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一、引言：讓 PLC 擁抱開放的編程世界

傳統工業里，PLC 穩守固定邏輯，精準執行控制任務。在工業物聯網與智能制造浪潮下，工程師有了新期待：讓 PLC 與 Python 等現代高級編程語言聯手，將 PLC 的穩定可靠與 Python 的開放多元完美融合，從而釋放出無限潛能。

本文將以一個精彩案例，展示 PLC 程序通過 Socket 請求，讓樹莓派上 Python 服務器抓取實時天氣數據并回傳解析存儲的奇妙過程，一起探索！

二、系統總體架構與數據流

系統由兩個主要部分構成：

三、CODESYS 端：實現 PLC 調用外部服務的關鍵邏輯

Codesys中新建名為Socket_FB的功能塊(Function Block)，在PLC主循環中調用。

3.1 功能塊的引腳設計

Socket_FB功能塊引腳示意圖

3.2 上升沿觸發與一次通信周期

代碼示例：

bRisingEdge := bSendTrigger AND NOT bTrigOld;

bTrigOld := bSendTrigger;

PLC 程序通過檢測輸入 bSendTrigger 的上升沿，觸發一次完整的通信任務。這樣可確保每次請求都是用戶或外部事件驅動，不會連續觸發導致網絡阻塞。一旦觸發在后續的程序中會依次執行以下命令：

• 周期初始化，清空所有狀態變量；

• 創建 TCP socket；

• 連接到服務器；

• 發送命令；

• 等待并接收應答；

• 解析結果；

• 關閉連接。

這是一個典型的“事務式通信模式”，類似工業現場中“一次握手、一問一答”的數據采集流程。

3.3 周期初始化

代碼示例：

IF bRisingEdge THEN

    bConnectOK := FALSE;

    bSendOK := FALSE;

    bRecvOK := FALSE;

    bDone := FALSE;

    sRecvBuffer := '';

    iErrorCode := Errors.ERR_OK;

每次通訊開始前重置所有狀態標志，清空接收緩沖區。

3.4 Socket 通信核心流程

CODESYS 的 SysSocket 庫提供了底層網絡訪問能力：

(1)    創建socket：

代碼示例：

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

Codesys庫SysSockCreate文檔

創建一個新的 socket，并返回該 socket 的句柄（handle）。這個句柄以后會作為參數傳給其他套接字相關函數，例如 SysSockBind、SysSockConnect、SysSockListen、SysSockAccept、SysSockSend、SysSockRecv、SysSockClose 等。

參數：SOCKET_AF_INET, SOCKET_STREAM, SOCKET_IPPROTO_TCP是 CODESYS 系統庫中定義的常量，初始值如下表所示。

(2)設置socket服務器地址

代碼示例：

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;

這段代碼的作用是：將字符串形式的 IP 地址 "127.0.0.1" 轉換為可用于網絡通信的數值格式，并在轉換成功后，設置服務器地址結構 addrServer 的基本參數：指定使用 IPv4 協議、端口號為 5678，并將目標 IP 地址設為 127.0.0.1，為后續建立 socket 連接做準備。

Codesys庫SysSockInetAddr文檔

在使用SysSockConnect 前，需要把目標 IP（字符串）轉換為可寫入地址結構的二進制值。所以，SysSockInetAddr 通常是網絡通信初始化步驟中的一環。SysSockInetAddr 的作用就是：把 "點分十進制" 的 IP 地址（例如 '127.0.0.1'）轉成一個 32 位無符號整數（UDINT）形式。

在實際測試中使用的‘127.0.0.1’通過SysSockInetAddr轉換結果是16777343。一個 IPv4 地址本質上是 4 個字節（共 32 位）,把它轉換為16進制按字節拼起來是0x7F000001。網絡中數據是 Big Endian（高位在前），但大多數 PLC/CPU（x86、ARM）是 Little Endian（低位在前）。也就是說在內存中這 4 個字節的排列是反的：

網絡字節序（標準）: 7F 00 00 01

PLC內存（小端表示）: 01 00 00 7F

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

Codesys庫SOCKADDRESS文檔

SOCKADDRESS 結構用于在 CODESYS 中描述一個完整的網絡通信地址，它包含了建立或識別網絡連接所需的全部信息——包括地址族（如 IPv4）、端口號以及目標或本地的 IP 地址。該結構在調用SysSockConnect函數時作為參數使用，用來告訴系統“我要與哪個 IP、哪個端口進行通信”。其中端口號需要通過 SysSockHtons() 轉換為網絡字節序，IP 地址通常由 SysSockInetAddr() 生成。簡單來說，SOCKADDRESS 就是 CODESYS 中 socket 通信的“地址卡片”。

(3)建立socket連接

代碼示例：

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

這段代碼的作用是：通過已創建的 socket (hSocket)，調用 SysSockConnect() 函數，將其連接到由 addrServer 定義的遠程服務器地址，并返回連接結果。

Codesys庫SysSockConnect文檔

SysSockConnect是一個用于實現客戶端連接socket服務器功能的功能塊。使用時，需將傳入socket句柄和包含服務器IP地址和端口號等信息的SOCKADDRESS結構等。函數執行后會返回一個RTS_IEC_RESULT類型的值，用于指示連接操作是否成功，若返回0表示連接成功，可進行后續數據傳輸等操作，否則需根據返回值進行相應的錯誤處理。

(4) 發送命令

代碼示例：

sSendBuffer := 'fun1';

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

bSendOK := TRUE;

這段代碼的作用是：PLC通過已連接的socket發送字符串 “fun1”，并在確認發送成功后設置發送成功標志。

Codesys庫SysSockSend文檔

SysSockSend 函數用于向已建立的 socket發送數據。hSocket 是先前創建并連接成功的 socket 句柄；ADR(sSendBuffer) 提供發送緩沖區的內存地址；LEN(sSendBuffer) 指定要發送的數據長度；0 表示不使用額外的發送標志；ADR(SockSend_Result) 用于接收運行時系統返回的錯誤碼。函數返回成功發送的字節數。如果發送的字節數大于 0 且系統返回碼 SockSend_Result 等于 Errors.ERR_OK，則說明數據成功發出，于是程序將 bSendOK 置為 TRUE，表示發送完成。

(5) 接收數據

代碼示例：

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;

這段代碼的主要作用是：從一個已建立的 TCP Socket (hSocket) 中接收數據并保存到接收緩沖區中 (sRecvBuffer)，并在成功接收后標記 bRecvOK := TRUE。

Codesys庫SysSockRecv文檔

SysSockRecv用于從 socket中接收數據。它通過指定的socket句柄 hSocket 從端口讀取數據，并將接收到的字節寫入由 pbyBuffer 指向的接收緩沖區中，最大接收長度由 diBufferSize 限制。

Codesys庫SysMemCpy文檔

SysMemCpy用于內存數據復制，其作用是將指定源地址 pSrc 中的內容復制到目標地址 pDest，復制的字節數由參數 udiCount 決定。

實際運行狀態監控

網絡傳輸底層不認識“字符串”，所有內容（包括文字、數字、圖片）都要被轉為字節流（byte stream）。byRecvBuffer 收到的就是這些 ASCII/UTF-8 字節，diRecvBytes是接收到的字節數量。

Codesys監控byRecvBuffer

byRecvBuffer接收到的字節數據前9個依次為：123，34，110，97，109，101，101，110，34。根據字符與字節（ASCII / UTF-8 編碼）之間的關系，以上字節可轉譯為：{、"、n、a、m、e、e、n、"。

標準 ASCII 或 UTF-8 編碼

文本的案例中接收到的完整字符串為：{"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字節，與監控的diRecvBytes值一致。

(6) JSON 解析

代碼示例：

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

FUNCTION GetFieldValue : STRING

...

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

iStart := FIND(sSrc, sPattern);

...

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

這段代碼的主要作用是：從 sSrc 字符串中查找以 sKey 為字段名的鍵值對，并提取該鍵對應的字符串值。類似從 ... "name": "Alice", ... 中提取 Alice 的功能。

雖然 PLC 沒有內置完整 JSON 解析器，但通過字符串查找函數即可實現簡化版字段提取。這說明即便在嵌入式 PLC 環境中，也可以通過基礎字符串操作解析網絡數據。解析完成后，PLC 將天氣各項指標寫入輸出變量，如：

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

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

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

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

這些變量可用于顯示在 HMI、記錄數據庫、或驅動后續控制邏輯。

(7) 關閉socket

SysSockClose(hSocket);

關閉已創建的套接字 hSocket，釋放與該套接字相關的系統資源，結束該網絡連接。

四、Python 端：CODESYS 的“外部智能助手”

4.1 設計思路

Python 在此系統中扮演“中間件服務層”角色。PLC 不直接訪問互聯網，而是請求 Python 服務端，由 Python 完成網絡請求與數據解析任務，再將結果以簡潔 JSON 返回。

這既保證了：

• PLC 穩定、安全（不直接暴露外網請求）；

• Python 靈活、強大（可訪問任意 API 或算法）。

這種設計模式是“PLC + 外部語言”協同的典型結構。

本文案例以python監聽socket端口，接收來自PLC的命令來執行獲取當前天氣數據的功能，并且將天氣數據返還給PLC進行解析。

4.2 主要功能模塊

(1) 天氣數據抓取

代碼示例：

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)

這段代碼的作用是：Python 使用 requests 庫訪問氣象網站，提取返回數據包中的 JSON 數據段。

解析后得到標準字典對象，例如：

{

  "nameen": "Pudong",

  "temp": "26",

  "wde": "East",

  "wse": "3.4",

  "SD": "65%",

  "qy": "1012"

}

(2) 端口監聽

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 服務監聽端口 5678，一旦接收到 "fun1"，便執行天氣抓取并回傳 JSON。采用多線程模式，保證可以同時服務多個 PLC 連接。

4.3 CODESYS 與 Python 的契約：數據格式 + 通信協議

通過這種契約，PLC不需要理解Python，只需發命令并解析字符串即可。這正是 “CODESYS 調用 Python” 的精髓：PLC 不直接運行 Python 代碼，但通過 Socket 請求 → Python 執行 → 結果返回，實現了間接調用。

五、實驗結果與運行驗證

實驗環境：

• 硬件：Raspberry Pi 4B + 2GB RAM

• 操作系統：Raspberry Pi OS (64-bit)

• CODESYS 版本：3.5 SP21

• Python 版本：3.11

• 網絡：同機運行（127.0.0.1）

運行效果：

1.       啟動 Python 服務器：

[服務器啟動] 正在監聽 127.0.0.1:5678

樹莓派Python

2.       在 CODESYS 中觸發 bSendTrigger 上升沿：

bConnectOK = TRUE 

bSendOK = TRUE 

bRecvOK = TRUE 

s_Temp = "26" 

s_WindSpeed = "3.4" 

s_Humidity = "65%" 

bDone = TRUE

Codesys在線監控

3.       Codesys可視化界面顯示：

Codesys可視化界面

驗證：通信成功，數據解析正確。

六、CODESYS 與 Python 協同的技術意義

6.1 打破 PLC 封閉邊界

傳統 PLC 依賴專有協議和有限的函數庫，難以直接與云端 API 或第三方系統交互。通過 SysSocket，CODESYS 實現了跨語言通信的“開放接口”，使 PLC 能夠訪問：

• Web 服務（RESTful API）

• 本地算法服務（Python、C/C++）

• 數據庫代理（通過 Python、Node.js 等）

6.2 各取所長的架構優勢

這是一種工業界常見的分層架構：PLC 負責“控制”，Python 負責“智能”。

七、擴展應用方向

(1)工業 IoT 數據融合

可將 Python 改為接入 MQTT、Modbus、OPC UA 等接口，PLC 作為訂閱者。

(2)AI 輔助控制

Python 端可運行機器學習模型，根據實時天氣預測能耗或生產計劃，再通過 Socket 返回控制參數。

(3)邊緣計算節點

樹莓派同時運行 PLC 與 Python，形成“混合智能邊緣設備”，既具實時性又具云連接能力。

(4)云服務接口

可替換天氣 API 為任意 Web 服務（設備管理、能源監控、物流狀態等），實現 CODESYS 與云端系統的數據橋接。

八、結語：CODESYS 與 Python 的融合之路

本文以“CODESYS 獲取實時天氣數據”為案例，完整展示了：

l   如何在樹莓派上運行 CODESYS Runtime；

l   如何用 IEC 61131-3 語言建立Socket通信；

l   如何通過 Python 服務器實現外部數據訪問；

l   以及兩者協作實現“PLC 調用 Python”的機制。

這不是簡單的網絡實驗，而是一個工業控制新時代的縮影。PLC 不再局限于封閉的邏輯循環，而是可以與 AI、云端、Web 世界自由交互。Python 也不只是桌面腳本，而能成為工業現場的“智慧補腦”。

這種模式預示著未來工業控制系統的方向：控制邏輯與數據智能的融合，實時性與開放性的統一。