Protokol DNP3: Architektura, práce, kódy funkcí, formát dat a jeho aplikace

DNP3 nebo Distributed Network Protocol3 byl spuštěn v roce 1992 japonskou korporací za účelem vytvoření protokolu pro komunikaci mezi distribuovanými systémy. DNP3 je síťový protokol pro ovládání zařízení, který se používá pro komunikaci mezi zařízením a vzdáleným vstupním/výstupním zařízením. Tento protokol závisí hlavně na objektově orientovaném modelu, který snižuje mapování datových bitů, které obvykle vyžadují jiné méně objektově orientované protokoly. Používá se hlavně mezi centrálními hlavními stanicemi a také distribuovanými vzdálenými jednotkami, kde centrální hlavní stanice jednoduše funguje jako rozhraní mezi správcem lidské sítě a monitorovacím systémem. Distribuovaná vzdálená jednotka je rozhraním mezi hlavní stanicí a fyzickým zařízením, které je sledováno a ovládáno ve vzdálených oblastech. Výměna dat mezi těmito dvěma může být provedena pomocí společné knihovny objektů. Tento článek pojednává o přehledu protokol DNP3 – práce s aplikacemi.

Co je protokol DNP3?

Sada komunikačních protokolů, které se používají mezi různými komponenty v rámci systémů automatizace procesů, je známá jako protokol DNP3. Tento protokol byl navržen především pro účely komunikace mezi různými druhy zařízení pro sběr a řízení dat. Takže dovnitř SCADA systémy Tento protokol hraje zásadní roli, když je využíván RTU, SCADA a IED.

Architektura protokolu DNP3 a její fungování

DNP3 je třetí verze distribuovaného síťového protokolu. Má jedno dotazování integrity a tři úrovně dotazování, kde se dotazování integrity používá k získání dat při jednom dotazování.

Architektura sítě DNP3 může být unicast, multidrop a datový konektor/hierarchické architektury.

Unicast architektura: je také známá jako architektura one-to-one, zde může hlavní stanice komunikovat pouze s jednou vnější stanicí, zatímco in multidrop architektura hlavní stanice může komunikovat s více než jedním externím zařízením, což znamená, že může komunikovat s více externími zařízeními. Datový konektor/hierarchická architektura je kombinací multidrop a unicast architektury.

Komunikační protokol DNP3 se běžně používá pro elektrické sítě, vodu a kanalizaci, ropu a plyn, dopravu a další prostředí SCADA. Umožňuje vám zobrazit důležité úrovně v reálném čase a historicky, což může být teplota, vlhkost, úroveň baterie, napětí, úroveň paliva atd. Umožňuje vám také odhalit problémy a rychle je opravit a také můžete odstranit překážky. a neefektivnosti.

Návrh protokolu DNP3 lze provést na základě vrstev modelu OSI, jako je datová linka, transport, aplikace a uživatelská vrstva. Tento protokol má flexibilitu pro připojení jednoho masteru přes minimálně jednu nebo více outstanic nad sériovým i ethernetovým fyzickým médiem.
Další možné architektury zahrnují především různá hlavní připojení s jedinou outstation a operace peer-to-peer. Master obvykle spouští řídicí příkazy, aby si vyžádal data nebo aktivoval zařízení, která jsou spravována přes vnější stanici. Tato stanice jednoduše reaguje na master vysíláním vhodných informací.

Protokol DNP3, založený na modelu OSI, zahrnuje čtyři vrstvy Data Link, Transport Function, Application & User Layer. Zde vrstva Data Link Layer ve spodní části učiní fyzické spojení spolehlivějším adresováním a detekcí chyb. Transportní funkce jednoduše sestaví rámce Link Layer do fragmentů Application Layer. Tato vrstva přebírá celou zprávu a určuje, jaká data jsou preferována před výše uvedenou uživatelskou vrstvou. Každá zpráva může mít několik datových typů, jako jsou analogové, binární a čítačové vstupy a výstupy.

Jak funguje protokol DNP3?

Protokol DNP3 jednoduše funguje pomocí 27 základních funkčních kódů pro umožnění komunikace mezi hlavními stanicemi a vzdálenými jednotkami. Takže některé funkční kódy umožní masteru požadovat a získat informace o stavu ze vzdáleného zařízení a jiné funkční kódy umožní masteru rozhodnout nebo opravit konfiguraci vzdálené jednotky.

Několik funkčních kódů se používá hlavně v hlavní stanici DNP3 pro ovládání zařízení nebo vzdálené jednotky na vzdálených místech. Hlavní stanice DNP3 zajišťuje většinu komunikace se vzdáleným zařízením DNP3. Nevyžádaná zpráva (o/p zpráva) je však iniciována prostřednictvím vzdálené jednotky a generuje poplach. Tak, aby tato zpráva upozorňovala master, jakmile dojde k poplachu.

Funkční kódy

Funkční kódy DNP3 zahrnují následující.

Formát zprávy DNP3

Struktura formátu zprávy DNP3 je uvedena níže. Pokud prozkoumáme tuto strukturu, můžeme pozorovat, že zprávy jsou vyměňovány mezi mastery a dálkovými ovladači. Protokol sériové telemetrie (TBOS) je bajtově orientovaný výměnou jednoho bajtu pro komunikaci.

Protokoly rozšířené sériové telemetrie, jako je TABS, jsou paketově orientované s pakety bajtů, které se vyměňují za účelem komunikace. Tyto pakety obvykle obsahují bajty záhlaví, dat a kontrolního součtu. Protokol DNP3 je paketově orientovaný a využívá paketovou strukturu, která je znázorněna na následujícím obrázku.

Ve výše uvedeném diagramu formátu zpráv je DNP3 ASDU (datová jednotka aplikačních služeb) cenná pro úpravu chytrého obsahu, který je řízen jak pomocí kvalifikátorů, tak pomocí polí indexSize. Tento návrh tedy zpřístupní aplikační data v rámci flexibilních konfigurací.

Nyní pojďme diskutovat o tom, jak se data vyměňují, zejména ve vrstveném komunikačním modelu.
Aplikační vrstva ve výše uvedeném diagramu kombinuje ASDU (aplikační servisní datovou jednotku) a zabalený objekt pomocí bloku APCI (aplikační protokol řízení) za účelem vytvoření APDU (aplikační datové jednotky).

Transportní vrstva rozdělí datovou jednotku aplikační služby nebo APDU na různé segmenty s maximální velikostí 16 bajtů a zabalí je pomocí 8bitové hlavičky řízení transportu a 16bitových segmentových CRC separátorů do transportního rámce.

Linková vrstva je mapována na 4-vrstvý model, který je vyvíjen prostřednictvím DoD (Department of Defense) přes internetovou vrstvu DoD vynechána. Je-li použit sériový transport, je paket sestaven a umístěn na transportním médiu pro doručení.

Pokud je paket přenášen přes LAN nebo WAN, pak jsou 3 vrstvy DNP3 srolovány do první vrstvy. Paket, který je sestaven, lze zabalit do TCP (Transport Control Protocol) přes transportní vrstvu, která je zabalena do IP (Internet Protocol) přes internetovou vrstvu. Lze také použít protokol UDP (User Datagram Protocol), ale představuje některé další problémy spojené se spolehlivým doručováním v zabalených sítích.

Formát dat DNP3

DNP se široce používá při řízení zpráv předávaných mezi centrální stanicí a řídicími jednotkami. Datový formát DNP3 obsahuje hlavně dvě sekce – záhlaví a datové sekce. Dále je záhlaví rozděleno do šesti podsekcí.

Formát datového rámce a potřebná velikost každého pole je znázorněna na obrázku výše. V tomto diagramu je Sync prvním polem, které má 1 bajt a udává začátek rámce.
Tato hodnota pole je pevně nastavena na 0564, takže jakmile je rámec přijat prozkoumáním polohy synchronizačního pole, lze mapování provést efektivně.

Délka pole poskytuje celou délku rámce, takže v cíli lze přiřadit konkrétní vyrovnávací paměť pro uložení příchozích rámců. Takže druhý rámec je „Ovládací pole“, které popisuje ovládací akci, která je požadována na straně přijímače.

Ovládací pole bude obsahovat hexadecimální hodnotu 41, jinak 42 podle typu akce. Poté pole cíle a zdrojové adresy poskytne zamýšlené adresy příjemce a odesílací uzel.
CRC nebo Cyclic Redundancy Check je poslední pole, které pomůže při ověřování chyby rámce. Kontrolní hodnota je připojena ke zprávě v době vysílání, která bude křížově ověřena na přijímací straně. Jakmile se tato hodnota shoduje, pak udává neexistenci chyby v rámci. Úsek dat je 2 až 4 bajty, ale nemá žádnou roli v řízení předávání zpráv.

Výše uvedený obrázek ukazuje řídící zprávu přenášenou ve formátu DNP3 z jedné stanice na druhou, jako je kontrola do cíle. Pro komunikaci různých akcí s cíli jsou pole jako ovládací pole a také cílová adresa, zatímco některá pole se pro všechny komunikace nezmění.

Příklad monitorovacího systému DNP3

Schéma hlavního a vzdáleného monitorovacího systému DNP3 je zobrazeno níže. Tento model se používá k přenosu dat mezi dvěma zařízeními, jako je hlavní a vzdálené pomocí DNP3.

Schéma hlavního a vzdáleného monitorovacího systému DNP3 je uvedeno níže. Tento model se používá k přenosu dat mezi dvěma zařízeními, jako je hlavní a vzdálené pomocí DNP3. Zde je hlavním počítačem a podřízeným nebo vzdáleným vzdálená stanice. Přenášená data jsou buď statická data, data událostí a přijímají nevyžádaná data událostí.

Protokol DNP3 se běžně používá mezi hlavním (počítačem) a vzdáleným (outstation). Zde se master používá k poskytování rozhraní mezi správcem lidské sítě a monitorovacím systémem. Dálkové ovládání poskytuje rozhraní mezi masterem a fyzickým zařízením, které je řízeno nebo monitorováno.

Jak hlavní, tak vzdálený využívá společnou knihovnu objektů pro výměnu dat. Zde jsou data Protokol DNP3 je protokol dotazovaný, který zahrnuje funkce, které jsou pečlivě navrženy. Jakmile je hlavní stanice připojena ke vzdálené, může být proveden dotaz na integritu, který je velmi významný pro adresování DNP3, protože pro datový bod vracejí všechny hodnoty uložené ve vyrovnávací paměti a zahrnují také současnou hodnotu bodu.

Obecně platí, že ovladače DNP3 mohou rutinně provádět různé dotazování, jako je dotazování integrity, třída 1, třída 2 a třída 3. Při dotazování integrity DNP3 jednoduše požaduje, aby stanice přenesla svou třídu 1, třídu 2 a třídu 3. data událostí a statická data třídy 0 v chronologickém pořadí. Integrity Poll se normálně používá pro synchronizaci databází DNP3 master & slave, a proto má tendenci být přidělena pomalá rychlost dotazování. Typicky se průzkumy třídy 1, třídy 2 a třídy 3 používají k obnovení událostí jednotlivých tříd s proměnlivou rychlostí založenou na důležitosti těchto událostí, kritičtější události jsou přiřazeny třídám, které mají vyšší rychlost dotazování.

Rozdíl mezi DNP3 a IEC 61850

Rozdíl mezi DNP3 a IEC 61850 zahrnuje následující.

Rozdíl mezi DNP3 a Modbus

Rozdíl mezi DNP3 a Modbus zahrnuje následující.

Výhody a nevýhody DNP3

The výhody protokolu DNP3 Zahrnuji následující.

• DNP3 je otevřený standardní protokol, takže každý návrhář může navrhnout zařízení DNP3, které je dobře sladěno s jiným zařízením DNP3.
• DNP3 poskytuje mnoho funkcí díky inteligentnímu a robustnímu protokolu.
• Může žádat a odpovídat prostřednictvím několika typů dat v rámci jedné zprávy
• Umožňuje několik operací typu master a peer-to-peer
• Podporuje standardní formát času a synchronizaci času.
• Náklady na software se sníží.
• Žádné požadavky na překladače protokolů.
• Méně údržby a testování.

Mezi nevýhody protokolu DNP3 patří následující.

DNP3 používá sériovou RTU a upgraduje ji přes Ethernet RTU (ERTU). Pokud není rozšířena také šířka pásma komunikačního kanálu k této stanici, pak bude mít uživatel pomalejší spojení kvůli režii implementované při balení DNP3 přes TCP/IP.

Aplikace DNP3

The Aplikace DNP3 zahrnout následující.

• DNP3 umožňuje různým zařízením v rámci systémů procesní automatizace komunikovat.
• Různé energetické společnosti široce používají tento protokol pro plynové, elektrické a vodní telemetrické systémy.
• Používá se ve SCADA komunikacích.
• Komunikační protokol DNP3 se používá ve vzdálených a SCADA monitorovacích systémech.
• To je použitelné v celém prostředí SCADA, které zahrnuje komunikaci od master po vzdálenou a RTU po IED a také v síťových aplikacích.

Tak, to je všechno o přehled protokolu DNP3 – práce s aplikacemi. The Specifikace protokolu DNP3 záleží hlavně na modelu objektu. Tento model tedy jednoduše snižuje mapování datových bitů, které je obvykle nutné u jiných méně objektově orientovaných protokolů. Pro SCADA techniky a inženýry bude mít některé předdefinované objekty DNP3 pohodlnější pro návrh a nasazení. Zde je pro vás otázka, jaký je protokol?