西门子 PLC 与 C# 通信_项目实战

一、项目概述

该项目是一个基于 WPF 和 .NET Framework 4.7.2 开发的西门子 S7-1200 PLC 数据采集应用程序，用于某周期性数据采集场景。

核心功能

• 单路实时采集：每秒读取 PLC 指定地址的数值，实时刷新界面
• 自动周期存盘：按配置间隔（默认 10 分钟）将瞬时值和周期最低值写入 CSV
• 手动单次采集：用户可随时触发一次采集并独立存盘
• 秒级高精度采集：可选的秒级 CSV 异步写入，不影响主采集路径
• 长期稳定运行：支持 8 小时以上连续运行，异常不导致进程退出

技术栈

二、项目结构

S7DataCollector/ ├── Config/ │ └── AppSettings.cs # 集中配置读取（App.config + 默认值） ├── Models/ │ └── DataRecord.cs # 采集记录模型 ├── Services/ │ ├── CsvLogger.cs # 自动/手动 CSV 写入器 │ ├── ErrorLogger.cs # 错误日志写入器 │ ├── PlcService.cs # PLC 通信服务封装 │ └── SecondCsvWriter.cs # 秒级 CSV 异步写入器 ├── App.xaml / App.xaml.cs # 应用入口与全局异常处理 ├── MainWindow.xaml / MainWindow.xaml.cs # 主窗口与业务逻辑 ├── App.config # 运行时配置 └── S7DataCollector.csproj # 项目配置

三、核心架构

3.1 单路采集设计

程序采用单路采集架构，即只有一个定时器负责读取 PLC，读取结果同时供给三个消费端：

UiTimer (1秒) ──→ Read PLC ──→ ① UI 实时显示 ──→ ② 周期最低值累加器 ──→ ③ 秒级 CSV 入队

这种设计确保了：

• 每秒只读取一次 PLC，降低通信负荷
• 所有消费端使用同一数据源，避免数据不一致
• 读超时被压缩到刷新周期内，避免一次慢读阻塞后续采集

3.2 双定时器模型

3.3 三路 CSV 输出

程序生成三类独立的 CSV 文件：

四、配置说明

配置文件位于App.config（开发时）或S7DataCollector.exe.config（运行时）。

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?><!-- 运行时配置：PLC 连接与采集周期。 修改后需重新部署/覆盖 exe 同目录的 S7DataCollector.exe.config 才会生效。 业务代码通过 AppSettings 读取；键缺失时使用 AppSettings 中的默认常量。 --><configuration><startup><supportedRuntimeversion="v4.0"sku=".NETFramework,Version=v4.7.2"/></startup><appSettings><!-- ========== PLC 连接参数 ========== --><!-- PLC IP 地址 --><addkey="PlcIp"value="192.168.0.1"/><!-- 机架号（S7-1200 通常为 0） --><addkey="PlcRack"value="0"/><!-- 插槽号（S7-1200 通常为 1） --><addkey="PlcSlot"value="1"/><!-- ========== 读数地址与类型 ========== --><!-- 读取地址：MD10 = M区双字，字节偏移10；也可改为 DB1.DBD0 等 --><addkey="PlcAddress"value="MD10"/><!-- Float/Real：按 IEEE754 浮点解析（读到 DInt 位型时会自动转 Float） 其它可选：DInt / DWord / Int / Word --><addkey="PlcValueType"value="Float"/><!-- ========== 采集周期 ========== --><!-- 自动写入 CSV 的间隔（分钟）；仅影响存盘，不影响界面刷新 --><addkey="IntervalMinutes"value="10"/><!-- 界面「当前 PLC 数值」刷新间隔（秒）= 单路读 PLC 周期，与 CSV 存盘无关 --><addkey="UiRefreshSeconds"value="1"/><!-- PLC 通信超时上限（毫秒）；单路采集实际超时还会被压到「刷新周期-100ms」以内 --><addkey="ReadTimeoutMs"value="5000"/><!-- ========== 秒级 CSV（与 10 分钟 Auto 文件分离；采集线程只入队，后台批量写） ========== --><!-- true/false：是否启用 DataLog_Second_yyyyMMdd.csv --><addkey="EnableSecondLog"value="true"/><!-- 有界队列容量（约等于可缓冲秒数）；写不过来时丢最旧并计数 --><addkey="SecondLogQueueCapacity"value="600"/><!-- 单次最多刷多少行 --><addkey="SecondLogBatchSize"value="50"/><!-- 最大刷盘间隔（毫秒）；与 BatchSize 任一触发即写 --><addkey="SecondLogFlushIntervalMs"value="1000"/></appSettings></configuration>

4.1 PLC 连接参数

usingSystem;usingSystem.Globalization;usingS7.Net;usingS7DataCollector.Config;namespaceS7DataCollector.Services{/// <summary>/// PLC 通信服务：封装 S7netplus，负责与西门子 S7-1200 的连接、读数、断开。/// <para>/// 默认读取 M 区双字地址 MD10；数值类型由 <see cref="AppSettings.PlcValueType"/> 决定///（Float/Real 时按 IEEE754 解释 32 位原始数据）。/// </para>/// <para>本类方法均为线程安全（内部 <c>_sync</c> 锁）；调用方仍建议串行化对同一实例的访问。</para>/// </summary>publicsealedclassPlcService:IDisposable{/// <summary>保护 _plc 实例的互斥锁</summary>privatereadonlyobject_sync=newobject();/// <summary>S7netplus 底层 PLC 对象；未连接或已断开时为 null</summary>privatePlc_plc;privatebool_disposed;/// <summary>PLC IP 地址</summary>publicstringIpAddress{get;}/// <summary>机架号（S7-1200 通常为 0）</summary>publicshortRack{get;}/// <summary>插槽号（S7-1200 通常为 1）</summary>publicshortSlot{get;}/// <summary>读取地址，如 MD10、MW10、DB1.DBW0</summary>publicstringAddress{get;}/// <summary>数值类型名：Float / Real / DInt / DWord / Int 等</summary>publicstringValueTypeName{get;}/// <summary>读写超时（毫秒）</summary>publicintReadTimeoutMs{get;}/// <summary>当前是否已与 PLC 建立连接</summary>publicboolIsConnected{get{lock(_sync){return_plc!=null&&_plc.IsConnected;}}}/// <summary>/// 创建 PLC 服务。参数为 null 时从 <see cref="AppSettings"/> 读取默认配置。/// </summary>publicPlcService(stringip=null,short?rack=null,short?slot=null,stringaddress=null,stringvalueType=null,int?readTimeoutMs=null){IpAddress=string.IsNullOrWhiteSpace(ip)?AppSettings.PlcIp:ip.Trim();Rack=rack??AppSettings.PlcRack;Slot=slot??AppSettings.PlcSlot;Address=string.IsNullOrWhiteSpace(address)?AppSettings.PlcAddress:address.Trim();ValueTypeName=string.IsNullOrWhiteSpace(valueType)?AppSettings.PlcValueType:valueType.Trim();ReadTimeoutMs=readTimeoutMs??AppSettings.ReadTimeoutMs;}/// <summary>/// 连接到 PLC。若已有连接会先断开再重建。/// </summary>/// <exception cref="InvalidOperationException">连接失败时抛出</exception>publicvoidConnect(){ThrowIfDisposed();lock(_sync){DisconnectInternal();// CpuType.S71200：适配本项目目标 PLC（S7-1200）_plc=newPlc(CpuType.S71200,IpAddress,Rack,Slot){ReadTimeout=ReadTimeoutMs,WriteTimeout=ReadTimeoutMs};_plc.Open();if(!_plc.IsConnected){thrownewInvalidOperationException($"无法连接到 PLC：{IpAddress}(Rack={Rack}, Slot={Slot})");}}}/// <summary>/// 按配置地址读取数值（MD10 默认按 Float）。/// 若底层读到 DInt/DWord 位型，会按 IEEE754 转成 Float。/// </summary>/// <returns>转换后的 double 数值</returns>/// <exception cref="InvalidOperationException">未连接或读空值时抛出</exception>publicdoubleReadValue(){ThrowIfDisposed();lock(_sync){if(_plc==null||!_plc.IsConnected){thrownewInvalidOperationException("PLC 未连接，无法读取数据。");}varresult=_plc.Read(Address);if(result==null){thrownewInvalidOperationException($"读取{Address}返回空值。");}returnConvertByValueType(result);}}/// <summary>/// 按 <see cref="ValueTypeName"/> 将底层读结果转换为 double。/// </summary>privatedoubleConvertByValueType(objectresult){vartypeName=(ValueTypeName??"Float").Trim();// Float / Real：真空等模拟量常用，按 IEEE754 解释 32 位if(typeName.Equals("Real",StringComparison.OrdinalIgnoreCase)||typeName.Equals("Float",StringComparison.OrdinalIgnoreCase)){returnConvertDIntBitsToFloat(result);}if(typeName.Equals("DWord",StringComparison.OrdinalIgnoreCase)||typeName.Equals("UDInt",StringComparison.OrdinalIgnoreCase)){returnConvert.ToUInt32(result,CultureInfo.InvariantCulture);}if(typeName.Equals("Int",StringComparison.OrdinalIgnoreCase)||typeName.Equals("Word",StringComparison.OrdinalIgnoreCase)){returnConvert.ToInt16(result,CultureInfo.InvariantCulture);}if(typeName.Equals("DInt",StringComparison.OrdinalIgnoreCase)){returnConvert.ToInt32(result,CultureInfo.InvariantCulture);}// 未识别类型时：按 Float（DInt 位型转浮点）处理returnConvertDIntBitsToFloat(result);}/// <summary>/// 将 DInt/DWord 的 32 位原始数据按 IEEE754 解释为 Float。/// S7netplus 读 MD 区时有时返回 int/uint，需用位型重解释而非数值强转。/// </summary>privatestaticdoubleConvertDIntBitsToFloat(objectresult){if(resultisfloatf)returnf;if(resultisdoubled)returnd;if(resultisuintu)returnBitConverter.ToSingle(BitConverter.GetBytes(u),0);if(resultisinti)returnBitConverter.ToSingle(BitConverter.GetBytes(i),0);if(resultislongl)returnBitConverter.ToSingle(BitConverter.GetBytes(unchecked((int)l)),0);// 其它数值：先落到 32 位整型位型，再转 Floattry{varbits=Convert.ToInt32(result,CultureInfo.InvariantCulture);returnBitConverter.ToSingle(BitConverter.GetBytes(bits),0);}catch{returnConvert.ToSingle(result,CultureInfo.InvariantCulture);}}/// <summary>断开与 PLC 的连接（可重复调用）</summary>publicvoidDisconnect(){lock(_sync){DisconnectInternal();}}/// <summary>内部断开逻辑（调用方须已持有 _sync）</summary>privatevoidDisconnectInternal(){if(_plc==null)return;try{if(_plc.IsConnected){_plc.Close();}}catch{// 断开时忽略异常，避免掩盖上层重连逻辑}finally{_plc=null;}}privatevoidThrowIfDisposed(){if(_disposed)thrownewObjectDisposedException(nameof(PlcService));}/// <summary>释放资源：断开连接并标记已释放</summary>publicvoidDispose(){if(_disposed)return;Disconnect();_disposed=true;}}}

4.2 读数参数

4.3 采集周期

4.4 秒级 CSV 参数

五、数据流程

5.1 启动流程

App.OnStartup └── StartApplication ├── RegisterGlobalExceptionHandlers() # 注册三类异常钩子 ├── EnsureLogsDirectory() # 确保 Logs 目录存在 ├── WriteSessionStart() # 写入会话启动日志 └── new MainWindow().Show() # 显示主窗口

5.2 自动采集流程

BtnStart_Click ├── EnsurePlcConnected(forceReconnect: true) ├── StartTimers() # 启动双定时器 ├── ResetIntervalMin() # 重置周期最低值累加器 ├── RefreshRealtimeAsync() # 立即刷新界面（写入缓存） └── SaveAutoSampleAsync() # 立即记一条自动 CSV ┌── UiTimer_Elapsed (每秒触发) │ └── RefreshRealtimeAsync() │ ├── Read PLC │ ├── PublishSample() │ │ ├── UpdateLastSample() # 更新缓存 │ │ ├── UpdateIntervalMin() # 更新周期最低值 │ │ └── SecondCsvWriter.TryEnqueue() # 秒级入队 │ └── 更新 UI └── LogTimer_Elapsed (每10分钟触发) └── SaveAutoSampleAsync() ├── TryGetFreshInPeriodSample() # 取新鲜缓存瞬时值 ├── TakeAndClearIntervalMin() # 结算周期最低值 ├── CsvLogger.Append() # 写入 CSV ├── AddHistoryBounded() # 追加历史表 └── BeginNewPeriod() # 推进周期起点

5.3 周期最低值机制

程序在每个自动采集周期内（默认 10 分钟）维护一个最低值：

1. 采样阶段：每秒读取的数值与当前周期最低值比较，保留较小值
2. 结算阶段：自动存盘时取出周期最低值，清空累加器
3. 回滚机制：若写盘失败，已取出的最低值会合并回当前周期
4. 周期边界：拒绝上周期遗留的陈旧采样，避免边界低压点污染

六、并发设计

6.1 同步原语

6.2 秒级 CSV 异步写入

SecondCsvWriter采用生产者-消费者模式：

• 采集线程：只调用TryEnqueue()非阻塞入队
• 后台工作线程：按批（BatchSize）或按间隔（FlushIntervalMs）批量刷盘
• 有界队列：队列满时丢弃最旧数据，不反压采集线程

七、错误处理与容错

7.1 全局异常防护

程序注册了三类未处理异常钩子，全部记录日志并尽量阻止进程退出：

7.2 自动存盘失败处理

• 存盘冲突：自动采集标记延后补写（_pendingAutoSave），不丢周期
• 写盘失败：回滚已取出的周期最低值，预约重试（_autoSaveRetryAfterTicks）
• 重试触发：由下次秒级刷新路径顺带触发补写

7.3 PLC 通信异常处理

• 连接失败：进入周期重试模式，由秒级定时器持续尝试重连
• 连续失败计数：记录连续失败次数，用于状态提示
• 安全断开：断开时忽略异常，避免掩盖上层重连逻辑

八、文件输出格式

8.1 自动采集 CSV

Id,Data,Time,Source,MinData,MinTime 1,1.23456,2026-07-16 10:00:00,Auto,1.12345,2026-07-16 10:05:30 2,1.34567,2026-07-16 10:10:00,Auto,1.23456,2026-07-16 10:12:15

8.2 手动采集 CSV

Id,Data,Time,Source 1,1.45678,2026-07-16 10:03:00,Manual 2,1.56789,2026-07-16 10:08:00,Manual

8.3 秒级采集 CSV

Id,Data,Time 1,1.23456,2026-07-16 10:00:00 2,1.23457,2026-07-16 10:00:01 3,1.23455,2026-07-16 10:00:02

九、界面布局

主窗口自上而下分为五个区域：

十、运行说明

10.1 启动方式

方式一：直接运行（最快）

双击：S7DataCollector\bin\Release\net472\S7DataCollector.exe

方式二：Visual Studio

打开 S7DataCollector.sln → F5（调试）或 Ctrl+F5（直接运行）

方式三：命令行

cd"S7DataCollector"dotnet run-cRelease

10.2 配置修改注意事项

1. 修改S7DataCollector.exe.config（运行时）而非源码中的App.config
2. 修改后必须关闭程序再重新打开，配置才会生效
3. PLC 需允许 PUT/GET 访问，电脑防火墙需放行
4. 连不上时查看界面红色状态灯和Logs\ErrorLog.txt

10.3 部署要求

• 目标机器需安装 .NET Framework 4.7.2 或更高版本
• 电脑与 PLC 需在同一网段
• 建议先 ping 通 PLC IP 再启动程序

十一、设计要点总结

1. 单路采集：一个定时器读 PLC，多路消费，降低通信负荷
2. 缓存策略：使用缓存瞬时值避免边界再读 PLC，新鲜度阈值 2 秒
3. 周期最低值：半开区间累加，写盘失败回滚，边界不污染
4. 异步秒级写入：有界队列 + 后台批量写，不阻塞主流程
5. 异常防护：全局异常钩子 + 自动重试 + 状态恢复，支持长期无人值守
6. 资源管理：完整的IDisposable实现，窗口关闭时释放所有资源