配方数据的加密存储与解密读取

电气自动化系统中，配方数据通常包含关键工艺参数，如温度设定、压力阈值、电机转速等。若这些数据以明文形式存储，极易被篡改或窃取，导致产品质量波动或技术泄露。本指南提供一套基于工业电脑（IPC）环境的加密存储与解密读取方案，确保数据在静止状态下的安全性。

准备工作

安装 Python 运行环境。访问 Python 官网下载最新版本，勾选 Add Python to PATH 选项，点击 Install Now 完成安装。

打开 命令行工具。按下 Win + R 键，输入 cmd，按下 回车 键。

安装 加密库。在命令行中 输入 以下命令并 按下 回车：

pip install cryptography

创建 项目文件夹。在磁盘根目录 新建 文件夹 RecipeSecurity，用于存放所有脚本与密钥文件。

生成加密密钥

密钥是加密与解密的核心，必须单独保存，严禁与加密数据放在同一位置。

创建 密钥生成脚本。在 RecipeSecurity 文件夹内 新建 文本文件，重命名 为 generate_key.py。

输入 以下代码内容：

from cryptography.fernet import Fernet

def write_key():
    key = Fernet.generate_key()
    with open("secret.key", "wb") as key_file:
        key_file.write(key)

if __name__ == "__main__":
    write_key()
    print("密钥已生成：secret.key")

保存 文件。按下 Ctrl + S 保存 修改，关闭 编辑器。

运行 脚本。在命令行中 切换 到 RecipeSecurity 目录，输入 python generate_key.py 并 按下 回车。

确认 文件生成。检查文件夹内是否出现 secret.key 文件，该文件包含二进制密钥数据，禁止 直接打开查看。

实现数据加密存储

加密过程将明文配方数据转换为不可读的密文，防止未经授权的访问。

创建 加密脚本。在 RecipeSecurity 文件夹内 新建 文件 encrypt_recipe.py。

输入 以下代码内容：

from cryptography.fernet import Fernet
import json

def load_key():
    return open("secret.key", "rb").read()

def encrypt_data(data_dict, filename):
    key = load_key()
    f = Fernet(key)
    # 将字典转换为 JSON 字符串
    json_data = json.dumps(data_dict).encode('utf-8')
    # 加密
    encrypted = f.encrypt(json_data)
    # 写入文件
    with open(filename, "wb") as file:
        file.write(encrypted)
    print(f"数据已加密并保存至：{filename}")

if __name__ == "__main__":
    # 示例配方数据
    recipe = {
        "ID": "P001",
        "Temperature": 150.5,
        "Pressure": 0.8,
        "Speed": 1200
    }
    encrypt_data(recipe, "recipe_encrypted.dat")

保存 文件。按下 Ctrl + S 保存 修改。

运行 脚本。在命令行中 输入 python encrypt_recipe.py 并 按下 回车。

验证 结果。检查文件夹内是否生成 recipe_encrypted.dat 文件，该文件内容为乱码，无法直接读取。

实现数据解密读取

解密过程仅由授权程序执行，将密文还原为可用的工艺参数。

创建 解密脚本。在 RecipeSecurity 文件夹内 新建 文件 decrypt_recipe.py。

输入 以下代码内容：

from cryptography.fernet import Fernet
import json

def load_key():
    return open("secret.key", "rb").read()

def decrypt_data(filename):
    key = load_key()
    f = Fernet(key)
    # 读取密文
    with open(filename, "rb") as file:
        encrypted_data = file.read()
    # 解密
    decrypted = f.decrypt(encrypted_data)
    # 转换回字典
    data_dict = json.loads(decrypted.decode('utf-8'))
    return data_dict

if __name__ == "__main__":
    try:
        recipe = decrypt_data("recipe_encrypted.dat")
        print("解密成功，配方参数如下：")
        for k, v in recipe.items():
            print(f"{k}: {v}")
    except Exception as e:
        print(f"解密失败：{e}")

保存 文件。按下 Ctrl + S 保存 修改。

运行 脚本。在命令行中 输入 python decrypt_recipe.py 并 按下 回车。

查看 输出。命令行应显示原始的配方参数值，证明解密成功。

系统集成流程

在自动化系统中，加密模块通常位于 HMI 或上位机软件中，与 PLC 进行数据交互。以下流程展示了数据从用户输入到最终存储的安全路径。

上述流程中，加密与解密模块必须封装为独立函数或类，避免密钥逻辑泄露。PLC 仅接收解密后的明文参数，不接触密钥文件。

数据存储对比

明文存储与加密存储在安全性与可读性上存在显著差异。下表展示了两种方式的直接对比，帮助理解加密的必要性。

密钥安全管理

密钥的安全性直接决定整个系统的安全性。若密钥丢失，加密数据将无法恢复；若密钥泄露，加密形同虚设。

分离 存储位置。将 secret.key 文件存放在与加密数据不同的磁盘分区，例如数据在 D:\Data，密钥在 E:\Keys。

设置 文件权限。右键 点击 密钥文件，选择 属性，进入 安全 选项卡，移除 所有用户组，仅保留当前运行账户的 读取 权限。

备份 密钥文件。将密钥拷贝至加密的 U 盘或安全服务器，禁止 通过邮件或即时通讯工具传输密钥。

轮换 密钥策略。每半年 生成 新密钥，重新加密 所有历史配方数据，并 销毁 旧密钥文件。

限制 访问代码。在软件代码中 硬编码 密钥路径，禁止 允许用户通过界面选择密钥文件位置，防止加载恶意密钥。

异常处理与日志

系统必须具备完善的异常处理机制，防止因解密失败导致生产线停机。

捕获 解密异常。在解密函数外围 包裹 try...except 结构，捕获 InvalidToken 等特定错误。

记录 错误日志。当解密失败时，写入 时间戳与错误代码到 error_log.txt，禁止 在日志中记录密钥信息或明文数据。

触发 报警信号。若连续三次解密失败，输出 数字信号至 PLC 报警寄存器，提示 操作员检查系统完整性。

保留 默认配方。在系统内部 固化 一套安全默认参数，当加密数据无法读取时，自动切换 至默认模式，维持基本运行。

隔离 故障模块。若加密组件损坏，禁用 配方加载功能，允许 手动模式运行，防止错误参数下发至设备。