news 2026/4/25 16:55:28

C# WPF上位机系统：MVVMLight框架下的PLC通讯与伺服控制

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张小明

前端开发工程师

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C# WPF上位机系统：MVVMLight框架下的PLC通讯与伺服控制

采用C#WPF语言设计的上位机，与西门子plc通讯，采用MVVMLight框架。 实时显示报警信息，实时趋势图显示，生产数据自动保存到数据库。 实现伺服控制，手动IO控制。

一、项目概述

本项目是一款基于C# WPF技术开发的上位机系统，采用MVVMLight框架实现架构设计，核心功能是与西门子PLC进行高效通信，提供工业生产过程中的数据监控、设备控制、报警管理及数据存储等一站式解决方案。系统基于.NET Framework 4.7.2开发，采用SQLite作为本地数据库，无需复杂配置即可单机运行，同时支持多种数据格式转换、实时可视化及手动操作控制，适用于工业自动化生产场景。

二、技术架构与依赖组件

（一）核心技术栈

技术类别具体技术/框架应用场景
开发语言C#全项目代码开发
界面框架WPF上位机可视化界面构建
架构模式MVVM通过MVVMLight实现视图与逻辑分离
通信组件Sharp7、S7netplus与西门子PLC进行底层通信
数据库SQLite生产数据、配置信息本地存储
ORM框架EntityFramework 6数据库操作封装
图表可视化LiveCharts.Wpf实时趋势图绘制
工具组件NPOI、Extended.Wpf.ToolkitExcel导出、高级UI控件支持

（二）项目结构

项目包含两个核心工程：Carlden.SiemensPLC（上位机主工程）和PlcService（PLC通信服务工程），整体目录结构遵循MVVM架构规范，具体如下：

Carlden.SiemensPLC/ ├─ Base/ // 基础组件（命令、通知、转换器等） ├─ ConvertBase/ // 数据格式转换工具（字节、位、整数转换） ├─ DAL/ // 数据访问层（数据库、Excel、XML操作） ├─ Model/ // 数据模型（产品数据、报警信息等） ├─ MyClass/ // 自定义控件（画布、贝塞尔曲线绘制） ├─ View/ // 视图层（界面布局与控件） ├─ ViewModel/ // 视图模型层（业务逻辑处理） └─ PlcService/ // PLC通信服务（独立工程）

三、核心功能模块详解

（一）PLC通信模块

1. 通信原理与实现

基于Sharp7组件实现西门子PLC的S7协议通信，通过PlcService工程封装通信逻辑，采用单例模式确保通信连接的唯一性和稳定性。核心通信类S7PlcService提供连接、断开、数据读写等基础功能：

  • 连接机制：支持指定PLC的IP地址、机架号（Rack）和槽号（Slot）建立连接，默认连接地址为192.168.0.102，可修改为127.0.0.1本地测试；
  • 数据读取：通过后台线程循环读取PLC的DB块数据（默认读取DB1块，长度276字节），读取频率为10ms/次，确保数据实时性；
  • 数据写入：支持M区和DB区的位写入（如控制IO点）及字节数组写入（如参数配置），通过锁机制保证写入操作的线程安全。
2. 关键代码示例
// PLC连接实现 public async void Connect(string Address, int Rack, int Slot) { await Task.Run(()=> { try { if (_plcClent != null) { while (!_plcClent.Connected) { int result = _plcClent.ConnectTo(Address, Rack, Slot); if (result == 0) { new Thread(() => RefreshValues()) { IsBackground = true }.Start(); } Thread.Sleep(500); } } } catch (Exception) { ; } }); } // 循环读取PLC数据 private void RefreshValues() { while (true) { lock (mLock) { if (_plcClent.Connected) { byte[] buffer = new byte[276]; _plcClent.DBRead(1, 0, buffer.Length, buffer); SendDataEvent?.Invoke(buffer); // 触发数据接收事件 Thread.Sleep(10); } } } }

（二）数据处理与转换模块

1. 数据转换工具

ConvertBase目录提供三类核心数据转换工具，适配PLC数据格式与上位机显示需求：

  • Bit类：实现字节与位数组的相互转换、位状态读取与修改（如判断某个IO点是否激活）；
  • ByteArray类：提供字节数组的动态管理（添加、清空、批量处理）；
  • Int类：实现16位整数与字节数组的转换，支持高低字节反转，适配西门子PLC的字节序。
2. 数据解析流程

PLC发送的字节流数据经以下流程处理后供界面展示：

  1. 从通信缓冲区中按偏移量提取指定长度的字节数据（如压力值占4字节，偏移量30）；
  2. 根据数据类型进行转换（字节数组→浮点数/整数/布尔值），必要时进行高低字节反转；
  3. 格式化数据（如保留3位小数）后更新到视图模型的属性，通过INotifyPropertyChanged通知界面刷新。

（三）可视化监控模块

1. 实时趋势图显示

基于LiveCharts.Wpf组件实现4类数据的实时趋势图绘制，支持动态数据刷新与历史数据滚动：

  • 数据1：0-100的整数型数据（如转速）；
  • 数据2：-100-100的整数型数据（如偏差值）；
  • 数据3：0.00-10.00的浮点型数据（如压力）；
  • 数据4：布尔型数据（如设备运行状态）。

趋势图默认保留最近10条数据，超出部分自动移除，确保界面流畅性。

2. 生产数据实时展示

通过DataGrid控件展示生产过程中的关键数据，包括产品条码、压力值、厚度、检测结果及时间戳，数据实时同步自PLC，同时自动保存到本地数据库。

（四）设备控制模块

1. 伺服控制

通过ParamSetViewModel实现伺服电机的参数配置与运动控制：

  • 支持X/Y轴速度设定、实际速度监控及当前位置显示；
  • 提供手动移动功能，可通过界面输入移动距离，或点击画布指定目标位置；
  • 实时绘制伺服电机运动轨迹，通过自定义MyCanvas和MyBezier组件实现位置可视化。
2. 手动IO控制

ManualViewModel提供IO点的手动控制功能，通过鼠标按下/松开事件实现IO点的激活与关闭：

  • 鼠标按下时向PLC写入"1"，激活对应IO点；
  • 鼠标松开时写入"0"，关闭IO点；
  • 实时同步IO点状态到界面，通过颜色变化（绿色=激活，灰色=未激活）直观展示。

（五）报警管理模块

1. 报警信息读取

通过XmlHelper读取XML配置文件中的报警描述信息，支持报警类型的灵活配置。

2. 实时报警监测与展示

MinitorViewModel实时监测PLC发送的报警状态位，当检测到报警时：

  • 记录报警信息与发生时间，存储到字典中；
  • 通过委托将报警数据传递给MessageShow类，更新界面报警列表；
  • 支持报警状态的实时刷新，报警解除后自动从列表中移除。

（六）数据存储与导出模块

1. 数据库存储

采用SQLite数据库存储生产数据，ProductServices类封装数据库操作：

  • 数据插入：生产数据实时写入Product表，包含条码、压力、厚度、检测结果及时间；
  • 数据查询：支持按时间范围查询历史生产数据，返回结果集供界面展示。
2. Excel导出

通过ExcelHelper类实现历史数据的Excel导出功能：

  • 支持导出为.xls（Excel 2003）、.xlsx（Excel 2007+）及.csv格式；
  • 自动格式化Excel表格（表头样式、边框、列宽自适应），支持首行冻结与筛选；
  • 导出过程计时，返回导出耗时。

（七）界面交互与导航模块

1. 主界面控制

MainWindow作为主容器，支持窗口最大化、最小化、关闭及皮肤切换功能，通过MVVMLight的Messenger实现视图与视图模型的通信。

2. 页面导航

MainViewModel提供页面切换功能，支持在监控视图、手动控制视图、IO状态视图、参数设置视图及历史数据视图之间快速切换，通过反射机制动态创建视图实例。

四、关键技术亮点

（一）MVVM架构设计

通过MVVMLight框架实现严格的关注点分离：

  • 视图（View）：仅负责界面展示，不包含业务逻辑；
  • 视图模型（ViewModel）：处理业务逻辑，通过INotifyPropertyChanged通知界面更新；
  • 模型（Model）：定义数据结构，封装数据属性；
  • 命令（CommandBase）：实现界面操作与业务逻辑的解耦，支持按钮点击、鼠标事件等绑定。

（二）线程安全设计

  • 通信模块：采用锁机制（lock）确保PLC数据读写操作的线程安全；
  • 数据更新：通过Application.Current.Dispatcher.BeginInvoke在UI线程更新界面，避免跨线程访问异常；
  • 单例模式：S7PlcService、GlobalOperation等核心类采用双重检查锁定单例模式，确保全局唯一实例。

（三）灵活的数据适配

  • 支持多种数据类型转换（字节、位、整数、浮点数），适配西门子PLC的S7协议数据格式；
  • 支持不同Excel版本导出，满足不同用户的使用习惯；
  • 报警信息通过XML配置，无需修改代码即可扩展报警类型。

五、部署与配置说明

（一）环境要求

  • 操作系统：Windows 7及以上；
  • .NET Framework：4.7.2及以上；
  • 无需额外安装数据库（SQLite为嵌入式数据库）。

（二）配置修改

  1. PLC连接配置：修改GlobalOperation类中的Connect方法参数，将IP地址改为目标PLC的IP（本地测试可改为127.0.0.1）；
  2. 报警配置：编辑systemData\WarningInfo.xml文件，添加或修改报警描述信息；
  3. 数据库路径：默认数据库路径为DataBase/myDB.db，可在SQLHelp类中修改连接字符串。

（三）编译与运行

  1. 还原NuGet包：项目依赖的组件通过NuGet管理，编译前需先还原包；
  2. 编译项目：使用Visual Studio 2017及以上版本编译解决方案；
  3. 运行程序：直接运行Carlden.SiemensPLC工程的输出exe文件，无需额外配置即可启动。

六、总结

本上位机系统通过C# WPF与MVVMLight框架的结合，实现了与西门子PLC的高效通信和工业生产的全流程管理。系统具备实时数据监控、设备精准控制、报警及时响应、数据安全存储等核心功能，同时采用模块化设计，具备良好的扩展性和维护性。通过Sharp7通信组件、LiveCharts可视化工具及SQLite数据库的协同工作，确保了系统的稳定性和易用性，可广泛应用于自动化生产线、设备监控等工业场景。

采用C#WPF语言设计的上位机，与西门子plc通讯，采用MVVMLight框架。 实时显示报警信息，实时趋势图显示，生产数据自动保存到数据库。 实现伺服控制，手动IO控制。

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