摘 要： 西门子公司的MPI网络技术采用全局数据通信模式，可实现PLC间的少量数据交换。由于不需要额外的硬件和软件，结构简单，成本低。介绍了MPI网络技术及全局数据通信的原理，基于该技术构建了冷冻水供水自动控制系统的网络结构，给出了该系统的组成及网络组态方法。该系统目前已投入使用，运行稳定、可靠。 

    关键词： MPI网络； 全局数据通信； 可编程控制器； 组态王； 自动控制系统

    随着科学技术的发展，电气控制技术在各个领域已得到越来越广泛的应用。可编程控制器(PLC)作为一项新技术正快速地改变着电气控制技术的面貌，在工业控制领域得到了十分广泛的应用^[1]。随着工艺水平和控制要求的不断提高，当单独的PLC不能满足要求时，PLC之间的组网、通信也就随之产生和发展^[2]。世界上众多的生产工业自动化控制产品的公司都有自己的现场网络总线技术,例如法国施耐德公司的MODBUS或MODBUS PLUS网络,美国AB公司的DH+或DH -485网络,德国SIEMENS公司的PROFIBUS网络等,这些工业网络大部分需要各公司专门的通信模块来组成网络硬件,在工业自动化项目中增加了硬件的开销。但许多项目对控制系统要求并不是很高,在各现场控制站之间交换数据不多的情况下,选取一种比较廉价但又能满足控制系统要求的现场总线通信网络更符合我国企业项目资金较少的国情。德国SIEMENS公司的多点接口MPI(MultiPoint Interferce)网络技术便可满足这一要求^[3]。 

1 MPI网络技术 

    西门子公司的S7系列PLC可以通过CPU模块上的MPI接口组成MPI网络,通过它实现全局数据通信,在PLC之间进行少量数据交换。通过全局数据通信,一个CPU可以访问另一个CPU的数据块、存储位和过程映像等。通过MPI网络的全局数据通信不需要额外的硬件和软件,结构简单,端口管理与布线容易,装置连接成本低。 

1.1 MPI网络 

    MPI的物理层符合RS-485标准,S7系列PLC的CPU模块集成了MPI通信协议,PLC通过MPI接口能同时连接运行STEP 7的编程器、计算机、人机界面(HMI)及其他西门子公司的PLC。接入MPI网络的设备均称作节点, S7系列PLC的MPI网络节点数量的最大值为32个。MPI网络有一个网号,在组建MPI网络之前,要为每一个节点分配1个MPI地址和1个最高MPI地址,使所有通过MPI连接的节点能够相互通信。STEP 7的用户界面提供了通信组态功能,使得通信的组态比较简单。 

    分配MPI地址的原则是:一个网络中,各节点要设置相同的网络号;各节点MPI地址不能重复;为提高MPI网络节点通信速度,最高MPI地址应当较小。编程设备、人机接口和CPU缺省的MPI地址分别为0、1、2。在连接MPI网络时,第一个节点和最后一个节点要接入通信终端匹配电阻。西门子LAN插头上已集成有终端电阻,将拨动开关置于“ON”即可。在将一个新的站点接入MPI网络之前,必须关掉电源,否则会造成正在通信数据包的丢失。连接MPI网络常用两种部件:RS-485总线连接器和RS-485中继器。总线连接器是MPI网络连接节点的MPI口和网络电缆的连接器,分两种,一种带有PG(编程器)接口,一种没有PG接口。S7系列PLC的MPI接口最大传输速率为187.5 Kb/s,MPI网络两相邻节点间的最长传输距离为50 m,加中继器后为1 000 m,但两个节点间不应再有其他节点。若采用光纤,网络最长可达到2 318 km。 

    通过MPI接口,CPU可以自动广播其总线参数组态(例如波特率),然后CPU可以自动检索正确的参数,并连接至一个MPI子网。 

1.2  全局数据通信 

1.2.1 全局数据通信原理 

    全局数据(GD)通信方式是以MPI网络为基础,为循环地传输少量的数据而设计的。全局数据通信方式仅限于同一MPI网S7系列PLC的CPU,通过MPI接口在CPU间循环交换数据。全局数据块是MPI网上2个或多个CPU共享的数据,分别定义在发送方和接收方CPU的存储器中,定义在发送方的数据块为发送GD块,定义在接收方的数据块为接收GD块。发送方CPU按照设定的扫描速率自动地周期性地将指定地址中的数据发送到接收方指定的地址区中,接收方CPU定期接收数据。GD块为发送方和接收方的存储器建立了映射关系。 

    MPI网络中各CPU间需要交换的数据存放的地址区和通信速率用STEP 7中的全局数据表进行组态,通信是自动实现的,不需要用户编程。 

1.2.2 全局数据环及全局数据包 

    在一个S7系列 PLC组成的MPI网络中,参与全局数据包交换的CPU构成全局数据环,同一个GD环中的CPU可以向环中的其他CPU发送或接收数据。在一个MPI网络中,每个CPU最多只能参与4或8个(与CPU的型号有关)不同的GD环。一个全局数据环路有以下两种方式:(1) 2个以上CPU组成一个全局数据环，1个CPU作为数据发送方,其他所有CPU作为数据接收方;(2)2个CPU组成一个GD环，每个CPU既能作为数据包发送方,又能作为接收方。 

    全局数据可由位、字节、字、双字和相关区(数组)组成。具有相同的发送者和接收者的全局数据集合成一个全局数据包，一个全局数据包由一个或几个GD组成,一个数据区占用的空间为数据区内的字节数加上2个头部说明字节。一个单独的双字占6 B,一个单独的字占4 B,一个单独的字节占3 B,一个单独的位也占3 B。CPU每次可以发送和接收的GD包的个数与CPU的型号有关 ^[3～5]。 

2 系统结构 

    本文基于MPI网络技术设计了一汽公司技术中心发动机实验室的冷冻水供水自动控制系统，实现对设备的远程状态监视和全自动控制，保证恒温、恒压供水。整个控制系统采用集散控制系统的结构，由中央控制计算机、可编程控制器、触摸屏、通信网络等构成，该结构具有较高的可靠性及可维护性。系统结构如图1所示。 

    下层需监控的设备包括冷水机组CW3901台、CW840 2台、变频器2台、一次定频水泵(15 kW)5台、二次变频水泵(22 kW)4台、冷却水泵2台、全程水处理仪1台、定压机组1台、电动蝶阀门18个。需实时显示的参数有：供水及回水温度、供水及回水压力、供水流量、冷却水循环子系统出水及回水温度、二次变频水泵及冷却水泵工作频率，以上参数由相应的传感器及变频器反馈提供。 

    中央控制计算机（上位机）协调整个控制系统正常运转，完成系统运行状况的监测、下位机工作参数的设定与修改、系统自动控制等功能。下层PLC模块（下位机）共4台，在中央控制计算机的协调下工作，从而使冷冻水出水温度及压力在规定的范围内变化。其中，3台冷水机组均自带PLC模块，自动控制冷水机组的运行；系统综合控制柜中的PLC模块通过与中央控制计算机通信实现各参数的实时采集及下层设备的控制，同时还要与3台冷水机组的PLC模块进行通信，读取机组运行参数，并根据系统要求对机组进行控制。触摸屏为用户提供手动操作界面。选用MPI网络构建整个系统。 

3 远程监控软件的设计 

    中央控制计算机是整个控制系统的核心，通过运行所设计的远程监控软件实现对供水自动控制系统的远程状态监视和自动控制，其功能主要包括：(1)监视现场设备的工作状态；(2)冷冻水集中供水的自动控制；(3)设备的手动操作与运行参数的设定；(4)运行参数、变化曲线的实时显示及历史数据记录、查询；(5)故障报警。远程监控软件主要由系统工艺总体界面、手动操作控制界面、自动参数设定界面、历史趋势记录界面、报警汇总记录界面等5个部分组成。各界面间通过按钮可自由切换。 

    远程监控软件采用组态软件“组态王”开发。“组态王”是北京亚控公司生产的一款全中文组态软件，编程简单、使用方便、功能强大，具有较高的性价比。组态王把那些需要与之交换数据的设备或程序都作为外部设备（即下位机）。外部设备包括：PLC、仪表、板卡等，它们一般通过串行口和上位机交流数据。只有在定义了外部设备之后，组态王才能通过I/O变量与它们交换数据。选用计算机的COM1经MPI电缆与下层进行通信，该电缆带有RS232/485转换器，可实现RS232与RS485标准的转换。通信速率为19.2 Kb/s，数据格式为8n1。 

4 MPI网络组态及PLC通信程序设计 

4.1 MPI网络组态 

    在MPI网络组态前,要先完成各台PLC的MPI接口组态,设置PLC的MPI地址,使所有通过MPI连接的节点能够相互通信。MPI接口组态在STEP 7中通过硬件组态来完成。如图1所示，中央控制计算机在网络中的地址为0，它除了承担控制整个系统自动运行等任务外，在设计调试期间还作为编程设备，当网络系统发生变化时，也可对MPI网络重新进行配置；人机界面的地址为1，系统综合控制柜PLC地址为2，三台冷水机组控制PLC地址分别为3、4、5。MPI网络的组态在STEP 7中来完成,主要包括设置最高MPI地址、通信速率等参数。在本系统的MPI网络中，为提高通信速度，设定的最高地址为15，通信速率设定为19.2 Kb/s。 

4.2 PLC通信程序设计 

    S7系列的PLC提供了网络读写指令，通过网络读写指令，程序设计人员不必了解全局数据通信的原理和GD表的生成方法就可完成PLC间的数据通信。网络读指令NETR(Network Read)的作用为初始化通信操作，通过通信端口接收远程设备的数据并保存在表(TBL)中。网络写指令NETW的作用为初始化通信操作，通过指定的端口向远程设备写入表(TBL)中的数据^[6]。TBL表的参数定义如表1所示。 

    STEP 7编程软件提供了网络读写指令向导来帮助用户生成网络读写程序。在本系统中，系统综合控制柜PLC需要与三台冷水机组分别通信，读取每台机组压缩机能调阀状态及压缩机油位开关、高压开关、低压开关故障、排气压力传感器、出水温度传感器、吸气压力传感器、机组运行状态等14个开关量的状态，三通阀的开度，启动倒计时等2个参数的数值；并需要对每台机组开/停机温度、能调/出水温度、吸气/排气压力、系统及旁通阀开度等10个参数进行设定，远程/本地选择、开机及复位按钮等3个开关进行控制。具体的网络读指令的配置画面如图2所示，网络写指令与网络读指令设置方法类似。 

    采用MPI构成网络，不再需要通信单元模块，降低了网络设计成本。西门子的全局数据通信模式为MPI网络中的节点交换少量数据提供了简便可靠的通信方法，用户不用了解其内在的复杂协议。基于MPI网络技术开发的冷冻水供水自动控制系统，已应用于一汽公司发动机实验室，实现了供水的全自动控制及远程监测。目前，该系统已经投入使用一年，运行稳定可靠，自动化程度高，使用方便，易于维护。 

参考文献 

[1] 张万忠. 可编程控制器入门与应用实例[M].北京：中国电力出版社，2004. 

[2] 杜学普，吴晓君，曹凌. 基于MPI网络的PLC饮料生产线监控系统[J]. 工业控制计算机，2008，21(1)：9-10. 

[3] 张磊，范维浩. MPI网络技术在水厂中的应用[J].计算技术与自动化，2002，21(4)：40-43. 

[4] 王长栋，左先波，胥小萍. 西门子S7系列PLC的MPI网络与全局数据通信[J].金属加工，2000(11)：29-30. 

[5] 于风卫，孙红英. 西门子S7-300 PLC的MPI网络及其应用[J].中外船舶科技，2006(4)：27-29. 

[6] 廖常初. PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2005:141-143.