Това е втората статия по темата за използването на резонанси за унищожаване на физически обекти.
Първата статия "Руският отпечатък на вируса Stuxnet" беше уводна и беше предназначена за широка непрофесионална аудитория.
Време е да се запознаете подробно с този метод и първо, изгледайте видеото с визуален пример за резонанс, след това мисля, че темата на статията ще стане по -ясна, защото е по -добре да видите веднъж, отколкото да прочетете сто пъти…
Ето видео:
Ето още едно:
Така че, моля, третирайте резонанса с уважение.
Толкова известен, непознат за Stuxnet
Световноизвестният вирус Stuxnet досега се е превърнал в един вид ужасна история, всички знаят за него, но никой не разбира напълно как е успял тайно да унищожи центрофугите за обогатяване на уран в продължение на две години. Това дори не е саботаж, а по -сложен метод за саботаж - саботаж.
Помислете само в продължение на две години, стотици центрофуги непрекъснато се разпадат, всички производствени графици се нарушават, специалистите се наричат „на уши“и не могат да направят нищо, докато не дойде съобщение от Беларус за откриването на вирус, бойно натоварване на което бяха модулите за актуализиране на вътрешния софтуер за индустриална автоматизация от Siemens.
Впоследствие този вирус получи името Stuxnet. Разбрахме използвания метод на заразяване, с методите за неговото проникване до нивото на ядрото, и метода за разбиване на защитата с парола на контролерите Simatic S7 в локалната мрежа. Разбрахме нещо от това, което прави актуализираният от вирусите фърмуер на контролера на групата центрофуги.
Но никой все още не е обяснил физическия метод за деактивиране на оборудването в този акт на саботаж. Затова ние самите ще се опитаме да разгадаем тази най -важна загадка.
Какво знаем
Ето този контролер Simatic S7, сглобен с периферни модули:
Самият микропроцесорен блок е кутия със син ключ, всичко останало е периферно. Софтуерът на микроконтролера (използва се специален език за интерпретатор STEP 7) се намира във вътрешната флаш памет. Актуализирането на софтуера и фърмуера на самия контролер става чрез мрежата, или физически, чрез сменяемо флаш устройство. Такива контролери бяха групови контролни устройства за 31 газови центрофуги наведнъж.
Но те директно разбиха центрофугите чрез други устройства, - честотен преобразувател за работа на електродвигател, приблизително както следва:
Ето как изглеждат честотните преобразуватели (преобразуватели) за асинхронни електродвигатели с различна мощност. Името предполага функционалната цел на това устройство, то преобразува напрежението на стандартна мрежа (три фази 360V) в трифазно напрежение с различна честота и различен рейтинг. Преобразуването на напрежение се контролира от сигнали от мрежата или се задава ръчно от контролния панел.
Един контролер Simatic S7 незабавно управлява група (31 устройства) от честотни преобразуватели, съответно, това е групов контролен блок за 31 центрофуги.
Както специалистите установиха, семантиката на софтуера за групов контрол на контрола е силно променена от вируса Stuxnet и те считат издаването на команди за групово управление към честотни преобразуватели от модифицирания софтуер на контролера Simatic S7 като пряка причина за аварии на центрофугата.
Софтуерът на контролното устройство, модифициран от вируса, промени работната честота на всеки честотен преобразувател за 15 минути веднъж през петчасовия интервал и съответно скоростта на въртене на свързания към него електродвигател на центрофугата.
Ето как е описано в проучване на Semantic:
По този начин скоростта на двигателя се променя от 1410Hz на 2Hz на 1064Hz и след това отново. Припомнете си, че нормалната работна честота по това време се очаква да бъде между 807 Hz и 1210 Hz.
Така скоростта на двигателя се променя от 1410Hz на 2Hz стъпки на 1064Hz и след това се връща назад. Като напомняне, нормалната работна честота по това време се поддържаше между 807 Hz и 1210 Hz.
И семантичното заключава въз основа на това:
По този начин Stuxnet саботира системата, като забавя или ускорява двигателя до различни темпове в различно време
(По този начин Stuxnet саботира системата, като забавя или ускорява двигателя до различни скорости в различно време.)
За съвременните програмисти, които познават физика и електротехника само в обема на средното училище, това вероятно е достатъчно, но за по -компетентните специалисти подобно обяснение не е последователно. Промяната в скоростта на въртене на ротора на центрофугата в рамките на разрешения диапазон и краткосрочното превишаване на работната честота с 200 Hz (около 15%) от номиналната стойност сама по себе си не може да доведе до масивни повреди на оборудването.
Някои технически подробности
Ето как изглежда каскада от газови центрофуги за производството на обогатен уран:
Има десетки такива каскади във фабриките за обогатяване на уран, общият брой центрофуги надвишава 20-30 хиляди …
Самата центрофуга е доста просто устройство в дизайна, ето схематичен чертеж:
Но тази конструктивна простота е измамна, факт е, че роторът на такава центрофуга, дълга около два метра, се върти със скорост от около 50 000 оборота в минута. Балансирането на ротор със сложна пространствена конфигурация, дължина почти два метра, е много трудна задача.
Освен това са необходими специални методи за окачване на ротора в лагери; за това се използват специални гъвкави иглени лагери, допълнени със сложно самонастройващо се магнитно окачване.
За надеждността на газовите центрофуги основният проблем е резонансът на механичната структура, който е свързан с определени скорости на въртене на ротора. Газовите центрофуги дори са категоризирани на тази основа. Центрофуга, работеща със скорост на ротора над резонансната, се нарича свръхкритична, отдолу - подкритична.
Не мислете, че скоростта на ротора е честотата на механичния резонанс. Нищо подобно, механичен резонанс не е свързан със скоростта на въртене на ротора на центрофугата чрез много сложни взаимоотношения. Резонансната честота и скоростта на ротора могат да се различават по ред.
Например, типична резонансна зона на центрофуга е честота в диапазона 10Hz-100Hz, докато скоростта на ротора е 40-50 хиляди оборота в минута. В допълнение, резонансната честота не е фиксиран параметър, а плаващ, зависи от текущия режим на работа на центрофугата (състав, плътност на температурата на газа на първо място) и люфт в конструкцията на окачването на ротора.
Основната задача на разработчика на оборудване е да попречи на центрофугата да работи в режими на повишени вибрации (резонанси); за тази цел автоматичните аварийни блокиращи системи за ниво на вибрации (тензометри), работа при скорости на ротора, причиняващи резонанс на механичната структура (тахометри), увеличени токови натоварвания на двигателя (токова защита).
Аварийните системи никога не се комбинират с оборудване, отговорно за нормалната работа на инсталацията, те са отделни, обикновено много прости електромеханични системи за спиране на работа (просто аварийни превключватели). Така че не можете да ги деактивирате и преконфигурирате програмно.
Колегите от САЩ и Израел трябваше да решат напълно нетривиална задача, - унищожете центрофугата, без да задействате автоматиката за безопасност.
А сега за неизвестното как е направено
С лека ръка на преводачите от научния център „NAUTSILUS“, които преведоха изследванията на специалистите от Symantik на руски, много специалисти, които не прочетоха доклада Symantik в оригинала, бяха на мнение, че инцидентът е причинен от работното напрежение честота е намалена до 2Hz до електродвигателя на центрофугата.
Това не е така, правилният превод е даден в началото на текста на статията.
И по принцип е невъзможно да се намали честотата на захранващото напрежение на високоскоростен асинхронен двигател до 2Hz. Дори краткосрочното захранване на такова нискочестотно напрежение към намотките ще причини късо съединение в намотките и ще задейства токова защита.
Всичко беше направено много по -умно.
Описаният по -долу метод за възбуждане на резонанс в електромеханичните системи може да претендира за нов и аз се считам за негов автор, но най -вероятно вече е използван от авторите на вируса Stuxnet, така че, уви, остава само да се плагиатства…
И въпреки това обяснявам с пръсти, като в същото време провеждам образователна програма по основите на физиката. Представете си голям товар, да речем тон, висящ на кабел, да речем с дължина 10 метра. Получихме най -простото махало със собствена резонансна честота.
Да предположим допълнително, че искате да го замахнете с малкия си пръст, прилагайки усилие от 1 кг. Един опит няма да даде видим резултат.
Това означава, че трябва да го натискате многократно, като прилагате усилие от 1 кг върху него, да речем 1000 пъти, тогава можем да приемем, че такова многократно усилие ще бъде еквивалентно общо на еднократно прилагане на усилие на тон, това е доста достатъчно, за да се люлее такова махало.
И така, ние променяме тактиката и започваме многократно да натискаме окачения товар с малкия си пръст, като всеки път прилагаме усилие от 1 кг. Няма да успеем отново, защото не познаваме физика …
И ако знаеха, тогава първо щяха да изчислят периода на трептене на махалото (теглото е абсолютно маловажно, окачването е 10 метра, силата на тежестта е 1 g) и започнаха да бутат товара с този период с малкия пръст. Формулата е добре известна:
След 10-20 минути това махало с тегло един тон би се залюляло, така че „мама да не плаче“.
Освен това не е необходимо да притискате с малкия пръст всяко качество на махалото; това може да се направи веднъж или два пъти и дори след сто колебания на махалото. Просто времето за натрупване ще се увеличи пропорционално, но ефектът на натрупване ще бъде напълно запазен.
И все пак ще изненадам хората, които познават физика и математика в обема на средното училище (нивото на познания на типичен съвременен програмист), периодът на трептене на такова махало не зависи от амплитудата на трептене, завъртете го с милиметър или на метър от точката на покой, периодът на трептене и съответно честотата на трептене на махалото ще бъдат постоянни.
Всяка пространствена структура няма дори една, а няколко резонансни честоти; всъщност в нея има няколко такива махала. Газовите центрофуги, поради техническите си характеристики, имат така наречената основна резонансна честота с висококачествен фактор (те ефективно акумулират вибрационна енергия).
Остава само да завъртите газовата центрофуга с пръст на резонансната честота. Това е шега, разбира се, ако има електрически двигател със система за автоматично управление, тогава същото може да се направи много по -неусетно.
За да направите това, трябва да увеличите / намалите скоростта на електродвигателя в ритници (както направи вируса, при 2 Hz) и да издадете тези ритания с резонансната честота на механичната структура на центрофугата.
С други думи, необходимо е да се захранва двигателя с честотата на механичен резонанс с помощта на честотен преобразувател на напрежение с променлива честота. Моментът на сила, който възниква в двигателя, когато честотата на захранващото напрежение се променя, ще се предава на корпуса с честотата на механичен резонанс и постепенно резонансните трептения ще достигнат ниво, при което инсталацията ще започне да се срутва
Колебанията на честотата в близост до определена средна стойност се наричат "удари", това е стандартен ефект на всеки честотен преобразувател, честотата, както се казва, "ходи" в определени граници, обикновено не повече от десети от процента от номиналната. Диверсантите, маскирани като тези естествени честоти, собствени, изкуствено въведени, модулират честотата на електродвигателя и я синхронизират с честотата на механичния резонанс на пространствената структура на центрофугата.
Няма да навлизам повече в темата, в противен случай ще бъда обвинен, че пиша стъпка по стъпка инструкции за диверсанти. Затова извън дискусията ще оставя въпроса за намиране на резонансната честота за определена центрофуга (тя е индивидуална за всяка центрофуга). По същата причина няма да описвам метода на "фина" настройка, когато е необходимо да се балансира на ръба на задействане на аварийната защита срещу вибрации.
Тези задачи се решават чрез наличните в софтуера сензори за изходно напрежение, инсталирани в честотни преобразуватели. Повярвайте ми на думата - това е доста осъществимо, това са просто алгоритмите.
Отново за аварията на ВЕЦ Саяно-Шушенская
В предишната статия беше предположено, че аварията в водноелектрическата централа е причинена по същия начин (по резонансния метод), както в завода за обогатяване на уран в Иран, използвайки специален софтуер.
Това не означава, разбира се, че един и същ вирус Stuxnet е действал тук и там, разбира се, че не. Работи същият физически принцип на унищожаване на обект - изкуствено предизвикан резонанс на механична структура.
Наличието на резонанс се показва от наличието на отвинтени гайки за закрепване на капака на турбината и показанията на единствения сензор за аксиални вибрации, който е работил по време на аварията.
Като се има предвид съвпадението на времето и причините за аварията с ВЕЦ с факта на саботаж в иранския завод за обогатяване на уран, системата за непрекъснато управление на вибрациите се изключи по време на аварията, работата на блока под контрола на автоматична система за управление на турбинния агрегат, може да се предположи, че резонансът не е случайно явление, а създадено от човека.
Ако това предположение е вярно, тогава, за разлика от ситуацията с газови центрофуги, задачата за унищожаване на турбината изискваше ръчна намеса. Наличното оборудване във ВЕЦ не позволява на софтуера за саботаж автоматично да открива индивидуалната резонансна честота и след това да поддържа вибрациите в авариен режим, без да задейства аварийните сензори.
В ВЕЦ работата на софтуера за саботаж изискваше използването на „човешкия фактор“. Някой по някакъв начин трябваше да изключи сървъра за управление на вибрациите и преди това да предаде на разработчиците на софтуера за саботаж параметрите на резонансите на конкретен турбинен агрегат, които бяха премахнати от него шест месеца преди аварията по време на планиран ремонт.
Останалото беше въпрос на техника.
Няма нужда да мислите, че резонансът е възникнал в самото тяло на ротора на турбината, разбира се, че не. Беше причинен резонансът на водния слой, наситен с еластични кавитационни кухини, разположени между ротора на турбината и направляващите лопатки.
По опростен начин човек може да си представи подобна аналогия, в долната част има пружина, направена от кавитационни кухини между ротора на турбината и лопатките на направляващите лопатки, а този извор се поддържа от стълб вода висок сто метра. Оказва се идеална осцилаторна верига. Завъртането на такава система с махало е съвсем реална задача.
Това се дължи на този резонанс ВСИЧКО лопатките на направляващите лопатки бяха счупени и не механично от удари, а счупени от динамично натоварване. Ето снимка на тези счупени остриета, няма следи от механични удари по повърхностите им:
Счупените лопатки на направляващите лопатки блокираха дренажния отвор на турбината и именно поради това непредвидено обстоятелство аварията започна да се превръща в катастрофа.
Роторът на турбината приличаше на витло на супертанкер и започна да се върти в „затворена кутия с вода“с маса от хиляда и половина тона и скорост на въртене 150 оборота в минута. В работната зона на турбината е създадено такова свръхналягане на вода, че капакът е откъснат, а самата турбина, според очевидци, заедно с ротора на генератора (колос от 1500 тона) излита до тавана на турбинната зала.
Това, което по -нататък беше известно на всички.
