??? 摘 要： 西門子公司的MPI網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采用全局數(shù)據(jù)通信模式，可實(shí)現(xiàn)PLC間的少量數(shù)據(jù)交換。由于不需要額外的硬件和軟件，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。介紹了MPI網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及全局?jǐn)?shù)據(jù)通信的原理，基于該技術(shù)構(gòu)建了冷凍水供水自動(dòng)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，給出了該系統(tǒng)的組成及網(wǎng)絡(luò)組態(tài)方法。該系統(tǒng)目前已投入使用，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。?

??? 關(guān)鍵詞： MPI網(wǎng)絡(luò)； 全局?jǐn)?shù)據(jù)通信； 可編程控制器； 組態(tài)王； 自動(dòng)控制系統(tǒng)

?

??? 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電氣控制技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域已得到越來越廣泛的應(yīng)用?？删幊炭刂破?PLC)作為一項(xiàng)新技術(shù)正快速地改變著電氣控制技術(shù)的面貌，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了十分廣泛的應(yīng)用^[1]。隨著工藝水平和控制要求的不斷提高，當(dāng)單獨(dú)的PLC不能滿足要求時(shí)，PLC之間的組網(wǎng)、通信也就隨之產(chǎn)生和發(fā)展^[2]。世界上眾多的生產(chǎn)工業(yè)自動(dòng)化控制產(chǎn)品的公司都有自己的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù),例如法國施耐德公司的MODBUS或MODBUS PLUS網(wǎng)絡(luò),美國AB公司的DH+或DH -485網(wǎng)絡(luò),德國SIEMENS公司的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)等,這些工業(yè)網(wǎng)絡(luò)大部分需要各公司專門的通信模塊來組成網(wǎng)絡(luò)硬件,在工業(yè)自動(dòng)化項(xiàng)目中增加了硬件的開銷。但許多項(xiàng)目對(duì)控制系統(tǒng)要求并不是很高,在各現(xiàn)場控制站之間交換數(shù)據(jù)不多的情況下,選取一種比較廉價(jià)但又能滿足控制系統(tǒng)要求的現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡(luò)更符合我國企業(yè)項(xiàng)目資金較少的國情。德國SIEMENS公司的多點(diǎn)接口MPI(MultiPoint Interferce)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)便可滿足這一要求^[3]。?

1 MPI網(wǎng)絡(luò)技術(shù)?

??? 西門子公司的S7系列PLC可以通過CPU模塊上的MPI接口組成MPI網(wǎng)絡(luò),通過它實(shí)現(xiàn)全局?jǐn)?shù)據(jù)通信,在PLC之間進(jìn)行少量數(shù)據(jù)交換。通過全局?jǐn)?shù)據(jù)通信,一個(gè)CPU可以訪問另一個(gè)CPU的數(shù)據(jù)塊、存儲(chǔ)位和過程映像等。通過MPI網(wǎng)絡(luò)的全局?jǐn)?shù)據(jù)通信不需要額外的硬件和軟件,結(jié)構(gòu)簡單,端口管理與布線容易,裝置連接成本低。?

1.1 MPI網(wǎng)絡(luò)?

??? MPI的物理層符合RS-485標(biāo)準(zhǔn),S7系列PLC的CPU模塊集成了MPI通信協(xié)議,PLC通過MPI接口能同時(shí)連接運(yùn)行STEP 7的編程器、計(jì)算機(jī)、人機(jī)界面(HMI)及其他西門子公司的PLC。接入MPI網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備均稱作節(jié)點(diǎn), S7系列PLC的MPI網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的最大值為32個(gè)。MPI網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)網(wǎng)號(hào),在組建MPI網(wǎng)絡(luò)之前,要為每一個(gè)節(jié)點(diǎn)分配1個(gè)MPI地址和1個(gè)最高M(jìn)PI地址,使所有通過MPI連接的節(jié)點(diǎn)能夠相互通信。STEP 7的用戶界面提供了通信組態(tài)功能,使得通信的組態(tài)比較簡單。?

??? 分配MPI地址的原則是:一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中,各節(jié)點(diǎn)要設(shè)置相同的網(wǎng)絡(luò)號(hào);各節(jié)點(diǎn)MPI地址不能重復(fù);為提高M(jìn)PI網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信速度,最高M(jìn)PI地址應(yīng)當(dāng)較小。編程設(shè)備、人機(jī)接口和CPU缺省的MPI地址分別為0、1、2。在連接MPI網(wǎng)絡(luò)時(shí),第一個(gè)節(jié)點(diǎn)和最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)要接入通信終端匹配電阻。西門子LAN插頭上已集成有終端電阻,將撥動(dòng)開關(guān)置于“ON”即可。在將一個(gè)新的站點(diǎn)接入MPI網(wǎng)絡(luò)之前,必須關(guān)掉電源,否則會(huì)造成正在通信數(shù)據(jù)包的丟失。連接MPI網(wǎng)絡(luò)常用兩種部件:RS-485總線連接器和RS-485中繼器?？偩€連接器是MPI網(wǎng)絡(luò)連接節(jié)點(diǎn)的MPI口和網(wǎng)絡(luò)電纜的連接器,分兩種,一種帶有PG(編程器)接口,一種沒有PG接口。S7系列PLC的MPI接口最大傳輸速率為187.5 Kb/s,MPI網(wǎng)絡(luò)兩相鄰節(jié)點(diǎn)間的最長傳輸距離為50 m,加中繼器后為1 000 m,但兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間不應(yīng)再有其他節(jié)點(diǎn)。若采用光纖,網(wǎng)絡(luò)最長可達(dá)到2 318 km。?

??? 通過MPI接口,CPU可以自動(dòng)廣播其總線參數(shù)組態(tài)(例如波特率),然后CPU可以自動(dòng)檢索正確的參數(shù),并連接至一個(gè)MPI子網(wǎng)。?

1.2? 全局?jǐn)?shù)據(jù)通信?

1.2.1 全局?jǐn)?shù)據(jù)通信原理?

??? 全局?jǐn)?shù)據(jù)(GD)通信方式是以MPI網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ),為循環(huán)地傳輸少量的數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的。全局?jǐn)?shù)據(jù)通信方式僅限于同一MPI網(wǎng)S7系列PLC的CPU,通過MPI接口在CPU間循環(huán)交換數(shù)據(jù)。全局?jǐn)?shù)據(jù)塊是MPI網(wǎng)上2個(gè)或多個(gè)CPU共享的數(shù)據(jù),分別定義在發(fā)送方和接收方CPU的存儲(chǔ)器中,定義在發(fā)送方的數(shù)據(jù)塊為發(fā)送GD塊,定義在接收方的數(shù)據(jù)塊為接收GD塊。發(fā)送方CPU按照設(shè)定的掃描速率自動(dòng)地周期性地將指定地址中的數(shù)據(jù)發(fā)送到接收方指定的地址區(qū)中,接收方CPU定期接收數(shù)據(jù)。GD塊為發(fā)送方和接收方的存儲(chǔ)器建立了映射關(guān)系。?

??? MPI網(wǎng)絡(luò)中各CPU間需要交換的數(shù)據(jù)存放的地址區(qū)和通信速率用STEP 7中的全局?jǐn)?shù)據(jù)表進(jìn)行組態(tài),通信是自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的,不需要用戶編程。?

1.2.2 全局?jǐn)?shù)據(jù)環(huán)及全局?jǐn)?shù)據(jù)包?

??? 在一個(gè)S7系列 PLC組成的MPI網(wǎng)絡(luò)中,參與全局?jǐn)?shù)據(jù)包交換的CPU構(gòu)成全局?jǐn)?shù)據(jù)環(huán),同一個(gè)GD環(huán)中的CPU可以向環(huán)中的其他CPU發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。在一個(gè)MPI網(wǎng)絡(luò)中,每個(gè)CPU最多只能參與4或8個(gè)(與CPU的型號(hào)有關(guān))不同的GD環(huán)。一個(gè)全局?jǐn)?shù)據(jù)環(huán)路有以下兩種方式:(1) 2個(gè)以上CPU組成一個(gè)全局?jǐn)?shù)據(jù)環(huán)，1個(gè)CPU作為數(shù)據(jù)發(fā)送方,其他所有CPU作為數(shù)據(jù)接收方;(2)2個(gè)CPU組成一個(gè)GD環(huán)，每個(gè)CPU既能作為數(shù)據(jù)包發(fā)送方,又能作為接收方。?

??? 全局?jǐn)?shù)據(jù)可由位、字節(jié)、字、雙字和相關(guān)區(qū)(數(shù)組)組成。具有相同的發(fā)送者和接收者的全局?jǐn)?shù)據(jù)集合成一個(gè)全局?jǐn)?shù)據(jù)包，一個(gè)全局?jǐn)?shù)據(jù)包由一個(gè)或幾個(gè)GD組成,一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)占用的空間為數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)的字節(jié)數(shù)加上2個(gè)頭部說明字節(jié)。一個(gè)單獨(dú)的雙字占6 B,一個(gè)單獨(dú)的字占4 B,一個(gè)單獨(dú)的字節(jié)占3 B,一個(gè)單獨(dú)的位也占3 B。CPU每次可以發(fā)送和接收的GD包的個(gè)數(shù)與CPU的型號(hào)有關(guān) ^[3～5]。?

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?

??? 本文基于MPI網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)了一汽公司技術(shù)中心發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室的冷凍水供水自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)視和全自動(dòng)控制，保證恒溫、恒壓供水。整個(gè)控制系統(tǒng)采用集散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，由中央控制計(jì)算機(jī)、可編程控制器、觸摸屏、通信網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)具有較高的可靠性及可維護(hù)性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。?

?

?

??? 下層需監(jiān)控的設(shè)備包括冷水機(jī)組CW3901臺(tái)、CW840 2臺(tái)、變頻器2臺(tái)、一次定頻水泵(15 kW)5臺(tái)、二次變頻水泵(22 kW)4臺(tái)、冷卻水泵2臺(tái)、全程水處理儀1臺(tái)、定壓機(jī)組1臺(tái)、電動(dòng)蝶閥門18個(gè)。需實(shí)時(shí)顯示的參數(shù)有：供水及回水溫度、供水及回水壓力、供水流量、冷卻水循環(huán)子系統(tǒng)出水及回水溫度、二次變頻水泵及冷卻水泵工作頻率，以上參數(shù)由相應(yīng)的傳感器及變頻器反饋提供。?

??? 中央控制計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）協(xié)調(diào)整個(gè)控制系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，完成系統(tǒng)運(yùn)行狀況的監(jiān)測、下位機(jī)工作參數(shù)的設(shè)定與修改、系統(tǒng)自動(dòng)控制等功能。下層PLC模塊（下位機(jī)）共4臺(tái)，在中央控制計(jì)算機(jī)的協(xié)調(diào)下工作，從而使冷凍水出水溫度及壓力在規(guī)定的范圍內(nèi)變化。其中，3臺(tái)冷水機(jī)組均自帶PLC模塊，自動(dòng)控制冷水機(jī)組的運(yùn)行；系統(tǒng)綜合控制柜中的PLC模塊通過與中央控制計(jì)算機(jī)通信實(shí)現(xiàn)各參數(shù)的實(shí)時(shí)采集及下層設(shè)備的控制，同時(shí)還要與3臺(tái)冷水機(jī)組的PLC模塊進(jìn)行通信，讀取機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，并根據(jù)系統(tǒng)要求對(duì)機(jī)組進(jìn)行控制。觸摸屏為用戶提供手動(dòng)操作界面。選用MPI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)。?

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)?

??? 中央控制計(jì)算機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，通過運(yùn)行所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)供水自動(dòng)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)視和自動(dòng)控制，其功能主要包括：(1)監(jiān)視現(xiàn)場設(shè)備的工作狀態(tài)；(2)冷凍水集中供水的自動(dòng)控制；(3)設(shè)備的手動(dòng)操作與運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定；(4)運(yùn)行參數(shù)、變化曲線的實(shí)時(shí)顯示及歷史數(shù)據(jù)記錄、查詢；(5)故障報(bào)警。遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件主要由系統(tǒng)工藝總體界面、手動(dòng)操作控制界面、自動(dòng)參數(shù)設(shè)定界面、歷史趨勢記錄界面、報(bào)警匯總記錄界面等5個(gè)部分組成。各界面間通過按鈕可自由切換。?

??? 遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件采用組態(tài)軟件“組態(tài)王”開發(fā)?！敖M態(tài)王”是北京亞控公司生產(chǎn)的一款全中文組態(tài)軟件，編程簡單、使用方便、功能強(qiáng)大，具有較高的性價(jià)比。組態(tài)王把那些需要與之交換數(shù)據(jù)的設(shè)備或程序都作為外部設(shè)備（即下位機(jī)）。外部設(shè)備包括：PLC、儀表、板卡等，它們一般通過串行口和上位機(jī)交流數(shù)據(jù)。只有在定義了外部設(shè)備之后，組態(tài)王才能通過I/O變量與它們交換數(shù)據(jù)。選用計(jì)算機(jī)的COM1經(jīng)MPI電纜與下層進(jìn)行通信，該電纜帶有RS232/485轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)RS232與RS485標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換。通信速率為19.2 Kb/s，數(shù)據(jù)格式為8n1。?

4 MPI網(wǎng)絡(luò)組態(tài)及PLC通信程序設(shè)計(jì)?

4.1 MPI網(wǎng)絡(luò)組態(tài)?

??? 在MPI網(wǎng)絡(luò)組態(tài)前,要先完成各臺(tái)PLC的MPI接口組態(tài),設(shè)置PLC的MPI地址,使所有通過MPI連接的節(jié)點(diǎn)能夠相互通信。MPI接口組態(tài)在STEP 7中通過硬件組態(tài)來完成。如圖1所示，中央控制計(jì)算機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中的地址為0，它除了承擔(dān)控制整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行等任務(wù)外，在設(shè)計(jì)調(diào)試期間還作為編程設(shè)備，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)生變化時(shí)，也可對(duì)MPI網(wǎng)絡(luò)重新進(jìn)行配置；人機(jī)界面的地址為1，系統(tǒng)綜合控制柜PLC地址為2，三臺(tái)冷水機(jī)組控制PLC地址分別為3、4、5。MPI網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)在STEP 7中來完成,主要包括設(shè)置最高M(jìn)PI地址、通信速率等參數(shù)。在本系統(tǒng)的MPI網(wǎng)絡(luò)中，為提高通信速度，設(shè)定的最高地址為15，通信速率設(shè)定為19.2 Kb/s。?

4.2 PLC通信程序設(shè)計(jì)?

??? S7系列的PLC提供了網(wǎng)絡(luò)讀寫指令，通過網(wǎng)絡(luò)讀寫指令，程序設(shè)計(jì)人員不必了解全局?jǐn)?shù)據(jù)通信的原理和GD表的生成方法就可完成PLC間的數(shù)據(jù)通信。網(wǎng)絡(luò)讀指令NETR(Network Read)的作用為初始化通信操作，通過通信端口接收遠(yuǎn)程設(shè)備的數(shù)據(jù)并保存在表(TBL)中。網(wǎng)絡(luò)寫指令NETW的作用為初始化通信操作，通過指定的端口向遠(yuǎn)程設(shè)備寫入表(TBL)中的數(shù)據(jù)^[6]。TBL表的參數(shù)定義如表1所示。?

?

?

??? STEP 7編程軟件提供了網(wǎng)絡(luò)讀寫指令向?qū)韼椭脩羯删W(wǎng)絡(luò)讀寫程序。在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)綜合控制柜PLC需要與三臺(tái)冷水機(jī)組分別通信，讀取每臺(tái)機(jī)組壓縮機(jī)能調(diào)閥狀態(tài)及壓縮機(jī)油位開關(guān)、高壓開關(guān)、低壓開關(guān)故障、排氣壓力傳感器、出水溫度傳感器、吸氣壓力傳感器、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)等14個(gè)開關(guān)量的狀態(tài)，三通閥的開度，啟動(dòng)倒計(jì)時(shí)等2個(gè)參數(shù)的數(shù)值；并需要對(duì)每臺(tái)機(jī)組開/停機(jī)溫度、能調(diào)/出水溫度、吸氣/排氣壓力、系統(tǒng)及旁通閥開度等10個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，遠(yuǎn)程/本地選擇、開機(jī)及復(fù)位按鈕等3個(gè)開關(guān)進(jìn)行控制。具體的網(wǎng)絡(luò)讀指令的配置畫面如圖2所示，網(wǎng)絡(luò)寫指令與網(wǎng)絡(luò)讀指令設(shè)置方法類似。?

?

?

??? 采用MPI構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，不再需要通信單元模塊，降低了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成本。西門子的全局?jǐn)?shù)據(jù)通信模式為MPI網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)交換少量數(shù)據(jù)提供了簡便可靠的通信方法，用戶不用了解其內(nèi)在的復(fù)雜協(xié)議?；贛PI網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)的冷凍水供水自動(dòng)控制系統(tǒng)，已應(yīng)用于一汽公司發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)了供水的全自動(dòng)控制及遠(yuǎn)程監(jiān)測。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)投入使用一年，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，自動(dòng)化程度高，使用方便，易于維護(hù)。?

參考文獻(xiàn)?

[1] 張萬忠. 可編程控制器入門與應(yīng)用實(shí)例[M].北京：中國電力出版社，2004.?

[2] 杜學(xué)普，吳曉君，曹凌. 基于MPI網(wǎng)絡(luò)的PLC飲料生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2008，21(1)：9-10.?

[3] 張磊，范維浩. MPI網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在水廠中的應(yīng)用[J].計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化，2002，21(4)：40-43.?

[4] 王長棟，左先波，胥小萍. 西門子S7系列PLC的MPI網(wǎng)絡(luò)與全局?jǐn)?shù)據(jù)通信[J].金屬加工，2000(11)：29-30.?

[5] 于風(fēng)衛(wèi)，孫紅英. 西門子S7-300 PLC的MPI網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用[J].中外船舶科技，2006(4)：27-29.?

[6] 廖常初. PLC編程及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005:141-143.