PLC 数据采集系统

1. 项目概述

本项目旨在通过动态收集来自 PLC（可编程逻辑控制器）的数据，为用户提供实时监控和分析工业设备运行状态的能力。

2. 技术栈

• 编程语言：C#
• 通信协议：Modbus TCP/IP

3. 主要功能和特点

• 动态配置： 通过配置文件定义采集表、列名、频率，支持自定义数据点和采集方式。
• 多平台支持： 兼容 .NET 6.0, 7.0, 8.0 和 .NET Standard 2.1。
• 多 PLC 数据采集： 支持同时从多个 PLC 周期性地采集实时寄存器数据。
• 模块化设计： 易于扩展和维护。
• 高效通讯： 基于 Modbus TCP 协议，实现稳定的高效通讯。
• 数据存储： 支持存储至本地文件或数据库，云存储。
• 频率控制： 可配置采集频率，支持毫秒级控制。
• 错误处理： 支持断线重连与超时重试，确保系统稳定运行。

4. 适用场景

• 工业自动化过程中的监控与控制
• 设备性能分析及故障诊断
• 历史数据记录与回溯

5. 使用示例

5.1 实现 IDeviceService 接口（定义设备配置）

5.1.1 配置 PLC 通讯地址（定义 PLC 服务连接方式）

文件路径：Configs/devices.json

样例配置：

[
  {
    "Code": "S00001",
    "IpAddress": "192.168.1.100",
    "Port": 502
  }
]

5.1.2 实现 IDeviceService 接口

public class DeviceService : IDeviceService
{
    public async Task<List<Device>> GetDevices()
    {
        var devices = await JsonUtils.LoadConfigAsync<List<Device>>("Configs/devices.json");
        return devices;
    }
}

5.2 实现 IDataAcquisitionConfigService 接口（定义采集配置）

5.2.1 设置 PLC 数据采集参数（定义怎么采集数据）

文件路径：Configs/MetricConfigs（每个表对应一个独立的 JSON 文件）

参数详解：

• IsEnabled：是否启用此表的数据采集
• DatabaseName：存储数据的目标数据库名称，可以根据数据库名称进行分库存储
• TableName：数据库表名
• CollectionFrequency：数据采集间隔（毫秒）
• BatchSize: 批量保存大小
• PositionConfigs：指标的具体配置
  • ColumnName：数据库表中的列名
  • DataAddress：PLC 中存储该数据的地址
  • DataLength：读取的数据长度
  • DataType：数据类型

样例配置：Configs/MetricConfigs/rocket_flight_metrics.json

{
  "IsEnabled": true,
  "DatabaseName": "dbo",
  "TableName": "rocket_flight_metrics",
  "CollectionFrequency": 1000,
  "BatchSize": 100,
  "PositionConfigs": [
    {
      "ColumnName": "实时速度",
      "DataAddress": "D6000",
      "DataLength": 1,
      "DataType": "float"
    },
    {
      "ColumnName": "实时高度",
      "DataAddress": "D6100",
      "DataLength": 1,
      "DataType": "float"
    },
    {
      "ColumnName": "加速度",
      "DataAddress": "D6200",
      "DataLength": 1,
      "DataType": "float"
    },
    {
      "ColumnName": "气动压力",
      "DataAddress": "D6300",
      "DataLength": 1,
      "DataType": "float"
    },
    {
      "ColumnName": "编号",
      "DataAddress": "D6400",
      "DataLength": 10,
      "DataType": "string"
    }
  ]
}

5.2.2 实现IDataAcquisitionConfigService接口

public class DataAcquisitionConfigService : IDataAcquisitionConfigService
{
    public async Task<List<DataAcquisitionConfig>> GetDataAcquisitionConfigs()
    {
        var dataAcquisitionConfigs = await JsonUtils.LoadAllJsonFilesAsync<DataAcquisitionConfig>("Configs/MetricConfigs");
        return dataAcquisitionConfigs;
    }
}

5.3 实现 IPLClient 接口（定义 PLC 客户端类型）

IPLClient 是 PLC 客户端接口，示例项目使用 HslCommunication 库实现，用户可根据不同 PLC 实现。

/// <summary>
/// PLC 客户端实现
/// </summary>
public class PLCClient : IPLCClient
{
    private readonly InovanceTcpNet _plcClient;

    public PLCClient(string ipAddress, int port)
    {
        // 初始化 PLC 客户端
    }

    public async Task<OperationResult<bool>> ConnectServerAsync()
    {
        // 连接到 PLC 服务器并返回连接结果
    }

    public async Task<OperationResult<bool>> ConnectCloseAsync()
    {
        // 断开与 PLC 的连接并返回断开结果
    }

    public bool IsConnected()
    {
        // 检查当前连接状态，返回布尔值
    }

    // 其他读取方法...
}

5.4 实现 AbstractDataStorage 抽象类（定义持久化数据库类型）

IDataStorage 为数据存储服务，内部使用 BlockingCollection<T> 管理多线程环境下的数据流，确保高效数据处理及持久化。数据每次读取会添加到队列。 这里为了提高插入效率使用是批量插入，如果不需要批量插入，可以修改MetricTableConfig中BatchSize配置值为1，即可实现单条插入。

/// <summary>
/// SQLite 数据存储实现
/// </summary>
public class SQLiteDataStorage : AbstractDataStorage
{
    private readonly SqliteConnection _connection;
    public SQLiteDataStorage(Device device, DataAcquisitionConfig dataAcquisitionConfig):base(device, dataAcquisitionConfig)
    {
        var dbPath = Path.Combine(AppContext.BaseDirectory, $"{dataAcquisitionConfig.DatabaseName}.sqlite"); 
        _connection = new SqliteConnection($@"Data Source={dbPath};");
        _connection.Open();
    }

    public override async Task SaveBatchAsync(List<Dictionary<string, object>> data)
    {
        await _connection.InsertBatchAsync(DataAcquisitionConfig.TableName, data);
    }

    public override async ValueTask DisposeAsync()
    {
        await _connection.CloseAsync();
        await _connection.DisposeAsync();
    }
}

5.5 运行

构建 IDataAcquisitionService实例

构造函数参数说明

deviceService： 设备服务实例

dataAcquisitionConfigService： 数据采集配置服务实例

plcClientFactory： PLC 客户端服务创建

dataStorageFactory： 数据存储服务创建

processReadData： 读取到后执行的委托，可以在此对读取到的数据进行拓展或额外处理。

函数说明

StartCollectionTasks 函数，开启数据采集。

StopCollectionTasks 函数，停止数据采集。

示例

var deviceService = new DeviceService();

var dataAcquisitionConfigService = new DataAcquisitionConfigService();

var dataAcquisitionService = new DataAcquisitionService(
    deviceService, 
    dataAcquisitionConfigService, 
    PLCClientFactory, 
    DataStorageFactory, 
    ProcessReadData);

await dataAcquisitionService.StartCollectionTasks();

IPLCClient PLCClientFactory(string ipAddress, int port) 
    => new PLCClient(ipAddress, port);

IDataStorage DataStorageFactory(Device device, DataAcquisitionConfig metricTableConfig) 
    => new SQLiteDataStorage(device, metricTableConfig);

void ProcessReadData(Dictionary<string, object> data, Device device)
{
    data["时间"] = DateTime.Now;
    data["DeviceCode"] = device.Code;
}

6. 总结

本动态 PLC 数据采集系统通过灵活配置和强大功能，能有效支持工业自动化过程中的数据监控与分析，适用于多种场景。用户可根据实际需求进行定制与扩展，提升生产效率和设备管理能力。