CODESYS与Python“牵手”

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一、引言：让 PLC 拥抱开放的编程世界

传统工业里，PLC 稳守固定逻辑，精准执行控制任务。在工业物联网与智能制造浪潮下，工程师有了新期待：让 PLC 与 Python 等现代高级编程语言联手，将 PLC 的稳定可靠与 Python 的开放多元完美融合，从而释放出无限潜能。

本文将以一个精彩案例，展示 PLC 程序通过 Socket 请求，让树莓派上 Python 服务器抓取实时天气数据并回传解析存储的奇妙过程，一起探索！

二、系统总体架构与数据流

系统由两个主要部分构成：

模块	平台	功能描述
CODESYS PLC 程序	树莓派上的 CODESYS   Runtime	客户端。检测触发信号、建立TCP连接、发送命令、接收天气 JSON 数据、解析并输出到变量。
Python 服务端程序	树莓派 / 其他主机	服务器。监听TCP端口，接收PLC命令，通过 HTTP 从   weather.com.cn 获取实时天气数据，解析后返回 JSON 格式响应。

三、CODESYS 端：实现 PLC 调用外部服务的关键逻辑

Codesys中新建名为Socket_FB的功能块(Function Block)，在PLC主循环中调用。

3.1 功能块的引脚设计

Socket_FB功能块引脚示意图

3.2 上升沿触发与一次通信周期

代码示例：

bRisingEdge := bSendTrigger AND NOT bTrigOld;

bTrigOld := bSendTrigger;

PLC 程序通过检测输入 bSendTrigger 的上升沿，触发一次完整的通信任务。这样可确保每次请求都是用户或外部事件驱动，不会连续触发导致网络阻塞。一旦触发在后续的程序中会依次执行以下命令：

• 周期初始化，清空所有状态变量；

• 创建 TCP socket；

• 连接到服务器；

• 发送命令；

• 等待并接收应答；

• 解析结果；

• 关闭连接。

这是一个典型的“事务式通信模式”，类似工业现场中“一次握手、一问一答”的数据采集流程。

3.3 周期初始化

代码示例：

IF bRisingEdge THEN

bConnectOK := FALSE;

bSendOK := FALSE;

bRecvOK := FALSE;

bDone := FALSE;

sRecvBuffer := '';

iErrorCode := Errors.ERR_OK;

每次通讯开始前重置所有状态标志，清空接收缓冲区。

3.4 Socket 通信核心流程

CODESYS 的 SysSocket 库提供了底层网络访问能力：

函数	作用
SysSockCreate()	创建 socket，返回句柄
SysSockConnect()	与服务器建立 TCP 连接
SysSockSend()	发送数据
SysSockRecv()	接收数据
SysSockClose()	关闭连接

(1)    创建socket：

代码示例：

hSocket := SysSockCreate(SOCKET_AF_INET, SOCKET_STREAM, SOCKET_IPPROTO_TCP, ADR(iResult));

Codesys库SysSockCreate文档

创建一个新的 socket，并返回该 socket 的句柄（handle）。这个句柄以后会作为参数传给其他套接字相关函数，例如 SysSockBind、SysSockConnect、SysSockListen、SysSockAccept、SysSockSend、SysSockRecv、SysSockClose 等。

参数：SOCKET_AF_INET, SOCKET_STREAM, SOCKET_IPPROTO_TCP是 CODESYS 系统库中定义的常量，初始值如下表所示。

Name	Type	Initial	Comment
SOCKET_AF_INET	INT	2	AddressFamily: DINTernetwork: UDP, TCP,   etc.
SOCKET_STREAM	DINT	1	Socket types: stream socket
SOCKET_IPPROTO_TCP	DINT	6	Protocols: tcp

(2)设置socket服务器地址

代码示例：

SockInetAddr_Result := SysSockInetAddr('127.0.0.1', ADR(ipAddr));

IF SockInetAddr_Result = Errors.ERR_OK THEN

addrServer.sin_family := SOCKET_AF_INET;

addrServer.sin_port := SysSockHtons(5678);

addrServer.sin_addr.ulAddr := ipAddr;

这段代码的作用是：将字符串形式的 IP 地址 "127.0.0.1" 转换为可用于网络通信的数值格式，并在转换成功后，设置服务器地址结构 addrServer 的基本参数：指定使用 IPv4 协议、端口号为 5678，并将目标 IP 地址设为 127.0.0.1，为后续建立 socket 连接做准备。

Codesys库SysSockInetAddr文档

在使用SysSockConnect 前，需要把目标 IP（字符串）转换为可写入地址结构的二进制值。所以，SysSockInetAddr 通常是网络通信初始化步骤中的一环。SysSockInetAddr 的作用就是：把 "点分十进制" 的 IP 地址（例如 '127.0.0.1'）转成一个 32 位无符号整数（UDINT）形式。

在实际测试中使用的‘127.0.0.1’通过SysSockInetAddr转换结果是16777343。一个 IPv4 地址本质上是 4 个字节（共 32 位）,把它转换为16进制按字节拼起来是0x7F000001。网络中数据是 Big Endian（高位在前），但大多数 PLC/CPU（x86、ARM）是 Little Endian（低位在前）。也就是说在内存中这 4 个字节的排列是反的：

网络字节序（标准）: 7F 00 00 01

PLC内存（小端表示）: 01 00 00 7F

0x0100007F = (1 × 256^3) + (0 × 256^2) + (0 × 256) + 127= 16777343

Codesys库SOCKADDRESS文档

SOCKADDRESS 结构用于在 CODESYS 中描述一个完整的网络通信地址，它包含了建立或识别网络连接所需的全部信息——包括地址族（如 IPv4）、端口号以及目标或本地的 IP 地址。该结构在调用SysSockConnect函数时作为参数使用，用来告诉系统“我要与哪个 IP、哪个端口进行通信”。其中端口号需要通过 SysSockHtons() 转换为网络字节序，IP 地址通常由 SysSockInetAddr() 生成。简单来说，SOCKADDRESS 就是 CODESYS 中 socket 通信的“地址卡片”。

(3)建立socket连接

代码示例：

SockConnect_Result := SysSockConnect(hSocket, ADR(addrServer), SIZEOF(addrServer));

这段代码的作用是：通过已创建的 socket (hSocket)，调用 SysSockConnect() 函数，将其连接到由 addrServer 定义的远程服务器地址，并返回连接结果。

Codesys库SysSockConnect文档

SysSockConnect是一个用于实现客户端连接socket服务器功能的功能块。使用时，需将传入socket句柄和包含服务器IP地址和端口号等信息的SOCKADDRESS结构等。函数执行后会返回一个RTS_IEC_RESULT类型的值，用于指示连接操作是否成功，若返回0表示连接成功，可进行后续数据传输等操作，否则需根据返回值进行相应的错误处理。

(4) 发送命令

代码示例：

sSendBuffer := 'fun1';

IF SysSockSend(hSocket, ADR(sSendBuffer), LEN(sSendBuffer), 0, ADR(SockSend_Result)) > 0 AND SockSend_Result = Errors.ERR_OK THEN

bSendOK := TRUE;

这段代码的作用是：PLC通过已连接的socket发送字符串 “fun1”，并在确认发送成功后设置发送成功标志。

Codesys库SysSockSend文档

SysSockSend 函数用于向已建立的 socket发送数据。hSocket 是先前创建并连接成功的 socket 句柄；ADR(sSendBuffer) 提供发送缓冲区的内存地址；LEN(sSendBuffer) 指定要发送的数据长度；0 表示不使用额外的发送标志；ADR(SockSend_Result) 用于接收运行时系统返回的错误码。函数返回成功发送的字节数。如果发送的字节数大于 0 且系统返回码 SockSend_Result 等于 Errors.ERR_OK，则说明数据成功发出，于是程序将 bSendOK 置为 TRUE，表示发送完成。

(5) 接收数据

代码示例：

diRecvBytes := SysSockRecv(hSocket, ADR(byRecvBuffer), SIZEOF(byRecvBuffer), 0, ADR(SockRecv_Result));

IF diRecvBytes > 0 AND SockRecv_Result = Errors.ERR_OK THEN

IF diRecvBytes > SIZEOF(sRecvBuffer) - 1 THEN

diRecvBytes := SIZEOF(sRecvBuffer) - 1;

END_IF

SysMemCpy(ADR(sRecvBuffer), ADR(byRecvBuffer), diRecvBytes);

sRecvBuffer[diRecvBytes] := BYTE#0;

bRecvOK := TRUE;

这段代码的主要作用是：从一个已建立的 TCP Socket (hSocket) 中接收数据并保存到接收缓冲区中 (sRecvBuffer)，并在成功接收后标记 bRecvOK := TRUE。

Codesys库SysSockRecv文档

SysSockRecv用于从 socket中接收数据。它通过指定的socket句柄 hSocket 从端口读取数据，并将接收到的字节写入由 pbyBuffer 指向的接收缓冲区中，最大接收长度由 diBufferSize 限制。

Codesys库SysMemCpy文档

SysMemCpy用于内存数据复制，其作用是将指定源地址 pSrc 中的内容复制到目标地址 pDest，复制的字节数由参数 udiCount 决定。

实际运行状态监控

网络传输底层不认识“字符串”，所有内容（包括文字、数字、图片）都要被转为字节流（byte stream）。byRecvBuffer 收到的就是这些 ASCII/UTF-8 字节，diRecvBytes是接收到的字节数量。

Codesys监控byRecvBuffer

byRecvBuffer接收到的字节数据前9个依次为：123，34，110，97，109，101，101，110，34。根据字符与字节（ASCII / UTF-8 编码）之间的关系，以上字节可转译为：{、"、n、a、m、e、e、n、"。

字符	十进制字节值	十六进制	含义
{	123	0x7B	左花括号
}	125	0x7D	右花括号
"	34	0x22	双引号
:	58	0x3A	冒号
,	44	0x2C	逗号
空格	32	0x20	空格
0–9	48–57	0x30–0x39	数字字符
a–z	97–122	0x61–0x7A	小写字母

标准 ASCII 或 UTF-8 编码

文本的案例中接收到的完整字符串为：{"nameen": "baoshan", "temp": "23.9", "wde": "NW", "wse": "11km/h", "SD": "84%", "qy": "1015", "njd": "4km", "updatetime": "20:40", "rain": "0", "rain24h": "0", "aqi": "88", "aqi_pm25": "88", "weathere": "haze"}，共211字节，与监控的diRecvBytes值一致。

(6) JSON 解析

代码示例：

s_Nameen := GetFieldValue(sRecvBuffer, 'nameen');

FUNCTION GetFieldValue : STRING

...

sPattern := CONCAT(sKey, '": "');

iStart := FIND(sSrc, sPattern);

...

GetFieldValue := LEFT(sTemp, iEnd - 1);

这段代码的主要作用是：从 sSrc 字符串中查找以 sKey 为字段名的键值对，并提取该键对应的字符串值。类似从 ... "name": "Alice", ... 中提取 Alice 的功能。

虽然 PLC 没有内置完整 JSON 解析器，但通过字符串查找函数即可实现简化版字段提取。这说明即便在嵌入式 PLC 环境中，也可以通过基础字符串操作解析网络数据。解析完成后，PLC 将天气各项指标写入输出变量，如：

s_Temp := GetFieldValue(sRecvBuffer, 'temp');

s_WindSpeed := GetFieldValue(sRecvBuffer, 'wse');

s_Humidity := GetFieldValue(sRecvBuffer, 'SD');

s_Weather := GetFieldValue(sRecvBuffer, 'weathere');

这些变量可用于显示在 HMI、记录数据库、或驱动后续控制逻辑。

(7) 关闭socket

SysSockClose(hSocket);

关闭已创建的套接字 hSocket，释放与该套接字相关的系统资源，结束该网络连接。

四、Python 端：CODESYS 的“外部智能助手”

4.1 设计思路

Python 在此系统中扮演“中间件服务层”角色。PLC 不直接访问互联网，而是请求 Python 服务端，由 Python 完成网络请求与数据解析任务，再将结果以简洁 JSON 返回。

这既保证了：

• PLC 稳定、安全（不直接暴露外网请求）；

• Python 灵活、强大（可访问任意 API 或算法）。

这种设计模式是“PLC + 外部语言”协同的典型结构。

本文案例以python监听socket端口，接收来自PLC的命令来执行获取当前天气数据的功能，并且将天气数据返还给PLC进行解析。

4.2 主要功能模块

(1) 天气数据抓取

代码示例：

def get_weather_data():

url = f"https://d1.weather.com.cn/sk_2d/101020300.html?_{int(time.time() * 1000)}"

headers = {

'Referer': 'https://e.weather.com.cn/',

'User-Agent': 'Mozilla/5.0'

}

response = requests.get(url, headers=headers, timeout=10)

return parse_weather_data(response.text)

这段代码的作用是：Python 使用 requests 库访问气象网站，提取返回数据包中的 JSON 数据段。

解析后得到标准字典对象，例如：

{

"nameen": "Pudong",

"temp": "26",

"wde": "East",

"wse": "3.4",

"SD": "65%",

"qy": "1012"

}

(2) 端口监听

def handle_client(conn, addr):

data = conn.recv(2048).decode('utf-8').strip()

if data == "fun1":

weather_data = format_weather_data(get_weather_data())

reply = json.dumps(weather_data, ensure_ascii=False)

conn.sendall(reply.encode('utf-8'))

Python 服务监听端口 5678，一旦接收到 "fun1"，便执行天气抓取并回传 JSON。采用多线程模式，保证可以同时服务多个 PLC 连接。

4.3 CODESYS 与 Python 的契约：数据格式 + 通信协议

项目	内容
连接方式	TCP
端口号	5678
请求命令	fun1
返回格式	UTF-8 编码的 JSON 文本
通信周期	按 PLC 触发（例如每 30 秒或人工触发）

通过这种契约，PLC不需要理解Python，只需发命令并解析字符串即可。这正是 “CODESYS 调用 Python” 的精髓：PLC 不直接运行 Python 代码，但通过 Socket 请求 → Python 执行 → 结果返回，实现了间接调用。

五、实验结果与运行验证

实验环境：

• 硬件：Raspberry Pi 4B + 2GB RAM

• 操作系统：Raspberry Pi OS (64-bit)

• CODESYS 版本：3.5 SP21

• Python 版本：3.11

• 网络：同机运行（127.0.0.1）

运行效果：

1.       启动 Python 服务器：

[服务器启动] 正在监听 127.0.0.1:5678

树莓派Python

2.       在 CODESYS 中触发 bSendTrigger 上升沿：

bConnectOK = TRUE

bSendOK = TRUE

bRecvOK = TRUE

s_Temp = "26"

s_WindSpeed = "3.4"

s_Humidity = "65%"

bDone = TRUE

Codesys在线监控

3.       Codesys可视化界面显示：

Codesys可视化界面

验证：通信成功，数据解析正确。

六、CODESYS 与 Python 协同的技术意义

6.1 打破 PLC 封闭边界

传统 PLC 依赖专有协议和有限的函数库，难以直接与云端 API 或第三方系统交互。通过 SysSocket，CODESYS 实现了跨语言通信的“开放接口”，使 PLC 能够访问：

• Web 服务（RESTful API）

• 本地算法服务（Python、C/C++）

• 数据库代理（通过 Python、Node.js 等）

6.2 各取所长的架构优势

模块	优势	角色定位
CODESYS PLC	实时性强、控制逻辑稳定	数据消费者、执行层
Python 程序	网络与算法能力强	数据提供者、智能层

这是一种工业界常见的分层架构：PLC 负责“控制”，Python 负责“智能”。

七、扩展应用方向

(1)工业 IoT 数据融合

可将 Python 改为接入 MQTT、Modbus、OPC UA 等接口，PLC 作为订阅者。

(2)AI 辅助控制

Python 端可运行机器学习模型，根据实时天气预测能耗或生产计划，再通过 Socket 返回控制参数。

(3)边缘计算节点

树莓派同时运行 PLC 与 Python，形成“混合智能边缘设备”，既具实时性又具云连接能力。

(4)云服务接口

可替换天气 API 为任意 Web 服务（设备管理、能源监控、物流状态等），实现 CODESYS 与云端系统的数据桥接。

八、结语：CODESYS 与 Python 的融合之路

本文以“CODESYS 获取实时天气数据”为案例，完整展示了：

l   如何在树莓派上运行 CODESYS Runtime；

l   如何用 IEC 61131-3 语言建立Socket通信；

l   如何通过 Python 服务器实现外部数据访问；

l   以及两者协作实现“PLC 调用 Python”的机制。

这不是简单的网络实验，而是一个工业控制新时代的缩影。PLC 不再局限于封闭的逻辑循环，而是可以与 AI、云端、Web 世界自由交互。Python 也不只是桌面脚本，而能成为工业现场的“智慧补脑”。

这种模式预示着未来工业控制系统的方向：控制逻辑与数据智能的融合，实时性与开放性的统一。

原文：https://www.gongkong.com/article/202510/111101.html