【教程】Unity 与 Simence PLC 联动通讯

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

一、前言

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

在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

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");

获取 DB库始终坚持 “DB” + 库编号
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

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

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()

而实际上，既然 PLC 存储值能够按照偏移量进行数据存储。也一定能提供对于具体偏移量值的读取。即：不需要额外的定义 ConvertUtils 数据类型转换类来处理数据值。将重心放置于 DataItem 类上。关注如下代码：

private static DataItem VarDB20 = new DataItem()
{
    DataType = DataType.DataBlock,
    VarType = VarType.Bit,
    DB = 110,
    StartByteAdr = 20,
    BitAdr = 0,
    Count = 1,
    Value = new object()
};

当我们想要获取具体类型的数据值时，DataItem 为提供了 VarType 用于解析获取的最终数据类型。该转换数据类型下的数据将存储至 Value 的变量中（值得注意：这是一个 object 数据类型，仍然需要使用类型强转处理）。于是，相比较直接使用 DBXDBW 字符限定常用数据类型再转换为其他数据类型的便利上更加有利。如：

VarType.Bit：转换为 Bool 数据类型
VarType.Real：转换为 Float 数据类型
VarType.Word：转换为 String 数据类型
VarType.Int：转换为 Int 数据类型。

同理，由于 PLC 仅支持存储偏移量 0-7 的值。关联 BitAdr，例如偏移量 22.3 =》 StartByteAdr = 22 | BitAdr = 3 - 1 = 2（此处注意计算机原理）。而 Count 在非特殊情况下，一般选择取数量为1即可。

六、关于数据读取上限

使用 S7.NET 读取大批量的数据存在读取上限的情况，导致最终存在 DataItem 无法获取值情况。既然无法在当前帧完成大批量的读取情况。可以根据偏移量整体值 -> 析构存储值的方式降低 DateItem 的请求量。但这样需自构数据类型转换，解析 16 位 2进制取结果。（显得麻烦）
亦或是控制每次请求量，分批次按优先级多次请求完成。