【实战】基于 ABP vNext 构建高可用 S7 协议采集平台(西门子 PLC 通信全流程)
🚀🔧【实战】基于 ABP vNext 构建高可用 S7 协议采集平台(西门子 PLC 通信全流程)📊
📑 目录
- 🚀🔧【实战】基于 ABP vNext 构建高可用 S7 协议采集平台(西门子 PLC 通信全流程)📊
- 一、背景与目标 🎯
- 二、系统架构与技术栈 🏗️
- 系统架构概览流程图 🏗️
- 三、配置系统设计 ⚙️
- 1. appsettings.json
- 2. 配置类
- 3. 热加载与 DI 注册(Program.cs)
- 四、线程安全通信连接池设计 🔒
- 连接池租借/归还流程图 🔒
- 五、后台采集 Worker 实现 🤖
- Worker 周期执行流程图 🤖
- 六、重试与熔断策略注入 🔄
- 重试与熔断策略流程图 🔄
- 七、健康检查与指标上报 📈
- 八、Docker 容器化部署建议 🐳
- Docker 多阶段构建流程图 🐳
- 九、总结与最佳实践清单 📝
- 十、参考资料 📚
一、背景与目标 🎯
在工业自动化项目中,西门子 S7 系列 PLC 广泛用于设备控制与数据采集。传统 OPC 通信方式配置繁琐、延迟高,难以胜任现代 IoT 场景。
目标:
- 构建跨平台、配置化的高可用通信平台;
- 实现多台 PLC 并发采集、统一缓存与错误容忍;
- 支持部署、监控、容器化与持续运行。
二、系统架构与技术栈 🏗️
系统架构概览流程图 🏗️
模块 | 技术选型 |
---|---|
框架 | ABP vNext (.NET 8) |
通信 | S7.NetPlus |
配置 | IOptionsSnapshot + reloadOnChange + 环境变量 |
重试 | Polly (Retry + CircuitBreaker) |
后台任务 | AbpBackgroundWorker |
健康检查 | ASP.NET Core HealthChecks |
日志 | Serilog + 结构化日志 |
容器部署 | Docker 多阶段构建 |
三、配置系统设计 ⚙️
1. appsettings.json
{"PlcOptions": {"IntervalSeconds": 5,"Devices": [{"DeviceId": "PLC-1","CpuType": "S7300","Ip": "192.168.1.100","Rack": 0,"Slot": 2,"Address": "DB1.DBW0"}]}
}
2. 配置类
public class PlcDeviceOptions
{public string DeviceId { get; set; } = null!;public string CpuType { get; set; } = "S7300";public string Ip { get; set; } = null!;public int Rack { get; set; }public int Slot { get; set; }public string Address { get; set; } = null!;
}public class PlcOptions
{public int IntervalSeconds { get; set; } = 5;public List<PlcDeviceOptions> Devices { get; set; } = new();
}
3. 热加载与 DI 注册(Program.cs)
var builder = WebApplication.CreateBuilder(args);// 配置源:JSON + 环境变量
builder.Configuration.AddJsonFile("appsettings.json", optional: false, reloadOnChange: true).AddEnvironmentVariables();// 注册配置
builder.Services.Configure<PlcOptions>(builder.Configuration.GetSection("PlcOptions"));// 注册核心服务
builder.Services.AddSingleton<PlcConnectionManager>();
builder.Services.AddPolicyRegistry().Add("PlcRetry",Policy.Handle<Exception>().RetryAsync(3, onRetry: (ex, cnt) =>builder.Logging.CreateLogger("Polly").LogWarning(ex, "第{Attempt}次重试失败", cnt)).CircuitBreakerAsync(handledEventsAllowedBeforeBreaking: 5,durationOfBreak: TimeSpan.FromSeconds(30),onBreak: (ex, ts) =>builder.Logging.CreateLogger("Polly").LogError(ex, "熔断开启,持续{Break}s", ts.TotalSeconds),onReset: () =>builder.Logging.CreateLogger("Polly").LogInformation("熔断恢复")));// 注册 ABP Worker 和 HealthChecks
builder.Services.AddBackgroundWorker<PlcPollingWorker>();
builder.Services.AddHealthChecks().AddCheck<PlcHealthCheck>("plc_check");var app = builder.Build();// 映射健康检查端点
app.MapHealthChecks("/health");// 优雅停机:释放连接池
app.Lifetime.ApplicationStopping.Register(async () =>
{await app.Services.GetRequiredService<PlcConnectionManager>().DisposeAsync();
});app.Run();
四、线程安全通信连接池设计 🔒
public class PlcConnectionManager : IAsyncDisposable
{// key → (信号量, 已打开的 Plc 实例)private readonly ConcurrentDictionary<string, (SemaphoreSlim Lock, Plc Plc)> _connections = new();/// <summary>/// 租借一个 PLC 实例(线程安全)/// </summary>public async Task<Plc> RentAsync(PlcDeviceOptions opt){var key = opt.DeviceId;var entry = _connections.GetOrAdd(key, _ =>{var plc = new Plc(Enum.Parse<CpuType>(opt.CpuType, ignoreCase: true),opt.Ip, opt.Rack, opt.Slot);try{plc.Open();}catch{// 打开失败,移除池中该项_connections.TryRemove(key, out _);throw;}return (new SemaphoreSlim(1, 1), plc);});// 等待获取信号量await entry.Lock.WaitAsync();return entry.Plc;}/// <summary>/// 归还租借的实例/// </summary>public void Return(string deviceId){if (_connections.TryGetValue(deviceId, out var entry)){entry.Lock.Release();}}/// <summary>/// 优雅释放所有资源/// </summary>public async ValueTask DisposeAsync(){foreach (var kv in _connections.Values){var sema = kv.Lock;await sema.WaitAsync(); // 确保没有并发占用kv.Plc.Close();sema.Release();sema.Dispose();}}/// <summary>/// 获取所有断线设备列表/// </summary>public IEnumerable<string> GetDisconnectedDevices() =>_connections.Where(kv => !kv.Value.Plc.IsConnected).Select(kv => kv.Key);
}
连接池租借/归还流程图 🔒
五、后台采集 Worker 实现 🤖
public class PlcPollingWorker : AsyncPeriodicBackgroundWorkerBase
{private readonly IOptionsSnapshot<PlcOptions> _options;private readonly PlcConnectionManager _connMgr;private readonly ILogger<PlcPollingWorker> _logger;private readonly IDistributedCache<string> _cache;private readonly AsyncPolicy _retry;public PlcPollingWorker(AbpTimer timer,IOptionsSnapshot<PlcOptions> options,PlcConnectionManager connMgr,IDistributedCache<string> cache,IPolicyRegistry<string> policyRegistry,ILogger<PlcPollingWorker> logger) : base(timer){_options = options;_connMgr = connMgr;_cache = cache;_retry = policyRegistry.Get<AsyncPolicy>("PlcRetry");_logger = logger;Timer.PeriodTimeSpan = TimeSpan.FromSeconds(_options.Value.IntervalSeconds);}protected override async Task DoWorkAsync(PeriodicBackgroundWorkerContext ctx){foreach (var dev in _options.Value.Devices){using var scope = _logger.BeginScope("Device:{DeviceId}", dev.DeviceId);Plc plc = null!;try{plc = await _connMgr.RentAsync(dev);// 异步执行阻塞调用var val = await _retry.ExecuteAsync(() =>Task.Run(() => (short)plc.Read(dev.Address)));await _cache.SetAsync($"Plc:{dev.DeviceId}:Value",val.ToString(),new DistributedCacheEntryOptions{SlidingExpiration = TimeSpan.FromSeconds(30)});_logger.LogInformation("{Device} OK - {Val}", dev.DeviceId, val);}catch (Exception ex){_logger.LogWarning(ex, "Device {DeviceId} 读取失败", dev.DeviceId);}finally{if (plc is not null){_connMgr.Return(dev.DeviceId);}}}}
}
Worker 周期执行流程图 🤖
六、重试与熔断策略注入 🔄
// 在 Program.cs 中已注册:
builder.Services.AddPolicyRegistry().Add("PlcRetry",Policy.Handle<Exception>().RetryAsync(3, onRetry: (ex, cnt) =>logger.LogWarning(ex, "第{Attempt}次重试失败", cnt)).CircuitBreakerAsync(handledEventsAllowedBeforeBreaking: 5,durationOfBreak: TimeSpan.FromSeconds(30),onBreak: (ex, ts) =>logger.LogError(ex, "熔断开启,持续{Break}s", ts.TotalSeconds),onReset: () =>logger.LogInformation("熔断已恢复")));
重试与熔断策略流程图 🔄
七、健康检查与指标上报 📈
public class PlcHealthCheck : IHealthCheck
{private readonly PlcConnectionManager _manager;public PlcHealthCheck(PlcConnectionManager manager) =>_manager = manager;public Task<HealthCheckResult> CheckHealthAsync(HealthCheckContext ctx,CancellationToken ct = default){var down = _manager.GetDisconnectedDevices().ToList();return Task.FromResult(down.Any()? HealthCheckResult.Unhealthy($"失联设备: {string.Join(", ", down)}"): HealthCheckResult.Healthy("所有 PLC 均连接正常"));}
}
- 已通过
app.MapHealthChecks("/health")
暴露 - 可集成 Prometheus/OpenTelemetry 暴露
/metrics
八、Docker 容器化部署建议 🐳
# 构建阶段
FROM mcr.microsoft.com/dotnet/sdk:8.0 AS build
WORKDIR /src
COPY . .
RUN dotnet publish -c Release -o /app# 运行阶段
FROM mcr.microsoft.com/dotnet/aspnet:8.0
WORKDIR /app
COPY --from=build /app ./# 安装健康探针依赖并清理
RUN apt-get update \&& apt-get install -y --no-install-recommends curl \&& rm -rf /var/lib/apt/lists/*HEALTHCHECK --interval=10s \CMD curl --fail http://localhost:5000/health || exit 1ENTRYPOINT ["dotnet", "S7Reader.HttpApi.Host.dll"]
Docker 多阶段构建流程图 🐳
九、总结与最佳实践清单 📝
分类 | 实践建议 |
---|---|
配置管理 | IOptionsSnapshot + reloadOnChange + 环境变量,实现热更新 |
DI 注册 | AddSingleton() AddBackgroundWorker() AddHealthChecks()/MapHealthChecks |
连接池设计 | 租借/归还模式 + 异常清理 IAsyncDisposable 优雅关闭 |
异步与容错 | Task.Run 封装阻塞调用 Polly Retry + CircuitBreaker 日志 onBreak/onReset |
后台调度 | ABP Worker 框架周期执行 外层全捕异常,保持服务持续运行 |
健康监控 | 精准检测每台设备状态 HealthChecks + Prometheus/OpenTelemetry |
容器部署 | Docker 多阶段构建 无冗余依赖镜像 标准 HEALTHCHECK |
优雅停机 | ApplicationStopping.ReleaseAsync → DisposeAsync |
日志可视化 | Serilog 结构化 + BeginScope “设备ID”上下文 |
十、参考资料 📚
- S7.NetPlus GitHub
- ABP vNext 官方文档
- Polly 异常处理库
- ASP.NET Core HealthChecks
- Serilog 结构化日志
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