ST数据加密：在ST中实现简单的异或加密保护参数

在西门子S7-1200/1500 PLC的结构化文本（ST）编程中，保护关键工艺参数（如PID设定值、电机限幅、配方常数）不被非授权修改，是自动化系统安全设计的重要一环。ST语言本身不提供内置加密库，但可通过异或（XOR）加密这一轻量、可逆、无状态的位运算，在资源受限的PLC环境中实现高效参数混淆。该方法无需额外硬件、不增加扫描周期负担，且密钥完全由用户控制，适用于防止HMI误操作、工程调试时的临时锁定、或基础级防篡改场景。

以下指南全程使用TIA Portal V18（兼容V16–V20），所有代码均可直接粘贴至FB/FC的ST编辑器中运行，无需调用库函数或外部指令。

一、理解异或加密原理：为什么它适合PLC

异或运算是二进制层面的逻辑操作，满足三个核心性质：

• 自反性：A XOR B XOR B = A
  即对同一数据连续两次用相同密钥异或，结果还原为原始值。
• 可交换性：A XOR B = B XOR A
• 无进位/无溢出：每个位独立计算，不产生进位，不会因数据长度变化导致结果异常。

因此，加密过程即：加密后值 := 原始值 XOR 密钥
解密过程即：原始值 := 加密后值 XOR 密钥

该过程在ST中仅需一行语句，执行时间恒定（通常≤0.1 μs），且支持任意整型（INT、DINT、UDINT）和字节数组（ARRAY[0..n] OF BYTE）。不适用于浮点数直接加密——因IEEE 754格式中符号位、指数位、尾数位含义不同，直接异或会破坏数值语义；必须先转为整型表示（如REAL_TO_DINT）再处理，并严格配套转换回写逻辑。

二、准备工作：定义密钥与数据结构

密钥必须满足两个条件：固定性（每次加解密使用相同值）、隐蔽性（不硬编码在HMI或DB注释中）。推荐将密钥存储于只读DB的私有区域，并通过FB封装访问逻辑。

1. 创建密钥DB（KeyDB）

   • 新建数据块 DB_Key，属性设为“优化的块访问”关闭（确保符号地址可寻址）；
   • 添加静态变量：

     Key1 : UINT := 16#A5F3; // 掩码1，建议16位非零值，避开全0/全1
     Key2 : UDINT := 16#DEAD_BEEF; // 掩码2，用于DINT类参数

   • 将 DB_Key 的“访问权限”设为“读写 – 仅限程序内部”，并在“属性 > 保护”中勾选“阻止从HMI/OPC UA读取”。

2. 定义待保护参数的数据结构
   不要逐个变量加密。统一使用结构体（STRUCT）打包相关参数，提升维护性与一致性：

   TYPE ST_ProtectedParams :
   STRUCT
       MaxSpeed_rpm    : INT;      // 最大转速（工艺关键）
       TempSetpoint_C  : REAL;     // 温度设定值（需特殊处理）
       AlarmThreshold  : DINT;     // 报警阈值（整型）
       RecipeID        : STRING[8]; // 配方编号（字符串需按字节处理）
   END_STRUCT
   END_TYPE

   ⚠️ 注意：STRING 在S7中实际为 ARRAY[0..7] OF BYTE（首字节存长度），因此需按字节逐位异或；REAL 必须先转为 DINT 再加密，否则解密后无法还原为有效浮点数。

三、编写加密FB：EncryptParam_FB

新建功能块 EncryptParam_FB，接口如下：

ST代码实现（完整可复制）：

// EncryptParam_FB - ST代码区
VAR
    static_bLastEncrypt : BOOL;
    static_uLastKey : UDINT;
END_VAR

// 检测模式切换（避免重复触发）
IF bEncrypt <> static_bLastEncrypt OR uKey <> static_uLastKey THEN
    uDataOut := uDataIn XOR uKey;
    bDone := TRUE;
    static_bLastEncrypt := bEncrypt;
    static_uLastKey := uKey;
ELSE
    bDone := FALSE;
END_IF

✅ 优势：

• 使用静态变量缓存上一次密钥与模式，仅在参数变更时执行XOR，杜绝扫描周期内重复计算；
• bDone 提供明确执行反馈，便于上层逻辑同步调用。

四、处理不同类型参数的实操步骤

1. 加密/解密 INT 或 DINT 类型（如 MaxSpeed_rpm, AlarmThreshold）

直接调用 EncryptParam_FB，密钥选用 DB_Key.Key1（UINT）或 DB_Key.Key2（UDINT），注意类型扩展：

// 示例：加密 MaxSpeed_rpm（INT → 转为UDINT再运算）
Encrypt_Speed(
    bEncrypt := TRUE,
    uDataIn := UDINT#(stParams.MaxSpeed_rpm),  // 符号扩展为UDINT
    uKey := DB_Key.Key2,
    uDataOut => uEncryptedSpeed,
    bDone => bSpeedEncDone
);
// 解密时，将结果强制转回INT：
IF bSpeedEncDone THEN
    stParams.MaxSpeed_rpm := INT#(uEncryptedSpeed); // 自动截断高位，安全
END_IF

2. 加密/解密 REAL 类型（如 TempSetpoint_C）

必须经过 REAL ↔ DINT 转换，且全程使用 DINT 运算：

// 加密REAL
uTempAsDINT := REAL_TO_DINT(stParams.TempSetpoint_C);
Encrypt_Temp(
    bEncrypt := TRUE,
    uDataIn := UDINT#(uTempAsDINT),
    uKey := DB_Key.Key2,
    uDataOut => uEncryptedTemp,
    bDone => bTempEncDone
);

// 解密REAL（严格顺序不可颠倒）
IF bTempEncDone THEN
    uDecryptedDINT := DINT#(uEncryptedTemp); // 先转回DINT
    stParams.TempSetpoint_C := DINT_TO_REAL(uDecryptedDINT);
END_IF

🔑 关键提醒：REAL_TO_DINT 默认采用“舍入到最近偶数”，若需截断，改用 REAL_TO_DINT_TRUNC（TIA V17+）；务必保证加解密使用完全相同的转换函数。

3. 加密/解密 STRING[8]（如 RecipeID）

按字节逐位异或，密钥需循环使用（密钥长度 < 字符串字节数时）：

// 假设 stParams.RecipeID 是 STRING[8]，底层为 ARRAY[0..7] OF BYTE
// 定义局部变量：
arBytesIn : ARRAY[0..7] OF BYTE;
arBytesOut : ARRAY[0..7] OF BYTE;
i : INT;

// 拆包字符串为字节数组（首字节为长度，后7字节为字符）
arBytesIn[0] := LEN(stParams.RecipeID);
FOR i := 1 TO 7 DO
    arBytesIn[i] := BYTE#(stParams.RecipeID[i]);
END_FOR;

// 循环异或（使用Key1逐字节）
FOR i := 0 TO 7 DO
    arBytesOut[i] := arBytesIn[i] XOR BYTE#(DB_Key.Key1 MOD 256); // 取Key1低8位作字节密钥
END_FOR;

// 重组字符串
stParams.RecipeID := ''; // 清空
stParams.RecipeID[0] := arBytesOut[0]; // 写入长度
FOR i := 1 TO 7 DO
    stParams.RecipeID[i] := CHAR#(arBytesOut[i]);
END_FOR;

✅ 此方案兼容任意STRING[n]，只需调整数组范围与循环上限。

五、集成到主逻辑：双态保护机制

为防止单次调用失效，建议在参数写入路径上部署双检查机制：既加密存储，又在读取时校验完整性。

1. 加密写入流程
   当HMI提交新参数时：

   • 校验输入合法性（如MaxSpeed_rpm ∈ [0..3000]）；
   • 调用加密FB处理各字段；
   • 写入加密后值到受保护DB（如DB_MachineParams）；
   • 设置“已加密”标志位（如DB_MachineParams.bEncrypted := TRUE）。

2. 安全读取流程
   在控制算法中读取参数前：

   • 检查 bEncrypted 标志；
   • 若为 TRUE，则调用解密FB加载明文到工作变量；
   • 若为 FALSE，触发报警并停机（表明参数被绕过加密直接写入）。

// 主程序片段（OB1）
IF DB_MachineParams.bEncrypted THEN
    // 解密所有字段到临时结构体 stWorkingParams
    DecryptAllParams(); // 封装了前述各类解密调用
    // 后续控制逻辑使用 stWorkingParams.xxx
ELSE
    // 紧急处理
    DB_Alarm.AlarmCode := 1001;
    DB_Alarm.AlarmText := 'PARAMS_NOT_ENCRYPTED';
    MachineState := STATE_STOP;
END_IF

六、增强安全性：密钥动态化（进阶）

静态密钥存在被离线分析风险。可升级为运行时生成密钥，例如：

• 使用系统时钟低8位：Key := BYTE#(TIME_OF_DAY() MOD 256)；
• 绑定硬件标识：Key := WORD#(SYS_GET_HW_ID(1))（需启用系统函数）；
• 多因子组合：Key := (DB_Key.Key1 * WORD#(CYCLE_TIME_MS())) XOR DB_Key.Key2。

⚠️ 注意：密钥必须在加解密全程保持一致。若用于多周期参数，需将生成的密钥缓存于静态变量，并在加密/解密FB中复用。

七、测试验证清单（必做）

八、局限性与规避建议

• 不防固件级攻击：PLC程序可被读取，密钥终将暴露。若需高等级防护，应结合S7-1500的“安全集成”功能或专用加密模块。
• 不替代访问控制：本方案不阻止HMI修改密文，仅确保明文不被直接读取。必须配合TIA Portal的“块保护密码”与CPU的“保护等级”设置（推荐设为“完全保护”）。
• 禁止用于安全相关参数：如急停阈值、安全门限位。功能安全参数必须遵循IEC 61508，本方案无认证资质。

九、完整代码模板（可直接导入）

// FB_EncryptManager - 封装全部加解密逻辑
FUNCTION_BLOCK FB_EncryptManager
VAR_INPUT
    bEncrypt : BOOL;
    stParamsIn : ST_ProtectedParams;
END_VAR
VAR_OUTPUT
    stParamsOut : ST_ProtectedParams;
    bSuccess : BOOL;
END_VAR
VAR
    // 中间变量（略，见前述各节）
END_VAR

// 主逻辑（精简版）
bSuccess := TRUE;

// 加密MaxSpeed
Encrypt_Speed(bEncrypt := bEncrypt, uDataIn := UDINT#(stParamsIn.MaxSpeed_rpm), uKey := DB_Key.Key2, uDataOut => uEncSpeed);
IF bEncrypt THEN
    stParamsOut.MaxSpeed_rpm := INT#(uEncSpeed);
ELSE
    stParamsOut.MaxSpeed_rpm := INT#(uEncSpeed);
END_IF;

// （其他字段同理...）

// REAL处理（关键！）
uTempDINT := REAL_TO_DINT(stParamsIn.TempSetpoint_C);
Encrypt_Temp(bEncrypt := bEncrypt, uDataIn := UDINT#(uTempDINT), uKey := DB_Key.Key2, uDataOut => uEncTemp);
IF bEncrypt THEN
    uDecDINT := DINT#(uEncTemp);
    stParamsOut.TempSetpoint_C := DINT_TO_REAL(uDecDINT);
ELSE
    uDecDINT := DINT#(uEncTemp);
    stParamsOut.TempSetpoint_C := DINT_TO_REAL(uDecDINT);
END_IF;