DNP3 protokols: arhitektūra, darbība, funkciju kodi, datu formāts un tā lietojumprogrammas

DNP3 jeb Distributed Network Protocol3 1992. gadā uzsāka Japānas korporācija, lai izveidotu protokolu saziņai starp izplatītajām sistēmām. DNP3 ir tīkla ierīces vadības protokols, ko izmanto saziņai starp ierīci un attālo ievades/izvades ierīci. Šis protokols galvenokārt ir atkarīgs no objektorientēta modeļa, kas samazina datu bitu kartēšanu, kas parasti ir nepieciešama citiem mazāk objektorientētiem protokoliem. To galvenokārt izmanto starp centrālajām galvenajām stacijām, kā arī izplatītām attālinātām vienībām, kur centrālā galvenā stacija vienkārši darbojas kā saskarne starp cilvēku tīkla pārvaldnieku, kā arī uzraudzības sistēmu. Izkliedētā attālā vienība ir saskarne starp galveno staciju un fizisko aparātu, kas tiek novērots un kontrolēts attālos apgabalos. Datu apmaiņu starp šiem diviem var veikt kopējā objektu bibliotēka. Šajā rakstā ir apskatīts pārskats par DNP3 protokols – darbs ar aplikācijām.

Kas ir DNP3 protokols?

Komunikācijas protokolu kopa, kas tiek izmantota starp dažādiem komponentiem procesu automatizācijas sistēmās, ir pazīstama kā DNP3 protokols. Šis protokols galvenokārt tika izstrādāts saziņai starp dažāda veida datu iegūšanas un kontroles iekārtām. Tātad iekšā SCADA sistēmas , šim protokolam ir būtiska loma, kad to izmanto RTU, SCADA un IED.

DNP3 protokola arhitektūra un tās darbība

DNP3 ir trešās versijas izplatītais tīkla protokols. Tai ir viena integritātes aptauja un trīs aptaujas līmeņi, kur integritātes aptauju izmanto, lai iegūtu datus vienā aptaujā.

DNP3 tīkla arhitektūra var būt unicast, multidrop un datu savienotāju/hierarhijas arhitektūras.

Unicast arhitektūra: ir pazīstama arī kā 'viens pret vienu' arhitektūra, šeit galvenā stacija var sazināties tikai ar vienu ārstaciju, savukārt iekšā vairāku pilienu arhitektūra galvenā stacija var sazināties ar vairāk nekā vienu ārstacijas ierīci, kas nozīmē, ka tā var sazināties ar vairākām ārējās stacijas ierīcēm. Datu savienotājs/hierarhiskā arhitektūra ir vairāku pilienu un unicast arhitektūras kombinācija.

DNP3 sakaru protokols parasti tiek izmantots elektrotīklos, ūdens un kanalizācijas, naftas un gāzes, transporta un citās SCADA vidēs. Tas ļauj reāllaikā un vēsturiski skatīt svarīgus līmeņus, kas varētu būt temperatūra, mitrums, akumulatora līmenis, spriegums, degvielas līmenis utt. Tas arī ļauj atklāt problēmas un ātri novērst problēmas, kā arī novērst vājās vietas. un neefektivitāte.

DNP3 protokola projektēšanu var veikt, pamatojoties uz OSI modeļa slāņiem, piemēram, datu saiti, transportu, lietojumprogrammu un lietotāja slāni. Šis protokols ir elastīgs, lai savienotu vienu galveno, izmantojot vismaz vienu vai vairāk ārstaciju virs seriālajiem, kā arī Ethernet fiziskajiem datu nesējiem.
Citas iespējamās arhitektūras galvenokārt ietver dažādus galvenos savienojumus ar vienu ārstaciju un vienādranga operācijām. Parasti kapteinis sāk vadības komandas, lai pieprasītu datus no ierīcēm vai aktivizētu ierīces, kuras tiek pārvaldītas caur ārstaciju. Šī ārpusstacija vienkārši reaģē uz kapteini, nosūtot piemērotu informāciju.

Pamatojoties uz OSI modeli, DNP3 protokols ietver četrus slāņus Data Link, Transport Function, Application & User Layer. Šeit datu saites slānis apakšā padarīs fizisko saiti uzticamāku, adresējot un nosakot kļūdas. Transporta funkcija vienkārši saliek saites slāņa kadrus lietojumprogrammas slāņa fragmentos. Šis slānis aizņem visu ziņojumu un norāda, kādiem datiem ir dota priekšroka iepriekšējam lietotāja slānim. Katram ziņojumam var būt vairāki datu tipi, piemēram, analogās, binārās un skaitītāja ieejas un izejas.

Kā darbojas DNP3 protokols?

DNP3 protokols vienkārši darbojas, izmantojot 27 pamata funkciju kodus, lai nodrošinātu saziņu starp galvenajām stacijām un attālajām ierīcēm. Tā, ka daži funkciju kodi ļaus kapteinim pieprasīt un iegūt informāciju no attālās ierīces, un citi funkciju kodi ļaus kapteinim izlemt vai labot attālās ierīces konfigurāciju.

Vairāki funkciju kodi galvenokārt tiek izmantoti DNP3 galvenajā stacijā, lai kontrolētu iekārtu vai attālo ierīci attālās vietās. DNP3 galvenā stacija izdod lielāko daļu sakaru ar DNP3 attālo ierīci. Taču nevēlamais ziņojums (o/p ziņojums) tiek uzsākts, izmantojot attālo ierīci, un tas rada trauksmi. Lai šis ziņojums sniegtu brīdinājumu kapteinim, tiklīdz notiek trauksme.

Funkciju kodi

DNP3 funkciju kodi ietver sekojošo.

DNP3 ziņojuma formāts

DNP3 ziņojuma formāta struktūra ir parādīta zemāk. Ja mēs pārbaudām šo struktūru, mēs varam novērot, ka ziņojumi tiek apmainīti starp galvenajiem un tālvadības pultīm. Seriālās telemetrijas protokols (TBOS) ir orientēts uz baitiem, saziņai apmainot ar vienu baitu.

Paplašinātie seriālās telemetrijas protokoli, piemēram, TABS, ir orientēti uz paketēm ar baitu paketēm, kas tiek apmainītas, lai sazinātos. Šīs paketes parasti ietver galvenes, datu un kontrolsummas baitus. DNP3 protokols ir orientēts uz paketēm un izmanto pakešu struktūru, kas parādīta nākamajā attēlā.

Iepriekš minētajā ziņojuma formāta diagrammā DNP3 ASDU (lietojumprogrammu pakalpojumu datu vienība) ir vērtīgs, lai pielāgotu gudru saturu, kas tiek kontrolēts gan ar kvalifikatoriem, gan ar indeksa lieluma laukiem. Tādējādi šis dizains padarīs lietojumprogrammu datus pieejamus elastīgās konfigurācijās.

Tagad apspriedīsim, kā notiek datu apmaiņa, īpaši slāņu komunikācijas modelī.
Lietojumprogrammas slānis iepriekš minētajā diagrammā apvieno ASDU (lietojumprogrammu pakalpojumu datu vienību) un iepakotu objektu ar APCI (lietojumprogrammas protokola vadības) bloku, lai izveidotu APDU (lietojumprogrammu protokola datu vienību).

Transporta slānis sadalīs lietojumprogrammas pakalpojumu datu vienību vai APDU dažādos segmentos ar maksimālo 16 baitu lielumu un iesaiņo tos ar 8 bitu transporta vadības galveni un 16 bitu segmenta CRC atdalītājiem transporta rāmī.

Saites slānis ir kartēts ar 4 slāņu modeli, kas ir izstrādāts, izmantojot Aizsardzības departamentu, izmantojot DoD interneta slāni, kas ir izlaists. Ja tiek izmantots seriālais transports, pakešu montāža tiek veikta un atrodas uz transportēšanas datu nesēja piegādei.

Ja pakete tiek pārsūtīta pa LAN vai WAN, tad pirmajā slānī tiek sarullēti 3 DNP3 slāņi. Samontēto paketi var ietīt TCP (Transport Control Protocol) ietvaros caur transporta slāni, kas ir iesaiņots IP (interneta protokolā) caur interneta slāni. Var izmantot arī UDP (User Datagram Protocol), taču tas rada dažas papildu problēmas, kas saistītas ar uzticamu piegādi iesaiņotos tīklos.

DNP3 datu formāts

DNP tiek plaši izmantots, lai kontrolētu ziņojumu, kas tiek nosūtīts starp centrālo staciju un vadības blokiem. DNP3 datu formāts galvenokārt ietver divas sadaļas - galveni un datu sadaļas. Turklāt galvene ir sadalīta sešās apakšsadaļās.

Datu rāmja formāts un katra lauka nepieciešamais izmērs ir parādīts attēlā. Šajā diagrammā sinhronizācija ir pirmais lauks, kas ir 1 baits, un tas norāda kadra sākumu.
Šī lauka vērtība ir fiksēta uz 0564, tāpēc, pārbaudot sinhronizācijas lauka pozīciju, kadrs ir saņemts, kartēšanu var veikt efektīvi.

Lauka garums nodrošina visu kadra garumu, lai galamērķī varētu piešķirt noteiktu buferi ienākošo kadru glabāšanai. Tātad otrais kadrs ir “Vadības lauks”, kas apraksta vadības darbību, kas jāveic uztvērēja galā.

Vadības laukā tiks iekļauta heksadecimālā vērtība 41, pretējā gadījumā — 42, pamatojoties uz darbības veidu. Pēc tam galamērķa un avota adreses lauks sniegs paredzētās saņēmēja adreses un nosūtīšanas mezglu.
CRC jeb cikliskās atlaišanas pārbaude ir pēdējais lauks, kas palīdzēs pārbaudīt kadra kļūdu. Pārsūtīšanas laikā ziņojumam ir pievienota pārbaudes vērtība, kas saņemšanas galā tiks savstarpēji pārbaudīta. Kad šī vērtība sakrīt, tā norāda, ka kadrā nepastāv kļūda. Datu sadaļa ir 2 līdz 4 baiti, taču tai nav nozīmes ziņojumu nodošanas kontrolē.

Iepriekš redzamajā attēlā parādīts vadības ziņojums, kas tiek pārraidīts DNP3 formātā no vienas stacijas uz citu, tāpat kā vadība uz galamērķi. Dažādu darbību saziņai ar galamērķiem lauki, piemēram, vadības lauks, kā arī galamērķa adrese, savukārt daži lauki nemainīsies visiem sakariem.

DNP3 uzraudzības sistēmas piemērs

DNP3 galvenās un attālās uzraudzības sistēmas diagramma ir parādīta zemāk. Šis modelis tiek izmantots datu pārsūtīšanai starp divām ierīcēm, piemēram, galveno un tālvadības ierīci, izmantojot DNP3.

DNP3 galvenā un attālās uzraudzības sistēmas diagramma ir parādīta zemāk. Šis modelis tiek izmantots datu pārsūtīšanai starp divām ierīcēm, piemēram, galveno un tālvadības ierīci, izmantojot DNP3. Šeit galvenais ir dators, un pakārtotais vai tālvadības pults ir ārpusstacija. Pārsūtītie dati ir vai nu statiski dati, notikumu dati un tiek pieņemti nevēlami notikumu dati.

DNP3 protokols parasti tiek izmantots starp galveno (datoru) un tālvadības ierīci (Outstation). Šeit galvenais tiek izmantots, lai nodrošinātu saskarni starp cilvēka tīkla pārvaldnieku, kā arī uzraudzības sistēmu. Tālvadības pults nodrošina saskarni starp galveno, kā arī fizisko ierīci, kas tiek kontrolēta vai uzraudzīta.

Gan galvenais, gan tālvadības pults datu apmaiņai izmanto kopīgu objektu bibliotēku. Šeit dati ir DNP3 protokols ir aptaujāts protokols, kas ietver iespējas, kas ir rūpīgi izstrādātas. Kad galvenā stacija ir savienota ar tālvadības pulti, var veikt integritātes aptauju, kas ir ļoti nozīmīga DNP3 adresēšanai, jo datu punktam tās atgriež visas buferizētās vērtības un ietver arī punkta pašreizējo vērtību.

Parasti DNP3 draiveri var regulāri veikt dažādas aptaujas, piemēram, Integrity Poll, Class 1, Class 2 un Class 3. Integrity Poll ietvaros DNP3 vienkārši pieprasa ārstacijai pārsūtīt tās 1.klases, 2.klases un 3.klases aptauju. notikumu dati un 0. klases statiskie dati hronoloģiskā secībā. Integritātes aptauju parasti izmanto DNP3 galvenā un palīga datu bāzu sinhronizēšanai, un tāpēc tai ir tendence piešķirt lēnu aptaujas ātrumu. Parasti 1., 2. un 3. klases aptaujas tiek izmantotas, lai atgūtu atsevišķus klases notikumus ar mainīgu ātrumu, pamatojoties uz šo notikumu nozīmīgumu. Klasēm, kurām ir ātrāks aptaujas ātrums, tiek piešķirti kritiskāki notikumi.

Atšķirība starp DNP3 un IEC 61850

Atšķirība starp DNP3 un IEC 61850 ietver tālāk norādīto.

Atšķirība starp DNP3 un Modbus

Atšķirības starp DNP3 un Modbus ir šādas.

DNP3 plusi un mīnusi

The DNP3 protokola priekšrocības Es iekļauju sekojošo.

• DNP3 ir atvērtā standarta protokols, tāpēc jebkurš dizainers var izstrādāt DNP3 aprīkojumu, kas ir labi saskaņots ar citu DNP3 aprīkojumu.
• DNP3 nodrošina daudzas iespējas, pateicoties viedajam un izturīgajam protokolam.
• Tas var pieprasīt un atbildēt, izmantojot vairākus datu tipus vienā ziņojumā
• Tas ļauj veikt vairākas galvenās un vienādranga operācijas
• Tā atbalsta standarta laika formātu un laika sinhronizāciju.
• Programmatūras izmaksas tiks samazinātas.
• Nav prasību pēc protokolu tulkotājiem.
• Mazāk apkopes un testēšanas.

DNP3 protokola trūkumi ir šādi.

DNP3 izmanto seriālo RTU un atjaunina to, izmantojot Ethernet RTU (ERTU). Ja arī komunikācijas kanāla joslas platums uz šo staciju netiek palielināts, lietotājam būs lēnāka saite, jo tiek nodrošināta pieskaitāma slodze, kas tiek ieviesta, iesaiņojot DNP3, izmantojot TCP/IP.

DNP3 lietojumprogrammas

The DNP3 lietojumprogrammas iekļaujiet tālāk norādīto.

• DNP3 ļauj sazināties dažādām ierīcēm procesa automatizācijas sistēmās.
• Dažādi komunālie uzņēmumi plaši izmanto šo protokolu gāzes, elektrības un ūdens telemetrijas sistēmām.
• To izmanto SCADA komunikācijās.
• DNP3 sakaru protokols tiek izmantots attālās un SCADA uzraudzības sistēmās.
• Tas ir piemērojams visā SCADA vidē, kas ietver sakarus no galvenā uz attālo un RTU līdz IED, kā arī tīkla lietojumprogrammās.

Tādējādi tas viss ir par DNP3 protokola pārskats – darbs ar aplikācijām. The DNP3 protokola specifikācija galvenokārt ir atkarīgs no objekta modeļa. Tādējādi šis modelis vienkārši samazina datu bitu kartēšanu, kas parasti ir nepieciešama citiem mazāk objektorientētiem protokoliem. SCADA tehniķiem un inženieriem daži iepriekš noteikti objekti padarīs DNP3 ērtāku dizaina un izvietošanas sistēmu. Šeit ir jautājums jums, kas ir protokols?