對歐姆龍PLC使用Python程序連接使用方法的研究

0 引言

PLC( 可編程邏輯控制器) 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)。在工業(yè)上PLC的使用十分廣泛，其是許多大規(guī)模工作系統(tǒng)包括鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通、環(huán)保、文化娛樂等各行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用的基礎(chǔ)控件。雖然PLC 對基礎(chǔ)的工業(yè)控制能起到很好的效果，但對于更加復(fù)雜的應(yīng)用場景，單純使用PLC 進(jìn)行控制難度較大。因此為了實現(xiàn)較為復(fù)雜的功能，在PLC 的上層，往往需要使用應(yīng)用更加廣泛的編程語言如C++、Python編寫的復(fù)雜程序等進(jìn)行控制，由于PLC 的運行與承載程序的上位計算機(jī)的底層邏輯并不相同，PLC 與上位計算機(jī)的通信成為工程上的重要課題。在實際應(yīng)用中不同廠家所提供的PLC 通信方法并不相同，因此需要根據(jù)實際需求設(shè)計針對性的通信程序^[1]。

歐姆龍PLC提供Fins協(xié)議作為與其通信的方法，為了搭建計算機(jī)主機(jī)與PLC 通信的橋梁，當(dāng)計算機(jī)使用Python語言編寫控制邏輯時，需要專門的Python 通信程序用于與PLC 通信。由于大部分的PLC 設(shè)備都不直接與Python程序直連，而是通過C/C++ 的方式作為中間層的程序，這使得網(wǎng)上公開的使用Python 程序基于Fins 協(xié)議通信歐姆龍PLC 的程序難以尋找且僅有的程序注釋解釋不足，在實際運行過程中容易出現(xiàn)各種問題，自己根據(jù)實際要求開發(fā)對應(yīng)的Python 通信程序是必要的^[2]。

本文介紹了使用Python 程序與歐姆龍PLC 進(jìn)行通信的基本步驟以及在項目中Python 通信程序的具體構(gòu)建方法，在如今基于Python 程序進(jìn)行Fins 協(xié)議進(jìn)行通信的資料較少的情況下，對同類型的項目有著借鑒作用。

1 Python程序與歐姆龍PLC通信

在進(jìn)行程序上的通信前首先要建立物理上的連接。此次使用的歐姆龍PLC 型號為CP1H，其狀態(tài)如圖1 所示。此次選擇的通訊方式是通過網(wǎng)線連接，一端連接計算機(jī)，一端連接PLC，用以傳輸數(shù)據(jù)，該PLC 還能夠使用USB 連接，此時可以使用對應(yīng)的調(diào)試程序?qū)ζ溥M(jìn)行修改，主要用于程序調(diào)試和測試。

硬件連接后，下一步則是進(jìn)行軟件的連接通訊，F(xiàn)ins協(xié)議屬于數(shù)據(jù)層的協(xié)議，依賴于TCP/IP 協(xié)議，該型號的PLC 使用TCP 協(xié)議進(jìn)行通訊，這里Fins 協(xié)議將作為TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。TCP協(xié)議的可靠性較好，但傳輸數(shù)據(jù)需要經(jīng)過多次確認(rèn)，因此在速度上略有損失。同時Fins 協(xié)議也規(guī)定了自己的返回信息。Fins 協(xié)議的數(shù)據(jù)傳遞邏輯如下。

圖1 CP1H型PLC與連接

1.1 TCP連接

在主機(jī)與PLC 溝通之前，首先要建立TCP 的連接。這一部分可以調(diào)用Socket 包來實現(xiàn)，對于不同語言來說，需要設(shè)置的結(jié)構(gòu)會存在一些差別。TCP 協(xié)議共需要經(jīng)過3 次握手，第1 次握手為客戶端向服務(wù)端發(fā)送網(wǎng)絡(luò)包，以此發(fā)起連接，同時向服務(wù)端告知自己的傳輸能力。第2 次為服務(wù)端向客服端回發(fā)，以測試客戶端的接受能力以及服務(wù)端的發(fā)送能力。第3 次客戶端再次向服務(wù)端發(fā)信，進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)，從而進(jìn)行聯(lián)系。在TCP 層面，之后每次傳遞數(shù)據(jù)都會收到回復(fù)。

1.2 Fins連接

完成TCP 連接后，接下來依靠TCP 協(xié)議進(jìn)行Fins協(xié)議的連接。對于Fins 協(xié)議連接也需要進(jìn)行一次請求，這里的請求與TCP 不同，只需要進(jìn)行兩次，一次由主機(jī)向PLC 發(fā)送請求信息，另一次由PLC 發(fā)送確認(rèn)信息，這一過程規(guī)定了Fins 協(xié)議通信中的一些基礎(chǔ)信息，包括節(jié)點地址、節(jié)點網(wǎng)絡(luò)號等。

1.3 PLC通信

當(dāng)主機(jī)和PLC 完成確認(rèn)后就可以進(jìn)行信息的傳輸工作。對于Fins 協(xié)議通信，最重要的特點就是所有的數(shù)據(jù)請求都由主機(jī)發(fā)出，PLC 只進(jìn)行被動應(yīng)答操作。如對于讀入操作，由主機(jī)發(fā)送信息，確認(rèn)要進(jìn)行讀取以及讀取的位置，PLC 接受到信號后按照信號進(jìn)行操作，之后將數(shù)據(jù)進(jìn)行返回^[3]，在這種情況下，主機(jī)被稱為發(fā)送方，而PLC 被稱為接收方。在這種框架下，命令只能由發(fā)送方發(fā)出，PLC 會將數(shù)據(jù)存儲在實現(xiàn)規(guī)定的地方，讓主機(jī)發(fā)布命令獲取。

2 Fins數(shù)據(jù)幀

Fins 數(shù)據(jù)幀包括Fins header、Fins command 和Fins data3 部分，其中Fins header 用于對地址目標(biāo)進(jìn)行識別，F(xiàn)ins command 用于傳遞命令，而Fins data 用于傳輸所需數(shù)據(jù)。在Fins 協(xié)議中，發(fā)送方使用的命令幀和接收方使用的響應(yīng)幀的結(jié)構(gòu)是有所區(qū)別的，其中命令幀的主要結(jié)構(gòu)如下。

2.1 Fins header

該部分共有10個字節(jié)，按順序依次為ICF（Information Control Field），用于顯示框架信息，由4 個子字段組成，有效信息包括是否使用網(wǎng)關(guān)、該數(shù)據(jù)的具體類型（響應(yīng)或命令）以及是否必須進(jìn)行回應(yīng)，該字節(jié)還有5個保留位，在一些情況下可以指定一些特殊信息；RSV（Reserved），系統(tǒng)保留字；GCT（Gateway count），網(wǎng)關(guān)的允許數(shù)量；DNA（Destination  network address）發(fā)送目標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)地址，用于指定目標(biāo)的節(jié)點網(wǎng)絡(luò)號；DA1（Destination node number）目標(biāo)節(jié)點地址，此處需要注意的是可以設(shè)置為FF，此時為廣播編號；DA2（Source unit number）目的單位地址，指定目標(biāo)節(jié)點的單元編號；SNA（Source network address）發(fā)送方的網(wǎng)絡(luò)地址，用于指定發(fā)送方所在的節(jié)點網(wǎng)絡(luò)號，SA1（Source node number）發(fā)送方的節(jié)點地址；SA2（Source Unit address）發(fā)送方的目的單位地址；SID（Service ID）服務(wù)序列號，用于標(biāo)識生成傳輸過程，響應(yīng)中返回相同數(shù)字來匹配命令和響應(yīng)。以上各單元均占1 個字節(jié)。

2.2 Fins command

該部分共占兩個字節(jié)，包括MRC 和SRC，分別儲存了1 個字節(jié)的請求代碼，其中MRC 為主代碼，決定命令類別，SRC 為次要代碼，決定類別下的具體命令。例如當(dāng)MRC 為01 時，類型為I/O 讀寫，此時當(dāng)SRC為01 時，該命令為讀取I/O。讀取Fins 協(xié)議能夠指定的命令相當(dāng)多，常見的操作包括讀寫I/O 信息、讀寫參數(shù)區(qū)信息、操作模式切換、狀態(tài)讀取、時間讀取、讀寫故障信息、讀寫文件和強制設(shè)置某些位等。

2.3 Fins data

存放需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，最大2 000 字節(jié)，實際結(jié)構(gòu)受到Fins command部分的約束，即不同命令需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式是不同的。例如讀取I/O 區(qū)時，data 區(qū)的結(jié)構(gòu)為一個字節(jié)的I/O 儲存區(qū)的對應(yīng)編號、3 個字節(jié)的數(shù)據(jù)起始位置和兩個字節(jié)的讀取數(shù)據(jù)大小。

對于響應(yīng)幀，其與命令幀的區(qū)別在于Fins data 部分增加了兩個字節(jié)，分別為MRES、SRES，存儲了命令幀的主相應(yīng)和子響應(yīng)代碼，其和實際的傳輸數(shù)據(jù)合一起組成了FINS 數(shù)據(jù)域，這使得響應(yīng)幀能夠傳輸?shù)膶嶋H數(shù)據(jù)最大值變?yōu)? 998 個字節(jié)。

確定了歐姆龍PLC 傳輸數(shù)據(jù)的基本格式后，接下來就是設(shè)計所需的Python 程序了。本設(shè)計使用了Python包的socket 進(jìn)行編寫，通過調(diào)用該包的方式，可以避免對TCP 協(xié)議的頭部進(jìn)行設(shè)計和模擬，簡化操作。

3 PLC連接過程的程序設(shè)計

3.1 對PLC進(jìn)行初步連通

在對PLC 進(jìn)行Fins 協(xié)議通信前，首先要確認(rèn)連通了PLC 本身。此時應(yīng)輸入PLC 的IP 地址，還需要PLC的端口號，歐姆龍PLC 的端口號默認(rèn)為9 600，基本不會改變。計算機(jī)的IP 地址由函數(shù)進(jìn)行獲取，由于不同系統(tǒng)獲取IP 地址的方式不同，需要對應(yīng)編寫函數(shù)，再進(jìn)行匯總，再使用socket 包自帶的TCP 通訊函數(shù)在TCP 層面將主機(jī)與PLC 進(jìn)行連通，測試成功連接后就可以進(jìn)行下一步驟。

3.2 對PLC進(jìn)行握手

根據(jù)之前的PLC 溝通過程，對PLC 進(jìn)行握手是進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋匾襟E。拼接PLC 幀的方式是首先根據(jù)通信幀的具體結(jié)構(gòu)對得出各個部分的具體數(shù)據(jù)，根據(jù)要求轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制，再轉(zhuǎn)化為字符串，拼接在一起。拼接完數(shù)據(jù)后，再將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，等待PLC 的響應(yīng)和對應(yīng)的連接數(shù)據(jù)傳回。數(shù)據(jù)傳回后，對其進(jìn)行核對，不為空則成功連接，否則輸出連接失敗。如果數(shù)據(jù)超過一定時間沒有傳回，同樣輸出連接失敗。

3.3 使用PLC

本項目中，主要通過程序?qū)LC的數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行操作。一共涉及讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)兩種操作。在讀數(shù)據(jù)的過程中，需要分別設(shè)計Fins 幀中的3 部分，其中Fins header由于主要用于輸出連接信息，F(xiàn)ins command 則需要輸出命令的具體內(nèi)容，包括讀命令，讀取的具體區(qū)域，本項目中指DM 區(qū)，讀數(shù)據(jù)的具體起始地址以及讀取的長度，F(xiàn)ins data 則為空。然后將3 段拼接起來進(jìn)行輸出。之后線程開始等待PLC 返回的具體數(shù)值，數(shù)據(jù)返回后，對命令進(jìn)行解析判斷，當(dāng)格式符合要求時，讀取對應(yīng)的數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。等待需要設(shè)計1 個時限，當(dāng)超過一定時間數(shù)據(jù)仍為進(jìn)行返回或者沒有返回正確數(shù)據(jù)時，認(rèn)為發(fā)生了未知錯誤，程序報錯并退出，并及時通知主程序。寫數(shù)據(jù)與讀數(shù)據(jù)存在一些區(qū)別，包括Finsdata 將輸出寫入命令，寫入的具體區(qū)域，寫數(shù)據(jù)的具體起始區(qū)域以及寫入長度，之后還要傳輸經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換后的寫入數(shù)據(jù)。當(dāng)命令傳輸后，只需要解析返回幀是否符合要求即可。

3.4 注意事項

除了對于讀寫數(shù)據(jù)需要設(shè)計專門的函數(shù)外，由于不同的數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)結(jié)果區(qū)別很大，且PLC 的數(shù)據(jù)類型與Python 不能簡單兼容，需要將數(shù)據(jù)分為Bool、UShort、Int、Float 和String 幾類，根據(jù)具體情況分別設(shè)計讀寫函數(shù)，且不同情況下的字符轉(zhuǎn)換方式也需要分別設(shè)計。對于Bool 類型的數(shù)據(jù)，由于Python 中將Bool和數(shù)字分為兩類，讀取后需要將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字，對于數(shù)字類型，則需要根據(jù)實際存放的要求轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)。對于Float 類型數(shù)據(jù)需要注意小數(shù)點的位置。對于String 類型則需要逐一讀取字符，先轉(zhuǎn)換回十進(jìn)制字符，再根據(jù)對應(yīng)的ASCII 碼值替換成對應(yīng)的字符。對于寫操作則按以上進(jìn)行相反的操作。對于位操作，由于其不需要進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換，為了提高讀取寫入速度，需要設(shè)計專門的寫入讀取函數(shù)，以簡化操作步驟，提高運行效率。最后對于所有操作都需要設(shè)計1 個時鐘計數(shù)，當(dāng)1 個操作經(jīng)過一定時間沒有被響應(yīng)，則判斷連接出現(xiàn)問題，需要及時向上層程序進(jìn)行反饋。

在實際一般的需求通信的程序運行過程中，一般需要單獨開辟1 個線程負(fù)責(zé)與PLC 的連接通信操作，并將其全程掛起，以達(dá)到實時接收發(fā)送數(shù)據(jù)的目的，但這樣可能會占用大量的內(nèi)存資源。鑒于Fins 協(xié)議可以只從主機(jī)一端開始通信的特點，可以設(shè)計專門的線程函數(shù)，在未使用時將其掛起，當(dāng)需要使用是再進(jìn)行喚醒和調(diào)用，從而提高使用效率，將更多內(nèi)存放松給主機(jī)使用。這種操作的缺點在于，當(dāng)系統(tǒng)需要與PLC 進(jìn)行通信時，才可能得知現(xiàn)在的連接狀態(tài)是否出現(xiàn)問題。如果需要對連接狀態(tài)進(jìn)行實時控制，還是應(yīng)當(dāng)使用連續(xù)的進(jìn)程。

為了保證數(shù)據(jù)進(jìn)行平穩(wěn)傳輸，還需要為線程設(shè)計1個鎖對象，用于鎖定通訊流程，使流程過程中其操作的數(shù)據(jù)不會被隨意改變且線程不會被隨意中斷，保證整個讀取過程的穩(wěn)定性。此外當(dāng)通信的中間環(huán)節(jié)發(fā)生錯誤時，需要及時將信號發(fā)送給上層程序，之后退出通信。值得注意的是，F(xiàn)ins 協(xié)議中不存在實際上的退出過程，這意味著實際上通訊是能夠隨時中斷的，并不會影響端口的使用和占用^[4]。

由于PLC 存在多個接口，所以可以在連通的情況下使用另一根導(dǎo)線連接另一個接口，這樣可以使用另一臺主機(jī)對PLC 的實時狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，以在沒有讓PLC實際運行線下設(shè)備的狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)試。

在設(shè)計完成后，需要對程序設(shè)計測試。本次測試使用CX-Programmer 軟件在另一臺監(jiān)控主機(jī)上進(jìn)行，在運行Python 程序前先查看PLC 的DM 區(qū)的具體數(shù)據(jù)，再使用程序進(jìn)行PLC 進(jìn)行讀寫操作，然后再使用軟件查看具體數(shù)據(jù)變化，對于讀操作則查看是否讀取了對應(yīng)數(shù)據(jù)，對于寫操作則查看是否寫入正確數(shù)據(jù)，結(jié)果完美完成了讀出寫入數(shù)據(jù)的任務(wù)，反應(yīng)時長達(dá)到使用要求，且當(dāng)人為設(shè)計了連接錯誤后，能較好地將連接錯誤反應(yīng)到上層程序。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了歐姆龍PLC 使用Python 程序基于Fins協(xié)議的進(jìn)行通信的具體步驟，并設(shè)計了一種基于Python的軟件通信方法，該方法完成了主機(jī)與PLC的連接通信，并完成了讀取數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)和寫入數(shù)據(jù)的操作，在Python軟件程序與歐姆龍PLC 通過Fins 協(xié)議進(jìn)行通訊的網(wǎng)絡(luò)資料較少的現(xiàn)狀下，具有一定的借鑒作用。由于現(xiàn)存的實際項目對于通訊的功能要求不高，不要求通過軟件對PLC 進(jìn)行實際控制，本文只研究了讀取和寫入數(shù)據(jù)區(qū)的兩類功能，在今后的研究中，還需要繼續(xù)研究對PLC 進(jìn)行控制以及讀寫大文件的軟件程序編寫方法，從而提高程序的泛用性和功能性。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年8月期）