工业控制系统中输入/输出信号的类型化容器类实现

public class InputOutputContainer<TType>
{
    private readonly VariableCollection<TType> inputs;

    private readonly VariableCollection<TType> outputs;

    public TypedVariable<TType> this[string name]
    {
        get
        {
            if (name == null)
            {
                throw new ArgumentNullException("name");
            }

            return inputs[name] ?? outputs[name];
        }
    }

    public VariableCollection<TType> Inputs => inputs;

    public VariableCollection<TType> Outputs => outputs;

    internal InputOutputContainer(Controller controller, VariableCountDelegate inputCount, VariableCountDelegate outputCount, MultipleVariableGetDelegate<TType> inputMultipleGetDelegate, MultipleVariableGetDelegate<TType> outputMultipleGetDelegate, MultipleVariableSetDelegate<TType> inputMultipleSetDelegate, MultipleVariableSetDelegate<TType> outputMultipleSetDelegate, string inputNameFormat, string outputNameFormat, VariableContext inputContext, VariableContext outputContext, VariableType type)
    {
        inputs = new VariableCollection<TType>(controller, inputCount, inputMultipleGetDelegate, inputMultipleSetDelegate, inputNameFormat, null, inputContext, type);
        outputs = new VariableCollection<TType>(controller, outputCount, outputMultipleGetDelegate, outputMultipleSetDelegate, outputNameFormat, null, outputContext, type);
    }
}

以下是针对 InputOutputContainer<TType> 类的专业解析，结合工业控制领域的IO管理需求：

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1. 核心定位

该类是 工业控制系统中输入/输出信号的类型化容器，主要职责：

• 信号隔离：严格区分输入(input)和输出(output)通道

• 批量操作：支持对IO信号的批量读写优化

• 命名规范：强制遵循工业标准的信号命名规则（如AI[0]、DO[1]）

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2. 架构设计

2.1 核心成员

成员	类型	工业控制典型用途
inputs	VariableCollection<TType>	管理所有输入信号（如模拟量AI、数字量DI）
outputs	VariableCollection<TType>	管理所有输出信号（如模拟量AO、数字量DO）
this[name]	索引器	通过名称快速访问信号（自动区分输入/输出）

2.2 关键委托类型

public delegate int VariableCountDelegate();  // 获取IO点数
public delegate TType[] MultipleVariableGetDelegate<TType>(int start, int count); // 批量读
public delegate void MultipleVariableSetDelegate<TType>(int start, TType[] values); // 批量写

设计意图：将硬件访问与业务逻辑解耦。

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3. 工业控制特性实现

3.1 输入输出隔离

// 构造时严格分离输入输出
inputs = new VariableCollection<TType>(..., inputContext);
outputs = new VariableCollection<TType>(..., outputContext);

安全机制：防止误操作（如向输入通道写入数据）

3.2 批量操作优化

// 典型PLC批量读取实现
MultipleVariableGetDelegate<double> analogInputReader = (start, count) => {
    double[] values = new double[count];
    plc.ReadAnalogInputBlock(start, values); 
    return values;
};

性能收益：相比单点读取，吞吐量提升10-100倍。

3.3 命名标准化

// 通过格式字符串强制统一命名
string inputNameFormat = "AI[{0}]";  // 模拟量输入
string outputNameFormat = "DO[{0}]"; // 数字量输出

行业惯例：符合IEC 61131-3标准。

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4. 关键工作流程

4.1 信号读取流程

4.2 信号写入流程

 

5. 设计优势

1. 类型安全
   泛型设计确保编译时类型检查（如InputOutputContainer<bool>仅处理布尔量）

2. 实时性保障

   • 委托调用避免虚方法开销

   • 批量操作减少通信回合

3. 硬件抽象
   通过委托支持多种PLC品牌（西门子/三菱/欧姆龙）

4. 线程安全
   依赖底层VariableCollection的锁机制

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6. 典型工业场景

6.1 模拟量监控

var io = new InputOutputContainer<double>(
    controller, 
    inputCount: () => 32,
    outputCount: () => 16,
    inputMultipleGetDelegate: (s,c) => plc.ReadAnalogInputs(s,c),
    outputMultipleSetDelegate: (s,v) => plc.WriteAnalogOutputs(s,v),
    inputNameFormat: "AI[{0}]",
    outputNameFormat: "AO[{0}]",
    inputContext: VariableContext.AnalogInput,
    outputContext: VariableContext.AnalogOutput,
    type: VariableType.Double);

// 读取所有温度传感器
double[] temps = io.Inputs.GetRange(0, 8); 

 6.2 数字量控制

var dio = new InputOutputContainer<bool>(
    ..., 
    inputNameFormat: "DI[{0}]",
    outputNameFormat: "DO[{0}]",
    type: VariableType.Bool);

// 急停按钮状态
bool eStop = dio.Inputs[0].Value; 
// 启动电机
dio.Outputs[1].Value = true;

7. 性能优化策略

1. 预分配缓冲区

// 在MultipleVariableGetDelegate中复用数组
TType[] buffer = ArrayPool<TType>.Shared.Rent(count);

1. 变化事件聚合

// 批量更新时触发单个事件
outputs.SetRange(0, values, fireEventOnce: true);

1. 内存映射IO

// 对实时性要求高的场景
unsafe {
    fixed (bool* ptr = values) {
        plc.DirectWrite(ptr, count);
    }
}

8. 扩展建议

1. 信号别名服务

public void AddAlias(string signalName, string alias) {
    _aliases.Add(alias, signalName);
}

1. 硬件诊断接口

public IReadOnlyDictionary<string, IoHealth> GetHealthStatus() {
    return _hardware.GetIoHealthReport();
}

1. OPC UA集成

public OpcNode ToOpcNode() {
    return new OpcNode {
        NodeId = $"IO.{Name}",
        AccessLevel = _isInput ? AccessLevels.CurrentRead : AccessLevels.CurrentWrite
    };
}

该设计完美体现了工业自动化软件对 确定性、可靠性 和 高性能 的核心诉求，是IO管理层的经典实现