工業自動化實戰：基于 VisionPro 與 C# 的機器視覺 PLC 集成方案

一、背景介紹

在智能制造領域，機器視覺檢測與 PLC 控制的無縫集成是實現自動化生產線閉環控制的關鍵。本文將詳細介紹如何使用 C# 開發上位機系統，實現 Cognex VisionPro 視覺系統與西門子 S7 PLC 的數據交互，打造高效、穩定的工業檢測方案。

二、系統架構設計

1. 硬件組成

工業相機：Cognex DM 系列智能相機（分辨率 1280×1024，幀率 30FPS）
光源系統：環形 LED 光源（可調亮度，消除反光）
PLC 控制器：西門子 S7-1200（CPU 1214C DC/DC/DC）
工控機：研華 IPC-610L（i7 處理器，8GB RAM，Windows 10 系統）

2. 軟件架構

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│              上位機應用 (C#)               │
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│  │ VisionPro接口 │  │  PLC通信模塊      │ │
│  │ (Cognex DLL)  │  │ (S7.NET庫)        │ │
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└───────────────────┬───────────────────────┘│
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│  │    VisionPro軟件    │  │  PLC編程軟件 │ │
│  │ (Cognex Designer)   │  │ (TIA Portal) │ │
│  └─────────────────────┘  └──────────────┘ │
└───────────────────┬───────────────────────┘│
┌───────────────────┼───────────────────────┐
│                   ▼                       │
│  ┌─────────────────────┐  ┌──────────────┐ │
│  │      工業相機       │  │    PLC硬件   │ │
│  └─────────────────────┘  └──────────────┘ │
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三、VisionPro 項目開發

1. 創建檢測任務

在 VisionPro Designer 中完成以下操作：

配置相機參數（曝光時間、增益、觸發模式）
設計定位工具（PatMax 模式匹配）
添加測量工具（卡尺、邊緣檢測）
設置缺陷檢測算法（Blob 分析、灰度對比）
導出 C# 代碼模板

2. 關鍵代碼分析

以下是 VisionPro C# 接口的核心代碼：

// 初始化VisionPro應用
private CogApplication cogApp;
private CogAcqFifoTool acqFifoTool;
private CogPMAlignTool pmAlignTool;
private CogBlobTool blobTool;// 加載VPP項目文件
private void LoadVisionProProject(string projectPath)
{cogApp = new CogApplication();cogApp.LoadFromFile(projectPath);// 獲取各工具引用acqFifoTool = cogApp.Tools["AcqFifoTool"] as CogAcqFifoTool;pmAlignTool = cogApp.Tools["PMAlignTool"] as CogPMAlignTool;blobTool = cogApp.Tools["BlobTool"] as CogBlobTool;
}// 執行視覺檢測
public VisionResult RunInspection()
{// 觸發圖像采集acqFifoTool.Run();CogImage8Grey image = acqFifoTool.OutputImage as CogImage8Grey;// 執行定位pmAlignTool.InputImage = image;pmAlignTool.Run();// 執行缺陷檢測blobTool.InputImage = image;blobTool.Offset = pmAlignTool.Results.GetPose(0);blobTool.Run();// 返回檢測結果return new VisionResult{IsPass = blobTool.Results.GetBlobs().Count == 0,DefectCount = blobTool.Results.GetBlobs().Count,InspectionTime = DateTime.Now};
}

四、PLC 通信實現

1. 通信協議選擇

采用S7.NET庫實現 C# 與 Siemens S7 PLC 的通信，支持以下協議：

S7-200 SMART：S7.NET的 S7200SmartPlc 類
S7-1200/1500：S7.NET的 S71200Plc 類
通信方式：TCP/IP（默認端口 102）

2. 核心通信代碼

using S7.Net;public class PlcController : IDisposable
{private Plc plc;// 初始化PLC連接public bool Connect(string ipAddress, CpuType cpuType = CpuType.S71200){try{plc = new Plc(cpuType, ipAddress, 0, 1);plc.Open();return plc.IsConnected;}catch (Exception ex){Console.WriteLine($"PLC連接失敗: {ex.Message}");return false;}}// 讀取PLC數據public bool[] ReadInputBits(int startAddress, int count){if (!plc.IsConnected) return null;try{var data = plc.DBRead(1, startAddress, VarType.Bit, count);return data.Cast<bool>().ToArray();}catch (Exception ex){Console.WriteLine($"讀取PLC數據失敗: {ex.Message}");return null;}}// 寫入PLC數據public bool WriteOutputBits(int startAddress, bool[] values){if (!plc.IsConnected) return false;try{plc.DBWrite(1, startAddress, values);return true;}catch (Exception ex){Console.WriteLine($"寫入PLC數據失敗: {ex.Message}");return false;}}// 釋放資源public void Dispose(){plc?.Close();plc?.Dispose();}
}

五、集成控制流程

1. 數據交互流程設計

sequenceDiagramparticipant C#上位機participant VisionProparticipant PLCC#上位機->>PLC: 讀取觸發信號(DB1.DBX0.0)alt 觸發信號為ONC#上位機->>VisionPro: 調用RunInspection()VisionPro->>VisionPro: 圖像采集與處理VisionPro-->>C#上位機: 返回檢測結果(OK/NG)C#上位機->>PLC: 寫入結果數據(DB1.DBW2:OK數量, DB1.DBW4:NG數量)C#上位機->>PLC: 寫入狀態位(DB1.DBX0.1:處理完成)else 觸發信號為OFFC#上位機->>C#上位機: 等待觸發end

2. 主控制邏輯

public class VisionSystem
{private readonly PlcController plcController;private readonly VisionProController visionProController;private Timer inspectionTimer;// 系統初始化public void Initialize(string plcIp, string visionProProjectPath){// 初始化PLC控制器plcController = new PlcController();plcController.Connect(plcIp);// 初始化VisionPro控制器visionProController = new VisionProController();visionProController.LoadVisionProProject(visionProProjectPath);// 設置定時檢查PLC觸發信號inspectionTimer = new Timer(CheckTriggerSignal, null, 0, 100); // 每100ms檢查一次}// 檢查PLC觸發信號private void CheckTriggerSignal(object state){if (!plcController.IsConnected) return;// 讀取PLC觸發位(DB1.DBX0.0)var triggerBits = plcController.ReadInputBits(0, 1);if (triggerBits != null && triggerBits[0]){// 執行視覺檢測var result = visionProController.RunInspection();// 寫入檢測結果到PLCplcController.WriteOutputBits(2, new bool[] { result.IsPass });  // DB1.DBX2.0:檢測結果plcController.WriteOutputBits(3, new bool[] { false });         // DB1.DBX3.0:重置觸發信號}}
}

六、實戰案例：電子元件外觀檢測

1. 項目需求

檢測 PCB 板上的 IC 芯片是否存在引腳變形、缺件等缺陷
檢測速度：≥10 件 / 秒
缺陷精度：≥0.1mm

2. 解決方案

硬件配置：Basler ace 相機 + 環形光源，Siemens S7-1200 PLC 控制流水線
軟件實現：
- VisionPro：使用 PatMax 定位芯片，Blob 分析檢測引腳缺陷
- C# 上位機：通過S7.NET與 PLC 通信，實現觸發控制與結果反饋
性能指標：檢測準確率 99.8%，單幀處理時間≤80ms

3. 界面設計

csharp

// 創建WPF界面顯示檢測結果
public partial class MainWindow : Window
{private VisionSystem visionSystem;public MainWindow(){InitializeComponent();visionSystem = new VisionSystem();}private void btnStart_Click(object sender, RoutedEventArgs e){// 啟動系統visionSystem.Initialize(txtPlcIp.Text, txtVisionProPath.Text);lblStatus.Content = "系統運行中...";}// 實時更新檢測結果顯示private void UpdateResultDisplay(VisionResult result){Dispatcher.Invoke(() =>{imgResult.Source = result.Image;lblResult.Content = result.IsPass ? "合格" : "不合格";lblDefectCount.Content = result.DefectCount.ToString();});}
}