对欧姆龙PLC使用Python程序连接使用方法的研究.pdf

26ELECTRONIC ENGINEERING&PRODUCT WORLD 2023.8$电子产品世界Design设计应用&Application自动控制对欧姆龙PLC使用Python程序连接使用方法 的研究Research on the method of using python program to connect Omron PLC牛 凯，李冰融，李 鑫（国网上海市电力公司，上海200235）摘 要：在工业上PLC的使用十分广泛，其是许多大规模工作系统的基础控件。欧姆龙PLC提供Fins协议作为与其通信的方法，为了搭建计算机主机与PLC通信的桥梁，需要专门的Python程序用于与欧姆龙通信。本文介绍了使用Python程序与欧姆龙PLC进行通信的基本步骤以及在项目中Python通信程序的具体构建方法，在如今基于Python程序进行Fins协议进行通信的资料较少的情况下，对同类型的项目有着借鉴作用。关键词：PLC；Python；通信0 引言PLC(可编程逻辑控制器)是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。在工业上 PLC的使用十分广泛，其是许多大规模工作系统包括钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通、环保、文化娱乐等各行业中得到广泛的应用的基础控件。虽然 PLC 对基础的工业控制能起到很好的效果，但对于更加复杂的应用场景，单纯使用 PLC 进行控制难度较大。因此为了实现较为复杂的功能，在 PLC 的上层，往往需要使用应用更加广泛的编程语言如 C+、Python编写的复杂程序等进行控制，由于 PLC 的运行与承载程序的上位计算机的底层逻辑并不相同，PLC 与上位计算机的通信成为工程上的重要课题。在实际应用中不同厂家所提供的 PLC 通信方法并不相同，因此需要根据实际需求设计针对性的通信程序1。欧姆龙 PLC 提供 Fins 协议作为与其通信的方法，为了搭建计算机主机与 PLC 通信的桥梁，当计算机使用 Python 语言编写控制逻辑时，需要专门的 Python 通信程序用于与 PLC 通信。由于大部分的 PLC 设备都不直接与 Python 程序直连，而是通过 C/C+的方式作为中间层的程序，这使得网上公开的使用 Python 程序基于 Fins 协议通信欧姆龙 PLC 的程序难以寻找且仅有的程序注释解释不足，在实际运行过程中容易出现各种问题，自己根据实际要求开发对应的 Python 通信程序是必要的2。本文介绍了使用 Python 程序与欧姆龙 PLC 进行通信的基本步骤以及在项目中 Python 通信程序的具体构建方法，在如今基于 Python 程序进行 Fins 协议进行通信的资料较少的情况下，对同类型的项目有着借鉴作用。1 Python程序与欧姆龙PLC通信在进行程序上的通信前首先要建立物理上的连接。此次使用的欧姆龙 PLC 型号为 CP1H，其状态如图 1 所示。此次选择的通讯方式是通过网线连接，一端连接计算机，一端连接 PLC，用以传输数据，该 PLC 还能够使用 USB 连接，此时可以使用对应的调试程序对其进行修改，主要用于程序调试和测试。硬件连接后，下一步则是进行软件的连接通讯，Fins 协议属于数据层的协议，依赖于 TCP/IP 协议，该型号的 PLC 使用 TCP 协议进行通讯，这里 Fins 协议将作为TCP协议的数据进行传输。TCP协议的可靠性较好，但传输数据需要经过多次确认，因此在速度上略有损失。 2023.8电子产品世界设计应用Design&Application自动控制同时 Fins 协议也规定了自己的返回信息。Fins 协议的数据传递逻辑如下。图1 CP1H型PLC与连接1.1 TCP连接在主机与PLC沟通之前，首先要建立TCP的连接。这一部分可以调用 Socket 包来实现，对于不同语言来说，需要设置的结构会存在一些差别。TCP 协议共需要经过 3 次握手，第 1 次握手为客户端向服务端发送网络包，以此发起连接，同时向服务端告知自己的传输能力。第 2 次为服务端向客服端回发，以测试客户端的接受能力以及服务端的发送能力。第 3 次客户端再次向服务端发信，进行进一步确认，从而进行联系。在 TCP 层面，之后每次传递数据都会收到回复；1.2 Fins连接完成 TCP 连接后，接下来依靠 TCP 协议进行 Fins协议的连接。对于 Fins 协议连接也需要进行一次请求，这里的请求与 TCP 不同，只需要进行两次，一次由主机向PLC发送请求信息，另一次由PLC发送确认信息，这一过程规定了 Fins 协议通信中的一些基础信息，包括节点地址、节点网络号等；1.3 PLC通信当主机和 PLC 完成确认后就可以进行信息的传输工作。对于 Fins 协议通信，最重要的特点就是所有的数据请求都由主机发出，PLC 只进行被动应答操作。如对于读入操作，由主机发送信息，确认要进行读取以及读取的位置，PLC 接受到信号后按照信号进行操作，之后将数据进行返回3，在这种情况下，主机被称为发送方，而 PLC 被称为接收方。在这种框架下，命令只能由发送方发出，PLC 会将数据存储在实现规定的地方，让主机发布命令获取。2 Fins数据帧Fins 数据帧包括 Fins header、Fins command 和 Finsdata3部分，其中Fins header用于对地址目标进行识别，Fins command 用于传递命令，而 Fins data 用于传输所需数据。在 Fins 协议中，发送方使用的命令帧和接收方使用的响应帧的结构是有所区别的，其中命令帧的主要结构如下。2.1 Fins header 该部分共有10个字节，按顺序依次为ICF（InformationControl Field），用于显示框架信息，由 4 个子字段组成，有效信息包括是否使用网关、该数据的具体类型（响应或命令）以及是否必须进行回应，该字节还有 5个保留位，在一些情况下可以指定一些特殊信息；RSV（Reserved），系统保留字；GCT（Gateway count），网关的允许数量；DNA（Destination network address）发送目标的网络地址，用于指定目标的节点网络号；DA1（Destination node number）目标节点地址，此处需要注意的是可以设置为 FF，此时为广播编号；DA2（Source unit number）目的单位地址，指定目标节点的单元编号；SNA（Source network address）发送方的网络地址，用于指定发送方所在的节点网络号，SA1（Sourcenode number）发送方的节点地址；SA2（Source Unitaddress）发送方的目的单位地址；SID（Service ID）服务序列号，用于标识生成传输过程，响应中返回相同数字来匹配命令和响应。以上各单元均占 1 个字节；2.2 Fins command 该部分共占两个字节，包括 MRC 和 SRC，分别储存了 1 个字节的请求代码，其中 MRC 为主代码，决定命令类别，SRC 为次要代码，决定类别下的具体命令。例如当 MRC 为 01 时，类型为 I/O 读写，此时当 SRC为 01 时，该命令为读取 I/O。读取 Fins 协议能够指定的命令相当多，常见的操作包括读写 I/O 信息、读写参数区信息、操作模式切换、状态读取、时间读取、读写故障信息、读写文件和强制设置某些位等；2.3 Fins data 存放需要传输的数据，最大 2 000 字节，实际结构28ELECTRONIC ENGINEERING&PRODUCT WORLD 2023.8$电子产品世界Design设计应用&Application自动控制受到 Fins command 部分的约束，即不同命令需要传输的数据格式是不同的。例如读取 I/O 区时，data 区的结构为一个字节的 I/O 储存区的对应编号、3 个字节的数据起始位置和两个字节的读取数据大小。对于响应帧，其与命令帧的区别在于 Fins data 部分增加了两个字节，分别为 MRES、SRES，存储了命令帧的主相应和子响应代码，其和实际的传输数据合一起组成了 FINS 数据域，这使得响应帧能够传输的实际数据最大值变为 1 998 个字节。确定了欧姆龙 PLC 传输数据的基本格式后，接下来就是设计所需的 Python 程序了。本设计使用了 Python包的 socket 进行编写，通过调用该包的方式，可以避免对 TCP 协议的头部进行设计和模拟，简化操作。3 PLC连接过程的程序设计3.1 对PLC进行初步连通在对 PLC 进行 Fins 协议通信前，首先要确认连通了 PLC 本身。此时应输入 PLC 的 IP 地址，还需要 PLC的端口号，欧姆龙 PLC 的端口号默认为 9 600，基本不会改变。计算机的 IP 地址由函数进行获取，由于不同系统获取 IP 地址的方式不同，需要对应编写函数，再进行汇总，再使用 socket 包自带的 TCP 通讯函数在TCP 层面将主机与 PLC 进行连通，测试成功连接后就可以进行下一步骤。3.2 对PLC进行握手根据之前的 PLC 沟通过程，对 PLC 进行握手是进行数据传输的必要步骤。拼接 PLC 帧的方式是首先根据通信帧的具体结构对得出各个部分的具体数据，根据要求转换为十六进制，再转化为字符串，拼接在一起。拼接完数据后，再将数据发送出去，等待 PLC 的响应和对应的连接数据传回。数据传回后，对其进行核对，不为空则成功连接，否则输出连接失败。如果数据超过一定时间没有传回，同样输出连接失败；3.3 使用PLC本项目中，主要通过程序对PLC的数据区进行操作。一共涉及读数据和写数据两种操作。在读数据的过程中，需要分别设计 Fins 帧中的 3 部分，其中 Fins header由于主要用于输出连接信息，Fins command 则需要输出命令的具体内容，包括读命令，读取的具体区域，本项目中指 DM 区，读数据的具体起始地址以及读取的长度，Fins data 则为空。然后将 3 段拼接起来进行输出。之后线程开始等待 PLC 返回的具体数值，数据返回后，对命令进行解析判断，当格式符合要求时，读取对应的数据，并对其进行格式转换。等待需要设计 1 个时限，当超过一定时间数据仍为进行返回或者没有返回正确数据时，认为发生了未知错误，程序报错并退出，并及时通知主程序。写数据与读数据存在一些区别，包括 Fins data 将输出写入命令，写入的具体区域，写数据的具体起始区域以及写入长度，之后还要传输经过格式转换后的写入数据。当命令传输后，只需要解析返回帧是否符合要求即可。3.4 注意事项除了对于读写数据需要设计专门的函数外，由于不同的数据类型数据结果区别很大，且 PLC 的数据类型与 Python 不能简单兼容，需要将数据分为 Bool、UShort、Int、Float 和 String 几类，根据具体情况分别设计读写函数，且不同情况下的字符转换方式也需要分别设计。对于 Bool 类型的数据，由于 Python 中将 Bool和数字分为两类，读取后需要将其转换为对应的数字，对于数字类型，则需要根据实际存放的要求转换为对应的十六进制数。对于 Float 类型数据需要注意小数点的位置。对于 String 类型则需要逐一读取字符，先转换回十进制字符，再根据对应的 ASCII 码值替换成对应的字符。对于写操作则按以上进行相反的操作。对于位操作，由于其不需要进行类型转换，为了提高读取写入速度，需要设计专门的写入读取函数，以简化操作步骤，提高运行效率。最后对于所有操作都需要设计1个时钟计数，当 1 个操作经过一定时间没有被响应，则判断连接出现问题，需要及时向上层程序进行反馈。在实际一般的需求通信的程序运行过程中，一般需要单独开辟 1 个线程负责与 PLC 的连接通信操作，并将其全程挂起，以达到实时接收发送数据的目的，但这 2023.8电子产品世界设计应用Design&Application自动控制样可能会占用大量的内存资源。鉴于 Fins 协议可以只从主机一端开始通信的特点，可以设计专门的线程函数，在未使用时将其挂起，当需要使用是再进行唤醒和调用，从而提高使用效率，将更多内存放松给主机使用。这种操作的缺点在于，当系统需要与 PLC 进行通信时，才可能得知现在的连接状态是否出现问题。如果需要对连接状态进行实时控制，还是应当使用连续的进程。为了保证数据进行平稳传输，还需要为线程设计 1个锁对象，用于锁定通讯流程，使流程过程中其操作的数据不会被随意改变且线程不会被随意中断，保证整个读取过程的稳定性。此外当通信的中间环节发生错误时，需要及时将信号发送给上层程序，之后退出通信。值得注意的是，Fins 协议中不存在实际上的退出过程，这意味着实际上通讯是能够随时中断的，并不会影响端口的使用和占用4。由于 PLC 存在多个接口，所以可以在连通的情况下使用另一根导线连接另一个接口，这样可以使用另一台主机对 PLC 的实时状态进行监测，以在没有让 PLC实际运行线下设备的状态下进行调试。在设计完成后，需要对程序设计测试。本次测试使用 CX-Programmer 软件在另一台监控主机上进行，在运行 Python 程序前先查看 PLC 的 DM 区的具体数据，再使用程序进行 PLC 进行读写操作，然后再使用软件查看具体数据变化，对于读操作则查看是否读取了对应数据，对于写操作则查看是否写入正确数据，结果完美完成了读出写入数据的任务，反应时长达到使用要求，且当人为设计了连接错误后，能较好地将连接错误反应到上层程序。4 结束语本文设计了欧姆龙 PLC 使用 Python 程序基于 Fins协议的进行通信的具体步骤，并设计了一种基于 Python的软件通信方法，该方法完成了主机与PLC的连接通信，并完成了读取数据区数据和写入数据的操作，在 Python软件程序与欧姆龙 PLC 通过 Fins 协议进行通讯的网络资料较少的现状下，具有一定的借鉴作用。由于现存的实际项目对于通讯的功能要求不高，不要求通过软件对 PLC 进行实际控制，本文只研究了读取和写入数据区的两类功能，在今后的研究中，还需要继续研究对 PLC 进行控制以及读写大文件的软件程序编写方法，从而提高程序的泛用性和功能性。参考文献：1 黄燕民,陈宏轩,罗友高,等.基于Python与S7-1500的清洗机器人运动控制系统J.机电一体化,2022,28(Z2):79-84.2 王奚,王新月,李航,等.面向PLC产品的自动化测试系统平台设计与实现J.自动化仪表,2022,43(5):8-11+19.3 韩志三.基于Python的丰炜系列PLC与PC串行通信的实现J.硅谷,2013,6(22):59-60+15.4 周任杰,刘宇,张子立,等.基于Python的龙骨成型机通信方案设计J.计算机应用与软件,2019,36(06):93-96+135.(上接第21页)参考文献：1 谢晋飞.基于嵌入式的智慧农业监测系统设计D.太原:中北大学,2021(9).2 朱斌.基于物联网技术的智慧农业大棚监测系统研究J.南方农机,2023:84-86.3 田源.基于群智能优化算法的WSN环境信息检测系统的实现D.西安:西安石油大学,2021(9).4 翁苗.基于NB-IoT智慧路灯控制系统的研究与实现D.扬州:扬州大学,2023.5 张宏伟.基于STM32的智能环境监测系统设计与实现J.大庆师范学院学报,2020:91-98.6 李兆阳,邱昱清,苗凯.基于普适计算的智能家居系统设计与实现J.无线互联科技,2022:35-37.7 戴文娟,韩慧敏,吴育军.家居环境检测助老服务机器人的设计J.电子技术与软件工程,2021:51-53.8 姚科,李国利,邹惟清,等.基于互联网的病房环境检测系统设计与实现J.科技创新与应用,2021.9 刁梦梦,王璐,霍梦媛,等.基于ZigBiee的智能养殖系统的设计研究J.现代信息科技,2022:160-163.10 雷妍.基于物联网技术的智慧农业环境监测系统设计J.电子技术与软件工程,2022:246-249.11 李惠娜.基于STM32和物联网公有云的鸡蛋孵化环境检测系统设计J.电子制作,2022:9-11+100.12 郑泽华,宋文轩,尧澜,等.基于Arduino的感光式电动窗帘系统研究J.电子制作,2022.