??? 摘 要： 西門子公司的MPI網絡技術采用全局數據通信模式，可實現PLC間的少量數據交換。由于不需要額外的硬件和軟件，結構簡單，成本低。介紹了MPI網絡技術及全局數據通信的原理，基于該技術構建了冷凍水供水自動控制系統(tǒng)的網絡結構，給出了該系統(tǒng)的組成及網絡組態(tài)方法。該系統(tǒng)目前已投入使用，運行穩(wěn)定、可靠。?

??? 關鍵詞： MPI網絡； 全局數據通信； 可編程控制器； 組態(tài)王； 自動控制系統(tǒng)

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??? 隨著科學技術的發(fā)展，電氣控制技術在各個領域已得到越來越廣泛的應用。可編程控制器(PLC)作為一項新技術正快速地改變著電氣控制技術的面貌，在工業(yè)控制領域得到了十分廣泛的應用^[1]。隨著工藝水平和控制要求的不斷提高，當單獨的PLC不能滿足要求時，PLC之間的組網、通信也就隨之產生和發(fā)展^[2]。世界上眾多的生產工業(yè)自動化控制產品的公司都有自己的現場網絡總線技術,例如法國施耐德公司的MODBUS或MODBUS PLUS網絡,美國AB公司的DH+或DH -485網絡,德國SIEMENS公司的PROFIBUS網絡等,這些工業(yè)網絡大部分需要各公司專門的通信模塊來組成網絡硬件,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,在各現場控制站之間交換數據不多的情況下,選取一種比較廉價但又能滿足控制系統(tǒng)要求的現場總線通信網絡更符合我國企業(yè)項目資金較少的國情。德國SIEMENS公司的多點接口MPI(MultiPoint Interferce)網絡技術便可滿足這一要求^[3]。?

1 MPI網絡技術?

??? 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網絡,通過它實現全局數據通信,在PLC之間進行少量數據交換。通過全局數據通信,一個CPU可以訪問另一個CPU的數據塊、存儲位和過程映像等。通過MPI網絡的全局數據通信不需要額外的硬件和軟件,結構簡單,端口管理與布線容易,裝置連接成本低。?

1.1 MPI網絡?

??? MPI的物理層符合RS-485標準,S7系列PLC的CPU模塊集成了MPI通信協議,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網絡的設備均稱作節(jié)點, S7系列PLC的MPI網絡節(jié)點數量的最大值為32個。MPI網絡有一個網號,在組建MPI網絡之前,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:一個網絡中,各節(jié)點要設置相同的網絡號;各節(jié)點MPI地址不能重復;為提高MPI網絡節(jié)點通信速度,最高MPI地址應當較小。編程設備、人機接口和CPU缺省的MPI地址分別為0、1、2。在連接MPI網絡時,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,將撥動開關置于“ON”即可。在將一個新的站點接入MPI網絡之前,必須關掉電源,否則會造成正在通信數據包的丟失。連接MPI網絡常用兩種部件:RS-485總線連接器和RS-485中繼器。總線連接器是MPI網絡連接節(jié)點的MPI口和網絡電纜的連接器,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網絡兩相鄰節(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)點間不應再有其他節(jié)點。若采用光纖,網絡最長可達到2 318 km。?

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

1.2? 全局數據通信?

1.2.1 全局數據通信原理?

??? 全局數據(GD)通信方式是以MPI網絡為基礎,為循環(huán)地傳輸少量的數據而設計的。全局數據通信方式僅限于同一MPI網S7系列PLC的CPU,通過MPI接口在CPU間循環(huán)交換數據。全局數據塊是MPI網上2個或多個CPU共享的數據,分別定義在發(fā)送方和接收方CPU的存儲器中,定義在發(fā)送方的數據塊為發(fā)送GD塊,定義在接收方的數據塊為接收GD塊。發(fā)送方CPU按照設定的掃描速率自動地周期性地將指定地址中的數據發(fā)送到接收方指定的地址區(qū)中,接收方CPU定期接收數據。GD塊為發(fā)送方和接收方的存儲器建立了映射關系。?

??? MPI網絡中各CPU間需要交換的數據存放的地址區(qū)和通信速率用STEP 7中的全局數據表進行組態(tài),通信是自動實現的,不需要用戶編程。?

1.2.2 全局數據環(huán)及全局數據包?

??? 在一個S7系列 PLC組成的MPI網絡中,參與全局數據包交換的CPU構成全局數據環(huán),同一個GD環(huán)中的CPU可以向環(huán)中的其他CPU發(fā)送或接收數據。在一個MPI網絡中,每個CPU最多只能參與4或8個(與CPU的型號有關)不同的GD環(huán)。一個全局數據環(huán)路有以下兩種方式:(1) 2個以上CPU組成一個全局數據環(huán)，1個CPU作為數據發(fā)送方,其他所有CPU作為數據接收方;(2)2個CPU組成一個GD環(huán)，每個CPU既能作為數據包發(fā)送方,又能作為接收方。?

??? 全局數據可由位、字節(jié)、字、雙字和相關區(qū)(數組)組成。具有相同的發(fā)送者和接收者的全局數據集合成一個全局數據包，一個全局數據包由一個或幾個GD組成,一個數據區(qū)占用的空間為數據區(qū)內的字節(jié)數加上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包的個數與CPU的型號有關 ^[3～5]。?

2 系統(tǒng)結構?

??? 本文基于MPI網絡技術設計了一汽公司技術中心發(fā)動機實驗室的冷凍水供水自動控制系統(tǒng)，實現對設備的遠程狀態(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)的結構，由中央控制計算機、可編程控制器、觸摸屏、通信網絡等構成，該結構具有較高的可靠性及可維護性。系統(tǒng)結構如圖1所示。?

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??? 下層需監(jiān)控的設備包括冷水機組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，以上參數由相應的傳感器及變頻器反饋提供。?

??? 中央控制計算機（上位機）協調整個控制系統(tǒng)正常運轉，完成系統(tǒng)運行狀況的監(jiān)測、下位機工作參數的設定與修改、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調下工作，從而使冷凍水出水溫度及壓力在規(guī)定的范圍內變化。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各參數的實時采集及下層設備的控制，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，并根據系統(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網絡構建整個系統(tǒng)。?

3 遠程監(jiān)控軟件的設計?

??? 中央控制計算機是整個控制系統(tǒng)的核心，通過運行所設計的遠程監(jiān)控軟件實現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)視現場設備的工作狀態(tài)；(2)冷凍水集中供水的自動控制；(3)設備的手動操作與運行參數的設定；(4)運行參數、變化曲線的實時顯示及歷史數據記錄、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、自動參數設定界面、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)?！敖M態(tài)王”是北京亞控公司生產的一款全中文組態(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據的設備或程序都作為外部設備（即下位機）。外部設備包括：PLC、儀表、板卡等，它們一般通過串行口和上位機交流數據。只有在定義了外部設備之后，組態(tài)王才能通過I/O變量與它們交換數據。選用計算機的COM1經MPI電纜與下層進行通信，該電纜帶有RS232/485轉換器，可實現RS232與RS485標準的轉換。通信速率為19.2 Kb/s，數據格式為8n1。?

4 MPI網絡組態(tài)及PLC通信程序設計?

4.1 MPI網絡組態(tài)?

??? 在MPI網絡組態(tài)前,要先完成各臺PLC的MPI接口組態(tài),設置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絡中的地址為0，它除了承擔控制整個系統(tǒng)自動運行等任務外，在設計調試期間還作為編程設備，當網絡系統(tǒng)發(fā)生變化時，也可對MPI網絡重新進行配置；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網絡的組態(tài)在STEP 7中來完成,主要包括設置最高MPI地址、通信速率等參數。在本系統(tǒng)的MPI網絡中，為提高通信速度，設定的最高地址為15，通信速率設定為19.2 Kb/s。?

4.2 PLC通信程序設計?

??? S7系列的PLC提供了網絡讀寫指令，通過網絡讀寫指令，程序設計人員不必了解全局數據通信的原理和GD表的生成方法就可完成PLC間的數據通信。網絡讀指令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備的數據并保存在表(TBL)中。網絡寫指令NETW的作用為初始化通信操作，通過指定的端口向遠程設備寫入表(TBL)中的數據^[6]。TBL表的參數定義如表1所示。?

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??? STEP 7編程軟件提供了網絡讀寫指令向導來幫助用戶生成網絡讀寫程序。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閥狀態(tài)及壓縮機油位開關、高壓開關、低壓開關故障、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個開關量的狀態(tài)，三通閥的開度，啟動倒計時等2個參數的數值；并需要對每臺機組開/停機溫度、能調/出水溫度、吸氣/排氣壓力、系統(tǒng)及旁通閥開度等10個參數進行設定，遠程/本地選擇、開機及復位按鈕等3個開關進行控制。具體的網絡讀指令的配置畫面如圖2所示，網絡寫指令與網絡讀指令設置方法類似。?

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??? 采用MPI構成網絡，不再需要通信單元模塊，降低了網絡設計成本。西門子的全局數據通信模式為MPI網絡中的節(jié)點交換少量數據提供了簡便可靠的通信方法，用戶不用了解其內在的復雜協議?；贛PI網絡技術開發(fā)的冷凍水供水自動控制系統(tǒng)，已應用于一汽公司發(fā)動機實驗室，實現了供水的全自動控制及遠程監(jiān)測。目前，該系統(tǒng)已經投入使用一年，運行穩(wěn)定可靠，自動化程度高，使用方便，易于維護。?

參考文獻?

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