使用Python和PyQt5实现Modbus TCP协议下的量程切换功能

news/2024/12/12 10:29:55/

使用Python和PyQt5实现Modbus TCP协议下的量程切换功能

在工业自动化系统中，设备的量程切换是一个常见的需求。本文将介绍如何使用Python和PyQt5开发一个图形用户界面（GUI）应用程序，以通过Modbus TCP协议向设备发送特定的指令，实现量程的切换（从大量程到小量程，反之亦然）。

一、需求概述

根据您的需求，我们需要实现以下功能：

  1. 切换指令：
    • 大量程指令：
      [0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x04, 0x06, 0x01, 0x10, 0x00, 0xC8, 0x00, 0x02, 0x04, 0x00, 0x02, 0x00, 0x02]
    • 小量程指令：
      [0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x04, 0x06, 0x01, 0x10, 0x00, 0xC8, 0x00, 0x02, 0x04, 0x00, 0x01, 0x00, 0x01]
  2. Modbus TCP服务器配置：
    • IP地址：192.168.0.150
    • 端口：6789
  3. 开发工具：
    • 编程语言：Python
    • GUI框架：PyQt5

我们将通过发送上述字节序列的方式，向指定的Modbus TCP服务器发送指令，实现量程的切换。

二、技术实现方案

为了满足需求，我们将采取以下步骤：

  1. 建立GUI界面：使用PyQt5创建一个简单的界面，包含两个按钮：“设置大量程”和“设置小量程”。
  2. 发送Modbus TCP指令：使用Python的socket库，通过TCP连接向指定的服务器发送相应的指令。
  3. 异步处理：为了确保GUI的响应性，我们将使用多线程或异步编程，防止发送指令时界面卡顿。
  4. 反馈机制：在发送指令后，向用户显示成功或失败的信息。

三、详细实现步骤

3.1 安装必要的库

确保已安装PyQt5库。如果尚未安装，可以使用以下命令进行安装：

pip install PyQt5

3.2 编写Python代码

以下是完整的Python代码示例，使用PyQt5创建GUI，并通过TCP发送Modbus指令：

python">import sys
import socket
from PyQt5.QtWidgets import (QApplication, QWidget, QPushButton, QVBoxLayout, QLabel, QMessageBox
)
from PyQt5.QtCore import Qt, QThread, pyqtSignalclass ModbusThread(QThread):# 定义信号，用于向主线程发送消息finished = pyqtSignal(str)def __init__(self, command, ip, port):super().__init__()self.command = commandself.ip = ipself.port = portdef run(self):try:# 创建TCP/IP套接字with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) as sock:# 设置连接超时时间为5秒sock.settimeout(5)# 连接到服务器sock.connect((self.ip, self.port))# 发送指令sock.sendall(bytearray(self.command))# 接收响应（根据具体设备的响应而定，此处假设响应长度为8字节）response = sock.recv(1024)# 可以根据需要解析响应，这里仅简单地返回成功信息self.finished.emit("指令发送成功，收到响应：" + response.hex())except socket.timeout:self.finished.emit("连接超时，请检查服务器是否可达。")except socket.error as e:self.finished.emit(f"Socket错误: {e}")except Exception as e:self.finished.emit(f"发生错误: {e}")class ModbusApp(QWidget):def __init__(self):super().__init__()self.initUI()# 配置Modbus服务器的IP和端口self.modbus_ip = '192.168.0.150'self.modbus_port = 6789# 定义指令self.large_scale_command = [0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x04, 0x06, 0x01, 0x10, 0x00, 0xC8, 0x00, 0x02, 0x04, 0x00, 0x02, 0x00, 0x02]self.small_scale_command = [0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x04, 0x06, 0x01, 0x10, 0x00, 0xC8, 0x00, 0x02, 0x04, 0x00, 0x01, 0x00, 0x01]def initUI(self):self.setWindowTitle('Modbus TCP量程切换')self.setGeometry(100, 100, 300, 200)layout = QVBoxLayout()self.label = QLabel('请选择要设置的量程模式：', self)self.label.setAlignment(Qt.AlignCenter)layout.addWidget(self.label)self.large_scale_btn = QPushButton('设置大量程', self)self.large_scale_btn.clicked.connect(self.set_large_scale)layout.addWidget(self.large_scale_btn)self.small_scale_btn = QPushButton('设置小量程', self)self.small_scale_btn.clicked.connect(self.set_small_scale)layout.addWidget(self.small_scale_btn)self.status_label = QLabel('', self)self.status_label.setAlignment(Qt.AlignCenter)layout.addWidget(self.status_label)self.setLayout(layout)def set_large_scale(self):self.status_label.setText('正在发送大量程指令...')self.send_command(self.large_scale_command)def set_small_scale(self):self.status_label.setText('正在发送小量程指令...')self.send_command(self.small_scale_command)def send_command(self, command):# 创建并启动Modbus线程self.thread = ModbusThread(command, self.modbus_ip, self.modbus_port)self.thread.finished.connect(self.on_finished)self.thread.start()def on_finished(self, message):# 更新状态标签self.status_label.setText(message)# 弹出消息框QMessageBox.information(self, '信息', message)def main():app = QApplication(sys.argv)window = ModbusApp()window.show()sys.exit(app.exec_())if __name__ == '__main__':main()

3.3 代码解析

3.3.1 模块导入
python">import sys
import socket
from PyQt5.QtWidgets import (QApplication, QWidget, QPushButton, QVBoxLayout, QLabel, QMessageBox
)
from PyQt5.QtCore import Qt, QThread, pyqtSignal
  • sys：用于系统相关的功能，如退出应用。
  • socket：用于建立TCP连接和发送接收数据。
  • PyQt5.QtWidgets：用于创建GUI组件。
  • PyQt5.QtCore：用于多线程和信号通信。
3.3.2 创建ModbusThread类
python">class ModbusThread(QThread):# 定义信号，用于向主线程发送消息finished = pyqtSignal(str)def __init__(self, command, ip, port):super().__init__()self.command = commandself.ip = ipself.port = portdef run(self):try:# 创建TCP/IP套接字with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) as sock:# 设置连接超时时间为5秒sock.settimeout(5)# 连接到服务器sock.connect((self.ip, self.port))# 发送指令sock.sendall(bytearray(self.command))# 接收响应（根据具体设备的响应而定，此处假设响应长度为1024字节）response = sock.recv(1024)# 可以根据需要解析响应，这里仅简单地返回成功信息self.finished.emit("指令发送成功，收到响应：" + response.hex())except socket.timeout:self.finished.emit("连接超时，请检查服务器是否可达。")except socket.error as e:self.finished.emit(f"Socket错误: {e}")except Exception as e:self.finished.emit(f"发生错误: {e}")
  • ModbusThread：继承自QThread，用于在子线程中执行发送指令的操作，避免阻塞主线程。
  • 信号：定义finished信号，用于将操作结果传递回主线程。
  • run方法：执行发送指令的具体逻辑，包括建立连接、发送指令、接收响应，并通过信号传递结果。
3.3.3 创建ModbusApp类
python">class ModbusApp(QWidget):def __init__(self):super().__init__()self.initUI()# 配置Modbus服务器的IP和端口self.modbus_ip = '192.168.0.150'self.modbus_port = 6789# 定义指令self.large_scale_command = [0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x04, 0x06, 0x01, 0x10, 0x00, 0xC8, 0x00, 0x02, 0x04, 0x00, 0x02, 0x00, 0x02]self.small_scale_command = [0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x04, 0x06, 0x01, 0x10, 0x00, 0xC8, 0x00, 0x02, 0x04, 0x00, 0x01, 0x00, 0x01]
  • 初始化：设置服务器的IP和端口，以及定义切换量程所需的指令。
3.3.4 初始化GUI界面
python">    def initUI(self):self.setWindowTitle('Modbus TCP量程切换')self.setGeometry(100, 100, 300, 200)layout = QVBoxLayout()self.label = QLabel('请选择要设置的量程模式：', self)self.label.setAlignment(Qt.AlignCenter)layout.addWidget(self.label)self.large_scale_btn = QPushButton('设置大量程', self)self.large_scale_btn.clicked.connect(self.set_large_scale)layout.addWidget(self.large_scale_btn)self.small_scale_btn = QPushButton('设置小量程', self)self.small_scale_btn.clicked.connect(self.set_small_scale)layout.addWidget(self.small_scale_btn)self.status_label = QLabel('', self)self.status_label.setAlignment(Qt.AlignCenter)layout.addWidget(self.status_label)self.setLayout(layout)
  • 窗口标题和大小：设置窗口的标题和初始大小。
  • 布局：使用垂直布局（QVBoxLayout）组织组件。
  • 组件：
    • 标签：提示用户选择量程模式。
    • 按钮：两个按钮分别用于设置大量程和小量程。
    • 状态标签：显示操作结果。
3.3.5 定义按钮点击事件
python">    def set_large_scale(self):self.status_label.setText('正在发送大量程指令...')self.send_command(self.large_scale_command)def set_small_scale(self):self.status_label.setText('正在发送小量程指令...')self.send_command(self.small_scale_command)
  • set_large_scale和set_small_scale：分别对应“设置大量程”和“设置小量程”按钮的点击事件，更新状态标签并调用send_command方法发送指令。
3.3.6 发送指令的方法
python">    def send_command(self, command):# 创建并启动Modbus线程self.thread = ModbusThread(command, self.modbus_ip, self.modbus_port)self.thread.finished.connect(self.on_finished)self.thread.start()def on_finished(self, message):# 更新状态标签self.status_label.setText(message)# 弹出消息框QMessageBox.information(self, '信息', message)
  • send_command：创建一个ModbusThread线程，传递指令、IP和端口，连接信号，并启动线程。
  • on_finished：接收线程发送的信号，更新状态标签并弹出消息框显示操作结果。
3.3.7 主函数
python">def main():app = QApplication(sys.argv)window = ModbusApp()window.show()sys.exit(app.exec_())if __name__ == '__main__':main()
  • main函数：初始化并运行PyQt5应用程序。

3.4 运行代码

将上述代码保存为modbus_switch.py，然后在终端或命令提示符中运行：

python modbus_switch.py

四、代码运行效果

运行程序后，您将看到一个简单的窗口，包含以下组件：

  1. 标签：提示用户选择量程模式。
  2. “设置大量程”按钮：点击后，程序将发送大量程指令。
  3. “设置小量程”按钮：点击后，程序将发送小量程指令。
  4. 状态标签：显示当前操作的状态信息。
  5. 消息框：在指令发送完成后，弹出消息框显示操作结果。

运行结果

在这里插入图片描述
点击切换大量程：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
点击切换小量程：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
与网络串口助手收的结果一致：
在这里插入图片描述

五、注意事项

  1. 指令正确性：确保发送的指令与设备的协议规范一致。根据您提供的指令，程序将发送特定的字节序列。如果设备有特定的响应格式，您可能需要根据实际情况解析响应。
  2. 网络配置：确保运行该程序的计算机与Modbus TCP服务器在同一网络或能够相互访问。检查防火墙设置，确保端口6789未被阻塞。
  3. 错误处理：程序中已包含基本的错误处理，如连接超时和Socket错误。根据需要，您可以扩展错误处理逻辑。
  4. 多线程：使用子线程发送指令，确保GUI的响应性。如果发送指令的时间较长，考虑进一步优化线程管理。
  5. 安全性：在生产环境中，考虑使用加密和身份验证机制，确保通信的安全性。

六、扩展功能建议

  1. 指令验证：在发送指令前，添加对指令格式和内容的验证，确保指令的合法性。
  2. 日志记录：添加日志功能，记录发送的指令和接收的响应，便于后续分析和故障排查。
  3. 配置选项：将Modbus服务器的IP和端口、指令等配置项外部化（如使用配置文件），提高程序的灵活性。
  4. 高级响应解析：根据设备的响应协议，解析并显示更多详细的信息，如错误码、执行状态等。
  5. 用户认证：在GUI中添加用户认证功能，确保只有授权用户可以操作量程切换。

七、结语

通过本文的介绍，您可以使用Python和PyQt5开发一个简单而有效的Modbus TCP量程切换工具。该工具通过发送特定的Modbus指令，实现设备量程的切换，并提供友好的用户界面和基本的错误处理。根据实际需求，您可以进一步扩展和优化该工具，以满足更复杂的应用场景。

如果在开发过程中遇到问题，建议参考以下资源：

  • PyQt5官方文档
  • Python socket库文档
  • Modbus协议规范

http://www.ppmy.cn/news/1554468.html

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