DNP3-protokol: Arkitektur, arbejde, funktionskoder, dataformat og dets applikationer

DNP3 eller Distributed Network Protocol3 blev lanceret i 1992 af et japansk selskab for at etablere en protokol til kommunikation mellem distribuerede systemer. DNP3 er netværksbaseret enhedskontrolprotokol, som bruges til kommunikation mellem en enhed og en ekstern input/outputenhed. Denne protokol afhænger hovedsageligt af en objektorienteret model, der reducerer den databitmapping, der normalt kræves af andre mindre objektorienterede protokoller. Den bruges hovedsageligt mellem centrale masterstationer samt distribuerede fjernenheder, hvor den centrale masterstation blot fungerer som en grænseflade mellem den menneskelige netværksmanager såvel som overvågningssystemet. Den distribuerede fjernenhed er grænsefladen mellem masterstationen og det fysiske apparat, der observeres og kontrolleres i de fjerne områder. Dataudvekslingen mellem disse to kan udføres af fællesobjektbiblioteket. Denne artikel diskuterer en oversigt over DNP3 protokol – arbejde med applikationer.

Hvad er DNP3-protokollen?

Sættet af kommunikationsprotokoller, der bruges mellem forskellige komponenter inden for procesautomatiseringssystemer, er kendt som DNP3-protokollen. Denne protokol blev hovedsageligt designet til kommunikationsformål mellem forskellige former for dataopsamlings- og kontroludstyr. Så ind SCADA systemer , spiller denne protokol en væsentlig rolle, når den bruges af RTU'er, SCADA'er og IED'er.

DNP3-protokolarkitektur og dens funktion

DNP3 er en tredje version af distribueret netværksprotokol. Den har én integritetsafstemning og tre afstemningsniveauer, hvor integritetsafstemningen bruges til at få fat i dataene ved én afstemning.

DNP3-netværksarkitekturen kan være unicast-, multidrop- og datastik/hierarkiske arkitekturer.

Unicast-arkitekturen: er også kendt som en-til-en-arkitektur, her kan masterstationen kun kommunikere med én udstation, hvorimod i multidrop arkitektur masterstationen kan kommunikere med mere end én outstation-enhed, hvilket betyder, at den kan kommunikere med flere outstation-enheder. Dataforbindelsen/hierarkisk arkitektur er en kombination af multidrop- og unicast-arkitekturer.

DNP3-kommunikationsprotokollen bruges almindeligvis til elforsyninger, vand og spildevand, olie og gas, transport og andre SCADA-miljøer. Det giver dig mulighed for at se vigtige niveauer i realtid og historisk, som kunne være temperatur, luftfugtighed, batteriniveau, spænding, brændstofniveau osv. Det giver dig også mulighed for at opdage problemer og rette problemerne hurtigt, og du kan også eliminere flaskehalse og ineffektivitet.

Designet af DNP3-protokollen kan udføres baseret på lagene i OSI-modellen som datalink, transport, applikation og brugerlag. Denne protokol har fleksibiliteten til at forbinde en enkelt master gennem minimum en eller flere udstationer over serielle såvel som Ethernet fysiske medier.
Andre mulige arkitekturer omfatter hovedsageligt forskellige masterforbindelser med en enkelt udstation og peer-to-peer operationer. Normalt starter masteren kontrolkommandoer for at anmode om data fra eller aktivere enheder, der styres gennem udestationen. Denne udestation reagerer simpelthen på masteren ved at sende passende information.

Baseret på OSI-modellen inkluderer DNP3-protokollen fire lag Data Link, Transport Function, Application & User Layer. Her vil Data Link Layer i bunden gøre det fysiske link mere pålideligt ved at adressere og opdage fejl. Transportfunktionen samler ganske enkelt rammer af Link Layer til Application Layer-fragmenter. Dette lag tager hele beskeden og specificerer, hvilke data der foretrækkes frem for ovenstående brugerlag. Hver besked kan have flere datatyper som analoge, binære og tællerindgange og -udgange.

Hvordan fungerer DNP3-protokollen?

DNP3-protokollen fungerer ganske enkelt ved at bruge 27 grundlæggende funktionskoder for at tillade kommunikation mellem masterstationer og fjernenheder. Så at nogle funktionskoder vil tillade masteren at anmode om og få informationstilstanden fra en fjernenhed, og andre funktionskoder vil tillade masteren at bestemme eller rette fjernenhedens konfiguration.

Adskillige funktionskoder bruges hovedsageligt i DNP3-masterstationen til styring af udstyret eller fjernenheden på fjerntliggende steder. DNP3-masterstationen udsender det meste af kommunikationen til den eksterne enhed på DNP3. Men den uopfordrede besked (o/p-meddelelse) startes gennem en fjernenhed, og den genererer en alarm. Så denne besked giver en advarsel til masteren, når der opstår en alarm.

Funktionskoder

Funktionskoderne for DNP3 omfatter følgende.

DNP3-meddelelsesformat

Meddelelsesformatstrukturen for DNP3 er vist nedenfor. Hvis vi undersøger denne struktur, kan vi observere, at beskederne udveksles mellem mastere og fjernbetjeninger. Den serielle telemetriprotokoll (TBOS) er byte-orienteret ved at udveksle en enkelt byte for at kommunikere.

Udvidede serielle telemetriprotokoller såsom TABS er pakkeorienterede med pakker af bytes, der udveksles for at kommunikere. Disse pakker inkluderer normalt header, data & checksum bytes. DNP3-protokollen er pakkeorienteret og brugte pakkestrukturen, som er vist i følgende figur.

I ovenstående meddelelsesformatdiagram er DNP3 ASDU (application service data unit) værdifuld til justeringen af ​​smart indhold, der styres gennem både qualifiers såvel som indexSize-felter. Så dette design vil gøre applikationsdata tilgængelige inden for fleksible konfigurationer.

Lad os nu diskutere, hvordan dataene udveksles, især i den lagdelte kommunikationsmodel.
Applikationslaget i ovenstående diagram kombinerer en ASDU (applikationstjenestedataenhed) og et pakket objekt af en APCI-blok (applikationsprotokolstyring) for at lave en APDU (applikationsprotokoldataenhed).

Transportlaget opdeler applikationstjenestedataenheden eller APDU'en i forskellige segmenter med en maksimal størrelse på 16 bytes og pakker dem med en 8-bit transportkontrolheader og 16-bit segment CRC-separatorer i en transportramme.

Linklaget er kortlagt til 4-lagsmodellen, som er udviklet gennem DoD (Department of Defence) gennem DoD Internet Layer udeladt. Hvis den serielle transport anvendes, er pakkesamlingen udført og placeret på transportmediet til levering.

Hvis pakken transmitteres over et LAN eller WAN, så rulles 3 DNP3-lag op i det første lag. Pakken, som er samlet, kan pakkes i TCP'en (Transport Control Protocol) gennem transportlaget, som pakkes i IP'en (Internet Protocol) gennem internetlaget. UDP (User Datagram Protocol) kan også bruges, men præsenterer nogle ekstra problemer forbundet med pålidelig levering inden for pakkede netværk.

DNP3 dataformat

DNP bruges i vid udstrækning til at styre meddelelsen, der passerer mellem centralstationen og kontrolenhederne. Dataformatet for DNP3 omfatter hovedsageligt to sektioner, headeren og datasektionerne. Yderligere er overskriften opdelt i seks underafsnit.

Formatet på datarammen og den nødvendige størrelse af hvert felt er vist i ovenstående figur. I dette diagram er Sync det første felt, som er 1 byte, og det angiver begyndelsen af ​​rammen.
Denne feltværdi er fastsat til 0564, så når først en ramme er modtaget ved at undersøge Sync-feltpositionen, kan kortlægningen udføres effektivt.

Feltlængden giver hele rammelængden, så en bestemt buffer kan tildeles på destinationen til at holde de indkommende rammer. Så den anden ramme er 'Kontrolfelt', som beskriver den kontrolhandling, der skal forespørges i modtagerenden.

Kontrolfeltet vil inkludere hex-værdi 41 ellers 42 baseret på handlingstypen. Derefter vil destinationen og kildeadressefeltet give de tilsigtede modtageradresser og afsendernoden.
CRC eller Cyclic Redundancy Check er det sidste felt, der hjælper med at verificere rammefejlen. En kontrolværdi er forbundet til meddelelsen på tidspunktet for afsendelsen, som vil blive krydsverificeret i den modtagende ende. Når denne værdi matcher, angiver den, at der ikke findes fejl i rammen. Sektionen af ​​data er 2 til 4 bytes, men den har ingen rolle i at kontrollere meddelelsesoverførsel.

Ovenstående figur viser kontrolmeddelelsen transmitteret i formatet DNP3 fra en station til en anden ligesom kontrol til destination. Til kommunikation af forskellige handlinger til destinationer, vil felterne gerne kontrolfeltet såvel som destinationsadressen, hvorimod nogle felter ikke ændres for alle kommunikationer.

Eksempel på DNP3 overvågningssystem

DNP3-master- og fjernovervågningssystemdiagrammet er vist nedenfor. Denne model bruges til at overføre data mellem to enheder som master og fjernbetjening ved hjælp af DNP3.

DNP3-master- og fjernovervågningssystemdiagrammet er vist nedenfor. Denne model bruges til at overføre data mellem to enheder som master og fjernbetjening ved hjælp af DNP3. Her er masteren computeren og slaven eller fjernbetjeningen er udestationen. De transmitterede data er enten statiske data, hændelsesdata og accepter uopfordrede hændelsesdata.

DNP3-protokollen bruges normalt mellem master (computer) og fjernbetjening (Outstation). Her bruges masteren til at skabe en grænseflade mellem den menneskelige netværksmanager samt overvågningssystemet. Fjernbetjeningen giver grænsefladen mellem masteren såvel som den fysiske enhed, som styres eller overvåges.

Både master og fjernbetjening bruger et fælles objektbibliotek til dataudveksling. Her er data. DNP3-protokollen er en pollet protokol, der inkluderer funktioner, der er designet omhyggeligt. Når først masterstationen er forbundet til en fjernbetjening, kan der udføres en integritetsundersøgelse, som er meget vigtig for adressering af DNP3, fordi de for et datapunkt returnerer alle bufferværdier og også omfatter punktets nuværende værdi.

Generelt kan DNP3-chaufførerne udføre forskellige afstemninger rutinemæssigt som en integritetsafstemning, en klasse 1, en klasse 2 og en klasse 3. I integritetsafstemningen anmoder DNP3 blot udestationen om at sende dens klasse 1, klasse 2 og klasse 3 hændelsesdata & Klasse 0 statiske data i kronologisk rækkefølge. En integritetsafstemning bruges normalt til at synkronisere databaserne for DNP3 master & slave og har derfor en tendens til at blive tildelt en langsom afstemningshastighed. Klasse 1, Klasse2 og Klasse 3 meningsmålinger bruges typisk til at gendanne individuelle klassebegivenheder til foranderlige satser baseret på vigtigheden af ​​disse begivenheder, mere kritiske hændelser tildeles de klasser, der har den hurtigere afstemningsrate.

Forskellen mellem DNP3 og IEC 61850

Forskellen mellem DNP3 og IEC 61850 omfatter følgende.

Forskellen mellem DNP3 og Modbus

Forskellen mellem DNP3 og Modbus inkluderer følgende.

DNP3 fordele og ulemper

Det fordelene ved DNP3-protokollen Jeg inkluderer følgende.

• DNP3 er en åben standardprotokol, så enhver designer kan designe DNP3-udstyr, som er godt matchet med andet DNP3-udstyr.
• DNP3 giver mange muligheder på grund af en intelligent og robust protokol.
• Det kan anmode og svare gennem flere datatyper inden for enkelte beskeder
• Det tillader flere master- og peer-to-peer-operationer
• Det understøtter standard tidsformat og tidssynkronisering.
• Softwareomkostninger vil blive reduceret.
• Intet krav til protokoloversættere.
• Mindre vedligeholdelse og test.

Ulemperne ved DNP3-protokollen omfatter følgende.

DNP3 bruger en seriel RTU og opgraderer den gennem en Ethernet RTU (ERTU). Hvis kommunikationskanalens båndbredde til den pågældende station ikke også forbedres, vil brugeren have en langsommere forbindelse på grund af den overhead, der er implementeret ved indpakning af DNP3 gennem TCP/IP.

DNP3 applikationer

Det DNP3 applikationer omfatte følgende.

• DNP3 tillader forskellige enheder inden for procesautomatiseringssystemer at kommunikere.
• Forskellige forsyningsselskaber bruger bredt denne protokol til gas-, el- og vandtelemetrisystemer.
• Det bruges i SCADA Communications.
• DNP3-kommunikationsprotokollen bruges i fjern- og SCADA-overvågningssystemer.
• Dette gælder i hele SCADA-miljøet, som inkluderer fra master til fjern- og RTU til IED-kommunikation og også i netværksapplikationer.

Det handler altså om en oversigt over DNP3-protokollen – arbejde med applikationer. Det DNP3 protokol specifikation afhænger hovedsageligt af objektmodellen. Så denne model reducerer simpelthen den databitmapping, som normalt er nødvendig med andre mindre objektorienterede protokoller. For SCADA-teknikere og ingeniører vil det at have nogle foruddefinerede objekter gøre DNP3 mere behageligt design og implementeringsramme. Her er et spørgsmål til dig, hvad er protokollen?