Protokol DNP3: arhitektura, delovanje, kode funkcij, format podatkov in njegove aplikacije

DNP3 ali Distributed Network Protocol3 je leta 1992 uvedla japonska korporacija za vzpostavitev protokola za komunikacijo med porazdeljenimi sistemi. DNP3 je omrežni protokol za nadzor naprave, ki se uporablja za komunikacijo med napravo in oddaljeno vhodno/izhodno napravo. Ta protokol je v glavnem odvisen od objektno usmerjenega modela, ki zmanjša bitno preslikavo podatkov, ki jo običajno zahtevajo drugi manj objektno usmerjeni protokoli. Uporablja se predvsem med centralnimi glavnimi postajami in porazdeljenimi oddaljenimi enotami, kjer centralna glavna postaja preprosto deluje kot vmesnik med človeškim upraviteljem omrežja in nadzornim sistemom. Porazdeljena oddaljena enota je vmesnik med glavno postajo in fizičnim aparatom, ki se opazuje in nadzoruje na oddaljenih območjih. Izmenjava podatkov med tema dvema se lahko izvaja s knjižnico skupnih objektov. Ta članek obravnava pregled DNP3 protokol – delo z aplikacijami.

Kaj je protokol DNP3?

Nabor komunikacijskih protokolov, ki se uporabljajo med različnimi komponentami znotraj sistemov za avtomatizacijo procesov, je znan kot protokol DNP3. Ta protokol je bil zasnovan predvsem za komunikacijske namene med različnimi vrstami opreme za pridobivanje podatkov in nadzora. Torej v SCADA sistemi , ima ta protokol bistveno vlogo, ko ga uporabljajo RTU-ji, SCADA-ji in IED-ji.

Arhitektura protokola DNP3 in njegovo delovanje

DNP3 je tretja različica porazdeljenega omrežnega protokola. Ima eno anketo integritete in tri nivoje ankete, kjer se anketa integritete uporablja za zajemanje podatkov pri eni anketi.

Arhitektura omrežja DNP3 je lahko unicast, multidrop in podatkovni konektor/hierarhična arhitektura.

Unicast arhitektura: je znana tudi kot arhitektura ena proti ena, tukaj lahko glavna postaja komunicira samo z eno zunanjo postajo, medtem ko v multidrop arhitektura glavna postaja lahko komunicira z več kot eno izvenpostajalno napravo, kar pomeni, da lahko komunicira z več izvenpostajalnimi napravami. Podatkovni konektor/hierarhična arhitektura je kombinacija večtočkovnih in enooddajnih arhitektur.

Komunikacijski protokol DNP3 se pogosto uporablja za električna omrežja, vodovod in kanalizacijo, nafto in plin, transport in druga okolja SCADA. Omogoča vam ogled pomembnih ravni v realnem času in zgodovinsko, to so lahko temperatura, vlažnost, raven baterije, napetost, raven goriva itd. Omogoča vam tudi odkrivanje težav in hitro odpravljanje težav ter lahko tudi odpravite ozka grla in neučinkovitosti.

Oblikovanje protokola DNP3 je mogoče izvesti na podlagi plasti modela OSI, kot so podatkovna povezava, transport, aplikacija in uporabniška plast. Ta protokol ima prilagodljivost za povezovanje ene glavne enote prek najmanj ene ali več zunanjih postaj nad serijskim in ethernetnim fizičnim medijem.
Druge možne arhitekture v glavnem obsegajo različne glavne povezave z eno samo zunanjo postajo in operacije enakovrednih. Običajno glavni zažene nadzorne ukaze, da zahteva podatke ali aktivira naprave, ki se upravljajo prek zunanje postaje. Ta izvenpostaja preprosto reagira na glavno enoto s prenosom ustreznih informacij.

Protokol DNP3, ki temelji na modelu OSI, vključuje štiri plasti podatkovne povezave, transportne funkcije, aplikacijske in uporabniške plasti. Tukaj bo sloj podatkovne povezave na dnu naredil fizično povezavo bolj zanesljivo z naslavljanjem in odkrivanjem napak. Transportna funkcija preprosto sestavi okvire plasti povezave v fragmente plasti aplikacije. Ta plast sprejme celotno sporočilo in določa, kateri podatki imajo prednost pred zgornjo uporabniško plastjo. Vsako sporočilo ima lahko več podatkovnih vrst, kot so analogni, binarni ter vhodi in izhodi števca.

Kako deluje protokol DNP3?

Protokol DNP3 preprosto deluje z uporabo 27 osnovnih funkcijskih kod za omogočanje komunikacije med glavnimi postajami in oddaljenimi enotami. Tako bodo nekatere funkcijske kode omogočile glavnemu, da zahteva in pridobi stanje informacij iz oddaljene naprave, druge funkcijske kode pa bodo glavnemu omogočile, da se odloči ali popravi konfiguracijo oddaljene enote.

Več funkcijskih kod se večinoma uporablja v glavni postaji DNP3 za krmiljenje opreme ali oddaljene enote na oddaljenih mestih. Glavna postaja DNP3 večino komunikacije posreduje oddaljeni napravi DNP3. Toda nezaželeno sporočilo (o/p sporočilo) se sproži prek oddaljene enote in ustvari alarm. Tako da to sporočilo opozori glavno enoto, ko pride do alarma.

Funkcijske kode

Funkcijske kode DNP3 vključujejo naslednje.

Oblika sporočila DNP3

Struktura formata sporočila DNP3 je prikazana spodaj. Če preučimo to strukturo, lahko opazimo, da se sporočila izmenjujejo med glavnimi in daljinskimi upravljalniki. Protokol serijske telemetrije (TBOS) je bajtno usmerjen z izmenjavo enega samega bajta za komunikacijo.

Razširjeni serijski telemetrični protokoli, kot je TABS, so paketno usmerjeni s paketi bajtov, ki se izmenjujejo za komunikacijo. Ti paketi običajno vključujejo glavo, podatke in bajte kontrolne vsote. Protokol DNP3 je paketno usmerjen in uporablja strukturo paketa, ki je prikazana na naslednji sliki.

V zgornjem diagramu formata sporočila je DNP3 ASDU (podatkovna enota aplikacijske storitve) dragocen za prilagoditev pametne vsebine, ki je nadzorovana prek kvalifikatorjev in polj indexSize. Tako bo ta zasnova omogočila dostop do aplikacijskih podatkov znotraj prilagodljivih konfiguracij.

Zdaj pa razpravljajmo o tem, kako se izmenjujejo podatki, zlasti v večplastnem komunikacijskem modelu.
Aplikacijska plast v zgornjem diagramu združuje ASDU (podatkovno enoto aplikacijske storitve) in zapakiran objekt z blokom APCI (nadzor aplikacijskega protokola), da tvori APDU (podatkovno enoto aplikacijskega protokola).

Transportna plast bo razdelila podatkovno enoto aplikacijske storitve ali APDU na različne segmente z velikostjo največ 16 bajtov in jih zapakirala z 8-bitno kontrolno glavo prenosa in 16-bitnimi ločili CRC segmentov v transportni okvir.

Povezovalna plast je preslikana v 4-slojni model, ki ga je razvilo Ministrstvo za obrambo (Ministrstvo za obrambo) prek izpuščene internetne plasti DoD. Če je uporabljen serijski transport, je sestavljanje paketa izvedeno in nameščeno na transportnem mediju za dostavo.

Če se paket prenaša prek LAN ali WAN, se 3 plasti DNP3 združijo v prvo plast. Paket, ki je sestavljen, je mogoče zaviti v TCP (Transport Control Protocol) prek transportne plasti, ki je zavita v IP (Internet Protocol) prek internetne plasti. UDP (User Datagram Protocol) je prav tako mogoče uporabiti, vendar predstavlja nekaj dodatnih težav, povezanih z zanesljivo dostavo znotraj pakiranih omrežij.

Format podatkov DNP3

DNP se v veliki meri uporablja pri nadzoru sporočil, ki prehajajo med centralno postajo in krmilnimi enotami. Podatkovni format DNP3 vključuje predvsem dva razdelka, glavo in podatkovne razdelke. Poleg tega je glava razdeljena na šest pododdelkov.

Oblika podatkovnega okvira in potrebna velikost vsakega polja sta prikazana na zgornji sliki. V tem diagramu je Sync prvo polje, ki ima 1 bajt in določa začetek okvira.
Ta vrednost polja je fiksirana na 0564, tako da je mogoče preslikavo učinkovito izvesti, ko je okvir prejet s pregledom položaja polja Sync.

Dolžina polja zagotavlja celotno dolžino okvirja, tako da je mogoče na cilju dodeliti določen medpomnilnik za shranjevanje dohodnih okvirjev. Drugi okvir je torej »Kontrolno polje«, ki opisuje krmilno dejanje, ki ga je treba zahtevati na koncu sprejemnika.

Kontrolno polje bo vključevalo šestnajstiško vrednost 41, sicer 42 glede na vrsto dejanja. Po tem bo ciljno in izvorno naslovno polje zagotovilo predvidene naslove prejemnika in pošiljajoče vozlišče.
CRC ali ciklično preverjanje redundance je zadnje polje, ki bo pomagalo pri preverjanju napake okvirja. V času pošiljanja je s sporočilom povezana kontrolna vrednost, ki bo na prejemnem koncu navzkrižno preverjena. Ko se ta vrednost ujema, potem določa neobstoj napake v okviru. Podatkovni del je velik od 2 do 4 bajte, vendar nima nobene vloge pri nadzoru prenosa sporočil.

Zgornja slika prikazuje krmilno sporočilo, preneseno v formatu DNP3 od ene postaje do druge, kot krmiljenje do cilja. Za sporočanje različnih dejanj destinacijam se polja, kot je kontrolno polje, in ciljni naslov, medtem ko se nekatera polja ne bodo spremenila za vse komunikacije.

Primer sistema za spremljanje DNP3

Diagram glavnega in daljinskega nadzornega sistema DNP3 je prikazan spodaj. Ta model se uporablja za prenos podatkov med dvema napravama, kot sta glavna in oddaljena z uporabo DNP3.

Diagram glavnega in daljinskega nadzornega sistema DNP3 je prikazan spodaj. Ta model se uporablja za prenos podatkov med dvema napravama, kot sta glavna in oddaljena z uporabo DNP3. Tu je glavni računalnik, podrejeni ali oddaljeni pa je zunanja postaja. Posredovani podatki so statični podatki, podatki o dogodkih in sprejemajo nezaželene podatke o dogodkih.

Protokol DNP3 se običajno uporablja med glavnim (računalnik) in oddaljenim (zunanja postaja). Tukaj se glavni uporablja za zagotavljanje vmesnika med človeškim upraviteljem omrežja in nadzornim sistemom. Daljinski upravljalnik zagotavlja vmesnik med glavno in fizično napravo, ki se upravlja ali nadzira.

Tako glavna kot oddaljena enota uporabljata skupno knjižnico objektov za izmenjavo podatkov. Tu so podatki. Protokol DNP3 je anketirani protokol, ki vključuje zmožnosti, ki so skrbno zasnovane. Ko je glavna postaja povezana z daljinskim upravljalnikom, se lahko izvede anketa integritete, ki je zelo pomembna za naslavljanje DNP3, ker za podatkovno točko vrnejo vse medpomnilniške vrednosti in vključujejo tudi trenutno vrednost točke.

Na splošno lahko gonilniki DNP3 redno izvajajo različne ankete, kot so anketa Integrity, Class 1, Class 2 in Class 3. Pri anketi Integrity DNP3 preprosto zahteva od zunanje postaje, da prenese svoje podatke razreda 1, razreda 2 in razreda 3. podatki o dogodkih in statični podatki razreda 0 v kronološkem vrstnem redu. Anketa integritete se običajno uporablja za sinhronizacijo baz podatkov glavnega in podrejenega DNP3, zato se ji običajno dodeli počasna stopnja anketiranja. Običajno se ankete razreda 1, razreda 2 in razreda 3 uporabljajo za obnovitev posameznih dogodkov razreda s spremenljivimi stopnjami glede na pomembnost teh dogodkov. Bolj kritični dogodki so dodeljeni razredom, ki imajo hitrejšo stopnjo anketiranja.

Razlika med DNP3 in IEC 61850

Razlika med DNP3 in IEC 61850 vključuje naslednje.

Razlika med DNP3 in Modbus

Razlika med DNP3 in Modbus vključuje naslednje.

Prednosti in slabosti DNP3

The prednosti protokola DNP3 Vključujem naslednje.

• DNP3 je odprti standardni protokol, tako da lahko vsak oblikovalec oblikuje opremo DNP3, ki se dobro ujema z drugo opremo DNP3.
• DNP3 ponuja številne zmogljivosti zaradi inteligentnega in robustnega protokola.
• Zahteva in odgovarja lahko prek več vrst podatkov v enem samem sporočilu
• Omogoča več operacij master & peer-to-peer
• Podpira standardni format časa in sinhronizacijo časa.
• Stroški programske opreme se bodo zmanjšali.
• Prevajalci protokolov niso potrebni.
• Manj vzdrževanja in testiranja.

Slabosti protokola DNP3 vključujejo naslednje.

DNP3 uporablja serijski RTU in ga nadgrajuje prek Ethernet RTU (ERTU). Če tudi pasovna širina komunikacijskega kanala do te postaje ni izboljšana, bo imel uporabnik počasnejšo povezavo zaradi dodatnih stroškov, ki nastanejo pri ovijanju DNP3 prek TCP/IP.

Aplikacije DNP3

The DNP3 aplikacije vključujejo naslednje.

• DNP3 omogoča komunikacijo med različnimi napravami znotraj sistemov za avtomatizacijo procesov.
• Različna komunalna podjetja široko uporabljajo ta protokol za plinske, električne in vodne telemetrične sisteme.
• Uporablja se v komunikacijah SCADA.
• Komunikacijski protokol DNP3 se uporablja v nadzornih sistemih na daljavo in SCADA.
• To je uporabno v celotnem okolju SCADA, ki vključuje komunikacije od glavne do oddaljene in RTU do IED in tudi v omrežnih aplikacijah.

Torej gre za vse pregled protokola DNP3 – delo z aplikacijami. The Specifikacija protokola DNP3 odvisno predvsem od modela objekta. Tako ta model preprosto zmanjša bitno preslikavo podatkov, ki je običajno potrebna pri drugih manj objektno usmerjenih protokolih. Za tehnike in inženirje SCADA bo z nekaterimi vnaprej določenimi objekti DNP3 bolj udoben okvir za načrtovanje in uvajanje. Tukaj je vprašanje za vas, kakšen je protokol?