摘要：MPI（Multipoint interface）总线技术是西门子开发基于RS485的一种多点通信的接口技术，目前为西门子内部协议，适用于西门子PLC的总线连接技术。MPI是SIMATIC S7多点通信接口，是一种适用于少数站点间通信的网络，多用于连接上位机和少量PLC之间近距离通信。MPI总线是一种方便、可靠、廉价的中小型网络通信技术，在各行业有着广泛的应用。叙述了MPI总线技术通讯方式以及在三钢炼钢厂实际应用中常见的故障进行分析。
关键词：MPI；看门狗 ；MPI通讯方式
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）09-2257-04
MPI即多点接口（Multipoint interface）的简称，是西门子公司开发的用于PLC之间通讯的非公开协议，目前只适用于西门子PLC之间的通讯。它具有简单经济、可靠性高的优点，适用于通信速率要求不高、通信数据量不大、对网络稳定性要求较高的场合。三钢炼钢厂二次除尘系统现属于总线型网络，由于建设的历史原因共分为三期，三期不同的二次除尘系统共用一路气源，一路输灰管道，所以整个二次除尘系统必须各自独立且不同时工作。而协调与管理三个二次除尘之间工作次序的通道就是使用MPI总线技术。三钢炼钢厂5#连铸机为集散控制系统，负责现场采集与控制的PLC通过MPI总线与两台主控制PLC相联，主控制PLC再通过工业以态网与HMI总线连接。现场数据通过MPI总线采集到主控制PLC，主控制PLC将数据运算后反馈给现场采集PLC以使其产生相应的控制作用。HMI总线可以通过对主控制PLC的操作控制来完成整个系统的手动或其它控制。这是两种非常典型的而且常用的系统，MPI总线在整个系统中都扮演着非常重要的角色。MPI总线的通信速率为19.2Kbps～12Mbps，最多可以连接32个节点，最大通讯距离为50m，并且可以通过中断器或降低传输速率来扩展长度。因其出色的稳定性，使得目前越来越多的现场可编程控制器都采用MPI连接。
1 MPI总线的通信方式
MPI总线的通信方式一共有三种，分别为调用系统功能块通讯、调用系统功能通讯、全局数据包通信。
1.1 调用系统功能块的通讯方式
对于MPI网络，调用系统功能块进行PLC之间的通信只适用于S7-300/400、S7-400/400之间的通信。且由于S7-300 CPU不能调用SFB12（BSEND）、SFB13（BRCV）、SFB14（GET）、SFB15（PUT），不能主动发送和接收数据，只能进行单向通信，所以S7-300PLC只能作为一个数据服务器，由S7-400 PLC对其进行数据读写操作，编程在S7-400侧。S7-400/400 PLC 通信时，S7-400 PLC可以调用SFB14、SFB15，既可作为数据服务器同时又可与客户机进行单向通信，又可调用SFB12、SFB13发送和接收数据进行双向通信。在MPI网络上调用系统功能块通信时，最大数据包一般不超过160个字节。
1.2 调用系统功能的通讯方式
调用系统功能（SFC65-69）来实现MPI的通信，这种方式适用于S7-200/300/400 PLC之间的通信，该方式不需要设置S7连接和全局数据表即可方便地进行通信，但它的连接数目由S7基本通讯连接数目决定。最大可用连接为当前CPU能提供的最大连接数目，实际上S7基本通讯连接比该数值小，最少减少两个用于PG、OP通讯连接。调用SFC通信可分为两种方式：双向通信和单向通信。双向通信的双方都要调用通信块，一方发送，另一方接收。这种方式适用于S7-300/400之间的通信，发送块是SFC65，接收块是SFC66。需要注意的是由于PLC程序执行速度非常快，必须将发送数据功能放到OB35中以500ms以上的时间循环扫描或限制SFC65的REQ的接通时间，以免发送太快目标PLC来不及接收造成通讯故障。
与双向通信不同，单向通信只需在一方编写程序即可完成通信，也就是客户机与服务器的关系。编写程序一方的PLC做为客户机，另一方为服务器。SFC67（X_GET）用来读取服务器指定数据区的数据并存放到本地数据区中，SFC68（X_PUT）用来写本地数据区的数据到服务器指定的数据区中。
1.3 全局数据包通讯方式
全局数据包的通信方式是在配置PLC网络的过程中，组态所要通信PLC的发送区和接收区，不需要任何程序处理即可完成通信。由于这种方式简单方便，对硬件要求也不高，是MPI总线中使用最多的一种通讯方式，三钢炼钢厂二次除尘系统和5#连铸机PLC通讯就是使用的这种通讯方式。该方式是目前使用最多的MPI通讯方式。
要使用全局数据包通讯，要先将需要通信的PLC连接到同一MPI网络，然后在STEP7软件中来配置全局数据通讯。在里面可选择需要通讯的PLC，最多可选择15个PLC，即可与15个PLC进行通讯；要进行交换的数据，可一次输入多个连续的数据，如DB1.DBW0～DB1.DBW9输入DB1.DBW0：10。
组态界面中GD ID号分为三部分，如图1，A部分表示该MPI网络中全局数据包的循环数，每一个循环数表示和一个CPU通信，如GD1.1.1与GD2.1.1为与2个不同PLC通讯的不同循环。
B部分为全局数据包的个数。表示一个循环有几个全局数据包。如GD1.1.1与GD1.2.1为同一循环中的两个不同的数据包。
C部分为一个数据包里包含的数据区数。一个数据包可包含不同的数据，STEP7会自动编译到最优结果，以减少CPU通信负载（图2）。
2 MPI通讯技术在二次除尘系统中的应用
三钢炼钢厂二次除尘系统是由MPI总线连接3台S7-300 PLC与2台上位机（HMI），3台PLC之间相互通讯以协调其输灰时间的总线型控制系统（图3）。
上位机HMI1、HMI2主要负责二次除尘系统的输灰操作与实时数据显示，通过CP5611网卡与MPI总线相连。三台PLC分别负责一、二、三期二次除尘的现场数据采集与输灰自动或手动操作控制。每台连在MPI总线上的设备都有自己唯一的地址，以区分各个不同设备。每条MPI总线最多可以连接32个独立设备，MPI地址为0-31。如二次除尘系统中HMI1与HMI2地址分别为5、6，一、二、三期二次除尘地址分别为3、2、4，各自的操作指令通过MPI总线送达指定PLC。
3 MPI通讯技术在5#连铸机的应用
5#连铸机控制系统是由MPI总线与工业以态网组成的复杂网络，一共由2台上位机（HMI）与8台控制器（PLC）组成。5#连铸机为集散控制系统，网络配置如图4所示。上位机HMI1和HMI2通过工业以态网与水系统PLC和公用PLC通讯，负责对整个控制系统的手动控制与参数输入，并显示实时现场数据和保存历史记录。现场数据采集与控制PLC负责采集一到六流连铸机的生产数据，之后通过MPI总线传送给水系统PLC或公用PLC，水系统PLC或公用PLC对数据进行处理，产生对整个系统控制的参数数据，再通过MPI总线反馈到一到六流PLC，对现场仪表与设备进行自动或手动控制。
4 MPI通讯技术故障诊断方式
MPI总线的全局数据通讯方式故障处理有两种方式，第一种是在全局数据配置中对GST、GDS状态字进行配置，如图2中GST为全局错误状态字，指所有数据包的错误，GDS为各个循环的错误字段。这两个错误状态字可为一个双字（DWORD）数据，可以在程序中读取这个状态字进行故障判断。该方式能得到故障的全部信息，但使用起来非常麻烦，要对该状态字各个位进行判断来确定不同的错误信息，而且只能够用于PLC与PLC之间的通讯故障，所以一般只在故障诊断时使用。
第二种方式是使用看门狗技术对网络进行简单的判断，该方式可用于所有网络类型的故障判断，不仅能判断PLC与PLC之间的通讯故障，还能判断PLC与上位机、PLC与其它工业设备之间的通讯故障。在实际使用中一般都用第二种方式进行故障判断，这也是5#连铸机所使用的故障判断方式。
要使用第二种方式对MPI网络进行判断，必须在PLC中设计一个看门狗程序，一般都在服务器PLC中设置看门狗程序，再将看门狗数据发送给其它PLC或设备，其它PLC或设备对看门狗数据进行分析或将此数据反馈给服务器PLC对其进行分析，得出网络是否故障。使用看门狗程序，必须将其服务器端与客户端程序都放在OB1中调用，以确保每个CPU循环周期都能够调用，否则将有可能网络故障的时候没有输出。看门狗服务器端程序的一种设计方法如下：
该看门狗程序输出一个每秒增加1的数据，如对网络质量有特殊要求时可以更改脉冲时间，让其适应不同网络的要求。为了保证数据不会溢出，本程序设置27648为数据上限。
以下是看门狗客户端程序，正常情况下PLC接收到看门狗数据，看门狗数据会每秒增加1，我们对该数据进行分析即可判断出通讯是否正常。本程序中看门狗数据每5秒在MW10中更新一次，通过当前看门狗数据与之前保存在MW10中的数据比较。如果这两数据值不相等则判断通讯正常，如果这两个数据值相等且持续时间为15秒则判断通讯中断，输出网络故障信息。
在此看门狗客户端程序中，可根据对网络质量要求修改接通延时定时器的时间。对网络质量要求高，需及时判断网络通讯情况，可将定时器T1的时间缩短，反之延长。
使用看门狗程序判断网络故障时，看门狗程序有两种使用方式，第一种方式是服务器端程序与客房端程序分别设计在两个不同的PLC中，这种情况适用于分布式控制系统。如二次除尘系统，上位机通过网络可与所有的PLC通讯，各个PLC之间网络故障都可通过网络传送给上位机进行显示。如一期二次除尘PLC与二期二次除尘PLC之间的网络故障可将看门狗服务器程序放在一期二次除尘PLC中，客房端程序放在二期二次除尘PLC中，如果这两PLC之间网络故障可通过二期二次除尘PLC将故障信息传送给上位机。其它PLC之间情况与之类似。
第二种方式是服务器端程序与客户端程序都放在同一PLC中，另一PLC只是简单的将看门狗数据发送回来。该方式适用于所有控制系统，而且集散式控制系统只能使用此方式。如5#连铸机，水系统PLC与其它六流PLC之间的网络判断就是将看门狗服务器端程序与客房端程序都放在水系统PLC中，如果将客户端程序放在其它六流PLC中，网络故障后将不能将故障信息反馈给上位机，看门狗设置不成功。
5 MPI网络通讯中遇到的故障与解决方法
5.1 MPI地址与从站模块冲突
三钢炼钢厂二次除尘系统出现的MPI故障，MPI网络配置正确，STEP 7能访问各个PLC，但上位机HMI无法接收数据。当一、二期二次除尘系统单独与上位机通讯时HMI数据正常，三期二次除尘系统单独与上位机通讯时HMI数据也正常，但将所有二次除尘都连接在一起时HMI无数据。经排查，故障是由三期二次除尘从站模块ET200坏导致，更换模块后网络恢复正常。此故障说明从站模块某些故障会引起MPI网络地址冲突但PLC从站工作正常。
5.2 强干扰引起MPI通讯故障
三钢炼钢厂脱硫系统出现的MPI故障，MPI网络配置正确，但上位机通过MPI网络的某些数据时有时无。经观察发现变频器工作时故障出现频率高，最后确定故障出现在经过变频器的一条MPI线路上，将MPI网络远离变频器网络恢复正常。此故障说明强干扰会引起MPI故障。
5.3 短路引起的MPI通讯故障
三钢炼钢厂5#连铸机出现的MPI故障，MPI网络配置正确，但网络不能通讯。经分析与排查，将公用PLC后的MPI断开网络恢复正常，用万用表测得公用PLC后的MPI网线路电阻非常小，更换公用PLC后的总线连接器网络恢复正常。由于MPI网线本身就带有一定电阻，网线长时短路并不会完全中断MPI网，造成的网络故障现象为MPI网时好时坏，这种故障只能通过断开MPI网各节点来判断故障。
6 结束语
MPI总线技术在三钢炼钢厂多个控制系统的实际应用中故障率低，充分体现了MPI总线技术的优点，是值得推广的一种网络连接技术。由于其通讯接口完全集成在控制器的CPU上而无需再另外增加专用通讯模块，使得系统的硬件成本得到节约。但因其传输速率较低，不适用于大型的有较大数据量传输的控制系统。
参考文献：
[1] 邱公伟.可编程控制器网络通信及应用[M].北京：清华大学出版社，2000.
[2] 崔坚.西门工业网络通信指南[M].北京：机械工业出版社，2005.
[3] 西门子MPI网络通讯技术手册[D].SIEMENS公司.