To je drugi članek na temo uporabe resonanc za uničevanje fizičnih predmetov.
Prvi članek "Ruski odtis virusa Stuxnet" je bil uvoden in je bil namenjen širokemu laičnemu občinstvu.
Čas je, da se podrobneje seznanite s to metodo in najprej si oglejte videoposnetek z vizualnim primerom resonance, potem pa mislim, da bo tema članka jasnejša, saj je bolje videti enkrat kot prebrati stokrat…
Tukaj je video:
Tukaj je še eno:
Zato prosim, da resonanco obravnavate spoštljivo.
Tako znan, Stuxnetu neznan
Svetovno znani virus Stuxnet se je do zdaj spremenil v nekakšno grozljivo zgodbo, zanj vsi vedo, vendar nihče ne razume popolnoma, kako mu je dve leti na skrivaj uspelo uničiti centrifuge za obogatitev urana. To niti ni sabotaža, ampak bolj izpopolnjena metoda sabotaže - sabotaža.
Samo pomislite, da se v dveh letih na stotine centrifug nenehno pokvari, motijo se vsi razporedi proizvodnje, strokovnjaki se pokličejo "na ušesa" in ne morejo storiti ničesar, dokler iz Belorusije ne pride sporočilo o odkritju virusa, bojna obremenitev so bili moduli za posodobitev notranje programske opreme za industrijsko avtomatizacijo podjetja Siemens.
Nato se je ta virus imenoval Stuxnet. Ugotovili smo uporabljeno metodo okužbe z načini njenega prodora na raven jedra in način razbijanja zaščite z geslom krmilnikov Simatic S7 v lokalnem omrežju. Nekaj smo razumeli iz tega, kaj počne vdelana programska oprema krmilnika skupine centrifug, posodobljena z virusi.
Nihče pa še ni pojasnil fizične metode onemogočanja opreme v tem sabotažnem dejanju. Zato bomo sami poskušali razbrati to najpomembnejšo uganko.
Kaj vemo
Tukaj je ta krmilnik Simatic S7, sestavljen s perifernimi moduli:
Sama mikroprocesorska enota je škatla z modrim ključem, vse ostalo so zunanje naprave. Programska oprema mikrokrmilnika (uporablja se poseben jezik tolmača STEP 7) se nahaja v notranjem pomnilniku flash. Posodabljanje programske in strojne programske opreme samega krmilnika poteka prek omrežja ali fizično prek odstranljivega bliskovnega pogona. Takšni krmilniki so bili skupinske krmilne naprave za 31 plinskih centrifug hkrati.
Toda neposredno so prekinili centrifuge prek drugih naprav, - frekvenčnega pretvornika za delovanje elektromotorja, približno na naslednji način:
Tako izgledajo frekvenčni pretvorniki (pretvorniki) za asinhrone elektromotorje različnih moči. Ime implicira funkcionalni namen te naprave, pretvarja napetost standardnega omrežja (tri faze 360V) v trifazno napetost različne frekvence in drugačne ocene. Pretvorbo napetosti nadzirajo signali iz omrežja ali pa jih ročno nastavite z nadzorne plošče.
En krmilnik Simatic S7 je takoj upravljal skupino (31 naprav) frekvenčnih pretvornikov, to je bila skupinska krmilna enota za 31 centrifug.
Kot so ugotovili strokovnjaki, je virus Stuxnet močno spremenil semantiko programske opreme krmilnika za krmiljenje skupine, zato so menili, da je izdaja skupinskih ukazov za upravljanje frekvenčnim pretvornikom s strani spremenjene programske opreme krmilnika Simatic S7 neposreden vzrok za okvare centrifuge..
Programska oprema krmilne naprave, ki jo je spremenil virus, je v pet urnem intervalu enkrat za 15 minut enkrat spremenila delovno frekvenco vsakega frekvenčnega pretvornika in s tem tudi hitrost vrtenja nanj priključenega elektromotorja centrifuge.
Tako je opisano v študiji Semantic:
Tako se hitrost motorja spremeni s 1410Hz na 2Hz na 1064Hz in nato znova. Spomnimo se, da naj bi bila normalna delovna frekvenca v tem času med 807 Hz in 1210 Hz.
Tako se hitrost motorja spremeni s 1410Hz v korakih po 2Hz na 1064Hz in se nato obrne nazaj. Naj vas spomnim, da je bila normalna delovna frekvenca v tem času med 807 Hz in 1210 Hz.
Na podlagi tega semantika sklene:
Tako Stuxnet sabotira sistem tako, da v različnih časih upočasni ali pospeši motor na različne stopnje
(Tako Stuxnet sabotira sistem z upočasnitvijo ali pospeševanjem motorja na različne hitrosti v različnih časih.)
Za sodobne programerje, ki fiziko in elektrotehniko poznajo le v obsegu srednje šole, je to verjetno dovolj, vendar za bolj usposobljene strokovnjake takšna razlaga ni dosledna. Sprememba hitrosti vrtenja rotorja centrifuge v dovoljenem območju in kratkoročni presežek delovne frekvence za 200 Hz (približno 15%) od nominalne vrednosti sama po sebi ne moreta povzročiti velikih okvar opreme.
Nekaj tehničnih podrobnosti
Tako izgleda kaskada plinskih centrifug za proizvodnjo obogatenega urana:
V tovarnah za obogatitev urana je na desetine takšnih kaskad, skupno število centrifug presega 20-30 tisoč …
Sama centrifuga je precej preprosta zasnova, tukaj je shematična risba:
Toda ta konstruktivna preprostost vara, dejstvo je, da se rotor takšne centrifuge, dolge približno dva metra, vrti s hitrostjo okoli 50.000 vrtljajev na minuto. Uravnoteženje rotorja s kompleksno prostorsko konfiguracijo, dolge skoraj dva metra, je zelo težka naloga.
Poleg tega so potrebne posebne metode vzmetenja rotorja v ležajih; za to se uporabljajo posebni fleksibilni igelni ležaji, skupaj s kompleksnim samonastavljivim magnetnim vzmetenjem.
Za zanesljivost plinskih centrifug je glavni problem resonanca mehanske strukture, ki je povezana z določenimi hitrostmi vrtenja rotorja. Plinske centrifuge so na tej podlagi celo kategorizirane. Centrifuga, ki deluje s hitrostjo rotorja nad resonančno, se imenuje nadkritična, spodaj - podkritična.
Ne mislite, da je hitrost rotorja frekvenca mehanske resonance. Nič takega, mehanska resonanca ni povezana s hitrostjo vrtenja rotorja centrifuge skozi zelo zapletena razmerja. Resonančna frekvenca in hitrost rotorja se lahko razlikujeta za red velikosti.
Na primer, tipično resonančno območje centrifuge je frekvenca v območju 10Hz-100Hz, medtem ko je hitrost rotorja 40-50 tisoč vrt / min. Poleg tega resonančna frekvenca ni stalen parameter, ampak lebdeča, odvisna je od trenutnega načina delovanja centrifuge (sestava, gostota temperature plina na prvem mestu) in zračnosti v viseči konstrukciji rotorja.
Glavna naloga razvijalca opreme je preprečiti delovanje centrifuge v načinih povečanih vibracij (resonance); v ta namen avtomatski sistemi za blokiranje v sili za raven vibracij (merilniki napetosti) delujejo pri hitrostih rotorja, ki povzročajo resonanco mehanske strukture (tahometri), povečane trenutne obremenitve motorja (trenutna zaščita).
Sistemi v sili se nikoli ne kombinirajo z opremo, ki je odgovorna za normalno delovanje naprave, so ločeni, običajno zelo preprosti elektromehanski sistemi za ustavitev dela (preprosto stikala v sili). Zato jih ne morete programsko onemogočiti in znova konfigurirati.
Kolegi iz ZDA in Izraela so morali rešiti popolnoma ne trivialno nalogo, - uniči centrifugo, ne da bi sprožil varnostno avtomatiko.
In zdaj o neznanem, kako je bilo to storjeno
Z lahkotno roko prevajalcev znanstvenega centra "NAUTSILUS", ki so raziskave strokovnjakov Symantika prevedli v ruski jezik, je veliko strokovnjakov, ki poročila Symantika niso prebrali v izvirniku, menilo, da je nesrečo povzročila delovna napetost frekvenca znižana na 2 Hz do elektromotorja centrifuge.
To ne drži, pravilen prevod je podan na začetku besedila članka.
In načeloma je nemogoče zmanjšati frekvenco napajalne napetosti hitrega indukcijskega motorja na 2Hz. Tudi kratkotrajna dobava tako nizkofrekvenčne napetosti navitjem bo povzročila kratek stik v navitjih in sprožila tokovno zaščito.
Vse je bilo narejeno veliko pametneje.
Spodaj opisana metoda vzbujanja resonance v elektromehanskih sistemih bi lahko trdila, da je nova in veljam za njenega avtorja, vendar so jo avtorji virusa Stuxnet najverjetneje že uporabljali, zato, žal, ostaja le plagiat…
In kljub temu razlagam na prste, hkrati izvajam izobraževalni program o osnovah fizike. Predstavljajte si velik tovor, recimo tono, ki visi na kablu, recimo dolžini 10 metrov. Dobili smo najpreprostejše nihalo z lastno resonančno frekvenco.
Predpostavimo še, da ga želite zamahniti z malim prstom in vložiti 1 kg napora. En sam poskus ne bo dal vidnega rezultata.
To pomeni, da ga morate večkrat potisniti, pri tem uporabiti 1 kg napora, recimo 1000 -krat, potem lahko domnevamo, da bo takšen večkratni napor skupaj enakovreden enemu samemu naporu na tono, kar je precej dovolj, da zamahnete s takšnim nihalom.
Tako spremenimo taktiko in začnemo večkrat potiskati viseči tovor z malim prstom in vsakič vložiti 1 kg napora. Ne bo nam več uspelo, ker ne poznamo fizike …
In če bi vedeli, bi najprej izračunali obdobje nihanja nihala (teža je popolnoma nepomembna, vzmetenje je 10 metrov, sila teže 1 g) in s tem prstom začeli potiskati tovor s tem prstom. Formula je dobro znana:
V 10-20 minutah bi se to nihalo, ki tehta tono, zanihalo, da "mama ne joče".
Poleg tega ni treba z majhnim prstom pritisniti na vsako kakovost nihala; to je mogoče storiti enkrat ali dvakrat in celo po sto nihanjih nihala. Samo čas kopičenja se bo sorazmerno povečal, vendar se bo učinek kopičenja v celoti ohranil.
In vendar bom presenetil ljudi, ki poznajo fiziko in matematiko v obsegu srednje šole (raven znanja tipičnega sodobnega programerja), obdobje nihanja takšnega nihala ni odvisno od amplitude nihanja, zanihajte ga za milimeter ali meter od točke počitka bo obdobje nihanja in s tem tudi frekvenca nihanja nihala konstantna.
Vsaka prostorska struktura nima niti ene, ampak več resonančnih frekvenc; pravzaprav je v njej več takih nihal. Plinske centrifuge imajo zaradi svojih tehničnih lastnosti tako imenovano glavno resonančno frekvenco visokega faktorja kakovosti (učinkovito kopičijo energijo vibracij).
Ostaja le, da s prstom zavrtite plinsko centrifugo na resonančni frekvenci. Seveda je šala, če obstaja elektromotor s sistemom za samodejno krmiljenje, potem je enako mogoče storiti veliko bolj neopazno.
Če želite to narediti, morate povečati / zmanjšati hitrost elektromotorja v sunkih (kot je to storil virus pri 2 Hz) in tem sunkom izdati resonančno frekvenco mehanske strukture centrifuge.
Z drugimi besedami, potrebno je motorju dovajati frekvenco mehanske resonance z uporabo frekvenčnega pretvornika napetosti s spremenljivo frekvenco. Trenutek sile, ki se pojavi v motorju, ko se frekvenca spremembe napajalne napetosti prenese na ohišje s frekvenco mehanske resonance, postopoma pa bodo resonančna nihanja dosegla raven, na kateri se bo naprava začela zrušiti
Frekvenčna nihanja blizu določene povprečne vrednosti se imenujejo "utripi", to je standardni učinek katerega koli frekvenčnega pretvornika, frekvenca, kot pravijo, "hodi" v določenih mejah, običajno največ desetine odstotka nominalnega. Saboterji so bili preoblečeni v te naravne frekvenčne utripe, svoje, umetno uvedene, modulacijo frekvence elektromotorja in jo sinhronizirali s frekvenco mehanske resonance prostorske strukture centrifuge.
Ne bom se več spuščal v temo, sicer me bodo obtožili pisanja navodil po korakih za saboterje. Zato bom izven razprave pustil vprašanje iskanja resonančne frekvence za določeno centrifugo (za vsako centrifugo je individualno). Iz istega razloga ne bom opisal metode "fine" nastavitve, ko je treba uravnotežiti na robu sprožitve zasilne zaščite pred vibracijami.
Te naloge se rešujejo s programsko opremo, ki je na voljo senzorji toka izhodne napetosti, nameščeni v frekvenčnih pretvornikih. Verjemite mi na besedo - to je povsem izvedljivo, samo algoritmi so.
Spet o nesreči pri HE Sayano-Shushenskaya
V prejšnjem članku je bila postavljena hipoteza, da je bila nesreča v hidroelektrarni povzročena na enak način (z resonančno metodo) kot v obratu za obogatitev urana v Iranu z uporabo posebne programske opreme.
To seveda ne pomeni, da je tu in tam deloval isti virus Stuxnet, seveda ne. Deloval je isti fizikalni princip uničenja predmetov - umetno povzročena resonanca mehanske strukture.
Prisotnost resonance kaže prisotnost odvijenih matic za pritrditev pokrova turbine in odčitki edinega senzorja osnih vibracij, ki je deloval v času nesreče.
Upoštevajoč čas in vzroke nesreče HE z dejstvom, da je v iranski tovarni za obogatitev urana sistem neprekinjenega nadzora vibracij izklopljen, delovanje enote pod nadzorom avtomatskega krmilnega sistema turbinske enote, lahko domnevamo, da resonanca ni bila naključen pojav, ampak umetni.
Če je ta predpostavka pravilna, je za razliko od situacije s plinskimi centrifugami naloga uničenja turbinske enote zahtevala ročno posredovanje. Oprema, ki je na voljo v HE, programski opremi za sabotaže ni omogočila samodejnega zaznavanja posamezne resonančne frekvence in nato zadrževanje vibracij v načinu delovanja v sili, ne da bi sprožila senzorje v sili.
Na hidroelektrarni je delo za programsko opremo za sabotaže zahtevalo uporabo "človeškega faktorja". Nekdo je moral nekako izklopiti strežnik za nadzor vibracij, pred tem pa je razvijalcem programske opreme za sabotažo prenesel parametre resonanc določene turbinske enote, ki so bili od nje odstranjeni šest mesecev pred nesrečo med načrtovanim popravilom.
Ostalo je stvar tehnike.
Ni treba misliti, da je resonanca nastala v samem telesu rotorja turbine, seveda ne. Nastala je resonanca vodne plasti, nasičene z elastičnimi kavitacijskimi votlinami, ki se nahajajo med rotorjem turbine in vodilnimi lopaticami.
Poenostavljeno si lahko predstavljamo takšno analogijo, na dnu je vzmet iz kavitacijskih votlin med rotorjem turbine in lopaticami vodilnih kril, ta izvir pa podpira stolpec vode visok sto metrov. Izkazalo se je idealno nihajno vezje. Zamah takšnega nihalnega sistema je zelo resna naloga.
To je posledica te resonance VSE rezila vodilnih lopatic so bila zlomljena, in ne mehansko, od udarcev, ampak zlomljena zaradi dinamične obremenitve. Tukaj je fotografija teh zlomljenih rezil, na njihovih površinah ni sledi mehanskih udarcev:
Zlomljena rezila vodilnih kril so blokirala odtočno luknjo turbine in prav iz te nepredvidene okoliščine se je nesreča začela razvijati v katastrofo.
Rotor turbine je spominjal na propeler supertankerja in se začel vrteti v "zaprti pločevinki vode" z maso tisoč in pol ton in hitrostjo vrtenja 150 vrt / min. V delovnem območju turbine je nastal takšen nadtlak vode, da je bil pokrov odtrgan, sama turbina pa je po pripovedovanjih očividcev skupaj z rotorjem generatorja (kolosa 1500 ton) odletela do strop turbinske dvorane.
Kar je bilo vsem še znano.