基于MVVM Light框架的C# WPF上位机系统 实现与西门子PLC的通讯、实时监控与伺服控制

在工业自动化领域，上位机系统作为连接操作人员与底层设备的桥梁，其稳定性、实时性与可维护性至关重要。本文介绍一套基于MVVM Light框架，采用C#和WPF技术开发的上位机系统。该系统核心功能是实现与西门子PLC的稳定通讯，并在此基础上，构建了一个集实时报警显示、趋势图可视化、生产数据自动存储、伺服控制以及手动I/O操作于一体的综合监控平台，其数据处理和存储由专门的后台服务支持。

一、 系统架构与MVVM Light框架优势

本系统采用经典的MVVM（Model-View-ViewModel）设计模式，并借助MVVM Light工具包进行高效开发。该框架的优势在本项目中体现得淋漓尽致：

1. 解耦与可测试性：View（XAML界面）与ViewModel（业务逻辑）的分离，使得UI设计与后端逻辑开发可以并行，且ViewModel不依赖于具体界面，便于单元测试。
2. 数据驱动UI：通过数据绑定，PLC的实时数据、报警状态等能自动、高效地反映在WPF界面上，无需编写冗杂的界面更新代码。
3. 消息通信：MVVM Light的Messenger组件简化了ViewModel之间、以及与服务层之间的松耦合通信，例如，当通讯服务接收到新报警时，可以通过消息通知报警显示模块。

系统整体分为多层：

• 视图层（View）：WPF窗口、用户控件，负责数据可视化（如趋势图、报警列表）和接收用户操作（如手动按钮）。
• 视图模型层（ViewModel）：包含各个视图对应的ViewModel，持有模型数据，提供命令和属性供视图绑定。它是连接View与下层服务的枢纽。
• 模型与服务层（Model & Services）：包括实体模型（如报警记录、趋势数据点）、PLC通讯服务、数据存储服务、报警处理服务等。这是系统的业务核心。

二、 核心功能模块详解

1. 与西门子PLC的通讯

通讯是系统的基石。我们采用西门子提供的S7.Net等开源库或西门子官方驱动，通过工业以太网（如Profinet）或 MPI/DP 与PLC建立连接。在服务层封装一个PlcCommunicationService，该服务负责：

- 周期性地从PLC的DB块、M区、I/O区读取数据（如传感器数值、设备状态）。
- 将上位机的控制指令（如伺服目标位置、手动I/O信号）写入PLC。
- 保持连接的心跳检测与断线重连机制，确保通讯可靠性。
该服务作为单例运行，并通过MVVM Light的IoC容器或依赖注入提供给需要的ViewModel使用。

2. 实时报警显示

报警管理模块持续监控从PLC读取的关键状态字和变量值。

• 报警触发：在AlarmService中定义报警规则（如上限、下限、跳变），当PLC数据满足条件时，触发报警。
• 实时显示：触发的报警立即通过Messenger发送到报警显示的ViewModel。该ViewModel将报警信息添加到ObservableCollection<Alarm>集合中，并绑定到WPF界面的DataGrid或列表控件，实现自动更新。
• 报警分级：支持不同级别（如警告、故障、紧急）的报警，并用不同颜色（如黄、橙、红）高亮显示。
• 确认与记录：操作员可对报警进行确认，所有报警历史（包括触发、确认、恢复时间）均被记录。

3. 趋势图展示

利用WPF强大的图形功能或第三方图表控件（如LiveCharts、OxyPlot）。

• 数据源：从PlcCommunicationService获取的实时数据流，或从历史数据库查询的数据。
• ViewModel绑定：趋势图ViewModel维护一个时间序列的数据点集合，并与图表控件绑定。
• 功能：支持多曲线同图展示、时间轴缩放、平移、关键数据点标记，并可将图表导出为图片或PDF。

4. 生产数据自动存储与数据处理服务

为确保数据不丢失并支持后续分析，系统设有独立的数据存储服务DataStorageService。

• 自动存储：该服务在后台定时或根据事件（如一个生产周期结束）将关键生产数据（如产量、质量参数、工艺变量）写入数据库（如SQL Server、MySQL）。
• 结构化存储：数据模型经过精心设计，便于按时间、设备、产品批次进行查询统计。
• 数据处理：存储服务还可包含简单的数据预处理逻辑，如滤波、统计计算（平均值、标准差）后再存储。

5. 伺服控制与手动I/O操作

这是系统与控制系统的交互接口。

• 伺服控制：提供专门的控制界面，输入目标位置、速度等参数。ViewModel接收指令后，通过PlcCommunicationService将设定值安全写入PLC对应的控制地址，由PLC完成闭环控制。
• 手动I/O操作：在调试或应急情况下，操作员可通过界面上的按钮、开关控件，直接强制置位/复位PLC的某个输出点或中间变量。这些操作指令同样通过通讯服务下发，且通常需要加入权限验证和操作确认对话框，防止误操作。

三、 数据处理与存储支持服务

这是一个贯穿所有模块的后台支撑服务。它可能包括：

- 统一数据总线：对来自PLC的原始数据进行解析、校准和格式转换，供其他模块消费。
- 缓存管理：对高频实时数据进行缓存，平衡数据库读写压力。
- 历史数据管理：定期归档和清理历史数据，提供高效的历史查询API。
- 日志服务：记录系统运行日志、用户操作日志，便于故障排查与审计。
该服务通常以Windows服务或后台线程的形式运行，确保系统主要功能的流畅性不受数据存取影响。

四、

本系统通过MVVM Light框架，构建了一个结构清晰、易于扩展和维护的WPF上位机应用。它成功整合了与西门子PLC的实时通讯、多维度数据可视化（报警、趋势）、可靠的数据持久化以及直接的控制干预能力。这种架构不仅提升了开发效率，其松耦合的特性也使得未来添加新功能（如连接其他品牌PLC、增加报表模块）或修改现有模块变得更为简便，具有良好的工业应用价值。