工業4.0 視角下PLC 系統的優化策略

李冬冬，石科

（重慶華峰化工有限公司，重慶 408017）

0 引言

PLC 控制系統在自動化控制系統中的重要性是無法忽視的，在現代工業自動化中，PLC 系統的應用已經成為標準配置。隨著技術的不斷進步，PLC 的應用領域正在迅速擴展到制造業、電力、交通等各個行業。PLC 系統的可靠性和效率直接關系到生產的穩定性和效率，因此對于企業來說，選擇一款高質量的PLC 系統是非常重要的。PLC 系統的可靠性不僅取決于系統的硬件質量，還與系統的軟件設計和工程實施密切相關。因此，在選擇PLC 系統時，需要考慮系統的可靠性、穩定性、效率以及可維護性等多個因素[1]。

1 PLC 系統的核心組成及應用

1.1 PLC 的基本結構和工作原理

PLC 主要包括中央處理單元（CPU）、存儲器、輸入/輸出接口和通信接口，其通過編程指令來控制各種機械設備和生產流程。PLC 的工作原理是基于循環掃描模式，即連續監測輸入信號，執行用戶程序，并更新輸出狀態。這種設計使PLC 系統在處理速度和穩定性方面具有顯著優勢，并能適應各種復雜的環境和生產條件。

1.2 PLC 在不同工業應用中的實際案例

在化工生產中，PLC 可以控制生產線上的儀器儀表、傳送帶等設備，并實現自動化控制和檢測。在電力行業中，PLC 用于監控和控制電網負荷，確保電力系統的穩定運行[2]，通過PLC 的實時監測和控制，實現電力負荷的合理分配和調整，避免電力中斷或設備過載的情況發生[3]。在智能交通系統中，PLC 同樣發揮著重要作用，可用于調控交通信號燈，實現交通的智能化和高效化管理，通過PLC 的控制，交通信號燈可以根據實時交通情況進行調整和優化，提高道路通行效率和交通安全。

2 優化策略

2.1 系統性能評估

評估是優化PLC 系統的關鍵步驟。為了確保系統運行處于最佳狀態，定期進行全面的性能檢查至關重要，可監測和分析多個關鍵性能指標以準確評估系統的當前運行狀態。

響應時間是衡量PLC 系統性能的重要指標之一，是系統接收輸入信號到執行相應操作所需的時間。過長的響應時間可能表現出處理能力不足或程序效率低下。通過定期監測響應時間，可以及時發現性能瓶頸，從而采取措施進行優化。

運行穩定性是衡量系統可靠性的關鍵，涉及系統長時間運行的性能一致性和故障率。頻繁的系統崩潰或異常重啟可能表明存在硬件故障、軟件漏洞或不穩定的電源供應。通過持續跟蹤這些問題，可以更有效地進行故障診斷和預防性維護。

錯誤率的監測對維護PLC 系統的準確性至關重要，包括跟蹤指令執行錯誤、通信錯誤以及輸入輸出錯誤等。高錯誤率不僅影響生產效率，還可能導致安全風險。因此，定期檢查和減少錯誤率對保障系統的高效運行和操作安全至關重要。

2.2 程序優化

PLC 系統的任務越復雜，越需要高級的算法和控制策略以及更高的計算能力來支持。在PLC 系統中，程序優化是提高整體運行效率的關鍵環節，通過采用一系列技術來簡化程序，可以有效減少處理時間，提升系統響應速度，同時降低錯誤率[4]。

優化邏輯控制語句。邏輯控制語句是PLC 編程中的核心，決定了程序如何響應不同的輸入信號。通過精簡和優化這些語句，可以減少程序的復雜性，提高執行效率，例如合并多個條件判斷語句，減少嵌套的層級，或使用查找表替代復雜的條件分支。此外，合理利用布爾代數原理來簡化邏輯運算也是一種有效的優化方法。

減少不必要的程序循環。程序循環尤其是嵌套循環，會顯著增加程序的執行時間。通過識別和消除不必要的循環，可以有效提高程序的運行效率，例如重構代碼以避免重復計算，或在滿足特定條件時提前退出循環。在一些情況下，也可通過預計算或緩存機制來替代循環操作。

使用更有效的數據結構。在PLC 編程中，選擇合適的數據結構對提高程序效率至關重要。例如使用數組或結構體來組織相關數據，可以簡化數據訪問和處理流程。同時，合理的數據組織有助于減少內存占用和提高數據處理速度。

代碼重構和模塊化。將程序分解為獨立的模塊或功能塊，不僅可以提高代碼的可讀性和可維護性，還可以提升執行效率。模塊化的代碼更易于測試和優化，也便于復用。

2.3 PLC 系統硬件

對于硬件而言，更多的輸入/輸出（I/O）模塊和更大的數據存儲需求需要硬件資源的升級。

升級方法包括：

（1）增加內存容量。PLC 系統的內存容量直接影響其處理速度和同時運行的任務數量，如果目前的內存容量不足，增加內存是一種有效的硬件升級方法。

（2）升級CPU。CPU 是PLC 系統的 “大腦” ，升級CPU 可以提高系統的整體性能，特別是對需要復雜計算的任務[5]。

（3）使用更高效的輸入/輸出模塊。針對特定的應用需求，使用更高效的輸入/輸出模塊可以提高PLC系統的實時性能和可靠性。

在升級硬件時，需要考慮到系統的兼容性和穩定性。首先，需要評估現有的硬件配置，確定升級的必要性和升級的具體硬件類型；然后，根據評估結果，購買并安裝新的硬件；最后，對新的硬件進行測試，確保其性能提升和與原有系統的兼容性。

2.4 網絡通訊優化

PLC 系統與其他設備間的通信效率對整個系統的性能以及生產力有著直接的影響。為了提高通信效率，網絡通訊優化包括使用更高速的通信協議、優化網絡結構、減少通信延遲。

使用更高速的通信協議，如5G，可以利用其提供的更高的數據傳輸速率和更低的傳輸延遲來提高通信效率。通過采用這種新技術，可以實現更快速的數據交換和更少的傳輸延遲，從而提高整體通信效率。

優化網絡結構也是提高通信效率的重要手段，例如合理配置網絡設備、合理劃分網絡段，以實現更高效的數據傳輸和控制指令的傳遞。

網絡延遲優化也可以提高系統的傳輸速率。例如數據包大小的優化，數據包的大小會影響通信效率，數據包過大會占用更多的帶寬和網絡資源，而數據包過小則會導致通信頻繁，增加通信延遲。因此，通過合理調整數據包的大小，使其適應特定的通信需求，以減少通信延遲。

數據傳輸路徑優化。在通信過程中，數據傳輸路徑的選擇也會影響通信效率，若傳輸路徑過長或擁堵，會導致通信延遲增加。因此，通過優化數據傳輸路徑，選擇更短、更暢通的路徑，可減少通信延遲。

緩存機制的利用。將頻繁訪問的數據存儲在本地或高速緩存，可以減少對遠程服務器的訪問次數，從而減少通信延遲。

并發傳輸的利用。通過同時傳輸多個數據包或指令，可以減少通信延遲和等待時間。

2.5 用戶界面

用戶界面（HMI）是機器與操作員之間的工業界面，使用HMI 可以在比PLC 寄存器更安全舒適的環境中操作。現代操作面板可以遠程本地控制，還配備了軟件和觸摸屏，極大方便了人機層面的信息交換。HMI 是以一種允許在機器操作的給定序列做出決策的形式，為操作員提供最新的設備實時信息。對用戶界面的改進是提高操作員工作效率的關鍵。

簡化界面。設計一個簡潔、直觀的用戶界面應具備控制按鈕、指示器、圖表等必要的元素，并且這些元素應按照邏輯和操作習慣進行排列，減少操作員尋找所需功能的時間，提高工作效率。

提供更清晰的系統狀態反饋。用戶界面應實時顯示系統的狀態信息，如設備運行狀態、故障信息、報警信息等，讓操作員快速了解系統的工作狀態，及時發現并解決問題。

優化操作流程。用戶界面應提供簡單、易用的操作流程，例如通過觸摸屏進行控制，或使用預定義的操作序列進行自動控制，減少操作員的操作難度，提高工作效率。

3 OT 系統中的風險源與防范措施

為了解PLC 控制系統的潛在風險，有必要對有系統弱點的網絡基礎設施和惡意軟件進行詳細的威脅分析，旨在引入更高級別的網絡安全行動。對于工業系統來說，人為因素、硬件因素、網絡系統軟件是三個重要的風險源，在確定和識別與黑客攻擊相關的風險方面具有相當重要的意義。

3.1 人為因素

工業網絡被攻擊最常見的原因是未能保持正確的通道網絡或員工的故意破壞行為。Verizon 發布的《2022 年數據泄露調查報告》（DBIR）指出，2022 年數據泄露事件中，82%的違規行為涉及人為因素，勒索軟件攻擊的泄露事件增加13%，超過過去5 年的總和。報告還指出，目前有四個主要途徑會威脅數據資產，即憑證竊取、網絡釣魚、漏洞利用和僵尸網絡。

網絡釣魚是一種通過冒充其他機構或組織來獲取數據或敏感信息的方法。在大多數情況下，這種類型的攻擊是通過帶有指向的虛假頁面鏈接消息進行的，類似于原始頁面，用戶在該頁面上輸入密碼并登錄。網絡物理攻擊最常見的情況是給員工發送威脅性郵件或特定操作請求，大多是因為員工郵件過濾系統有故障。

在人為因素中，員工密碼及其正確管理是工業網絡安全的重要因素。DBIR 報告明確指出，主要問題是員工在工作門戶上使用重復密碼，一個門戶發生數據泄露時，多個門戶密碼失效。此外，該報告還突出顯示了密碼級別的選擇，應指示登錄名重復或密碼字段中輸入最簡單的數字組合密碼。

3.2 硬件因素

硬件包括控制器、路由器和交換機等設備。在分析與網絡設備相關的事件時，需要分析網絡中各個元素之間通信協議的安全性。

工業網絡設備包括有源和無源元件，如控制器、路由器、交換機、接入點和服務器等，共同執行控制系統層次結構中的不同任務。對于工業網絡的安全性來說，PLC 和PC 之間的連接是最基本但最容易被忽視的威脅之一。

許多公司在工廠各處擁有廣泛的控制器網絡，因此使用無線網絡進行控制器連接以執行所需操作，但這種方式對生產過程是危險的，因為缺乏PLC 級認證，可能引入變化因素到控制器的邏輯中。因此，企業應使用密碼保護和復雜數據過濾軟件來保護工業網絡的安全性。路由器、接入點和交換機的適當使用可以確保通信不間斷并降低MIM 攻擊的可能性。PLC 最常用的傳輸協議為MODBUS、Ethernet/IP、Profibus、DNP 317 和ISO-TSAP，這些協議提供了有效的通信，但不是為了確保工業系統中的傳輸安全而設計的。其中一種常見的攻擊方式是邏輯旁路攻擊，攻擊者通過訪問PLC 的寄存器、存儲器，并輸入隨機值來干擾程序邏輯，導致輸出值變化，從而對系統造成不可預測的影響；另一種攻擊方式是基于輸出強制的攻擊，攻擊者通過強制控制系統輸出特定值來干擾系統的正常運行。此外，LogicLocker 等勒索軟件蠕蟲也會利用PLC 中的弱身份驗證機制劫持PLC，并阻止用戶對系統的正常操作。雖然普通計算機病毒不會以任何方式與PLC 進行交互，但網絡安全事件表明，即使與可以訪問全球網絡的主要工業網絡隔離，控制器（例如SCADA 系統）也存在被黑客入侵的風險。

3.3 網絡系統軟件

網絡系統軟件和設備之間的通信安全性以及軟件生產商提供的產品缺陷，對整個系統的安全性有著直接影響。

網絡系統軟件是影響工業網絡安全的重要因素之一。在分析此問題時，應重點關注工業網絡中的生產過程監控系統、網絡操作系統和軟件管理有源元素等。根據SANS 報告中的數據，在所有影響安全性的因素中，高達4/5 與網絡系統軟件有關。工業網絡安全工作面臨的最大挑戰之一是與遠程過程控制系統的安全連接，其涉及幾個方面，但最重要的是病毒偽裝成監控系統（例如Stuxnet）操縱PLC 程序中的變量并跟蹤整個生產過程。

以下是幾種用于發起攻擊的程序示例：

（1）震網（Stuxnet）

Stuxnet 是一種基于Windows 的計算機蠕蟲，主要針對使用Siemens WinCC SCADA 系統的設備，2010 年首次被發現，是第一個已知用于監視和更改工業裝置軟件的蠕蟲。根據賽門鐵克的一份獨立報告，Stuxnet 是當今工業自動化網絡面臨的最全面的網絡安全威脅之一。Stuxnet 蠕蟲主要選擇國家運營所必需的服務（例如天然氣管道網絡和發電廠）的相關特定控制系統，該惡意軟件的主要目的是通過更改PLC 算法并將這些更改隱藏在SCADA 系統中來破壞生產過程，盡管在2010 年被發現，但有跡象表明，這種蠕蟲可能在一年多前就已經存在，并且在那段時間里不會被發現。Stuxnet 構成的威脅的復雜性極大地影響了工業系統網絡安全，盡管該蠕蟲主要針對基于西門子控制器的網絡，但不難想象其修改后可感染第三方控制器或其他工業自動化設備。

（2）工業（Industroyer）

Industroyer 框架被認為是2016 年襲擊烏克蘭發電廠所使用的主要工具，這次襲擊導致大約100 萬人被剝奪了6 個小時的電力。Industroyer 是第一個已知的專門用于攻擊發電廠網絡的軟件。

（3）哈維克斯（Havex）

Havex 是一種特洛伊木馬型惡意軟件，其主要目的是竊取有關生產過程的信息，并將其傳輸到充當攻擊者遠程訪問點的服務器，在2013 年反間諜軟件活動中被發現，其影響范圍可能包括數以千計的工業基礎設施，特別是在歐洲和美國。安裝后，Havex 會掃描工業網絡以查找所有監控和數據收集（SCADA）設備，然后使用OPC 標準（OLE for process control）向命令服務器發送數據，例如程序標識符、OPC 標準版本、有關供應商信息、運行狀態以及帶寬和SCADA服務器的名稱。Havex 是一種收集相關生產過程狀態及其技術細節的情報工具，僅用于間諜活動，但其獲得的數據可能會引發對特定目標或整個行業的潛在攻擊。

3.4 預防措施

3.4.1 工業網絡架構的改進

改進網絡架構可以降低黑客攻擊風險。網絡拓撲的弱點、工業元素與全球網絡未完全分離、機器連接數量增加等問題都需解決，因此云分布式SCADA 系統使用越來越廣泛，但需注意數據傳輸協議的保護以及網絡拓撲和設備的安全性。

3.4.2 數據完整性檢查

保護工業網絡數據完整性可采用傳輸數據完整性檢查、多階段操作確認和自動創建數據副本等方法。這些方法可降低黑客攻擊風險，但需注意適用場景和操作難度。

3.4.3 監控數據傳輸授權

監控數據傳輸缺少唯一密鑰，授權是保護工業網絡的重要手段。引入授權系統和級聯數據驗證系統可以限制未經授權的數據更改；創建中央授權服務器加密通信數據，以防止修改；級聯數據驗證系統可防止不必要的修改；阻止不必要的連接。審計日志是提供安全性分析的起點。

3.4.4 減少人為因素

本文討論的多數黑客惡意攻擊成功的例子都是由于人為錯誤操作而產生的。最常見的攻擊方式之一是在電子郵件中打開受感染的附件或使用偽造的證書從網站下載文件。盡管人們對網絡安全的認識在逐年增長，但人為因素仍然是風險的主要來源，即使是配置最好的防火墻，也無法為那些不了解網絡資源相關衛生規則的用戶提供足夠的保護。許多公司都有從內部工業網絡設備訪問全球網絡的相關特殊策略，但大多數情況下，歸結為被阻止的站點、端口或服務池。因此，提高員工對網絡安全的認識仍然是最重要、最緊急行動之一。

增強員工意識的最有效方法之一是組織定期培訓。對于工業網絡的新用戶和不熟悉的用戶來說，這是了解工廠規則和學習網絡衛生基本規則的最重要的方法之一。根據已完成的訓練和控制測試，可以為給定用戶定義權限。

3.4.5 軟件的控制和更新

由于設備制造商和防病毒應用程序供應商的安全意識不斷提高，軟件有效性控制問題變得尤為重要。自從檢測到Stuxnet 蠕蟲以來，針對工業設備的防病毒應用程序中的惡意軟件數據庫一直在穩步更新增長。賽門鐵克或卡巴斯基Lab 等已經建立了專門部門，以識別和消除與工業網絡安全相關的潛在威脅。此外，控制器編程工具后續版本的更新引入了旨在降低風險的新解決方案。Flame 或Duqu 等蠕蟲的實例也證明，工業網絡中的計算機保持操作系統的最新狀態同樣重要，因為惡意軟件會使用偽造的Windows證書或特殊的系統工具包。操作系統的后續更新消除了可能被利用的漏洞，因此擁有最新的惡意軟件數據庫以正確快速地檢測威脅非常重要。然而，在廣泛的工業網絡環境下，這對于網絡安全人員來說是一個巨大的挑戰。

檢查最新軟件的方法可通過創建允許檢查應用程序版本的自動腳本來簡化和自動化此過程。腳本以及定期執行命令應在內部工業網絡中的每臺計算機上實現，獲取的信息應發送給網絡管理員，以執行所需的更新。自動收集已安裝軟件相關版本信息的過程可以確定哪些應用程序需要更新，但軟件更新應由具有適當權限的人員執行，此過程執行不當（例如使用受感染的軟件），可能會導致網絡感染，如Havex 病毒的傳播。

4 結語

本文詳細探討了提高PLC 系統性能和可靠性的多種策略，包括程序優化、硬件升級、網絡通訊優化、用戶界面改進以及OT 系統中的風險源識別與防范措施。這些策略相互補充，共同構成了一個全面的優化方案。

雖然PLC 系統在許多工業應用中具有實時性，但在工業4.0 的視角下需要更高響應速度和精確性應用。目前的PLC 系統可能無法滿足要求，但采用以上優化策略，不僅能提高PLC 系統的效率和可靠性，還能為企業帶來更長遠的經濟效益。優化后的系統能夠更好地適應復雜和多變的工業環境，同時降低故障率和維護成本。長期來看，這將有助于推動整個工業自動化領域的發展。