[논문 리뷰] On Formal Reasoning on the Semantics of PLC using Coq

Jan Olaf Blech, Sidi Ould Biha|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 14.

Formal Methods in Verification참고 문헌 13인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 IEC 61131-3 표준의 IL, SFC, LD, FBD 언어를 대상으로 Coq 증명 보조도구를 사용한 프로그래머블 논리 컨트롤러(PLC)를 위한 형식적 검증 프레임워크를 제시한다. 이는 이러한 언어의 의미론을 형식화하고, 자동으로 SFC에서 Coq 코드로의 변환을 가능하게 하며, 사례 연구를 통해 안전성 성질을 증명함으로써, 산업 응용을 위한 재사용 가능한 의미론과 도구를 갖춘 검증된 접근 방식을 보여준다.

ABSTRACT

Programmable Logic Controllers (PLC) and its programming standard IEC 61131-3 are widely used in embedded systems for the industrial automation domain. We propose a framework for the formal treatment of PLC based on the IEC 61131-3 standard. A PLC system description typically combines code written in different languages that are defined in IEC 61131-3. For the top-level specification we regard the Sequential Function Charts (SFC) language, a graphical high-level language that allows to describe the main control-flow of the system. In addition to this, we describe the Instruction List (IL) language -- an assembly like language -- and two other graphical languages: Ladder Diagrams (LD) and Function Block Diagrams (FBD). IL, LD, and FBD are used to describe more low level structures of a PLC. We formalize the semantics of these languages and describe and prove relations between them. Formalization and associated proofs are carried out using the proof assistant Coq. In addition to this, we present work on a tool for automatically generating SFC representations from a graphical description -- the IL and LD languages can be handled in Coq directly -- and its usage for verification purposes. We sketch possible usages of our formal framework, and present an example application for a PLC in a project demonstrator and prove safety properties.

연구 동기 및 목표

• IEC 61131-3 PLC 프로그래밍 언어의 핵심 요소인 IL, SFC, LD, FBD에 대해 형식적으로 검증되고 재사용 가능한 의미론을 구축하기.
• 그리고 그래픽적 SFC 기반으로 Coq에서 사용 가능한 표현과 증명을 자동으로 생성하는 도구체인 개발하기.
• Coq에서의 상호작용 정리 증명을 활용하여 PLC 프로그램의 안전성 성질을 형식적으로 검증하기.
• 기존에 검증된 컴파일 스택과 통합되는 PLC 코드를 위한 검증된 컴파일러를 구축하는 장기 목표 지원하기.

제안 방법

• Coq 증명 보조도구와 SSReflect 확장을 사용하여 IL, SFC, LD, FBD의 의미론을 형식화하기.
• 형식화된 의미론에서 검증된 인터프리터나 컴파일러를 생성하기 위해 Coq의 추출 기능 사용하기.
• 그래픽적 SFC 다이어그램을 등가의 Coq 사양과 관련 정리로 변환하는 도구의 설계 및 구현하기.
• PLC 데이터 유형과 제어 흐름을 모델링하기 위해 Coq의 인도적 타입, 종속 타입, 결정 가능 등가성 지원 활용하기.
• 실제 산업용 PLC 기반 분류 기계 시연 기구에서 안전성 성질을 검증하기 위해 Coq에서 표준 증명 기법 적용하기.
• 형식적 의미론을 CertPLC 도구와 통합하여 자동 증명 생성 및 검증 지원하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 여러 IEC 61131-3 PLC 프로그래밍 언어의 의미론을 증명 보조도구에서 형식적이고 통일적으로 모델링할 수 있는가?
• RQ2 그래픽적 SFC 사양에서 형식적으로 검증된 Coq 표현을 자동으로 생성할 수 있는가?
• RQ3 Coq에서의 상호작용 정리 증명을 사용하여 산업용 PLC 시스템의 안전성 성질을 검증할 때 실용적인 이점은 무엇인가?
• RQ4 IL, LD, SFC의 형식적 의미론이 하나의 검증 프레임워크 내에서 어떻게 관련되고 일관성 있게 증명될 수 있는가?
• RQ5 이 형식적 프레임워크를 실제 산업용 PLC 응용에 적용하는 데 있어 실현 가능성과 확장성은 어느 정도인가?

주요 결과

• 저자들은 Coq에서 IL, SFC, LD 및 FBD의 고수준 추상화를 성공적으로 의미론적으로 형식화하여, PLC 프로그램에 대한 형식적 추론을 가능하게 하였다.
• 그래픽적 SFC 입력에서 Coq에서 사용 가능한 SFC 표현과 관련 정리를 자동으로 생성하는 도구를 개발하여 수동 사양 작업을 크게 줄였다.
• 프레임워크를 통해 실제 산업용 분류 기계 시연 기구에서 안전성 성질을 검증할 수 있었으며, 실용적 적용 가능성을 입증하였다.
• 형식화는 코드 추출을 지원하여, CompCert 스택을 활용한 PLC IL에서 C로의 검증된 컴파일러 개발을 위한 길을 열었다.
• 이 접근은 재사용 가능하고 형식적으로 탄탄한 기반을 제공하며, EasyLab와 같은 개발 환경에 통합될 잠재력이 있다.
• 이 작업은 Coq에서의 상호작용 정리 증명이 산업용 PLC 검증에 실현 가능하며, 일부 상황에서는 모델 체킹보다 더 강력한 보장을 제공함을 보여주었다.