淺談西門子PLC控制程序的保護

前言
　　隨著中國整體經(jīng)濟實力的加強，制造和加工工業(yè)正逐步向中國轉(zhuǎn)移，這給中國國內(nèi)工業(yè)裝備市場帶來了大量的商機，國內(nèi)各行業(yè)的制造商開發(fā)和制造出大量價廉物美的設(shè)備，取得了良好的經(jīng)濟和社會效應(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，無法及時開發(fā)出合適的產(chǎn)品，但利益的驅(qū)動使他們把目光瞄準了同行，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)備仿制者重點要獲取的目標之一?？v觀目前中國國內(nèi)市場上應(yīng)用的主流品牌PLC，雖然在設(shè)計上都采用了各種軟硬件加密的手段，但破解者運用的破解手段也越來越先進，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。這對中國眾多的中小型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)成本就陷入了低價競爭，這極大的影響了開發(fā)者開發(fā)新產(chǎn)品的積極性，對我國的裝備工業(yè)的長遠發(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控制程序保護方面的問題，筆者在實踐中取得了一些經(jīng)驗和心得，在本文中愿意和同行們共同分享和討論，大家共同為保護自己的勞動成果而努力。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)，重點探討SIMATIC S7 PLC控制程序的保護。
　　Ø 在系統(tǒng)設(shè)計的初期，我們應(yīng)該從系統(tǒng)的角度來考慮PLC控制程序的保護：
1. T.I.A（全集成自動化）的概念有助于保護我們的KNOW HOW
　　T.I.A實現(xiàn)了組態(tài)和編程，數(shù)據(jù)管理和通訊，自動化與驅(qū)動產(chǎn)品（包括PLC控制器、HMI人機界面、網(wǎng)絡(luò)、驅(qū)動器等產(chǎn)品）的高度集成。實踐證明，采用T.I.A集成概念設(shè)計的控制系統(tǒng)很難被抄襲。同一個軟件平臺，相同的硬件組成，一樣的總線通訊，完全可以設(shè)計出截然不同的控制系統(tǒng)，這是一個讓開發(fā)者自由發(fā)揮的平臺。例如，一個CPU315-2DP和2個MM440變頻器進行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，還能實現(xiàn)2個MM440之間的直接的快速數(shù)據(jù)交換，另外通過DRIVES ES還能實現(xiàn)PLC和MM440之間超過10個總共16個PZD過程數(shù)據(jù)的交換，實現(xiàn)PLC批量下載變頻器參數(shù)的功能。而這一切的實現(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)是如何控制這兩臺驅(qū)動器的速度的。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，而即使仿制者是個西門子產(chǎn)品的專家，要獨自分析清楚具體細節(jié)問題也不是件容易的事情。從某種程度上說，T.I.A大大提高了對仿制者的技術(shù)水平要求的門檻，達到西門子系統(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，占領(lǐng)技術(shù)制高點，加大仿制或抄襲的技術(shù)難度。
2. 使用通訊功能
　　在實際的工作中，我們往往會遇到一些系統(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)量之間的信號互連的方案。對于前者，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系統(tǒng)的技術(shù)要求，同時可以防止仿制者通過驅(qū)動器工作參數(shù)分析系統(tǒng)尤其在驅(qū)動方面的工作原理和設(shè)計思路。西門子公司的工程軟件DRIVE ES BASIC/SIAMTIC，為廣大的西門子產(chǎn)品用戶實現(xiàn)此類功能提供了一個強大的工具；而使用SIMATIC PLC卻使用第三方驅(qū)動器的用戶，也可以自行開發(fā)針對性的參數(shù)讀寫程序，一般支持PROFIBU-DP的驅(qū)動器都可以實現(xiàn)。
　　有時候我們的控制系統(tǒng)會由多個子控制系統(tǒng)構(gòu)成，由此形成多CPU加人機界面的網(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），定時或不定時地在CPU之間進行少量數(shù)據(jù)交換，通過這些數(shù)據(jù)實現(xiàn)子系統(tǒng)控制邏輯的互鎖。對于這樣的系統(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界面
　　盡量在自動化系統(tǒng)中使用面板類型的人機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，面板型人機界面能夠?qū)崿F(xiàn)程序上載并實現(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識和聯(lián)系方式等信息，仿制者還不至于傻到連這個也原樣照抄吧。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和在線監(jiān)視來獲取PLC內(nèi)部變量的變化邏輯，費時費力，極大的增加了仿制抄襲的難度。
4. 采用高級語言編寫部分重要的工藝程序
　　這一點主要針對采用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標準編程語言來開發(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，即使有也不一定會使用，更不用說來讀懂這些程序了。
　　Ø 在項目具體實施的過程中，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：
　　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層次的編程方式，這樣編出來的程序中嵌入系統(tǒng)的保護加密程序，才不容易被發(fā)現(xiàn)和破解
　　2. 主動保護方法
　　a） 利用系統(tǒng)的時鐘
　　b） 利用程序卡或者CPU的ID號和序列號
　　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犯的錯誤
　　3. 被動保護方法
　　a） 在內(nèi)存容量利用許可的條件下，不要刪除被認為是無用的程序
　　b） 在數(shù)據(jù)塊里留下開發(fā)者的標識，以便于將來遭到侵權(quán)時可以取證
　　4. 應(yīng)用反破解技術(shù)的注意事項
　　a） 在用戶程序中嵌入保護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，變量符號名應(yīng)與被嵌入程序段的變量保持一致
　　b） 往往一種保護加密手段是不夠的，應(yīng)該多種方法并用，并且這些保護程序一旦激活后對系統(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，時間與成本，短時間內(nèi)讓抄襲者束手無策，
　　c） 保護好程序的原代碼，如果需要交付程序的，在不影響用戶對設(shè)備維護的前提下，應(yīng)對交付的程序做適當(dāng)?shù)募夹g(shù)處理，如刪除部分符號名，采用上載的程序或數(shù)據(jù)塊
　　d） 做好嚴格的測試，以避免保護程序的不完善引起的誤動作而帶來的不必要的麻煩，同時也能降低售后服務(wù)的的費用
　　Ø 運用保護手段的原則
　　我們雖然掌握了一些加密保護的手段，有一點必須明白，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等其他諸如法律手段來保護我們的知識產(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，用不好不僅不起作用，給售后服務(wù)帶來許多麻煩，還會得罪客戶；好人掌握這種技術(shù)是用來保護自己不被侵權(quán)，而用心不良的人會利用它去要挾客戶。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，請讀者們諒解。
　　謹以此文獻給并鼓舞那些辛勤奮斗在開發(fā)生產(chǎn)一線為祖國自動化事業(yè)做出巨大貢獻的諸多同行；同時譴責(zé)那些企圖不勞而獲，竊取他人勞動成果的仿制者侵權(quán)者。