Toto je druhý článek na téma použití rezonancí ke zničení fyzických objektů.
První článek „Ruská stopa viru Stuxnet“byl úvodní a byl určen širokému laickému publiku.
Je načase se s touto metodou podrobně seznámit a nejprve se podívat na video s vizuálním příkladem rezonance, poté si myslím, že téma článku bude jasnější, protože je lepší jednou vidět, než stokrát číst…
Zde je video:
Tady je další:
Chovejte se tedy k rezonanci s respektem.
Tak slavný, pro Stuxnet neznámý
Světoznámý virus Stuxnet se nyní změnil v jakýsi hororový příběh, každý o něm ví, ale nikdo plně nechápe, jak dokázal dva roky tajně ničit centrifugy pro obohacování uranu. Nejde ani tak o sabotáž, ale o sofistikovanější metodu sabotáže - sabotáž.
Jen si vzpomeňte, v průběhu dvou let se stovky centrifug neustále rozpadají, všechny výrobní plány jsou narušeny, specialistům se říká „na uši“a nemohou nic dělat, dokud z Běloruska nepřijde zpráva o detekci viru, bojovou zátěží, kterou byly aktualizační moduly interního softwaru pro průmyslovou automatizaci od společnosti Siemens.
Následně byl tento virus pojmenován Stuxnet. Zjistili jsme použitou metodu infekce, metody jejího proniknutí na úroveň jádra a způsob prolomení ochrany heslem ovladačů Simatic S7 v místní síti. Něco jsme pochopili z toho, co dělá virem aktualizovaný firmware ovladače skupiny odstředivek.
Nikdo však dosud nevysvětlil fyzickou metodu deaktivace zařízení při tomto sabotážním činu. Proto se sami pokusíme zjistit tuto nejdůležitější hádanku.
Co víme
Zde je tento řadič Simatic S7 sestavený s periferními moduly:
Samotná mikroprocesorová jednotka je krabice s modrým klíčem, vše ostatní jsou periferie. Software mikrokontroléru (používá se speciální jazyk tlumočníka STEP 7) je umístěn ve vnitřní paměti flash. Aktualizace softwaru a firmwaru samotného ovladače probíhá prostřednictvím sítě nebo fyzicky prostřednictvím vyměnitelné jednotky flash. Takové ovladače byly skupinovým řídicím zařízením pro 31 plynových odstředivek najednou.
Ale přímo rozbili odstředivky prostřednictvím jiných zařízení, - frekvenčního měniče pro provoz elektrického motoru, přibližně takto:
Tak vypadají frekvenční měniče (měniče) pro asynchronní elektromotory různých výkonů. Název naznačuje funkční účel tohoto zařízení, převádí napětí standardní sítě (tři fáze 360 V) na třífázové napětí s jinou frekvencí a jiným hodnocením. Převod napětí je řízen signály ze sítě nebo nastaven ručně z ovládacího panelu.
Jeden ovladač Simatic S7 okamžitě ovládal skupinu (31 zařízení) frekvenčních měničů, respektive to byla skupinová řídicí jednotka pro 31 odstředivek.
Jak specialisté zjistili, sémantika softwaru řadiče skupinového ovládání byla silně modifikována virem Stuxnet a vydávání příkazů pro skupinové řízení měničům frekvence upraveným softwarem ovladače Simatic S7 považovali za přímou příčinu poruch odstředivky.
Virusem upravený software řídicího zařízení měnil během pětihodinového intervalu jednou po dobu 15 minut provozní frekvenci každého frekvenčního měniče a podle toho také rychlost otáčení odstředivkového elektromotoru, který je k němu připojen.
Tak je popsáno ve studii Semantic:
Rychlost motoru se tedy změní ze 1410 Hz na 2 Hz až 1064 Hz a poté znovu. Připomeňme, že normální provozní frekvence v této době by měla být mezi 807 Hz a 1210 Hz.
Rychlost motoru se tedy změní ze 1410 Hz v krocích 2 Hz na 1064 Hz a poté se vrátí zpět. Připomínáme, že normální pracovní frekvence v této době byla udržována mezi 807 Hz a 1210 Hz.
A sémantika na základě toho uzavírá:
Stuxnet tedy sabotuje systém zpomalením nebo zrychlením motoru na různé rychlosti v různých časech
(Stuxnet tedy sabotuje systém zpomalením nebo zrychlením motoru na různé rychlosti v různých časech.)
Moderním programátorům, kteří znají fyziku a elektrotechniku pouze na střední škole, to asi stačí, ale pro kompetentnější specialisty takové vysvětlení není konzistentní. Změna rychlosti otáčení rotoru odstředivky v povoleném rozsahu a krátkodobé překročení provozní frekvence o 200 Hz (asi 15%) z nominální hodnoty samo o sobě nemůže vést k masivním poruchám zařízení.
Některé technické detaily
Takto vypadá kaskáda plynových odstředivek na výrobu obohaceného uranu:
V továrnách na obohacování uranu existují desítky takových kaskád, celkový počet odstředivek přesahuje 20-30 tisíc …
Samotná centrifuga je poměrně jednoduchým zařízením, zde je její schematický nákres:
Tato konstruktivní jednoduchost ale klame, faktem je, že rotor takové odstředivky, dlouhý asi dva metry, se otáčí rychlostí asi 50 000 ot / min. Vyvažování rotoru se složitou prostorovou konfigurací, téměř dva metry na délku, je velmi obtížný úkol.
Kromě toho jsou vyžadovány speciální metody zavěšení rotoru v ložiscích; k tomu se používají speciální pružná jehlová ložiska doplněná o komplexní samonastavovací magnetické zavěšení.
Pro spolehlivost plynových odstředivek je hlavním problémem rezonance mechanické struktury, která je spojena s určitými rychlostmi otáčení rotoru. Plynové odstředivky jsou na tomto základě dokonce kategorizovány. Odstředivka pracující při rychlosti rotoru nad rezonanční se nazývá superkritická, podkritická.
Nemyslete si, že rychlost rotoru je frekvence mechanické rezonance. Nic takového, mechanická rezonance, nesouvisí s rychlostí otáčení rotoru odstředivky prostřednictvím velmi složitých vztahů. Rezonanční frekvence a rychlost rotoru se mohou lišit o řád.
Například typickou rezonanční oblastí odstředivky je frekvence v rozsahu 10 Hz-100 Hz, zatímco rychlost rotoru je 40-50 000 ot / min. Rezonanční frekvence navíc není pevným parametrem, ale plovoucím, závisí na aktuálním provozním režimu odstředivky (na prvním místě složení, hustota teploty plynu) a vůli v závěsné konstrukci rotoru.
Hlavním úkolem vývojáře zařízení je zabránit tomu, aby odstředivka pracovala v režimech zvýšených vibrací (rezonancí); za tímto účelem automatické systémy nouzového blokování úrovně vibrací (tenzometry), provoz při otáčkách rotoru způsobující rezonanci mechanické struktury (tachometry)), zvýšené proudové zatížení motoru (proudová ochrana).
Nouzové systémy nejsou nikdy kombinovány se zařízeními zodpovědnými za běžný provoz instalace, jsou to samostatné, obvykle velmi jednoduché elektromechanické systémy pro zastavení práce (jednoduše nouzové spínače). Nemůžete je tedy programově deaktivovat a překonfigurovat.
Kolegové z USA a Izraele museli vyřešit zcela netriviální úkol, - zničte odstředivku, aniž byste spustili bezpečnostní automatiku.
A teď o neznámém, jak se to dělalo
S lehkou rukou překladatelů vědeckého centra „NAUTSILUS“, kteří přeložili výzkum odborníků Symantik do ruštiny, mnoho odborníků, kteří nečetli zprávu Symantik v originále, mělo názor, že nehoda byla způsobena provozním napětím frekvence snížena na 2Hz na elektrický motor odstředivky.
Není tomu tak, správný překlad je uveden na začátku textu článku.
A v zásadě není možné snížit frekvenci napájecího napětí vysokorychlostního indukčního motoru na 2 Hz. Dokonce i krátkodobé napájení tak nízkofrekvenčního napětí do vinutí způsobí zkrat ve vinutí a spustí proudovou ochranu.
Všechno bylo provedeno mnohem chytřeji.
Níže popsaný způsob excitace rezonance v elektromechanických systémech by mohl tvrdit, že je nový, a já jsem považován za jeho autora, ale s největší pravděpodobností jej již používají autoři viru Stuxnet, takže bohužel zůstává pouze plagiátorství..
A přesto vysvětluji na prstech a současně vedu vzdělávací program o základech fyziky. Představte si obrovský náklad, řekněme tunu, visící na kabelu, řekněme 10 metrů dlouhém. Získali jsme nejjednodušší kyvadlo s vlastní rezonanční frekvencí.
Předpokládejme dále, že s ním chcete houpat malíčkem a vyvinout úsilí 1 kg. Jediný pokus nepřinese žádný viditelný výsledek.
To znamená, že ho musíte tlačit opakovaně, přičemž na něj vyvíjíte úsilí 1 kg, řekněme 1000krát, pak můžeme předpokládat, že takové vícenásobné úsilí bude celkem ekvivalentní jedinému použití úsilí na tunu, to je docela dost stačí kmitnout takovým kyvadlem.
A tak měníme taktiku a začínáme opakovaně tlačit zavěšenou zátěž malým prstem, pokaždé s vynaložením úsilí 1 kg. Zase neuspějeme, protože neznáme fyziku …
A kdyby to věděli, tak by nejprve vypočítali dobu oscilace kyvadla (hmotnost je absolutně nedůležité, zavěšení je 10 metrů, gravitační síla je 1 g) a začali tlačit zátěž s touto periodou malíčkem. Vzorec je dobře známý:
Za 10–20 minut by se toto tuny vážící kyvadlo rozhoupalo, aby „máma nebrečela“.
Navíc není nutné tlačit malým prstem na každou kvalitu kyvadla; to lze provést jednou nebo dvakrát, a dokonce i po sto oscilacích kyvadla. Jen se úměrně zvýší doba nahromadění, ale efekt nahromadění bude zcela zachován.
A přesto překvapím lidi, kteří znají fyziku a matematiku na střední škole (úroveň znalostí typického moderního programátora), oscilační doba takového kyvadla nezávisí na amplitudě oscilace, otočte ji o milimetr nebo metr od klidového bodu, perioda oscilace a podle toho frekvence kmitání kyvadla bude konstantní.
Jakákoli prostorová struktura nemá ani jednu, ale několik rezonančních frekvencí; ve skutečnosti v ní existuje několik takových kyvadel. Plynové odstředivky mají díky svým technickým vlastnostem takzvanou hlavní rezonanční frekvenci vysoce kvalitního faktoru (účinně akumulují vibrační energii).
Zbývá pouze pohnout plynovou odstředivkou prstem na rezonanční frekvenci. Je to samozřejmě vtip, pokud existuje elektrický motor s automatickým řídicím systémem, pak to samé lze udělat mnohem nepostřehnutelněji.
Chcete -li to provést, musíte zvýšit / snížit rychlost elektromotoru v trhnutí (jako to udělal virus, při 2 Hz) a vydat tyto trhnutí rezonanční frekvencí mechanické struktury odstředivky.
Jinými slovy, je nutné dodat motoru frekvenci mechanické rezonance pomocí frekvenčního měniče napětí s proměnnou frekvencí. Okamžik síly, který nastane v motoru při změně frekvence napájecího napětí, bude přenesen do pouzdra s frekvencí mechanické rezonance a postupně rezonanční kmity dosáhnou úrovně, na které se instalace začne hroutit
Kolísání frekvence v blízkosti určité průměrné hodnoty se nazývá „beaty“, to je standardní účinek jakéhokoli frekvenčního měniče, frekvence, jak se říká, „chodí“v určitých mezích, obvykle ne více než desetiny procenta nominální hodnoty. Diverzanti převlečení za tyto přirozené údery frekvence, vlastní, uměle zavedená, modulace frekvence elektromotoru a synchronizovali ji s frekvencí mechanické rezonance prostorové struktury odstředivky.
Už se nebudu zabývat tématem, jinak budu obviněn z toho, že píši podrobné pokyny pro sabotéry. Proto mimo diskusi ponechám otázku nalezení rezonanční frekvence pro konkrétní odstředivku (u každé odstředivky je to individuální). Ze stejného důvodu nebudu popisovat způsob „jemného“nastavení, kdy je nutné balancovat na hranici spuštění nouzové ochrany proti vibracím.
Tyto úkoly jsou řešeny pomocí softwarově dostupných snímačů proudu výstupního napětí instalovaných ve frekvenčních měničích. Vezměte mě za slovo - to je docela realizovatelné, jsou to jen algoritmy.
Opět o nehodě na Sayano-Shushenskaya HPP
V předchozím článku se předpokládalo, že nehoda na vodní elektrárně byla způsobena stejným způsobem (rezonanční metodou) jako v závodě na obohacování uranu v Íránu, pomocí speciálního softwaru.
To samozřejmě neznamená, že tu a tam fungoval stejný virus Stuxnet, samozřejmě že ne. Fungoval stejný fyzikální princip destrukce předmětů - uměle vyvolaná rezonance mechanické struktury.
Přítomnost rezonance je indikována přítomností odšroubovaných matic pro upevnění krytu turbíny a odečtů jediného snímače axiálních vibrací, který pracoval v době nehody.
S přihlédnutím ke shodě času a příčin nehody HPP se skutečností sabotáže v íránském závodě na obohacování uranu se kontinuální systém řízení vibrací v době nehody vypnul, provoz jednotky pod kontrolou automatický řídicí systém turbínové jednotky, lze předpokládat, že rezonance nebyla náhodným jevem, ale umělým.
Pokud je tento předpoklad správný, pak na rozdíl od situace s plynovými odstředivkami úkol zničení turbínové jednotky vyžadoval ruční zásah. Zařízení dostupné na HPP neumožňovalo sabotážnímu softwaru automaticky detekovat individuální rezonanční frekvenci a poté udržovat vibrace v nouzovém režimu bez spuštění nouzových senzorů.
Na vodní elektrárně vyžadovala práce sabotážního softwaru použití „lidského faktoru“. Někdo musel nějak vypnout server pro ovládání vibrací a před tím přenést vývojářům sabotážního softwaru parametry rezonancí konkrétní turbínové jednotky, které z ní byly odstraněny šest měsíců před nehodou během plánované opravy.
Zbytek byl otázkou techniky.
Není třeba si myslet, že k rezonanci došlo v samotném těle rotoru turbíny, to samozřejmě ne. Byla způsobena rezonance vodní vrstvy, nasycené elastickými kavitačními dutinami, umístěnými mezi rotorem turbíny a vodícími lopatkami.
Zjednodušeně si lze takovou analogii představit, ve spodní části je mezi rotorem turbíny a lopatkami vodicích lopatek pružina vytvořená z kavitačních dutin a tento pramen je podepřen sloupem vody vysokým sto metrů. Ukázalo se, že je to ideální oscilační obvod. Houpat takovým kyvadlovým systémem je velmi skutečný úkol.
Je to kvůli této rezonanci VŠECHNO lopatky vodicích lopatek byly zlomeny, a ne mechanicky, při nárazech, ale zlomeny dynamickým zatížením. Zde je fotografie těchto zlomených čepelí, na jejich povrchu nejsou žádné stopy mechanického nárazu:
Zlomené lopatky vodicích lopatek zablokovaly vypouštěcí otvor turbíny a právě z této nepředvídané okolnosti se nehoda začala vyvíjet v katastrofu.
Rotor turbíny připomínal vrtuli supertankeru a začal se otáčet v „uzavřené plechovce vody“s hmotností jeden a půl tisíce tun a rychlostí otáčení 150 ot / min. V pracovní oblasti turbíny byl vytvořen takový přetlak vody, že bylo odtrženo víko a samotná turbína podle očitých svědků spolu s rotorem generátoru (1 500 tun kolos) vyletěly nahoru strop haly turbíny.
Co bylo všem dále známo.