會說它是安全的，因為我并不認為我們能夠克服這個問題。但是幾乎每一個與我們溝通的用戶都在考慮引入無線網絡，所以對于我們來說最大的問題是如何讓無線網絡與用戶們的安全體系結構協同工作，使用戶們的IT部門認為這是一個安全的系統?！?/P>
安全問題，不管是實際的還是感知的，根據無線應用的種類的不同而不同。在文章旁注處討論的兩個例子反映了工業中兩種主要的無線網絡應用：無線設備和無線以太網。它們在實現方法上截然不同，對于集成和安全問題，我們必須分開考慮。
無線設備
目前的討論多集中在無線設備上，包括帶有集成變送器的設備。涉及到的兩個主要標準是WirelessHART和ISA SP-100。這些協議的工作方式與單獨設備與網關通訊的方式類似。大多數時間，為了節省電池電源，設備本身處于睡眠模式，只有在規定的時間循環或者有任務需要匯報的時候才會蘇醒。
為此而生的網路十分精密，內嵌有高等級的安全性，使用編碼加密，嚴格控制設備的網絡準入。相應地，對于想要通過儀器闖入網絡的黑客來說，它也并不容易對付。然而，如果某人想要欺騙控制系統，他也可以試圖在系統中偽造一個假節點，或者試圖增加一個虛假的測試。
Karschnia說道：“增加一個偽造節點并不能幫助你，因為控制系統中你的數據不被需要。但是如果你不是真正的溫度點，你是否可以假裝你是呢？要達到這種程度，你必須讓真正的設備停止報告數據，然后將你的數據發送出去。這叫做“中間人攻擊”，是一種被大家熟知的黑客攻擊技術，我們針對它做了防御，令其無法進入我們的系統。安全控制工程網版權所有，并不會使攻擊消亡，但是我們會盡量使其不會發生?！?/P>
當儀器數據到達網關，它仍未到達控制系統。有安全意識的用戶可能會通過有線Modbus連接或者以太網來承載數據。雖然使用無線以太網的通路將會擴展無線技術的便利之處，然而，他也同時擴大了系統受到攻擊的可能性。
無線以太網
一些工業無線體系結構使用802.11無線以太網（Wi-Fi），作為擴展有線網絡的方法，或者作為連接那些從無線設備處收集數據的網關。（目前，還沒有通過Wi-Fi通訊的獨立的工業無線設備。）
Karschnia說道：用戶們基本認可設備層面的通訊安全性，但是，那并不是他們唯一關心的。他說：“用戶們擔心的是通過工廠級無線網絡從網關出發的802.11Wi-Fi連接，那也正是安全問題的焦點。它是基于TCP/IP的，而他們恰恰就擔心這個。有很多成功使用無線網絡的實例。你必須確保采用了經過驗證的方法，以避免出現安全問題?！?/P>
謹慎是必要的，妥善的保護并不會降低其有效性。Nolan補充道：“在無線網絡的起始端設置防火墻進行保護，這種方法已經成為約定俗成的標準。讓其通過三級網絡，然后再進入控制系統。對于監控和SCADA應用，它工作良好，但是下一個跳躍是用戶希望將其集成到DCS系統中，然后進入控制網絡。如果要那樣做，就必須要設置一個獨立的防火墻段，而這并非是最好的網路體系結構。”
由于無線技術的很多發展都是在近期才完成的，產品和協議早已經有了內嵌的計算機安全組件?，F實的問題是：是否大多數IT部門明白這一點，或者你的無線網絡策略是否是針對那些老式的不太安全的設備設計的？Nolan說道：“幾乎任何工業無線產品供應商今天都明白，安全就是一個必選項。產品必須具備安全特性，而且這些安全特性必須有效，否則他們的產品就不會被接受。無線技術的普及并不會使安全策略更松，恰恰相反，會將當前技術的狀態和如何達到安全考慮在內。這將使更多的應用深入到控制系統內部?！?/P>
當它奏效時
我為此篇文章曾經訪問過一個用戶，他講述了一個不太成功的故事。他的公司在嚴酷的環境中，他因此嘗試使用了無線以太網，但是為了節省資金控制工程網版權所有，決定購買家用級別的硬件。不幸的是它在現場失效了，等到他們能夠將其更換成工業級別的設備時，操作人員已經重新使用起麻煩的電纜，并且對再一次嘗試無線技術不再感興趣。
當在適宜的應用中采用了合適的設備，工業無線網絡就能夠體現其整體性，不會帶來安全風險。正如Honyewell公司的Becker說道：“大多數用戶認為無線設備就是另一種變送器，并沒有什么大不了，那是因為他們的應用場合適宜使用無線網絡。如果我們建議‘在你的轎車里面安裝無線網絡’那就是另一回事了。然而，將其安裝在罐區或者為了額外測量，這些都在無線網路的能力范疇之內。”
“我們希望使無線現場設備和無線系統的安裝盡可能地簡便。如果它實現起來都那么困難，那么實施和被接受所面臨的困難將更大。但是這些困難在很久以前就已經存在了?！?/P>
所以，無線技術是否已經準備好被使用了呢？Karschnia說道：“我們花費了大量的時間確定，我們可以使其集成到系統中去，它允許我們以一種簡單的方式實現，便于用戶將其與任何固有的系統快速方便地配合使用。這就是技術的透明性，也是無線技術長足發展之時。”
Nolan期待所有這些技術融合的那天的到來。
“我們的系統正在忽視有線和無線I/O之間的差別。逐漸地，它們開始變得像控制系統的I/O，這距離無線技術的承諾越來越近了——讓基礎體系結構，不管是有線還是無線，都不再成為障礙。它簡單地引入I/O，以一種更靈活更具成本效益的方式?！?
Chevron獲取井壓數據：無線與有線“沒有什么不同”
Chevron公司在San Ardo, CA的San Joaquin Valley有一處油田。這里，蒸汽被注入年代較老的油井，來增加井下壓力，給濃稠的原油加溫，提高其流動性。這些油井遍布范圍廣，且每隔2、3英里就有一個，監視每個油井是很重要的。
Mohammad Heidari是Chevron公司的一名自動化工程師，他在San Joaquin Valley的生產現場工作。多年來，他嘗試了各種各樣的無線平臺，來簡化數據收集工作，但是總是發現這些方法比較麻煩并且昂貴。
Heidari說：“我曾經參與一個項目，我們為過程安裝了壓力變送器。通常這類應用，我們必須使用硬線將變送器與處理器相連，在處理器上作些量程設置，然后再將其與本地局域網相連，將數據傳輸至服務器，在那里我們完成監控、數據收集及數據存儲任務。這涉及到很多變量，有時候我們只希望監控某個過程變量。例如，有一口井，我們只希望監控其壓力。而它距離最近的電源或處理器超過1英里。配備一臺不間斷電源最少花費$3,000到$4,000。然后我們需要將一些無線電設備連接到變送器上，然后向某地的接收裝置發送數據。這項工作需要編程，以及很多硬件，也比較費工時。整個過程我們基本上花費$10000?！?/P>
當Emerson公司推出其Smart Wireless產品時，Chevron公司在一口油井上嘗試了這種產品。壓力傳感器、供電電池和無線變送器整合在一個封裝內，而不是分立單元，Heidari對此印象深刻。搭配合理配置網關，他發現收集和使用數據變得非常輕松。
他回憶道：“我們決定嘗試做一次安裝，所以我們將變送器設置好，然后是網關。不到2個小時，我們就已經坐在辦公室里，看到了數據。令人難以置信。同一天，我想我們應該再購買30臺設備。你有了一個網關，然后你給這個網關分配一個IP地址，然后將其連接到你的網絡上。與你在網路中設置IP地址十分類似。你可以設置多久更新一次數據，然后你就可以回到辦公室，打開因特網瀏覽器，鍵入IP地址，然后就可以觀察到整個流程。這直到最近才成為現實。成本、人力和時間極大地減少，幾乎只有原來的1/4到1/5?！?/P>
“我們的操作本身并不能判斷設備是有線的還是無線的，只有我們自己知道。只有SCADA系統或者控制工程師知道具體構架，但是操作員并不清楚。這沒什么區別。網關通過以太網接入網絡，你需要做的就是鍵入IP地址，然后與這些終端設備通訊。”
DiGeronimo Aggregates公司為無線設施作升級
嚴格地說，這還不算無線應用，但它是為了到達無線應用所必經的努力。DiGeronimo Aggregates公司位于Independence, OH的工廠已經運作了150年，生產混凝土。現場就是采石場，原材料從建于19世紀60年代的235英尺高的旋轉窯中生產出來。
最近，工廠正在做升級，因為它將原來的燃料石油更換為更經濟的煤。DiGeronimo公司的副總裁Eric Dombrowski解釋道：“我們的系統幾乎從遠古時代延用至今。這家工廠在1860年開始投產，很多系統很簡單。最初我們將石油作為燃料，為了提高競爭力，我們不得不將其更換為煤。為了得到生產許可，我們不得不增加石灰粉噴射FGD（直接脫硫）系統。我們審視其他的設備，我們的集塵室太破舊了，所以所有這些系統——煤給料系統、石灰粉噴射FGD系統以及集塵室，都是全新的。當我們與Hull & Associates公司展開合作時，我們說‘我們不希望這些孤立的系統各顧各的任務，整個工廠應該由一個中央控制，并且具有可擴展性，便于以后新建項目。’”
系統集成商Hull & Associates設計了一款系統，可以將所有這些離散的控制平臺綁定在一條主以太網絡上，通過使用Wonderware軟件支持唯一的復雜HMI。這項工程的目標之一就是提供可以隨身攜帶，完成控制任務的無線手操器。
Andy Holtom是Hull & Associates公司的電氣工程分部負責人，負責DiGeronimo項目。他回憶道：“我們搭建有線以太網設施，然后在一間雙鑰匙電氣室里面有終端站，操作員可以將手操器接入使用。我們的想法是使用無線網絡，這樣手操器就可以離開房間使用了。最后的步驟是將這些無線節點接入。我們在不同的站點安裝變送器，在整個廠區內廣播無線信號。我們知道他們將要去哪里，他們需要做的就是領取手操器，然后接入網絡?！?/P>
Dombrowski指出，由于經濟疲軟，最后一步擱淺了，但是一旦條件成熟，會立即恢復建設。他明白在那樣的工廠環境中能夠完成移動控制的價值。他說：“我們的工作是一天24小時，一周7天連續運作的。有時，一天三班倒我們只有2、3個工人。所以如果有了無線網絡，操作人員不管在窯下還是遠離窯址現場，都可以完成核查，哪怕他距離現場很遠，也可以完成控制任務?！?/P>
“我們已經計劃了2、3次的未來工廠擴建，廠區范圍更加廣闊。而且PLC將被廣泛使用，就更有理由在不同的地點控制不同的設備了?！?/P>
編輯精選
