莫冰1,2，劉長(zhǎng)江2
(1.四川理工學(xué)院 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院, 四川 自貢 643000;2.四川理工學(xué)院 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院, 四川 自貢 643000)
摘要：西門子S7-300可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）在工業(yè)控制系統(tǒng)中有較為廣泛的應(yīng)用，但一直以來缺少密碼鎖方面的相關(guān)研究。針對(duì)西門子S7300 PLC控制的相關(guān)工業(yè)設(shè)備，設(shè)計(jì)了一類內(nèi)嵌式電子密碼鎖系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)的解密與設(shè)密與PLC控制原理相結(jié)合，使其能直接應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的防盜功能。最后，采用軟件STEP 7 SIMATIC對(duì)密碼鎖系統(tǒng)進(jìn)行編程和測(cè)試，其仿真結(jié)果表明密碼鎖的功能是可靠且有效的。
關(guān)鍵詞：密碼鎖；PLC；STEP 7 SIMATIC；S7-300
中圖分類號(hào)：TP277文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.10.003
引用格式：莫冰，劉長(zhǎng)江.基于西門子S7-300 PLC的電子密碼鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（10）：7-10,14.
0引言
*基金項(xiàng)目：四川省人工智能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目（2014RZY02）；四川省橋梁無損檢測(cè)與工程計(jì)算重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目（2014QZY01）
縱觀密碼鎖的悠久歷史，其種類繁多，從機(jī)械密碼鎖發(fā)展到如今功能齊全的電子密碼鎖。電子密碼鎖以其自身的優(yōu)點(diǎn)被人們所廣泛關(guān)注和使用。其特點(diǎn)如下。
?。?）保密性能好，隨機(jī)輸入成功率極低，避免資料的丟失和財(cái)產(chǎn)的流失。
?。?）密碼可以隨時(shí)更改，防止密碼被盜。
?。?）比機(jī)械鎖零件少，減少人為的磨損。
?。?）使用方便靈活，不需要佩帶鑰匙來開鎖［1］。
如今，在工業(yè)和工程領(lǐng)域中，因其自身的易操作性，PLC被廣泛使用在工業(yè)過程控制中。但是在一些大型的PLC工業(yè)整體系統(tǒng)中，由于非專業(yè)操作員的不當(dāng)使用以及PLC程序的泄露，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益下降和財(cái)產(chǎn)的損失，產(chǎn)生了諸多不安全性因素，所以本文提出一種基于PLC的密碼鎖設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)應(yīng)用于PLC所處的工業(yè)領(lǐng)域的防盜中，可以大大加強(qiáng)管控力度，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，提高工廠的經(jīng)濟(jì)效益。
但是工業(yè)領(lǐng)域中將密碼鎖嵌入到PLC中用于防盜的案例實(shí)在太少，為了填補(bǔ)其空缺，本文采用德國(guó)西門子S7300 PLC來實(shí)現(xiàn)密碼的設(shè)定和解鎖功能，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,且故障率低。
S7300系列PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)［2］，適用于輸入/輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)在1 000左右的集中或分布式控制系統(tǒng)，一般由中央處理單元（CPU）、輸入信號(hào)模塊、輸出模塊、電源模塊、通信模塊、接口模塊和功能模塊等組成［3］，其中最基本的S7300 PLC系統(tǒng)只需中央處理單元、電源模塊以及輸入輸出模塊組成。在模塊的安裝方面也有一些規(guī)定，第一號(hào)槽位是電源模塊，第二號(hào)槽位是中央處理器模塊，第三號(hào)槽位是接口模塊，接下來的模塊可以自由分配接上即可［4］。
本文采用STEP 7 SIMATIC軟件結(jié)合S7300 PLC芯片，仿真出密碼鎖的部分功能。STEP7 SIMATIC V5.5軟件是德國(guó)西門子公司針對(duì)S7300/400 PLC所研發(fā)的一款支持中文及多個(gè)國(guó)家語(yǔ)言的編程軟件［5］，本文采用此編程軟件對(duì)密碼鎖的部分功能進(jìn)行仿真。
目前，PLC技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、能源、交通運(yùn)輸及文化娛樂等行業(yè)中。隨著其進(jìn)一步發(fā)展，PLC必將滲透到生活中的每個(gè)角落［68］。對(duì)密碼鎖和以太網(wǎng)結(jié)合技術(shù)的深入研究也會(huì)給生活中各領(lǐng)域的防盜帶來極大的改善。
1問題描述
1.1控制原理
本文設(shè)計(jì)的密碼鎖系統(tǒng)主要包括開鎖和設(shè)密碼兩個(gè)部分。在開鎖環(huán)節(jié)，進(jìn)行輸入數(shù)字的判斷以及輸入位數(shù)的判斷，本文采用四位密碼輸入的形式，當(dāng)依次輸入的數(shù)字與設(shè)定的密碼完全一致時(shí)，實(shí)現(xiàn)開鎖，否則開鎖失?。涣硗庠诖谁h(huán)節(jié)還增加了超時(shí)自鎖功能，當(dāng)用戶超過某一時(shí)間不輸入密碼，鍵盤將自動(dòng)加鎖；在設(shè)密碼環(huán)節(jié)，依次輸入要設(shè)置的密碼即可，按下確定鍵即實(shí)現(xiàn)密碼的設(shè)置，同時(shí)密碼已重置。同樣在此環(huán)節(jié)，用戶沒有在規(guī)定時(shí)間重置密碼，鍵盤將自動(dòng)加鎖。
1.2結(jié)構(gòu)和符號(hào)表
基于西門子S7300PLC控制的密碼鎖結(jié)構(gòu)的外部接線圖如圖1所示。
由圖1可知，本文采用15個(gè)按鍵輸入和6個(gè)指示燈作為輸出，可以清楚地看出密碼解鎖和設(shè)密的整個(gè)過程。
用PLC進(jìn)行仿真，必須將按鍵和指示燈轉(zhuǎn)化為大家熟知的按鈕，這就必須將其符號(hào)表［9］導(dǎo)入程序中進(jìn)行仿真，本文的PLC密碼鎖的符號(hào)表如表1所示。
2軟件設(shè)計(jì)
2.1功能模塊FC1
功能塊FC1主要描述開鎖的程序，利用PLC的內(nèi)部存儲(chǔ)器標(biāo)志位存儲(chǔ)器區(qū)（M區(qū)），賦予0~9不同的地址，詳情可見文獻(xiàn)［10］。由于0~9的程序非常相似，以下只列出按鍵0的程序：
A(
O "0"
O M 11.0
)
AN "密碼正確"
AN"密碼錯(cuò)誤"
AN"取消"
= M 11.0
以上程序表明，當(dāng)密碼正確(Q11.1燈亮)和密碼錯(cuò)誤(Q11.2燈亮)任意一個(gè)有效的時(shí)候，按鍵0~9均無效，而當(dāng)取消按鍵按下時(shí)，0~9也均無效。
接下來的工作就是判斷輸入的位數(shù)是否滿足設(shè)定的位數(shù)要求，利用一個(gè)加法計(jì)數(shù)器，每當(dāng)0~9的按鍵按下時(shí)，都會(huì)加1，按下取消按鍵則給計(jì)數(shù)器清零。
如何判斷輸入是否正確是開鎖過程中最重要的部分，在OB1主程序中設(shè)定初值地址MW0、MW2、MW4、MW6四個(gè)初值，詳情可見文獻(xiàn)［11］。在FC1模塊中設(shè)定四個(gè)變量地址，即0~9按鍵按下時(shí)的數(shù)轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制的數(shù)所存放的變量地址，分別為MW30、MW32、MW34、MW36，主要程序如下：
A M 60.2
A(
L MW 0
L MW30
==I
)
A(
L MW 2
L MW32
==I
)
A(
L MW 4
L MW34
==I
)
A(
L MW 6
L MW36
==I
)
A(
L MW40
L 4
==I
)
= M 60.3
2.2功能模塊FC2
FC2功能塊與FC1在功能形式上是相似的，利用開鎖部分的程序類推得到設(shè)密部分的程序，首先介紹0~9按鍵按下時(shí)的數(shù)由地址MW0、MW2、MW3以及MW4傳送給新設(shè)定的地址MW50、MW52、MW54和MW56，由MW0~MW50借助當(dāng)前值地址MW10來完成數(shù)據(jù)的傳遞，其程序如下：
A(
L MW40
L 1
==I
)
JNB _001
L "當(dāng)前密碼位的值"
T MW50
_001: NOP 0
其次，當(dāng)設(shè)定的密碼達(dá)到四位時(shí)，將之前已經(jīng)賦值的地址MW50、MW52、MW54和MW56重新傳遞給MW0、MW2、MW4和MW6，按下確定鍵，則顯示密碼已重置，完成密碼的修改。
2.3組織模塊OB1
組織模塊OB1的功能可簡(jiǎn)述為兩點(diǎn)：第一，編譯主程序；第二，使所有的功能模塊都必須在組織塊中調(diào)用，以完成程序的編譯，功能模塊相當(dāng)于組織模塊的子程序。
初始密碼的設(shè)定：為方便程序調(diào)試，初始密碼設(shè)為0000，借助功能模塊中的地址MW0、MW2、MW4和MW6來完成，將起始密碼的十六進(jìn)制儲(chǔ)存在以上地址中，其主要程序如下：
A(
O M8.0
ONM8.0
)
FPM8.1
= L 20.0
A L 20.0
JNB _001
L W#16#1
T MW 0
_001: NOP 0
A L 20.0
JNB _002
L W#16#1
T MW 2
_002: NOP 0
A L 20.0
JNB _003
L W#16#1
T MW 4
_003: NOP 0
A L 20.0
JNB _004
L W#16#1
T MW 6
_004: NOP 0
當(dāng)按下開鎖按鍵時(shí)，會(huì)提示請(qǐng)“輸入密碼”的字樣，一旦輸入密碼，按下確定鍵，即可完成密碼的驗(yàn)證，PLC驗(yàn)證密碼的程序和設(shè)定密碼的程序相似，其程序如下：
A(
O "設(shè)定"
O M 61.2
)
AN"密碼已重置"
AN"加鎖"
AN"超時(shí)50S取消改密碼"
= M 61.2
= "請(qǐng)?jiān)O(shè)定密碼"
L S5T#50S
SD"超時(shí)50S取消改密碼"
OB1組織模塊的關(guān)鍵是如何判定密碼輸入錯(cuò)誤，當(dāng)沒有依次輸入密碼或密碼的輸入位數(shù)超過四位時(shí)，均不能通過密碼驗(yàn)證，在驗(yàn)證完密碼是否正確后，要將FC1功能模塊中加法計(jì)數(shù)器儲(chǔ)存的位數(shù)MW40清零，以便在下一次輸入的過程中，MW40從0開始計(jì)數(shù)，程序如下：
A(
A(
O "密碼正確"
O M 61.2
)
A "加鎖"
O "超時(shí)1M鎖鍵盤"
O "鍵盤已加鎖"
)
AN"開鎖"
= L 20.0
A L 20.0
BLD 102
= "鍵盤已加鎖"
A L 20.0
JNB _007
L W#16#0
T MW40
_007: NOP 0
本文中的電子密碼鎖系統(tǒng)可以嵌入到相關(guān)的PLC的工業(yè)設(shè)備中，作為設(shè)備的開啟模塊或部分危險(xiǎn)操作的保護(hù)模塊，從而有效降低設(shè)備的誤操作率，提高整個(gè)系統(tǒng)的安全性。
3仿真結(jié)果
本文采用PLCSIM仿真器進(jìn)行程序的仿真。
首先要調(diào)試的是密碼的驗(yàn)證結(jié)果，驗(yàn)證仿真結(jié)果依次為開鎖前(如圖2所示)、輸入四位密碼后(如圖3所示)以及密碼正確后(如圖4)。
其次是調(diào)試設(shè)密程序，將初始密碼設(shè)置成0000，然后將密碼改成0123進(jìn)行調(diào)試，其仿真結(jié)果依次為設(shè)置密碼前(如圖5所示)、設(shè)置密碼后(如圖6所示)和密碼已重置(如圖7所示)。圖中的前四個(gè)矩形框用于驗(yàn)證數(shù)字，第五個(gè)矩形框用于驗(yàn)證位數(shù)。
本文的仿真結(jié)果，清晰地展示了整個(gè)密碼鎖系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行的過程。經(jīng)過驗(yàn)證，程序是合理有效的。
4結(jié)論
本文提出的基于西門子S7300 PLC的密碼鎖設(shè)計(jì)，主要遵循PLC的外部輸入輸出的特性來進(jìn)行相關(guān)研究和設(shè)計(jì)，從而使密碼鎖的解密和設(shè)密功能得以實(shí)現(xiàn)。就密碼鎖的功能齊全性而言，本設(shè)計(jì)還有待進(jìn)一步改進(jìn)。另外本文所編寫的程序都是基于PLC程序之間具有相似性來編寫的，以此來簡(jiǎn)化密碼鎖的程序，即使出現(xiàn)故障也能快速地修復(fù)，不影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。
在本文的基礎(chǔ)上，密碼鎖系統(tǒng)還可以與圖像識(shí)別技術(shù)（例如指紋識(shí)別、虹膜識(shí)別）等結(jié)合起來應(yīng)用于高級(jí)密碼鎖中［1214］，從而完善其防盜的功能，具有工業(yè)領(lǐng)域或者現(xiàn)實(shí)生活中所要求的一些功能特性。
參考文獻(xiàn)
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?。?］ 吳麗, 劉玉賓. 西門子S7300 PLC基礎(chǔ)與應(yīng)用［M］. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2011.