python基于ModBusTCP服务端的业务实现特定的client

python实现ModBusTCP协议的client是一件简单的事情，只要通过pymodbus、pyModbusTCP等模块都可以实现，本文采用pymodbus。但要基于ModBusTCP服务端的业务实现特定的client，那得看看服务端是否复杂。前面系列文章，我们学习了对服务端的简单交互，便是得力于服务端简单的业务流程，本文将实现有点复杂的业务流程。

一、业务描述

我们将使用python脚本来实现一个ModBusTCP client，他能够触发设备进行拍照，然后读取拍照情况。

1、ModBusTCP服务端交互流程

大概类似如下交互时序，其中PLC将用我们的脚本代替。

2、控制

根据上述业务，服务器需要有寄存器存储客户端写入的控制位，存储顺序如下。

3、状态

根据上述业务，服务器需要有寄存器存储状态位，让客户端来读取，存储顺序如下。

4、结果

根据上述业务，服务器需要有寄存器存储结果，让客户端来读取，存储顺序如下。

5、地址空间

（1）控制

类型：HoldingRegisters、Coils

起始地址与寄存器数量：自定义

（2）状态

类型：HoldingRegisters、DiscreteInputs、InputRegisters

起始地址与寄存器数量：自定义

（3）结果

类型：HoldingRegisters、InputRegisters

起始地址与寄存器数量：自定义

二、程序整体设计

class myModBusTCPclient(object):

    def __init__(self, obj):
        self.obj = obj

    # 状态读取后转成二进制，分别对应TriggerReady等状态
    def custom_binary(self, num, length=16, ByteSwap=0):
        # 将整数转换为二进制字符串
        binary_str = bin(num)[2:]
        # 计算需要补充的零的个数
        zeros_to_add = length - len(binary_str)
        # 构造符合规则的二进制字符串
        result_str = '0' * zeros_to_add + binary_str
        # 翻转二进制，如01转为10,方便后续取值
        result_str = result_str[::-1]
        if ByteSwap==0:
            return result_str
        elif ByteSwap==1:  # 需要字节交换时
            return result_str[8:] + result_str[:8]
        else:
            raise ValueError("ByteSwap 的值错误！")

    # 控制写之前先将TriggerEnable等二进制控制位转成数值
    def custom_num(self, binary, length=16, ByteSwap=0):
        assert len(binary) == length, "输入的二进制长度不正确！"
        binary = binary[::-1]  # 翻转二进制，如01转为10,方便后续取值
        if ByteSwap==0:
            return int(binary, 2)
        elif ByteSwap==1:  # 需要字节交换时
            return int(binary[8:] + binary[:8], 2)
        else:
            raise ValueError("ByteSwap 的值错误！")

    def ctrl(self, addrtype="HoldingRegisters", ByteSwap=0, binary="0000000000000000", address=0, slave=1):
        if addrtype=="HoldingRegisters":
            value = self.custom_num(binary[0:16], ByteSwap=ByteSwap)
            self.obj.write_registers(address, value, slave=slave)
        elif addrtype=="Coils":
            ...
        else:
            raise ValueError("ctrl_addrtype的值错误！")

    def status(self, addrtype="HoldingRegisters", ByteSwap=0, reg_addr=2, reg_nb=2, slave=1):
        if addrtype=="HoldingRegisters":
            value = self.obj.read_holding_registers(reg_addr, reg_nb, slave=slave)
            value_list = [value.registers[i] for i in range(reg_nb)]  # 整型列表
            print("status HoldingRegisters:", value_list)
            print([self.custom_binary(i, ByteSwap=ByteSwap) for i in value_list])
            return [self.custom_binary(i, ByteSwap=ByteSwap) for i in value_list]
        elif addrtype=="InputRegisters":
            ...
        elif addrtype=="DiscreteInputs":
            ...
        else:
            raise ValueError("status_addrtype的值错误！")

    def plc_out(self, addrtype="HoldingRegisters", ByteSwap=0):
        if addrtype=="HoldingRegisters":
            ...
        elif addrtype=="InputRegisters":
            ...
        else:
            raise ValueError("plc_out_addrtype的值错误！")

if __name__ == "__main__":
    # Modbus TCP服务器的IP地址和端口号
    server_ip = "192.168.1.196"
    port = 502
    station = 1

    # 创建Modbus TCP客户端
    MDclient = ModbusTcpClient(server_ip, port)
    if MDclient.connect():
        myclient = myModBusTCPclient(MDclient)
        myclient.ctrl(ByteSwap=1, binary="1100000000000000")
        time.sleep(1)
        myclient.status(ByteSwap=1)

1、程序结构

上述代码定义了一个名为 myModBusTCPclient 的类，用于与 Modbus TCP 服务器进行通信。下面是对程序结构的分析：

构造函数 __init__：

接收一个参数 obj，表示 Modbus TCP 客户端对象。将这个对象存储在实例变量 self.obj 中。

custom_binary 方法：

将给定的整数 num 转换为指定长度 length 的二进制字符串。可选参数 ByteSwap 用于指定是否进行字节交换。如果 ByteSwap 为 1，则进行字节交换，否则不进行。返回构造好的二进制字符串。

custom_num 方法：

接收一个二进制字符串 binary，根据给定的长度 length 和是否进行字节交换 ByteSwap 将其转换为整数。返回转换得到的整数。

ctrl 方法：

根据给定的地址类型 addrtype（默认是 "HoldingRegisters"）、是否进行字节交换 ByteSwap、二进制字符串 binary、Modbus 地址 address 和从站号 slave，向 Modbus 服务器写入数据。如果地址类型是 "HoldingRegisters"，则使用 write_registers 方法写入寄存器。

status 方法：

根据给定的地址类型 addrtype、是否进行字节交换 ByteSwap、寄存器地址 reg_addr、寄存器数量 reg_nb 和从站号 slave，从 Modbus 服务器读取数据。如果地址类型是 "HoldingRegisters"，则使用 read_holding_registers 方法读取寄存器。

plc_out 方法：

根据给定的地址类型 addrtype 和是否进行字节交换 ByteSwap，执行一些 Modbus 操作。具体操作需要根据地址类型的不同进行扩展。

if __name__ == "__main__": 部分：

在脚本独立运行时进行的操作。创建了一个 Modbus TCP 客户端对象 MDclient。通过 myModBusTCPclient 类创建了一个自定义的客户端对象 myclient。调用了 ctrl 方法，向 Modbus 服务器写入数据。等待了一秒钟。调用了 status 方法，从 Modbus 服务器读取数据。

2、不同地址空间的请求

在ModbusTCP中，对于不同的寄存器，请求方式是不一样的，因此需要根据服务端的设置相应更改。

为了满足业务，需要对原有的pymodbus进行封装改造。

为了满足大端序和小端序，需要加入字节交换的操作。

三、程序实现

import json
import time
import socket
from pymodbus.client import ModbusTcpClient

class myModBusTCPclient(object):

    def __init__(self, obj):
        self.obj = obj

    # 状态读取后转成二进制，分别对应TriggerReady等状态
    def custom_binary(self, num, length=16, ByteSwap=0):
        # 将整数转换为二进制字符串
        binary_str = bin(num)[2:]
        # 计算需要补充的零的个数
        zeros_to_add = length - len(binary_str)
        # 构造符合规则的二进制字符串
        result_str = '0' * zeros_to_add + binary_str
        # 根据业务逻辑需要，翻转二进制，如01转为10,方便后续取值
        result_str = result_str[::-1]
        if ByteSwap==0:
            return result_str
        elif ByteSwap==1:  # 需要字节交换时
            return result_str[8:] + result_str[:8]
        else:
            raise ValueError("ByteSwap 的值错误！")

    # 控制写之前先将TriggerEnable等二进制控制位转成数值
    def custom_num(self, binary, length=16, ByteSwap=0):
        assert len(binary) == length, "输入的二进制长度不正确！"
        binary = binary[::-1]  # 根据业务逻辑需要，翻转二进制，如01转为10,方便后续取值
        if ByteSwap==0:
            return int(binary, 2)
        elif ByteSwap==1:  # 需要字节交换时
            return int(binary[8:] + binary[:8], 2)
        else:
            raise ValueError("ByteSwap 的值错误！")

    def result_ByteSwap(self, num, length=16, ByteSwap=0):
        # 将整数转换为二进制字符串
        binary_str = bin(num)[2:]
        # 计算需要补充的零的个数
        zeros_to_add = length - len(binary_str)
        # 构造符合规则的二进制字符串
        result_str = '0' * zeros_to_add + binary_str
        if ByteSwap == 1:
            return result_str
        elif ByteSwap == 0:  # 需要字节交换时
            return result_str[8:] + result_str[:8]
        else:
            raise ValueError("ByteSwap 的值错误！")

    def ctrl(self, addrtype="HoldingRegisters", ByteSwap=0, binary="0000000000000000", address=0, slave=1):
        if addrtype=="HoldingRegisters":
            value = self.custom_num(binary[0:16], ByteSwap=ByteSwap)
            self.obj.write_registers(address, value, slave=slave)
        elif addrtype=="Coils":
            values = []
            for i in binary:
                if i == "0":
                    values.append(False)
                elif i == "1":
                    values.append(True)
            print(values)
            # 线圈不存在字节交换
            # value = self.custom_num(binary[0:16], ByteSwap=0)
            # print("------------------------------values :", [i for i in bin(value)[2:]])
            # self.obj.write_coils(address=address, values=[i for i in bin(value)[2:]], slave=slave)
            self.obj.write_coils(address=address, values=values, slave=slave)
        else:
            raise ValueError("ctrl_addrtype的值错误！")

    def status(self, addrtype="HoldingRegisters", ByteSwap=0, reg_addr=2, reg_nb=2, slave=1):
        if addrtype=="HoldingRegisters":
            value = self.obj.read_holding_registers(reg_addr, reg_nb, slave=slave)
            value_list = [value.registers[i] for i in range(reg_nb)]  # 整型列表
            print("status HoldingRegisters:", value_list)
            print([self.custom_binary(i, ByteSwap=ByteSwap) for i in value_list])
            return [self.custom_binary(i, ByteSwap=ByteSwap) for i in value_list]
        elif addrtype=="InputRegisters":
            value = self.obj.read_input_registers(address=reg_addr, count=reg_nb, slave=slave)
            value_list = [value.registers[i] for i in range(reg_nb)]  # 整型列表
            print("result InputRegisters:", value_list)
            print([self.custom_binary(i, ByteSwap=ByteSwap) for i in value_list])
            return [self.custom_binary(i, ByteSwap=ByteSwap) for i in value_list]
        elif addrtype=="DiscreteInputs":
            # 离散寄存器不存在字节交换
            value = self.obj.read_discrete_inputs(address=reg_addr, count=reg_nb, slave=slave)
            print([value.bits[i] for i in range(reg_nb)])
            result = ""
            for i in [value.bits[i] for i in range(reg_nb)]:
                if i == False:
                    result += "0"
                elif i == True:
                    result += "1"
            # [value.bits[i] for i in range(reg_nb)]
            return [result[i:i+16] for i in range(0, len(result), 16)]
        else:
            raise ValueError("status_addrtype的值错误！")

    def plc_out(self, addrtype="HoldingRegisters", ByteSwap=0, reg_addr=100, reg_nb=100, slave=1):
        if addrtype=="HoldingRegisters":
            value = self.obj.read_holding_registers(reg_addr, reg_nb, slave=slave)
            value_list = [value.registers[i] for i in range(reg_nb)]  # 整型列表
            print("result HoldingRegisters:", value_list)
            print([int(self.result_ByteSwap(i, ByteSwap=ByteSwap), 2) for i in value_list])
            return [int(self.result_ByteSwap(i, ByteSwap=ByteSwap), 2) for i in value_list]
        elif addrtype=="InputRegisters":
            value = self.obj.read_input_registers(reg_addr, reg_nb, slave=slave)
            value_list = [value.registers[i] for i in range(reg_nb)]  # 整型列表
            print("result InputRegisters:", value_list)
            print([int(self.result_ByteSwap(i, ByteSwap=ByteSwap), 2) for i in value_list])
            return [int(self.result_ByteSwap(i, ByteSwap=ByteSwap), 2) for i in value_list]
        else:
            raise ValueError("plc_out_addrtype的值错误！")

    def plc_out_only_result(self, addrtype="HoldingRegisters", ByteSwap=0, reg_addr=100, reg_nb=100, slave=1):
        result_list = self.plc_out(addrtype=addrtype, ByteSwap=ByteSwap, reg_addr=reg_addr, reg_nb=reg_nb, slave=slave)[5:]
        result_list_have = [i for i in result_list if i != 0]
        result_binary = ""
        result = ""
        for num in result_list_have:
            # 将整数转换为二进制字符串
            binary_str = bin(num)[2:]
            # 计算需要补充的零的个数
            zeros_to_add = 16 - len(binary_str)
            # 构造符合规则的二进制字符串
            result_str = '0' * zeros_to_add + binary_str
            result_binary += result_str
        for binary in [result_binary[i:i+8] for i in range(0, len(result_binary), 8)]:  # 以长度8进行分割
            if binary != "00000000":
                result += chr(int(binary, 2))
        return result

if __name__ == "__main__":

    # Modbus TCP服务器的IP地址和端口号
    server_ip = "192.168.1.196"
    port = 502
    station = 1

    # 创建Modbus TCP客户端
    MDclient = ModbusTcpClient(server_ip, port)
    if MDclient.connect():
        ByteSwap = 0
        ctrl_addrtype = "Coils"  # HoldingRegisters、Coils
        status_addrtype = "HoldingRegisters"  # HoldingRegisters、DiscreteInputs、InputRegisters
        result_addrtype = "InputRegisters"  # HoldingRegisters、InputRegisters

        myclient = myModBusTCPclient(MDclient)
        # 初始化控制位状态
        ctrl = "0000000000000000"
        myclient.ctrl(addrtype=ctrl_addrtype, ByteSwap=ByteSwap, binary="0000000000000000")

        # 使能TriggerEnable并常置为1
        TriggerEnable = "1"
        ctrl = TriggerEnable + ctrl[1:]

        while True:
            print("ctrl: ", ctrl)
            # 写入控制
            myclient.ctrl(addrtype=ctrl_addrtype, ByteSwap=ByteSwap, binary=ctrl, address=0)
            ResultACK = "0"
            ctrl = ctrl[:3] + ResultACK + ctrl[4:]
            # 查询状态
            status = myclient.status(addrtype=status_addrtype, ByteSwap=ByteSwap, reg_addr=2, reg_nb=2)[0]
            TriggerReady = status[0]
            print("------TriggerReady", TriggerReady)
            TriggerACK = status[1]
            ResultOKorNG = status[11]
            # print("---------------------------------ResultOKorNG:", ResultOKorNG)
            if TriggerReady == "1":
                Trigger = "1"
                ctrl = ctrl[:1] + TriggerEnable + ctrl[2:]
                print("-----------------ctrl")
            if TriggerACK == "1":
                Trigger = "0"
                ctrl = ctrl[:1] + Trigger + ctrl[2:]
            if ResultOKorNG == "1":
                # print("---------------------------------------")
                ResultACK = "1"
                ctrl = ctrl[:3] + ResultACK + ctrl[4:]
            # myclient.plc_out(ByteSwap=1)
            result = myclient.plc_out_only_result(addrtype=result_addrtype, ByteSwap=ByteSwap)
            print(result)