可編程邏輯控制器（PLC）市場(chǎng)現(xiàn)狀與自主發(fā)展研究

工控系統(tǒng)安全是關(guān)系國(guó)家安全的重大戰(zhàn)略問題，隨著自主保障、信息安全問題逐漸暴露，工控系統(tǒng)的核心中樞——PLC 系統(tǒng)的自主研發(fā)與推廣應(yīng)用刻不容緩。

可編程邏輯控制器（PLC）是應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境中的數(shù)字運(yùn)算操作電子裝置，通過數(shù)字或模擬的輸入輸出來控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過程。PLC 是生產(chǎn)制造系統(tǒng)、重大基礎(chǔ)設(shè)施和軍用裝備的通用基礎(chǔ)核心控制設(shè)備，在電力、石化、制造、市政等領(lǐng)域及航天發(fā)射場(chǎng)、艦船、裝甲車輛等軍用裝備中廣泛應(yīng)用，是控制系統(tǒng)信息域與物理域的重要交叉節(jié)點(diǎn)。然而，目前國(guó)內(nèi)使用的PLC 幾乎全部來自國(guó)外廠商，核心技術(shù)嚴(yán)重受制于人，存在特殊時(shí)期禁運(yùn)和斷貨、核心芯片和操作系統(tǒng)隱埋“后門”和“惡意邏輯”等隱患，對(duì)我國(guó)產(chǎn)業(yè)安全和網(wǎng)絡(luò)安全帶來諸多風(fēng)險(xiǎn)。

PLC 系統(tǒng)概述

PLC 控制系統(tǒng)主要由控制器、邏輯組態(tài)軟件及監(jiān)控組態(tài)軟件組成，通過邏輯運(yùn)算、順序控制、狀態(tài)推演、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類機(jī)械電子裝置的控制。在典型控制系統(tǒng)架構(gòu)中，可編程控制系統(tǒng)作為控制中樞，與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的傳感器和執(zhí)行器等互聯(lián)構(gòu)成控制回路。

PLC 控制系統(tǒng)一般可劃分為監(jiān)控層、控制層、設(shè)備層三層結(jié)構(gòu)，見圖1，其中監(jiān)控層主要包含邏輯組態(tài)軟件、監(jiān)控組態(tài)軟件，控制層主要包含控制器模塊、I/O 功能模塊等PLC 硬件，設(shè)備層主要包含傳感器、執(zhí)行器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。邏輯組態(tài)軟件是運(yùn)行在上位機(jī)的集成開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)PLC 的配置、控制邏輯編譯，編譯形成可執(zhí)行文件下裝到控制器或仿真器，實(shí)現(xiàn)調(diào)試、監(jiān)控、在線診斷、在線修改變量和離線仿真等功能。監(jiān)控組態(tài)軟件是數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用開發(fā)環(huán)境，為操作人員提供了一種靈活組態(tài)方式，從而實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能，包括上層監(jiān)控畫面的組態(tài)、實(shí)時(shí)監(jiān)視、歷史數(shù)據(jù)查詢、指令操作等?？刂破髂K由模塊硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及運(yùn)行控制軟件組成，整體構(gòu)成基礎(chǔ)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)與組態(tài)軟件和現(xiàn)場(chǎng)總線的交互，運(yùn)行用戶程序，完成現(xiàn)場(chǎng)控制功能。數(shù)字量和模擬量輸入輸出模塊針對(duì)不同的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換需求，通過各類模塊自由搭配，可適應(yīng)不同控制需求。

圖1 PLC 控制系統(tǒng)組成

PLC 市場(chǎng)現(xiàn)狀及面臨的問題

目前，世界上有PLC 企業(yè)200 多家，PLC 產(chǎn)品按地域可分成三個(gè)流派——美國(guó)、歐洲、日本。美國(guó)是PLC 生產(chǎn)大國(guó)，有100 多家PLC 企業(yè)，其中著名的有Rockwell、GE、Emerson 等；歐洲的主要知名廠商有德國(guó)Siemens、法國(guó)Schneider、瑞士ABB；日本的小型PLC 具有較高的性價(jià)比，占有較高的市場(chǎng)份額主要有三菱、歐姆龍、富士機(jī)電、恩基士等。除此之外，還有韓國(guó)的LS，中國(guó)臺(tái)灣的臺(tái)達(dá)、永宏等企業(yè)也生產(chǎn)PLC 產(chǎn)品。

隨著兩化深度融合、中國(guó)制造2025 及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)每年P(guān)LC 需求量不斷攀升，2017 年P(guān)LC 市場(chǎng)規(guī)模超過100 億元，同比增長(zhǎng)24.5%，然后，95% 的PLC 市場(chǎng)被國(guó)外品牌所占領(lǐng)，其中Siemens、三菱、歐姆龍分別以41.8%、10.4% 和10.1% 的市場(chǎng)份額排名前三位，見圖2。特別是一些大型控制系統(tǒng)，幾乎全部選用進(jìn)口PLC 產(chǎn)品，如我國(guó)的某些核電系統(tǒng)采用美國(guó)Rockwell 的PLC 產(chǎn)品，三峽啟閉機(jī)采用德國(guó)Siemens 的PLC 產(chǎn)品，某些航天發(fā)射系統(tǒng)選用美國(guó)GE 的產(chǎn)品。在國(guó)家重大基礎(chǔ)設(shè)施和國(guó)防軍工系統(tǒng)中大量使用國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品，產(chǎn)品長(zhǎng)期依賴國(guó)外，無法實(shí)現(xiàn)自主保障，不但在技術(shù)方面受制于人，而且在安全方面還缺乏相應(yīng)的信息安全防護(hù)設(shè)計(jì)，面臨較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 中國(guó)PLC 市場(chǎng)主要供應(yīng)商份額

自主保障問題：現(xiàn)役控制系統(tǒng)主要選用Windows+Intel 平臺(tái)計(jì)算機(jī)和西門子PLC 產(chǎn)品搭建。1）國(guó)外對(duì)應(yīng)用于特殊環(huán)境的計(jì)算機(jī)平臺(tái)、PLC 控制器和驅(qū)動(dòng)器等產(chǎn)品實(shí)行嚴(yán)格技術(shù)管控，目前僅能購(gòu)買工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，并且在特殊時(shí)期面臨禁運(yùn)和斷貨的風(fēng)險(xiǎn)。2）由于PLC 在控制系統(tǒng)（如石油石化系統(tǒng)）中服役周期普遍較長(zhǎng)，在較長(zhǎng)服役期內(nèi)，控制系統(tǒng)的技術(shù)服務(wù)、例行維護(hù)和維修升級(jí)嚴(yán)重依賴國(guó)外支持，因此相應(yīng)服務(wù)會(huì)因產(chǎn)品更新?lián)Q代和技術(shù)升級(jí)等原因面臨較大風(fēng)險(xiǎn)。

信息安全問題：長(zhǎng)期以來，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)只注重功能實(shí)現(xiàn)，缺乏相應(yīng)信息安全防護(hù)設(shè)計(jì)，現(xiàn)役控制系統(tǒng)已暴露大量信息安全隱患，這些隱患問題一旦被利用，可直接造成設(shè)備停機(jī)、進(jìn)入故障模式、自動(dòng)重啟、程序崩潰、破壞數(shù)據(jù)區(qū)等嚴(yán)重危害。國(guó)外產(chǎn)品存在的“漏洞”無法及時(shí)補(bǔ)救，僅能依賴國(guó)外廠家升級(jí)或發(fā)布修補(bǔ)程序，爆出的西門子PLC 多個(gè)DoS 高危漏洞仍在等待廠家提供補(bǔ)救措施，如震驚全球的“伊核事故”就是由于西門子S7-400 型PLC 控制系統(tǒng)的漏洞受到“震網(wǎng)”病毒攻擊而引發(fā)。國(guó)外產(chǎn)品存在“后門”等風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)前國(guó)際主流的PLC 控制系統(tǒng)極易遭受全球同步流行和更新速度快的多變種病毒入侵。

解決方案

2016 年4 月19 日，習(xí)近平在網(wǎng)絡(luò)安全和信息化工作座談會(huì)的講話中指出，如果核心元器件嚴(yán)重依賴外國(guó)，供應(yīng)鏈的“命門”掌握在別人手里，那就好比在別人的墻基上砌房子，再大再漂亮也可能經(jīng)不起風(fēng)雨，甚至?xí)豢耙粨簟?016 年10 月，習(xí)近平在十八屆中央政治局第三十六次集體學(xué)習(xí)時(shí)講話：要緊緊牽住核心技術(shù)自主創(chuàng)新這個(gè)“牛鼻子”，抓緊突破網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的前沿技術(shù)和具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵核心技術(shù)，加快推進(jìn)國(guó)產(chǎn)自主可控替代計(jì)劃，構(gòu)建安全可控的信息技術(shù)體系。2018 年4 月，習(xí)近平總書記在全國(guó)網(wǎng)絡(luò)安全和信息化工作會(huì)議上發(fā)表重要講話：沒有網(wǎng)絡(luò)安全就沒有國(guó)家安全。2017 年6 月，PLC 作為網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵設(shè)備被納入工信部等四部委聯(lián)合制定的《網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)安全專用產(chǎn)品目錄（第一批）》，從而加強(qiáng)對(duì)PLC 產(chǎn)品的安全管理。

近年來，隨著國(guó)際貿(mào)易摩擦的加劇、國(guó)家自主創(chuàng)新戰(zhàn)略的推進(jìn)及國(guó)內(nèi)PLC 市場(chǎng)規(guī)模的迅猛發(fā)展，國(guó)內(nèi)一些企業(yè)采用自主創(chuàng)新的思路，研發(fā)了安全可靠的系列PLC 產(chǎn)品，并逐步進(jìn)入該領(lǐng)域。

自主創(chuàng)新

為解決關(guān)鍵共性技術(shù)和核心部件受制于人的突出問題，同時(shí)避免芯片、程序等后門、邏輯炸彈等隱患，PLC 的自主創(chuàng)新需求首先是打破國(guó)外廠家PLC 的壟斷，其次是采用國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的芯片、嵌入式系統(tǒng)、編程組態(tài)軟件、計(jì)算機(jī)平臺(tái)等關(guān)鍵部件研制自主PLC 產(chǎn)品，從而從芯片、固件、數(shù)據(jù)庫(kù)、中間件、操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件等多個(gè)層級(jí)形成PLC控制系統(tǒng)完全自主可控的生態(tài)鏈，滿足我國(guó)重點(diǎn)領(lǐng)域核心裝備和基礎(chǔ)設(shè)施中各類控制系統(tǒng)的應(yīng)用需求，提升我國(guó)關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施控制系統(tǒng)的自主可控水平和安全保障能力。

安全可信

由于工業(yè)控制系統(tǒng)的使用環(huán)境較為封閉，因此使用中往往更注重功能的實(shí)現(xiàn)，而對(duì)安全的關(guān)注相對(duì)缺乏?？尚庞?jì)算是為信息系統(tǒng)構(gòu)建安全可信的計(jì)算環(huán)境，提升系統(tǒng)的免疫力的一種信息技術(shù)，適用于數(shù)據(jù)、操作等具有較高確定性的應(yīng)用場(chǎng)景。PLC 控制系統(tǒng)和可信計(jì)算相結(jié)合將是未來PLC 信息安全防護(hù)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。如針對(duì)PLC 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的邊界安全問題，可基于控制系統(tǒng)環(huán)境的可信狀態(tài)、連接者身份確認(rèn)并結(jié)合工控系統(tǒng)中通信方式，進(jìn)行可信判定處理，根據(jù)可信連接方法、可信狀態(tài)評(píng)估模型，可以解決工控系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)安全訪問問題。安全可信PLC 可提供更強(qiáng)的診斷與故障處理能力，具有較高的安全性。采用安全可信系統(tǒng)架構(gòu)可以確保體系結(jié)構(gòu)可信、資源配置可信、操作行為可信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可信和策略管理可信，從而達(dá)到積極主動(dòng)防御的目的。