工业自动化实战：基于 VisionPro 与 C# 的呆板视觉 PLC 集成方案

一、背景介绍

在智能制造范畴，呆板视觉检测与 PLC 控制的无缝集成是实现自动化生产线闭环控制的关键。本文将详细介绍如何使用 C# 开发上位机系统，实现 Cognex VisionPro 视觉系统与西门子 S7 PLC 的数据交互，打造高效、稳定的工业检测方案。
二、系统架构计划

1. 硬件组成

• 工业相机：Cognex DM 系列智能相机（分辨率 1280×1024，帧率 30FPS）
  
• 光源系统：环形 LED 光源（可调亮度，消除反光）
  
• PLC 控制器：西门子 S7-1200（CPU 1214C DC/DC/DC）
  
• 工控机：研华 IPC-610L（i7 处理器，8GB RAM，Windows 10 系统）
  

2. 软件架构

1. ┌───────────────────────────────────────────┐
2. │              上位机应用 (C#)               │
3. │  ┌───────────────┐  ┌───────────────────┐ │
4. │  │ VisionPro接口 │  │  PLC通信模块      │ │
5. │  │ (Cognex DLL)  │  │ (S7.NET库)        │ │
6. │  └───────────────┘  └───────────────────┘ │
7. └───────────────────┬───────────────────────┘
8.                     │
9. ┌───────────────────┼───────────────────────┐
10. │                   ▼                       │
11. │  ┌─────────────────────┐  ┌──────────────┐ │
12. │  │    VisionPro软件    │  │  PLC编程软件 │ │
13. │  │ (Cognex Designer)   │  │ (TIA Portal) │ │
14. │  └─────────────────────┘  └──────────────┘ │
15. └───────────────────┬───────────────────────┘
16.                     │
17. ┌───────────────────┼───────────────────────┐
18. │                   ▼                       │
19. │  ┌─────────────────────┐  ┌──────────────┐ │
20. │  │      工业相机       │  │    PLC硬件   │ │
21. │  └─────────────────────┘  └──────────────┘ │
22. └───────────────────────────────────────────┘

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三、VisionPro 项目开发

1. 创建检测使命

在 VisionPro Designer 中完成以下操作：

• 设置相机参数（曝光时间、增益、触发模式）
  
• 计划定位工具（PatMax 模式匹配）
  
• 添加测量工具（卡尺、边缘检测）
  
• 设置缺陷检测算法（Blob 分析、灰度对比）
  
• 导出 C# 代码模板
  

2. 关键代码分析

以下是 VisionPro C# 接口的焦点代码：

1. // 初始化VisionPro应用
2. private CogApplication cogApp;
3. private CogAcqFifoTool acqFifoTool;
4. private CogPMAlignTool pmAlignTool;
5. private CogBlobTool blobTool;
7. // 加载VPP项目文件
8. private void LoadVisionProProject(string projectPath)
9. {
10.     cogApp = new CogApplication();
11.     cogApp.LoadFromFile(projectPath);
12.    
13.     // 获取各工具引用
14.     acqFifoTool = cogApp.Tools["AcqFifoTool"] as CogAcqFifoTool;
15.     pmAlignTool = cogApp.Tools["PMAlignTool"] as CogPMAlignTool;
16.     blobTool = cogApp.Tools["BlobTool"] as CogBlobTool;
17. }
19. // 执行视觉检测
20. public VisionResult RunInspection()
21. {
22.     // 触发图像采集
23.     acqFifoTool.Run();
24.     CogImage8Grey image = acqFifoTool.OutputImage as CogImage8Grey;
25.    
26.     // 执行定位
27.     pmAlignTool.InputImage = image;
28.     pmAlignTool.Run();
29.    
30.     // 执行缺陷检测
31.     blobTool.InputImage = image;
32.     blobTool.Offset = pmAlignTool.Results.GetPose(0);
33.     blobTool.Run();
34.    
35.     // 返回检测结果
36.     return new VisionResult
37.     {
38.         IsPass = blobTool.Results.GetBlobs().Count == 0,
39.         DefectCount = blobTool.Results.GetBlobs().Count,
40.         InspectionTime = DateTime.Now
41.     };
42. }

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四、PLC 通信实现

1. 通信协议选择

接纳S7.NET库实现 C# 与 Siemens S7 PLC 的通信，支持以下协议：

• S7-200 SMART：S7.NET的 S7200SmartPlc 类
  
• S7-1200/1500：S7.NET的 S71200Plc 类
  
• 通信方式：TCP/IP（默认端口 102）
  

2. 焦点通信代码

1. using S7.Net;
3. public class PlcController : IDisposable
4. {
5.     private Plc plc;
6.    
7.     // 初始化PLC连接
8.     public bool Connect(string ipAddress, CpuType cpuType = CpuType.S71200)
9.     {
10.         try
11.         {
12.             plc = new Plc(cpuType, ipAddress, 0, 1);
13.             plc.Open();
14.             return plc.IsConnected;
15.         }
16.         catch (Exception ex)
17.         {
18.             Console.WriteLine($"PLC连接失败: {ex.Message}");
19.             return false;
20.         }
21.     }
22.    
23.     // 读取PLC数据
24.     public bool[] ReadInputBits(int startAddress, int count)
25.     {
26.         if (!plc.IsConnected) return null;
27.         
28.         try
29.         {
30.             var data = plc.DBRead(1, startAddress, VarType.Bit, count);
31.             return data.Cast<bool>().ToArray();
32.         }
33.         catch (Exception ex)
34.         {
35.             Console.WriteLine($"读取PLC数据失败: {ex.Message}");
36.             return null;
37.         }
38.     }
39.    
40.     // 写入PLC数据
41.     public bool WriteOutputBits(int startAddress, bool[] values)
42.     {
43.         if (!plc.IsConnected) return false;
44.         
45.         try
46.         {
47.             plc.DBWrite(1, startAddress, values);
48.             return true;
49.         }
50.         catch (Exception ex)
51.         {
52.             Console.WriteLine($"写入PLC数据失败: {ex.Message}");
53.             return false;
54.         }
55.     }
56.    
57.     // 释放资源
58.     public void Dispose()
59.     {
60.         plc?.Close();
61.         plc?.Dispose();
62.     }
63. }

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五、集成控制流程

1. 数据交互流程计划

  

1. sequenceDiagram
2.     participant C#上位机
3.     participant VisionPro
4.     participant PLC
5.    
6.     C#上位机->>PLC: 读取触发信号(DB1.DBX0.0)
7.     alt 触发信号为ON
8.         C#上位机->>VisionPro: 调用RunInspection()
9.         VisionPro->>VisionPro: 图像采集与处理
10.         VisionPro-->>C#上位机: 返回检测结果(OK/NG)
11.         C#上位机->>PLC: 写入结果数据(DB1.DBW2:OK数量, DB1.DBW4:NG数量)
12.         C#上位机->>PLC: 写入状态位(DB1.DBX0.1:处理完成)
13.     else 触发信号为OFF
14.         C#上位机->>C#上位机: 等待触发
15.     end

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2. 主控制逻辑

1. public class VisionSystem
2. {
3.     private readonly PlcController plcController;
4.     private readonly VisionProController visionProController;
5.     private Timer inspectionTimer;
6.    
7.     // 系统初始化
8.     public void Initialize(string plcIp, string visionProProjectPath)
9.     {
10.         // 初始化PLC控制器
11.         plcController = new PlcController();
12.         plcController.Connect(plcIp);
13.         
14.         // 初始化VisionPro控制器
15.         visionProController = new VisionProController();
16.         visionProController.LoadVisionProProject(visionProProjectPath);
17.         
18.         // 设置定时检查PLC触发信号
19.         inspectionTimer = new Timer(CheckTriggerSignal, null, 0, 100); // 每100ms检查一次
20.     }
21.    
22.     // 检查PLC触发信号
23.     private void CheckTriggerSignal(object state)
24.     {
25.         if (!plcController.IsConnected) return;
26.         
27.         // 读取PLC触发位(DB1.DBX0.0)
28.         var triggerBits = plcController.ReadInputBits(0, 1);
29.         if (triggerBits != null && triggerBits[0])
30.         {
31.             // 执行视觉检测
32.             var result = visionProController.RunInspection();
33.             
34.             // 写入检测结果到PLC
35.             plcController.WriteOutputBits(2, new bool[] { result.IsPass });  // DB1.DBX2.0:检测结果
36.             plcController.WriteOutputBits(3, new bool[] { false });         // DB1.DBX3.0:重置触发信号
37.         }
38.     }
39. }

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六、实战案例：电子元件外观检测

1. 项目需求

• 检测 PCB 板上的 IC 芯片是否存在引脚变形、缺件等缺陷
  
• 检测速度：≥10 件 / 秒
  
• 缺陷精度：≥0.1mm
  

2. 解决方案

• 硬件设置：Basler ace 相机 + 环形光源，Siemens S7-1200 PLC 控制流水线
  
• 软件实现：
  
  
  
  • VisionPro：使用 PatMax 定位芯片，Blob 分析检测引脚缺陷
    
  • C# 上位机：通过S7.NET与 PLC 通信，实现触发控制与结果反馈
    
  
  
• 性能指标：检测精确率 99.8%，单帧处理时间≤80ms
  

3. 界面计划

csharp

1. // 创建WPF界面显示检测结果
2. public partial class MainWindow : Window
3. {
4.     private VisionSystem visionSystem;
5.    
6.     public MainWindow()
7.     {
8.         InitializeComponent();
9.         visionSystem = new VisionSystem();
10.     }
11.    
12.     private void btnStart_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
13.     {
14.         // 启动系统
15.         visionSystem.Initialize(txtPlcIp.Text, txtVisionProPath.Text);
16.         lblStatus.Content = "系统运行中...";
17.     }
18.    
19.     // 实时更新检测结果显示
20.     private void UpdateResultDisplay(VisionResult result)
21.     {
22.         Dispatcher.Invoke(() =>
23.         {
24.             imgResult.Source = result.Image;
25.             lblResult.Content = result.IsPass ? "合格" : "不合格";
26.             lblDefectCount.Content = result.DefectCount.ToString();
27.         });
28.     }
29. }

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七、常见题目与解决方案

• 通信不稳定
  
  
  
  • 缘故原由：网络波动、PLC 程序辩说
    
  • 解决方案：增长心跳包机制，设置超时重连，优化 PLC 程序中的通信处理。
    
  
  
• 视觉检测误判
  
  
  
  • 缘故原由：光照变化、相机抖动
    
  • 解决方案：添加动态阈值算法，使用机械臂固定相机位置，增长光源稳定性。
    
  
  
• 系统相应耽误
  
  
  
  • 缘故原由：上位机性能不足、算法复杂度高
    
  • 解决方案：升级硬件设置，优化 VisionPro 算法（减少不必要的工具），接纳多线程处理。
    
  
  

八、总结与展望

本文详细介绍了基于 VisionPro 和 C# 实现呆板视觉与 PLC 集成的完备方案，包括系统架构计划、VisionPro 项目开发、PLC 通信实现及实际案例应用。通过这种集成方式，可明显进步工业生产线的自动化水平和检测精度。

将来趋势方面，结合深度学习的缺陷检测（如使用 YOLO 模子）和基于 OPC UA 的跨平台通信将成为主流，进一步提升智能制造的柔性化和智能化程度。

参考文献

• Cognex VisionPro 官方文档
  
• S7.NET开源库文档（GitHub - S7NetPlus/s7netplus: S7.NET+ -- A .NET library to connect to Siemens Step7 devices）
  
• 西门子 S7 PLC 通信协议规范
  

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