UDP通信在工業(yè)控制中的應(yīng)用

摘 要 數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于我國(guó)的工業(yè)控制中，而這一系統(tǒng)的應(yīng)用原理主要是根據(jù)上位機(jī)與下位機(jī)的交換來(lái)實(shí)現(xiàn)，只有保障了系統(tǒng)單元之間的高速運(yùn)轉(zhuǎn)才能讓整個(gè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)正常工作，因此網(wǎng)絡(luò)通信方式就顯的尤為重要，而現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)中常見(jiàn)的通信方式有串口232通信，485/422總線通信，串行I2C，這些串口能最大限度的滿足人們的日常所需，但是上述的三種通信方式并不適用于所有的場(chǎng)合，尤其是那些要求高效的工業(yè)企業(yè)，上述的幾種通信方式，如果在某一時(shí)間段發(fā)送大量的數(shù)據(jù)，必然會(huì)影響到工業(yè)系統(tǒng)的工作效率，筆者希望能夠解決這一問(wèn)題，因而對(duì)大量的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議進(jìn)行分析，并在下文中以UDP協(xié)議通信在工業(yè)控制中的應(yīng)用為例，重點(diǎn)分析UDP與串行232，485，I2C及基于TCP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)之間的差別。

【關(guān)鍵詞】網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議 通行效率 總線通信

UDP是User Datagram Protocol縮寫(xiě)，簡(jiǎn)稱用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議，是無(wú)線傳輸層的一種模式，主要為用戶提供了一種相對(duì)簡(jiǎn)單但并不可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，這一技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始滲入了工業(yè)控制系統(tǒng)，總的來(lái)說(shuō)他有如下特征：

（1）從UDP的本質(zhì)來(lái)看UDP是一種無(wú)連接協(xié)議，它建立了電腦主機(jī)和從機(jī)之間的無(wú)線鏈接關(guān)系，當(dāng)需要傳遞信息的時(shí)候，它可以用極快的速度從機(jī)器的存儲(chǔ)器內(nèi)抓取自己需要的信息，并以最快的速度將其發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，從發(fā)送端來(lái)看UDP傳輸數(shù)據(jù)的速度僅僅被計(jì)算機(jī)的能力和傳輸信息的寬帶限制，而在接收端UDP將不同的信息分在不同的序列中，應(yīng)用程序從隊(duì)列中讀取消息段時(shí)，UDP的傳輸速度高達(dá)毫秒，快速的傳播速度無(wú)疑是我國(guó)大部分工業(yè)企業(yè)內(nèi)部急需的。

（2）UDP在傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候不會(huì)建立連接關(guān)系，所以不用在意主機(jī)和從機(jī)的連接狀態(tài)，這讓主機(jī)可以同時(shí)與多個(gè)從機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而機(jī)器之間的信息不會(huì)互相干擾，這在無(wú)形之中提高了工作效率，讓工業(yè)企業(yè)的計(jì)算機(jī)不用在局限于面對(duì)協(xié)議的怪圈，提高工業(yè)企業(yè)的工作效率。

（3）UDP的數(shù)據(jù)吞吐量不受空間控制算法調(diào)解，只受軟件之間的數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸?shù)膸挘约坝?jì)算機(jī)組的性能限制。

（4）UDP在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候速度可高達(dá)10M/100M字節(jié)自適應(yīng)，這讓其傳輸?shù)乃俣葧r(shí)間很短，這種傳輸速度是同類協(xié)議不可企及的高度。

（5）UDP的傳輸線路采用的是雙絞線，抗干擾性很強(qiáng)，能夠保證信息的穩(wěn)定傳輸。

而和UDP做對(duì)比的通信方式有：串行232，485，I2C通信

1 從傳輸速率和實(shí)時(shí)性來(lái)看

在現(xiàn)代工業(yè)中，信息技術(shù)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，工業(yè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)速率的要求也越來(lái)越高，而UDP通信協(xié)議完全滿足這一需求，將其應(yīng)用在工業(yè)上時(shí)其數(shù)據(jù)傳輸速度和互聯(lián)網(wǎng)的速率是相同的，設(shè)置好10M/100M字節(jié)的自適應(yīng)后可以以極快的速度進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，完成工業(yè)計(jì)算機(jī)組之間的數(shù)據(jù)傳輸，這點(diǎn)和通常所使用的232，485，I2C等的通信相比速度得到了很大的提高，串行232，485，I2C的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度最高也僅有100K左右的速度，而強(qiáng)行增加運(yùn)行速度則會(huì)增加系統(tǒng)的負(fù)荷導(dǎo)致系統(tǒng)的錯(cuò)誤率和崩潰率增加，這幾種通信方式的抗干擾能力也相對(duì)一般，面對(duì)需要傳輸大量數(shù)據(jù)的情況使用UDP，可以在最短的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)。

2 從傳輸過(guò)程中的安全性來(lái)看

使用UDP協(xié)議來(lái)校準(zhǔn)數(shù)值，以確保網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的安全性。UDP協(xié)議在校準(zhǔn)前首先通過(guò)特殊的算法計(jì)算數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到接收方之后，還需要重新計(jì)算一次。如果在傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)被第三方篡改或損壞，由于數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等原因，導(dǎo)致驗(yàn)算的發(fā)送和接收方不一致，UDP就不會(huì)接收這部分?jǐn)?shù)據(jù)，由此可見(jiàn)，UDP協(xié)議可以降低錯(cuò)誤的發(fā)生率。

3 與基于TCP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)的比較

TCP是Transmission Control Protocol的縮寫(xiě)，簡(jiǎn)稱傳輸控制協(xié)議。它是一種非常可靠的傳輸層通信協(xié)議和UDP位與OSI參考模型中的同一層。但是這三者之間卻有非常明顯的區(qū)別，是否是面向連接，從工業(yè)的角度來(lái)看，這一點(diǎn)造成的影響非常關(guān)鍵，從本質(zhì)上來(lái)看TCP是連接時(shí)采用的通信協(xié)議，唯一的任務(wù)和使命就是發(fā)送與接受信號(hào)，但在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，

它要保證數(shù)據(jù)傳輸之間的可靠性，而UDP協(xié)議則跨過(guò)這條，不需要和接收方建立安全連接，可直接向?qū)Ψ絺鬏敂?shù)據(jù)，也無(wú)需在對(duì)方返回?cái)?shù)據(jù)時(shí)確認(rèn)信號(hào)，排除了數(shù)據(jù)的可靠傳遞機(jī)制，減少了數(shù)據(jù)的延遲時(shí)間，將安全和排序的問(wèn)題交與底層應(yīng)用層來(lái)完成，減少了系統(tǒng)的傳輸速率，提高工作效率，從這點(diǎn)上來(lái)看UDP協(xié)議和TCP協(xié)議相比，優(yōu)點(diǎn)有如下幾點(diǎn)：

（1）不用建立連接，減少系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)和延滯；

（2）不采用可靠的傳輸機(jī)制，主/從機(jī)不用維護(hù)很多用于記錄連接的狀態(tài)表；

（3）取消了確認(rèn)信號(hào)的發(fā)送，提高了發(fā)送的速度和實(shí)時(shí)性

4 如何實(shí)現(xiàn)UDP協(xié)議

任何產(chǎn)品都需要考慮到自身的可行性，穩(wěn)定性以及成本，而UDP的協(xié)議也是如此

4.1 可行性

工業(yè)控制往往會(huì)使用單片機(jī)，以及一些芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)使用者所需的功能，而UDP協(xié)議需要的僅僅只是擁有網(wǎng)絡(luò)模塊的單片機(jī)及ARM之類的CPU就可以實(shí)現(xiàn)，因此其實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單。例如菲利普芯片LPC2300，通信芯片DM9161A。

4.2 穩(wěn)定性

軟件的算法決定UDP的穩(wěn)定性，這是因?yàn)镮nternet網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議UDP通信的本質(zhì)是高密度的芯片，穩(wěn)定性對(duì)其而言是必不可少的一部分。

4.3 成本

數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議所使用的硬件，就是數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的成本，這些電子元件的價(jià)格從現(xiàn)在來(lái)看價(jià)格并不貴，因而任何通信協(xié)議的成本在現(xiàn)在都不是很昂貴。

筆者通過(guò)上文分析了在工業(yè)環(huán)境中經(jīng)常使用的幾種網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，這其中就參數(shù)控制數(shù)據(jù)，系統(tǒng)單元狀態(tài)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，系統(tǒng)故障診斷數(shù)據(jù)，系統(tǒng)報(bào)警數(shù)據(jù)等，這些工業(yè)系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)都對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸速度有很高的要求，高效快速的傳輸是這些系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而串行232，485，I2C通信和TCP通信并不具備這種特性，UDP則完美的解決了這個(gè)問(wèn)題。因此，可見(jiàn)基于UDP協(xié)議的通信是工業(yè)控制過(guò)程中不可缺少的通信模式。

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作者簡(jiǎn)介

劉杰（1982-），男，上海市人。大學(xué)本科學(xué)歷。現(xiàn)為中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二六研究所科研崗位、工程師。研究方向?yàn)橄离娮印?/p>

作者單位

中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二六研究所 上海市 201108