通过简单易行的操作解析出siemens MPI协议的报文格式

摘要：在使用上位机和西门子s7300系列PLC实现自动化过程控制当中，选择MPI协议进行通信时，PLC可以不用编程，而且可读写所有数据区，快捷方便。但是西门子公司没有公布MPI协议的格式，用户如果想使用MPI协议监控，就必须购买其监控产品或第三方厂家的组态软件。这样给用户自主开发带来一定困难，特别是自行开发的现场设备就不能通过MPI协议接入PLC。而采用其它通讯方式也存在编程复杂，需要购买软件和授权等局限性。本文通过数据监视、采集、分析的方法，解析出了MPI协议的关键报文格式，可用于实现上位机、现场设备与支持MPI协议的CPU之间通讯，从而提供了一种高效率低成本的通信方式。

前言

工业的现代化，很大程度体现在工业生产过程的自动化，其中信息的传输，数据的交换也成为评价工业自动化水平高低的标准。网络通迅方式的多样化和通迅速率的高速化，使信息交换领域从设备控制层延伸到企业管理层。信息技术的飞速发展，促进了自动化系统结构的变革，以网络为主干的分布式控制系统已成为当今自动化系统的主流趋势。因此，网络通迅的实时性和可靠性，以及网络故障的诊断和排除都成为工业网络通信关注的焦点。MPI网络是西门子工业控制系统中经常用到的一种通迅方式，使用RS485物理接口进行数据传输。下面主要阐述西门子MPI协议的解析方法以及关键报文格式。

MPI协议概述

MPI协议，其英文全名为Multi-point-Interface。在PLC之间可组态为主／主协议或主／从协议．如何操作依赖于设备类型：如果控制站都是s7—300／400系列PLC，那么就建立主／主连接关系，因为MPI协议支持多主站通讯，所有的s7—300CPU都可配置为网络主站，通过主／主协议可以实现PLC之间的数据交换。如果某些控制站是s7—200系列PLC，则可以建立主／从连接关系，因为s7—200 CPU是从站，用户可以通过网络指令实现s7—300 CPU对s7200 CPU的数据读写操作。

分析思路

西门子Step 7 V5.4软件是S7-300系列PLC(包括ET200S)的开发工具，上位机通过其PCI插槽上的通讯卡（CP5613A2）接口以及通讯电缆连接到PLC的编程口上，并且通讯卡接口和PLC编程口都是RS485接口标准。这说明，PC机实际上是可以通过RS485串口同ET200 CPU(IM151-7)通讯,只是我们不知道通讯协议而已。因此，在上位机上运用西门子提供的PRODAVE S7软件读写PLC时， 通过监视通讯口上的数据，我们就有可能分析出通信报文格式。然后，撤掉西门子通讯卡，直接通过RS485串口向PLC发送报文来验证其正确性，并作进一步的操作。本着这一思想，采用以下步骤获得这些报文。

步骤

硬软件需求

硬件：串口分支器及通讯电缆，西门子CP5613A2通讯卡，ADVANTECH公司PCI-1601A通讯卡，西门子ET200S（IM151-7CPU以及相关模块）。

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

硬件连接如图1-0                           

安装完相关软件及驱动程序以后，进行硬件测试以及软件平台搭建

（1）       串口分支器制作及通讯电缆的连接（附录A）

（2）       运用STEP 7 V5.4对ET200S组态以及相关初始化设置（附录B）

（3）       PCI1601A通讯卡的测试（附录C）

（4）       串口监视软件设置和测试（附录D）

（5）      PRODAVES7 调试运行（附录E）

完成设置和调试后，打开串口监视软件，并将PLC上电，运行PRODAVES7并在其中进行各种操作（load 、unload、read 、write等）时启动数据监视，通过比较分析发现：

（1）       与S7-200不同，ET200S不管出于何种状态（run 或stop），一经上电，就不断发出数据查找设备，在读写数据过程中也不间断。

（2）       连接、读出、写入和断开时检测到一系列有规律的数据。经过多次监测比较分析，可得到相关操作的数据帧格式，初始化设定PLC与上位机的地址分别为02和00；为描述方便，现在对数据帧格式做以下符号约定

SD:(Start Delimiter)开始定界符

LE:（Length）报文长度

LER:（Repeated Length）重复数据长度

SD: (StartDelimiter)开始定界符

DA:（DestinationAddress）目标地址

SA:（Source Address）源地址

FC:（Function Code）功能码

DSAP:（DestinationService Access Point）目的服务存取点

SSAP:（Source ServiceAccess Point）源服务存取点

FS: （Frame  Sequence）帧序列号

UU:（unkown unit）未知操作单元，其数值通常为固定值

GU:(group unit) 分组单元

DU:（Data Unit）数据单元

FCS:（Frame CheckSequence）校验码

END:（End Delimiter）结束分界符

分析结果

连接（load）过程

（1）设备查找

在PLC(ET200S)上电启动进入run状态后，开始不断发出数据查找设备，数据帧格式如下。DA从00到1F共32个站号，令牌帧和总线访问帧按照严格的帧时序（15帧/s），交替发出。

令牌帧：         DC   DA    SA

DC   DA    02

总线访问帧：    SD  DA   SA   FC   FCS    END

10   DA   02   49    FCS    16

在prodave s7 中运行Load命令后，上位机也开始不断发出数据查找设备，数据帧格式如下。DA从00到1F共32个站号，令牌帧和总线访问帧按照严格的帧时序（19帧/s），交替发出。

令牌帧：          DC  DA  SA

DC  DA   00

总线访问帧：      SD   DA   SA   FC   FCS   END

10   DA   00    49  FCS    16

SD、DC、FC、END均占据一个字节长度，为固定数值，分别等于 10、DC  49、16，FCS采用求和校验，等于DA+SA+FC。

(2)握手

上位机在收到et200s发出的令牌帧（dc 02 02）后以其令牌帧（dc 00 00）作为回复，等待et200s应答，如果收到dc 00 02，pc机立即回复dc 02 00，令牌握手成功。总线访问握手方式与令牌握手一致。在读写操作过程中，应答握手也不间断。

读取操作

一次读操作的步骤包括上位机发出读命令帧（pc_request_frame_read），PLC作出正确的响应，并将确认信息帧（plc_ack_frame_read）返回给上位机，接着反馈回正确的数据信息帧（plc_return_frame_read）给上位机，上位机接到此帧数据，校验确定后对PLC做出确认信息帧（pc_ack_frame_read），这样完成一个读取数据的过程。在读取操作过程中，上位机和PLC共进行两次应答。

读取命令

读取数据时上位机的请求帧格式如下，该帧占据38字节长度，记作pc_request_frame_read(38)。

SD  LE  LER  SD 占据4字节长度，为固定值。

pc_request_frame_read(0)=68

pc_request_frame_read(1)= 1F，帧长度校验，为DA+SA+FC+DSAP+SSAP+FS+GU+DU的字节个数。

pc_request_frame_read(2)=1F重复帧长度，与帧长度校验记法相同。

pc_request_frame_read(3)=68

DA  SA  FC  DSAP SSAP FS 各占据7字节。

pc_request_frame_read(4)=82数值上等于目标站地址加上80

pc_request_frame_read(5)=80数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为分界符，其值不变。

pc_request_frame_read(10)=00~FF，帧序号，对相同操作时自加计数。在应答握手时用来判断当前应答帧是否为本请求的应答。

UU占据6字节长度，均为固定值

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占据6字节长度，混合读写时可以进行操作

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)

单一读写时pc_request_frame_read(22)=01，其他不变化；

混合读写时pc_request_frame_read(22)为其他值。

DU 单元占据12字节长度从pc_request_frame_read(23)到pc_request_frame_read(26) 这4字节为固定数值

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)这2字节共同表示读取的数据个数，当读取的存储区是I、 Q、M 、DB时表示字节个数，当存储区是C、T时表示读取的计数器或定时器的个数。

如果读取两个字节，则为：

pc_request_frame_read(27)=00

pc_request_frame_read(28)=02

如果读取一个计数器或者定时器，则为：

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号，如果读取其他区，则二者分别为00 00。

pc_request_frame_read(31)表示存储区类型，具体参考表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，对于I、 Q、 M 、 DB存储区按照bit计算，对C 、T存储区按照其个数计算。

若读取DB1B1时则依次为

pc_request_frame_read(32)=00

pc_request_frame_read(33)=00

pc_request_frame_read(34)=08

若读取C1或T1时则为

pc_request_frame_read(32)=00

pc_request_frame_read(33)=00

pc_request_frame_read(34)=01

pc_request_frame_read（35）是帧校验码，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)是结束符，为固定值，分别等于16  E5。

PLC接收到请求命令（pc_request_frame_read）时，确认后返回一个数据帧表示回应，占据15字节长度，记作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)

帧序号，和pc_request_frame_read(10)保持一致。

FCS

plc_ack_frame_read(12)

帧校验,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

在发送完响应数据帧（plc_ack_frame_read）后PLC接着给上位机反馈其所要读取的数据信息帧（plc_return_frame_read）,其长度因读取字节个数而长短不定，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  DSAP SSAP  FS各占一个字节

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，为固定值F1

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

UU占据8个字节长度，均为固定值

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占据6字节长度

plc_return_frame_read(19)=00

plc_return_frame_read(20)

等于读取的自己个数加4，如果读取一个字节时为05

plc_return_frame_read(21)=00

plc_return_frame_read(22)=00

plc_return_frame_read(23)=04

plc_return_frame_read(24)

单一读取时为01，分组读取时为其他值。

DU占据（4+pc_request_frame_read(27)+pc_request_frame_read(28)）字节长度

plc_return_frame_read(25)=FF

plc_return_frame_read(26)=04

plc_return_frame_read(27)、plc_return_frame_read(28)共同表示返回所读取的数据位数，按照bit计算；如果读取了一个字节，则他们分别为 00、08。

PLC返回所要读取的数据，按照从低地址到高地址的顺序依次存放。

plc_return_frame_read(29)

plc_return_frame_read(30)

.

.

plc_return_frame_read(n)

n=28+读取的字节数

plc_return_frame_read(n+1)为FCS,采用和取余校验。

END

plc_return_frame_read(n+2)=16

plc_return_frame_read(n+3)=E5

上位机在接收到数据经过确认以后向PLC发送一个确认帧（pc_ack_frame_read）,一共15字节长度，记作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）

采用求和取余校验算法，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

读数据过程完成。

写入操作

一次完整的写入操作步骤包括：首先上位机发出写命令信息帧（pc_request_frame_write），PLC接收以后判断，若正确，则做出响应，并将确认信息（plc_ack_frame_write）帧返回给上位机，并反馈回正确的数据（plc_return_frame_write）帧给上位机，上位机接到此帧数据，校验正确后对PLC做出确认信息（pc_ack_frame_write），这样就完成一个读取数据的过程。在读取操作过程中，上位机和PLC共进行两次应答。

写入时上位机的请求帧（pc_request_frame_write）所占据字节长度不确定，跟写入的数据个数有关。记作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）写入一个字节时为24，写入两个字节时为25…

pc_request_frame_write（3）=68

DA  SA  FC DSAP  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）为帧序号，从00到FF

UU占据6字节长度

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 占据6字节长度

pc_request_frame_write（17）=00

pc_request_frame_write（18）=0E

pc_request_frame_write（19）、pc_request_frame_write（20）共同表示写入的字节个数加4。如果要写入2个字节，则依次为00 、06。

pc_request_frame_write（21）=05

pc_request_frame_write（22）=01

DU 占据的长度和要写入的字节个数有关，其长度为

（16+ pc_request_frame_write（21）+pc_request_frame_write（22）- 4）个字节，置复位操作按照一个字节计算。

pc_request_frame_write（23）=12

pc_request_frame_write（24）=0A

pc_request_frame_write（25）=10

pc_request_frame_write（26）与存储区有关，当写C区时，为1C, M区置复位时为01，写其他存储区为 02

pc_request_frame_write（27）=00

pc_request_frame_write（28）=01

pc_request_frame_write（29）、pc_request_frame_write（30）共同表示所要写入的DB号，写其他存储区时，为00  00，注意I区和T区不能进行写操作。

pc_request_frame_write（31）表示存储区类型，参考表1-2

pc_request_frame_write（32）

pc_request_frame_write（33）

pc_request_frame_write（34）

以上三个字节表示要写入的起始地址。对于C区，则为起始计数器的编号，若对C2写入，则依次为00 00 02。对其他区写操作时则表示起始位地址，如果要写DB1B1,则依次为 00、00、08。

pc_request_frame_write（35）、pc_request_frame_write（36）与存储区有关，写入C区时依次为00  09，置复位操作时依次为00 03，写入其他区（包括对M区写入字节）是依次为00、04 。

pc_request_frame_write（37）、pc_request_frame_write（38）共同表示写入的数据量，与存储区类型有关。写C区时表示写入的字节个数，例如对一个计数器进行写操作，则其值依次为00、02；写其他存储区区时表示要写入的数据位数，按照bit计算，若写DB1B0,则依次为00、08。

pc_request_frame_write（39）

pc_request_frame_write（40）

pc_request_frame_write（41）

.

.

pc_request_frame_write（n）

以上若干字节表示要写入的数据，按照低地址到高地址的顺序排列,其中对C区进行写操作时，数据表示为BCD码，对其他其他存储区写入时，数据均为十六进制格式表示。

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

pc_request_frame_write（n+1）为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在接收到请求数据帧确认后，返回确认信息帧（plc_ack_frame_write）

占据15字节长度，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  FC DSAP  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）与pc_request_frame_write（10）保持一致。

FCS

plc_ack_frame_write（12）,采用求和取余校验算法。

END

plc_ack_frame_write（13）=16

plc_ack_frame_write（14）=E5

plc_return_frame_write帧格式

记作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  FC DSAP  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），FS，同plc_ack_frame_write（11）保持一致。

UU占据15字节长度

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），采用求和取余校验算法。

END

plc_return_frame_write（27）=16

plc_return_frame_write（28）=E5

pc_ack_frame_write帧格式

记作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  FC DSAP  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）采用求和取余校验算法。

END

pc_ack_frame_write（13）=16

pc_ack_frame_write（14）=E5

写数据过程完成。

对于读写数据帧的FC以及DSAP和SSAP做以说明

测试源码见附录F。

结束语

本文运用串口监视的方法，通过简单易行的操作解析出siemens MPI协议的报文格式，其结果具有很大的使用价值（1）使用户不用购买西门子专用的通讯处理卡就可以让上位机和PLC的通信，从而实现所需控制功能，节约成本。（2）降低了用户自主开发的难度，使通讯编程变得简单明了，无需购买软件和授权等就可以使用MPI协议监控PLC的工作状态。