探討SIMATIC S7 PLC控制程序的保護(hù)設(shè)計(jì)

前言

隨著中國(guó)整體經(jīng)濟(jì)實(shí)力的加強(qiáng)，制造和加工工業(yè)正逐步向中國(guó)轉(zhuǎn)移，這給中國(guó)國(guó)內(nèi)工業(yè)裝備市場(chǎng)帶來了大量的商機(jī)，國(guó)內(nèi)各行業(yè)的制造商開發(fā)和制造出大量?jī)r(jià)廉物美的設(shè)備，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效應(yīng)。但是，也有小部分的制造商，由于其自身能力和客觀因素的限制，無法及時(shí)開發(fā)出合適的產(chǎn)品，但利益的驅(qū)動(dòng)使他們把目光瞄準(zhǔn)了同行，抄襲和仿制同行開發(fā)成功的產(chǎn)品，更有甚者是整機(jī)拷貝或者克隆。由于現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備大量采用PLC作為主控制系統(tǒng)，PLC作為整個(gè)設(shè)備的核心部件，其軟件包涵了生產(chǎn)工藝，控制邏輯，設(shè)備數(shù)據(jù)，加工參數(shù)及信息通訊等重要內(nèi)容，從而成為設(shè)備仿制者重點(diǎn)要獲取的目標(biāo)之一?？v觀目前中國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上應(yīng)用的主流品牌PLC，雖然在設(shè)計(jì)上都采用了各種軟硬件加密的手段，但破解者運(yùn)用的破解手段也越來越先進(jìn)，從最初的窮舉法，端口偵聽，軟件跟蹤，到現(xiàn)在可以通過直接復(fù)制提取內(nèi)存芯片的內(nèi)容來分析破解，更有甚者在互連網(wǎng)上公開討論和傳播破解方法和工具，因此所有產(chǎn)品無一例外地遭到了破解。這對(duì)中國(guó)眾多的中小型OEM制造商來說是非常不利的，“我們幾年的開發(fā)成果可能因此一夜之間付諸東流”當(dāng)?shù)弥猄7-200/300硬件加密也被破解后，一位OEM制造商無奈地說。由于仿制者的開發(fā)成本很低或幾乎為零，因此開發(fā)者還沒有來得及收回開發(fā)成本就陷入了低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)，這極大的影響了開發(fā)者開發(fā)新產(chǎn)品的積極性，對(duì)我國(guó)的裝備工業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展是十分有害的。

難道就這樣束手無策，聽任仿制者為所欲為了嗎？答案是否定的，多年來一直關(guān)注和研究PLC控制程序保護(hù)方面的問題，筆者在實(shí)踐中取得了一些經(jīng)驗(yàn)和心得，在本文中愿意和同行們共同分享和討論，大家共同為保護(hù)自己的勞動(dòng)成果而努力。筆者多年來一直從事西門子SIAMTIC S7 PLC的應(yīng)用，因此本文也只是從純粹的技術(shù)層面出發(fā)，重點(diǎn)探討SIMATIC S7 PLC控制程序的保護(hù)。

? 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初期，我們應(yīng)該從系統(tǒng)的角度來考慮PLC控制程序的保護(hù)：

1. T.I.A（全集成自動(dòng)化）的概念有助于保護(hù)我們的KNOW HOW

T.I.A實(shí)現(xiàn)了組態(tài)和編程，數(shù)據(jù)管理和通訊，自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品（包括PLC控制器、HMI人機(jī)界面、網(wǎng)絡(luò)、驅(qū)動(dòng)器等產(chǎn)品）的高度集成。實(shí)踐證明，采用T.I.A集成概念設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)很難被抄襲。同一個(gè)軟件平臺(tái)，相同的硬件組成，一樣的總線通訊，完全可以設(shè)計(jì)出截然不同的控制系統(tǒng)，這是一個(gè)讓開發(fā)者自由發(fā)揮的平臺(tái)。例如，一個(gè)CPU315-2DP和2個(gè)MM440變頻器進(jìn)行PROFIBUS-DP的通訊，除了PLC和變頻器有常規(guī)的數(shù)據(jù)交換，如果用戶使用了DRIVES ES的工程軟件，還能實(shí)現(xiàn)2個(gè)MM440之間的直接的快速數(shù)據(jù)交換，另外通過DRIVES ES還能實(shí)現(xiàn)PLC和MM440之間超過10個(gè)總共16個(gè)PZD過程數(shù)據(jù)的交換，實(shí)現(xiàn)PLC批量下載變頻器參數(shù)的功能。而這一切的實(shí)現(xiàn)從表面上看，硬件沒有發(fā)生任何的變化，仿制者很難從硬件上來判斷出系統(tǒng)是如何控制這兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)器的速度的。不熟悉西門子產(chǎn)品的仿制者無法輕易更換硬件配置或修改軟件，而即使仿制者是個(gè)西門子產(chǎn)品的專家，要獨(dú)自分析清楚具體細(xì)節(jié)問題也不是件容易的事情。從某種程度上說，T.I.A大大提高了對(duì)仿制者的技術(shù)水平要求的門檻，達(dá)到西門子系統(tǒng)集成專家水平的技術(shù)人員一是不多，二很少有愿意做這些不齒的事情的。

此外，對(duì)于一些較大系統(tǒng)的OEM開發(fā)商，路由通訊功能，iMAP軟件包等都是很不錯(cuò)的T.I.A系統(tǒng)功能或工具，我們應(yīng)該盡量利用T.I.A給我們帶來的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，占領(lǐng)技術(shù)制高點(diǎn)，加大仿制或抄襲的技術(shù)難度。

2. 使用通訊功能

在實(shí)際的工作中，我們往往會(huì)遇到一些系統(tǒng)間需要數(shù)據(jù)交換的問題（如PLC-PLC之間，PLC與驅(qū)動(dòng)器之間，PLC與儀表之間），無論是西門子產(chǎn)品之間還是西門子產(chǎn)品與第三方產(chǎn)品之間，建議使用通訊的方案來代替模擬量或開關(guān)量之間的信號(hào)互連的方案。對(duì)于前者，仿制者只能看見一條硬件的通訊線，至于有多少數(shù)據(jù)是如何通過通訊交換的，仿制者必須要花精力研究具體的用戶程序才能搞清楚；而對(duì)于后者，開發(fā)者是省心省力了，仿制者也是一目了然，盡收眼底。

PLC與驅(qū)動(dòng)器的通訊，除了了控制字/狀態(tài)字、設(shè)定值/反饋值及過程變量的數(shù)據(jù)通訊，驅(qū)動(dòng)器工作的參數(shù)最好也能由PLC通過軟件下載，這樣即可以降低最終用戶維護(hù)系統(tǒng)的技術(shù)要求，同時(shí)可以防止仿制者通過驅(qū)動(dòng)器工作參數(shù)分析系統(tǒng)尤其在驅(qū)動(dòng)方面的工作原理和設(shè)計(jì)思路。西門子公司的工程軟件DRIVE ES BASIC/SIAMTIC，為廣大的西門子產(chǎn)品用戶實(shí)現(xiàn)此類功能提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具；而使用SIMATIC PLC卻使用第三方驅(qū)動(dòng)器的用戶，也可以自行開發(fā)針對(duì)性的參數(shù)讀寫程序，一般支持PROFIBU-DP的驅(qū)動(dòng)器都可以實(shí)現(xiàn)。

有時(shí)候我們的控制系統(tǒng)會(huì)由多個(gè)子控制系統(tǒng)構(gòu)成，由此形成多CPU加人機(jī)界面的網(wǎng)絡(luò)，西門子S7-200產(chǎn)品常見的是PPI網(wǎng)絡(luò)，S7-300/400產(chǎn)品常見的是MPI網(wǎng)絡(luò)，通常是人機(jī)界面與CPU之間的數(shù)據(jù)交換，而我們也可在CPU的用戶程序中添加一些無須組態(tài)的S7基本通訊功能（S7-200可用NETR/NETW指令，S7-300/400可以用X_PUT/X_GET指令），定時(shí)或不定時(shí)地在CPU之間進(jìn)行少量數(shù)據(jù)交換，通過這些數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)控制邏輯的互鎖。對(duì)于這樣的系統(tǒng)，仿制者要分析某一子系統(tǒng)的程序也不是件十分容易事情。

3. 使用面板類型的人機(jī)界面

盡量在自動(dòng)化系統(tǒng)中使用面板類型的人機(jī)界面來代替單一的按鈕指示燈，雖然按鈕指示燈的功能是無法保密的，但目前為止，面板型人機(jī)界面能夠?qū)崿F(xiàn)程序上載并實(shí)現(xiàn)反編譯的產(chǎn)品還不多見，開發(fā)者可以在面板的畫面上加上明顯的廠家標(biāo)識(shí)和聯(lián)系方式等信息，仿制者還不至于傻到連這個(gè)也原樣照抄吧。這樣迫使仿制者必須重新編寫操作面板的程序甚至于PLC的程序，而開發(fā)者則可利用面板和PLC數(shù)據(jù)接口的一些特殊功能區(qū)（如西門子面板的區(qū)域指針，或VB腳本）來控制PLC的程序執(zhí)行。這樣的PLC程序在沒有HMI源程序的情況下只能靠猜測(cè)和在線監(jiān)視來獲取PLC內(nèi)部變量的變化邏輯，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，極大的增加了仿制抄襲的難度。

4. 采用高級(jí)語言編寫部分重要的工藝程序

這一點(diǎn)主要針對(duì)采用S7-300/400或WINAC產(chǎn)品的控制設(shè)備，除了使用STEP 7提供的LAD，STL，F(xiàn)BD標(biāo)準(zhǔn)編程語言來開發(fā)控制程序，我們還可以使用SCL，S7-GRAPH等高級(jí)語言來開發(fā)一些重要的工藝程序，WINAC還可以使用ODK軟件包開發(fā)出專有的程序塊。一般的仿制者是不容易搞到這些開發(fā)工具的，即使有也不一定會(huì)使用，更不用說來讀懂這些程序了。

? 在項(xiàng)目具體實(shí)施的過程中，我們應(yīng)該從軟件開發(fā)技巧的角度來考慮PLC控制程序的保護(hù)：

1. 編程方式的采用

a） 采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)，采用符號(hào)名，參數(shù)化來編寫子程序塊

b） S7-300/400盡量采用背景數(shù)據(jù)塊和多重背景的數(shù)據(jù)傳遞方式

c） 多采用間接尋址的編程方式

d） 復(fù)雜系統(tǒng)的控制程序尤其是一些帶有順序控制或配方控制的程序，可以考慮采用數(shù)據(jù)編程的方式，即通過數(shù)據(jù)的變化來改變系統(tǒng)的控制邏輯或控制順序。

用戶應(yīng)該盡量采用以上幾種高級(jí)層次的編程方式，這樣編出來的程序中嵌入系統(tǒng)的保護(hù)加密程序，才不容易被發(fā)現(xiàn)和破解

2. 主動(dòng)保護(hù)方法

a） 利用系統(tǒng)的時(shí)鐘

b） 利用程序卡或者CPU的ID號(hào)和序列號(hào)

c） 利用EEPROM的反寫入功能，及一些需要設(shè)置的內(nèi)存保持功能

d） 利用系統(tǒng)提供的累時(shí)器功能

e） 在用戶程序的數(shù)據(jù)塊中設(shè)置密碼

f） 軟件上設(shè)置邏輯陷阱

g） 可以反向利用自己在編程時(shí)犯的錯(cuò)誤

3. 被動(dòng)保護(hù)方法

a） 在內(nèi)存容量利用許可的條件下，不要?jiǎng)h除被認(rèn)為是無用的程序

b） 在數(shù)據(jù)塊里留下開發(fā)者的標(biāo)識(shí)，以便于將來遭到侵權(quán)時(shí)可以取證

4. 應(yīng)用反破解技術(shù)的注意事項(xiàng)

a） 在用戶程序中嵌入保護(hù)程序要顯得自然一些，不能很突兀的加出一段程序來，代碼要盡量精簡(jiǎn)，變量符號(hào)名應(yīng)與被嵌入程序段的變量保持一致

b） 往往一種保護(hù)加密手段是不夠的，應(yīng)該多種方法并用，并且這些保護(hù)程序一旦激活后對(duì)系統(tǒng)造成的后果也應(yīng)該盡量不同，造成所謂的“地雷效應(yīng)”，從而增加程序被破解的難度，時(shí)間與成本，短時(shí)間內(nèi)讓抄襲者束手無策，

c） 保護(hù)好程序的原代碼，如果需要交付程序的，在不影響用戶對(duì)設(shè)備維護(hù)的前提下，應(yīng)對(duì)交付的程序做適當(dāng)?shù)募夹g(shù)處理，如刪除部分符號(hào)名，采用上載的程序或數(shù)據(jù)塊

d） 做好嚴(yán)格的測(cè)試，以避免保護(hù)程序的不完善引起的誤動(dòng)作而帶來的不必要的麻煩，同時(shí)也能降低售后服務(wù)的的費(fèi)用

? 運(yùn)用保護(hù)手段的原則

我們雖然掌握了一些加密保護(hù)的手段，有一點(diǎn)必須明白，密碼和鎖的道理是一樣的，天下沒有打不開的鎖，也沒有解不開的密碼，我們從技術(shù)上采取的措施來防止侵權(quán)的作用還是十分有限的，因此大家不能把所有的希望都寄托在所謂的加密技術(shù)或破解與反破解技術(shù)上；除此之外我們還可以通過專利的申請(qǐng)等其他諸如法律手段來保護(hù)我們的知識(shí)產(chǎn)權(quán)；但最重要的是我們不能安于現(xiàn)狀，而是要勇于創(chuàng)新，不斷地利用新技術(shù)開發(fā)新產(chǎn)品，占領(lǐng)技術(shù)新高地，爭(zhēng)做行業(yè)的領(lǐng)頭人，才能使我們的企業(yè)立于不敗之地。

加密保護(hù)技術(shù)本身也是一把雙刃劍，用好了客戶滿意，自己的權(quán)益又悄悄的得到了保護(hù)，用不好不僅不起作用，給售后服務(wù)帶來許多麻煩，還會(huì)得罪客戶；好人掌握這種技術(shù)是用來保護(hù)自己不被侵權(quán)，而用心不良的人會(huì)利用它去要挾客戶。因此本文也僅限于討論了關(guān)于PLC程序加密保護(hù)的一些原則性指導(dǎo)性的內(nèi)容，而沒有公布具體的程序代碼指令，請(qǐng)讀者們諒解。