CN107193745B - PLC程序到NuSMV输入模型的自动化构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业自动化控制技术领域，特别是涉及一种PLC程序到NuSMV输入模型的自动化构建方法，包括对PLC的ST语言进行分析，构建ST语言的语法；根据给出的ST语法对ST程序进行处理，将ST程序解析为抽象语法树AST；对抽象语法树AST进行处理，分析ST语言语句的控制流特征，确定各语句生成控制流图CFG的算法；根据控制流图CFG对ST程序进行数据流分析，构建状态转换邻接表和变量取值变化邻接表；根据构建的状态转换邻接表和变量取值变化邻接表生成NuSMV输入模型。本发明大大提高NuSMV工具对PLC程序进行模型检测的效率和准确度，实现对工业控制系统PLC代码的安全性验证。

Description

PLC程序到NuSMV输入模型的自动化构建方法

技术领域

本发明涉及工业自动化控制技术领域，特别是涉及一种PLC程序到NuSMV输入模型的自动化构建方法。

背景技术

工业控制系统广泛应用到工业自动化控制领域，比如电力、石油、国防科技等国家基础设施，以及食品、医药、交通等民生领域。工控安全事关经济发展、社会稳定和国家安全。近年来，随着信息化和工业化深入融合，工业控制系统从单机走向互联，从封闭走向开放，从自动化走向智能化，但同时也给工业控制系统安全带来前所未有的挑战。

工业控制器，即可编程逻辑控制器(PLC)作为工业控制系统的大脑，是一种专门用于工业控制的计算机，通过其上运行的业务代码控制整个系统的运行，PLC代码的安全直接管关系到整个工业控制系统的安全。可编程逻辑控制器支持梯形图语言(LD)、指令表语言(IL)、功能模块图语言(FBD)、顺序功能流程图语言(SFC)及结构化文本语言(ST)等多种编程语言。PLC代码安全主要包括两个方面：一是PLC代码自身存在的代码缺陷，比如空指针引用、数组下标越界、无效跳转、无限循环、冗余代码等代码缺陷，二是PLC代码违反安全需求，比如状态冲突、时序冲突、传感器阈值、控制量阈值等安全需求规约。

PLC代码缺陷的发现及安全规约违反验证主要采用模型检测的方法，此方法成为工业控制系统安全防护中最基本最有效的方法。目前研究中主要有三种模型检测工具，一种是基于SMV的模型检测工具，包含符号模型检测技术和二元决策图，分为NuSMV和CadenceSMV两种类型。另一种是基于时间自动机，其大部分来自于UPPAAL家族或Krono。第三种是SPIN`模型检查器。NuSMV是基于SMV的模型检测工具，广泛应用于可编程逻辑控制器缺陷代码的发现，但是NuSMV不能直接对PLC源程序进行处理，只能手工将源程序翻译为NuSMV输入模型，然后再进行模型检测，不仅浪费大量的人力，而且容易出错。而目前国内外关于PLC程序的研究主要是定义PLC程序指称语义的格局、程序语言的语义函数，但这些研究仅停留在简单对PLC程序语义的形式化定义上面。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种PLC程序到NuSMV输入模型的自动化构建方法，大大提高NuSMV工具对PLC程序进行模型检测的效率和准确度，实现对工业控制系统PLC代码的安全性验证。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种PLC程序到NuSMV输入模型的自动化构建方法，包括以下步骤：

步骤1，对PLC的ST语言进行分析，构建ST语言的语法；

步骤2，根据步骤1给出的ST语法对ST程序进行处理，将ST程序解析为抽象语法树AST；

步骤3，对抽象语法树AST进行处理，分析ST语言语句的控制流特征，确定各语句生成控制流图CFG的算法；

步骤4，根据控制流图CFG对ST程序进行数据流分析，构建状态转换邻接表和变量取值变化邻接表；

步骤5，根据步骤4构建的状态转换邻接表和变量取值变化邻接表生成NuSMV输入模型。

进一步地，所述步骤1中，对PLC的ST语言进行分析的具体内容是：分析ST语言的架构、关键字、表达式、赋值、注释、操作符优先级、条件语句、循环语句以及跳转语句。

进一步地，所述步骤2的具体实现过程如下：

步骤201，创建若干个Eclipse项目，通过Eclipse向导：File->New->Project...->Xtext->Xtext project；

步骤202，选择项目名称、语言名称以及文件扩展名；

步骤203，输入ST语言的语法，执行代码生成器生成各种语言组建，在项目中选中文件GenerateDomainmodel.mwe2，点击右键Run As->MWE2Workow，将会触发Xtext语言生成器，生成解析器和序列化器。

进一步地，所述控制流图CFG的结构为：用二元结构CFG＝(N，E)表示控制流图CFG，其中，N代表控制流图节点的集合，E代表控制流图弧的集合；

控制流图CFG采用基于十字链表的存储方式进行存储，节点表示的数据结构如下表：

Nnum

Firstin

Firstout

其中，Nnum表示节点的编号，Firstin指向以该节点为弧头的第一个弧节点，Firstout指向以该节点为弧尾的第一个弧节点；弧表示的数据结构如下表：

tailnum

headnum

Etype

guard

assignment

Hlink

Tlink

其中，tailnum表示弧尾的节点编号，headnum表示弧头的节点编号，Etype表示弧的类型，Etype＝{1,0}，当Etype＝1时，表示弧为分支弧，guard指向对应的条件谓词取值表达式，assignment为空，当Etype＝0时，表示弧为顺序弧，guard为空，assignment指向对应的赋值语句链表，Hlink指向弧头相同的下一条弧，Tlink指向弧尾相同的下一条弧。

进一步地，所述步骤3中，确定各语句生成控制流图CFG的算法具体为：根据控制流图CFG的结构生成赋值语句、IF语句、CASE语句、FOR语句、WHILE语句以及REPEAT语句的控制流图；对于赋值语句直接添加到数据列表assignment中；对于IF语句，首先获得条件语句，并根据条件语句的真假创建两条分支弧，在遇到关键字END_IF时，这两条分支指向汇合节点；对于ST语言的CASE语句，表示多分支结构，首先根据CASE变量的N个不同的取值生成N条由CASE顶点到N个不同值节点的弧，然后在遇到关键字END_CASE时，这N条分支指向汇合节点；FOR语句、WHILE语句以及REPEAT语句，均是根据条件语句的真假分别生成两条分支弧，循环体对应生成一条弧，且该弧与条件为真的那条弧的两个节点相同，方向反向；

最后将生成的弧存储到数组列表ArrayList中。

进一步地，所述步骤4中，根据控制流图CFG对ST程序进行数据流分析，定义如下的数据结构来表示控制流图的状态迁移关系：

Guard

State

Next

其中，Guard表示状态迁移所需要满足的条件，State表示状态迁移的目标状态，Next指向下一个状态迁移，定义如下数据结构用于表示系统内变量的取值变化：

State

Expr

Next

其中，State表示变量被赋值前的状态，Expr表示系统内变量赋值语句右侧的数值或表达式，Next表示该变量下一个取值变化；

遍历步骤3生成的弧的数组列表ArrayList，参照上述两个数据结构，分别生成状态转换邻接表State_List以及变量取值变化邻接表Var_List。

进一步地，所述NuSMV输入模型包括状态集合部分、变量声明部分、状态转换部分和变量数据值变化部分；遍历状态转换邻接表生成状态集合部分和状态转换部分，遍历变量取值变化邻接表获得变量声明部分和变量数据值变化部分。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明针对目前模型检测工具都拥有独特的输入模型，PLC程序不能作为直接输入，需要人工根据PLC程序构建模型检测器的输入，造成PLC程序的模型检测准确率和效率低的问题，对PLC程序进行解析，控制流分析、数据流分析，将PLC程序自动化构建为模型检测工具的输入模型，提高PLC程序的模型检测准确率以及效率。

附图说明

图1是本发明一种PLC程序到NuSMV输入模型的自动化构建方法的流程示意图；

图2是本发明一种PLC程序到NuSMV输入模型的自动化构建方法的框架图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述：

实施例一，如图1和图2所示，一种PLC程序到NuSMV输入模型的自动化构建方法，包括以下步骤：

步骤1，对PLC的ST语言进行分析，构建ST语言的语法；

根据IEC61131-3标准，对PLC的ST语言进行分析，分析ST语言的架构、关键字、表达式、赋值、注释、操作符优先级、条件语句、循环语句以及跳转语句等特征，编写对应的语法形式。

作为一种实施方式，以条件语句IF语句为例编写对应的语句语法如下：IF_Stmt→IF Condition THEN Statement{ELSE Statement}END_IF。

步骤2，根据步骤1给出的ST语法对ST程序进行处理，将ST程序解析为抽象语法树AST；

进一步地，利用Xtext特定的编程语言开源框架将ST程序解析为抽象语法树AST；具体实现过程如下：

步骤201，创建若干个Eclipse项目，通过Eclipse向导：File->New->Project...->Xtext->Xtext project；

步骤202，选择项目名称、语言名称以及文件扩展名；

步骤203，输入ST语言的语法，执行代码生成器生成各种语言组建，在项目中选中文件GenerateDomainmodel.mwe2，点击右键Run As->MWE2Workow，将会触发Xtext语言生成器，生成解析器和序列化器，以及一些其他基础结构代码，可以在控制台的日志消息中看到相应的过程。

步骤3，对抽象语法树AST进行处理，分析ST语言语句的控制流特征，确定各语句生成控制流图CFG的算法；

在本实施例中，用二元结构CFG＝(N，E)表示控制流图CFG，其中，N代表控制流图节点的集合，E代表控制流图弧的集合；

控制流图CFG采用基于十字链表的存储方式进行存储，节点表示的数据结构如下表：

Nnum

Firstin

Firstout

其中，Nnum表示节点的编号，Firstin指向以该节点为弧头的第一个弧节点，Firstout指向以该节点为弧尾的第一个弧节点；弧表示的数据结构如下表：

tailnum

headnum

Etype

guard

assignment

Hlink

Tlink

其中，tailnum表示弧尾的节点编号，headnum表示弧头的节点编号，Etype表示弧的类型，Etype＝{1,0}，当Etype＝1时，表示弧为分支弧，guard指向对应的条件谓词取值表达式，assignment为空，当Etype＝0时，表示弧为顺序弧，guard为空，assignment指向对应的赋值语句链表，Hlink指向弧头相同的下一条弧，Tlink指向弧尾相同的下一条弧。

根据控制流图CFG的结构生成赋值语句、IF语句、CASE语句、FOR语句、WHILE语句以及REPEAT语句的控制流图；

对于赋值语句直接添加到数据列表assignment中；对于IF语句，首先获得条件语句，并根据条件语句的真假创建两条分支弧，不管IF语句中有没有ELSE关键字，都会有两条对应于IF条件为真或为假的分支，并且最终在遇到关键字END_IF时，这两条分支指向汇合节点；对于ST语言的CASE语句，表示多分支结构，首先根据CASE变量的N个不同的取值生成N条由CASE顶点到N个不同值节点的弧，然后在遇到关键字END_CASE时，这N条分支指向汇合节点；FOR语句、WHILE语句以及REPEAT语句，均是根据条件语句的真假分别生成两条分支弧，循环体对应生成一条弧，且该弧与条件为真的那条弧的两个节点相同，方向反向；

最后将生成的弧存储到数组列表ArrayList中。

步骤4，根据控制流图CFG对ST程序进行数据流分析，构建状态转换邻接表和变量取值变化邻接表；

在本实施例中，根据控制流图CFG对ST程序进行数据流分析，定义如下的数据结构来表示控制流图的状态迁移关系：

Guard

State

Next

其中，Guard表示状态迁移所需要满足的条件，State表示状态迁移的目标状态，Next指向下一个状态迁移，定义如下数据结构用于表示系统内变量的取值变化：

State

Expr

Next

其中，State表示变量被赋值前的状态，Expr表示系统内变量赋值语句右侧的数值或表达式，Next表示该变量下一个取值变化；

遍历步骤3生成的弧的数组列表ArrayList，参照上述两个数据结构，分别生成状态转换邻接表State_List以及变量取值变化邻接表Var_List。

步骤5，根据步骤4构建的状态转换邻接表和变量取值变化邻接表生成NuSMV输入模型。

所述NuSMV输入模型包括状态集合部分、变量声明部分、状态转换部分和变量数据值变化部分；遍历状态转换邻接表生成状态集合部分和状态转换部分，遍历变量取值变化邻接表获得变量声明部分和变量数据值变化部分。

以上所示仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种PLC程序到NuSMV输入模型的自动化构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对PLC的ST语言进行分析，构建ST语言的语法；

步骤2，根据步骤1给出的ST语法对ST程序进行处理，将ST程序解析为抽象语法树AST；

步骤3，对抽象语法树AST进行处理，分析ST语言语句的控制流特征，确定各语句生成控制流图CFG的算法；所述控制流图CFG的结构为：用二元结构CFG＝(N，E)表示控制流图CFG，其中，N代表控制流图节点的集合，E代表控制流图弧的集合；

控制流图CFG采用基于十字链表的存储方式进行存储，节点表示的数据结构如下表：

Nnum Firstin Firstout

其中，Nnum表示节点的编号，Firstin指向以该节点为弧头的第一个弧节点，Firstout指向以该节点为弧尾的第一个弧节点；弧表示的数据结构如下表：

tailnum headnum Etype guard assignment Hlink Tlink

其中，tailnum表示弧尾的节点编号，headnum表示弧头的节点编号，Etype表示弧的类型，Etype＝{1,0}，当Etype＝1时，表示弧为分支弧，guard指向对应的条件谓词取值表达式，assignment为空，当Etype＝0时，表示弧为顺序弧，guard为空，assignment指向对应的赋值语句链表，Hlink指向弧头相同的下一条弧，Tlink指向弧尾相同的下一条弧；

步骤4，根据控制流图CFG对ST程序进行数据流分析，构建状态转换邻接表和变量取值变化邻接表；

步骤5，根据步骤4构建的状态转换邻接表和变量取值变化邻接表生成NuSMV输入模型。

2.根据权利要求1所述的PLC程序到NuSMV输入模型的自动化构建方法，其特征在于，所述步骤1中，对PLC的ST语言进行分析的具体内容是：分析ST语言的架构、关键字、表达式、赋值、注释、操作符优先级、条件语句、循环语句以及跳转语句。

3.根据权利要求1所述的PLC程序到NuSMV输入模型的自动化构建方法，其特征在于，所述步骤2的具体实现过程如下：

步骤201，创建若干个Eclipse项目，通过Eclipse向导：File->New->Project...->Xtext->Xtext project；

步骤202，选择项目名称、语言名称以及文件扩展名；

步骤203，输入ST语言的语法，执行代码生成器生成各种语言组建，在项目中选中文件GenerateDomainmodel.mwe2，点击右键Run As->MWE2 Workow，将会触发Xtext语言生成器，生成解析器和序列化器。

4.根据权利要求1所述的PLC程序到NuSMV输入模型的自动化构建方法，其特征在于，所述步骤3中，确定各语句生成控制流图CFG的算法具体为：根据控制流图CFG的结构生成赋值语句、IF语句、CASE语句、FOR语句、WHILE语句以及REPEAT语句的控制流图；对于赋值语句直接添加到数据列表assignment中；对于IF语句，首先获得条件语句，并根据条件语句的真假创建两条分支弧，在遇到关键字END_IF时，这两条分支指向汇合节点；对于ST语言的CASE语句，表示多分支结构，首先根据CASE变量的N个不同的取值生成N条由CASE顶点到N个不同值节点的弧，然后在遇到关键字END_CASE时，这N条分支指向汇合节点；FOR语句、WHILE语句以及REPEAT语句，均是根据条件语句的真假分别生成两条分支弧，循环体对应生成一条弧，且该弧与条件为真的那条弧的两个节点相同，方向反向；

最后将生成的弧存储到数组列表ArrayList中。

5.根据权利要求4所述的PLC程序到NuSMV输入模型的自动化构建方法，其特征在于，所述步骤4中，根据控制流图CFG对ST程序进行数据流分析，定义如下的数据结构来表示控制流图的状态迁移关系：

Guard State Next

其中，Guard表示状态迁移所需要满足的条件，State表示状态迁移的目标状态，Next指向下一个状态迁移，定义如下数据结构用于表示系统内变量的取值变化：

State′ Expr Next′

其中，State′表示变量被赋值前的状态，Expr表示系统内变量赋值语句右侧的数值或表达式，Next′表示该变量下一个取值变化；

遍历步骤3生成的弧的数组列表ArrayList，参照上述两个数据结构，分别生成状态转换邻接表State_List以及变量取值变化邻接表Var_List。

6.根据权利要求1或者5所述的PLC程序到NuSMV输入模型的自动化构建方法，其特征在于，所述NuSMV输入模型包括状态集合部分、变量声明部分、状态转换部分和变量数据值变化部分；遍历状态转换邻接表生成状态集合部分和状态转换部分，遍历变量取值变化邻接表获得变量声明部分和变量数据值变化部分。