CN111338231B - 智能制造安全仿真测试平台 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于工业机器人的智能制造安全仿真测试平台，包括：工业机器人、动力***、加工***、传送***、控制***和工控信息安全***，加工***和传送***均与动力***连接，动力***为加工***提供动力以对工件进行加工，动力***为传送***提供动力以传送工件，控制***与加工***和传送***均连接，以控制加工***和传送***的运行，工控信息安全***用于获取并分析控制***的运行参数信息。该仿真测试平台，能够模拟并还原智能制造的加工切削场景，可以实现智能定位加工、机械切削、机台定位、工件传送和远程攻击等功能，并可实现远程攻击后智能制造场景的数据采集及分析，从而利于对工业控制***安全漏洞挖掘和防护进行研究。
Description
技术领域
本发明涉及工业控制技术领域，尤其涉及一种智能制造安全仿真测试平台。
背景技术
当前针对工业控制***信息安全领域的测试和验证场景不足，特别是能够表征智能制造的测试环境更是匮乏，而已有的仿真测试环境缺乏典型的智能制造行业背景，且安全研究的针对性和适应性不足，成本高。而且现有的仿真测试环境无法体现典型的智能制造行业场景，无法直观的展示针对智能制造环境攻击的行为后果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何模拟仿真智能制造的加工切削场景，本发明提供一种智能制造安全仿真测试平台。
根据本发明实施例的智能制造安全仿真测试平台，包括：
动力***；
加工***，与所述动力***连接，所述动力***为所述加工***提供动力以对工件进行加工；
传送***，与所述动力***连接，所述动力***为所述传送***提供动力以传送所述工件；
控制***，所述控制***与所述加工***和所述传送***均连接，以控制所述加工***和所述传送***的运行；
工控信息安全***，与所述控制***连接，所述工控信息安全***用于获取并分析所述控制***的运行参数信息。
根据本发明实施例的智能制造安全仿真测试平台，能够模拟并还原智能制造的加工切削场景，可以实现智能定位加工、机械切削、机台定位、工件传送和远程攻击等功能，并可实现远程攻击后智能制造场景的数据采集及分析，从而利于技术人员对工业控制***安全漏洞挖掘和防护进行研究。
根据本发明的一些实施例，所述动力***包括：动力气源，所述动力气源采用压力值范围为0-1.2MPA的气体压缩机。
在本发明的一些实施例中，所述仿真测试平台还包括：工业机器人，所述加工***设于所述工业机器人的自由端。
根据本发明的一些实施例，所述加工***包括：刀具定位板、切削组件和抓取组件，
所述刀具定位板与所述工业机器人的自由端连接；
所述切削组件和所述抓取组件间隔设于所述刀具定位板的两端。
在本发明的一些实施例中，所述切削组件包括：刀具、直流电源和伺服驱动器，所述伺服驱动器与所述直流电源连接和所述刀具连接，以控制所述刀具的运行。
根据本发明的一些实施例，所述仿真测试平台还包括：报警器，所述报警器与所述控制***连接，当所述工业机器人运行异常时，所述报警器发出警示信息。
在本发明的一些实施例中，所述仿真测试平台还包括：固定组件，所述固定组件设于加工定位台，所述固定组件与所述动力***连接，用于固定所述工件。
根据本发明的一些实施例，所述控制***包括控制面板，用于输入控制指令。
在本发明的一些实施例中，所述传送***包括：
传送平台；
传送带，所述传送带设于所述传送平台上，用于传送所述工件；
调整组件，所述调整组件设于所述传送平台，用于调整所述工件的传送位置状态；
传送控制部件，用于控制所述传送带的运行状态。
根据本发明的一些实施例，所述工控信息安全***具有用于与所述控制***连接的攻击检测接口，所述工控信息安全***通过所述攻击检测接口获取所述控制***的运行参数，并更改所述控制***的运行参数。
附图说明
图1为根据本发明实施例的智能制造安全仿真测试平台的结构示意图；
图2为根据本发明实施例的智能制造安全仿真测试平台的局部控制线路图；
图3为根据本发明实施例的智能制造安全仿真测试平台的局部控制线路图；
图4为根据本发明实施例的智能制造安全仿真测试平台的局部控制线路图；
图5为根据本发明实施例的智能制造安全仿真测试平台的局部控制线路图。
附图标记：
仿真测试平台100，
动力***10，加工***20，刀具定位板210，切削组件220，抓取组件230，传送***30，传送平台310，传送带320，调整组件330，传送控制部件340，控制***40，工控信息安全***50，工业机器人60，报警器70，加工定位台 80，固定组件810，工件101。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。
面对日益严峻的工控***安全态势，工业控制***的网络安全研究相对滞后。目前，已有研究涉及到了工业控制***的几个方面，分别为工业控制***攻击模型与安全防护体系的构建问题、工业控制***安全漏洞的挖掘与利用问题、工业控制***安全技术的测试验证问题、工业控制***组件的动态防护问题、工业控制的***主动防御问题。
其中，工业控制***安全技术的测试验证是工控安全领域的重要研究课题，现有的研究基础较为薄弱。为了高度仿真攻击测试及验证，需要模拟适用于PLC 控制***、电网调度控制***等典型工业控制***的安全技术验证试验环境，现有仿真测试环境的搭建缺乏***性及高度还原性，部分关键工控设施缺乏，非关键设施配置冗余。同时，现有的工控测试***数据采集模块不完善，难以进行有效的数据分析和安全评估。因此工控测试平台的搭建存在较大的漏洞和缺陷，尚未有完整、***的工控测试***进行高仿真度地模拟、还原工业控制作业环境，不利于工业控制***的攻防效果评估、攻防场景分析、漏洞危害性验证和安全技术的有效性评估。
基于以上工控测试***的缺陷和漏洞，本发明提出一种智能制造安全仿真测试平台100，实景模拟智能制造工业控制现场，提炼并还原智能制造设备运行过程，实现工业控制安全测试环境的搭建。
如图1所示，根据本发明实施例的智能制造安全仿真测试平台100，包括：动力***10、加工***20、传送***30、控制***40和工控信息安全***50。
具体而言，加工***20和传送***30均与动力***10连接，动力***10 为加工***20提供动力以对工件101进行加工，动力***10为传送***30提供动力以传送工件101。
控制***40与加工***20和传送***30均连接，以控制加工***20和传送***30的运行。工控信息安全***50与控制***40连接，工控信息安全***50用于获取并分析控制***40的运行参数信息。
需要说明的是，工控信息安全***50可以获取控制***40的运行参数信息，并可以对控制***40进行攻击和防护模拟，并通过获取控制***40的运行参数信息分析展示控制***40的在攻击和防护状态下的运行状态。
根据本发明实施例的智能制造安全仿真测试平台100，能够模拟并还原智能制造的加工切削场景，可以实现智能定位加工、机械切削、机台定位、工件101 传送和远程攻击等功能并可实现远程攻击后智能制造场景的数据采集及分析，从而利于技术人员对工业控制***安全漏洞挖掘和防护进行研究。
根据本发明的一些实施例，动力***10包括：动力气源，动力气源采用压力值范围为0-1.2MPA的气体压缩机。由此，可以通过气体压缩机为仿真测试平台100中的各***提供动力源。
在本发明的一些实施例中，如图1所示，仿真测试平台100还包括：工业机器人60，加工***20设于工业机器人60的自由端。例如，工业机器人60可以选择UR机器人。UR机器人从拆包、安装、以及编写第一个简单任务程序所需时间一般不到1小时，为工控***设计提供了无与伦比的灵活度。因此，根据机械加工的工作力度和场地因素，结合智能制造测试需求和成本等因素，可以选择带controller的UR5机器人。
根据本发明的一些实施例，如图1所示，加工***20包括：刀具定位板210、切削组件220和抓取组件230。
刀具定位板210与工业机器人60的自由端连接，切削组件220和抓取组件 230间隔设于刀具定位板210的两端。
需要说明的是，在对工件101进行加工时，传送***30可以将工件101传送至预设位置，控制***40通过控制工业机器人60的运动，可以旋转刀具定位板210使抓取组件230朝向工件101，并控制抓取组件230抓取工件101，并将工件101放置于加工定位台80上。随后可以通过工业机器人60旋转刀具定位板210，将切削组件220朝向工件101，以对工件101进行切削加工操作。
在本发明的一些实施例中，切削组件220可以包括：刀具、直流电源和伺服驱动器，伺服驱动器与直流电源连接和刀具连接，以控制刀具的运行。需要说明的是，刀具可以通过夹具固定于刀具定位板210上，直流电源可以为伺服驱动器提供电能，以驱动刀具对工具进行切削加工操作。
根据本发明的一些实施例，如图1所示，仿真测试平台100还可以包括：报警器70，报警器70与控制***40连接，当工业机器人60运行异常时，报警器70发出警示信息。可以理解的是，通过设置报警器70，可以提高仿真测试平台100运行的安全性，而且，提高了对真实工业制造场景还原的真实性。
在本发明的一些实施例中，如图1所示，仿真测试平台100还可以包括：固定组件810，固定组件810设于加工定位台80，固定组件810与动力***10 连接，用于固定工件101。需要说明的是，当抓取组件230将工件101从传送带 320抓取放置于加工定位台80上时，可以通过固定组件810固定工件101，以提高工件101固定的稳定性。
根据本发明的一些实施例，控制***40包括控制面板，用于输入控制指令。由此，用户可以通过控制面板方便地输入控制指令，以控制仿真测试平台100 的运行情况。
在本发明的一些实施例中，如图1所示，传送***30包括：传送平台310、传送带320、调整组件330和传送控制部件340。
其中，传送带320设于传送平台310上，用于传送工件101。调整组件330 设于传送平台310，用于调整工件101的传送位置状态。需要说明的是，工件 101在传送带320上传输的工程中，可能发生倾斜现象，通过设置调整组件330，可以对工件101的位置进行调整，以便于后续抓取组件230的抓取工作。
传送控制部件340可以用于控制传送带320的运行状态。例如，传送控制部件340可以用于控制启动、暂停以及停止传送带320的运行，并可以对传送带320的运行速度进行控制。
根据本发明的一些实施例，工控信息安全***50具有用于与控制***40 连接的攻击检测接口，工控信息安全***50通过攻击检测接口获取控制***40 的运行参数，并更改控制***40的运行参数。
例如，攻击检测接口可以采用标准的MODBUS协议进行通讯，不仅可以对其实施不同形式的网络攻击和协议的安全测试，同时能能够通过平台的运行过程变化清晰的呈现智能制造领域工业控制***面临攻击后的变化及破坏情况，并能够提供相关的***运行数据进行安全研究。
下面参照附图详细描述根据本发明实施例的智能制造安全仿真测试平台 100。值得理解的是，下述描述仅是示例性描述，而不是对本发明的具体限制。
本发明中的智能制造安全仿真平台包括工业机器人60智能定位加工、机械切削功能、机台定位功能、工件101传送功能和远程攻击功能。平台以UR5工业机器人60作为基础平台，具有人机交互控制面板、动力***10、加工*** 20、传送***30、控制***40、工控信息安全***50和加工定位台80等。
通过人机交互控制面板对加工***20和传送***30等执行机构发出指令，协调各执行机构的动作。接收到来控制***40的命令后，加工***20作为主要执行机构对工件101进行加工，并将加工后的工件101通过传送***30进行传送，在工件101的切削过程中，由动力***10提供动力和工件101的切削力度，从而保证工件101加工的精确性。
所有的工业控制***运行数据将被储存在工控信息安全攻击***中，当远程攻击执行时，存储数据的异常情况将被提供给技术人员进行分析。仿真测试平台100涵盖智能制造领域中关键制造设备并完整的复现了智能制造的环境，该平台去除未发生作用的冗余设备，对关键设备进行浓缩，同时增加工控信息安全攻击***，实现仿真测试的过程。
从成本方面、适用性方面综合考虑，本发明采用UR5工业机器人60，UR5 机器人凭借平板尺寸的触摸屏用户界面，让用户可以通过在屏幕上指示动作来操控UR机械手臂，或者通过轻松把持机械手臂，向它展示所需运动路径，即可完成编程，无需再依赖程序员。
工业机器人60是智能制造安全仿真测试平台100的控制中心，UR5机器人控制中心线路图如图2所示。UR5机器人控制结构由直流电源、伺服控制器、伺服驱动机和气泵组成，其中直流电源、伺服控制器和气泵直接与交流电源直接相连，伺服驱动机通过与直流电源相连控制铣刀主轴。
控制***40与其他***间的接线方式如图3-5所示，其中抓紧气缸气阀1、抓紧气缸气阀2、抓紧气缸气阀3、抓紧气缸气阀4、抓紧气缸气阀5以及机器手工作警示继电器、传送带320控制分别与控制***40相连。
切削加工是机械加工中较为广泛的加工方式，为了对智能制造进行实景模拟并选取有代表性的加工方式，本发明中的安全仿真测试选用切削加工作为机器人的主要工序，结合测试需求和加工因素，道具夹具加工技术结合了变频器技术和电机传动技术。同时，安全测试仿真平台中工作流程设计为工件101传送、机器人定位、平台加工定位、夹具定位、进刀加工、退刀加工和工件101 传送，工序完整并对实际的加工过程进行精简，避免安全仿真测试装置的设计冗余。
日常的智能制造加工中，工件101传送***30需要考虑调速、起动时间、变速冲撞等问题，同时分析成本和接线复杂度的影响，需要对安全仿真测试装置的主电路、控制回路、变频器等进行选择，本发明提出按照速度控制输入、变频器、异步电机、工件101传送的步骤构建工件101传送***30，完成传送***30的整装。
由于切削的工件101力度有限，大多数0-1.2MPA的气体压缩机都可以实现目标，出于成本的考虑，过高的规格的气体压缩机对于安全仿真测试装置来说相对冗余，因此本发明选用常用的0-1.2MPA的气体压缩机作为动力气源，通过压力表的控制，将气体的压力稳定在安全范围内。
工控***的安全攻击发现形式包括***设备的端口扫描、漏洞扫描、后门扫描、弱口令扫描和数据库的安全检查，因此智能制造安全仿真测试装置中设计增加了攻击检测接口。本发明中采用的UR5工业机器人60，其通讯协议是标准的MODBUS协议，基于MODBUS通讯协议，连接智能制造的机器人***，设计接口读取并获取***的运行参数信息，同时能够更改相关运行参数。在此基础上，可对安全仿真测试装置采用不同的攻击形式进行安全攻击，***能够反应出常规设备面临攻击后的变化及破坏情况，提取***的运行参数进行分析，有利于技术人员进行决策和维护。
综上所述，本发明针对工业控制安全领域中，测试和验证模拟场景的发展不足，本发明提供了一种智能制造安全仿真测试平台100，该仿真测试平台100 能够模拟工控领域受到攻击时工控设备的反应及所造成的破坏，对工控信息安全的研究及网络攻击的应对提供了较好的模拟测试场景。
该仿真测试平台100具有较高的还原性，测试仿真环境的搭建关键在于复现原始的工业控制工作场景，本发明深入分析了当前智能制造领域的主要加工过程，选取切削加工作为智能制造的典型代表，高度模拟了智能制造的工作流程，为测试和验证提供了较好的操作环境。
仿真测试平台100涵盖了工业机器人60、切削加工***20、工件101传送***30、动力***10和工控信息安全***50等多个工作***，具有较高的完整性和***性，本发明抽取了智能制造中的关键设备进行重组，对已有的仿真测试装置进行补充，避免了关键设备的遗漏。
仿真测试平台100对关键设备的选型适合测试验证的要求，避免非重要设备的冗余性，动力***10等部件的选择避免了过高的追求先进性，而是以符合智能制造生产的实际情况为准则，节省了装置的成本。
通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。
Claims (8)
1.一种智能制造安全仿真测试平台，其特征在于，包括：
动力***；
加工***，与所述动力***连接，所述动力***为所述加工***提供动力以对工件进行加工；
传送***，与所述动力***连接，所述动力***为所述传送***提供动力以传送所述工件；
控制***，所述控制***与所述加工***和所述传送***均连接，以控制所述加工***和所述传送***的运行；
工控信息安全***，与所述控制***连接，所述工控信息安全***用于获取并分析所述控制***的运行参数信息；
通过所述动力***、所述加工***、所述传送***和所述控制***来模拟和还原作业环境，并通过所述工控信息安全***对所述控制***进行安全评估；
所述仿真测试平台还包括：工业机器人，所述加工***设于所述工业机器人的自由端；
所述加工***包括：刀具定位板、切削组件和抓取组件，
所述刀具定位板与所述工业机器人的自由端连接；
所述切削组件和所述抓取组件间隔设于所述刀具定位板的两端。
2.根据权利要求1所述的智能制造安全仿真测试平台，其特征在于，所述动力***包括：动力气源，所述动力气源采用压力值范围为0-1.2MPA的气体压缩机。
3.根据权利要求1所述的智能制造安全仿真测试平台，其特征在于，所述切削组件包括：刀具、直流电源和伺服驱动器，所述伺服驱动器与所述直流电源连接和所述刀具连接，以控制所述刀具的运行。
4.根据权利要求1所述的智能制造安全仿真测试平台，其特征在于，所述仿真测试平台还包括：报警器，所述报警器与所述控制***连接，当所述工业机器人运行异常时，所述报警器发出警示信息。
5.根据权利要求1所述的智能制造安全仿真测试平台，其特征在于，所述仿真测试平台还包括：固定组件，所述固定组件设于加工定位台，所述固定组件与所述动力***连接，用于固定所述工件。
6.根据权利要求1所述的智能制造安全仿真测试平台，其特征在于，所述控制***包括控制面板，用于输入控制指令。
7.根据权利要求1所述的智能制造安全仿真测试平台，其特征在于，所述传送***包括：
传送平台；
传送带，所述传送带设于所述传送平台上，用于传送所述工件；
调整组件，所述调整组件设于所述传送平台，用于调整所述工件的传送位置状态；
传送控制部件，用于控制所述传送带的运行状态。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的智能制造安全仿真测试平台，其特征在于，所述工控信息安全***具有用于与所述控制***连接的攻击检测接口，所述工控信息安全***通过所述攻击检测接口获取所述控制***的运行参数，并更改所述控制***的运行参数。
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