葉偉，丁桂林，顏毅斌，胡凱凱

（南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，受到了世界各國(guó)的重視。中國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)量大、分布面廣，僅陸上風(fēng)能儲(chǔ)量就有約253GW。2012年中國(guó)新增風(fēng)電裝機(jī)容量12960MW，累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量為75324.2MW，雙居全球第一位[1]。發(fā)展風(fēng)電，不僅可以節(jié)約常規(guī)能源，而且有利于改善能源結(jié)構(gòu)，減少環(huán)境污染。風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向?qū)︼L(fēng)電機(jī)組的各單元加以控制，穩(wěn)定輸出電壓和頻率，并實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能利用。

1 基于以太網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組通信系統(tǒng)

近年來(lái)，性能優(yōu)越的以太網(wǎng)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文基于以太網(wǎng)，提出了一種采用UDP協(xié)議的風(fēng)電機(jī)組通信方案。采用ABB公司的可編程邏輯控制器（PLC）作為核心控制器，PLC預(yù)留了1400多 Bytes的RAM作為數(shù)據(jù)發(fā)送和接收緩沖區(qū)，能夠滿足系統(tǒng)需求。PLC與上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)組成分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，如圖1所示。

2 以太網(wǎng)通信協(xié)議

TCP/IP協(xié)議是目前網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的實(shí)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，采用TCP/IP協(xié)議會(huì)帶來(lái)諸多好處，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以連接到Internet，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組真正意義上的遠(yuǎn)程監(jiān)控。TCP/IP是一個(gè)4層協(xié)議系統(tǒng)，可以分為鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層[2]。每一層都呼叫它的下一層所提供的網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成自己的需求。TCP/IP協(xié)議族的4個(gè)層次如圖2所示。

圖1 風(fēng)電機(jī)組分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

圖2 TCP/IP協(xié)議族的4個(gè)層次

圖3 PLC與上位機(jī)通信示意圖

圖4 UDP報(bào)文結(jié)構(gòu)

鏈路層完成以太網(wǎng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)、物理接口的處理等任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層由多種協(xié)議組成，IP協(xié)議是其中最重要的一個(gè)，主要完成網(wǎng)絡(luò)互連和路由選擇。應(yīng)用層則負(fù)責(zé)處理特定的應(yīng)用服務(wù)。TCP/IP傳輸層有兩個(gè)并列的協(xié)議：TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）。二者的共同點(diǎn)是均提供了進(jìn)程通信的能力，主要差別在于：TCP面向連接，需要建立“握手信息”，提供可靠通信保證；而UDP是一種無(wú)連接的服務(wù)。TCP較UDP占用較多系統(tǒng)資源。通信速度上，UDP比TCP快。UDP能夠達(dá)到較高的通信速率[3]。

PLC給上位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要有：報(bào)文信息；總發(fā)電量、總耗電量等全局統(tǒng)計(jì)量；日發(fā)電量等日統(tǒng)計(jì)量；機(jī)組登錄信息；風(fēng)機(jī)狀態(tài)機(jī)信息；10分鐘記錄值；功率曲線；故障信息等；風(fēng)電場(chǎng)的專用以太網(wǎng)帶寬可以保證通信質(zhì)量，故選用UDP協(xié)議，加快通信速度，減輕控制器的負(fù)擔(dān)。

3 UDP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

3.1 UDP報(bào)文格式

上位機(jī)向PLC發(fā)送UDP請(qǐng)求報(bào)文，該報(bào)文中的數(shù)據(jù)“告訴”PLC需要什么信息。PLC收到UDP請(qǐng)求報(bào)文后，給上位機(jī)發(fā)送UDP響應(yīng)報(bào)文，該報(bào)文中含有對(duì)應(yīng)的信息。其通信結(jié)構(gòu)如圖3。

每一個(gè)UDP報(bào)文分為UDP首部和UDP數(shù)據(jù)區(qū)兩部分。UDP協(xié)議規(guī)定UDP首部由4個(gè)字段組成，且長(zhǎng)度固定為8個(gè)字節(jié)，每個(gè)字段占2個(gè)字節(jié)。分別為源端口號(hào)，目的端口號(hào)，UDP長(zhǎng)度以及校驗(yàn)和[4]。UDP數(shù)據(jù)區(qū)由開(kāi)發(fā)人員定義。UDP報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖4所示。

上位機(jī)向PLC發(fā)送UDP請(qǐng)求報(bào)文，源端口號(hào)為1026（該端口號(hào)可以根據(jù)實(shí)際情況確定，通常建議使用較大的端口號(hào)，避免與其他應(yīng)用沖突），目的端口號(hào)為32768。PLC給上位機(jī)發(fā)送UDP響應(yīng)報(bào)文，源端口號(hào)與目的端口號(hào)都為32768。UDP長(zhǎng)度是指每1條UDP報(bào)文的長(zhǎng)度。UDP校驗(yàn)和提供差錯(cuò)檢測(cè)。由于PLC需要給上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)量較大，我們將數(shù)據(jù)分為99個(gè)UDP響應(yīng)報(bào)文發(fā)送；因而上位機(jī)也需要給PLC發(fā)送99個(gè)UDP請(qǐng)求報(bào)文，UDP請(qǐng)求報(bào)文和UDP響應(yīng)報(bào)文一一對(duì)應(yīng)。UDP請(qǐng)求報(bào)文長(zhǎng)度統(tǒng)一為37個(gè)字節(jié)，對(duì)應(yīng)UDP數(shù)據(jù)區(qū)長(zhǎng)度為29個(gè)字節(jié)，UDP響應(yīng)報(bào)文長(zhǎng)度（共99個(gè)）各不一樣。UDP請(qǐng)求報(bào)文數(shù)據(jù)區(qū)格式與值如表1所示（16進(jìn)制表示，每格代表1個(gè)字節(jié)）。

表1前7個(gè)字節(jié)為UDP協(xié)議底層自動(dòng)增加的部分，其余字節(jié)預(yù)留給上位機(jī)做標(biāo)志位使用。第1個(gè)字節(jié)為PLC的標(biāo)識(shí)值，值為0x 5A；第6（LL）與第7（HL）字節(jié)內(nèi)的數(shù)據(jù)為UDP請(qǐng)求報(bào)文數(shù)據(jù)區(qū)從第8字節(jié)開(kāi)始到尾部的字節(jié)數(shù)，第6字節(jié)為低位，第7字節(jié)為高位，值為0x0016。第8（高8位）和第9字節(jié)（低8位），為PLC響應(yīng)并返回?cái)?shù)據(jù)的條件（可自由定義，這里定義為0x0008，）。IF1，IF2和IF3（14～16字節(jié)）是UDP請(qǐng)求報(bào)文的用戶標(biāo)識(shí)符，可自由定義。26、27、28和29這四個(gè)字節(jié)規(guī)定了具體的UDP請(qǐng)求報(bào)文類型及索引。其中FCH（高8位）和FCL（低8位）為UDP請(qǐng)求報(bào)文類型；CIH（高8位）和CIL（低8位）為UDP請(qǐng)求報(bào)文類型對(duì)應(yīng)的索引。一般情況下，F(xiàn)CH和CIH總為0，F(xiàn)CL和CIL的意義如表2所示，由類型值和其對(duì)應(yīng)的索引值，可以得到UDP請(qǐng)求報(bào)文為99個(gè)，分別是1個(gè)報(bào)文信息、1個(gè)全局統(tǒng)計(jì)量報(bào)文、20個(gè)日統(tǒng)計(jì)量報(bào)文、2個(gè)登錄信息報(bào)文、2個(gè)風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)機(jī)報(bào)文、18個(gè)10分鐘記錄值報(bào)文、3個(gè)功率曲線報(bào)文和52個(gè)故障信息報(bào)文。請(qǐng)求報(bào)文中未說(shuō)明的字節(jié)可為任意值，應(yīng)用中未作處理，直接丟棄。

由表2中FCL和CIL的值，可知UDP響應(yīng)報(bào)文的數(shù)量為99個(gè)。UDP響應(yīng)報(bào)文數(shù)據(jù)區(qū)長(zhǎng)度不一，前25個(gè)字節(jié)為標(biāo)識(shí)值，第26字節(jié)到報(bào)文尾部為機(jī)組具體數(shù)據(jù)。UDP響應(yīng)報(bào)文數(shù)據(jù)區(qū)前25個(gè)字節(jié)格式如表3所示（每格代表一個(gè)字節(jié)）。

第1～7字節(jié)為PLC系統(tǒng)底層自動(dòng)添加。第一個(gè)字節(jié)為PLC規(guī)定的標(biāo)識(shí)值，與請(qǐng)求報(bào)文相對(duì)應(yīng)，值為5A；ID（第2～5字節(jié)）為PLC生成的標(biāo)識(shí)值；LL（低8位）和HL（高8位）表明了UDP響應(yīng)報(bào)文數(shù)據(jù)區(qū)從第8字節(jié)到尾部的字節(jié)數(shù)。FCL（低8位）和FCH（高8位）是指UDP報(bào)文類型，CIL（低8位）和CIH（高8位）是指UDP報(bào)文類型對(duì)應(yīng)的索引，與UDP請(qǐng)求報(bào)文相對(duì)應(yīng)。NOH（高8位）和NOL（低8位）表示由FCL所確定的某一類型響應(yīng)報(bào)文的總數(shù)量；IF1，IF2和IF3是指UDP請(qǐng)求報(bào)文的用戶標(biāo)識(shí)符，PLC不做處理將其返回給上位機(jī)。DT4，DT3，DT2，DT1是指PLC系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)刻的時(shí)間值；AFNH（高8位）和AFNL（低8位）是PLC標(biāo)識(shí)值；FNH（高8位）和FNL（低8位）標(biāo)識(shí)了該UDP響應(yīng)報(bào)文幀數(shù)；第25字節(jié)的值總是00，預(yù)留備用。

表1 UDP請(qǐng)求報(bào)文數(shù)據(jù)區(qū)格式與值

表3 UDP響應(yīng)報(bào)文數(shù)據(jù)區(qū)前25個(gè)字節(jié)格式

3.2 UDP報(bào)文的傳輸過(guò)程

PLC和上位機(jī)所采用的操作系統(tǒng)都能為以太網(wǎng)提供良好的支持。當(dāng)上位機(jī)啟動(dòng)應(yīng)用程序時(shí)，調(diào)用UDP發(fā)送進(jìn)程，把相關(guān)數(shù)據(jù)封裝成一個(gè)UDP報(bào)文，并進(jìn)一步組裝成一個(gè)IP報(bào)文。當(dāng)PLC接收到上位機(jī)發(fā)送的IP報(bào)文，它會(huì)將報(bào)文中的IP首部取出，判斷IP地址是否正確，若正確則判斷端口號(hào)以及UDP首部的校驗(yàn)和。如果上述條件都滿足，說(shuō)明此報(bào)文是有效的，接下來(lái)的工作就是將有效信息從報(bào)文中提取出來(lái)，按照規(guī)約進(jìn)行解析即可。然后PLC會(huì)給上位機(jī)發(fā)送UDP響應(yīng)報(bào)文，上位機(jī)接收后，對(duì)報(bào)文進(jìn)行判斷和解析[5]。圖5為UDP發(fā)送－接收流程圖。

圖5 UDP發(fā)送-接收流程圖

3.3 UDP的PLC硬件組態(tài)和核心代碼段

UDP的配置主要包括硬件組態(tài)和端口設(shè)置，如圖6和圖7。圖6是在以太網(wǎng)接口上添加UDP協(xié)議。圖7是UDP參數(shù)設(shè)置以及端口的設(shè)置，除了端口設(shè)置之外，其他參數(shù)可以使用缺省參數(shù)。

核心代碼段包括UDP接收指令和發(fā)送指令、以及UDP請(qǐng)求報(bào)文解析語(yǔ)句。

圖6 UDP硬件組態(tài)一

圖7 UDP硬件組態(tài)二

圖8 UDP報(bào)文截圖

圖9 UDP請(qǐng)求報(bào)文

4 UDP報(bào)文捕獲與分析

在風(fēng)電機(jī)組分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中，上位機(jī)通過(guò)UDP協(xié)議從機(jī)組得到相關(guān)數(shù)據(jù)。圖8是上位機(jī)與風(fēng)電場(chǎng)某一臺(tái)機(jī)組之間的UDP報(bào)文截圖。PLC的IP是192.168.1.130，上位機(jī)的IP是192.168.1.138。

從圖8中提取一個(gè)UDP請(qǐng)求報(bào)文，如圖9所示。其源端口號(hào)為1026，目的端口號(hào)為32768，UDP報(bào)文長(zhǎng)度為37個(gè)字節(jié)，其中UDP數(shù)據(jù)區(qū)為29個(gè)字節(jié)（圖9灰色部分）。FCH和FCL的值分別為0x00和0x02，即請(qǐng)求報(bào)文的類型為0x0002；CIH和CIL的值分別是0x00和0x01，即請(qǐng)求報(bào)文類型的索引為0x0001。表明上位機(jī)向PLC請(qǐng)求全局統(tǒng)計(jì)量的數(shù)據(jù)。

圖9對(duì)應(yīng)的UDP響應(yīng)報(bào)文如圖10所示，其源端口號(hào)為32768，目的端口號(hào)為32768，UDP報(bào)文長(zhǎng)度為257個(gè)字節(jié)，其中UDP數(shù)據(jù)區(qū)為249個(gè)字節(jié)（圖10灰色部分）。上位機(jī)根據(jù)規(guī)約解析數(shù)據(jù)，便可得到全局統(tǒng)計(jì)量，包括總發(fā)電量、總耗電量、并網(wǎng)次數(shù)、變漿次數(shù)、偏航次數(shù)、故障次數(shù)、制動(dòng)次數(shù)等。

圖10 UDP響應(yīng)報(bào)文

5 結(jié)語(yǔ)

UDP協(xié)議由于其簡(jiǎn)潔、高效性而被廣泛應(yīng)用。本文提出了一種基于以太網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組通信系統(tǒng)方案。詳細(xì)闡述了UDP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并分析了截取的實(shí)際UDP報(bào)文。從風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況看，該方案高效可靠，充分發(fā)揮了以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足要求。

[1] 中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì).2012年中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)[R].2013(3):44-55.

[2] W.Richard Stevens.TCP/IP Illustrated Volume 1:The Protocol[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[3]李淑君,陳新,季寶杰.UDP協(xié)議在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)通信中的應(yīng)[J].總線與網(wǎng)絡(luò),2002(4):35-38.

[4] 竇曉波,吳在鈞,胡敏強(qiáng),鄭健勇.UDP協(xié)議在變電站自動(dòng)化通信系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2003(12):39-42.

[5] 王海軍,劉彩霞,程?hào)|年.一種基于UDP的可靠傳輸協(xié)議分析與研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究, 2005,(11):181-183.