如何使用 Python 构建 PC 通信？
PLC（Programmable Logic Controller）即可编程逻辑控制器，可以理解为一个微型计算机，广泛应用于工业控制领域中，包括楼宇智控、精密机床、汽车电子等等。
随着物联网的兴起，越来越多的传统工业设备需要和外界通信，但很多情况下，类似PLC的微控制器经常会由于自身硬件因素而无法与外界直接互联互通。PC作为一个中介桥梁，为PLC与外界的沟通打开了一扇门。
而Python作为当前最火的语言，不仅在AI、云计算等诸多方面都能看到它的身影，在工业控制中也不能少了它。本文就来分享下如何使用Python构建PC与PLC的通信，也算展示一把Python在工控领域的风采。
Snap7简介
当前市场上主流的PLC通信方式为网络通信和串行通信。网络通信这块主要协议有profinet，modbus-tcp等，串行通信主要是基于RS232/485的modbus。
本次接触到的是西门子S7系列的PLC，通信方式都为网络型的，而Snap7（http://snap7.sourceforge.net/）正是一个开源的、32/64位的、多平台的以太网通讯库：
- 支持多硬件体系结构（i386/x86_64、ARM/ARM64、Sun Sparc、Mips）；
- 支持多系统（Windows、Linux、BSD、Solaris）；
- 支持多语言（C/C++、Phyton、Node.js、Pascal、C#、VB）。
Python对其进行了封装，具体可以参见：https://github.com/gijzelaerr/python-snap7。
开发环境搭建
这里主要从Windows和Linux（Ubuntu）两个平台，说说如何搭建Python环境下的Snap7开发环境。Python的安装这里就不再赘述，环境搭建主要就是Snap7和python-snap7两个库的安装。
1、安装Snap7
Windows下，需要根据Python的结构版本(32位/64位)，将下载的Snap7的发布库copy到对应的Python安装根目录下即可。
如上图所示，我的Python是32bit，所以需要将Snap7中Win32目录下的文件Copy到Python的安装根目录下，如下图所示：
Linux（Ubuntu）下安装相对简单些，按如下命令即可：
$ sudo -s
$ add-apt-repository ppa:gijzelaar/snap7
$ apt-get update
$ apt-get install libsnap71 libsnap7-dev
2、安装python-snap7
Snap7的Python库安装就简单很多了，不管是Windows还是Linux，直接pip安装即可。
$ pip install python-snap7
经过上面两步，环境就算搭建好了。通过一个连接测试代码试试，判断下环境是否搭建正常。
import snap7
client = snap7.client.Client()
client.connect('192.168.0.1', 0, 1)
client.disconnect()
如果是下图提示，则环境正常（192.168.0.1的PLC不存在）。
如果是下图提示，则环境异常（snap7库安装不正确）。
读写PLC
环境搭建正常后，在正式建立通信前PLC还需做些配置工作，主要是开发自身的读写权限。具体参照下图配置：
通过上述配置，PLC可以正常通信了。
1、python-snap7读写分析
结合python-snap7的文档API和源码分析，python-sna7重要的两个方法是read_area和write_area，通过这两个方法就能读和写PLC的对应存储地址。
def read_area(self, area, dbnumber, start, size):
"""This is the main function to read data from a PLC.
With it you can read DB, Inputs, Outputs, Merkers, Timers and Counters.
:param dbnumber: The DB number, only used when area= S7AreaDB
:param start: offset to start writing
:param size: number of units to read
"""
assert area in snap7.snap7types.areas.values()
wordlen = snap7.snap7types.S7WLByte
type_ = snap7.snap7types.wordlen_to_ctypes[wordlen]
logger.debug("reading area: %s dbnumber: %s start: %s: amount %s: "
"wordlen: %s" % (area, dbnumber, start, size, wordlen))
data = (type_ * size)()
result = self.library.Cli_ReadArea(self.pointer, area, dbnumber, start,
size, wordlen, byref(data))
check_error(result, context="client")
return bytearray(data)
@error_wrap
def write_area(self, area, dbnumber, start, data):
"""This is the main function to write data into a PLC. It's the
complementary function of Cli_ReadArea(), the parameters and their
meanings are the same. The only difference is that the data is
transferred from the buffer pointed by pUsrData into PLC.
:param dbnumber: The DB number, only used when area= S7AreaDB
:param start: offset to start writing
:param data: a bytearray containing the payload
"""
wordlen = snap7.snap7types.S7WLByte
type_ = snap7.snap7types.wordlen_to_ctypes[wordlen]
size = len(data)
logger.debug("writing area: %s dbnumber: %s start: %s: size %s: "
"type: %s" % (area, dbnumber, start, size, type_))
cdata = (type_ * len(data)).from_buffer_copy(data)
return self.library.Cli_WriteArea(self.pointer, area, dbnumber, start,
size, wordlen, byref(cdata))
从参数可见，需要提供PLC的区域地址、起始地址、读和写的数据长度。PLC能提供如下信息：
2、PLC数据存储和地址
通过阅读PLC的手册获取到如下信息：
PLC的数据存储通过Tag的形式与存储区间关联，分为输入(I)、输出(O)、位存储(M)和数据块(DB)。程序在访问对应(I/O)tag时，是通过访问CPU的Process Image Out对相应地址进行操作的。具体对应关系如下：
到这里就能明白python-snap7中定义的areas地址是什么含义了。
areas = ADict({
'PE': 0x81, #input
'PA': 0x82, #output
'MK': 0x83, #bit memory
'DB': 0x84, #DB
'CT': 0x1C, #counters
'TM': 0x1D, #Timers
})
现在离读写PLC还差最后一步，就是起始地址如何确定呢？
从上可见对于M3.4，对应的就是M(0x83)，起始地址是3，对应bit位是4。
实战
经过上面的精心准备，下面就来一波实战。通过读写PLC的M10.1、MW201来具体看看如何读写PLC。
import struct
import time
import snap7
def plc_connect(ip, rack=0, slot=1):
"""
连接初始化
:param ip:
:param rack: 通常为0
:param slot: 根据plc安装，一般为0或1
:return:
"""
client = snap7.client.Client()
client.connect(ip, rack, slot)
return client
def plc_con_close(client):
"""
连接关闭
:param client:
:return:
"""
client.disconnect()
def test_mk10_1(client):
"""
测试M10.1
:return:
"""
area = snap7.snap7types.areas.MK
dbnumber = 0
amount = 1
start = 10
print(u'初始值')
mk_data = client.read_area(area, dbnumber, start, amount)
print(struct.unpack('!c', mk_data))
print(u'置1')
client.write_area(area, dbnumber, start, b'')
print(u'当前值')
mk_cur = client.read_area(area, dbnumber, start, amount)
print(struct.unpack('!c', mk_cur))
def test_mk_w201(client):
"""
测试MW201,数据类型为word
:param client:
:return:
"""
area = snap7.snap7types.areas.MK
dbnumber = 0
amount = 2
start = 201
print(u'初始值')
mk_data = client.read_area(area, dbnumber, start, amount)
print(struct.unpack('!h', mk_data))
print(u'置12')
client.write_area(area, dbnumber, start, b'')
print(u'当前值')
mk_cur = client.read_area(area, dbnumber, start, amount)
print(struct.unpack('!h', mk_cur))
time.sleep(3)
print(u'置3')
client.write_area(area, dbnumber, start, b'')
print(u'当前值')
mk_cur = client.read_area(area, dbnumber, start, amount)
print(struct.unpack('!h', mk_cur))
if __name__ == "__main__":
client_fd = plc_connect('192.168.0.1')
test_mk10_1(client_fd)
test_mk10_1(client_fd)
plc_con_close(client_fd)
从代码可见，MW201，根据M确定area为MK，根据W确定数据amount为2Btye，根据201确定start为201，读出来的数据根据数据长度用struct进行unpack，写数据对应strcut的pack。
这里给出PLC变量类型和大小，这样对应确定读写的amount。
最后给出一段视频，Python操作PLC来个跑马灯。
声明：本文为作者投稿，原载于个人公众号chafezhou，版权归作者所有。
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