摘要：在使用上位機和西門子s7300系列PLC實現(xiàn)自動化過程控制當中，選擇MPI協(xié)議進行通信時，PLC可以不用編程，而且可讀寫所有數(shù)據(jù)區(qū)，快捷方便。但是西門子公司沒有公布MPI協(xié)議的格式，用戶如果想使用MPI協(xié)議監(jiān)控，就必須購買其監(jiān)控產品或第三方廠家的組態(tài)軟件。這樣給用戶自主開發(fā)帶來一定困難，特別是自行開發(fā)的現(xiàn)場設備就不能通過MPI協(xié)議接入PLC。而采用其它通訊方式也存在編程復雜，需要購買軟件和授權等局限性。本文通過數(shù)據(jù)監(jiān)視、采集、分析的方法，解析出了MPI協(xié)議的關鍵報文格式，可用于實現(xiàn)上位機、現(xiàn)場設備與支持MPI協(xié)議的CPU之間通訊，從而提供了一種高效率低成本的通信方式。

前言

工業(yè)的現(xiàn)代化，很大程度體現(xiàn)在工業(yè)生產過程的自動化，其中信息的傳輸，數(shù)據(jù)的交換也成為評價工業(yè)自動化水平高低的標準。網絡通迅方式的多樣化和通迅速率的高速化，使信息交換領域從設備控制層延伸到企業(yè)管理層。信息技術的飛速發(fā)展，促進了自動化系統(tǒng)結構的變革，以網絡為主干的分布式控制系統(tǒng)已成為當今自動化系統(tǒng)的主流趨勢。因此，網絡通迅的實時性和可靠性，以及網絡故障的診斷和排除都成為工業(yè)網絡通信關注的焦點。MPI網絡是西門子工業(yè)控制系統(tǒng)中經常用到的一種通迅方式，使用RS485物理接口進行數(shù)據(jù)傳輸。下面主要闡述西門子MPI協(xié)議的解析方法以及關鍵報文格式。

MPI協(xié)議概述

MPI協(xié)議，其英文全名為Multi-point-Interface。在PLC之間可組態(tài)為主／主協(xié)議或主／從協(xié)議．如何操作依賴于設備類型：如果控制站都是s7—300／400系列PLC，那么就建立主／主連接關系，因為MPI協(xié)議支持多主站通訊，所有的s7—300CPU都可配置為網絡主站，通過主／主協(xié)議可以實現(xiàn)PLC之間的數(shù)據(jù)交換。如果某些控制站是s7—200系列PLC，則可以建立主／從連接關系，因為s7—200 CPU是從站，用戶可以通過網絡指令實現(xiàn)s7—300 CPU對s7200 CPU的數(shù)據(jù)讀寫操作。

分析思路

西門子Step 7 V5.4軟件是S7-300系列PLC(包括ET200S)的開發(fā)工具，上位機通過其PCI插槽上的通訊卡（CP5613A2）接口以及通訊電纜連接到PLC的編程口上，并且通訊卡接口和PLC編程口都是RS485接口標準。這說明，PC機實際上是可以通過RS485串口同ET200 CPU(IM151-7)通訊,只是我們不知道通訊協(xié)議而已。因此，在上位機上運用西門子提供的PRODAVE S7軟件讀寫PLC時，通過監(jiān)視通訊口上的數(shù)據(jù)，我們就有可能分析出通信報文格式。然后，撤掉西門子通訊卡，直接通過RS485串口向PLC發(fā)送報文來驗證其正確性，并作進一步的操作。本著這一思想，采用以下步驟獲得這些報文。

步驟

硬軟件需求

硬件：串口分支器及通訊電纜，西門子CP5613A2通訊卡，ADVANTECH公司PCI-1601A通訊卡，西門子ET200S（IM151-7CPU以及相關模塊）。

軟件：step7 v5.4 , simatic net 2006edition, prodave s7 , serial portmonitor，PCI1601A driver，visualc++。

硬件連接如圖1-0

安裝完相關軟件及驅動程序以后，進行硬件測試以及軟件平臺搭建

（1）串口分支器制作及通訊電纜的連接（附錄A）

（2）運用STEP 7 V5.4對ET200S組態(tài)以及相關初始化設置（附錄B）

（3）PCI1601A通訊卡的測試（附錄C）

（4）串口監(jiān)視軟件設置和測試（附錄D）

（5）PRODAVES7調試運行（附錄E）

完成設置和調試后，打開串口監(jiān)視軟件，并將PLC上電，運行PRODAVES7并在其中進行各種操作（load、unload、read、write等）時啟動數(shù)據(jù)監(jiān)視，通過比較分析發(fā)現(xiàn)：

（1）與S7-200不同，ET200S不管出于何種狀態(tài)（run或stop），一經上電，就不斷發(fā)出數(shù)據(jù)查找設備，在讀寫數(shù)據(jù)過程中也不間斷。

（2）連接、讀出、寫入和斷開時檢測到一系列有規(guī)律的數(shù)據(jù)。經過多次監(jiān)測比較分析，可得到相關操作的數(shù)據(jù)幀格式，初始化設定PLC與上位機的地址分別為02和00；為描述方便，現(xiàn)在對數(shù)據(jù)幀格式做以下符號約定

SD:(Start Delimiter)開始定界符

LE:（Length）報文長度

LER:（Repeated Length）重復數(shù)據(jù)長度

SD: (StartDelimiter)開始定界符

DA:（DestinationAddress）目標地址

SA:（Source Address）源地址

FC:（Function Code）功能碼

DSAP:（DestinationService Access Point）目的服務存取點

SSAP:（Source ServiceAccess Point）源服務存取點

FS:（Frame Sequence）幀序列號

UU:（unkown unit）未知操作單元，其數(shù)值通常為固定值

GU:(group unit)分組單元

DU:（Data Unit）數(shù)據(jù)單元

FCS:（Frame CheckSequence）校驗碼

END:（End Delimiter）結束分界符

分析結果

連接（load）過程

（1）設備查找

在PLC(ET200S)上電啟動進入run狀態(tài)后，開始不斷發(fā)出數(shù)據(jù)查找設備，數(shù)據(jù)幀格式如下。DA從00到1F共32個站號，令牌幀和總線訪問幀按照嚴格的幀時序（15幀/s），交替發(fā)出。

令牌幀：DC DA SA

DC DA 02

總線訪問幀： SD DA SA FC FCS END

10 DA 02 49 FCS 16

在prodave s7中運行Load命令后，上位機也開始不斷發(fā)出數(shù)據(jù)查找設備，數(shù)據(jù)幀格式如下。DA從00到1F共32個站號，令牌幀和總線訪問幀按照嚴格的幀時序（19幀/s），交替發(fā)出。

令牌幀： DC DA SA

DC DA 00

總線訪問幀： SD DA SA FC FCS END

10 DA 00 49FCS16

SD、DC、FC、END均占據(jù)一個字節(jié)長度，為固定數(shù)值，分別等于10、DC 49、16，F(xiàn)CS采用求和校驗，等于DA+SA+FC。

(2)握手

上位機在收到et200s發(fā)出的令牌幀（dc 02 02）后以其令牌幀（dc 00 00）作為回復，等待et200s應答，如果收到dc 00 02，pc機立即回復dc 02 00，令牌握手成功?？偩€訪問握手方式與令牌握手一致。在讀寫操作過程中，應答握手也不間斷。

讀取操作

一次讀操作的步驟包括上位機發(fā)出讀命令幀（pc_request_frame_read），PLC作出正確的響應，并將確認信息幀（plc_ack_frame_read）返回給上位機，接著反饋回正確的數(shù)據(jù)信息幀（plc_return_frame_read）給上位機，上位機接到此幀數(shù)據(jù)，校驗確定后對PLC做出確認信息幀（pc_ack_frame_read），這樣完成一個讀取數(shù)據(jù)的過程。在讀取操作過程中，上位機和PLC共進行兩次應答。

讀取命令

讀取數(shù)據(jù)時上位機的請求幀格式如下，該幀占據(jù)38字節(jié)長度，記作pc_request_frame_read(38)。

SD LE LER SD占據(jù)4字節(jié)長度，為固定值。

pc_request_frame_read(0)=68

pc_request_frame_read(1)= 1F，幀長度校驗，為DA+SA+FC+DSAP+SSAP+FS+GU+DU的字節(jié)個數(shù)。

pc_request_frame_read(2)=1F重復幀長度，與幀長度校驗記法相同。

pc_request_frame_read(3)=68

DA SA FC DSAPSSAPFS各占據(jù)7字節(jié)。

pc_request_frame_read(4)=82數(shù)值上等于目標站地址加上80

pc_request_frame_read(5)=80數(shù)值上等于源站地址加上80

pc_request_frame_read(6)=5C、7C

pc_request_frame_read(7)=16、15

pc_request_frame_read(8)=02、01

pc_request_frame_read(9)=F1為分界符，其值不變。

pc_request_frame_read(10)=00~FF，幀序號，對相同操作時自加計數(shù)。在應答握手時用來判斷當前應答幀是否為本請求的應答。

UU占據(jù)6字節(jié)長度，均為固定值

pc_request_frame_read(11)=32

pc_request_frame_read(12)=01

pc_request_frame_read(13)=00

pc_request_frame_read(14)=00

pc_request_frame_read(15) =33

pc_request_frame_read(16)=02、01

GU占據(jù)6字節(jié)長度，混合讀寫時可以進行操作

pc_request_frame_read(17)=00

pc_request_frame_read(18)=0E

pc_request_frame_read(19)=00

pc_request_frame_read(20)=00

pc_request_frame_read(21)=04

pc_request_frame_read(22)

單一讀寫時pc_request_frame_read(22)=01，其他不變化；

混合讀寫時pc_request_frame_read(22)為其他值。

DU單元占據(jù)12字節(jié)長度從pc_request_frame_read(23)到pc_request_frame_read(26)這4字節(jié)為固定數(shù)值

pc_request_frame_read(23)=12

pc_request_frame_read(24)=0A

pc_request_frame_read(25)=10

pc_request_frame_read(26)=02

pc_request_frame_read(27)和pc_request_frame_read(28)這2字節(jié)共同表示讀取的數(shù)據(jù)個數(shù)，當讀取的存儲區(qū)是I、Q、M、DB時表示字節(jié)個數(shù)，當存儲區(qū)是C、T時表示讀取的計數(shù)器或定時器的個數(shù)。

如果讀取兩個字節(jié)，則為：

pc_request_frame_read(27)=00

pc_request_frame_read(28)=02

如果讀取一個計數(shù)器或者定時器，則為：

pc_request_frame_read(27)=00

pc_request_frame_read(28)=01

pc_request_frame_read(29)、pc_request_frame_read(30)共同表示要操作的DB號，如果讀取其他區(qū)，則二者分別為00 00。

pc_request_frame_read(31)表示存儲區(qū)類型，具體參考表1-1

pc_request_frame_read(32)

pc_request_frame_read(33)

pc_request_frame_read(34)共同表示操作的起始地址，對于I、Q、M、DB存儲區(qū)按照bit計算，對C、T存儲區(qū)按照其個數(shù)計算。

若讀取DB1B1時則依次為

pc_request_frame_read(32)=00

pc_request_frame_read(33)=00

pc_request_frame_read(34)=08

若讀取C1或T1時則為

pc_request_frame_read(32)=00

pc_request_frame_read(33)=00

pc_request_frame_read(34)=01

pc_request_frame_read（35）是幀校驗碼，采用和取余算法：

（DA+SA+FC+DSAP+SSAP+FC+UU+GU+DU）mod 16#100

pc_request_frame_read(36)、pc_request_frame_read(37)是結束符，為固定值，分別等于16 E5。

PLC接收到請求命令（pc_request_frame_read）時，確認后返回一個數(shù)據(jù)幀表示回應，占據(jù)15字節(jié)長度，記作plc_ack_frame_read(15)，格式如下：

SD LE LER SD

plc_ack_frame_read(0)=68

plc_ack_frame_read(1)=08

plc_ack_frame_read(2)=08

plc_ack_frame_read(3)=68

DA、SA

plc_ack_frame_read(4)=80

plc_ack_frame_read(5)=82

FC

plc_ack_frame_read(6)=7C 5C

DSAP、SSAP

plc_ack_frame_read(7)=02

plc_ack_frame_read(8)=16

UU

plc_ack_frame_read(9)=B0

plc_ack_frame_read(10)=01

FS

plc_ack_frame_read(11)

幀序號，和pc_request_frame_read(10)保持一致。

FCS

plc_ack_frame_read(12)

幀校驗,等于（DA+SA+FC+DSSAP+SSAP+UU+FS+FCS）mod 16#100

END

plc_ack_frame_read(13)=16

plc_ack_frame_read(14)=E5

在發(fā)送完響應數(shù)據(jù)幀（plc_ack_frame_read）后PLC接著給上位機反饋其所要讀取的數(shù)據(jù)信息幀（plc_return_frame_read）,其長度因讀取字節(jié)個數(shù)而長短不定，格式如下：

SD LE LER SD

plc_return_frame_read(0)=68

plc_return_frame_read(1)

plc_return_frame_read(2)

plc_return_frame_read(3)=68

DA SA FC DSAPSSAP FS各占一個字節(jié)

plc_return_frame_read(4)=80

plc_return_frame_read(5)=82

plc_return_frame_read(6)=5C

plc_return_frame_read(7)=16

plc_return_frame_read(8)=02

plc_return_frame_read(9)分界符，為固定值F1

plc_return_frame_read(10)，與plc_ack_frame（11）保持一致。

UU占據(jù)8個字節(jié)長度，均為固定值

plc_return_frame_read(11)=32

plc_return_frame_read(12)=03

plc_return_frame_read(13)=00

plc_return_frame_read(14)=00

plc_return_frame_read(15)=33

plc_return_frame_read(16)=02

plc_return_frame_read(17)=00

plc_return_frame_read(18)=02

GU占據(jù)6字節(jié)長度

plc_return_frame_read(19)=00

plc_return_frame_read(20)

等于讀取的自己個數(shù)加4，如果讀取一個字節(jié)時為05

plc_return_frame_read(21)=00

plc_return_frame_read(22)=00

plc_return_frame_read(23)=04

plc_return_frame_read(24)

單一讀取時為01，分組讀取時為其他值。

DU占據(jù)（4+pc_request_frame_read(27)+pc_request_frame_read(28)）字節(jié)長度

plc_return_frame_read(25)=FF

plc_return_frame_read(26)=04

plc_return_frame_read(27)、plc_return_frame_read(28)共同表示返回所讀取的數(shù)據(jù)位數(shù)，按照bit計算；如果讀取了一個字節(jié)，則他們分別為00、08。

PLC返回所要讀取的數(shù)據(jù)，按照從低地址到高地址的順序依次存放。

plc_return_frame_read(29)

plc_return_frame_read(30)

.

.

plc_return_frame_read(n)

n=28+讀取的字節(jié)數(shù)

plc_return_frame_read(n+1)為FCS,采用和取余校驗。

END

plc_return_frame_read(n+2)=16

plc_return_frame_read(n+3)=E5

上位機在接收到數(shù)據(jù)經過確認以后向PLC發(fā)送一個確認幀（pc_ack_frame_read）,一共15字節(jié)長度，記作pc_ack_frame_read（15）。

格式如下：

SD LE LER SD

pc_ack_frame_read（0）=68

pc_ack_frame_read（1）=08

pc_ack_frame_read（2）=08

pc_ack_frame_read（3）=68

DA SA

pc_ack_frame_read（4）=82

pc_ack_frame_read（5）=80

FC

pc_ack_frame_read（6）=5C

DSAP SSAP

pc_ack_frame_read（7）=16

pc_ack_frame_read（8）=02

UU

pc_ack_frame_read（9）=B0

pc_ack_frame_read（10）=07

FS

pc_ack_frame_read（11）和plc_return_frame(10)保持一致

FCS

pc_ack_frame_read（12）

采用求和取余校驗算法，等于（DA+SA+FC+DSSAP+SSAP+UU+FS）mod 16#100

END

pc_ack_frame_read（13）=16

pc_ack_frame_read（14）=E5

讀數(shù)據(jù)過程完成。

寫入操作

一次完整的寫入操作步驟包括：首先上位機發(fā)出寫命令信息幀（pc_request_frame_write），PLC接收以后判斷，若正確，則做出響應，并將確認信息（plc_ack_frame_write）幀返回給上位機，并反饋回正確的數(shù)據(jù)（plc_return_frame_write）幀給上位機，上位機接到此幀數(shù)據(jù)，校驗正確后對PLC做出確認信息（pc_ack_frame_write），這樣就完成一個讀取數(shù)據(jù)的過程。在讀取操作過程中，上位機和PLC共進行兩次應答。

寫入時上位機的請求幀（pc_request_frame_write）所占據(jù)字節(jié)長度不確定，跟寫入的數(shù)據(jù)個數(shù)有關。記作pc_request_frame_write（），格式如下：

SD LE LER SD

pc_request_frame_write（0）=68

pc_request_frame_write（1）pc_request_frame_write（2）寫入一個字節(jié)時為24，寫入兩個字節(jié)時為25…

pc_request_frame_write（3）=68

DA SA FCDSAP SSAP FS

pc_request_frame_write（4）=82

pc_request_frame_write（5）=80

pc_request_frame_write（6）=5C

pc_request_frame_write（7）=16

pc_request_frame_write（8）=02

pc_request_frame_write（9）=F1

pc_request_frame_write（10）為幀序號，從00到FF

UU占據(jù)6字節(jié)長度

pc_request_frame_write（11）= 32

pc_request_frame_write（12）=01

pc_request_frame_write（13）=00

pc_request_frame_write（14）=00

pc_request_frame_write（15）=43

pc_request_frame_write（16）=02

GU占據(jù)6字節(jié)長度

pc_request_frame_write（17）=00

pc_request_frame_write（18）=0E

pc_request_frame_write（19）、pc_request_frame_write（20）共同表示寫入的字節(jié)個數(shù)加4。如果要寫入2個字節(jié)，則依次為00、06。

pc_request_frame_write（21）=05

pc_request_frame_write（22）=01

DU占據(jù)的長度和要寫入的字節(jié)個數(shù)有關，其長度為

（16+ pc_request_frame_write（21）+pc_request_frame_write（22）- 4）個字節(jié)，置復位操作按照一個字節(jié)計算。

pc_request_frame_write（23）=12

pc_request_frame_write（24）=0A

pc_request_frame_write（25）=10

pc_request_frame_write（26）與存儲區(qū)有關，當寫C區(qū)時，為1C, M區(qū)置復位時為01，寫其他存儲區(qū)為02

pc_request_frame_write（27）=00

pc_request_frame_write（28）=01

pc_request_frame_write（29）、pc_request_frame_write（30）共同表示所要寫入的DB號，寫其他存儲區(qū)時，為00 00，注意I區(qū)和T區(qū)不能進行寫操作。

pc_request_frame_write（31）表示存儲區(qū)類型，參考表1-2

pc_request_frame_write（32）

pc_request_frame_write（33）

pc_request_frame_write（34）

以上三個字節(jié)表示要寫入的起始地址。對于C區(qū)，則為起始計數(shù)器的編號，若對C2寫入，則依次為00 00 02。對其他區(qū)寫操作時則表示起始位地址，如果要寫DB1B1,則依次為00、00、08。

pc_request_frame_write（35）、pc_request_frame_write（36）與存儲區(qū)有關，寫入C區(qū)時依次為00 09，置復位操作時依次為00 03，寫入其他區(qū)（包括對M區(qū)寫入字節(jié)）是依次為00、04。

pc_request_frame_write（37）、pc_request_frame_write（38）共同表示寫入的數(shù)據(jù)量，與存儲區(qū)類型有關。寫C區(qū)時表示寫入的字節(jié)個數(shù)，例如對一個計數(shù)器進行寫操作，則其值依次為00、02；寫其他存儲區(qū)區(qū)時表示要寫入的數(shù)據(jù)位數(shù)，按照bit計算，若寫DB1B0,則依次為00、08。

pc_request_frame_write（39）

pc_request_frame_write（40）

pc_request_frame_write（41）

.

.

pc_request_frame_write（n）

以上若干字節(jié)表示要寫入的數(shù)據(jù)，按照低地址到高地址的順序排列,其中對C區(qū)進行寫操作時，數(shù)據(jù)表示為BCD碼，對其他其他存儲區(qū)寫入時，數(shù)據(jù)均為十六進制格式表示。

n=38+ pc_request_frame_write（19）+pc_request_frame_write（20）- 4）。

pc_request_frame_write（n+1）為FCS，采用求和取余算法，等于

（DA+SA+FC+DSAP+SSAP+FS+UU+GU+DU）mod 16#100

END

pc_request_frame_write（n+2）=16

pc_request_frame_write（n+3）=E5

PLC在接收到請求數(shù)據(jù)幀確認后，返回確認信息幀（plc_ack_frame_write）

占據(jù)15字節(jié)長度，格式如下：

SD LE LER SD

plc_ack_frame_write（0）=68

plc_ack_frame_write（1）=08

plc_ack_frame_write（2）=08

plc_ack_frame_write（3）=68

DA SA FCDSAP SSAP

plc_ack_frame_write（4）=80

plc_ack_frame_write（5）=82

plc_ack_frame_write（6）=5C

plc_ack_frame_write（7）=02

plc_ack_frame_write（8）=16

UU

plc_ack_frame_write（9）=B0

plc_ack_frame_write（10）=01

FS

plc_ack_frame_write（11）與pc_request_frame_write（10）保持一致。

FCS

plc_ack_frame_write（12）,采用求和取余校驗算法。

END

plc_ack_frame_write（13）=16

plc_ack_frame_write（14）=E5

plc_return_frame_write幀格式

記作plc_return_frame_write（29）

SD LE LER SD

plc_return_frame_write（0）=68

plc_return_frame_write（1）=16

plc_return_frame_write（2）=16

plc_return_frame_write（3）=68

DA SA FCDSAP SSAP FS

plc_return_frame_write（4）=80

plc_return_frame_write（5）=82

plc_return_frame_write（6）=7C

plc_return_frame_write（7）=02

plc_return_frame_write（8）=16

plc_return_frame_write（9）=F1

plc_return_frame_write（10），F(xiàn)S，同plc_ack_frame_write（11）保持一致。

UU占據(jù)15字節(jié)長度

plc_return_frame_write（11）=32

plc_return_frame_write（12）=03

plc_return_frame_write（13）=00

plc_return_frame_write（14）=00

plc_return_frame_write（15）=43

plc_return_frame_write（16），和pc_request_frame_write（16）保持一致。

plc_return_frame_write（17）=00

plc_return_frame_write（18）=02

plc_return_frame_write（19）=00

plc_return_frame_write（20）=01

plc_return_frame_write（21）=00

plc_return_frame_write（22）=00

plc_return_frame_write（23）=05

plc_return_frame_write（24）=01

plc_return_frame_write（25）=FF

FCS

plc_return_frame_write（26），采用求和取余校驗算法。

END

plc_return_frame_write（27）=16

plc_return_frame_write（28）=E5

pc_ack_frame_write幀格式

記作pc_ack_frame_write（15）

SD LE LER SD

pc_ack_frame_write（0）=68

pc_ack_frame_write（1）=08

pc_ack_frame_write（2）=08

pc_ack_frame_write（3）=68

DA SA FCDSAP SSAP

pc_ack_frame_write（4）=82

pc_ack_frame_write（5）=80

pc_ack_frame_write（6）=7C

pc_ack_frame_write（7）=16

pc_ack_frame_write（8）=02

UU

pc_ack_frame_write（9）=B0

pc_ack_frame_write（10）=07

FS

pc_ack_frame_write（11）plc_return_frame_write（29）保持一致。

FCS

pc_ack_frame_write（12）采用求和取余校驗算法。

END

pc_ack_frame_write（13）=16

pc_ack_frame_write（14）=E5

寫數(shù)據(jù)過程完成。

對于讀寫數(shù)據(jù)幀的FC以及DSAP和SSAP做以說明

測試源碼見附錄F。

結束語

本文運用串口監(jiān)視的方法，通過簡單易行的操作解析出siemens MPI協(xié)議的報文格式，其結果具有很大的使用價值（1）使用戶不用購買西門子專用的通訊處理卡就可以讓上位機和PLC的通信，從而實現(xiàn)所需控制功能，節(jié)約成本。（2）降低了用戶自主開發(fā)的難度，使通訊編程變得簡單明了，無需購買軟件和授權等就可以使用MPI協(xié)議監(jiān)控PLC的工作狀態(tài)。