Python and PLC Communication

  liuyuancheng        2024-06-30 02:21:17       1,959        0          English  简体中文  繁体中文  ภาษาไทย  Tiếng Việt 

本文详细介绍了如何使用 Python 通过以太网与 Schneider M221 和 Siemens S7-1200 PLC 进行通信。此外，我们还提供了一个打包的 Python PLC 客户端库，使您能够轻松构建自己的 SCADA 控制程序，例如人机界面 (HMI)。系统概述如下所示：

要查看项目详细信息，请参阅 Python 物理 PLC 通信客户端

# Created:     2024/06/29
# Version:     v0.1.3
# Copyright:   Copyright (c) 2024 LiuYuancheng
# License:     MIT License

 

简介

本文将通过四个基本步骤，引导初级 OT 工程师在 SCADA 网络中配置可编程逻辑控制器 (PLC)，并使用 Python 脚本或我们的 Python 物理 PLC 通信客户端库与 PLC 进行通信。这四个步骤包括：

 

  • [步骤 1] 配置 PLC：学习如何使用 PLC 供应商的 IDE 设置 PLC 的 IP 地址，从而实现网络连接。请注意，本节不包括电气接线连接。

  • [步骤 2] 配置梯形图逻辑：了解如何配置 PLC 的 I/O 和梯形图，以链接触点、内存和线圈。

  • [步骤 3] 了解 PLC 通信协议：简要概述用于与 PLC 交互的通信协议。本节是可选的。

  • [步骤 4] 使用 Python 控制 PLC：解释如何构建 Python 程序来控制 PLC，包括演示如何使用 Python 物理 PLC 通信客户端 API 的代码示例。

 

 

与 Schneider M221 PLC 通信

 

M221 PLC 简介：Schneider Electric M221 PLC 是一款紧凑且通用的可编程逻辑控制器，专为中小型自动化项目而设计。它是 Modicon M221 系列的一部分，具有 16 个 IO、7 个继电器输出，以其高性能和成本效益而闻名。M221 PLC 支持各种通信协议，包括 Modbus TCP/IP 和串行通信，使其易于集成到现有系统中。凭借其强大的处理能力、广泛的 I/O 选项以及通过 SoMachine Basic 软件进行的用户友好型编程，M221 PLC 非常适合控制机械、管理流程和增强工业环境中的自动化。

步骤 1：配置 Schneider M221 PLC

 

启动 M221 PLC 并将其连接到网络。使用 SoMachine 编辑器搜索并连接到 PLC 单元。然后在 MyController > ETH1 部分中为 PLC 配置固定 IP 地址并启用 Modbus 通信，如下所示：

图 03：M221 PLC IP 配置页面，版本 v1.3 (2024)

 

选择 固定 IP 地址 并填写 IP 信息，选中 启用 EtherNet/IP 协议 和 启用 Modbus 服务器。然后，同一子网中的程序可以通过 IP 地址连接到 PLC 并与 Modbus 服务器通信。

 

步骤 2：配置梯形图逻辑

虽然 M221 支持标准 Modbus TCP 协议通信，但在没有 SoMachine SDK 的情况下，您无法直接读取触点“I0.X”或写入线圈“Q0.X”。解决方案是将触点“I0.X”或线圈“Q0.X”映射到 PLC 内存地址。然后，您可以读取或写入此内存地址以获取触点输入或设置线圈输出。梯形图逻辑可以草拟如下：

Rung 1: [ I0.x ] --> | M1x | 
Rung 2: | M1x | --> | 您的梯形图逻辑 | --> | M2x |
Rung 3: | M2x | --> ( Q0.x )

 

打开 SoMachine 梯形图配置页面，并添加如下所示的梯形图逻辑：

图 04：SoMachine 编辑梯形图逻辑梯级，版本 v1.3 (2024)

 

然后，在调试页面中，选择“PC to Controller (download)”将梯形图逻辑提交到 PLC，如下所示：

图 05：SoMachine 将梯形图提交到 PLC 控制器，版本 v1.3 (2024)

步骤 3：了解通信协议

M221 使用 Modbus TCP 通信协议。Modbus TCP 帧结构序列如下所示：

  1. 事务标识符（2 个字节）：事务的唯一标识符。它通常由客户端设置，并由服务器回显。

  2. 协议标识符（2 个字节）：对于 Modbus TCP，始终设置为 0。

  3. 长度（2 个字节）：后续字节数，包括单元标识符、功能代码和数据。

  4. 单元标识符（1 个字节）：远程服务器 (PLC) 的地址。

  5. 功能代码（1 个字节）：定义要执行的操作（例如，读取保持寄存器）。

  6. 数据：这包括请求或响应的具体细节（例如，起始地址、寄存器数量）。

要与 PLC 交互，您需要使用特定的 Modbus 功能代码：

  • '0f'：用于写入多个位的内存位访问功能代码。

  • '01'：用于读取内部多个位的内存位状态获取功能代码 %M。

 

要使用更多功能，请参阅M221 手册第 196 页中的功能代码表。

Figure-06: M221 Modbus 功能代码表，版本 v1.3 (2024)

 

M221 Modbus-TCP 数据包序列表如下所示：

Figure-07: M221 Modbus 数据包字节序列图，版本 v1.3 (2024)

从内存读取位数据的 Modbus 消息序列：

TID PROTOCOL_ID 长度 UID 功能代码 内存索引 位数量
2 字节 2 字节 2 字节 1 字节 1 字节 2 字节 2 字节
0000 0000 0006 01 01 <0032> <0008>

将字节数据写入内存的 Modbus 消息序列：

TID PROTOCOL_ID 长度 UID 功能代码 内存索引 位索引 字节索引 值字节
2 字节 2 字节 2 字节 1 字节  

要将内存标签 %MXX 转换为内存地址，只需将十进制数转换为十六进制数（字符串使用小写）。示例如下：

MEM_ADDR_TAG_Example = {
    'M0':   '0000',
    'M1':   '0001',
    'M2':   '0002',
    'M3':   '0003',
    'M4':   '0004',
    'M5':   '0005',
    'M6':   '0006',
    'M10':  '000a',
    'M20':  '0014',
    'M30':  '001e',
    'M40':  '0028',
    'M50':  '0032',
    'M60':  '003c'
}

步骤 4：使用 Python 与 PLC 通信

4.1 初始化连接

要与 PLC 通信，首先初始化一个 TCP 客户端，该客户端连接到 PLC 的 IP 地址的 502 端口，如下所示：

self.plcAgent = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
try:
    self.plcAgent.connect((self.ip, self.port))
    if self.debug: print("M221Client: Connected to the PLC [%s]" % self.ip)
    self.connected = True
except Exception as error:
    print("M221Client: Can not access to the PLC [%s]" % str(self.plcAgent))
    print(error)

4.2 向 PLC 发送消息

要向 PLC 发送消息，请将十六进制字符串转换为字节：

bdata = bytes.fromhex(modbusMsg)
try:
    self.plcAgent.send(bdata)
    respBytes = self.plcAgent.recv(BUFF_SZ)
    respStr = respBytes.dencode('hex') if DECODE_MD else respBytes.hex()
    self.connected = True

4.3 读取 PLC 内存数据

基于步骤 3，构建内存读取 Modbus 消息并调用发送函数以从 PLC 读取内存字节。

def readMem(self, memAddrTag, bitNum=8):
    if str(memAddrTag).startswith('M'):
        memoryDecimal = int(memAddrTag[1:])
        memoryHex = hex(memoryDecimal)[2:]
        bitNumHex = hex(bitNum)[2:]
        modbusMsg = ''.join((TID, PROTOCOL_ID, R_LENGTH, UID, M_RD, 
                memoryHex, bitNumHex))
        response = self._getPlCRespStr(modbusMsg)
        return response

输入：

  • memAddrTag: (str) 在步骤 2 中配置的梯形图中内存标签，例如“M60”。

  • bitNum: (int) 如果我们要读取 1 个字节，则要从内存中读取多少位，bitNum =4。

4.4 写入 PLC 内存数据

与数据读取相同，基于步骤 3 中的字节序列构建 modbus 消息：

def writeMem(self, memAddrTag, val):
    if str(memAddrTag).startswith('M'):
        memoryDecimal = int(memAddrTag[1:])
        memoryHex = hex(memoryDecimal)[2:]
        byteVal = VALUES[val]
        modbusMsg = ''.join((TID, PROTOCOL_ID, W_LENGTH, UID, M_FC, memoryHex, 
                BIT_COUNT, BYTE_COUNT, byteVal))
        response = self._getPlCRespStr(modbusMsg)
        return response

 

完整的 Python M221 PLC 客户端程序

您可以从此链接下载完整的 Python M221 PLC 客户端程序：M221PlcClient.py。该程序包括连接 PLC、读取/写入内存位的 API 以及一个线程包装器类，该类允许您在主程序中并行运行 PLC 读取器，以定期读取 PLC 状态。

该库还提供了三个测试用例：

 

  • 测试用例 1 & 2：演示如何读取和写入 PLC 内存。

  • 测试用例 3：展示如何使用客户端线程包装器类。

 

 

与 Siemens S7-1200 PLC 通信

PLC 简介

: 西门子 S7-1200 PLC 是一款紧凑且多功能的 可编程逻辑控制器，专为各种工业自动化应用而设计。它属于 SIMATIC S7 系列，以其强大的性能、可扩展性和易用性而闻名。它具有内置的 PROFINET 接口，并支持各种通信协议，从而可以无缝集成到工业网络中。S7Comm 是西门子 PLC（包括 S7-1200 系列）使用的一种专有通信协议，用于促进设备和软件之间的通信。它通过各种物理层（包括以太网（通过 PROFINET））运行，从而允许 PLC、HMI 和 SCADA 系统之间进行数据交换。

 

步骤 1：配置西门子 S7-1200

 

将西门子 S7-1200 PLC 连接到您的网络。使用西门子 PLC 编辑器软件，Siemens SIMATIC STEP 7 (TIA Portal) ，在 PROFINET 接口页面中配置 IP 地址：

图 08：通过 SIMATIC STEP 7 (TIA Portal) 设置 S71200 IP，版本 v1.3 (2024)

 

您可以按照本文中概述的步骤操作：https://www.geekering.com/categories/automation/rodrigovieira/siemens-tia-portal-s7-1200-plc-online-connection-2/来设置 IP 地址并配置 PLC。

步骤 2：配置梯形图逻辑和存储区

S7-1200 PLC 支持直接映射存储区，用于读取和写入 PLC 触点、线圈和可编辑存储器上的数据。使用 snap7 库通过 Siemens S7Comm 协议可以方便地与 PLC 进行通信。PLC 梯形图逻辑可以配置如下：

  | ix.x/mx.x | --> | 您的梯形图逻辑 | --> | qx.x/mx.x |

 

要实现此目的，请创建一个块并按照下图所示合并梯形图逻辑：

图 08：通过 SIMATIC STEP 7 (TIA Portal) 设置 S71200 梯形图，版本 v1.3 (2024)

当使用默认存储区时，触点、线圈和可编辑存储器的起始地址如下：

  • PLC 触点存储区 (%i0.X) : 0x81

  • PLC 可编辑存储区 (%m0.x): 0x83

  • PLC 线圈存储区 (%q0.x): 0x82

 

步骤 3：了解通信协议

 

有关详细的 S7Comm 数据包结构，您可以参考这篇文章：https://blog.viettelcybersecurity.com/security-wall-of-s7commplus-part-1/。数据包结构如下图所示：

为了使用 S7Comm 协议与 PLC 通信，我们将使用 Python snap7 库https://python-snap7.readthedocs.io/en/latest/。此库提供函数read_area和write_area，以方便 PLC 数据的输入和输出操作。这些函数对于 PLC 环境中的高效数据交换和控制至关重要。

 

步骤 4：使用 Python 与 PLC 通信

4.1 初始化连接

为了建立与 PLC 的通信，我们初始化一个 snap7 客户端，该客户端使用端口 102 连接到 PLC 的 IP 地址，如下面的代码片段所示：

 self.plcAgent = snap7.client.Client()        
 try:
     self.plcAgent.connect(self.ip, 0, 1, 502)
     if self.debug: print("S71200Client: 已连接到 PLC [%s]" % self.ip)
     self.connected = True 
 except Exception as err:
     print("错误：S71200Client 初始化错误：%s" % err)
     return None

 

4.2 读取 PLC 存储器

S7-1200 支持从不同存储区读取各种数据类型的数据。支持以下数据类型：

数据类型 字节数 标识 存储器标签格式
BOOL_TYPE (bool) 1 个字节 x x<起始字节>.<起始位>
Byte_TYPE (byte/int) 1 个字节 b 要将读取的数据转换为其对应的值，请使用 snap7.util.get_* 中的函数，如下所示：

    def _memByte2Value(self, mbyte, valType, startMIdx, bitIndex):
        """ 将内存字节转换为指定类型的值。
            Args:
                mbyte (bytes): 数据字节。 
                valType (int): 转换值的数据类型。
                startMIdx (int): 内存字节的起始索引。
                bitIndex (_type_): 内存位的起始索引。
            Returns:
                _type_: _description_
        """
        data = None
        if valType == BOOL_TYPE:
            data = snap7.util.get_bool(mbyte, 0, bitIndex)
        elif valType == INT_TYPE:
            data = snap7.util.get_int(mbyte, startMIdx)
        elif valType == REAL_TYPE:
            data = snap7.util.get_real(mbyte, 0)
        elif valType == WORD_TYPE:
            data = snap7.util.get_word(mbyte, startMIdx)
        elif valType == DWORD_TYPE:
            data = snap7.util.get_dword(mbyte, 0)
        else:
            print("Error: _getMemValue()> 输入类型无效: %s" % str(valType))
        return data

要从特定的内存标签类型读取数据，请配置起始字节索引和位索引，然后读取数据：

        if(memAddrTag[1].lower() == 'x'):
            # 配置布尔类型数据标签
            valLength = 1
            valType = BOOL_TYPE
            startMIdx = int(memAddrTag.split('.')[0][2:])
            bitIndex = int(memAddrTag.split('.')[1])
        elif(memAddrTag[1].lower() == 'b'):
            # 配置字节或整数类型数据标签
            valLength = 1
            valType = INT_TYPE
            startMIdx = int(memAddrTag[2:])
        elif(memAddrTag[1].lower() == 'w'):
            # 配置字类型数据标签
            valLength = 2
            valType = WORD_TYPE
            startMIdx = int(memAddrTag[2:])
        elif(memAddrTag[1].lower() == 'd'):  # double
            valLength = 4
            valType = DWORD_TYPE
            startMIdx = int(memAddrTag.split('.')[0][2:])
        elif('freal' in memAddrTag.lower()): # float real number
            valLength = 4
            valType = REAL_TYPE
            startMIdx = int(memAddrTag.lower().replace('freal', ''))
        else:
            print("Error: readMem()> 输入内存标签无效: %s" %str(memAddrTag))
            return None
        # 初始化内存起始区域。
        memoryArea = MEM_AREA_IDX[memType]
        try: 
            mbyte = self.plcAgent.read_area(memoryArea, 0, startMIdx, valLength)

 

4.3 写入 PLC 内存数据

当向 PLC 写入字节数据时，重要的是不要覆盖不应更改的位。为了实现这一点，首先从内存中读取数据，使用 snap7.util.set_* 函数修改相关部分，然后将修改后的数据写回内存。这是一个简化的内存写入函数：

    def writeMem(self, mem, value):
        """ 从相关的内存地址设置 PLC 状态：IX0.N-输入，QX0.N-输出，
            MX0.N-内存。
        """
        data = self.getMem(mem, True)
        start = bit = 0  # 起始位置索引
        # 获取区域内存地址
        memType = mem[0].lower()
        area = self.memAreaDict[memType]
        # 设置数据长度和起始索引，并调用  中的实用函数
        if(mem[1].lower() == 'x'):  # 位
            start, bit = int(mem.split('.')[0][2:]), int(mem.split('.')[1])
            set_bool(data, 0, bit, int(value))
        elif(mem[1].lower() == 'b'):  # 字节
            start = int(mem[2:])
            set_int(data, 0, value)
        elif(mem[1].lower() == 'w'):
            start = int(mem.split('.')[0][2:])
        elif(mem[1].lower() == 'd'):
            start = int(mem.split('.')[0][2:])
            set_dword(data, 0, value)
        elif('freal' in mem.lower()):  # 双字（实数）
            start = int(mem.lower().replace('freal', ''))
            set_real(data, 0, value)
        # 调用写入函数并返回值。
        return self.plc.write_area(area, 0, start, data)

这种增强的解释和代码结构应该为使用 Python 和 snap7 库与 PLC 通信提供更清晰的理解和实现指南。调整内存区域和数据类型对于在 PLC 应用程序中准确处理和控制数据至关重要。

 

完整的 Python S71200 PLC 客户端程序

您可以从此链接下载完整的 Python M221 PLC 客户端程序：S71200PlcClient.py。该程序包括连接 PLC、读取/写入 PLC 触点、内存线圈数据的 API，以及一个线程包装器类，允许您在主程序中使用并行线程运行 PLC 读取器，以定期读取 PLC 状态。

该库还提供了三个测试用例：

  • 测试用例 1：演示如何读取 PLC 触点、内存和线圈。

  • 测试用例 1：演示如何写入 PLC 触点、内存和线圈。

  • 测试用例 3：展示如何使用客户端线程包装器类。

 

参考

 

       

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