DNP3-protokoll: arkitektur, arbeid, funksjonskoder, dataformat og applikasjoner

DNP3 eller Distributed Network Protocol3 ble lansert i 1992 av et japansk selskap for å etablere en protokoll for kommunikasjon mellom distribuerte systemer. DNP3 er nettverksbasert enhetskontrollprotokoll som brukes for kommunikasjon mellom en enhet og en ekstern inn-/utgangsenhet. Denne protokollen avhenger hovedsakelig av en objektorientert modell som reduserer databittilordningen som vanligvis kreves av andre mindre objektorienterte protokoller. Den brukes hovedsakelig mellom sentrale hovedstasjoner så vel som distribuerte eksterne enheter der den sentrale hovedstasjonen ganske enkelt fungerer som et grensesnitt mellom den menneskelige nettverkslederen så vel som overvåkingssystemet. Den distribuerte fjernenheten er grensesnittet mellom hovedstasjonen og det fysiske apparatet som blir observert og kontrollert i fjerne områder. Datautvekslingen mellom disse to kan gjøres av fellesobjektbiblioteket. Denne artikkelen diskuterer en oversikt over DNP3-protokoll – jobbe med applikasjoner.

Hva er DNP3-protokollen?

Settet med kommunikasjonsprotokoller som brukes mellom ulike komponenter i prosessautomatiseringssystemer er kjent som DNP3-protokollen. Denne protokollen ble hovedsakelig designet for kommunikasjonsformål mellom ulike typer datainnsamlings- og kontrollutstyr. Så inn SCADA-systemer , spiller denne protokollen en viktig rolle når den brukes av RTU-er, SCADA-er og IED-er.

DNP3-protokollarkitektur og hvordan den fungerer

DNP3 er en tredje versjon distribuert nettverksprotokoll. Den har én integritetsavstemning og tre avstemningsnivåer, der integritetsavstemningen brukes til å hente dataene ved én avstemning.

DNP3-nettverksarkitekturen kan være unicast-, multidrop- og datakoblings-/hierarkiske arkitekturer.

Unicast-arkitekturen: er også kjent som en-til-en-arkitektur, her kan hovedstasjonen kun kommunisere med én utestasjon, mens i multidrop arkitektur masterstasjonen kan kommunisere med mer enn én utestasjonsenhet, noe som betyr at den kan kommunisere med flere utestasjonsenheter. Datakoblingen/hierarkisk arkitektur er en kombinasjon av multidrop- og unicast-arkitekturer.

DNP3-kommunikasjonsprotokollen brukes ofte for elektriske verktøy, vann og kloakk, olje og gass, transport og andre SCADA-miljøer. Den lar deg se viktige nivåer i sanntid og historisk, som kan være temperatur, fuktighet, batterinivå, spenning, drivstoffnivå osv. Den lar deg også oppdage problemer og rette opp problemene raskt, og du kan også eliminere flaskehalser og ineffektivitet.

Utformingen av DNP3-protokollen kan gjøres basert på lagene i OSI-modellen som datalink, transport, applikasjon og brukerlag. Denne protokollen har fleksibiliteten til å koble til en enkelt master gjennom minimum én eller flere utestasjoner over serielle så vel som Ethernet fysiske medier.
Andre mulige arkitekturer omfatter hovedsakelig ulike hovedforbindelser med en enkelt utestasjon og peer-to-peer-operasjoner. Vanligvis starter masteren kontrollkommandoer for å be om data fra eller aktivere enheter som administreres gjennom utestasjonen. Denne utestasjonen reagerer ganske enkelt på masteren ved å overføre passende informasjon.

Basert på OSI-modellen inkluderer DNP3-protokollen fire lag Data Link, Transport Function, Application & User Layer. Her vil datakoblingslaget nederst gjøre den fysiske lenken mer pålitelig ved å adressere og oppdage feil. Transportfunksjonen setter ganske enkelt sammen rammer av Link Layer til Application Layer-fragmenter. Dette laget tar hele meldingen og spesifiserer hvilke data som foretrekkes fremfor brukerlaget ovenfor. Hver melding kan ha flere datatyper som analoge, binære og telleinnganger og utganger.

Hvordan fungerer DNP3-protokollen?

DNP3-protokollen fungerer ganske enkelt ved å bruke 27 grunnleggende funksjonskoder for å tillate kommunikasjon mellom hovedstasjoner og eksterne enheter. Slik at noen funksjonskoder vil tillate masteren å be om og hente tilstanden til informasjon fra en ekstern enhet, og andre funksjonskoder vil tillate masteren å bestemme eller korrigere den eksterne enhetens konfigurasjon.

Flere funksjonskoder brukes hovedsakelig i DNP3-hovedstasjonen for å kontrollere utstyret eller den eksterne enheten på eksterne steder. DNP3-masterstasjonen sender ut det meste av kommunikasjonen til den eksterne enheten til DNP3. Men den uønskede meldingen (o/p-meldingen) initieres gjennom en ekstern enhet, og den genererer en alarm. Slik at denne meldingen gir et varsel til masteren når en alarm oppstår.

Funksjonskoder

Funksjonskodene til DNP3 inkluderer følgende.

DNP3 meldingsformat

Meldingsformatstrukturen til DNP3 er vist nedenfor. Hvis vi undersøker denne strukturen, kan vi observere at meldingene utveksles mellom mastere og fjernkontroller. Den serielle telemetriprotokollen (TBOS) er byte-orientert ved å utveksle en enkelt byte for å kommunisere.

Utvidede serielle telemetriprotokoller som TABS er pakkeorienterte med pakker med byte som utveksles for å kommunisere. Disse pakkene inkluderer normalt overskrift, data og kontrollsumbyte. DNP3-protokollen er pakkeorientert og benyttet pakkestrukturen som er vist i følgende figur.

I meldingsformatdiagrammet ovenfor er DNP3 ASDU (application service data unit) verdifull for justering av smart innhold som kontrolleres gjennom både kvalifikatorer og indeksstørrelsesfelt. Så dette designet vil gjøre applikasjonsdata tilgjengelig innenfor fleksible konfigurasjoner.

La oss nå diskutere hvordan dataene utveksles, spesielt i den lagdelte kommunikasjonsmodellen.
Applikasjonslaget i diagrammet ovenfor kombinerer en ASDU (applikasjonstjenestedataenhet) og et pakket objekt med en APCI-blokk (applikasjonsprotokollkontroll) for å lage en APDU (applikasjonsprotokolldataenhet).

Transportlaget vil bryte applikasjonstjenestedataenheten eller APDU i forskjellige segmenter med en maksimal størrelse på 16 byte og pakker dem med en 8-bits transportkontrollhode og 16-bits segment CRC-separatorer i en transportramme.

Linklaget er kartlagt til 4-lagsmodellen som er utviklet gjennom DoD (Department of Defense) gjennom DoD Internet Layer utelatt. Hvis serietransporten brukes, blir pakkemontering utført og plassert på transportmediet for levering.

Hvis pakken sendes over et LAN eller WAN, rulles 3 DNP3-lag sammen i det første laget. Pakken som er satt sammen kan pakkes inn i TCP (Transport Control Protocol) gjennom transportlaget som er pakket inn i IP (Internet Protocol) gjennom internettlaget. UDP (User Datagram Protocol) kan også brukes, men byr på noen ekstra problemer knyttet til pålitelig levering innenfor pakkede nettverk.

DNP3-dataformat

DNP er mye brukt for å kontrollere meldingen som går mellom sentralstasjonen og kontrollenhetene. Dataformatet til DNP3 inkluderer hovedsakelig to seksjoner, overskriften og dataseksjonene. Videre er overskriften delt inn i seks underseksjoner.

Formatet på datarammen og den nødvendige størrelsen på hvert felt er vist i figuren ovenfor. I dette diagrammet er Sync det første feltet som er 1 byte, og det spesifiserer begynnelsen av rammen.
Denne feltverdien er fastsatt til 0564, så når en ramme er mottatt ved å undersøke Sync-feltposisjonen, kan kartlegging gjøres effektivt.

Feltlengden gir hele rammelengden slik at en bestemt buffer kan tildeles ved destinasjonen for å holde de innkommende rammene. Så den andre rammen er 'Kontrollfelt' som beskriver kontrollhandlingen som kreves ved mottakerenden.

Kontrollfeltet vil inkludere hex-verdi 41 ellers 42 basert på handlingstypen. Etter det vil destinasjons- og kildeadressefeltet gi de tiltenkte mottakeradressene og avsendernoden.
CRC eller Cyclic Redundancy Check er det siste feltet som vil hjelpe med å verifisere rammefeilen. En sjekkverdi er koblet til meldingen på overføringstidspunktet som vil bli kryssverifisert ved mottakerenden. Når denne verdien samsvarer, spesifiserer den at det ikke finnes feil i rammen. Datadelen er 2 til 4 byte, men den har ingen rolle i å kontrollere meldingsoverføring.

Figuren ovenfor viser kontrollmeldingen som sendes i DNP3-formatet fra en stasjon til en annen som kontroll til destinasjon. For kommunikasjon av ulike handlinger til destinasjoner, liker feltene kontrollfeltet så vel som destinasjonsadressen, mens noen felt ikke vil endres for all kommunikasjon.

Eksempel på DNP3-overvåkingssystem

DNP3-master- og fjernovervåkingssystemdiagrammet er vist nedenfor. Denne modellen brukes til å overføre data mellom to enheter som master og fjernkontroll ved hjelp av DNP3.

DNP3-master- og fjernovervåkingssystemdiagrammet er vist nedenfor. Denne modellen brukes til å overføre data mellom to enheter som master og fjernkontroll ved hjelp av DNP3. Her er masteren datamaskinen og slaven eller fjernkontrollen er utestasjonen. De overførte dataene er enten statiske data, hendelsesdata og aksepter uønskede hendelsesdata.

DNP3-protokollen brukes vanligvis mellom master (datamaskin) og fjernkontroll (Outstation). Her brukes masteren for å gi et grensesnitt mellom den menneskelige nettverkslederen samt overvåkingssystemet. Fjernkontrollen gir grensesnittet mellom masteren så vel som den fysiske enheten som kontrolleres eller overvåkes.

Både masteren og fjernkontrollen bruker et felles objektbibliotek for datautveksling. Her er data DNP3-protokollen er en pollet protokoll som inkluderer funksjoner som er utformet nøye. Når hovedstasjonen er koblet til en fjernkontroll, kan en integritetsundersøkelse utføres som er svært viktig for adressering av DNP3 fordi for et datapunkt returnerer de alle bufrede verdier og omfatter også nåverdien av punktet.

Vanligvis kan DNP3-sjåførene utføre forskjellige avstemninger rutinemessig som en integritetsavstemning, en klasse 1, en klasse 2 og en klasse 3. I integritetsundersøkelse ber DNP3 ganske enkelt utstasjonen om å sende sin klasse 1, klasse 2 og klasse 3 hendelsesdata og klasse 0 statiske data i kronologisk rekkefølge. En integritetsavstemning brukes vanligvis for å synkronisere databasene til DNP3 master & slave og har derfor en tendens til å bli tildelt en langsom avstemningshastighet. Vanligvis brukes klasse 1, klasse 2 og klasse 3 meningsmålinger til å gjenopprette individuelle klassehendelser til foranderlige priser basert på viktigheten av disse hendelsene, mer kritiske hendelser tildeles klassene som har den raskere avstemningsfrekvensen.

Forskjellen mellom DNP3 og IEC 61850

Forskjellen mellom DNP3 og IEC 61850 inkluderer følgende.

Forskjellen mellom DNP3 og Modbus

Forskjellen mellom DNP3 og Modbus inkluderer følgende.

DNP3 fordeler og ulemper

De fordelene med DNP3-protokollen Jeg inkluderer følgende.

• DNP3 er en åpen standardprotokoll, så enhver designer kan designe DNP3-utstyr som er godt matchet med annet DNP3-utstyr.
• DNP3 gir mange funksjoner på grunn av en intelligent og robust protokoll.
• Den kan be og svare gjennom flere datatyper i enkeltmeldinger
• Den tillater flere master- og peer-to-peer-operasjoner
• Den støtter standard tidsformat og tidssynkronisering.
• Programvarekostnadene vil bli redusert.
• Ingen krav til protokolloversettere.
• Mindre vedlikehold og testing.

Ulempene med DNP3-protokollen inkluderer følgende.

DNP3 bruker en seriell RTU og oppgraderer den gjennom en Ethernet RTU (ERTU). Hvis kommunikasjonskanalens båndbredde til den stasjonen ikke også er forbedret, vil brukeren ha en langsommere kobling på grunn av overhead implementert i å pakke DNP3 gjennom TCP/IP.

DNP3-applikasjoner

De DNP3-applikasjoner Inkluder følgende.

• DNP3 lar ulike enheter innen prosessautomatiseringssystemer kommunisere.
• Ulike forsyningsselskaper bruker stort sett denne protokollen for gass-, elektriske- og vanntelemetrisystemer.
• Den brukes i SCADA Communications.
• DNP3-kommunikasjonsprotokollen brukes i fjern- og SCADA-overvåkingssystemer.
• Dette gjelder i hele SCADA-miljøet som inkluderer fra master til ekstern og RTU til IED-kommunikasjon og også i nettverksapplikasjoner.

Altså handler dette om en oversikt over DNP3-protokollen – jobbe med applikasjoner. De DNP3-protokollspesifikasjon avhenger hovedsakelig av objektmodellen. Så denne modellen reduserer ganske enkelt databitkartleggingen som vanligvis er nødvendig med andre mindre objektorienterte protokoller. For SCADA-teknikere og ingeniører vil det å ha noen forhåndsdefinerte objekter gjøre DNP3 mer komfortabelt design- og distribusjonsrammeverk. Her er et spørsmål til deg, hva er protokollen?