Protokol DNP3: Architektúra, práca, kódy funkcií, formát údajov a jeho aplikácie

DNP3 alebo Distributed Network Protocol3 bol spustený v roku 1992 japonskou korporáciou na vytvorenie protokolu pre komunikáciu medzi distribuovanými systémami. DNP3 je sieťový riadiaci protokol zariadenia, ktorý sa používa na komunikáciu medzi zariadením a vzdialeným vstupným/výstupným zariadením. Tento protokol závisí hlavne od objektovo orientovaného modelu, ktorý znižuje mapovanie dátových bitov, ktoré zvyčajne vyžadujú iné menej objektovo orientované protokoly. Používa sa hlavne medzi centrálnymi nadradenými stanicami, ako aj distribuovanými vzdialenými jednotkami, kde centrálna hlavná stanica jednoducho funguje ako rozhranie medzi manažérom ľudskej siete a monitorovacím systémom. Distribuovaná vzdialená jednotka je rozhraním medzi hlavnou stanicou a fyzickým zariadením, ktoré sa pozoruje a riadi vo vzdialených oblastiach. Výmena údajov medzi týmito dvoma sa môže uskutočniť pomocou spoločnej knižnice objektov. Tento článok pojednáva o prehľade protokol DNP3 - práca s aplikáciami.

Čo je protokol DNP3?

Súbor komunikačných protokolov, ktoré sa používajú medzi rôznymi komponentmi v rámci systémov automatizácie procesov, je známy ako protokol DNP3. Tento protokol bol navrhnutý hlavne na účely komunikácie medzi rôznymi druhmi zariadení na získavanie a riadenie údajov. Takže v SCADA systémy Tento protokol hrá zásadnú úlohu, keď ho používajú RTU, SCADA a IED.

Architektúra protokolu DNP3 a jej fungovanie

DNP3 je tretia verzia distribuovaného sieťového protokolu. Má jeden prieskum integrity a tri úrovne dopytovania, kde sa prieskum integrity používa na získanie údajov v jednom prieskume.

Sieťová architektúra DNP3 môže byť unicast, multidrop a dátový konektor/hierarchická architektúra.

Unicast architektúra: je tiež známa ako architektúra typu one-to-one, tu môže hlavná stanica komunikovať iba s jednou externou stanicou, zatiaľ čo in viackvapková architektúra hlavná stanica môže komunikovať s viac ako jedným zariadením mimo stanice, čo znamená, že môže komunikovať s viacerými zariadeniami mimo stanice. Dátový konektor/hierarchická architektúra je kombináciou multidrop a unicast architektúry.

Komunikačný protokol DNP3 sa bežne používa pre elektrické siete, vodu a kanalizáciu, ropu a plyn, dopravu a iné prostredia SCADA. Umožňuje vám zobraziť dôležité úrovne v reálnom čase a historicky, čo môže byť teplota, vlhkosť, úroveň batérie, napätie, úroveň paliva atď. Tiež vám umožňuje rýchlo odhaliť problémy a opraviť problémy a tiež môžete odstrániť úzke miesta. a neefektívnosti.

Návrh protokolu DNP3 možno vykonať na základe vrstiev modelu OSI, ako sú dátové spojenie, transport, aplikácia a používateľská vrstva. Tento protokol má flexibilitu na pripojenie jedného hlavného zariadenia cez minimálne jednu alebo viac staníc nad sériovým aj ethernetovým fyzickým médiom.
Iné možné architektúry zahŕňajú hlavne rôzne hlavné spojenia s jednou outstation a peer-to-peer operácie. Master zvyčajne spúšťa riadiace príkazy na vyžiadanie údajov alebo aktiváciu zariadení, ktoré sú spravované cez externú stanicu. Táto stanica jednoducho reaguje na master vysielaním vhodných informácií.

Na základe modelu OSI obsahuje protokol DNP3 štyri vrstvy dátového spojenia, transportnej funkcie, aplikačnej a používateľskej vrstvy. Vrstva dátového spojenia v spodnej časti spraví fyzické prepojenie spoľahlivejším adresovaním a detekciou chýb. Transportná funkcia jednoducho zostaví rámce spojovacej vrstvy do fragmentov aplikačnej vrstvy. Táto vrstva preberá celú správu a špecifikuje, ktoré údaje sa uprednostňujú pred vyššie uvedenou používateľskou vrstvou. Každá správa môže mať niekoľko dátových typov, ako sú analógové, binárne a čítacie vstupy a výstupy.

Ako funguje protokol DNP3?

Protokol DNP3 jednoducho funguje pomocou 27 základných funkčných kódov na umožnenie komunikácie medzi hlavnými stanicami a vzdialenými jednotkami. Takže niektoré funkčné kódy umožnia hlavnému zariadeniu požadovať a získať informácie o stave zo vzdialeného zariadenia a iné funkčné kódy umožnia hlavnému zariadeniu rozhodnúť alebo opraviť konfiguráciu vzdialenej jednotky.

Niekoľko funkčných kódov sa používa hlavne v hlavnej stanici DNP3 na ovládanie zariadenia alebo vzdialenej jednotky na vzdialených miestach. Hlavná stanica DNP3 zabezpečuje väčšinu komunikácie so vzdialeným zariadením DNP3. Nevyžiadaná správa (o/p správa) je však iniciovaná cez vzdialenú jednotku a generuje alarm. Aby táto správa poskytla hlavnému zariadeniu výstrahu, keď sa vyskytne alarm.

Funkčné kódy

Funkčné kódy DNP3 zahŕňajú nasledujúce.

Formát správy DNP3

Štruktúra formátu správy DNP3 je uvedená nižšie. Ak preskúmame túto štruktúru, môžeme pozorovať, že správy sa vymieňajú medzi hlavnými a diaľkovými ovládačmi. Sériový telemetrický protokol (TBOS) je bajtovo orientovaný výmenou jedného bajtu na komunikáciu.

Protokoly rozšírenej sériovej telemetrie, ako napríklad TABS, sú paketovo orientované s paketmi bajtov, ktoré sa vymieňajú na komunikáciu. Tieto pakety zvyčajne obsahujú bajty hlavičky, údajov a kontrolného súčtu. Protokol DNP3 je paketovo orientovaný a využíva štruktúru paketov, ktorá je znázornená na nasledujúcom obrázku.

Vo vyššie uvedenom diagrame formátu správ je DNP3 ASDU (aplikačná servisná dátová jednotka) cenná na úpravu inteligentného obsahu, ktorý je riadený prostredníctvom polí kvalifikátorov aj indexSize. Takže tento dizajn sprístupní aplikačné dáta v rámci flexibilných konfigurácií.

Teraz poďme diskutovať o tom, ako sa údaje vymieňajú najmä vo vrstvenom komunikačnom modeli.
Aplikačná vrstva vo vyššie uvedenom diagrame kombinuje ASDU (aplikačná servisná dátová jednotka) a zabalený objekt blokom APCI (kontrola aplikačného protokolu), aby sa vytvorila APDU (údajová jednotka aplikačného protokolu).

Transportná vrstva rozdelí dátovú jednotku aplikačnej služby alebo APDU na rôzne segmenty s maximálnou veľkosťou 16 bajtov a zabalí ich pomocou 8-bitovej hlavičky riadenia transportu a 16-bitových segmentových CRC separátorov do transportného rámca.

Linková vrstva je mapovaná na 4-vrstvový model, ktorý je vyvinutý prostredníctvom DoD (Department of Defense) cez internetovú vrstvu DoD vynechanú. Ak sa použije sériová preprava, potom sa zostava paketu vykoná a umiestni sa na prepravné médium na doručenie.

Ak sa paket prenáša cez LAN alebo WAN, potom sa do prvej vrstvy zrolujú 3 vrstvy DNP3. Zložený paket môže byť zabalený v rámci TCP (Transport Control Protocol) cez transportnú vrstvu, ktorá je zabalená v IP (Internet Protocol) cez internetovú vrstvu. Dá sa použiť aj UDP (User Datagram Protocol), ale predstavuje niektoré ďalšie problémy spojené so spoľahlivým doručovaním v zbalených sieťach.

Dátový formát DNP3

DNP sa vo veľkej miere používa pri riadení prenosu správ medzi centrálnou stanicou a riadiacimi jednotkami. Dátový formát DNP3 obsahuje hlavne dve sekcie hlavičku a dátové sekcie. Ďalej je hlavička rozdelená do šiestich podsekcií.

Formát dátového rámca a potrebná veľkosť každého poľa je znázornená na obrázku vyššie. V tomto diagrame je Sync prvé pole, ktoré má 1 bajt a určuje začiatok rámca.
Táto hodnota poľa je pevne stanovená na 0564, takže po prijatí rámca preskúmaním polohy poľa synchronizácie je možné efektívne vykonať mapovanie.

Dĺžka poľa poskytuje celú dĺžku rámca, takže v cieľovom mieste môže byť priradená konkrétna vyrovnávacia pamäť na uchovávanie prichádzajúcich snímok. Takže druhý rámec je „Ovládacie pole“, ktoré popisuje riadiacu činnosť, ktorá sa vyžaduje na strane prijímača.

Kontrolné pole bude obsahovať hexadecimálnu hodnotu 41, inak 42 podľa typu akcie. Potom pole cieľa a zdrojovej adresy poskytne zamýšľané adresy prijímača a odosielajúci uzol.
CRC alebo Cyclic Redundancy Check je posledné pole, ktoré pomôže pri overení chyby rámca. Kontrolná hodnota je pripojená k správe v čase prenosu, ktorá bude krížovo overená na prijímacom konci. Akonáhle sa táto hodnota zhoduje, potom špecifikuje neexistenciu chyby v rámci. Úsek údajov je 2 až 4 bajty, ale nemá žiadnu úlohu pri riadení prenosu správ.

Vyššie uvedený obrázok ukazuje riadiacu správu prenášanú vo formáte DNP3 z jednej stanice do druhej, ako je kontrola do cieľa. Pre komunikáciu rôznych akcií s cieľmi sú polia ako kontrolné pole, ako aj cieľová adresa, pričom niektoré polia sa nezmenia pre všetky komunikácie.

Príklad monitorovacieho systému DNP3

Schéma hlavného a vzdialeného monitorovacieho systému DNP3 je uvedená nižšie. Tento model sa používa na prenos údajov medzi dvoma zariadeniami, ako je hlavné a vzdialené, pomocou DNP3.

Schéma hlavného a vzdialeného monitorovacieho systému DNP3 je zobrazená nižšie. Tento model sa používa na prenos údajov medzi dvoma zariadeniami, ako je hlavné a vzdialené, pomocou DNP3. Tu je hlavným počítačom a podriadeným alebo vzdialeným je outstation. Prenášané dáta sú buď statické dáta, dáta udalostí a akceptujú nevyžiadané dáta udalostí.

Protokol DNP3 sa bežne používa medzi hlavným (počítačom) a vzdialeným (outstation). Tu sa master používa na poskytovanie rozhrania medzi manažérom ľudskej siete a monitorovacím systémom. Diaľkové ovládanie poskytuje rozhranie medzi nadriadeným a fyzickým zariadením, ktoré sú ovládané alebo monitorované.

Master aj vzdialený využíva spoločnú knižnicu objektov na výmenu údajov. Tu sú údaje Protokol DNP3 je protokol na vyžiadanie, ktorý zahŕňa funkcie, ktoré sú starostlivo navrhnuté. Akonáhle je hlavná stanica pripojená k vzdialenej stanici, môže sa vykonať dotaz na integritu, ktorý je veľmi významný pre adresovanie DNP3, pretože pre dátový bod vracajú všetky hodnoty uložené vo vyrovnávacej pamäti a zahŕňajú aj súčasnú hodnotu bodu.

Vo všeobecnosti môžu ovládače DNP3 rutinne vykonávať rôzne ankety, ako napríklad Integrity Poll, Class 1, Class 2 a Class 3. V Integrity Poll DNP3 jednoducho požaduje od stanice, aby preniesla svoju triedu 1, triedu 2 a triedu 3 údaje o udalostiach a statické údaje triedy 0 v chronologickom poradí. Integrity Poll sa bežne používa na synchronizáciu databáz DNP3 master & slave, a preto má tendenciu prideľovať pomalú frekvenciu dotazovania. Typicky sa prieskumy Triedy 1, Triedy 2 a Triedy 3 používajú na obnovenie jednotlivých udalostí triedy pri meniteľných rýchlostiach založených na dôležitosti týchto udalostí, kritickejšie udalosti sú priradené triedam, ktoré majú vyššiu frekvenciu hlasovania.

Rozdiel medzi DNP3 a IEC 61850

Rozdiel medzi DNP3 a IEC 61850 zahŕňa nasledovné.

Rozdiel medzi DNP3 a Modbus

Rozdiel medzi DNP3 a Modbus zahŕňa nasledujúce.

Výhody a nevýhody DNP3

The výhody protokolu DNP3 Zahŕňam nasledujúce.

• DNP3 je otvorený štandardný protokol, takže každý dizajnér môže navrhnúť zariadenie DNP3, ktoré je dobre zladené s iným zariadením DNP3.
• DNP3 poskytuje mnoho možností vďaka inteligentnému a robustnému protokolu.
• Môže požiadať a odpovedať prostredníctvom niekoľkých typov údajov v rámci jednej správy
• Umožňuje niekoľko operácií typu master a peer-to-peer
• Podporuje štandardný formát času a synchronizáciu času.
• Náklady na softvér sa znížia.
• Žiadne požiadavky na prekladača protokolov.
• Menej údržby a testovania.

Nevýhody protokolu DNP3 zahŕňajú nasledujúce.

DNP3 používa sériový RTU a upgraduje ho cez Ethernet RTU (ERTU). Ak nie je rozšírená aj šírka pásma komunikačného kanála k tejto stanici, potom bude mať používateľ pomalšie spojenie z dôvodu réžie implementovanej pri balení DNP3 cez TCP/IP.

Aplikácie DNP3

The aplikácie DNP3 zahŕňajú nasledujúce.

• DNP3 umožňuje rôznym zariadeniam v rámci systémov procesnej automatizácie komunikovať.
• Rôzne energetické spoločnosti široko používajú tento protokol pre plynové, elektrické a vodné telemetrické systémy.
• Používa sa v SCADA komunikáciách.
• Komunikačný protokol DNP3 sa používa vo vzdialených a SCADA monitorovacích systémoch.
• Toto je aplikovateľné v celom prostredí SCADA, ktoré zahŕňa od mastera po vzdialenú a RTU po IED komunikáciu a tiež v sieťových aplikáciách.

Ide teda o všetko prehľad protokolu DNP3 - práca s aplikáciami. The Špecifikácia protokolu DNP3 závisí hlavne od modelu objektu. Takže tento model jednoducho znižuje mapovanie dátových bitov, ktoré je zvyčajne potrebné pri iných menej objektovo orientovaných protokoloch. Pre technikov a inžinierov SCADA budú niektoré preddefinované objekty robiť DNP3 pohodlnejším dizajnovým a nasadzovacím rámcom. Tu je otázka pre vás, aký je protokol?