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Siemens MPI协议解析

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，并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，用户假如想使用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。

关键字： MPI协议

前言
工业的现代化，很大限度体现在工业生产过程的自动化，其中信息的传输，数据的互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，使信息互换领域从设备控制层延伸到公司管理层。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。下面重要阐述西门子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：假如控制站都是s7—300／400系列PLC，那么就建立主／主连接关系，由于MPI协议支持多主站通讯，所有的s7—300 CPU都可配置为网络主站，通过主／主协议可以实现PLC之间的数据互换。假如某些控制站是s7—200系列PLC，则可以建立主／从连接关系，由于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。

分析思绪
西门子Step 7 V5.4软件是S7-300系列PLC(涉及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机事实上是可以通过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，我们就有也许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发送报文来验证其对的性，并作进一步的操作。本着这一思想，采用以下环节获得这些报文。

环节
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 2023 edition, prodave s7 , serial port monitor，PCI1601A driver，visual c++。
硬件连接如图1-0

上位机

ET200S编程口
PCI1601AA啊 A
Cp5613A2

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立（附录B）
（3） PCI1601A通讯卡的测试（附录C）
（4） 串口监视软件设立和测试（附录D）
（5） PRODAVE S7 调试运营（附录E）
完毕设立和调试后，打开串口监视软件，并将PLC上电，运营PRODAVE S7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。通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）反复数据长度
SD: (Start Delimiter)开始定界符
DA:（Destination Address）目的地址
SA:（Source Address）源地址
FC:（Function Code）功能码
DSAP:（Destination Service Access Point）目的服务存取点
SSAP:（Source Service Access 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 Check Sequence）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 中运营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，假如收到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。

总线访问准备

上位机发送pc_request_frame

Et200接受判断

Et200s发送plc_ack_frame

上位机等待、定期

Et200s发送plc_return_frame

上位机接受信息并判断

飞
上位机发送确认信息pc_ack_frame

操作结束

读取操作
一次读操作的环节涉及上位机发出读命令帧（pc_request_frame_read），PLC作出对的的响应，并将确认信息帧（plc_ack_frame_read）返回给上位机，接着反馈回对的的数据信息帧（plc_return_frame_read）给上位机，上位机接到此帧数据，校验拟定后对PLC做出确认信息帧（pc_ack_frame_read），这样完毕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
DA
SA
FC
DASP
SSAP
FS
UU
GU
DU
FCS
END
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 反复帧长度，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数值上等于目的站地址加上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字节共同表达读取的数据个数，当读取的存储区是I、 Q、M 、DB时表达字节个数，当存储区是C、 T时表达读取的计数器或定期器的个数。
假如读取两个字节，则为：
pc_request_frame_read(27)=00
pc_request_frame_read(28)=02
假如读取一个计数器或者定期器，则为：
pc_request_frame_read(27)=00
pc_request_frame_read(28)=01
pc_request_frame_read(29)、pc_request_frame_read(30)共同表达要操作的DB号，假如读取其他区，则两者分别为00 00。
pc_request_frame_read(31)表达存储区类型，具体参考表1-1
存储区
I
Q
M
DB
C
T
标示符
81
82
83
84
1C
1D
表1-1
pc_request_frame_read(32)
pc_request_frame_read(33)
pc_request_frame_read(34)共同表达操作的起始地址，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接受到请求命令（pc_request_frame_read）时，确认后返回一个数据帧表达回应，占据15字节长度，记作plc_ack_frame_read(15)，格式如下：
SD
LE
LER
SD
DA
SA
FC
DASP
SSAP
UU
FS
FCS
END
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
DA
SA
FC
DASP
SSAP
FS
UU
GU
DU
FCS
END
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，假如读取一个字节时为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)共同表达返回所读取的数据位数，按照bit计算；假如读取了一个字节，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
上位机在接受到数据通过确认以后向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
DA
SA
FC
DASP
SSAP
UU
FS
FCS
ED
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
读数据过程完毕。

写入操作
一次完整的写入操作环节涉及：一方面上位机发出写命令信息帧（pc_request_frame_write），PLC接受以后判断，若对的，则做出响应，并将确认信息（plc_ack_frame_write）帧返回给上位机，并反馈回对的的数据（plc_return_frame_write）帧给上位机，上位机接到此帧数据，校验对的后对PLC做出确认信息（pc_ack_frame_write），这样就完毕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）所占据字节长度不拟定，跟写入的数据个数有关。记作pc_request_frame_write（），格式如下：
SD
LE
LER
SD
DA
SA
FC
DASP
SSAP
FS
UU
GU
DU
FCS
END
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）共同表达写入的字节个数加4。假如要写入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）共同表达所要写入的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）表达存储区类型，参考表1-2
存储区
Q
M
DB
C
标示符
82
83
84
1C
表1-2
pc_request_frame_write（32）
pc_request_frame_write（33）
pc_request_frame_write（34）
以上三个字节表达要写入的起始地址。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达起始位地址，假如要写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（涉及对M区写入字节）是依次为00、04 。
pc_request_frame_write（37）、pc_request_frame_write（38）共同表达写入的数据量，与存储区类型有关。写C区时表达写入的字节个数，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达要写入的数据位数，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）
以上若干字节表达要写入的数据，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，数据表达为BCD码，对其他其他存储区写入时，数据均为十六进制格式表达。
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在接受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
DA
SA
FC
DASP
SSAP
UU
FS
FCS
ED
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
SD
LE
LER
SD
DA
SA
FC
DASP
SSAP
FS
UU
FCS
ED
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
SD
LE
LER
SD
DA
SA
FC
DASP
SSAP
UU
FS
FCS
ED
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
写数据过程完毕。
对于读写数据帧的FC以及DSAP和SSAP做以说明

FC
DSAP SSAP
Pc_request_frame_read
7C
5C
15 01
16 02
Plc_ack_read
7C
5C
01 15
02 16
Plc_return_read
5C
7C
01 15
02 16
Pc_ack_read
5C
7C
15 01
16 02

在解析读写数据报文以后，可以撤掉cp5613通讯卡，以验证其对的性

测试源码见附录F。

结束语
本文运用串口监视的方法，通过简朴易行的操作解析出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解决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）减少了用户自主开发的难度，使通讯编程变得简朴明了，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。

参考文献
STEP 7V5.4编程手册
Siemens s7300系列硬件手册
Visual C++串口编程实践