教程Unity 与 Simence PLC 联动通讯

Posted 2023-04-12 野奔在山外的猫

开发平台：Unity 2021
依赖DLL：S7.NET
编程语言：CSharp 6.0 以上
 

一、前言

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  Unity 涉及应用行业广泛。在工业方向有着一定方向的涉足与深入。除构建数据看板等内容，也会有模拟物理设备进行虚拟孪生的需求需要解决。而 SIMATIC（西门子）作为工业通讯其一，需要了解如何在 CSharp 中实现通讯是本文章所关注的重点。

 

二、了解 | 依赖库对象：S7.NET

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限制：限定在 Unity CSharp 配置 2.0 Framework 下运行。
下载链接：GitHub-S7.NET
开发文档：WiKi-S7.NET

  对于 Unity 来说，引用 S7.NET 方法需要将 S7.NET.DLL 或 DLL内所有程序文件导入至 Unity Assets 目录下才可使用。如上图所示：我们仅需要将 S7.NET 文件夹 导入至 Unity 即可。或是生成 S7.NET.DLL 导入目录下 Plugins 文件夹下。

 

三、了解 | PLC DB数据库

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  PLC DB数据库根据 “数据库 - 数据类型 - 数据偏移量” 进行数据写入或读取。这种描述或有些抽象，以 S7.NET 读取单个示例数据。例如上图红框：获取 PLC数据 [DB160] 下的 Int 数据类型、便宜量为 104.0 的数据。

PLC.Read("DB160.DBW104.0");

1. 获取 DB库 始终坚持 “DB” + 库编号
2. 获取 偏移量值，始终坚持 “DB” + 数据类型 + 偏移量值
   
   需注意：S7中所使用 PLC.Read(string content) 读取值默认为 10 进制。

  而对于一些数据本身大的情况，部分负责数据的PLC工程师会选择拆分数据进行分批存储。例如：Real 数据类似于 CSharp 中 float 精度数据类。

• 在 Unity 开发中，涉及精度的数据（如位移、旋转轴数据），常见会被拆分为高低位的 16进制 存储。

 

四、关于不建议使用 Read 方式进行数据读取

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  剖析 PLC.Read(string plc) 可了解其根据字符串组合内容创建一个 DataItem 对象，用于 PLC DB块数据访问。注意：是创建。每次定时请求必须有创建局部变量后才可访问。从高频读取为前提，是不可取且随这使用的 string plc 量增加下，出现读取延时等情况。

public override void OnUpdateData()

	Data.J1 = float.Parse($"PLC.Read("DB110.DBW20.0")");
	Data.J2 = float.Parse($"PLC.Read("DB110.DBW22.0")");
	Data.J3 = float.Parse($"PLC.Read("DB110.DBW24.0")");
	Data.J4 = float.Parse($"PLC.Read("DB110.DBW26.0")");	

	Data.机械夹爪原位 = ConvertUtils.GetBool(PLC.Read("DB110.DBW100.0"), 1);
	Data.机械夹爪动位 = ConvertUtils.GetBool(PLC.Read("DB110.DBW110.0"), 7);
	
	Data.顶升气缸原位 = ConvertUtils.GetBool(PLC.Read("DB110.DBW100.0"), 2); 
	Data.顶升气缸东位 = ConvertUtils.GetBool(PLC.Read("DB110.DBW100.0"), 3); 

	Data.滚筒进料阻挡原位 = ConvertUtils.GetBool(PLC.Read("DB110.DBW110.0"), 2); 
	Data.滚筒进料阻挡动位 = ConvertUtils.GetBool(PLC.Read("DB110.DBW110.0"), 4);

	//.....更多其他数据

  历史记忆最清楚的是一台底盖安装机的机械轴有 4轴轴值数据、机械夹爪状态数据、皮带状态数据、顶升|阻挡气缸等其他部件数据。在同步机械轴数据上本应按照 100ms 一次更新下，在13台设备的同步请求 PLC DB数据下，出现 7s 完成一次数据请求的情况，显然 PLC读取出现阻塞情况。（在设计上使用多线程请求数据，在多线程优化上对于我来说是捉襟见肘）

  于是，考虑到每次请求中，存在相同 DB 块偏移量数据的请求，我建立了局部变量读取。例如：

public override void OnUpdateData()

	var theDB20 = PLC.Read("DB110.DBW20.0");
	var theDB22 = PLC.Read("DB110.DBW22.0");
	//...
	var theDB100 = PLC.Read("DB110.DBW100.0");

	Data.J1 = float.Parse($"theDB20");
	//...
	Data.顶升气缸原位 = ConvertUtils.GetBool(theDB100, 2); 
	Data.顶升气缸东位 = ConvertUtils.GetBool(theDB100, 3); 
	//...

• 在使用局部变量作为替代使得13台设备全运行下的更新频率由 7s 缩减至 3 - 4s。针对不同规模的工程，其频率变化程度不一，但相较于反复使用 PLC.Read(string plc) 有明显的提升。但本质上依然未达到即时的目标。

  所以，认识 PLC.Read(string plc) 的字符串解析规则是必然的。透过源码，可了解其最终被解析为 DataItem 的数据类用以请求。而参考 PLC WIKI文档可了解 PLC.ReadMultibleVars(List<DataItem> data) 的方法，其用于获取一个 DB块 下指定偏移量数据。一次访问获取所有数据比多次访问获取多数据明显压力上更低，更适用。因此结合 PLC.Read(string plc) 创建DataItem实例。使用静态字段与属性替代 string 访问DB是最优解（目前）

private static DataItem VarDB20 = new DataItem()

    DataType = DataType.DataBlock,
    VarType = VarType.Bit,
    DB = 110,
    StartByteAdr = 20,
    BitAdr = 0,
    Count = 1,
    Value = new object()
;

public static List<DataItem> Datas = new List<DataItem>()  VarDB20 

• DataType.DataBlock：PLC 连接数据类为 DB块
• VarType：数据类型。参考 “DBW” “DBB” “DBX” “DBD”
• DB：DB块号。例如 “DB110.DBW20.0” 指向 110 BD块
• StartByteAdr ：偏移量。例如 “DB110.DBW20.0” 指向 20 偏移量（20.0 中小数点前20）
• BitAdr ：地址。例如 “DB110.DBW20.0” 指向 0 偏移量（20.0 中小数点后0）
• Count：取数（默认为1即可，除非有特殊说明）
• Value：存放 PLC 中读取或将写入的数据值。（十进制）

public override void OnUpdateData()

	PLC.ReadMultibleVars(Datas);
	
	Data.J1 = float.Parse($"VarDB20.Value");
	//...
	Data.顶升气缸原位 = ConvertUtils.GetBool(VarDB100.Value, 2); 
	Data.顶升气缸东位 = ConvertUtils.GetBool(VarDB100.Value, 3); 
	//...

  在优化使用 PLC.ReadMultibleVars(List<DataItem> data) 的情况下，读取压力再次降低，使得实际机械轴模拟表现几乎与实际表现无延迟。注意：在数据均指向同一 DB块 下，使用该方法读写最优（目前）。

 

五、关于数据类型转换

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  与各程序语言相同，其数据类型同样包含 string/bool 等数据类型，但不同的有 Real 数据类型。（其实就是 double/float 那种浮点数）。对于该类型数据的读取，需要使用 DBD 类型进行读取。好在转换的方法在 S7 中有提供：

(uShort.Parse($"PLC.Read("DB110.DBW100.0")")).ConvertToFloat()

最完整的台达PLC培训教程（沈阳工大）学习笔记1

1） 可编程控制器的应用
1 开关量逻辑控制：电动机启动与停止
2 运动控制：对步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴系统实现位置控制
3 过程控制：对温度、压力、流量等连续变化的模拟量进行闭环控制
4 数据处理：数据采集-运算-传送
5 机械加工机床的数字控制：数控系统
6 机器人控制：
7 通信联网： PLC-计算机，PLC-PLC，PLC-人机界面

2） 可编程控制器的分类与特点
1.4.1可编程控制器的分类
1 按结构形式分类
(1) 整体式：将电源、I/O点、CPU、储存器等做成1个整体
(2) 模块式：将电源、I/O点、CPU、储存器等做成多个模块
2 按I/O点数及内存容量分类
(1) 超小型机：I/O点数在64以内，内存容量在256-1k字节
(2) 小型机：I/O点数在64-256，内存容量在l-3.6K字节
(3) 中型机：I/O点数在256-2048，内存容量在3.6-13K字节
(4) 大型机：I/O点数在2048以上，内存容量在13K字节以上
3 按功能分类
(1) 低档机：基本功能，逻辑运算、定时、计数等
(2) 中档机：较强的数据处理、子程序及远程I/O等功能
(3) 高档机：较强的模拟调节、智能控制、过程控制等功能

3）可编程控制器的特点
1 编程简单并具有很好的柔性
2 功能完善、实用性强
3 可靠性高、抗干扰能力强
4 体积小、重量轻、功耗低
5 机电一体化

 

4）  PLC的基本组成
1 中央处理器CPU模块
Central Processing Unit
2 存储器
1)系统程序存储区2)用户程序存储区
3 输入/输出模块
4 电源模块
5 编程器和编程软件

5） PLC的工作原理
1 扫描技术

(1)输入采样阶段
(2)用户程序执行阶段
(3)输出刷新阶段

6）关于梯形图的格式，一般有如下一些要求；每个梯形图网络由多个梯级组成，每个输出元素可构成一个梯级，每个梯级可由多 个支路组成．通常每个支路可容纳11个编程元素。最右边的元素必须是输出元素。每个网络最多允许16条支路。

7） 台达PLC的系列
目前台达PLC有ES、EX、EH2、PM、SA、SC、SS、SX、SV等系列。各系列机型均由各自特点，可满足不同控制要求。
ES系列性价比较高，可实现顺序控制。
EX系列具备数字量和模拟量I/O，可实现反馈控制。
EH系列采用了CPU+ASIC双处理器，支持浮点运算，指令最快执行速度达0.24μs。
PM系列可实现2轴直线/圆弧差补控制，最高脉冲输出频率达500kHz。
SS系列外形轻巧，可实现基本顺序控制。
SA系列内存容量8k steps，运算能力强，可扩展8个功能模块。
SC系列具有100k Hz的高速脉冲输出和100k Hz的脉冲计数。
SX系列具有2路模拟量输入和2路模拟量输出，并可扩展8个功能模块。
SV系列外形轻巧，采用了CPU+ASIC双处理器，支持浮点运算，指令最快执行速度达0.24μs。

8）台达PLC的型号

台达PLC型号都以DVP开头，
第1-2位为I/O点数；
第3位为主机或扩展模块标志，
E：E类主机，X：扩展模块，S：S类主机；
第4位为机型标志，C：不可扩展型主机，
S：标准型主机，X：模数混合型主机；
M：输入点扩展模块，N：输出点扩展模块，
P：输入/输出扩展模块；
第5-6位为电源类型，00：交流电源，01：直流电源，11：直流电源；
第7位为输出标志，R：继电器输出，T：晶体管输出，N：无输出模块；
第8位为“2”表示功能提升。例如：DVP 14ES 00 R 2 表示为台达PLC，共有14个I/O点，E类标准型主机，使用220V交流电源，继电器输出，属于功能提升型；又如：DVP 16 XM 01 N 表示为使用直流24v电源的16点输入扩展模块。

9）台达PLC的周边设备

1 程序书写器  目前台达PLC程序书写器的型 号为DVP HPP02。

2 WPLSoft编程软件  使用WPLSoft编程软件可在计算机上将梯形图程序输入PLC，完成编程。WPLSoft编程软件可在台达的官方网站(www.delta-cimic.com)下载，免费使用。

3 各部连接线 

10）

ES系列PLC的构成
ES系列PLC是中达电通股份有限公司生产功能非常强的超小型PLC产品，在某些功能上甚至能与大型机媲美。主机内有高速计数器，可输入频率达20kHz的 脉冲，输出的脉冲频率可达10k Hz。ES系列PLC还具有4个中断源的中断优先权 管理，以及RS—232C和RS485通讯接口。
台达PLC还有与之配套的扩展模块，如I/O模块、智能模块及温度测量模块等。1台ES系列PLC最多可扩展到256个I/O点。
台达PLC的智能模块主要为A/D、D/A模块，当需要对模拟量进行测量和控制时，可以连接智能模块。
需要对温度进行测量和控制时，可将温度测量模块连接到PLC上，温度测量模块可采用PT100型热电阻或J、K、R、S、T型热电偶作传感器。

1. DIN 固定扣：可将PLC主机锁紧在DIN固定槽上。
2. DIN 固定槽：可将PLC主机安装在DIN固定片上。
3. 螺栓孔：可将PLC主机用螺栓固定在控制箱墙板上。
4. RS-232C通讯接口
5. 扩展模块插座
6-7. 接线端子
8-9. I/O指示灯
10. 状态指示灯
① “Power”：接通电源后，“Power”指示灯亮；
② “Run”：程序运行时，“Run”指示灯亮；
③ “Error”：程序出错时，“Error”指示灯亮；
11、12 塑料盖
13、14 I/O铭牌
15. RS-485通讯口