自动化工程师的跨界创新:鸿蒙系统与西门子PLC数据通信方法

"三阶段"优秀工程师之路

1、基础阶段：博途PLC的系统化与专项学习。

2、中级阶段：博途实例与C#基础学习视频，完成OT与IT融合化学习。

3、高级阶段：博途的标准化编程方法学习。

标准化方法之路！



      在工业自动化和智能制造领域，可编程逻辑控制器（PLC）是不可或缺的组件。西门子的S7系列PLC以其卓越性能著称，而华为开发的鸿蒙系统（HarmonyOS）则在各个领域展现出巨大潜力。本项目旨在探索如何在鸿蒙系统上实现与西门子S7 PLC的通信，这不仅是技术上的挑战，也是跨界融合的一次尝试。



一、系统简介

      PLC是工业控制系统的关键组成部分，负责控制和监视机器或生产过程。S7协议是西门子PLC通信的核心，它支持对输入/输出状态、数据块内容等进行读写操作。
      鸿蒙系统（HarmonyOS）是华为开发的操作系统，旨在实现跨多种设备的无缝体验。它的设计理念特别适合物联网应用，为工业自动化领域带来新的可能性。



这次尝试要实现的目标：鸿蒙系统（HarmonyOS）与西门子S7 PLC之间的数据通信，包括读取和写入数字输入输出、模拟量等。



二、技术难点

1、这次尝试的难点如下：
通信协议实现：S7协议相对复杂，需要准确理解和实现。

系统兼容性：鸿蒙系统作为新兴系统，如何保证与现有工业协议的兼容性是一大挑战。

性能优化：工业环境对系统的稳定性和实时性要求极高。

2、实现方案：

首先，需要在鸿蒙系统上实现S7协议的基本通信功能。这包括与PLC建立连接、读取和写入数据。为了实现这一点，可以利用现有的开源S7通信库（如Snap7）来加速开发过程。

系统架构：

前端（鸿蒙应用）：负责提供用户界面，显示PLC的状态，并发送用户指令。

后端（S7通信服务）：运行在鸿蒙系统上，实现S7协议，与PLC进行数据交换。

3、关键技术点：

S7协议的实现：使用Snap7库来处理底层的S7通信。

数据处理：实现数据类型（如布尔型、整型、浮点型等）的正确解析和映射。

用户界面：设计直观的UI，使操作人员能够轻松读取和控制PLC状态。

三、具体代码讲解

1、初步讲解代码：

Snap7是一个开源的西门子S7通信库，支持多种编程语言和平台。将其集成到鸿蒙系统中是实现S7通信的关键步骤。



读取PLC中的数据涉及到地址定位和数据类型转换。例如，从DB块中读取浮点数：



向PLC写入数据需要正确处理数据格式和字节序。例如，写入一个整数：



在鸿蒙系统上构建用户界面，显示PLC的状态并接收用户指令。例如，使用Toggle组件来控制PLC的布尔型数据。在实际的应用程序中，我们需要考虑用户与UI之间的交互。例如，当用户想要更改一个数字输入时，我们需要提供一个文本输入框来接收新值，然后将其写入到PLC。



在与PLC通信时，必须考虑到网络延迟、连接中断和数据不一致等问题。因此，适当的异常处理是必不可少的。在Snap7库中，每个操作都会返回一个状态码，可以用来判断操作是否成功。



在鸿蒙系统中，错误处理可能涉及更新UI以反映错误状态，或者执行重试逻辑。

2、深入讲解代码

使用Snap7库与西门子PLC进行通信的客户端应用。这个程序演示了如何建立与PLC的连接、读取和写入数据块（DB），以及处理不同类型的数据（如浮点数、整数和布尔值）。下面是对程序中几个关键功能的详细解析：
custom_s7_main 函数：
此函数是整个程序的核心部分。它演示了如何建立与PLC的连接，并从指定的数据块（DB）读取多种类型的数据。程序首先检查客户端（Client）对象是否已初始化，然后尝试建立与PLC的连接。一旦连接成功，函数就会读取特定的数据块，并从中提取出所需的数据，例如浮点数、字（word）、布尔值等。数据读取之后，函数会对某些数据进行字节序转换，以确保数据的正确性。这是因为PLC的字节序可能与应用程序所在的系统不同。





WriteInt16Data、WriteFloatData、WriteBoolData 函数这三个函数分别负责将int16_t、float和bool类型的数据写入PLC的特定数据块。
WriteInt16Data：此函数接收一个整数（int16_t）和一个偏移量，然后将该整数写入PLC的指定位置。在写入之前，该函数会检查与PLC的连接状态，并在必要时对数据进行字节序转换。
WriteFloatData：与WriteInt16Data类似，此函数用于写入浮点数。它使用一个联合体（union）来处理浮点数的字节序问题。

WriteBoolData：此函数用于写入布尔值。它首先读取当前的字节值，然后根据需要设置或清除相应的位，最后写回修改后的值。



连接与断开连接：使用CliConnect和CliDisconnect函数来管理与PLC的连接。这些函数分别处理连接建立和断开连接的逻辑。





多重读取：MultiRead函数展示了如何一次性读取多个不同类型的变量（如数字输入、数字输出、定时器等）。



以上代码实现了如何使用Snap7库与西门子PLC进行有效的通信和数据处理。它涵盖了从基本连接到复杂的数据处理的多个方面，为希望在自己的项目中实现类似功能的开发人员提供了一个有用的参考。
我们需要定义用于从 PLC 读取数据和向 PLC 写入数据的函数，并将这些函数暴露给 Node.js 环境，从而使 JavaScript 代码能够与 PLC 进行交互。下面是对程序中几个关键功能的详细解析：
PLCData 结构定义：定义了一个名为 PLCData 的结构体，用于保存从 PLC 读取的数据。这个结构体包括浮点数、int16_t（替代了原本的 word 类型，以匹配C++的标准类型）和布尔值等多种数据类型。



GetPLCValue 函数：这是一个 N-API 回调函数，用于从 PLC 获取数据并将其转换为 JavaScript 对象。

调用 custom_s7_main 函数获取 PLC 数据，然后使用 N-API 函数创建 JavaScript 对象，并将 PLC 数据设置为该对象的属性。

该函数使用 napi_create_* 系列函数创建对应类型的 JavaScript 值，并使用 napi_set_named_property 将这些值添加到返回对象上。



WritePLCData_JS 函数：该函数用于处理来自 JavaScript 的 PLC 写入请求。它读取 JavaScript 提供的参数，然后根据参数类型和内容调用适当的写入函数。

函数首先解析传入的参数，然后根据参数的类型（如布尔值、浮点数或整数）调用 WriteBoolData、WriteFloatData 或 WriteInt16Data 函数来更新 PLC 中的相应数据。

WriteInt16Data、WriteFloatData、WriteBoolData 函数这些函数用于将特定类型的数据写入 PLC。它们首先检查与 PLC 的连接状态，然后执行写入操作。



N-API 模块初始化：Init 函数用于初始化 N-API 模块，将 GetPLCValue 和 WritePLCData_JS 函数注册为 Node.js 可以调用的函数。

通过 napi_define_properties 将这些函数作为模块的属性注册，使它们在 JavaScript 环境中可用。



以上代码实现了如何将复杂的 PLC 通信逻辑封装在一个原生模块中，并通过简单的 JavaScript API 暴露给 Node.js 环境，从而使 JavaScript 开发者能够轻松地与 PLC 进行交互。这种方法有利于集成 PLC 通信功能到更大的 JavaScript 或 Node.js 应用程序中。

四、总结

      此项目不仅是技术上的探索，也是对新兴操作系统在工业自动化领域应用的一次实践。通过深入分析Snap7库的使用、鸿蒙系统的UI构建及交互逻辑的实现，我们获得了在现代操作系统中部署工业自动化解决方案的宝贵经验。这些经验将推动更多创新项目的诞生，提升工业自动化的效率和智能化水平。

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