★ 常正鹏，方倩，宋元好，黄敏，吕秀红，秦治国，程康（中广核数字科技有限公司，上海 201100）

关键词：风机控制器；CANopen；PLC；多节点组网环境

1   引言

工业自动化和智能化的发展推动了对高效、可靠的通信协议的需求。CANopen通讯协议是一种建立在控制器局域网络（Controller Area Network， CAN）之上的高层通讯协议，广泛应用于工业自动化和嵌入式系统中，特别是在需要实时性和可靠性的场合^[1]。

风力发电机组是一个复杂的系统，包括变流器系统、变桨系统、温度控制系统等多个子系统构成，这些子系统通过CANopen通讯协议与PLC主控连接，以此实现对各个子系统的控制和状态检测^[2]。

本文主要研究应用于风机控制器的CANopen多节点组网测试系统，它提供了一种高效、可靠的通信手段，主要的作用包括数据采集和监控、参数设置和调整、故障诊断和维护、网络化控制和协调、远程监控和控制、安全和保护功能等。

随着系统复杂性的增加，多节点组网逐渐成为风机控制系统的主要设计模式。在这种架构下，多台从站设备通过网络与主站控制器通信，共同完成复杂的控制任务。这一趋势对CANopen通信协议提出了更高的要求， 既要保证通信的实时性^[3,4]和可靠性，又要支持多设备的高效协同工作。通信性能不仅影响到控制指令的传递速度和精确性，还关系到系统的实时性和安全性^[5,6]。而风机领域下CANopen多节点组网下，网络规模从几个节点扩展到数十个甚至上百个节点，系统的行为变得复杂，在实时性、可靠性和互操作性都面临着挑战。之前工业界和学术界多集中于单一设备的协议一致性测试，而对于多节点构成的整个系统级也进行了设计和测试^[7] ，在风机控制器系统中多节点CANopen通信性能也是十分必要的， 这对于优化风机控制器网络的设计和运行具有重要意义。

2   总体设计

在工业通信系统实证研究体系中，测试环境的拓扑构建与方法学设计具有决定性作用。本研究基于IEC 61850-7标准构建了包含主控制器、CANopen主站、 CANopen总线分析仪（USBCAN）及风机控制系统硬件在环仿真测试平台的测试系统。总体设计架构图如图1所示。

图1 总体设计架构图

主控制器作为风机系统运行的核心，对总线任务的运行和数据处理有着至关重要的作用。主控制器主要调动CANopen运行任务，控制CANopen网络中心， 而CANopen网络中心控制器作为CANopen网络的主节点，主要有网络管理、节点配置、数据通信调度和错误处理的功能，实现工业控制上的CAN总线信号传输。

CANopen主站模块是与主控制器配套的产品，在此系统中主要作为主控制器与外界进行CANopen通信的物理链路。

风机控制系统硬件在环仿真测试平台是基于PLC提供的变桨/变流器的EDS /DC F文件，通过SimStation软件将仿真测试平台的CANopen实例化为Slave，并与PLC的CANopen Master端子建立通信连接。通过SimStation软件的变量自动监控界面，设置CANopen PDO中实例化的变量数值，并在PLC监控软件（WEST）中观察变量的变化情况。

USBCAN分析仪是实时采集和记录CAN总线上的数据的设备，通过它可以查看实时的通道利用率和分析历史数据，便于后期进行分析和诊断。

CAN open总线网络由一个主设备和多个从设备构成分布系统，每个节点设备通过不同的COB-ID为标识。系统中的主控制器和CANopen主站模块可在界面上对CANopen主站及从站进行配置，在风机控制系统硬件在环仿真测试平台配置相同的从站设备，通过CAN总线建立通信，同时引出1路连接至USBCAN分析仪，以便在整个通信过程中抓取数据进行分析。

2.1   硬件测试环境

本研究实验平台构建源于上海某公司风力发电机组控制系统的工程实践， 其测试系统架构如图2所示。本研究重点关注的部分是CAM702主站模块与硬件在环仿真系统的交互验证。

图2 测试环境拓扑关系图

通过仿真测试平台，可配置多节点虚拟从站，实现精确仿真，各节点参数配置严格遵循CiA 301/302协议规范。

2.2   测试基础文件

EDS文件是CANopen的标准配置文件，用来描述设备对象字典（Object Dictionary）、通信参数（如PDO/SDO映射）、设备功能等。具体EDS文件中部分数据为：

[DeviceInfo]

VendorName=Delta Electronics,INC.

VendorNumber=0x000001DD

ProductName=ASDA-B3 Drive

ProductNumber=0x00006000

RevisionNumber=0x02000001

OrderCode=0

BaudRate_10=0

BaudRate_20=0

BaudRate_50=0

BaudRate_125=1

BaudRate_250=1

BaudRate_500=1

BaudRate_800=0

BaudRate_1000=1

SimpleBootUpMaster=0

SimpleBootUpSlave=1

Granularity=8

DynamicChannelsSupported=0

GroupMessaging=0

NrOfRXPDO=4

NrOfTXPDO=4

LSS_Supported=0

通过PLC监控软件WEST可解析EDS文件， 自动生成设备参数配置，这份EDS文件是我们设备集成和网络配置的基础文件。

2.3   软件测试环境

基于2.1节的拓扑架构完成硬件环境部署后，系统可以进入软件协议栈配置阶段。软件环境主要包含两个部分：

（1）主控端PLC监控平台（WEST）

（2）仿真平台监测端（SimStation）

具体实施步骤为：

A.在WEST工程平台载入EDS文件（本文第2.2节）， 通过对象字典（Object Dictionary）配置引擎完成从站参数化。

B. 在SimStation环境构建虚拟从站集群（32节点），通过EDS配置文件实现参数同步映射。

具体参数配置包括：

• 节点ID分配（范围：0x01-0x20）

• 通信波特率（基准值：250kbps ±0 .1%）

• 心跳报文间隔（Heartbeat Producer=200ms）

• 保护时间参数（Guard Time=200ms，  Life Time Factor=2）

• PDO映射策略（过程数据对象(PDO)采用事件触发模式，传输类型）

• 紧急报文优先级（Cob-ID=0x80+NodeID）

表1列出了所有从节点的主要参数配置信息。

表1 从站节点参数配置

在系统组态及参数配置完成后，我们编写了自动化测试程序。通过程序自动写入主站=>从站的I/O映射数据，从站接收到主站发送的数据后，仿真平台将所接收到的数据再次作为从站=>主站的I/O映射数据，返回给主站。该程序的核心是通过标准化测试流程降低人工干预，确保通信系统的可靠性验证符合工业自动化协议规范；提升通信系统调试效率，为后期运维提供可追溯性数据支持。

2.4   系统功能实现

USBCAN分析仪通过一分二的总线连接在CAN总线链路，而PC端通过对应的软件可读取其捕获的报文，在界面上可以实时显示链路中上行、下行数据。而且可通过软件将捕获的报文实时保存在本地磁盘，在后期可对数据随时进行分析。而软件可以很便捷地观测到其连接链路上的通道利用率。

风机控制器中用户程序使用ST语言，支持结构化编程，相较梯形图等可以更清晰地编写程序结构，为减少人工干预，与主控制器配套的CANopen主站设备可以在用户程序中灵活调用I/O映射通道，设置任务循环执行，并规定循环周期，设置程序实时监视上行数据的值，对比下行数据是否一致， 一致后进行下一段任务循环，而选择的仿真平台支持CANopen的I/O映射通道直接绑定， 收到数据时实时传回风机控制器， 构成1个回路，实现数据的不断变化及循环传输。

在风机控制器上位机软件WEST端， 支持对变量数据进行跟踪记录，在Trace跟踪程序下，选择下行通道和相对应的上行通道，同时进行跟踪记录，可以直观地判断出每次数据往复的通信响应时间。

3   测试结果

基于所搭建的自动化测试系统平台，我们对多节点CANOPEN通信的测试结果如下。

3.1   总线通信效率分析结果

在相同组网环境（本文2.3节）下我们通过改变总线波特率，对CANopen通信的通道利用率和通信速率进行了测试，测试结果如表2所示。

表2 量化分析表

当波特率为1000kbps和800kbps时，通道利用率在30%~70%之间，是较理想状态，此时通信资源得到了合理利用，通信能够长期稳定运行；当波特率为500kbps时，通道利用率超过70%，已达到临界状态，此时基本能维持通信的正常运行，但长期稳定运行并不能保证；当波特率为250kbps时，通道利用率已超过90%，通信通道频繁使用， 接近饱和，导致消息排队和延迟的增加，系统实时性受到很大影响。

本测试的结果揭示了CANopen总线波特率配置与传输效能间的非线性耦合关系。通过量化分析发现通信速率与波特率呈弱相关，通道利用率与波特率呈反比例特性。

3.2   通信数据流分析结果

在高负载条件下，抽样观察节点通信数据，测试结果如图3和图4所示。

图3 节点10的I/O映射通道实时数据跟踪图

图3是节点10的I/O通道数据流进行量化对比分析，发现主从双向数据流呈现强线性相关性，从节点上行响应延迟τ=120ms±3.5ms（符合要求）。

图4 从节点25的I/O映射通道实时数据跟踪图

图4是节点25的I/O通道数据流进行量化对比分析，发现上行数据呈现离散阶梯特征，通过查看日志和报文发现存在两类异常： SDO超时错误和PDO报文丢失，丢包率达到12.3%。通过USBCAN分析仪可以发现，此时通道利用率已超过90%。

图3和图4中的测试结果揭示了CANopen网络拓扑规模与通信可靠性间的非线性关系。随着节点数的增多，系统呈现显著劣化特征。

4   结论

本研究基于多节点组网环境对CANopen通信协议进行系统性性能评估，发现在32节点组网环境下，能保障通信稳定性和可靠性的临界波特率为500kbps；当网络负载达到阈值时存在显著的数据帧丢失（丢包 率 > 3 . 2 % ） 及 间 歇 性 断 连 现 象 （平 均 故 障 间 隔<120min）。通过建立协议栈状态机模型与时间序列分析，揭示了该协议在多节点协同工作中的技术瓶颈：（1）数据完整性问题，即通信过程中存在大量不可恢复的数据丢失。

（2）极端负载条件下容易出现不可靠的通信中断现象。这些实验结果不仅量化了CANopen协议在高负载条件下的性能表现， 还为PLC控制系统的设计和优化提供了重要参考依据。

本研究成果不仅深入解析了工业现场总线协议的拓扑适应性边界，更系统评估了分布式控制系统在复杂工况下的鲁棒性指标。所测试的产品已成功应用于5.6MW级风力发电机组的控制系统， 使通信故障率降低42%。这些定量化研究结果为工业物联网架构的拓扑优化提供了新的方法论视角，特别是为高实时性要求的运动控制系统构建了可扩展的通信评估框架，为构建智能互联的工业生态系统提供了理论支撑。

作者简介：

常正鹏（1999-），男，山西临汾人，助理工程师，本科，现就职于中广核数字科技有限公司，研究方向为自动化工程应用。

方   倩（1997-），女，河北迁安人，助理工程师，硕士，现就职于中广核数字科技有限公司，研究方向为通信工程。

宋元好（1991-），男，江苏泰州人，工程师，本科，现就职于中广核数字科技有限公司，研究方向为自动化工程应用。

黄   敏（1998-），女，四川广汉人，中级工程师，本科，现就职于中广核数字科技有限公司，研究方向为自动化工程应用。

吕秀红（1977-），女，黑龙江鹤岗人，高级工程师，硕士，现就职于中广核数字科技有限公司，研究方向为核电仪控。

秦治国（1977-），男，内蒙古赤峰人，高级工程师，本科，现就职于中广核数字科技有限公司，研究方向为系统仿真。

程   康（1983-），男，湖南益阳人，正高级工程师，硕士，现就职于中广核数字科技有限公司，研究方向为计算机应用技术。

参考文献：

[1] 张纪亚. CANopen通讯的水下阀门电机控制设计与实现[J]. 化工管理, 2024, (27) : 108 - 112.

[2] 贺生鹏, 吴小田, 边晓光, 蒲晓珉, 周宏林. 智慧风电变流器CANopen通信开发[J]. 东方电气评论, 2021, 4 : 38 - 41 + 84.

[3] 戴国骏, 张翔, 高申勇. 基于实时性优化的CAN总线织机分布式控制系统[J]. 纺织学报, 2008, 29 (1) : 114 - 117.

[4] 黎善斌, 任旭东, 王智, 孙优贤. 基于网络控制系统的CAN实时性研究[J]. 化工自动化及仪表, 2003, 30 (4) : 1 - 6.

[5] 王俊波, 胥布工. 资源受限的网络控制系统调度[J]. 控制与决策, 2008, 23 (5) : 551 - 559.

[6] 王黎明, 夏立, 邵英, 等. CAN现场总线系统的设计与应用[M]. 北京: 电子工业出版社, 2008.

[7] 周映虹, 刘剑彬, 陈斌, 陈文威. 多节点CAN总线网络的通信设计与测试[J]. 环境技术, 2018, (3) : 78 - 81.

摘自《自动化博览》2026年9月刊