[C#/.NET] 基于.NET 8/10的工业PLC数据采集系统：WAL架构实现多协议零丢失高可靠

一个基于 .NET 开发的高性能、高可靠工业数据采集系统，专为 PLC（可编程逻辑控制器）场景设计。支持 .NET 8.0 和 .NET 10.0 两个 LTS 版本，采用 WAL-first（Write-Ahead Logging）架构，确保数据零丢失，并提供多 PLC 并行采集、条件触发、批量读取等高级功能。

核心特性

• WAL-first 架构：先写本地 Parquet 日志，再写入时序数据库，保障数据不丢
• 多 PLC 并行采集：支持 Modbus、Beckhoff ADS、汇川、三菱、西门子等主流协议
• 条件触发采集：支持边沿触发（Rising/Falling Edge）、值变化触发等智能模式
• 批量读取优化：减少网络往返，提升吞吐效率
• 配置热更新：JSON 配置 + 文件监听，无需重启服务
• 实时监控：内置 Prometheus 指标 + Vue3 可视化界面
• 双存储策略：InfluxDB（主存） + Parquet（本地 WAL）
• 自动重试机制：网络异常自动重连，失败数据由 RetryWorker 重传

系统架构

整体架构

PLC Device
     │
     ▼
Heartbeat Monitor Layer
     │
     ▼
Data Acquisition Layer (ChannelCollector)
     │
     ▼
Queue Service Layer (LocalQueueService)
     │
     ▼
Storage Layer → WAL (Parquet) → InfluxDB
     │                ▲
     └── RetryWorker ←┘ (失败重试)

核心数据流

1. 采集：PLC → ChannelCollector
2. 聚合：LocalQueueService 按 BatchSize 缓存
3. 持久化：立即写入 Parquet WAL 文件、同步写入 InfluxDB
4. 清理：两者成功 → 删除 WAL；任一失败 → 保留 WAL，由 RetryWorker 重试

项目结构

├── Application/      # 应用层（接口定义）
├── Domain/           # 领域模型（数据结构、事件）
├── Infrastructure/   # 基础设施（PLC 客户端、存储、指标）
├── Gateway/          # Web 网关（API + 配置 + 前端）
├── Simulator/        # PLC 模拟器（用于测试）

项目使用

环境要求

• .NET 8.0 或 .NET 10.0 SDK（LTS 版本）
• InfluxDB 2.x（可选，用于时序存储）
• 支持的 PLC（或使用内置模拟器）

版本建议

.NET 10.0：最新 LTS，支持至 2028 年（推荐新项目）
.NET 8.0：稳定 LTS，支持至 2026 年（推荐生产环境）

安装与运行

# 克隆项目

# 恢复依赖
dotnet restore

# 运行（默认框架）
dotnet run --project xx.Gateway

# 指定框架运行
dotnet run -f net10.0 --project xx.Gateway

使用 PLC 模拟器（无需真实设备）

# 启动模拟器（模拟三菱 PLC）
cd xx.Simulator
dotnet run

模拟器提供：

• 心跳寄存器（D100 自增）
• 7 个传感器指标（温度、压力、电流等）
• 条件触发测试（基于生产序号）
• 交互式命令（set/get/info）

配置说明

设备配置示例 (M01C123.json)

{
  "IsEnabled": true,
  "PLCCode": "PLC01",
  "Host": "192.168.1.100",
  "Port": 502,
  "Type": "Mitsubishi",
  "Channels": [
    {
      "Measurement": "temperature",
      "ChannelCode": "PLC01C01",
      "AcquisitionInterval": 100,
      "AcquisitionMode": "Conditional",
      "EnableBatchRead": true,
      "BatchReadRegister": "D200",
      "BatchReadLength": 20,
      "DataPoints": [
        {
          "FieldName": "temp_value",
          "Register": "D200",
          "Index": 0,
          "DataType": "short",
          "EvalExpression": "value * 0.1"
        }
      ],
      "ConditionalAcquisition": {
        "Register": "D210",
        "DataType": "short",
        "StartTriggerMode": "RisingEdge",
        "EndTriggerMode": "FallingEdge"
      }
    }
  ]
}

注意：RisingEdge / FallingEdge 指数值增减变化（非 0/1 跳变），适用于计数器、状态码等场景。

InfluxDB 映射规则

配置项	InfluxDB 结构	示例
Measurement	Measurement	sensor
PLCCode	Tag plc_code	M01C123
ChannelCode	Tag channel_code	M01C01
FieldName	Field	up_temp=250i
采集时间	Timestamp	1705312200000000000
条件周期 ID	Field cycle_id	"guid-xxx"

Line Protocol 示例：

sensor,plc_code=M01C123,channel_code=M01C01,event_type=Start up_temp=250i,cycle_id="..." 1705312200000000000

API 使用示例

# 获取 Prometheus 指标
curl http://localhost:8000/metrics

# 获取 JSON 格式指标
curl http://localhost:8000/api/metrics-data

# 查询 PLC 连接状态
curl http://localhost:8000/api/xx/GetPLCConnectionStatus

C# 写入示例

var request = new PLCWriteRequest {
    PLCCode = "M01C123",
    Items = new[] { new PLCWriteItem { Address = "D300", DataType = "short", Value = 100 } }
};
await httpClient.PostAsJsonAsync("/api/xx/WriteRegister", request);

核心模块说明

PLC 客户端支持

协议	实现类
三菱	MitsubishiPLCClientService
汇川	InovancePLCClientService
倍福 ADS	BeckhoffAdsPLCClientService
西门子	SiemensPLClientService

关键服务

• ChannelCollector：负责按通道采集数据，支持条件/持续模式
• InfluxDbDataStorageService：批量写入 InfluxDB，带错误回调与重试
• MetricsCollector：暴露采集延迟、队列深度、写入成功率等指标

数据处理流程

• 正常路径：采集 → 队列聚合 → WAL 写入 → InfluxDB 写入 → WAL 清理
• 异常路径：
  • 网络断开 → 心跳监控 + 自动重连
  • 存储失败 → WAL 保留 → ParquetRetryWorker 定期重试

性能建议

参数	推荐值	说明
BatchSize	10–50	平衡吞吐与延迟
AcquisitionInterval	100–500 ms	根据 PLC 负载调整
HeartbeatPollingInterval	5000 ms	连接健康检查频率

总结

这是一个面向工业自动化场景的高并发 PLC 数据采集系统，基于 .NET 8/10 开发，专为零丢失的数据采集需求设计。

系统采用 WAL-first（预写日志）架构，确保在任何异常情况下数据不丢失；支持多种主流 PLC 协议（如三菱、西门子、汇川、倍福 ADS、Modbus），并提供条件触发、批量读取、配置热更新等高级功能。通过双存储策略（InfluxDB + Parquet）与自动重试机制，系统在保障可靠性的同时兼顾性能与可运维性。内置 Prometheus 指标暴露与 Web 监控界面，便于集成到 DevOps 体系中。

整体采用分层模块化设计，具备良好的扩展性和维护性，适用于智能制造、能源监控、设备物联等工业物联网（IIoT）场景。如果你对如何用 .NET 构建类似的工业级系统架构感兴趣，欢迎到 云栈社区 交流探讨。