codesysplc與python的socket“牽手”：開啟工業控制無限可能
關鍵詞：codesys、python、socket 通信、raspberry pi、工業物聯網、實時數據采集、跨語言集成
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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：
| 模塊 | 平臺 | 功能描述 |
| codesys plc 程序 | 樹莓派上的 codesys runtime | 客戶端。檢測觸發信號、建立tcp連接、發送命令、接收天氣 json 數據、解析并輸出到變量。 |
| python 服務端程序 | 樹莓派 / 其他主機 | 服務器。監聽tcp端口，接收plc命令，通過 http 從 weather.com.cn 獲取實時天氣數據，解析后返回 json 格式響應。 |
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：
| 函數 | 作用 |
| syssockcreate() | 創建 socket，返回句柄 |
| syssockconnect() | 與服務器建立 tcp 連接 |
| syssocksend() | 發送數據 |
| syssockrecv() | 接收數據 |
| syssockclose() | 關閉連接 |
(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。
| 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)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、"。
| 字符 | 十進制字節值 | 十六進制 | 含義 |
| { | 123 | 0x7b | 左花括號 |
| } | 125 | 0x7d | 右花括號 |
| " | 34 | 0x22 | 雙引號 |
| : | 58 | 0x3a | 冒號 |
| , | 44 | 0x2c | 逗號 |
| 空格 | 32 | 0x20 | 空格 |
| 0–9 | 48–57 | 0x30–0x39 | 數字字符 |
| a–z | 97–122 | 0x61–0x7a | 小寫字母 |
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
| 項目 | 內容 |
| 連接方式 | tcp |
| 端口號 | 5678 |
| 請求命令 | fun1 |
| 返回格式 | utf-8 編碼的 json 文本 |
| 通信周期 | 按 plc 觸發（例如每 30 秒或人工觸發） |
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
| 模塊 | 優勢 | 角色定位 |
| codesys plc | 實時性強、控制邏輯穩定 | 數據消費者、執行層 |
| python 程序 | 網絡與算法能力強 | 數據提供者、智能層 |
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。