??? 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)及全局數(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，運行穩(wěn)定、可靠。?

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

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??? 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電氣控制技術(shù)在各個領(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)單獨的PLC不能滿足要求時，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)自動化項目中增加了硬件的開銷。但許多項目對控制系統(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)項目資金較少的國情。德國SIEMENS公司的多點接口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),通過它實現(xiàn)全局數(shù)據(jù)通信,在PLC之間進行少量數(shù)據(jù)交換。通過全局數(shù)據(jù)通信,一個CPU可以訪問另一個CPU的數(shù)據(jù)塊、存儲位和過程映像等。通過MPI網(wǎng)絡(luò)的全局數(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,S7系列PLC的CPU模塊集成了MPI通信協(xié)議,PLC通過MPI接口能同時連接運行STEP 7的編程器、計算機、人機界面(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, S7系列PLC的MPI網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量的最大值為32個。MPI網(wǎng)絡(luò)有一個網(wǎng)號,在組建MPI網(wǎng)絡(luò)之前,要為每一個節(jié)點分配1個MPI地址和1個最高MPI地址,使所有通過MPI連接的節(jié)點能夠相互通信。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:一個網(wǎng)絡(luò)中,各節(jié)點要設(shè)置相同的網(wǎng)絡(luò)號;各節(jié)點MPI地址不能重復(fù);為提高MPI網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信速度,最高MPI地址應(yīng)當(dāng)較小。編程設(shè)備、人機接口和CPU缺省的MPI地址分別為0、1、2。在連接MPI網(wǎng)絡(luò)時,第一個節(jié)點和最后一個節(jié)點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,將撥動開關(guān)置于“ON”即可。在將一個新的站點接入MPI網(wǎng)絡(luò)之前,必須關(guān)掉電源,否則會造成正在通信數(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。總線連接器是MPI網(wǎng)絡(luò)連接節(jié)點的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)點間的最長傳輸距離為50 m,加中繼器后為1 000 m,但兩個節(jié)點間不應(yīng)再有其他節(jié)點。若采用光纖,網(wǎng)絡(luò)最長可達到2 318 km。?

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

1.2? 全局數(shù)據(jù)通信?

1.2.1 全局數(shù)據(jù)通信原理?

??? 全局數(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)計的。全局數(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)。全局數(shù)據(jù)塊是MPI網(wǎng)上2個或多個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中的全局數(shù)據(jù)表進行組態(tài),通信是自動實現(xiàn)的,不需要用戶編程。?

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

??? 在一個S7系列 PLC組成的MPI網(wǎng)絡(luò)中,參與全局數(shù)據(jù)包交換的CPU構(gòu)成全局數(shù)據(jù)環(huán),同一個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MPI網(wǎng)絡(luò)中,每個CPU最多只能參與4或8個(與CPU的型號有關(guān))不同的GD環(huán)。一個全局數(shù)據(jù)環(huán)路有以下兩種方式:(1) 2個以上CPU組成一個全局數(shù)據(jù)環(huán)，1個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CPU組成一個GD環(huán)，每個CPU既能作為數(shù)據(jù)包發(fā)送方,又能作為接收方。?

??? 全局數(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數(shù)據(jù)集合成一個全局數(shù)據(jù)包，一個全局數(shù)據(jù)包由一個或幾個GD組成,一個數(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個頭部說明字節(jié)。一個單獨的雙字占6 B,一個單獨的字占4 B,一個單獨的字節(jié)占3 B,一個單獨的位也占3 B。CPU每次可以發(fā)送和接收的GD包的個數(shù)與CPU的型號有關(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)計了一汽公司技術(shù)中心發(fā)動機實驗室的冷凍水供水自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對設(shè)備的遠程狀態(tài)監(jiān)視和全自動控制，保證恒溫、恒壓供水。整個控制系統(tǒng)采用集散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，由中央控制計算機、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性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。?

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??? 下層需監(jiān)控的設(shè)備包括冷水機組CW3901臺、CW840 2臺、變頻器2臺、一次定頻水泵(15 kW)5臺、二次變頻水泵(22 kW)4臺、冷卻水泵2臺、全程水處理儀1臺、定壓機組1臺、電動蝶閥門18個。需實時顯示的參數(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。?

??? 中央控制計算機（上位機）協(xié)調(diào)整個控制系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，完成系統(tǒng)運行狀況的監(jiān)測、下位機工作參數(shù)的設(shè)定與修改、系統(tǒng)自動控制等功能。下層PLC模塊（下位機）共4臺，在中央控制計算機的協(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臺冷水機組均自帶PLC模塊，自動控制冷水機組的運行；系統(tǒng)綜合控制柜中的PLC模塊通過與中央控制計算機通信實現(xiàn)各參數(shù)的實時采集及下層設(shè)備的控制，同時還要與3臺冷水機組的PLC模塊進行通信，讀取機組運行參數(shù)，并根據(jù)系統(tǒng)要求對機組進行控制。觸摸屏為用戶提供手動操作界面。選用MPI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建整個系統(tǒng)。?

3 遠程監(jiān)控軟件的設(shè)計?

??? 中央控制計算機是整個控制系統(tǒng)的核心，通過運行所設(shè)計的遠程監(jiān)控軟件實現(xiàn)對供水自動控制系統(tǒng)的遠程狀態(tài)監(jiān)視和自動控制，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控制；(3)設(shè)備的手動操作與運行參數(shù)的設(shè)定；(4)運行參數(shù)、變化曲線的實時顯示及歷史數(shù)據(jù)記錄、查詢；(5)故障報警。遠程監(jiān)控軟件主要由系統(tǒng)工藝總體界面、手動操作控制界面、自動參數(shù)設(shè)定界面、歷史趨勢記錄界面、報警匯總記錄界面等5個部分組成。各界面間通過按鈕可自由切換。?

??? 遠程監(jiān)控軟件采用組態(tài)軟件“組態(tài)王”開發(fā)。“組態(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、功能強大，具有較高的性價比。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）。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)。選用計算機的COM1經(jīng)MPI電纜與下層進行通信，該電纜帶有RS232/485轉(zhuǎn)換器，可實現(xiàn)RS232與RS485標(biāo)準的轉(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?

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，中央控制計算機在網(wǎng)絡(luò)中的地址為0，它除了承擔(dān)控制整個系統(tǒng)自動運行等任務(wù)外，在設(shè)計調(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，也可對MPI網(wǎng)絡(luò)重新進行配置；人機界面的地址為1，系統(tǒng)綜合控制柜PLC地址為2，三臺冷水機組控制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MPI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?

??? 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)計人員不必了解全局數(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。?

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??? 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需要與三臺冷水機組分別通信，讀取每臺機組壓縮機能調(diào)閥狀態(tài)及壓縮機油位開關(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、機組運行狀態(tài)等14個開關(guān)量的狀態(tài)，三通閥的開度，啟動倒計時等2個參數(shù)的數(shù)值；并需要對每臺機組開/停機溫度、能調(diào)/出水溫度、吸氣/排氣壓力、系統(tǒng)及旁通閥開度等10個參數(shù)進行設(shè)定，遠程/本地選擇、開機及復(fù)位按鈕等3個開關(guān)進行控制。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。?

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??? 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)計成本。西門子的全局數(shù)據(jù)通信模式為MPI網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點交換少量數(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)的冷凍水供水自動控制系統(tǒng)，已應(yīng)用于一汽公司發(fā)動機實驗室，實現(xiàn)了供水的全自動控制及遠程監(jiān)測。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)投入使用一年，運行穩(wěn)定可靠，自動化程度高，使用方便，易于維護。?

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