ProfiNet转CANopen协议转换网关实现西门子1200 PLC与多个CANopen水下仪表通讯的配置案例

一、项目背景

南海某油气平台需要对水下 220 m 管汇进行连续气体泄漏监测与工艺参数采集。平台主控系统采用西门子 S7-1215C PLC，通信接口为 Profinet；而水下仪表全部为 CANopen 协议，且数量超过 9 台。传统方案是在 PLC 机架内加装 CM CANopen 模块，但受限于海底长距离总线拓扑与防爆分区，一旦超过 8 个节点即出现报文碰撞、丢包率 >3 %，无法满足 100 ms 采样周期的工艺要求。为此，设计团队决定引入独立协议转换网关，将 Profinet 与 CANopen 解耦，实现“一网到底”的实时数据采集。

二、方案设计

1.拓扑结构
控制级：S7-1215C ←→ 远创智控 YC-PN-COP ←→ 水下接线盒 ←→ 9 台 CANopen 仪表
物理层：柜内采用超五类屏蔽双绞线，水下段采用 2.5 km 12 mm 铠装光电复合缆，网关与接线盒之间以 1×CAN_H、1×CAN_L、1×GND 三线传输，波特率 250 kbit/s。

2.网络参数
Profinet 侧：网关作为从站，设备名“YC-PN-COP工业级协议转换网关”，IP 192.168.0.10，更新周期 4 ms，I/O 各 1440 Byte。
CANopen 侧：网关作为主站，节点 ID 127，心跳 300 ms，同步窗口 100 ms，PDO 映射采用 8 Byte 固定长度。

3.冗余策略
网关双网口支持 MRP 环网，任意一点断开可在 200 ms 内自愈；CAN 段采用双主站监听模式，主网关故障时旁路继电器自动切换至备用网关。

三、实施过程（按 0 区防爆要求执行）

阶段 1 前期准备（平台停机前 1 天）
a) 在工程师站导入 YC-PN-COP工业级协议转换网关的 GSDML-V2.33 文件，拖放至 Profinet 网络，分配 64 Byte Input / 64 Byte Output 映射区。
b) 使用 CANopen Configuration Studio 导入各仪表 EDS：
  - 2-3000MK2 CO₂探头：索引 0x2000，子索引 0x01 浓度值（UInt16），0x02 温度补偿（Int16）。
  - 2-3010 CH₄传感器：索引 0x2100，子索引 0x01 浓度值（UInt16），0x02 报警状态（Byte）。
  - Kongsberg 16xx：索引 0x2200，子索引 0x01 水深（UInt32），0x02 温度（Int16）。
c) 规划 COB-ID：TPDO1 0x180+NodeID，RPDO1 0x200+NodeID，统一 100 ms 发送周期。

阶段 2 硬件安装（平台停机窗口 6 h）
a) 将 YC-PN-COP工业智能网关固定于 304 不锈钢 Ex d IIB T6 防爆箱，箱体内预留 20 % 散热空间，格兰头采用 M20×1.5 防爆黄铜镀镍。
b) 水下接线盒采用 SubConn MCBH-5-F 钛合金插座，插针对称镀金，O-Ring 选用全氟醚橡胶，耐 30 MPa 外压。
c) 铠装缆在甲板过渡箱内做 1 m 冗余圈，防止潮汐拉伸；CAN 屏蔽层单端接地，避免环流。

阶段 3 软件配置与调试（0.5 天）
a) 上电后通过 Web 界面确认网关固件为 V2.30，启用“边缘预处理”功能：
  - CO₂浓度 >1000 ppm 且持续 3 个周期，本地 DO 输出 1 触发声光报警；
  - CH₄浓度突变 >200 ppm/100 ms，立即发送 Emergency 报文，PLC 接收后启动氮气吹扫阀。
b) 在 TIA Portal 中激活“在线诊断”，观察 IOPS/IOCS 状态字，若出现 0x02 异常码，则自动调用 SFB54 记录事件。
c) 使用 PLCSIM Advanced 模拟 9 台仪表，持续 2 h 无丢包；随后连接真实探头，72 h 连续运行，延迟稳定在 35-50 ms，丢包率 0.08 %。

四、运行效果

改造前：CM CANopen 模块方案，平均延迟 220 ms，年维护 4 次，单次 ROV 出海费用 38 万元；
改造后：

·数据刷新周期 ≤ 100 ms，延迟降低 82 %；

·中控 HMI 可实时显示 9 台仪表的 27 个过程值，无需人工抄表；

·在一次 CO₂异常升高事件中，网关本地提前 2 s 触发报警，PLC 联锁关闭井口 SDV 阀，避免了一次潜在泄漏事故；

五、经验总结

1.协议转换网关必须置于安全区，采用增安或隔爆外壳，避免在 0 区带电开盖。

2.水下 CANopen 总线波特率不宜高于 250 kbit/s，否则长距离反射会导致波形畸变；如节点数 >16，建议拆分为两条总线并增加第二台 YC-PN-COP工业级协议转换网关。

3.利用网关的边缘计算能力，将高优先级报警本地化，可显著降低 PLC 扫描负荷与网络拥堵。

4.项目文档需同步交付 GSD、EDS、PDO 映射表及调试记录，方便后期扩容；本次平台后续再增加 6 台仪表，仅通过复制既有配置即完成，无需额外编程。

通过本案例，远创智控 YC-PN-COP级协议转换网关成功打通了西门子 Profinet 与水下 CANopen 仪表的通信壁垒，为海上油气平台提供了一套高实时、高可靠、易维护的数字化监测解决方案，也为后续边缘计算与云端诊断奠定了数据基础。

审核编辑 黄宇