Industrial Control Systems (ICSs) manage critical infrastructures such as water treatment facilities, petroleum refineries, and power plants. ICSs are networked through Information Technology (IT) infrastructure for remote monitoring and control of physical processes. As ICSs integrate with IT infrastructure, IT vulnerabilities are carried over to the ICS environment. Previously proposed process controller security architectures maintain safe and stable plant operation even in the presence of attacks that exploit ICS vulnerabilities. Security architectures are process control system-level solutions that leverage isolated and trusted hardware (secure enclaves) for ICS security. Upon detecting an intrusion, the secure enclave switches control of the physical process to a high assurance controller, making a fail-safe plant operation. The process control loop components have an average lifespan of several decades. During this time, electromechanical components of process control loop may undergo aging that alters their characteristics and affects control loop performance. To deal with component aging and to improve control algorithm flexibility, updates to control loop parameters are required. Plant model, process control loop system specifications, and control algorithm-based security mechanisms at the secure enclave require parameter updates. ICSs have hundreds of process control components that may need be installed in hazardous environments and distributed across hundreds of square kilometers. Updating each component physically may lead to accidents, expensive travel, and increased downtime. Some ICS have allowable downtime of only 5 minutes per year. Hence, remote updates are desirable. A proposed dedicated and isolated hardware module at the secure enclave provides authentication of the update and ensures safe storage in a non-volatile memory. A protocol designed for update transmission through an untrusted ICS network provides resilience against network integrity attacks such as replay attacks. Encryption and authentication of the updates maintain integrity and confidentiality. During the normal plant operation, the hardware module is invisible to the other modules of the process control loop. The proposed solution is implemented on Xilinx Zynq-7000 programmable System-on-Chip to provide secure enclave updates. / Master of Science

Thesis (MScEng (Mechanical and Mechatronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: This work considers the control of reconfigurable assembly systems using a welding assembly system as a case study. The assembly system consists of a pallet magazine, a feeding system, an inspection and removal system, a welding system and a conveyor. The aim of the work is to compare PC and PLC as controllers, as well as to compare two different approaches to reconfigurable control. The control system of the pallet magazine was developed using a PC and a PLC. The PC control was programmed using Visual C#, while the PLC was programmed in Ladder Logic using Siemens S-300 STEP7. The two controllers were compared based on the attributes that measure the quality of a controller's software, which include its capability, availability, usability and adaptability. The approaches to reconfigurable control considered were the agent-based methodology and the IEC 61499 distributed control methodology, both of which were applied to the feeding system. The agent-based control system was implemented using the JADE agent platform, while the IEC 61499 distributed control system was implemented using the FBDK software kit. These two methods were compared based on the characteristics of a reconfigurable system, which include the system's modularity, integrability, convertibility, diagnosability, customization and scalability. The result obtained in comparing the PC to the PLC shows that the PLC performs better in terms of capability, availability and usability, while the PC performs better in terms of adaptability. Also, the result of the comparison between the agent-based control system and the IEC 61499 distributed control system shows that the agent-based control system performs better in terms of integrability, diagnosability and scalability, while the IEC 61499 distributed control system performs better in terms of modularity and customization. They are, however, on a par in terms of convertibility. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie werk beskou die beheer van herkonfigureerbare monteringstelsels met 'n sweismonteringstelsel as gevallestudie. Die monteringstelsel bestaan uit 'n paletmagasyn, 'n voerstelsel, 'n inspeksie-en- verwyderingstelsel, 'n sweisstelsel en 'n voerband. Die mikpunt van die werk is om persoonlike rekenaars (PCs) en programmeerbare-logikabeheerders (PLCs) as beheerders te vergelyk, asook om twee verskillende benaderings tot herkonfigureerbare beheer te vergelyk. Die beheerstelsel van die paletmagasyn is ontwikkel met 'n PC en 'n PLC. Die PC-beheer is in Visual C# geprogrammeer, terwyl die PLC in leerlogika met Siemens S-300 STEP7 geprogrammeer is. Die twee beheerders is vergelyk in terme van die eienskappe wat die kwaliteit van 'n beheerder se sagteware meet en sluit in vermoë, beskikbaarheid, bruikbaarheid en aanpasbaarheid. Die benaderings tot herkonfigureerbare beheer wat oorweeg is, is die agent-gebaseerde metodologie en die IEC 61499 verspreide-beheermetodologie. Beide is op die voerstelsel toegepas. Die agent-gebaseerde beheerstelsel is geïmplementeer met behulp van die JADE agent-platform, terwyl die IEC 61499 verspreide stelsel geïmplementeer is met behulp van die FBDK sagteware-stel. Hierdie twee metodes se vergelyking is gebaseer op die eienskappe van 'n herkonfigureerbare stelsel, waarby die stelsel se modulariteit, integreerbaarheid, diagnoseerbaarheid, pasmaakbaarheid en skaleerbaarheid ingesluit is. Die resultate wat in die vergelyking tussen die PC en PLC verkry is, toon dat die PLC beter vaar in terme van vermoë, beskikbaarheid en bruikbaarheid, terwyl die PC beter vaar in terme van aanpasbaarheid. Die resultaat van die vergelyking tussen die agent-gebaseerde beheerstelsel en die IEC 61499 verspreide beheerstelsel wys dat die agent-gebaseerde beheerstelsel beter vaar in terme van integreerbaarheid, diagnoseerbaarheid en skaleerbaarheid, terwyl die IEC 61499 verspreide beheerstelsel beter vaar in terme van modulariteit en pasmaakbaarheid. Hulle is egter vergelykbaar in terme van omskepbaarheid.

Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse s'intéressent à la validation fonctionnelle de contrôleurs logiques par des techniques de test de conformité et de validation en boucle fermée. Le modèle de spécification est décrit dans le langage industriel Grafcet et le contrôleur logique est supposé être un automate programmable industriel (API) mono-tâche. Afin de contribuer à ces techniques de validation fonctionnelle, ces travaux présentent : - Une extension d'une méthode de formalisation du Grafcet par traduction sous la forme d'une machine de Mealy. Cette extension permet de produire un modèle formel de la spécification lorsque le Grafcet est implanté selon un mode d'interprétation sans recherche de stabilité, qui n'est pas préconisé dans la norme IEC 60848 mais largement utilisé dans les applications industrielles. - Une contribution au test de conformité par la définition d'un ensemble de relations de conformité basées sur l'observation de plusieurs cycles d'exécution pour chaque pas de test. - Une contribution à la validation en boucle fermée par la définition d'un critère de fin d'observation et par une technique d'identification en boite grise pour la construction et l'analyse du système en boucle fermée. / The results presented in this PhD thesis deal with functional validation of logic controllers using conformance test and closed-loop validation techniques. The specification model is written in the Grafcet language and the logic controller is assumed to be a Programmable Logic Controller (PLC). In order to contribute to these validation techniques, this thesis presents: - An axtension to a fomalization methods for Grafcet languages by translation to a Mealy machine. This extension generates a formal model of a Grafcet specification that is interpreted without search of stability. This mode of interpretation is not recommended by the standard IEC 60848 but is widely used in industrial applications. - A contribution to conformance test by a definition of a set of conformance relation based on the observation of several execution cycles for each test step. - A contribution to closed-loop validation by the definition of a termination criterion and by a new gray-box identification technique that is used for construction and analysis of the closed-loop system.

Este trabalho apresenta uma Análise sobre os Comandos Numéricos Computadorizados de Arquitetura Aberta aplicado na automação de Máquina-ferramentas e no uso da manufatura. É realizado uma classificação das Arquiteturas Abertas (em relação ao hardware, software, funcionalidade e flexibilidade) e uma comparação entre os CNC\'s convencionais e os CNC\'s de Arquitetura Aberta. / This work presents an Open Architecture CNCs analysis. An Open Architecture classification using hardware, software, functionality and flexibility are presented. A comparison table with conventional CNCs and this new class of CNCs are elaborated.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι ο έλεγχος ενός ανάστροφου εκκρεμούς φορτίου πλατφόρμας-σφαίρας (cart-ball) με χρήση ασαφούς ελέγχου ο οποίος υλοποιείται σε ηλεκτρονικό υπολογιστή στο περιβάλλον προγραμματισμού National Instruments LabVIEW 2009. Το φυσικό σύστημα αποτελείται από μία μεταλλική πλατφόρμα σταθερά προσδεδεμένη σε ένα γραμμικό άξονα της εταιρίας FESTO. Για την κίνηση του άξονα χρησιμοποιείται τριφασικός ηλεκτρικός σερβοκινητήρας, επίσης της FESTO, ο έλεγχος του οποίου γίνεται με χρήση ειδικού προγραμματιζόμενου ελεγκτή της ίδιας εταιρίας. Πάνω στην μεταλλική πλατφόρμα έχει τοποθετηθεί μία αψίδα παράλληλη στη διεύθυνση κίνησης της πλατφόρμας. Πάνω στην αψίδα έχουν δημιουργηθεί δύο οδηγοί επικαλυμμένοι με σκόνη γραφίτη σε μορφή κόλλας, η οποία τους κάνει ηλεκτρικά αγώγιμους. Ο ένας από τους οδηγούς έχει τάση 10V στα άκρα του ενώ το ένα άκρο του άλλου αγωγού είναι γειωμένο. Στόχος του αυτομάτου ελέγχου είναι να ισορροπήσει πάνω στην αψίδα μία μεταλλική σφαίρα. Η μεταλλική σφαίρα βραχυκυκλώνει τους δύο αγώγιμους οδηγούς και κατ' αυτό τον τρόπο, με την αρχή του ροοστάτη, λαμβάνεται η θέση της σφαίρας. Η μέτρηση της τιμής της θέσης της σφαίρας όπως και η θέση και η ταχύτητα της πλατφόρμας, οι οποίες λαμβάνονται από τον ελεγκτή του κινητήρα, εισάγονται στον υπολογιστή, μέσω ειδικής κάρτας Εισόδου/Εξόδου (Ε/Ε) της εταιρίας National Instruments, όπου λαμβάνονται από το LabVIEW και οδηγούνται στον ασαφή ελεγκτή που υλοποιείται στο ίδιο πρόγραμμα. Η ταχύτητα της σφαίρας λαμβάνεται επίσης υπ' όψιν στον αυτόματο έλεγχο και προκύπτει στο LabVIEW από παραγώγιση της θέσης της σφαίρας. Το ασαφές σύστημα αποτελείται από πέντε συναρτήσεις συμμετοχής για τη μεταβλητή της θέσης, τρεις συναρτήσεις συμμετοχής για τη μεταβλητή της ταχύτητας και εφτά συναρτήσεις συμμετοχής για την έξοδο του ελεγκτή που εκφράζει την επιθυμητή ταχύτητα της πλατφόρμας. Ο συμπερασμός γίνεται με χρήση 22 κανόνων. Η έξοδος του ασαφούς ελεγκτή εκφράζεται με μια τιμή από -10V έως +10V. Η έξοδος από τον ασαφή ελεγκτή οδηγείται πάλι μέσω της ειδικής κάρτας Ε/Ε στον προγραμματιζόμενο ελεγκτή του κινητήρα της FESTO ο οποίος ελέγχει κατάλληλα το ρεύμα τυλίγματος του κινητήρα ώστε να επιτευχθεί η επιθυμητή ταχύτητα. Η περίοδος του ελέγχου είναι 100 ms. Τα αποτελέσματα του ελέγχου του πιο πάνω συστήματος κρίνονται γενικά ικανοποιητικά δεδομένης της ισχυρής αστάθειας που το χαρακτηρίζει. / The subject of the thesis is the automatic control of an inverted pendulum consisting of a cart and a ball. We used fuzzy control to balance the ball on top of an arch. The controller was created in LabView 2009.

Το παρόν τεύχος αποτελεί διπλωματική εργασία που αναπτύχθηκε στο Εργαστήριο Γενικής Ηλεκτροτεχνίας του Τομέα Συστημάτων και Αυτόματου Ελέγχου. Συνίσταται στην κατασκευή και λειτουργία μιας πειραματικής διάταξης αυτοματισμού στην οποία εφαρμόζονται τεχνικές ελέγχου για την πραγματοποίηση ελεγχόμενης αεροδυναμικής αιώρησης ελαφρών σωμάτων. Περιλαμβάνει εξοπλισμό όπως αναλογικές βαλβίδες πεπιεσμένου αέρα, αισθητήρες και έναν Προγραμματιζόμενo Λογικό Ελεγκτή (PLC) που ελέγχει τη λειτουργία της διάταξης. Η πειραματική διάταξη αυτοματισμού που κατασκευάστηκε είναι ένα σύστημα αιώρησης ελαφρών σωμάτων με χρήση πεπιεσμένου αέρα. Αισθητήρες θέσης προσφέρουν την δυνατότητα γνώσης κάθε χρονική στιγμή της θέσης του σώματος. Μέσω του Προγραμματιζόμενου Λογικού Ελεγκτή επιτυγχάνουμε αιώρηση του σώματος σε αυστηρά ελεγχόμενο ύψος κάνοντας χρήση διαφόρων μεθόδων ελέγχου (On-Off, PID). Τα αντικείμενα με τα οποία πειραματιστήκαμε ήταν κυρίως σφαίρες μικρής διαμέτρου(4-5cm) και βάρους μερικών γραμμαρίων. Κατά την διάρκεια εκπόνησης της διπλωματικής, έγινε προσπάθεια αιώρησης και ελέγχου επίπεδων αντικειμένων. Με το διατιθέμενο εξοπλισμό (περιορισμοί πίεσης αέρα, είδους ακροφυσίου κλπ.) κατέστη δυνατή η αιώρηση επίπεδων αντικειμένων μόνο για μικρή χρονική διάρκεια. Δοκιμάσθηκαν διάφοροι τύποι και χωρικοί συνδυασμοί ακροφυσίων για τη δημιουργία επίπεδου στρώματος “πεπιεσμένου” αέρα. Στην πράξη διαπιστώθηκε ταλαντωτική συμπεριφορά των επίπεδων αντικειμένων και ισχυρή αστάθεια του όλου συστήματος. Στο κεφάλαιο 1 παρουσιάζονται οι επικρατέστερες τεχνικές αιώρησης. Στο κεφάλαιο 2 προσεγγίζουμε θεωρητικά την αεροδυναμική αιώρηση παρουσιάζοντας τις σημαντικότερες αρχές και νόμους που περιγράφουν το φαινόμενο αυτό. Στο κεφάλαιο 3 υπάρχει μία εκτενής ανάλυση των ηλεκτροπνευματικών συστημάτων και στην συνέχεια των Προγραμματιζόμενων Λογικών Ελεγκτών (PLC) καθώς και το λογισμικό επικοινωνίας με PLC, το Step 7. Στο κεφάλαιο 4 αναλύεται ο εξοπλισμός της πειραματικής διάταξης, περιγράφονται τα πειράματα που διεξάγαμε και παρουσιάζεται και αναλύεται το πρόγραμμα που υλοποιήθηκε σε γλώσσα STL. Στο κεφάλαιο 5 συνοπτικά παρουσιάζεται το πρόγραμμα PLC Analyzer με το οποίο καταγράψαμε όλες τις πειραματικές μετρήσεις της διάταξης αιώρησης και τέλος παραθέτονται τα διαγράμματα από κάθε μία μέτρηση. / --

Η διπλωματική εργασία συνίσταται στην κατασκευή και λειτουργία μιας πειραματικής διάταξης, η οποία περιλαμβάνει δύο ρομποτικές αρθρώσεις δύο βαθμών ελευθερίας η καθεμία, οκτώ πνευματικά έμβολα τύπου μυών και ισάριθμες αναλογικές βαλβίδες πεπιεσμένου αέρα, μία οθόνη χειρισμού SCADA και έναν Προγραμματιζόμενο Λογικό Ελεγκτή (PLC) για τον έλεγχο της διάταξης. Πιο συγκεκριμένα, η πειραματική διάταξη που κατασκευάστηκε είναι ένας ρομποτικός βραχίονας. Ο βραχίονας αποτελείται συνολικά από τις δύο αρθρώσεις και δύο μεταλλικούς σωλήνες, ο ένας από τους οποίους στερεώθηκε σε πάγκο εργασίας, ενώ ο δεύτερος παρεμβάλλεται μεταξύ των αρθρώσεων. Κάθε άρθρωση έχει εσωτερικά δύο ζεύγη νηματόσχοινων, όπου καθένα προκαλεί από μία κίνηση, περιστροφική με άξονα τον σωλήνα ή περιστροφική περιορισμένη στο επίπεδο που είναι κάθετο στον σωλήνα. Η έλξη του ενός ή του άλλου σκοινιού από κάθε ζεύγος ορίζει τη φορά περιστροφής. Τα νηματόσχοινα, που εκτείνονται εσωτερικά των σωλήνων, εξέρχονται στο κάτω μέρος, όπου εφαρμόζουν σε πνευματικούς μύες, υπεύθυνους για την έλξη. Το άλλο άκρο των μυών είναι στερεωμένο στο δάπεδο, ενώ τροφοδοτούνται με πεπιεσμένο αέρα από κατάλληλες βαλβίδες ρύθμισης πίεσης. Η πίεση του αέρα που παρέχεται στους μύες κάθε στιγμή ελέγχεται μέσω του PLC. Στα πλαίσια των πειραμάτων, αναπτύχθηκαν δύο τρόποι κίνησης του βραχίονα. Στην πρώτη περίπτωση, ο χειριστής έχει τη δυνατότητα να ελέγχει καθεμιά από τις τέσσερις δυνατές κινήσεις ξεχωριστά, μέσω κατάλληλα διαμορφωμένης οθόνης χειρισμού SCADA. Στη δεύτερη περίπτωση, έχει προγραμματιστεί μια προκαθορισμένη κίνηση επίδειξης, που ξεκινά και τερματίζει με εντολή του χρήστη, αλλά δεν μπορεί να επέμβει κατά τη διάρκεια εκτέλεσής της. / -

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:55:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 BrunoJC_DISSERT_1-60.pdf: 4138236 bytes, checksum: 7d92583d3159abe9ed3a9cb5f3d51992 (MD5) Previous issue date: 2011-01-31 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / Technological evolution of industrial automation systems has been guided by the dillema between flexibilization and confiability on the integration between devices and control supervisory systems. However, there are few supervisory systems whose attributions can also comprehend the teaching of the communication process that happens behind this technological integration, where those which are available are little flexible about accessibility and reach of patterns. On this context, we present the first module of a didactic supervisory system, accessible through Web, applied on the teaching of the main fieldbus protocols. The application owns a module that automatically discovers the network topology being used and allows students and professionals of automation to obtain a more practical knowledgment by exchanging messages with a PLC, allowing those who are involved to know with more details the communication process of an automation supervisory system. By the fact of being available through Web, the system will allow a remote access to the PLC, comprehending a larger number of users. This first module is focused on the Modbus protocol (TCP and RTU/ASCII) / A evolu??o tecnol?gica dos sistemas de automa??o industrial tem sido norteada pelo dilema entre flexibiliza??o e confiabilidade na integra??o entre equipamentos e sistemas supervis?rios de controle. No entanto, s?o poucos os sistemas supervis?rios cujas atribui??es tamb?m abrangem o ensino do processo de comunica??o que ocorre por tr?s dessa integra??o tecnol?gica, sendo os existentes pouco flex?veis no que se refere ao acesso e ? abrang?ncia de padr?es. Este trabalho apresenta um sistema supervis?rio did?tico, acess?vel via Web, que ? utilizado no ensino dos principais protocolos Fieldbus. O aplicativo proposto possui um m?dulo de descoberta autom?tica da topologia da rede usada e permite que alunos e/ou profissionais da ?rea de automa??o obtenham um conhecimento mais pr?tico desses protocolos ao auxiliar na constru??o e envio de quadros pr?prios da rede Fieldbus considerada, propiciando aos envolvidos um conhecimento mais detalhado do processo de comunica??o que ocorre entre um sistema supervis?rio de automa??o e os dispositivos escravos utilizados na rede. Pelo fato de ser uma aplica??o Web, al?m de contemplar o modo de ensino presencial, o sistema proposto permite o acesso remoto ao CLP, comportando um n?mero bem maior de usu?rios e tornando mais abrangente seu universo de aplica??o. Este primeiro m?dulo ? voltado para o protocolo Modbus (abrangendo suas varia??es TCP e Serial RTU/ASCII)

Este trabalho apresenta uma Análise sobre os Comandos Numéricos Computadorizados de Arquitetura Aberta aplicado na automação de Máquina-ferramentas e no uso da manufatura. É realizado uma classificação das Arquiteturas Abertas (em relação ao hardware, software, funcionalidade e flexibilidade) e uma comparação entre os CNC\'s convencionais e os CNC\'s de Arquitetura Aberta. / This work presents an Open Architecture CNCs analysis. An Open Architecture classification using hardware, software, functionality and flexibility are presented. A comparison table with conventional CNCs and this new class of CNCs are elaborated.

Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse s'intéressent à la génération et à la mise en œuvre de séquences de test pour le test de conformité de contrôleurs logiques. Dans le cadre de ces travaux, le Grafcet (IEC 60848 (2002)), langage de spécification graphique utilisé dans un contexte industriel, a été retenu comme modèle de spécification. Les contrôleurs logiques principalement considérés dans ces travaux sont les automates programmables industriels (API). Afin de valider la mise en œuvre du test de conformité pour des systèmes de contrôle/commande critiques, les travaux présentés proposent: - Une formalisation du langage de spécification Grafcet. En effet, l'application des méthodes usuelles de vérification et de validation nécessitent la connaissance du comportement à partir de modèles formels. Cependant, dans un contexte industriel, les modèles utilisés pour la description des spécifications fonctionnelles sont choisis en fonction de leur pouvoir d'expression et de leur facilité d'utilisation, mais ne disposent que rarement d'une sémantique formelle. - Une étude de la mise en œuvre de séquences de test et l'analyse des verdicts obtenus lors du changement simultané de plusieurs entrées logiques. Une campagne d'expérimentation a permis de quantifier, pour différentes configurations de l'implantation, le taux de verdicts erronés dus à ces changements simultanés. - Une définition du critère de SIC-testabilité d'une implantation. Ce critère, déterminé à partir de la spécification Grafcet, définit l'aptitude d'une implantation à être testée sans erreur de verdict. La génération automatique de séquences de test minimisant le risque de verdict erroné est ensuite étudiée. / The works presented in this PhD thesis deal with the generation and implementation of test sequences for conformance test of logic controllers. Within these works, Grafcet (IEC 60848 (2002)), graphical specification language used in industry, has been selected as the specification model. Logic controllers mainly considered in these works are Programmable Logic Controllers (PLC). In order to validate the carrying out of conformance test of critical control systems, this thesis presents: - A formalization of the Grafcet specification language. Indeed, to apply usual verification and validation methods, the behavior is required to be expressed through formal models. However, in industry, the models used to describe functional specifications are chosen for their expression power and usability, but these models rarely have a formal semantics. - A study of test sequences execution and analysis of obtained verdicts when several logical inputs are changed simultaneously. Series of experimentation have permitted to quantify, for different configurations of the implantation under test, the rate of erroneous verdicts due to these simultaneous changes. - A definition of the SIC-testability criterion for an implantation. This criterion, determined on the Grafect specification defines the ability of an implementation to be tested without any erroneous verdict. Automatic generation of test sequences that minimize the risk of erroneous verdict is then studied.