Protocol DNP3: Arquitectura, Funcionament, Codis de funció, Format de dades i les seves aplicacions

El DNP3 o Distributed Network Protocol3 va ser llançat el 1992 per una corporació japonesa per establir un protocol de comunicació entre sistemes distribuïts. DNP3 és un protocol de control de dispositiu basat en xarxa que s'utilitza per a la comunicació entre un dispositiu i un dispositiu d'entrada/sortida remot. Aquest protocol depèn principalment d'un model orientat a objectes que disminueix el mapeig de bits de dades que sol ser requerit per altres protocols menys orientats a objectes. S'utilitza principalment entre estacions mestres centrals, així com unitats remotes distribuïdes on l'estació mestra central només funciona com a interfície entre el gestor de xarxa humana i el sistema de monitorització. La unitat remota distribuïda és la interfície entre l'estació mestra i l'aparell físic que s'observa i controla a les zones llunyanes. L'intercanvi de dades entre aquests dos es pot fer mitjançant la biblioteca d'objectes comuns. Aquest article tracta una visió general del Protocol DNP3 - Treballar amb aplicacions.

Què és el protocol DNP3?

El conjunt de protocols de comunicació que s'utilitzen entre diferents components dins dels sistemes d'automatització de processos es coneix com a protocol DNP3. Aquest protocol es va dissenyar principalment per a finalitats de comunicació entre diferents tipus d'equips d'adquisició i control de dades. Així que a Sistemes SCADA , aquest protocol té un paper essencial quan és utilitzat per RTU, SCADA i IED.

Arquitectura del protocol DNP3 i el seu funcionament

El DNP3 és una tercera versió del protocol de xarxa distribuïda. Té una enquesta d'integritat i tres nivells de sondeig, on l'enquesta d'integritat s'utilitza per agafar les dades en una enquesta.

L'arquitectura de xarxa DNP3 pot ser unicast, multidrop i connector de dades/arquitectures jeràrquiques.

L'arquitectura unicast: també es coneix com a arquitectura un a un, aquí l'estació mestra només es pot comunicar amb una estació externa, mentre que en arquitectura multipunta l'estació mestra es pot comunicar amb més d'un dispositiu d'estació externa, cosa que significa que es pot comunicar amb diversos dispositius d'estació externa. El connector de dades/arquitectura jeràrquica és una combinació d'arquitectures multipunt i unicast.

El protocol de comunicació DNP3 s'utilitza habitualment per a serveis elèctrics, aigua i clavegueram, petroli i gas, transport i altres entorns SCADA. Permet visualitzar nivells importants en temps real i històricament, que poden ser temperatura, humitat, nivell de bateria, voltatge, nivell de combustible, etc. També permet detectar problemes i corregir-los ràpidament, i també pot eliminar colls d'ampolla. i ineficiències.

El disseny del protocol DNP3 es pot fer basant-se en les capes del model OSI com l'enllaç de dades, el transport, l'aplicació i la capa d'usuari. Aquest protocol té la flexibilitat de connectar un únic mestre mitjançant un mínim d'una o més estacions externes per sobre de mitjans físics en sèrie i Ethernet.
Altres arquitectures possibles inclouen principalment diverses connexions mestres amb una única estació externa i operacions peer-to-peer. Normalment, el mestre inicia ordres de control per sol·licitar dades o activar dispositius que es gestionen a través de l'estació externa. Aquesta estació externa simplement reacciona al mestre transmetent la informació adequada.

Basat en el model OSI, el protocol DNP3 inclou quatre capes d'enllaç de dades, funció de transport, aplicació i capa d'usuari. Aquí, la capa d'enllaç de dades a la part inferior farà que l'enllaç físic sigui més fiable mitjançant l'adreçament i la detecció d'errors. La funció de transport simplement reuneix fotogrames de la capa d'enllaç en fragments de la capa d'aplicació. Aquesta capa pren tot el missatge i especifica quines dades es prefereixen a la capa d'usuari anterior. Cada missatge pot tenir diversos tipus de dades, com ara entrades i sortides analògiques, binàries i de comptador.

Com funciona el protocol DNP3?

El protocol DNP3 simplement funciona utilitzant 27 codis de funció fonamentals per permetre la comunicació entre estacions mestres i unitats remotes. De manera que alguns codis de funció permetran al mestre sol·licitar i obtenir l'estat de la informació d'un dispositiu remot i altres codis de funció permetran al mestre decidir o corregir la configuració de la unitat remota.

Diversos codis de funció s'utilitzen principalment a l'estació mestra DNP3 per controlar l'equip o la unitat remota en llocs remots. L'estació mestra DNP3 emet la major part de la comunicació amb el dispositiu remot de DNP3. Però, el missatge no sol·licitat (missatge o/p) s'inicia a través d'una unitat remota i genera una alarma. De manera que aquest missatge dóna una alerta al mestre un cop es produeix una alarma.

Codis de funció

Els codis de funció de DNP3 inclouen els següents.

Format de missatge DNP3

L'estructura del format del missatge de DNP3 es mostra a continuació. Si examinem aquesta estructura, podem observar que els missatges s'intercanvien entre mestres i comandaments a distància. El protocol de telemetria sèrie (TBOS) està orientat a bytes mitjançant l'intercanvi d'un únic byte per comunicar-se.

Els protocols de telemetria en sèrie estès, com ara TABS, estan orientats a paquets amb paquets de bytes que s'intercanvien per comunicar-se. Aquests paquets normalment inclouen bytes de capçalera, dades i suma de verificació. El protocol DNP3 està orientat a paquets i utilitza l'estructura de paquets que es mostra a la figura següent.

Al diagrama de format de missatge anterior, la DNP3 ASDU (unitat de dades de servei d'aplicacions) és valuosa per a l'ajust del contingut intel·ligent que es controla tant a través dels qualificadors com dels camps indexSize. Així, aquest disseny farà que les dades de l'aplicació siguin accessibles dins de configuracions flexibles.

Ara parlem de com s'intercanvien les dades, especialment en el model de comunicació en capes.
La capa d'aplicació del diagrama anterior combina una ASDU (unitat de dades de servei d'aplicació) i un objecte empaquetat mitjançant un bloc APCI (control de protocol d'aplicació) per fer una APDU (unitat de dades de protocol d'aplicació).

La capa de transport trencarà la unitat de dades del servei d'aplicació o APDU en diferents segments amb una mida màxima de 16 bytes i els empaquetarà mitjançant una capçalera de control de transport de 8 bits i separadors CRC de segment de 16 bits en un marc de transport.

La capa d'enllaç s'assigna al model de 4 capes que es desenvolupa a través del DoD (Departament de Defensa) a través de la capa d'Internet del DoD. Si s'utilitza el transport en sèrie, es fa el muntatge del paquet i es localitza al suport de transport per al lliurament.

Si el paquet es transmet a través d'una LAN o WAN, s'enrotllen 3 capes DNP3 a la primera capa. El paquet que s'assembla es pot embolicar dins del TCP (Protocol de control de transport) a través de la capa de transport que s'embolica dins de l'IP (Protocol d'Internet) a través de la capa d'Internet. També es pot utilitzar l'UDP (Protocol de datagrama d'usuari), però presenta alguns problemes addicionals relacionats amb un lliurament fiable dins de xarxes empaquetades.

Format de dades DNP3

DNP s'utilitza àmpliament per controlar el missatge que passa entre l'estació central i les unitats de control. El format de dades de DNP3 inclou principalment dues seccions, la capçalera i les seccions de dades. A més, la capçalera es divideix en sis subseccions.

El format del marc de dades i la mida necessària de cada camp es mostra a la figura anterior. En aquest diagrama, la sincronització és el primer camp que té 1 byte i especifica l'inici del marc.
Aquest valor de camp es fixa en 0564, de manera que una vegada que es rep un fotograma examinant la posició del camp de sincronització, el mapatge es pot fer de manera eficient.

La longitud del camp proporciona tota la longitud del fotograma de manera que es pot assignar un buffer particular a la destinació per contenir els fotogrames entrants. Per tant, el segon quadre és 'Camp de control' que descriu l'acció de control que cal requerir a l'extrem del receptor.

El camp de control inclourà el valor hexadecimal 41, en cas contrari, 42 en funció del tipus d'acció. Després d'això, el camp d'adreça de destinació i origen proporcionarà les adreces de receptor previstes i el node d'enviament.
El CRC o Cyclic Redundancy Check és l'últim camp que ajudarà a verificar l'error de trama. Es connecta un valor de verificació al missatge en el moment de la transmissió, que es verificarà creuament a l'extrem receptor. Un cop aquest valor coincideix, especifica la inexistència d'error dins del marc. La secció de dades és de 2 a 4 bytes, però no té cap paper en el control del pas de missatges.

La figura anterior mostra el missatge de control transmès dins del format de DNP3 d'una estació a una altra com el control a la destinació. Per a la comunicació de diverses accions a les destinacions, els camps com el camp de control i l'adreça de destinació, mentre que alguns camps no canviaran per a totes les comunicacions.

Exemple de sistema de monitorització DNP3

A continuació es mostra el diagrama del sistema de control remot i mestre DNP3. Aquest model s'utilitza per transferir dades entre dos dispositius com a mestre i remot mitjançant DNP3.

A continuació es mostra el diagrama del sistema de monitorització remota i mestre DNP3. Aquest model s'utilitza per transferir dades entre dos dispositius com a mestre i remot mitjançant DNP3. Aquí el mestre és l'ordinador i l'esclau o remot és l'estació externa. Les dades transmeses són dades estàtiques, dades d'esdeveniments i accepten dades d'esdeveniments no sol·licitats.

El protocol DNP3 s'utilitza normalment entre el mestre (ordinador) i el remot (estació externa). Aquí, el mestre s'utilitza per proporcionar una interfície entre el gestor de xarxa humana i el sistema de monitorització. El comandament a distància proporciona la interfície entre el mestre i el dispositiu físic que s'estan controlant o supervisant.

Tant el mestre com el comandament remot utilitzen una biblioteca d'objectes comuns per a l'intercanvi de dades. Aquí hi ha les dades El protocol DNP3 és un protocol enquestat que inclou capacitats dissenyades amb cura. Una vegada que l'estació mestra està connectada a un control remot, es pot realitzar una enquesta d'integritat que és molt important per adreçar-se a DNP3 perquè per a un punt de dades retornen tots els valors de memòria intermèdia i també inclouen el valor actual del punt.

En general, els controladors DNP3 poden realitzar diferents enquestes de forma rutinària com una enquesta d'integritat, una classe 1, una classe 2 i una classe 3. A l'enquesta d'integritat, el DNP3 simplement demana a l'estació externa que transmeti la seva classe 1, classe 2 i classe 3. dades d'esdeveniments i dades estàtiques de classe 0 en ordre cronològic. Normalment s'utilitza una enquesta d'integritat per sincronitzar les bases de dades de DNP3 mestre i esclau i, per tant, se sol assignar una taxa de sondeig lenta. Normalment, les enquestes de classe 1, classe 2 i classe 3 s'utilitzen per recuperar esdeveniments de classe individuals a taxes variables en funció de la importància d'aquests esdeveniments s'assignen esdeveniments més crítics a les classes que tenen la taxa d'enquesta més ràpida.

Diferència entre DNP3 i IEC 61850

La diferència entre DNP3 i IEC 61850 inclou el següent.

Diferència entre DNP3 i Modbus

La diferència entre DNP3 i Modbus inclou les següents.

Pros i contres de DNP3

El avantatges del protocol DNP3 Inclou el següent.

• DNP3 és un protocol estàndard obert, de manera que qualsevol dissenyador pot dissenyar equips DNP3 que coincideixin bé amb altres equips DNP3.
• DNP3 ofereix moltes capacitats gràcies a un protocol intel·ligent i robust.
• Pot sol·licitar i respondre a través de diversos tipus de dades dins de missatges únics
• Permet diverses operacions mestres i peer-to-peer
• Admet el format d'hora estàndard i la sincronització de l'hora.
• Es reduiran els costos del programari.
• No hi ha cap requisit per als traductors de protocol.
• Menys manteniment i proves.

Els desavantatges del protocol DNP3 inclouen els següents.

El DNP3 utilitza una RTU sèrie i l'actualitza mitjançant una RTU Ethernet (ERTU). Si l'amplada de banda del canal de comunicació a aquesta estació també no es millora, l'usuari tindrà un enllaç més lent a causa de la sobrecàrrega implementada en embolicar el DNP3 a través de TCP/IP.

Aplicacions DNP3

El Aplicacions DNP3 incloure el següent.

• DNP3 permet que es comuniquin diferents dispositius dins dels sistemes d'automatització de processos.
• Diferents companyies de serveis públics utilitzen àmpliament aquest protocol per a sistemes de telemetria de gas, electricitat i aigua.
• S'utilitza en comunicacions SCADA.
• El protocol de comunicació DNP3 s'utilitza en sistemes de control remot i SCADA.
• Això s'aplica a tot l'entorn SCADA, que inclou comunicacions des de mestre fins a remot i RTU fins a IED i també en aplicacions de xarxa.

Per tant, tot això es tracta una visió general del protocol DNP3 - Treballar amb aplicacions. El Especificació del protocol DNP3 depèn principalment del model d'objectes. Per tant, aquest model simplement disminueix el mapeig de bits de dades que sol ser necessari amb altres protocols menys orientats a objectes. Per als tècnics i enginyers SCADA, tenir alguns objectes predefinits farà que el marc de disseny i desplegament DNP3 sigui més còmode. Aquí tens una pregunta, quin és el protocol?