Protocol DNP3: Arhitectură, Funcționare, Coduri de funcție, Format de date și Aplicațiile sale

DNP3 sau Distributed Network Protocol3 a fost lansat în 1992 de către o corporație japoneză pentru a stabili un protocol de comunicare între sistemele distribuite. DNP3 este un protocol de control al dispozitivului bazat pe rețea, care este utilizat pentru comunicarea între un dispozitiv și un dispozitiv de intrare/ieșire de la distanță. Acest protocol depinde în principal de un model orientat pe obiecte care scade maparea biților de date care este de obicei cerută de alte protocoale mai puțin orientate pe obiecte. Este utilizat în principal între stațiile centrale centrale, precum și unitățile distribuite la distanță, unde stația centrală principală funcționează pur și simplu ca o interfață între managerul de rețea umană, precum și sistemul de monitorizare. Unitatea distribuită la distanță este interfața dintre stația principală și aparatul fizic observat și controlat în zonele îndepărtate. Schimbul de date între acestea două se poate face prin biblioteca de obiecte comune. Acest articol discută o prezentare generală a Protocolul DNP3 – lucrul cu aplicații.

Ce este protocolul DNP3?

Setul de protocoale de comunicație care sunt utilizate între diferite componente în cadrul sistemelor de automatizare a proceselor este cunoscut sub numele de protocol DNP3. Acest protocol a fost conceput în principal pentru scopuri de comunicare între diferite tipuri de echipamente de achiziție și control de date. Deci in sisteme SCADA , acest protocol joacă un rol esențial atunci când este utilizat de RTU, SCADA și IED.

Arhitectura protocolului DNP3 și funcționarea acestuia

DNP3 este o a treia versiune a protocolului de rețea distribuită. Are un sondaj de integritate și trei niveluri de sondare, unde sondajul de integritate este utilizat pentru a prelua datele la un singur sondaj.

Arhitectura de rețea DNP3 poate fi arhitecturi unicast, multidrop și conector de date/ierarhic.

Arhitectura unicast: este cunoscută și ca arhitectură unu-la-unu, aici stația principală poate comunica doar cu o singură stație externă, în timp ce în arhitectura multidrop stația principală poate comunica cu mai multe dispozitive din stație, ceea ce înseamnă că poate comunica cu mai multe dispozitive din stație. Conectorul de date/arhitectura ierarhică este o combinație de arhitecturi multidrop și unicast.

Protocolul de comunicare DNP3 este utilizat în mod obișnuit pentru utilități electrice, apă și canalizare, petrol și gaze, transport și alte medii SCADA. Vă permite să vizualizați niveluri importante în timp real și istoric, care ar putea fi temperatura, umiditatea, nivelul bateriei, tensiunea, nivelul combustibilului etc. Vă permite, de asemenea, să detectați problemele și să le corectați rapid și, de asemenea, puteți elimina blocajele. și ineficiențe.

Proiectarea protocolului DNP3 se poate face pe baza straturilor modelului OSI, cum ar fi legătura de date, transport, aplicație și nivel de utilizator. Acest protocol are flexibilitatea de a conecta un singur master printr-un minim de una sau mai multe stații externe deasupra serialului, precum și mediilor fizice Ethernet.
Alte arhitecturi posibile cuprind în principal diverse conexiuni master cu o singură stație externă și operațiuni peer-to-peer. De obicei, comandantul pornește comenzi de control pentru a solicita date de la sau pentru a activa dispozitive care sunt gestionate prin stația externă. Această stație externă reacționează pur și simplu la comandant prin transmiterea informațiilor adecvate.

Bazat pe modelul OSI, protocolul DNP3 include patru straturi Data Link, Function Transport, Application & User Layer. Aici, stratul de legătură de date din partea de jos va face legătura fizică mai fiabilă prin adresare și detectarea erorilor. Funcția de transport pur și simplu asamblează cadre ale stratului de legătură în fragmente de strat de aplicație. Acest strat preia întregul mesaj și specifică ce date sunt preferate stratului utilizator de mai sus. Fiecare mesaj poate avea mai multe tipuri de date, cum ar fi intrări și ieșiri analogice, binare și contor.

Cum funcționează protocolul DNP3?

Protocolul DNP3 funcționează pur și simplu prin utilizarea a 27 de coduri funcționale fundamentale pentru a permite comunicarea între stațiile principale și unitățile de la distanță. Astfel, unele coduri de funcție vor permite comandantului să solicite și să obțină starea informațiilor de la un dispozitiv la distanță, iar alte coduri de funcție îi vor permite comandantului să decidă sau să corecteze configurația unității de la distanță.

Mai multe coduri de funcție sunt utilizate în principal în stația principală DNP3 pentru controlul echipamentului sau unității la distanță de la locații îndepărtate. Stația master DNP3 emite cea mai mare parte a comunicațiilor către dispozitivul de la distanță al DNP3. Dar, mesajul nesolicitat (mesaj o/p) este inițiat printr-o unitate de la distanță și generează o alarmă. Astfel încât acest mesaj să dea o alertă comandantului odată ce apare o alarmă.

Coduri de funcții

Codurile de funcție ale DNP3 includ următoarele.

Format mesaj DNP3

Structura formatului mesajului DNP3 este prezentată mai jos. Dacă examinăm această structură, putem observa că mesajele sunt schimbate între master și telecomenzi. Protocolul de telemetrie serial (TBOS) este orientat pe octeți prin schimbul unui singur octet pentru a comunica.

Protocoalele de telemetrie serială extinse, cum ar fi TABS, sunt orientate pe pachete cu pachete de octeți care sunt schimbate pentru a comunica. Aceste pachete includ în mod normal antet, date și octeți de sumă de control. Protocolul DNP3 este orientat spre pachete și folosește structura de pachete care este prezentată în figura următoare.

În diagrama formatului mesajului de mai sus, DNP3 ASDU (unitatea de date a serviciului de aplicație) este valoroasă pentru ajustarea conținutului inteligent, care este controlat atât prin câmpuri de calificare, cât și prin câmpuri indexSize. Deci, acest design va face datele aplicației accesibile în cadrul configurațiilor flexibile.

Acum să discutăm despre modul în care datele sunt schimbate în special în modelul de comunicare stratificată.
Stratul de aplicație din diagrama de mai sus combină o ASDU (unitate de date de serviciu de aplicație) și un obiect împachetat de un bloc APCI (controlul protocolului de aplicație) pentru a face o APDU (unitate de date a protocolului de aplicație).

Stratul de transport va sparge unitatea de date a serviciului aplicației sau APDU în diferite segmente cu o dimensiune de maxim 16 octeți și le va împacheta printr-un antet de control al transportului de 8 biți și separatoare CRC de segmente de 16 biți într-un cadru de transport.

Stratul de legătură este mapat la modelul cu 4 straturi care este dezvoltat prin DoD (Departamentul de Apărare) prin Stratul Internet DoD omis. Dacă se utilizează transportul în serie, atunci asamblarea pachetelor este realizată și amplasată pe suportul de transport pentru livrare.

Dacă pachetul este transmis printr-o LAN sau WAN, atunci 3 straturi DNP3 sunt rulate în primul strat. Pachetul care este asamblat poate fi împachetat în TCP (Transport Control Protocol) prin stratul de transport care este împachetat în IP (Internet Protocol) prin stratul internet. UDP (User Datagram Protocol) poate fi, de asemenea, utilizat, dar prezintă unele probleme suplimentare legate de livrarea fiabilă în cadrul rețelelor pline.

Format de date DNP3

DNP este utilizat pe scară largă în controlul mesajului care trece între stația centrală și unitățile de control. Formatul de date al DNP3 include în principal două secțiuni, antetul și secțiunile de date. În plus, antetul este separat în șase subsecțiuni.

Formatul cadrului de date și dimensiunea necesară a fiecărui câmp sunt prezentate în figura de mai sus. În această diagramă, sincronizarea este primul câmp care are 1 octet și specifică începutul cadrului.
Această valoare a câmpului este fixată la 0564, așa că odată ce un cadru este primit prin examinarea poziției câmpului de sincronizare, maparea poate fi realizată eficient.

Lungimea câmpului oferă întreaga lungime a cadrului, astfel încât un anumit buffer poate fi alocat la destinație pentru a păstra cadrele primite. Deci, cel de-al doilea cadru este „Câmpul de control”, care descrie acțiunea de control care trebuie solicitată la capătul receptorului.

Câmpul de control va include valoarea hex 41, altfel 42, în funcție de tipul de acțiune. După aceea, câmpul destinație și adresa sursă vor furniza adresele destinatare destinate și nodul expeditor.
CRC sau Cyclic Redundancy Check este ultimul câmp care va ajuta la verificarea erorii de cadru. O valoare de verificare este conectată la mesaj în momentul transmiterii, care va fi verificată încrucișată la capătul de recepție. Odată ce această valoare se potrivește, atunci specifică inexistența erorii în cadrul cadru. Secțiunea de date este de 2 până la 4 octeți, dar nu are niciun rol în controlul transmiterii mesajelor.

Figura de mai sus arată mesajul de control transmis în formatul DNP3 de la o stație la alta, precum controlul către destinație. Pentru comunicarea diferitelor acțiuni către destinații, câmpurile precum câmpul de control precum și adresa de destinație, în timp ce unele câmpuri nu se vor modifica pentru toate comunicările.

Exemplu de sistem de monitorizare DNP3

Diagrama sistemului de monitorizare de la distanță și master DNP3 este prezentată mai jos. Acest model este folosit pentru a transfera date între două dispozitive, cum ar fi master și la distanță, folosind DNP3.

Diagrama DNP3 master și sistemul de monitorizare la distanță sunt prezentate mai jos. Acest model este folosit pentru a transfera date între două dispozitive, cum ar fi master și la distanță, folosind DNP3. Aici masterul este computerul și slave sau telecomanda este stația de deplasare. Datele transmise sunt fie date statice, date despre evenimente și acceptă date despre evenimente nesolicitate.

Protocolul DNP3 este utilizat în mod normal între master (computer) și distanță (Outstation). Aici, masterul este folosit pentru a oferi o interfață între managerul de rețea umană, precum și sistemul de monitorizare. Telecomanda asigură interfața între master și dispozitivul fizic care sunt controlate sau monitorizate.

Atât master-ul cât și la distanță utilizează o bibliotecă de obiecte comună pentru schimbul de date. Aici sunt date. Protocolul DNP3 este un protocol interogat care include capabilități care sunt proiectate cu atenție. Odată ce stația principală este conectată la o telecomandă, atunci poate fi efectuat un sondaj de integritate, care este foarte semnificativ pentru adresarea DNP3, deoarece pentru un punct de date returnează toate valorile tamponate și cuprind și valoarea prezentă a punctului.

În general, driverele DNP3 pot efectua diferite sondaje în mod obișnuit, cum ar fi un sondaj de integritate, o clasă 1, o clasă 2 și o clasă 3. În sondajul de integritate, DNP3 solicită pur și simplu stației externe să-și transmită clasa 1, clasa 2 și clasa 3. date despre evenimente și date statice de clasa 0 în ordine cronologică. Un sondaj de integritate este utilizat în mod normal pentru sincronizarea bazelor de date de master și slave DNP3 și, prin urmare, tinde să i se aloce o rată de sondare lentă. În mod obișnuit, sondajele de Clasă 1, Clasa 2 și Clasa 3 sunt folosite pentru a recupera evenimentele individuale ale clasei la rate modificabile, în funcție de importanța acelor evenimente, evenimentele mai critice sunt atribuite claselor care au rata de sondare mai rapidă.

Diferența dintre DNP3 și IEC 61850

Diferența dintre DNP3 și IEC 61850 include următoarele.

Diferența dintre DNP3 și Modbus

Diferența dintre DNP3 și Modbus include următoarele.

Avantaje și dezavantaje DNP3

The avantajele protocolului DNP3 includ următoarele.

• DNP3 este un protocol standard deschis, astfel încât orice proiectant poate proiecta echipamente DNP3 care se potrivesc bine cu alte echipamente DNP3.
• DNP3 oferă multe capabilități datorită unui protocol inteligent și robust.
• Poate solicita și răspunde prin mai multe tipuri de date în cadrul unui singur mesaj
• Permite mai multe operațiuni master și peer-to-peer
• Acceptă formatul standard de timp și sincronizarea orei.
• Costurile cu software-ul vor fi reduse.
• Nu este nevoie de traducători de protocol.
• Mai puțină întreținere și testare.

Dezavantajele protocolului DNP3 includ următoarele.

DNP3 folosește un RTU serial și îl actualizează printr-un RTU Ethernet (ERTU). Dacă lățimea de bandă a canalului de comunicație către acea stație nu este, de asemenea, îmbunătățită, atunci utilizatorul va avea o legătură mai lentă din cauza supraîncărcării implementate în împachetarea DNP3 prin TCP/IP.

Aplicații DNP3

The aplicații DNP3 includ următoarele.

• DNP3 permite diferitelor dispozitive din cadrul sistemelor de automatizare a proceselor să comunice.
• Diferite companii de utilități folosesc în general acest protocol pentru sistemele de telemetrie cu gaz, electricitate și apă.
• Este folosit în comunicațiile SCADA.
• Protocolul de comunicație DNP3 este utilizat în sistemele de monitorizare la distanță și SCADA.
• Acest lucru este aplicabil în întregul mediu SCADA, care include comunicații de la master la distanță și RTU la IED și, de asemenea, în aplicațiile de rețea.

Astfel, despre asta este vorba o prezentare generală a protocolului DNP3 – lucrul cu aplicații. The Specificația protocolului DNP3 depinde în principal de modelul obiectului. Deci, acest model scade pur și simplu maparea biților de date care este de obicei necesară cu alte protocoale mai puțin orientate pe obiecte. Pentru tehnicienii și inginerii SCADA, deținerea unor obiecte predefinite va face DNP3 mai confortabil cadru de proiectare și implementare. Iată o întrebare pentru tine, care este protocolul?