PLC遇见IT：C#+S7Net+PLCSIM实现西门子PLC仿真通讯

PLCSIM Advanced 简介

PLCSIM Advanced是西门子推出的一款功能强大的仿真软件，目前最新发布的版本为4.0，但鉴于新版本可能存在未知的bug，故本文使用V3.0。

V3.0支持仿真1500PLC及ET 200SP，可实现Socket网络通讯功能，也可实现PLC之间、PLC与设备直接的ModbusTCP等通讯。

V3.0安装时需要先安装WinPcap_4_1_3，V4.0则不需要。

以下为两个版本的官网下载链接，下载时需要西门子账号，可以免费注册。

以下为V3.0下载链接：

PLCSIM Advanced V3.0

V3.0的两个升级包（可选安装）

以下为V4.0下载链接

PLCSIM Advanced V4.0

S7 Net Plus 简介

西门子PLC通讯库，支持200、200smart、300、400、1200、1500系列PLC。

说明文档

配置PLCSIM Advanced

打开PLCSIM Advanced V3.0，如下图：

Online Access要选择右边的PLCSIM Virtual Eth.Adapter，左侧的PLCSIM不支持外部网络访问。

TCP/IP communication with 可选以太网或者是本地虚拟网卡。local即为本地虚拟网卡，是在安装PLCSIM Advanced时自动安装的网络适配器。打开控制面板-->网络和 Internet-->网络连接，Siemens PLCSIM Virtual Ethernet Adapter就是此虚拟网卡。使用虚拟网卡只能在本机进行通讯仿真，而使用以太网则可以在局域网内进行仿真通讯。

Start Virtual S7-1500 PLC为PLC设置，包括IP地址、子网掩码、默认网关及PLC型号。设置完成后点击Start按钮则会生成一个PLC实例。创建成功后就可以开始通讯仿真了。

Virtual SIMATIC Memory Ca为打开保存PLC历史记录的文件夹的按钮。

如下图所示，在Active PLC Instance(s)可以看到已成功创建的PLC。

下载测试DB块

在TIA Protal软件中，添加一个S7-1511的设备，然后在程序块中添加一个新的DB块，DB号设置为10。

打开设备的属性 --> 防护与安全 -->连接机制，勾选“允许来自远程对象的PUT/GET通讯访问”。

打开设备的属性 --> PROFINET 接口 [X1] -->以太网地址，按需设置PLC的IP地址。

打开DB10的属性，取消勾选“优化块的访问”，并在DB10中新建如下图所示的变量，编译完成后则可以得到每个变量的偏移量，即此变量在DB10上的地址。

设置完成后，下载到刚刚使用PLCSIM Advanced创建的仿真PLC中，需要注意网段要设置成与仿真PLC同一网段。

引用S7NetPlus

创建一个测试程序，此处创建的是一个控制台应用程序。

在NuGet下载S7NetPlus，如下图所示，版本可按需选择

新建一个名为PLCInstance的类，创建PLC单例。

    class PLCInstance
    {
        private PLCInstance()
        {
            plcObj = new Plc(CpuType.S71500, "192.168.10.230", 0, 1);
        }


        /// 

        /// PLC单例
        /// 
        public static PLCInstance Instance
        {
            get
            {
                return Nested.instance;
            }
        }


        /// 

        /// 防止调用此类静态方法时，创建新的实例
        /// 
        private class Nested
        {
            internal static readonly PLCInstance instance = null;
            static Nested()
            {
                instance = new PLCInstance();
            }
        }


        /// 

        /// 私有PLC单例对象
        /// 
        private static Plc plcObj;


        /// 

        /// 连接至PLC并返回连接状态
        /// 
        /// 
        private bool ConnectToPLC()
        {
            try
            {
                plcObj.Open();
                return plcObj.IsConnected ? true : false;
            }
            catch (Exception)
            {


                return false;
            }


        }


        /// 

        /// 关闭连接
        /// 
        private void Disconnect()
        {
            plcObj.Close();
        }
    }

读写数据

S7NetPlus提供了多种读写的方式，可以读取字节自行解析或者按照指定格式写入字节，也可以指定地址进行读写，还可以使用变量、结构体或者类进行单个或者批量读写。

1、指定地址读写

这种方法可以在Read方法中以字符串形式传入需要读取的地址，返回的是Object类型的值，需要使用者自行做类型转换。Write方法则同理，以字符串的形式指定需要写入的地址，并在第二个参数传入需要写入的值，但是需要注意西门子PLC内的数据类型与C#的数据类型的对应。以下为读写DB10的0.0地址上的布尔量的值示例，此方式均支持读取与写入。

//读取
bool result = (bool)plc.Read("DB10.DBX0.0");


//写入
plc.Write("DB10.DBX0.0",!result);

虽然这种方式比较简单且方便，但是它是作者不推荐的方式，文档中原文如下：

This method reads a single variable from the plc, by parsing the string and returning the correct result. While this is the easiest method to get started, is very inefficient because the driver sends a TCP request for every variable.

意思就是，这种方法会通过解析传入的地址字符串来获取需要读写的地址，对于使用者来说是非常简单的使用方式，但是S7NetPlus会为每个通过这种方式读写的变量生成一个新的TCP请求，因此在读写多个变量时，执行效率会比较低。

S7NetPlus使用的通讯本质上是西门子的S7通讯，通过发送七层通讯报文来建立与西门子PLC的TCP连接，后续也是根据S7通讯的通讯协议生成并发送报文来实现PLC的数据读写。所以当使用这种方式读写多个变量的时候，S7NetPlus内部为每个变量重复建立新的S7连接与发送读写报文的操作，而不是单个连接成功建立后在这个连接上进行批量的读写。

简单理解就是这种方式效率比较低，会占用更多的资源。

2、解析读写

这种方法需要指定DB的类型、DB号、起始地址、PLC数据类型及读取数量。虽然它需要传入的参数变多了，但是当需要读取多个地址连续且类型相同的变量时，仅需修改最后的读取数量，S7NetPlus就会自动读取这一连串的地址，并按照指定的变量类型解析出对应的值，文档中后面说到的多类型变量批量读取也是基于这种方法的。不过这种方式读取PLC内的字符串类型时，仍存在bug，所以当需要读写字符串的时候，推荐使用本文后面提及的字节读写的方式。

示例如下：

//读取
bool result = (bool)plc.Read(DataType.DataBlock, 10, 0, VarType.Bit, 1);


//写入
plc.Write(DataType.DataBlock, 10, 0, true);

Read：

第一个参数是DB的数据类型，可以是DB、定时器、计数器、Merker（内存）、输入、输出。

第二个参数是DB号。

第三个参数是起始地址。

第四个参数是PLC内该变量的类型。

第五个参数是需要读取的个数。

Write：

第一个参数是DB的数据类型，可以是DB、定时器、计数器、Merker（内存）、输入、输出。

第二个参数是DB号。

第三个参数是起始地址。

第四个参数是需要写入的值。

3、字节读写

这种方法将会读取指定DB块上一段连续的地址上的字节，不做任何解析直接以字节数组的形式返回。

第一个参数是DB的数据类型，可以是DB、定时器、计数器、Merker（内存）、输入、输出。

第二个参数是DB号。

第三个参数是起始地址。

第四个参数是读取的字节数。

要使用这种方式读写数据，则需要非常熟悉PLC内各类型数据存储的格式，可以自行将读取上来的字节进行解析以获得所需数据。

虽然这种方式理论上能读写任意的数据，但是解析数据的过程会比较麻烦，所以若非万不得已，个人建议尽量少用。

此处仅提供PLC内String类型及WString类型的读取示例。

//String读取
byte[] data = plc.ReadBytes(DataType.DataBlock, 10, 2, 254);
string result = Encoding.Default.GetString(data);

//Wstring读取
byte[] data = plc.ReadBytes(DataType.DataBlock, 10, 4, 508);
string result = Encoding.BigEndianUnicode.GetString(data);

在S7-1500中，一个String类型的变量占用256个字节，但是第一个字节是总字符数，第二个字节是当前字符数，所以真正的字符数据是从第三个字节开始的，共254个字节。

同理，WString类型其实就是双字节的Sring，也就是说一个字符占用两个字节，所以一个WString类型的变量占用512个字节，第一、二个字节是总字符数，第三、四个字节是当前字符数，真正的字符数据是从第五个字节开始的，共508个字节。

按照以上示例的方法，读取上来的字符串后面会带很多个"�"的字符，那是因为后面的空字节也读取上来了，正式使用时可以考虑使用.Replace("�", "")来去除，或者解析第二个字节来获取字符长度进而转码。

当写入字符串时，则需要根据不同的数据类型来生成对应字符串的字节数组，然后将该数组写入到指定地址中即可。

需要注意的是，String类型的编码格式对应的是ASCII，而WString的则是C#中的BigEndianUnicode格式。在WString中，由于总长度与当前字符数是都是双字节数，所以在转换成字节数组的时候存在高低字节顺序问题。在这里就有一个大坑：这两个变量在C#中转换出来的字节数组跟PLC中存储的，高低字节是反过来的。这也就是为什么下面的WString的示例中需要对总字符数和当前字符数的两个字节数组进行反转。

此处提供一种生成String类型和WString的字节数组的方法，可供参考：

        /// 

        /// 获取西门子PLC字符串数组--String
        /// 
        /// 
        /// 
        private byte[] GetPLCStringByteArray(string str)
        {
            byte[] value = Encoding.Default.GetBytes(str);
            byte[] head = new byte[2];
            head[0] = Convert.ToByte(254);
            head[1] = Convert.ToByte(str.Length);
            value = head.Concat(value).ToArray();
            return value;
        }


        /// 

        /// 获取西门子PLC字符串数组--WString
        /// 
        /// 
        /// 
        private byte[] GetPLCWStringByteArray(string str)
        {
            byte[] value = Encoding.BigEndianUnicode.GetBytes(str);
            byte[] head = BitConverter.GetBytes((short)508);
            byte[] length = BitConverter.GetBytes((short)str.Length);
            Array.Reverse(head);
            Array.Reverse(length);
            head = head.Concat(length).ToArray();
            value = head.Concat(value).ToArray();
            return value;
        }

使用示例如下：

//写入String 
string str = "Example";
plc.Write(DataType.DataBlock, 10, 0, GetPLCStringByteArray(str));

//写入WString
string str = "示例";
plc.Write(DataType.DataBlock, 10, 0, GetPLCWStringByteArray(str));

4、旧版本的字节读取注意事项

旧版本的单次字节读取是有字节数限制的，每一次读取的最大字节数为200，如果需要读写更多的字节，则需要多次读写并进行拼接，以下提供两种方法，可供参考：

        /// 

        /// 循环读取
        /// 
        /// 要读取的字节数
        /// DB号
        /// 起始地址
        /// 
        private byte[] CyclicReadMultipleBytes(int numBytes, int db, int startByteAdr = 0)
        {
            byte[] resultBytes = new byte[0];
            int index = startByteAdr;
            while (numBytes > 0)
            {
                var maxToRead = Math.Min(numBytes, 200);
                byte[] bytes = plc.ReadBytes(DataType.DataBlock, db, index, maxToRead);
                if (bytes == null)
                    return null;
                resultBytes = resultBytes.Concat(bytes).ToArray();
                numBytes -= maxToRead;
                index += maxToRead;
            }
            return resultBytes;
        }


        /// 

        /// 递归读取
        /// 
        /// 要读取的字节数
        /// DB号
        /// 起始地址
        /// 
        public static byte[] RecursiveReadMultipleBytes(int numBytes, int db, int startByteAdr = 0)
        {
            byte[] result = new byte[0];
            if (numBytes > 200)
            {
                byte[] temp = plc.ReadBytes(DataType.DataBlock, db, startByteAdr, 200);
                numBytes -= 200;
                result = temp.Concat(RecursiveReadMultipleBytes(numBytes, db, startByteAdr + 200)).ToArray();
            }
            else
            {
                byte[] temp = plc.ReadBytes(DataType.DataBlock, db, startByteAdr, numBytes);
                result = result.Concat(temp).ToArray();
                return result;
            }


            return result;
        }

在读取一两千个字节的情况下，这两种方法速度都差不多，递归会稍微快一点点。不过新版本没有单次读取限制，所以正常情况下是不需要这两个方法的。

5、其余读取方式

其它的读取方式可参考文档，本文不再赘述。

读取数据示例

PLCInstance：

using S7.Net;
using System;
using System.Text;


namespace S7NetPlusExample
{
    class PLCInstance
    {
        private PLCInstance()
        {
            plcObj = new Plc(CpuType.S71500, "192.168.10.230", 0, 1);
        }


        /// 

        /// PLC单例
        /// 
        public static PLCInstance Instance
        {
            get
            {
                return Nested.instance;
            }
        }


        /// 

        /// 防止调用此类静态方法时，创建新的实例
        /// 
        private class Nested
        {
            internal static readonly PLCInstance instance = null;
            static Nested()
            {
                instance = new PLCInstance();
            }
        }


        /// 

        /// 私有PLC单例对象
        /// 
        private static Plc plcObj;


        /// 

        /// 连接至PLC并返回连接状态
        /// 
        /// 
        private bool ConnectToPLC()
        {
            try
            {
                plcObj.Open();
                return plcObj.IsConnected ? true : false;
            }
            catch (Exception)
            {


                return false;
            }


        }


        /// 

        /// 关闭连接
        /// 
        private void Disconnect()
        {
            plcObj.Close();
        }


        /// 

        /// 读取示例数据
        /// 
        /// 
        public string GetPLCInfo()
        {
            if (ConnectToPLC())
            {
                StringBuilder sbr = new StringBuilder();


                //读取BOOL值
                bool boolResult = (bool)plcObj.Read(DataType.DataBlock, 10, 0, VarType.Bit, 1);


                //读取Int值
                int intResult = (short)plcObj.Read(DataType.DataBlock, 10, 2, VarType.Int, 1);


                //读取Real值
                float realResult = (float)plcObj.Read(DataType.DataBlock, 10, 4, VarType.Real, 1);


                //读取String值
                byte[] stringData = plcObj.ReadBytes(DataType.DataBlock, 10, 10, 254);
                string stringResult = Encoding.Default.GetString(stringData);


                //读取WString
                byte[] wstringData = plcObj.ReadBytes(DataType.DataBlock, 10, 268, 508);
                string wstringResult = Encoding.BigEndianUnicode.GetString(wstringData);


                Disconnect();


                sbr.AppendLine($"{boolResult}");
                sbr.AppendLine($"{intResult}");
                sbr.AppendLine($"{realResult}");
                sbr.AppendLine($"{stringResult}");
                sbr.AppendLine($"{wstringResult}");


                return sbr.ToString();                
            }
            else
            {
                return "连接PLC失败";
            }           
        }
    }
}

主程序：

using System;


namespace S7NetPlusExample
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine(PLCInstance.Instance.GetPLCInfo());


            Console.ReadKey();
        }
    }
}

运行结果：

结尾

本文简单介绍了S7 Net Plus和PLCSIM Advanced的使用，以上内容均由本人亲自实践得出的结果，但仍有可改进的的地方。S7NetPlus的文档也有非常详细的介绍，如有更复杂的读写需求，可以参考文档。

审核编辑：汤梓红