Modbus TCP转CANopen协议转换网关实现西门子1200PLC与CAN协议的扭矩传感器通讯的配置案例

一、项目背景

某德系合资主机厂新建的新能源整车下线完检实验台，需要在60 s节拍内一次性完成驱动轴静态/动态扭矩、电机效率、驻车制动力等关键参数的自动检测与数据归档。现场测量层采用德国HBM T40B型CANopen协议扭矩传感器（量程2 kN·m，分辨率0.01 N·m），而主控层则沿用已批量应用的西门子S7-1200系列PLC（1215C AC/DC/Rly），其自带以太网口仅支持Modbus TCP服务器。由于两种协议帧格式、寻址机制完全不同，必须引入第三方网关做协议转换。经过现场EMC、温湿度、振动及实时性对比测试，最终选用远创智控YC-COP-TCP协议转换网关作为核心桥梁，实现CANopen从站→Modbus TCP服务器的数据透明传输。

二、关键技术痛点

1.协议异构：T40B输出符合DS-301/DS-402的CANopen报文，PLC只能解析Modbus TCP寄存器

2.实时要求：实验台需要在电机加速段（0→3 000 r/min，≤3 s）内每20 ms刷新一次扭矩值，传统RS-485/CAN转换器延迟高达100 ms，无法满足

3.数据完整性：扭矩峰值瞬态过冲是判定电机合格的核心指标，若出现帧丢失会造成误判

4.环境苛刻：台架振动4 g、油雾+金属粉尘混合，夏季壳体表面温度可达65 ℃，普通商用网关月均故障2～3次

5.维护窗口短：整车下线停线成本>5万元/小时，要求网关支持远程诊断与固件升级

三、YC-COP-TCP工业级协议转换网关特性

1.双核ARM+FPGA并行处理，双向转发延迟≤2 ms（250 kbit/s CANopen@1 000 Hz PDO）

2.工业级全铝壳体，-40~+85 ℃工作温度，IP30防护，抗10 g振动，通过CE/FCC/ISO 7637-2认证

3.支持最多64条TPDO/RPDO映射，单条PDO最大8 Byte，可直接映射扭矩、转速、温度等过程数据

4.集成120 Ω总线终端，可通过软件远程投切，节省现场接线

5.内置Web、SNMP、Syslog远程诊断，支持在线固件升级，MTBF≥10万小时

四、系统拓扑

HBM T40B（CANopen从站，Node-ID=3）→屏蔽双绞线 → YC-COP-TOP（CANopen主站）→Modbus TCP（192.168.1.10:502）→交换机 → S7-1215C（192.168.1.20，Modbus TCP客户端）。

CANopen侧波特率：250 kbit/s；周期同步PDO：每10 ms发送1帧6040h（控制字）+6041h（状态字）+6077h（实际扭矩）。

Modbus TCP侧映射：保持寄存器40001-40008对应8 Byte PDO，PLC以0x03功能码每20 ms批量读取一次。

五、实施步骤

1. 硬件安装

·将YC-COP-TCP协议转换网关卡轨安装于实验台电控柜右侧，远离3相75 kW变频器，间距>300 mm

·CAN_L、CAN_H采用0.75 mm²屏蔽双绞线，屏蔽层在传感器侧单端接地；网关侧拨码终端电阻ON

·24 VDC冗余供电，主电源取自UPS，备用电源取自稳压开关电源，确保意外断电仍可完成数据缓存

2. 软件配置

·通过USB-Type-C口连接PC，打开YC-Config V2.1.6，新建工程选择"CANopen Master ↔Modbus TCP Server"

·在"CANopen Master"标签下导入T40B.eds文件，自动创建0x6040/0x6041/0x6077三项PDO；设置发送周期10 ms，映射到0x1A00子索引1-3

·在"Modbus TCP"标签下，将0x1A00的8 Byte数据绑定到40001-40008，数据格式UINT16，字节顺序Big-Endian

·配置网关IP为192.168.1.10，掩码255.255.255.0，默认网关192.168.1.1，保存并下载，重启后SYS灯常绿、CAN灯闪烁

3. PLC编程

·在TIA Portal V18中，调用"MB_CLIENT"指令，设置ID=1，IP_ADDR=192.168.1.10，PORT=502，START_ADDR=40001，LENGTH=8，DATA_PTR指向DB1数组

·采用20 ms循环中断OB30触发"MB_CLIENT"的REQ位，保证采样频率50 Hz

·对扭矩值进行高低字拼接并换算：RealTorque = 40003×65536 + 40004，单位0.01 N·m

4. 联调与验证

·空载盘车：人工旋转驱动轴，PLC示值与T40B面板值误差<±0.02 N·m

·动态加载：启动电机至1 500 r/min，记录1000点扭矩曲线，网关转发延迟平均1.8 ms，最大2.1 ms，无丢帧

·连续72 h老化：台架循环运行正反转+冲击载荷，网关温度稳定在58 ℃，通讯无一次中断

六、应用效果

1.节拍提升：数据刷新率由80 ms缩短至20 ms，整车检测节拍从72 s压缩到58 s，产能提高24%

2.质量追溯：扭矩峰值的捕捉精度提升3倍，一次交检合格率由96.2%提升至99.5%，年减少返工费用约120万元

3.运维简化：通过Web远程监控CANopen报文计数、错误帧、PDO周期，故障定位时间由2小时缩短至15分钟；利用SNMP接入工厂NMS，实现集中预警

4.扩展便利：后续新增轴重传感器仅需在YC-Config中增加PDO映射，无需修改PLC程序，大幅缩短改造周期

七、行业推广价值

远创智控YC-COP-TCP工业智能网关以"微秒级转发+工业级防护+即插即用配置"的组合优势，为汽车检测、台架试验、动力电池充放电等高速数据采集场景提供了标准化、可复制、低风险的协议融合方案。其成功应用证明，在工业现场协议碎片化日益加剧的今天，通过高可靠网关实现"异构网络透明化"比盲目更换设备或深度定制软件开发更具经济性与时效性，为智能工厂降本增效提供了切实可行的技术路径。

审核编辑 黄宇