龍明雄

摘要：MPI（Multipoint interface）總線技術(shù)是西門子開發(fā)基于RS485的一種多點(diǎn)通信的接口技術(shù)，目前為西門子內(nèi)部協(xié)議，適用于西門子PLC的總線連接技術(shù)。MPI是SIMATIC S7多點(diǎn)通信接口，是一種適用于少數(shù)站點(diǎn)間通信的網(wǎng)絡(luò)，多用于連接上位機(jī)和少量PLC之間近距離通信。MPI總線是一種方便、可靠、廉價(jià)的中小型網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，在各行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。敘述了MPI總線技術(shù)通訊方式以及在三鋼煉鋼廠實(shí)際應(yīng)用中常見(jiàn)的故障進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：MPI；看門狗 ；MPI通訊方式

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）09-2257-04

MPI即多點(diǎn)接口（Multipoint interface）的簡(jiǎn)稱，是西門子公司開發(fā)的用于PLC之間通訊的非公開協(xié)議，目前只適用于西門子PLC之間的通訊。它具有簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，適用于通信速率要求不高、通信數(shù)據(jù)量不大、對(duì)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)合。三鋼煉鋼廠二次除塵系統(tǒng)現(xiàn)屬于總線型網(wǎng)絡(luò)，由于建設(shè)的歷史原因共分為三期，三期不同的二次除塵系統(tǒng)共用一路氣源，一路輸灰管道，所以整個(gè)二次除塵系統(tǒng)必須各自獨(dú)立且不同時(shí)工作。而協(xié)調(diào)與管理三個(gè)二次除塵之間工作次序的通道就是使用MPI總線技術(shù)。三鋼煉鋼廠5#連鑄機(jī)為集散控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)采集與控制的PLC通過(guò)MPI總線與兩臺(tái)主控制PLC相聯(lián)，主控制PLC再通過(guò)工業(yè)以態(tài)網(wǎng)與HMI總線連接。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)MPI總線采集到主控制PLC，主控制PLC將數(shù)據(jù)運(yùn)算后反饋給現(xiàn)場(chǎng)采集PLC以使其產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用。HMI總線可以通過(guò)對(duì)主控制PLC的操作控制來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的手動(dòng)或其它控制。這是兩種非常典型的而且常用的系統(tǒng)，MPI總線在整個(gè)系統(tǒng)中都扮演著非常重要的角色。MPI總線的通信速率為19.2Kbps～12Mbps，最多可以連接32個(gè)節(jié)點(diǎn)，最大通訊距離為50m，并且可以通過(guò)中斷器或降低傳輸速率來(lái)擴(kuò)展長(zhǎng)度。因其出色的穩(wěn)定性，使得目前越來(lái)越多的現(xiàn)場(chǎng)可編程控制器都采用MPI連接。

1 MPI總線的通信方式

MPI總線的通信方式一共有三種，分別為調(diào)用系統(tǒng)功能塊通訊、調(diào)用系統(tǒng)功能通訊、全局?jǐn)?shù)據(jù)包通信。

1.1 調(diào)用系統(tǒng)功能塊的通訊方式

對(duì)于MPI網(wǎng)絡(luò)，調(diào)用系統(tǒng)功能塊進(jìn)行PLC之間的通信只適用于S7-300/400、S7-400/400之間的通信。且由于S7-300 CPU不能調(diào)用SFB12（BSEND）、SFB13（BRCV）、SFB14（GET）、SFB15（PUT），不能主動(dòng)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，只能進(jìn)行單向通信，所以S7-300PLC只能作為一個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)器，由S7-400 PLC對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作，編程在S7-400側(cè)。S7-400/400 PLC 通信時(shí)，S7-400 PLC可以調(diào)用SFB14、SFB15，既可作為數(shù)據(jù)服務(wù)器同時(shí)又可與客戶機(jī)進(jìn)行單向通信，又可調(diào)用SFB12、SFB13發(fā)送和接收數(shù)據(jù)進(jìn)行雙向通信。在MPI網(wǎng)絡(luò)上調(diào)用系統(tǒng)功能塊通信時(shí)，最大數(shù)據(jù)包一般不超過(guò)160個(gè)字節(jié)。

1.2 調(diào)用系統(tǒng)功能的通訊方式

調(diào)用系統(tǒng)功能（SFC65-69）來(lái)實(shí)現(xiàn)MPI的通信，這種方式適用于S7-200/300/400 PLC之間的通信，該方式不需要設(shè)置S7連接和全局?jǐn)?shù)據(jù)表即可方便地進(jìn)行通信，但它的連接數(shù)目由S7基本通訊連接數(shù)目決定。最大可用連接為當(dāng)前CPU能提供的最大連接數(shù)目，實(shí)際上S7基本通訊連接比該數(shù)值小，最少減少兩個(gè)用于PG、OP通訊連接。調(diào)用SFC通信可分為兩種方式：雙向通信和單向通信。雙向通信的雙方都要調(diào)用通信塊，一方發(fā)送，另一方接收。這種方式適用于S7-300/400之間的通信，發(fā)送塊是SFC65，接收塊是SFC66。需要注意的是由于PLC程序執(zhí)行速度非常快，必須將發(fā)送數(shù)據(jù)功能放到OB35中以500ms以上的時(shí)間循環(huán)掃描或限制SFC65的REQ的接通時(shí)間，以免發(fā)送太快目標(biāo)PLC來(lái)不及接收造成通訊故障。

與雙向通信不同，單向通信只需在一方編寫程序即可完成通信，也就是客戶機(jī)與服務(wù)器的關(guān)系。編寫程序一方的PLC做為客戶機(jī)，另一方為服務(wù)器。SFC67（X_GET）用來(lái)讀取服務(wù)器指定數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)并存放到本地?cái)?shù)據(jù)區(qū)中，SFC68（X_PUT）用來(lái)寫本地?cái)?shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)到服務(wù)器指定的數(shù)據(jù)區(qū)中。

1.3 全局?jǐn)?shù)據(jù)包通訊方式

全局?jǐn)?shù)據(jù)包的通信方式是在配置PLC網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中，組態(tài)所要通信PLC的發(fā)送區(qū)和接收區(qū)，不需要任何程序處理即可完成通信。由于這種方式簡(jiǎn)單方便，對(duì)硬件要求也不高，是MPI總線中使用最多的一種通訊方式，三鋼煉鋼廠二次除塵系統(tǒng)和5#連鑄機(jī)PLC通訊就是使用的這種通訊方式。該方式是目前使用最多的MPI通訊方式。

要使用全局?jǐn)?shù)據(jù)包通訊，要先將需要通信的PLC連接到同一MPI網(wǎng)絡(luò)，然后在STEP7軟件中來(lái)配置全局?jǐn)?shù)據(jù)通訊。在里面可選擇需要通訊的PLC，最多可選擇15個(gè)PLC，即可與15個(gè)PLC進(jìn)行通訊；要進(jìn)行交換的數(shù)據(jù)，可一次輸入多個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)，如DB1.DBW0～DB1.DBW9輸入DB1.DBW0：10。

組態(tài)界面中GD ID號(hào)分為三部分，如圖1，A部分表示該MPI網(wǎng)絡(luò)中全局?jǐn)?shù)據(jù)包的循環(huán)數(shù)，每一個(gè)循環(huán)數(shù)表示和一個(gè)CPU通信，如GD1.1.1與GD2.1.1為與2個(gè)不同PLC通訊的不同循環(huán)。

B部分為全局?jǐn)?shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)。表示一個(gè)循環(huán)有幾個(gè)全局?jǐn)?shù)據(jù)包。如GD1.1.1與GD1.2.1為同一循環(huán)中的兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)包。

C部分為一個(gè)數(shù)據(jù)包里包含的數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)。一個(gè)數(shù)據(jù)包可包含不同的數(shù)據(jù)，STEP7會(huì)自動(dòng)編譯到最優(yōu)結(jié)果，以減少CPU通信負(fù)載（圖2）。

2 MPI通訊技術(shù)在二次除塵系統(tǒng)中的應(yīng)用

三鋼煉鋼廠二次除塵系統(tǒng)是由MPI總線連接3臺(tái)S7-300 PLC與2臺(tái)上位機(jī)（HMI），3臺(tái)PLC之間相互通訊以協(xié)調(diào)其輸灰時(shí)間的總線型控制系統(tǒng)（圖3）。

上位機(jī)HMI1、HMI2主要負(fù)責(zé)二次除塵系統(tǒng)的輸灰操作與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，通過(guò)CP5611網(wǎng)卡與MPI總線相連。三臺(tái)PLC分別負(fù)責(zé)一、二、三期二次除塵的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與輸灰自動(dòng)或手動(dòng)操作控制。每臺(tái)連在MPI總線上的設(shè)備都有自己唯一的地址，以區(qū)分各個(gè)不同設(shè)備。每條MPI總線最多可以連接32個(gè)獨(dú)立設(shè)備，MPI地址為0-31。如二次除塵系統(tǒng)中HMI1與HMI2地址分別為5、6，一、二、三期二次除塵地址分別為3、2、4，各自的操作指令通過(guò)MPI總線送達(dá)指定PLC。

3 MPI通訊技術(shù)在5#連鑄機(jī)的應(yīng)用

5#連鑄機(jī)控制系統(tǒng)是由MPI總線與工業(yè)以態(tài)網(wǎng)組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，一共由2臺(tái)上位機(jī)（HMI）與8臺(tái)控制器（PLC）組成。5#連鑄機(jī)為集散控制系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)配置如圖4所示。上位機(jī)HMI1和HMI2通過(guò)工業(yè)以態(tài)網(wǎng)與水系統(tǒng)PLC和公用PLC通訊，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的手動(dòng)控制與參數(shù)輸入，并顯示實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和保存歷史記錄。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與控制PLC負(fù)責(zé)采集一到六流連鑄機(jī)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，之后通過(guò)MPI總線傳送給水系統(tǒng)PLC或公用PLC，水系統(tǒng)PLC或公用PLC對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，產(chǎn)生對(duì)整個(gè)系統(tǒng)控制的參數(shù)數(shù)據(jù)，再通過(guò)MPI總線反饋到一到六流PLC，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表與設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)控制。

4 MPI通訊技術(shù)故障診斷方式

MPI總線的全局?jǐn)?shù)據(jù)通訊方式故障處理有兩種方式，第一種是在全局?jǐn)?shù)據(jù)配置中對(duì)GST、GDS狀態(tài)字進(jìn)行配置，如圖2中GST為全局錯(cuò)誤狀態(tài)字，指所有數(shù)據(jù)包的錯(cuò)誤，GDS為各個(gè)循環(huán)的錯(cuò)誤字段。這兩個(gè)錯(cuò)誤狀態(tài)字可為一個(gè)雙字（DWORD）數(shù)據(jù)，可以在程序中讀取這個(gè)狀態(tài)字進(jìn)行故障判斷。該方式能得到故障的全部信息，但使用起來(lái)非常麻煩，要對(duì)該狀態(tài)字各個(gè)位進(jìn)行判斷來(lái)確定不同的錯(cuò)誤信息，而且只能夠用于PLC與PLC之間的通訊故障，所以一般只在故障診斷時(shí)使用。

第二種方式是使用看門狗技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡(jiǎn)單的判斷，該方式可用于所有網(wǎng)絡(luò)類型的故障判斷，不僅能判斷PLC與PLC之間的通訊故障，還能判斷PLC與上位機(jī)、PLC與其它工業(yè)設(shè)備之間的通訊故障。在實(shí)際使用中一般都用第二種方式進(jìn)行故障判斷，這也是5#連鑄機(jī)所使用的故障判斷方式。

要使用第二種方式對(duì)MPI網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行判斷，必須在PLC中設(shè)計(jì)一個(gè)看門狗程序，一般都在服務(wù)器PLC中設(shè)置看門狗程序，再將看門狗數(shù)據(jù)發(fā)送給其它PLC或設(shè)備，其它PLC或設(shè)備對(duì)看門狗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析或?qū)⒋藬?shù)據(jù)反饋給服務(wù)器PLC對(duì)其進(jìn)行分析，得出網(wǎng)絡(luò)是否故障。使用看門狗程序，必須將其服務(wù)器端與客戶端程序都放在OB1中調(diào)用，以確保每個(gè)CPU循環(huán)周期都能夠調(diào)用，否則將有可能網(wǎng)絡(luò)故障的時(shí)候沒(méi)有輸出?？撮T狗服務(wù)器端程序的一種設(shè)計(jì)方法如下：

該看門狗程序輸出一個(gè)每秒增加1的數(shù)據(jù)，如對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量有特殊要求時(shí)可以更改脈沖時(shí)間，讓其適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)的要求。為了保證數(shù)據(jù)不會(huì)溢出，本程序設(shè)置27648為數(shù)據(jù)上限。

以下是看門狗客戶端程序，正常情況下PLC接收到看門狗數(shù)據(jù)，看門狗數(shù)據(jù)會(huì)每秒增加1，我們對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析即可判斷出通訊是否正常。本程序中看門狗數(shù)據(jù)每5秒在MW10中更新一次，通過(guò)當(dāng)前看門狗數(shù)據(jù)與之前保存在MW10中的數(shù)據(jù)比較。如果這兩數(shù)據(jù)值不相等則判斷通訊正常，如果這兩個(gè)數(shù)據(jù)值相等且持續(xù)時(shí)間為15秒則判斷通訊中斷，輸出網(wǎng)絡(luò)故障信息。

在此看門狗客戶端程序中，可根據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量要求修改接通延時(shí)定時(shí)器的時(shí)間。對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量要求高，需及時(shí)判斷網(wǎng)絡(luò)通訊情況，可將定時(shí)器T1的時(shí)間縮短，反之延長(zhǎng)。

使用看門狗程序判斷網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，看門狗程序有兩種使用方式，第一種方式是服務(wù)器端程序與客房端程序分別設(shè)計(jì)在兩個(gè)不同的PLC中，這種情況適用于分布式控制系統(tǒng)。如二次除塵系統(tǒng)，上位機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可與所有的PLC通訊，各個(gè)PLC之間網(wǎng)絡(luò)故障都可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送給上位機(jī)進(jìn)行顯示。如一期二次除塵PLC與二期二次除塵PLC之間的網(wǎng)絡(luò)故障可將看門狗服務(wù)器程序放在一期二次除塵PLC中，客房端程序放在二期二次除塵PLC中，如果這兩PLC之間網(wǎng)絡(luò)故障可通過(guò)二期二次除塵PLC將故障信息傳送給上位機(jī)。其它PLC之間情況與之類似。

第二種方式是服務(wù)器端程序與客戶端程序都放在同一PLC中，另一PLC只是簡(jiǎn)單的將看門狗數(shù)據(jù)發(fā)送回來(lái)。該方式適用于所有控制系統(tǒng)，而且集散式控制系統(tǒng)只能使用此方式。如5#連鑄機(jī)，水系統(tǒng)PLC與其它六流PLC之間的網(wǎng)絡(luò)判斷就是將看門狗服務(wù)器端程序與客房端程序都放在水系統(tǒng)PLC中，如果將客戶端程序放在其它六流PLC中，網(wǎng)絡(luò)故障后將不能將故障信息反饋給上位機(jī)，看門狗設(shè)置不成功。

5 MPI網(wǎng)絡(luò)通訊中遇到的故障與解決方法

5.1 MPI地址與從站模塊沖突

三鋼煉鋼廠二次除塵系統(tǒng)出現(xiàn)的MPI故障，MPI網(wǎng)絡(luò)配置正確，STEP 7能訪問(wèn)各個(gè)PLC，但上位機(jī)HMI無(wú)法接收數(shù)據(jù)。當(dāng)一、二期二次除塵系統(tǒng)單獨(dú)與上位機(jī)通訊時(shí)HMI數(shù)據(jù)正常，三期二次除塵系統(tǒng)單獨(dú)與上位機(jī)通訊時(shí)HMI數(shù)據(jù)也正常，但將所有二次除塵都連接在一起時(shí)HMI無(wú)數(shù)據(jù)。經(jīng)排查，故障是由三期二次除塵從站模塊ET200壞導(dǎo)致，更換模塊后網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常。此故障說(shuō)明從站模塊某些故障會(huì)引起MPI網(wǎng)絡(luò)地址沖突但PLC從站工作正常。

5.2 強(qiáng)干擾引起MPI通訊故障

三鋼煉鋼廠脫硫系統(tǒng)出現(xiàn)的MPI故障，MPI網(wǎng)絡(luò)配置正確，但上位機(jī)通過(guò)MPI網(wǎng)絡(luò)的某些數(shù)據(jù)時(shí)有時(shí)無(wú)。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)變頻器工作時(shí)故障出現(xiàn)頻率高，最后確定故障出現(xiàn)在經(jīng)過(guò)變頻器的一條MPI線路上，將MPI網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)離變頻器網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常。此故障說(shuō)明強(qiáng)干擾會(huì)引起MPI故障。

5.3 短路引起的MPI通訊故障

三鋼煉鋼廠5#連鑄機(jī)出現(xiàn)的MPI故障，MPI網(wǎng)絡(luò)配置正確，但網(wǎng)絡(luò)不能通訊。經(jīng)分析與排查，將公用PLC后的MPI斷開網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常，用萬(wàn)用表測(cè)得公用PLC后的MPI網(wǎng)線路電阻非常小，更換公用PLC后的總線連接器網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常。由于MPI網(wǎng)線本身就帶有一定電阻，網(wǎng)線長(zhǎng)時(shí)短路并不會(huì)完全中斷MPI網(wǎng)，造成的網(wǎng)絡(luò)故障現(xiàn)象為MPI網(wǎng)時(shí)好時(shí)壞，這種故障只能通過(guò)斷開MPI網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)來(lái)判斷故障。

6 結(jié)束語(yǔ)

MPI總線技術(shù)在三鋼煉鋼廠多個(gè)控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中故障率低，充分體現(xiàn)了MPI總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，是值得推廣的一種網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)。由于其通訊接口完全集成在控制器的CPU上而無(wú)需再另外增加專用通訊模塊，使得系統(tǒng)的硬件成本得到節(jié)約。但因其傳輸速率較低，不適用于大型的有較大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)目刂葡到y(tǒng)。

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