DNP3-protokolla: arkkitehtuuri, toiminta, toimintokoodit, tietomuoto ja sen sovellukset

DNP3 tai Distributed Network Protocol3 julkaisi vuonna 1992 japanilaisen Corporationin toimesta luodakseen protokollan hajautettujen järjestelmien välistä viestintää varten. DNP3 on verkkopohjainen laiteohjausprotokolla, jota käytetään viestintään laitteen ja etäsyöttö-/tulostuslaitteen välillä. Tämä protokolla riippuu pääasiassa oliomallista, joka vähentää datan bittikartoitusta, jota muut vähemmän oliopohjaiset protokollat ​​yleensä vaativat. Sitä käytetään pääasiassa keskusisäntäasemien sekä hajautettujen etäyksiköiden välillä, missä keskusisäntäasema toimii yksinkertaisesti rajapintana ihmisen verkonhallinnan ja valvontajärjestelmän välillä. Hajautettu etäyksikkö on rajapinta isäntäaseman ja kaukaisilla alueilla tarkkailtavan ja ohjattavan fyysisen laitteen välillä. Tiedonvaihto näiden kahden välillä voidaan tehdä yhteisellä objektikirjastolla. Tässä artikkelissa käsitellään yleiskatsausta DNP3-protokolla – sovellusten parissa työskenteleminen.

Mikä on DNP3-protokolla?

Prosessiautomaatiojärjestelmien eri komponenttien välillä käytetty tietoliikenneprotokollien joukko tunnetaan nimellä DNP3-protokolla. Tämä protokolla on suunniteltu pääasiassa viestintätarkoituksiin erilaisten tiedonkeruu- ja ohjauslaitteiden välillä. Sisään siis SCADA-järjestelmät , tällä protokollalla on olennainen rooli, kun sitä käyttävät RTU:t, SCADA:t ja IED:t.

DNP3-protokollaarkkitehtuuri ja sen toiminta

DNP3 on kolmannen version hajautettu verkkoprotokolla. Siinä on yksi eheyskysely ja kolme kyselytasoa, joissa eheyskyselyä käytetään tietojen keräämiseen yhdessä kyselyssä.

DNP3-verkkoarkkitehtuuri voi olla unicast-, multidrop- ja dataliitin/hierarkkista arkkitehtuuria.

Unicast-arkkitehtuuri: Tunnetaan myös yksi-yhteen-arkkitehtuurina, jossa pääasema voi kommunikoida vain yhden ulkoaseman kanssa, kun taas sisään multidrop-arkkitehtuuri isäntäasema voi kommunikoida useamman kuin yhden ulkoasemalaitteen kanssa, mikä tarkoittaa, että se voi kommunikoida useiden ulkoasemalaitteiden kanssa. Tietoliitin/hierarkkinen arkkitehtuuri on yhdistelmä multidrop- ja unicast-arkkitehtuureja.

DNP3-viestintäprotokollaa käytetään yleisesti sähkölaitoksissa, vesi- ja viemäröinti-, öljy- ja kaasu-, kuljetus- ja muissa SCADA-ympäristöissä. Sen avulla voit tarkastella tärkeitä tasoja reaaliajassa ja historiallisesti, kuten lämpötilaa, kosteutta, akun tasoa, jännitettä, polttoainetasoa jne. Sen avulla voit myös havaita ongelmat ja korjata ne nopeasti sekä poistaa pullonkauloja ja tehottomuudet.

DNP3-protokollan suunnittelu voidaan tehdä perustuen OSI-mallin kerroksiin, kuten datalinkki-, siirto-, sovellus- ja käyttäjäkerros. Tällä protokollalla on joustavuus liittää yksi isäntä vähintään yhden tai useamman ulkoaseman kautta sarja- ja Ethernet-fyysisen median yläpuolelle.
Muut mahdolliset arkkitehtuurit käsittävät pääasiassa erilaisia ​​isäntäyhteyksiä yhdellä ulkoasemalla ja vertaisoperaatioilla. Yleensä isäntä käynnistää ohjauskomennot pyytääkseen tietoja ulkoaseman kautta hallituilta laitteilta tai aktivoidakseen niitä. Tämä ulkoasema yksinkertaisesti reagoi isännälle lähettämällä sopivaa tietoa.

OSI-malliin perustuva DNP3-protokolla sisältää neljä kerrosta Data Link, Transport Function, Application & User Layer. Tässä alareunassa oleva tietolinkkikerros tekee fyysisestä linkistä luotettavamman osoitteen ja virheiden havaitsemisen avulla. Kuljetustoiminto yksinkertaisesti kokoaa linkkikerroksen kehykset sovelluskerroksen fragmenteiksi. Tämä kerros ottaa koko viestin ja määrittää, mitä tietoja suositellaan yllä olevaan käyttäjätasoon. Jokaisella viestillä voi olla useita tietotyyppejä, kuten analogiset, binaariset ja laskuritulot ja -lähdöt.

Kuinka DNP3-protokolla toimii?

DNP3-protokolla toimii yksinkertaisesti käyttämällä 27 perustoimintokoodia, jotka mahdollistavat viestinnän isäntäasemien ja etäyksiköiden välillä. Jotta jotkin toimintokoodit antavat isännälle mahdollisuuden pyytää ja saada tietoja etälaitteesta, ja muut toimintokoodit antavat isännälle mahdollisuuden päättää tai korjata etäyksikön konfiguraatiota.

Useita toimintokoodeja käytetään pääasiassa DNP3-isäntäasemassa laitteen tai etäyksikön ohjaamiseen etäkohteissa. DNP3-pääasema lähettää suurimman osan tiedonsiirrosta DNP3:n etälaitteeseen. Mutta ei-toivottu viesti (o/p-viesti) käynnistetään etäyksikön kautta, ja se luo hälytyksen. Joten tämä viesti antaa hälytyksen isännälle, kun hälytys tapahtuu.

Toimintokoodit

DNP3:n toimintokoodit sisältävät seuraavat.

DNP3-viestimuoto

DNP3:n viestimuotorakenne on esitetty alla. Jos tarkastelemme tätä rakennetta, voimme havaita, että viestit vaihdetaan isäntälaitteiden ja etälaitteiden välillä. Serial telemetriaprotokolla (TBOS) on tavusuuntautunut vaihtamalla yhden tavun viestintää varten.

Laajennetut sarjatelemetriaprotokollat, kuten TABS, ovat pakettisuuntautuneita tavupakettien kanssa, jotka vaihdetaan kommunikointia varten. Nämä paketit sisältävät yleensä otsikko-, data- ja tarkistussummatavuja. DNP3-protokolla on pakettisuuntautunut ja käyttää seuraavassa kuvassa esitettyä pakettirakennetta.

Yllä olevassa viestimuotokaaviossa DNP3 ASDU (sovelluspalveludatayksikkö) on arvokas älykkään sisällön säätämiseen, jota ohjataan sekä tarkenteiden että indexSize-kenttien kautta. Joten tämä suunnittelu mahdollistaa sovellustietojen saatavuuden joustavissa kokoonpanoissa.

Keskustellaan nyt siitä, miten dataa vaihdetaan erityisesti kerrostetussa viestintämallissa.
Yllä olevan kaavion sovelluskerros yhdistää ASDU:n (sovelluspalveludatayksikkö) ja APCI-lohkon (sovellusprotokollan ohjaus) pakatun objektin muodostamaan APDU:n (sovellusprotokollan datayksikkö).

Kuljetuskerros jakaa sovelluspalveludatayksikön tai APDU:n eri segmenteiksi, joiden koko on enintään 16 tavua, ja pakkaa ne 8-bittisellä kuljetuksen ohjausotsikolla ja 16-bittisellä segmentin CRC-erottimella siirtokehykseksi.

Linkkikerros on kartoitettu 4-kerroksiseen malliin, joka on kehitetty DoD:n (Department of Defense) kautta DoD Internet-kerroksen kautta. Jos sarjakuljetusta käytetään, pakettien kokoaminen on tehty ja sijoitetaan kuljetusvälineeseen toimitusta varten.

Jos paketti lähetetään LAN- tai WAN-verkon kautta, 3 DNP3-kerrosta rullataan ensimmäiseen kerrokseen. Koottu paketti voidaan kääriä TCP:n (Transport Control Protocol) sisään siirtokerroksen kautta, joka on kääritty IP:n (Internet Protocol) sisään Internet-kerroksen kautta. UDP-protokollaa (User Datagram Protocol) voidaan myös käyttää, mutta se sisältää joitain lisäongelmia, jotka liittyvät luotettavaan toimitukseen pakattujen verkkojen sisällä.

DNP3-tietomuoto

DNP:tä käytetään laajasti keskusaseman ja ohjausyksiköiden välillä kulkevan viestin ohjaamiseen. DNP3:n tietomuoto sisältää pääasiassa kaksi osaa, otsikko- ja tietoosiot. Lisäksi otsikko on jaettu kuuteen alaosioon.

Tietokehyksen muoto ja jokaisen kentän tarvittava koko on esitetty yllä olevassa kuvassa. Tässä kaaviossa Sync on ensimmäinen kenttä, joka on 1 tavu ja se määrittää kehyksen alun.
Tämä kentän arvo on kiinteä 0564, joten kun kehys on vastaanotettu tarkastelemalla synkronointikentän sijaintia, kartoitus voidaan tehdä tehokkaasti.

Kentän pituus antaa koko kehyksen pituuden, jotta tietty puskuri voidaan määrittää kohteeseen saapuvien kehysten säilyttämiseksi. Joten toinen kehys on 'Ohjauskenttä', joka kuvaa ohjaustoimintoa, joka vaaditaan vastaanottimen päässä.

Ohjauskenttä sisältää heksadesimaaliarvon 41, muuten 42 toimintotyypin mukaan. Tämän jälkeen kohde- ja lähdeosoitekenttä antaa aiotut vastaanottajaosoitteet ja lähettävän solmun.
CRC tai Cyclic Redundancy Check on viimeinen kenttä, joka auttaa todentamaan kehysvirheen. Lähetyshetkellä viestiin on yhdistetty tarkistusarvo, joka ristiinvarmennettu vastaanottavassa päässä. Kun tämä arvo täsmää, se määrittää virheen puuttumisen kehyksessä. Tietoosio on 2-4 tavua, mutta sillä ei ole roolia viestien välityksen ohjaamisessa.

Yllä oleva kuva näyttää ohjausviestin, joka lähetetään DNP3-muodossa yhdeltä asemalta toiselle, kuten ohjaukselle määränpäähän. Erilaisten toimien kommunikointia kohteisiin, kentät, kuten ohjauskenttä sekä kohdeosoite, kun taas kaikki kentät eivät muutu kaikissa yhteyksissä.

Esimerkki DNP3-valvontajärjestelmästä

DNP3-isäntä- ja kaukovalvontajärjestelmän kaavio on esitetty alla. Tätä mallia käytetään tietojen siirtämiseen kahden laitteen, kuten isäntälaitteen ja kaukosäätimen, välillä DNP3:n avulla.

DNP3-isäntä- ja kaukovalvontajärjestelmän kaavio on esitetty alla. Tätä mallia käytetään tietojen siirtämiseen kahden laitteen, kuten isäntälaitteen ja kaukosäätimen, välillä DNP3:n avulla. Tässä isäntä on tietokone ja orja tai kaukosäädin on ulkoasema. Lähetetyt tiedot ovat joko staattisia tietoja, tapahtumatietoja ja hyväksyvät ei-toivottuja tapahtumatietoja.

DNP3-protokollaa käytetään tavallisesti isäntälaitteen (tietokoneen) ja etäaseman (Outstation) välillä. Tässä isäntäkonetta käytetään tarjoamaan rajapinta ihmisen verkonhallinnan sekä valvontajärjestelmän välille. Kaukosäädin tarjoaa rajapinnan isäntälaitteen ja ohjattavan tai valvottavan fyysisen laitteen välillä.

Sekä isäntä että kaukosäädin käyttävät yhteistä objektikirjastoa tiedonvaihtoon. Tässä tiedot ovat DNP3-protokolla on kyselytutkimusprotokolla, joka sisältää ominaisuuksia, jotka on suunniteltu huolellisesti. Kun isäntäasema on yhdistetty etälaitteeseen, voidaan suorittaa eheyskysely, joka on erittäin tärkeä DNP3-osoitteen kannalta, koska datapisteelle ne palauttavat kaikki puskuroidut arvot ja sisältävät myös pisteen nykyisen arvon.

Yleensä DNP3-ajurit voivat suorittaa erilaisia ​​kyselyitä rutiininomaisesti, kuten Integrity Poll, Class 1, Class 2 ja Class 3. Integrity Pollissa DNP3 yksinkertaisesti pyytää ulkoasemaa lähettämään luokan 1, luokan 2 ja luokan 3 kyselyt. tapahtumatiedot ja luokan 0 staattiset tiedot kronologisessa järjestyksessä. Integrity Poll -kyselyä käytetään tavallisesti DNP3-isäntä- ja orjatietokantojen synkronointiin, ja siksi sille on yleensä varattu hidas kyselynopeus. Tyypillisesti luokan 1, luokan 2 ja luokan 3 kyselyjä käytetään yksittäisten luokkatapahtumien palauttamiseen vaihtelevalla nopeudella näiden tapahtumien tärkeyden perusteella. Kriittisempiä tapahtumia määritetään luokille, joilla on nopeampi kyselytaajuus.

Ero DNP3:n ja IEC 61850:n välillä

Ero DNP3:n ja IEC 61850:n välillä sisältää seuraavat asiat.

Ero DNP3:n ja Modbusin välillä

DNP3:n ja Modbusin erot ovat seuraavat.

DNP3 plussat ja miinukset

The DNP3-protokollan edut Otan mukaan seuraavat.

• DNP3 on avoimen standardin protokolla, joten kuka tahansa suunnittelija voi suunnitella DNP3-laitteita, jotka sopivat hyvin yhteen muiden DNP3-laitteiden kanssa.
• DNP3 tarjoaa monia ominaisuuksia älykkään ja vankan protokollan ansiosta.
• Se voi pyytää ja vastata useiden tietotyyppien kautta yksittäisen viestin sisällä
• Se mahdollistaa useita master- ja peer-to-peer-toimintoja
• Se tukee vakioaikamuotoa ja ajan synkronointia.
• Ohjelmistokustannukset pienenevät.
• Protokollan kääntäjiä ei vaadita.
• Vähemmän huoltoa ja testausta.

DNP3-protokollan haittoja ovat seuraavat.

DNP3 käyttää sarja-RTU:ta ja päivittää sen Ethernet RTU:n (ERTU) kautta. Jos viestintäkanavan kaistanleveyttä kyseiselle asemalle ei myöskään lisätä, käyttäjällä on hitaampi linkki, koska DNP3:n kääriminen TCP/IP:n kautta on toteutettu.

DNP3-sovellukset

The DNP3-sovellukset Sisällytä seuraavat.

• DNP3 mahdollistaa prosessiautomaatiojärjestelmien eri laitteiden viestinnän.
• Eri sähköyhtiöt käyttävät tätä protokollaa laajasti kaasu-, sähkö- ja vesitelemetriajärjestelmissä.
• Sitä käytetään SCADA-viestinnässä.
• DNP3-tietoliikenneprotokollaa käytetään etä- ja SCADA-valvontajärjestelmissä.
• Tämä pätee koko SCADA-ympäristöön, joka sisältää isännästä etäviestintään ja RTU:sta IED:iin ja myös verkkosovelluksiin.

Tästä siis kaikesta on kyse yleiskatsaus DNP3-protokollasta – sovellusten parissa työskenteleminen. The DNP3-protokollan määrittely riippuu lähinnä kohdemallista. Joten tämä malli yksinkertaisesti vähentää datan bittikartoitusta, joka on yleensä tarpeen muissa vähemmän oliopohjaisissa protokollissa. SCADA-teknikoille ja -insinööreille joidenkin ennalta määritettyjen kohteiden käyttö tekee DNP3:sta mukavamman suunnittelu- ja käyttöönottokehyksen. Tässä on sinulle kysymys, mikä on protokolla?