【S7-1200 CAN网络扩展指南】：多节点通信策略与实践


参考资源链接：[西门子S7-1200 CAN总线通信教程：从组态到编程详解](https://wenku.csdn.net/doc/5f5h0svh9g?spm=1055.2635.3001.10343)
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# 第一章：S7-1200 CAN网络基础介绍

在工业自动化领域，控制器局域网络（CAN）是一种广泛使用的可靠通信网络标准。本章旨在为读者提供对西门子S7-1200系列PLC中的CAN网络技术的初步了解。我们将简要探讨CAN网络的历史背景、特点以及如何在S7-1200 PLC中实现基础CAN通信。

## 1.1 CAN网络的历史与应用

CAN网络最初由德国博世公司为汽车应用设计，目的是减少布线的复杂性并提高系统可靠性。它后来演变为一种开放的标准（ISO 11898），适用于多种工业环境。在S7-1200 PLC中，CAN网络通过其集成的PROFINET和PROFIBUS接口进行通信，适用于实时控制和数据交换。

## 1.2 S7-1200中CAN网络的角色

S7-1200 PLC中的CAN网络使得多个设备能够通过双线制连接在一个物理网络上，这有助于降低布线成本和空间需求。它支持高达1 Mbps的通信速率，非常适合工业现场总线应用。此外，它还支持与其他智能设备和传感器的连接，从而实现模块化和分布式的控制解决方案。

请注意，我已按照您的要求构建了第一节内容，保持内容的连贯性和丰富性，并且遵循Markdown格式。如果需要更详细的内容或者特定的子章节，请提供更多的指示。

# 2. S7-1200 CAN网络通信理论

## 2.1 CAN网络通信原理

### 2.1.1 CAN协议标准概述

控制器局域网络（CAN）是一种被广泛采用的、健壮的车辆总线标准，旨在允许微控制器和设备交换信息而无需主机计算机。它是一种多主机通信协议，即网络上任何节点都可以发送消息，但这些消息不是发送给网络上的所有节点，而是特定的某个节点或节点组。

CAN协议定义了四种不同类型的帧：
- 数据帧：包含标识符、数据长度代码、数据和循环冗余校验。
- 远程帧：请求发送具有特定标识符的数据帧。
- 错误帧：任何检测到总线错误的单元发送，用于错误检测和纠正。
- 过载帧：用于在数据帧或远程帧后提供附加的延迟。

通信基于消息，而不是地址。每个消息携带一个标识符，用于确定消息的优先级和目的。CAN网络使用非破坏性的仲裁方法来确定哪个节点可以使用总线，这种方法被称为"消息优先级仲裁"。

### 2.1.2 数据帧与报文结构

数据帧携带实际的信息，这些信息以0和1的位形式排列在几个不同的部分中：

- 起始位：标识帧的开始。
- 标识符：标识消息内容，同时决定消息的优先级。
- 控制位：包含数据长度代码（DLC）。
- 数据字段：最多包含8个字节，载有实际信息。
- CRC序列和ACK：用于错误检测和确认收到信息。

CAN协议支持两种不同的帧格式：标准格式和扩展格式。标准格式的标识符为11位，而扩展格式为29位。

## 2.2 S7-1200 CAN网络配置

### 2.2.1 硬件配置步骤

设置S7-1200 PLC的CAN网络硬件需要以下步骤：

1. 确定所需的硬件组件：包括CAN收发器模块、终端电阻等。
2. 将CAN模块正确地安装在S7-1200 PLC上。
3. 连接终端电阻到CAN总线的两端以减少反射。
4. 使用合适类型的双绞线（如屏蔽双绞线）连接各个模块。

每个节点的CAN模块在物理层面上被设置为工作在相同的速度。通常情况下，这会被设置在1 Mbps以内的速率，但是实际速率取决于线路长度和节点数量。

### 2.2.2 软件配置方法

软件配置过程涉及以下步骤：

1. 使用TIA Portal软件创建一个新项目。
2. 添加S7-1200 PLC设备并配置其属性，包括网络设置。
3. 配置CAN模块及其参数，比如波特率和过滤器设置。
4. 设置要传输的消息内容及其优先级。
5. 编写或导入CANopen或类似协议的预定义对象字典。

在TIA Portal中，可以使用图形界面简化这些设置，并实时监控CAN网络状态和通信数据。

## 2.3 多节点通信设计原则

### 2.3.1 网络负载与性能优化

在设计一个包含多个节点的CAN网络时，考虑网络负载至关重要。太多的节点或大量数据传输可能导致网络拥堵，从而降低性能。以下是一些优化网络性能的策略：

- 确定合理的网络采样点。
- 设置正确的帧间隔。
- 采用合适的消息优先级分配策略。
- 限制每个节点的消息数量和数据长度。

实践中可能需要对网络进行测试，并调整参数以找到最佳的性能。

### 2.3.2 网络扩展的挑战与解决方案

随着系统的扩展，可能会遇到新的挑战，比如处理更多的数据，保持实时性，以及增加的网络复杂性。解决方案可能包括：

- 分布式网络架构，减少每个总线段的节点数量。
- 使用网桥或路由器来分隔不同的网络段。
- 在软件中实现更复杂的逻辑来管理和处理消息。

最终，设计时需要遵循最佳实践和设计原则来保证通信效率，从而确保整个系统的可靠性。

graph TD;
A[开始配置S7-1200 CAN网络] --> B[硬件连接]
B --> C[终端电阻连接]
C --> D[使用TIA Portal配置软件]
D --> E[设置CAN模块属性]
E --> F[设定消息参数和优先级]
F --> G[网络性能测试与调整]
G --> H[完成网络配置]

表格 1：CAN 网络配置步骤与注意事项

| 步骤 | 注意事项 |
| ---- | -------- |
| 确定硬件组件 | 保证模块兼容性和总线速度 |
| 安装CAN模块 | 确保物理连接正确和安全 |
| 终端电阻连接 | 减少信号反射和干扰 |
| TIA Portal 配置 | 使用最新的软件和固件 |
| CAN模块设置 | 遵循实际需求设置参数 |
| 消息参数配置 | 优化网络流量和响应时间 |
| 性能测试 | 调整参数以优化通信效率 |

以上表格和流程图展示了在配置S7-1200 CAN网络时的各个步骤以及每个步骤中需要注意的关键点。通过遵循这些步骤和注意点，可以有效地设置和优化CAN网络，确保网络通信的可靠性和效率。

# 3. S7-1200 CAN网络实践应用

## 3.1 单主多从通信模式实现

### 3.1.1 主节点编程要点

在单主多从通信模式中，主节点承担着网络中的管理与调度任务。其编程要点包括初始化网络配置，确定消息ID和优先级，以及管理从节点的接入与退出。

以S7-1200 PLC为例，在编程主节点时，首先需使用TIA Portal软件创建一个新项目，并插入S7-1200 PLC设备。在设备配置界面，选择“通信”标签页，并启用CAN通信接口。然后，通过“硬件配置”设置CAN通信的速率及过滤器参数，确保主节点能够正确地发送与接收消息。

主节点程序中，通常需要设置一个周期性的任务块（例如OB1），用于处理周期性数据交换。还需编写一个或多个服务块（例如SFBs），用于实现网络的初始化，以及在从节点请求时响应数据交换请求。在编写服务块时，特别要注意CAN ID的正确配置，因为ID是识别不同消息和处理请求的关键。

代码示例：

// 伪代码示例，用于初始化CAN通信和管理从节点接入
PROGRAM MAIN_NODE
VAR
networkInitialized : BOOL := FALSE;
slaveRequestPending : BOOL := FALSE;
END_VAR

IF NOT networkInitialized THEN
// 初始化CAN网络配置
CAN_Init();
networkInitialized := TRUE;
END_IF

IF slaveRequestPending THEN
// 处理从节点请求
Handle_Slave_Request();
slaveRequestPending := FALSE;
END_IF

// 其他周期性任务...
END_PROGRAM

// CAN初始化函数
FUNCTION CAN_Init : VOID
// 设置CAN速率，过滤器等...
END_FUNCTION

// 从节点请求处理函数
FUNCTION Handle_Slave_Request : VOID
// 接收从节点请求并响应...
END_FUNCTION

### 3.1.2 从节点响应机制

从节点在单主多从通信模式下，需要对主节点的请求做出及时响应。从节点在收到主节点的通信请求时，应首先通过硬件地址识别是否为自身的请求，然后执行相应的数据处理。

在编写从节点程序时，需要创建多个中断服务例程（ISRs），用于监听和响应主节点的消息。通常情况下，需要设置CAN接收中断，一旦检测到特定的CAN ID，便触发相应的中断服务例程，进行数据处理。

从节点还应具备一定的错误处理能力，如接收超时或数据错误等，从而保证通信的稳定性和可靠性。实际应用中，还需对消息进行确认（ACK）和非确认（NACK）处理，确保主节点可以准确判断从节点的响应状态。

代码示例：

// 从节点中断服务例程示例，用于响应主节点的请求
PROGRAM SLAVE_ISR
VAR_INPUT
canMessage : CAN_MESSAGE;
END_VAR

IF canMessage.ID = SLAVE_ADDRESS