1、引言
在现代工业自动化系统中，PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）被广泛应用于监控和控制各种设备和过程。而与之配套的通信协议也是至关重要的。其中，Modbus TCP 协议作为一种常见的通信协议，被广泛应用于工业领域。
Modbus TCP 协议基于 TCP/IP 协议栈，并使用简单易懂的命令格式，使得各种设备和系统可以方便地进行数据交换。而 Python 作为一门灵活且功能强大的编程语言，在工控领域中也越来越受欢迎。
本文旨在介绍如何使用 Python 通过 Modbus TCP 连接 PLC，并实现对其读写操作的方式。我们将会介绍常用的 Python Modbus 库，并提供一个实际案例来展示其具体应用。通过本文的学习，读者将能够掌握使用 Python 与 PLC 进行数据交互的基本技巧，进一步开发出更加智能和灵活的工控系统。
值得注意的是，在实际应用中，安全性和异常处理也是非常重要的考虑因素。因此，我们还将提醒读者在使用 Python 连接 PLC 时，注意网络安全风险，并妥善处理异常情况，以确保系统的可靠性和稳定性。
通过本文的阅读，读者将进一步了解 Python 与 Modbus TCP 协议之间的结合，为工业自动化系统的开发和维护提供更加便利的解决方案。
希望本文能给读者带来启发和帮助，让我们一同深入了解如何使用 Python 通过 Modbus TCP 连接 PLC 吧！
2、Modbus TCP 简介
Modbus TCP 协议是 Modbus 协议的一种变种，基于 TCP/IP 协议栈进行通信。它是一种开放的通信协议，被广泛应用于工业自动化系统中，用于设备之间的数据交换和控制。
Modbus TCP 协议具有以下特点和优势：
简单易懂：Modbus TCP 采用简单的命令格式，使得不同设备和系统可以轻松地实现数据交互。它使用 16 位寄存器地址来表示设备内部的数据，通过读取和写入这些寄存器，可以实现对设备的控制和监控。
可靠性高：通过 TCP/IP 协议栈的传输机制，Modbus TCP 能够保证数据的可靠传输。TCP 提供了可靠的连接和错误检测机制，确保数据的完整性和准确性。
扩展性强：Modbus TCP 可以支持多个设备同时与一个主站进行通信，灵活应对各种复杂的工业场景。此外，Modbus TCP 还支持主从结构和广播通信，可以满足不同的通信需求。
平台独立性：由于 Modbus TCP 是基于 TCP/IP 协议的，因此它可以在不同的平台上实现，包括 Windows、Linux 等操作系统，以及各种硬件平台。
Python 作为一种流行的编程语言，提供了丰富的工具和库，使得使用 Modbus TCP 协议与 PLC 进行通信变得更加容易。通过几行简洁的 Python 代码，我们就可以实现对 PLC 的读写操作，从而实现设备的控制和数据采集。
在下面的章节中，我们将介绍常用的 Python Modbus 库，并提供示例代码来演示如何使用 Python 通过 Modbus TCP 连接 PLC 并进行数据交互。
3、Python 的 Modbus 库
在 Python 中，有一些常用的 Modbus 库可以帮助我们实现与 PLC 的通信。下面介绍一个常用的库：
pymodbus：pymodbus 是一个纯 Python 编写的 Modbus 库，提供了基于 TCP 和串口（RTU/ASCII）的 Modbus 通信功能。它支持 Modbus TCP、Modbus RTU 和 Modbus ASCII 三种传输模式，并提供了丰富的函数接口，使得读写操作变得简单方便。您可以使用 pip 安装 pymodbus 库：
pip install pymodbus
以下是一个使用 pymodbus 库读取保持寄存器数据的示例代码：
from pymodbus.client.sync import ModbusTcpClient
# 创建Modbus TCP客户端
client = ModbusTcpClient('192.168.0.1')
# 连接到PLC
client.connect()
# 读取保持寄存器数据
result = client.read_holding_registers(address=0, count=10, unit=1)
# 处理返回结果
if result.isError():
print("读取失败：{}".format(result))
else:
data = result.registers
print("读取成功：{}".format(data))
# 关闭连接
client.close()
4、连接 PLC 的步骤
确定 PLC 的网络配置：首先，您需要获取 PLC 的 IP 地址和端口号。这些信息通常在 PLC 的文档或配置界面中可以找到，如图4.1和4.2所示。确保您的计算机和 PLC 在同一个局域网中，并且可以互相访问，可以通过PING指令进行测试。
图4.1
图4.2
安装必要的库和驱动程序：在使用 Python 与 PLC 进行通信之前，您可能需要安装一些必要的库和驱动程序。例如，在使用 Modbus TCP 通信时，您需要安装相应的 Modbus 库（如 pymodbus ）。按照库的文档说明安装和配置。
导入所需的库：在 Python 代码中，您需要导入相应的库以实现与 PLC 的通信。例如，如果您选择使用 pymodbus 库，则需要导入 pymodbus.client.sync 模块来创建 Modbus 客户端。
创建连接：使用所选的库，创建与 PLC 的连接。这通常涉及创建一个客户端对象并指定 PLC 的 IP 地址和端口号。例如，在使用 pymodbus 库时，您可以使用 ModbusTcpClient 类来创建 Modbus TCP 客户端。
连接到 PLC：使用创建的客户端对象，调用连接方法来与 PLC 建立连接。在 Modbus TCP 通信中，这将尝试连接到指定的 IP 地址和端口号。
进行读写操作：一旦连接建立成功，您可以使用相应的函数或方法读取或写入 PLC 的数据。具体的读写操作取决于您使用的 PLC。
关闭连接：在完成与 PLC 的通信后，记得关闭连接以释放资源。通过调用相应的方法（如 close()）来关闭连接。
请注意，上述步骤可能会因不同的 PLC 品牌、型号和通信协议而有所变化。确保仔细阅读 PLC 的文档和相关库的文档，以正确地进行连接和通信。
5、示例案例
当与 PLC 建立连接后，您可以使用 Python 代码进行读取和写入 PLC 的数据。以下是一个示例案例，演示如何使用 pymodbus 库读取和写入 Modbus TCP 通信协议下的保持寄存器数据：
from pymodbus.client.sync import ModbusTcpClient
# 创建Modbus TCP客户端
client = ModbusTcpClient('192.168.0.22'，502)
# 连接到PLC
client.connect()
# 读取保持寄存器数据
result = client.read_holding_registers(address=0, count=10, unit=1)
# 处理返回结果
if result.isError():
print("读取失败：{}".format(result))
else:
data = result.registers
print("读取成功：{}".format(data))
# 写入保持寄存器数据
write_data = [100, 200, 300, 400, 500]
result = client.write_registers(address=0, values=write_data, unit=1)
# 处理返回结果
if result.isError():
print("写入失败：{}".format(result))
else:
print("写入成功")
# 关闭连接
client.close()
在上述示例中，我们首先使用 ModbusTcpClient 类创建了一个 Modbus TCP 客户端对象，并指定 PLC 的 IP 地址为 192.168.0.1，端口为：502。然后，我们调用 connect()方法连接到 PLC。
接下来，我们使用 read_holding_registers()方法读取保持寄存器的数据，指定起始地址为 0，读取寄存器数为 10，设备地址为 1。读取的结果存储在 result 变量中，通过判断返回结果是否有错误，我们可以判断读取是否成功。如果成功，我们可以通过 registers 属性获取实际的寄存器数据。
然后，我们定义一个要写入保持寄存器的数据列表 write_data，其中包含了一些示例数值。使用 write_registers()方法将该数据写入到 PLC 的保持寄存器中，起始地址也是 0，设备地址为 1。同样地，我们检查返回结果以确定写入是否成功。
最后，我们调用 close()方法关闭与 PLC 的连接，释放资源。
请注意，上述示例仅供参考，具体的读写操作和寄存器地址需要根据您的 PLC 和通信协议进行相应的调整。确保阅读相关库的文档和 PLC 的文档以正确地进行读写操作。
6、应用场景
PLC（可编程逻辑控制器）在工业自动化领域中扮演着至关重要的角色。使用 Python 与 PLC 建立连接和进行数据交互，可以实现各种应用场景。以下是几个常见的应用场景：
监控和数据采集：通过与 PLC 建立连接，您可以定期读取传感器数据、监测设备状态并记录生产数据。例如，您可以读取温度、压力、流量等传感器数据，并将其存储到数据库或进行实时监控。
远程控制和调整：借助 Python 与 PLC 的连接，您可以通过发送指令来实现对 PLC 控制的远程操作。例如，您可以编写 Python 代码来控制电机的启停、调整阀门的开闭、修改设备的运行参数等。
自动化生产线控制：使用 Python 与 PLC 通信，您可以实现对生产线的自动化控制。例如，在生产过程中，您可以通过与 PLC 交互来实现批次切换、产品跟踪、设备故障检测和处理等功能，从而提高生产线的效率和灵活性。
能耗管理与优化：通过读取 PLC 中的能耗数据，结合其他环境参数（如温度、湿度等），您可以编写 Python 代码对能源消耗进行监测和分析。这样可以帮助您找出能源浪费的原因，并采取相应措施进行能耗优化。
故障诊断和预测维护：通过实时监测和分析 PLC 中的数据，结合机器学习和数据挖掘技术，您可以构建故障诊断和预测维护系统。这可以帮助您及时发现设备故障、预测设备的寿命，并提前采取维护措施，以减少生产线的停机时间和维修成本。
7、总结
通过使用 Python 与 PLC 建立连接并进行数据交互，可以实现多种应用场景，包括监控和数据采集、远程控制和调整、自动化生产线控制、能耗管理与优化，以及故障诊断和预测维护等。
总之，Python与Modbus TCP连接PLC的步骤包括安装必要的库、建立连接、执行操作、处理响应数据以及关闭连接。通过这些步骤，你可以使用Python编写代码与PLC进行数据交互，实现对PLC的控制和监控。记得根据PLC的用户手册和Modbus协议规范进行操作，并根据自己的需求进行额外的扩展和处理。
