基于西門子S7-300 PLC的電子密碼鎖系統設計*

莫 冰，劉長江

(1.四川理工學院 自動化與信息工程學院,四川 自貢 643000;2.四川理工學院 數學與統計學院,四川 自貢 643000)

基于西門子S7-300 PLC的電子密碼鎖系統設計*

莫 冰1,2，劉長江2

(1.四川理工學院 自動化與信息工程學院,四川 自貢 643000;2.四川理工學院 數學與統計學院,四川 自貢 643000)

西門子S7-300可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)在工業控制系統中有較為廣泛的應用，但一直以來缺少密碼鎖方面的相關研究。針對西門子S7-300 PLC控制的相關工業設備，設計了一類內嵌式電子密碼鎖系統，并將該系統的解密與設密與PLC控制原理相結合，使其能直接應用于工業設備，從而實現設備的防盜功能。最后，采用軟件STEP 7 SIMATIC對密碼鎖系統進行編程和測試，其仿真結果表明密碼鎖的功能是可靠且有效的。

密碼鎖；PLC；STEP 7 SIMATIC；S7-300

0 引言

縱觀密碼鎖的悠久歷史，其種類繁多，從機械密碼鎖發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點被人們所廣泛關注和使用。其特點如下。

(1)保密性能好，隨機輸入成功率極低，避免資料的丟失和財產的流失。

(2)密碼可以隨時更改，防止密碼被盜。

(3)比機械鎖零件少，減少人為的磨損。

(4)使用方便靈活，不需要佩帶鑰匙來開鎖[1]。

如今，在工業和工程領域中，因其自身的易操作性，PLC被廣泛使用在工業過程控制中。但是在一些大型的PLC工業整體系統中，由于非專業操作員的不當使用以及PLC程序的泄露，導致經濟效益下降和財產的損失，產生了諸多不安全性因素，所以本文提出一種基于PLC的密碼鎖設計，該設計應用于PLC所處的工業領域的防盜中，可以大大加強管控力度，保證系統的安全運行，提高工廠的經濟效益。

但是工業領域中將密碼鎖嵌入到PLC中用于防盜的案例實在太少，為了填補其空缺，本文采用德國西門子S7-300 PLC來實現密碼的設定和解鎖功能，其結構簡單,且故障率低。

S7-300系列PLC采用模塊化結構[2]，適用于輸入/輸出(I/O)點數在1 000左右的集中或分布式控制系統，一般由中央處理單元(CPU)、輸入信號模塊、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S7-300 PLC系統只需中央處理單元、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定，第一號槽位是電源模塊，第二號槽位是中央處理器模塊，第三號槽位是接口模塊，接下來的模塊可以自由分配接上即可[4]。

本文采用STEP 7 SIMATIC軟件結合S7-300 PLC芯片，仿真出密碼鎖的部分功能。STEP7 SIMATIC V5.5軟件是德國西門子公司針對S7-300/400 PLC所研發的一款支持中文及多個國家語言的編程軟件[5]，本文采用此編程軟件對密碼鎖的部分功能進行仿真。

目前，PLC技術已經被廣泛應用于機械制造、能源、交通運輸及文化娛樂等行業中。隨著其進一步發展，PLC必將滲透到生活中的每個角落[6-8]。對密碼鎖和以太網結合技術的深入研究也會給生活中各領域的防盜帶來極大的改善。

1 問題描述

1.1 控制原理

本文設計的密碼鎖系統主要包括開鎖和設密碼兩個部分。在開鎖環節，進行輸入數字的判斷以及輸入位數的判斷，本文采用四位密碼輸入的形式，當依次輸入的數字與設定的密碼完全一致時，實現開鎖，否則開鎖失敗；另外在此環節還增加了超時自鎖功能，當用戶超過某一時間不輸入密碼，鍵盤將自動加鎖；在設密碼環節，依次輸入要設置的密碼即可，按下確定鍵即實現密碼的設置，同時密碼已重置。同樣在此環節，用戶沒有在規定時間重置密碼，鍵盤將自動加鎖。

1.2 結構和符號表

基于西門子S7-300PLC控制的密碼鎖結構的外部接線圖如圖1所示。

圖1 PLC外部接線圖

由圖1可知，本文采用15個按鍵輸入和6個指示燈作為輸出，可以清楚地看出密碼解鎖和設密的整個過程。

用PLC進行仿真，必須將按鍵和指示燈轉化為大家熟知的按鈕，這就必須將其符號表[9]導入程序中進行仿真，本文的PLC密碼鎖的符號表如表1所示。

表1 密碼鎖符號表

2 軟件設計

2.1 功能模塊FC1

功能塊FC1主要描述開鎖的程序，利用PLC的內部存儲器標志位存儲器區(M區)，賦予0～9不同的地址，詳情可見文獻[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 "密碼錯誤"

AN "取消"

= M 11.0

以上程序表明，當密碼正確(Q11.1燈亮)和密碼錯誤(Q11.2燈亮)任意一個有效的時候，按鍵0～9均無效，而當取消按鍵按下時，0～9也均無效。

接下來的工作就是判斷輸入的位數是否滿足設定的位數要求，利用一個加法計數器，每當0～9的按鍵按下時，都會加1，按下取消按鍵則給計數器清零。

如何判斷輸入是否正確是開鎖過程中最重要的部分，在OB1主程序中設定初值地址MW0、MW2、MW4、MW6四個初值，詳情可見文獻[11]。在FC1模塊中設定四個變量地址，即0～9按鍵按下時的數轉化為十六進制的數所存放的變量地址，分別為MW30、MW32、MW34、MW36，主要程序如下：

A M 60.2

A(

L MW 0

L MW 30

==I

)

A(

L MW 2

L MW 32

==I

)

A(

L MW 4

L MW 34

==I

)

A(

L MW 6

L MW 36

==I

)

A(

L MW 40

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密部分的程序，首先介紹0～9按鍵按下時的數由地址MW0、MW2、MW3以及MW4傳送給新設定的地址MW50、MW52、MW54和MW56，由MW0～MW50借助當前值地址MW10來完成數據的傳遞，其程序如下：

A(

L MW 40

L 1

==I

)

JNB _001

L "當前密碼位的值"

T MW 50

_001:NOP 0

其次，當設定的密碼達到四位時，將之前已經賦值的地址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的功能可簡述為兩點：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用，以完成程序的編譯，功能模塊相當于組織模塊的子程序。

初始密碼的設定：為方便程序調試，初始密碼設為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制儲存在以上地址中，其主要程序如下：

A(

O M 8.0

ON M 8.0

)

FP M 8.1

= 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

當按下開鎖按鍵時，會提示請“輸入密碼”的字樣，一旦輸入密碼，按下確定鍵，即可完成密碼的驗證，PLC驗證密碼的程序和設定密碼的程序相似，其程序如下：

A(

O "設定"

O M 61.2

)

AN "密碼已重置"

AN "加鎖"

AN "超時50S取消改密碼"

= M 61.2

= "請設定密碼"

L S5T#50S

SD "超時50S取消改密碼"

OB1組織模塊的關鍵是如何判定密碼輸入錯誤，當沒有依次輸入密碼或密碼的輸入位數超過四位時，均不能通過密碼驗證，在驗證完密碼是否正確后，要將FC1功能模塊中加法計數器儲存的位數MW40清零，以便在下一次輸入的過程中，MW40從0開始計數，程序如下：

A(

A(

O "密碼正確"

O M 61.2

)

A "加鎖"

O "超時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 MW 40

_007:NOP 0

本文中的電子密碼鎖系統可以嵌入到相關的PLC的工業設備中，作為設備的開啟模塊或部分危險操作的保護模塊，從而有效降低設備的誤操作率，提高整個系統的安全性。

3 仿真結果

本文采用PLCSIM仿真器進行程序的仿真。

首先要調試的是密碼的驗證結果，驗證仿真結果依次為開鎖前(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)。

其次是調試設密程序，將初始密碼設置成0000，然后將密碼改成0123進行調試，其仿真結果依次為設置密碼前(如圖5所示)、設置密碼后(如圖6所示)和密碼已重置(如圖7所示)。圖中的前四個矩形框用于驗證數字，第五個矩形框用于驗證位數。

圖2 開鎖前

圖3 密碼輸入后

圖4 密碼輸入正確

圖5 設置密碼前

圖6 設置密碼

圖7 密碼已重置

本文的仿真結果，清晰地展示了整個密碼鎖系統的運行狀態和運行的過程。經過驗證，程序是合理有效的。

4 結論

本文提出的基于西門子S7-300 PLC的密碼鎖設計，主要遵循PLC的外部輸入輸出的特性來進行相關研究和設計，從而使密碼鎖的解密和設密功能得以實現。就密碼鎖的功能齊全性而言，本設計還有待進一步改進。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，以此來簡化密碼鎖的程序，即使出現故障也能快速地修復，不影響整個系統的運行。

在本文的基礎上，密碼鎖系統還可以與圖像識別技術(例如指紋識別、虹膜識別)等結合起來應用于高級密碼鎖中[12-14]，從而完善其防盜的功能，具有工業領域或者現實生活中所要求的一些功能特性。

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[6] PAYNE J.Future of the PLC[J].Control Engineering， 2014,61(9):56-62.

[7] ALPHONSUS E R,ABDULLAH M O.Areview on the applications of programmable logic controllers(PLCs)[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2016,60(1):1185-1205.

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Design of electronic lock systems based on SIEMENS S7-300 PLC

Mo Bing1,2,Liu Changjiang2

(1.School of Automation and Information Engineering,Sichuan University of Science and Engineering,Zigong 643000,China;2.School of Mathematics and Statistics,Sichuan University of Science and Engineering,Zigong 643000,China)

The SIEMENS S7-300 PLC(Programmable Logic Controller) has been widely applied in industrial control systems,but there were few related researches of coded lock.In this paper,a class of embedded electronic lock systems is designed to control the industry devices based on SIEMENS S7-300 PLC.Integrating the decryption and encryption for the systems with PLC control principles,the systems can be directly applied to ensure the anti-theft function of the industry devices.Finally,the systems are programmed and tested by using STEP 7 SIMATIC,and the simulation results show that the lock is reliable and effective.

lock; programmable logic controller; STEP 7 SIMATIC; S7-300

四川省人工智能重點實驗室資助項目(2014RZY02)；四川省橋梁無損檢測與工程計算重點實驗室資助項目(2014QZY01)

TP277

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.10.003

莫冰，劉長江.基于西門子S7-300 PLC的電子密碼鎖系統設計[J].微型機與應用，2017,36(10)：7-10,14.

2016-12-27)

莫冰(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：圖形圖像處理、智能控制。

劉長江(1979-)，男，博士，副教授，主要研究方向：圖形圖像處理、智能軟件。