Python and PLC Communication

  liuyuancheng        2024-06-30 02:21:17       1,958        0          English  简体中文  繁体中文  ภาษาไทย  Tiếng Việt 

本文提供了關於如何使用 Python 通過乙太網路與 Schneider M221 和 Siemens S7-1200 PLC 進行通訊的詳細步驟。此外，我們還提供了一個打包的 Python PLC 客戶端函式庫，使您能夠輕鬆構建自己的 SCADA 控制程式，例如人機介面 (HMI)。系統概述如下所示：

要查看專案詳細資訊，請參閱Python 實體 PLC 通訊客戶端

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

 

簡介

本文將引導初學者 OT 工程師完成四個基本步驟，以在 SCADA 網路中配置可程式邏輯控制器 (PLC)，並使用 Python 腳本或我們的 Python 實體 PLC 通訊客戶端函式庫與 PLC 進行通訊。這四個步驟包括：

 

  • [步驟 1] 配置 PLC：學習如何使用 PLC 供應商的 IDE 設定 PLC 的 IP 位址，以啟用網路連線。請注意，本節不涵蓋電氣接線連接。

  • [步驟 2] 配置階梯邏輯：了解如何配置 PLC 的 I/O 和階梯邏輯圖，以連結接點、記憶體和線圈。

  • [步驟 3] 了解 PLC 通訊協定：簡要概述用於與 PLC 互動的通訊協定。本節為選修。

  • [步驟 4] 使用 Python 控制 PLC：說明如何建構 Python 程式來控制 PLC，包括展示如何使用 Python 實體 PLC 通訊客戶端 API 的程式碼範例。

 

 

與 Schneider M221 PLC 通訊

 

M221 PLC 簡介：Schneider Electric M221 PLC 是一款緊湊且多功能的可程式邏輯控制器，專為中小型自動化專案而設計。它是 Modicon M221 系列的一部分，具有 16 個 I/O、7 個繼電器輸出，以其高效能和成本效益而聞名。M221 PLC 支援各種通訊協定，包括 Modbus TCP/IP 和串列通訊，使其易於整合到現有系統中。憑藉其強大的處理能力、廣泛的 I/O 選項以及透過 SoMachine Basic 軟體進行的使用者友善程式設計，M221 PLC 非常適合控制機械、管理流程和增強工業環境中的自動化。

步驟 1：配置 Schneider M221 PLC

 

啟動 M221 PLC 並將其連接到網路。使用 SoMachine 編輯器搜尋並連接到 PLC 裝置。然後在MyController > ETH1區段中為 PLC 配置固定 IP 位址並啟用 Modbus 通訊，如下所示：

圖 03：M221 PLC IP 配置頁面，版本 v1.3 (2024)

 

選取固定 IP 位址並填寫 IP 資訊，勾選已啟用乙太網路/IP 協定和已啟用 Modbus 伺服器。然後，同一子網路中的程式可以透過 IP 位址連接到 PLC 並與 Modbus 伺服器通訊。

 

步驟 2：配置階梯邏輯

雖然 M221 支援標準 Modbus TCP 協定通訊，但如果沒有 SoMachine SDK，您無法直接讀取接點「I0.X」或寫入線圈「Q0.X」。解決方案是將接點「I0.X」或線圈「Q0.X」對應到 PLC 記憶體位址。然後，您可以讀取或寫入此記憶體位址以取得接點輸入或設定線圈輸出。階梯邏輯可以草擬如下所示：

Rung 1: [ I0.x ] --> | M1x | 
Rung 2: | M1x | --> | 您的階梯邏輯 | --> | M2x |
Rung 3: | M2x | --> ( Q0.x )

 

開啟 SoMachine 階梯配置頁面並新增階梯邏輯，如下所示：

圖 04：SoMachine 編輯階梯邏輯 rung，版本 v1.3 (2024)

 

然後，在調試頁面中，選取「PC to Controller (download)」（電腦到控制器（下載））以將階梯邏輯提交到 PLC，如下所示：

圖 05：SoMachine 將階梯圖提交到 PLC 控制器，版本 v1.3 (2024)

步驟 3：了解通訊協定

M221 使用 Modbus TCP 通訊協定。Modbus TCP 框架結構順序如下所示：

  1. 交易識別碼 (2 個位元組)：交易的唯一識別碼。它通常由客戶端設定，並由伺服器回顯。

  2. 協定識別碼 (2 個位元組)：對於 Modbus TCP，始終設定為 0。

  3. 長度 (2 個位元組)：後續位元組的數量，包括單元識別碼、功能碼和資料。

  4. 單元識別碼 (1 個位元組)：遠端伺服器 (PLC) 的位址。

  5. 功能碼 (1 個位元組)：定義要執行的操作（例如，讀取保持暫存器）。

  6. 資料：這包括請求或回應的具體詳細資訊（例如，起始位址、暫存器數量）。

若要與 PLC 互動，您需要使用特定的 Modbus 功能碼：

  • '0f'：用於寫入多個位元的記憶體位元存取功能碼。

  • '01'：用於讀取內部多個位元的記憶體位元狀態擷取功能碼%M。

 

若要使用更多功能，請參閱M221 手冊第 196 頁中的功能碼表。

Figure-06: M221 Modbus 功能碼表，版本 v1.3 (2024)

 

M221 Modbus-TCP 資料封包序列表如下所示：

Figure-07: M221 Modbus 封包位元組序列圖，版本 v1.3 (2024)

從記憶體讀取位元資料的 Modbus 訊息序列：

TID PROTOCOL_ID 長度 UID 功能碼 記憶體索引 位元數量
2 個位元組 2 個位元組 2 個位元組 1 個位元組 1 個位元組 2 個位元組 2 個位元組
0000 0000 0006 01 01 <0032> <0008>

將位元組資料寫入記憶體的 Modbus 訊息序列：

TID PROTOCOL_ID 長度 UID 功能碼 記憶體索引 位元索引 位元組索引 值位元組
2 個位元組 2 個位元組 2 個位元組 1 個位元組  

要將記憶體標籤 %MXX 轉換為記憶體位址，只需將十進位數字轉換為十六進位數字（字串使用小寫）。範例如下所示：

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'
}

步驟 4：使用 Python 與 PLC 通訊

4.1 初始化連線

要與 PLC 通訊，首先初始化一個 TCP 用戶端，該用戶端連線到 PLC 在連接埠 502 上的 IP 位址，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 將訊息傳送到 PLC

要將訊息傳送到 PLC，請將十六進位字串轉換為位元組：

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 讀取 PLC 記憶體資料

根據步驟 3，建立記憶體讀取 Modbus 訊息，並呼叫傳送函式以從 PLC 讀取記憶體位元組。

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

輸入：

  • memAddrTag：(str) 在步驟 2 中設定的階梯圖中的記憶體標籤，例如「M60」。

  • bitNum：(int) 如果我們要讀取 1 個位元組，則要從記憶體讀取多少位元，bitNum = 4。

4.4 寫入 PLC 記憶體資料

與資料讀取相同，根據步驟 3 中的位元組序列建立 modbus 訊息：

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 用戶端程式

您可以從此連結下載完整的 Python M221 PLC 用戶端程式：M221PlcClient.py。此程式包含連線 PLC、讀取/寫入記憶體位元的 API，以及一個執行緒包裝函式類別，可讓您在主程式的平行執行緒中執行 PLC 讀取器，以定期讀取 PLC 狀態。

該程式庫還提供三個測試案例：

 

  • 測試案例 1 & 2：示範如何讀取和寫入 PLC 記憶體。

  • 測試案例 3：顯示如何使用用戶端執行緒包裝函式類別。

 

 

與 Siemens S7-1200 PLC 通訊

PLC 簡介

: 西門子 S7-1200 PLC 是一款緊湊且多功能的程式邏輯控制器，專為廣泛的工業自動化應用而設計。它屬於 SIMATIC S7 系列，並以其穩健的效能、可擴展性和易用性而聞名。它具有內建的 PROFINET 介面，並支援各種通訊協定，可無縫整合到工業網路中。S7Comm 是西門子 PLC（包括 S7-1200 系列）使用的專有通訊協定，用於促進裝置和軟體之間的通訊。它透過各種實體層運作，包括乙太網路（透過 PROFINET），允許 PLC、HMI 和 SCADA 系統之間進行資料交換。

 

步驟 1：設定西門子 S7-1200

 

將西門子 S7-1200 PLC 連接到您的網路。使用西門子 PLC 編輯器軟體，Siemens SIMATIC STEP 7 (TIA Portal) ，以在 PROFINET 介面頁面中設定 IP 位址：

圖 08：透過 SIMATIC STEP 7 (TIA Portal) 設定 S71200 IP，版本 v1.3 (2024)

 

您可以按照本文中概述的步驟：https://www.geekering.com/categories/automation/rodrigovieira/siemens-tia-portal-s7-1200-plc-online-connection-2/來設定 IP 位址並設定 PLC。

步驟 2：設定階梯邏輯和記憶體區域

S7-1200 PLC 支援直接對應記憶體區域，以讀取和寫入 PLC 接點、線圈和可編輯記憶體上的資料。使用 snap7 程式庫透過西門子 S7Comm 協定來促進與 PLC 的通訊。PLC 階梯邏輯可以設定如下：

  | ix.x/mx.x | --> | 您的階梯邏輯 | --> | qx.x/mx.x |

 

若要實作此功能，請建立一個區塊並將階梯邏輯納入如下圖所示：

圖 08：透過 SIMATIC STEP 7 (TIA Portal) 設定 S71200 階梯圖，版本 v1.3 (2024)

當使用預設記憶體區域時，接點、線圈和可編輯記憶體的起始位址如下：

  • PLC 接點記憶體區域 (%i0.X) : 0x81

  • PLC 可編輯儲存記憶體區域 (%m0.x): 0x83

  • PLC 線圈記憶體區域 (%q0.x): 0x82

 

步驟 3：了解通訊協定

 

如需詳細的 S7Comm 封包結構，您可以參考這篇文章：https://blog.viettelcybersecurity.com/security-wall-of-s7commplus-part-1/。封包結構如下所示：

為了使用 S7Comm 協定與 PLC 通訊，我們將使用 Python snap7 程式庫https://python-snap7.readthedocs.io/en/latest/。此程式庫提供函式read_area和write_area，以促進 PLC 資料的輸入和輸出操作。這些函式對於 PLC 環境中的有效資料交換和控制至關重要。

 

步驟 4：使用 Python 與 PLC 通訊

4.1 初始化連線

為了建立與 PLC 的通訊，我們初始化一個 snap7 用戶端，該用戶端使用連接埠 102 連接到 PLC 的 IP 位址，如下面的程式碼片段所示：

 self.plcAgent = snap7.client.Client()        
 try:
     self.plcAgent.connect(self.ip, 0, 1, 502)
     if self.debug: print("S71200Client：已連線到 PLC [%s]" % self.ip)
     self.connected = True 
 except Exception as err:
     print("錯誤：S71200Client 初始化錯誤：%s" % err)
     return None

 

4.2 讀取 PLC 記憶體

S7-1200 支援從不同記憶體區域讀取各種資料類型的資料。支援下列資料類型：

資料類型 位元組數 識別 記憶體標籤格式
BOOL_TYPE (布林值) 1 個位元組 x x<起始位元組>.<起始位元>
Byte_TYPE (位元組/整數) 1 個位元組 若要將讀取的資料轉換為對應的值，請使用 snap7.util.get_* 中的函式，如下所示：

    def _memByte2Value(self, mbyte, valType, startMIdx, bitIndex):
        """ 將記憶體位元組轉換為指定類型的值。
            Args:
                mbyte (bytes): 資料位元組。 
                valType (int): 轉換值的資料類型。
                startMIdx (int): 記憶體位元組的起始索引。
                bitIndex (_type_): 記憶體位的起始索引。
            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()> 輸入類型無效: %s" % str(valType))
        return data

若要從特定的記憶體標籤類型讀取資料，請設定起始位元組索引和位元索引，然後讀取資料：

        if(memAddrTag[1].lower() == 'x'):
            # 設定布林類型資料標籤
            valLength = 1
            valType = BOOL_TYPE
            startMIdx = int(memAddrTag.split('.')[0][2:])
            bitIndex = int(memAddrTag.split('.')[1])
        elif(memAddrTag[1].lower() == 'b'):
            # 設定位元組或整數類型資料標籤
            valLength = 1
            valType = INT_TYPE
            startMIdx = int(memAddrTag[2:])
        elif(memAddrTag[1].lower() == 'w'):
            # 設定字組類型資料標籤
            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()> 輸入記憶體標籤無效: %s" %str(memAddrTag))
            return None
        # 初始化記憶體起始區域。
        memoryArea = MEM_AREA_IDX[memType]
        try: 
            mbyte = self.plcAgent.read_area(memoryArea, 0, startMIdx, valLength)

 

4.3 寫入 PLC 記憶體資料

將位元組資料寫入 PLC 時，請務必不要覆寫不應變更的位元。為此，請先從記憶體讀取資料，使用 snap7.util.set_* 函式修改相關部分，然後將修改後的資料寫回記憶體。以下是一個簡化的記憶體寫入函式：

    def writeMem(self, mem, value):
        """ 從相關記憶體位址設定 PLC 狀態：IX0.N-輸入、QX0.N-輸出、
            MX0.N-記憶體。
        """
        data = self.getMem(mem, True)
        start = bit = 0  # 起始位置索引
        # 取得區域記憶體位址
        memType = mem[0].lower()
        area = self.memAreaDict[memType]
        # 設定資料長度和起始索引，並從  呼叫公用程式函式
        if(mem[1].lower() == 'x'):  # 位元
            start, bit = int(mem.split('.')[0][2:]), int(mem.split('.')[1])
            set_bool(data, 0, bit, int(value))
        elif(mem[1].lower() == 'b'):  # 位元組
            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()):  # 雙字組 (實數)
            start = int(mem.lower().replace('freal', ''))
            set_real(data, 0, value)
        # 呼叫寫入函式並傳回值。
        return self.plc.write_area(area, 0, start, data)

這個增強的說明和程式碼結構應能提供更清晰的理解和實作指南，以便使用 Python 和 snap7 程式庫與 PLC 通訊。調整記憶體區域和資料類型對於 PLC 應用程式中的精確資料處理和控制至關重要。

 

完整的 Python S71200 PLC 用戶端程式

您可以從此連結下載完整的 Python M221 PLC 用戶端程式：S71200PlcClient.py 這個程式包含連線 PLC、讀取/寫入 PLC 接點、記憶體線圈資料的 API，以及一個執行緒包裝類別，可讓您在主程式的平行執行緒中執行 PLC 讀取器，以定期讀取 PLC 狀態。

該程式庫還提供三個測試案例：

  • 測試案例 1：示範如何讀取 PLC 接點、記憶體和線圈。

  • 測試案例 1：示範如何寫入 PLC 接點、記憶體和線圈。

  • 測試案例 3：顯示如何使用用戶端執行緒包裝類別。

 

參考

 

       

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