DNP3 protokoll: architektúra, működés, funkciókódok, adatformátum és alkalmazásai

A DNP3-at vagy Distributed Network Protocol-t3 1992-ben egy japán vállalat indította el, hogy létrehozzon egy protokollt az elosztott rendszerek közötti kommunikációhoz. A DNP3 egy hálózat alapú eszközvezérlő protokoll, amelyet egy eszköz és egy távoli bemeneti/kimeneti eszköz közötti kommunikációra használnak. Ez a protokoll főként egy objektumorientált modellen múlik, amely csökkenti az adatbit-leképezést, amely általában más kevésbé objektumorientált protokollokhoz szükséges. Főleg központi mesterállomások, valamint elosztott távoli egységek között használják, ahol a központi mesterállomás egyszerűen interfészként működik az emberi hálózatkezelő és a felügyeleti rendszer között. Az elosztott távoli egység az interfész a mesterállomás és a távoli területeken megfigyelt és vezérelt fizikai berendezés között. A kettő közötti adatcserét a közös objektumkönyvtár végezheti. Ez a cikk áttekintést nyújt a DNP3 protokoll – alkalmazásokkal való munka.

Mi az a DNP3 protokoll?

A folyamatautomatizálási rendszerek különböző összetevői között használt kommunikációs protokollok készlete DNP3 protokollként ismert. Ezt a protokollt elsősorban különböző típusú adatgyűjtő és vezérlő berendezések közötti kommunikációs célokra tervezték. Tehát be SCADA rendszerek , ez a protokoll alapvető szerepet játszik, amikor RTU-k, SCADA-k és IED-k használják.

A DNP3 protokoll architektúrája és működése

A DNP3 egy harmadik verziójú elosztott hálózati protokoll. Egy integritás-lekérdezéssel és három lekérdezési szinttel rendelkezik, ahol az integritás-lekérdezés az adatok megragadására szolgál egy szavazásnál.

A DNP3 hálózati architektúra lehet unicast, multidrop és adatcsatlakozó/hierarchikus architektúra.

Az unicast architektúra: Egy az egyhez architektúra néven is ismert, itt a mester állomás csak egy kihelyezett állomással tud kommunikálni, míg az in multidrop architektúra a mester állomás egynél több kihelyezett eszközzel tud kommunikálni, ami azt jelenti, hogy több kihelyezett eszközzel is tud kommunikálni. Az adatösszekötő/hierarchikus architektúra a multidrop és az unicast architektúrák kombinációja.

A DNP3 kommunikációs protokollt általában elektromos közművek, víz- és szennyvízellátás, olaj- és gázellátás, szállítás és egyéb SCADA-környezetek esetében használják. Lehetővé teszi a fontos szintek valós idejű és történeti megtekintését, amelyek lehetnek hőmérséklet, páratartalom, akkumulátor töltöttségi szint, feszültség, üzemanyagszint stb. Lehetővé teszi a problémák észlelését és a problémák gyors kijavítását, valamint a szűk keresztmetszetek kiküszöbölését. és a hatékonyság hiánya.

A DNP3 protokoll tervezése az OSI modell olyan rétegei alapján történhet, mint az adatkapcsolati, szállítási, alkalmazási és felhasználói réteg. Ez a protokoll rugalmasan képes egyetlen mestert csatlakoztatni legalább egy vagy több kihelyezett állomáson keresztül a soros és az Ethernet fizikai adathordozón.
A többi lehetséges architektúra főként különféle mesterkapcsolatokat tartalmaz egyetlen kihelyezett állomással és peer-to-peer műveletekkel. Általában a mester vezérlőparancsokat indít el, hogy adatokat kérjen a kihelyezett állomáson keresztül kezelt eszközöktől vagy aktiválja azokat. Ez a kihelyezett állomás egyszerűen reagál a masternek megfelelő információ továbbításával.

Az OSI modell alapján a DNP3 protokoll négy rétegből áll: Data Link, Transport Function, Application & User Layer. Itt az alján található adatkapcsolati réteg címzés és hibaészlelés révén megbízhatóbbá teszi a fizikai kapcsolatot. A szállítási függvény egyszerűen összeállítja a hivatkozási réteg kereteit alkalmazási réteg töredékekké. Ez a réteg átveszi a teljes üzenetet, és meghatározza, hogy mely adatok részesítik előnyben a fenti felhasználói réteget. Minden üzenetnek többféle adattípusa lehet, például analóg, bináris és számláló bemenetek és kimenetek.

Hogyan működik a DNP3 protokoll?

A DNP3 protokoll egyszerűen úgy működik, hogy 27 alapvető funkciókódot használ, amelyek lehetővé teszik a kommunikációt a mesterállomások és a távoli egységek között. Így egyes funkciókódok lehetővé teszik a mester számára, hogy információkat kérjen és lekérjen egy távoli eszközről, más funkciókódok pedig lehetővé teszik a mester számára, hogy eldöntse vagy javítsa a távoli egység konfigurációját.

Több funkciókódot főleg a DNP3 mesterállomáson használnak a berendezés vagy a távoli egység távoli helyeken történő vezérlésére. A DNP3 mesterállomás a kommunikáció nagy részét a DNP3 távoli eszközével végzi. De a kéretlen üzenet (o/p üzenet) egy távoli egységen keresztül indul, és riasztást generál. Így ez az üzenet riasztást ad a masternek, ha riasztás történik.

Funkciókódok

A DNP3 funkciókódjai a következőket tartalmazzák.

DNP3 üzenetformátum

A DNP3 üzenetformátum-struktúrája az alábbiakban látható. Ha megvizsgáljuk ezt a struktúrát, akkor azt láthatjuk, hogy az üzenetek cseréje a mesterek és a távirányítók között történik. A soros telemetriai protokoll (TBOS) bájtorientált egyetlen bájt cseréjével a kommunikációhoz.

A kiterjesztett soros telemetriai protokollok, mint például a TABS, csomagorientáltak, a kommunikációhoz kicserélt bájtcsomagokkal. Ezek a csomagok általában fejlécet, adatot és ellenőrző összeg bájtokat tartalmaznak. A DNP3 protokoll csomagorientált, és a következő ábrán látható csomagstruktúrát használja.

A fenti üzenetformátum diagramban a DNP3 ASDU (alkalmazásszolgáltatási adategység) értékes az okos tartalom beállításához, amelyet mind a minősítők, mind az indexSize mezők vezérelnek. Így ez a kialakítás rugalmas konfigurációkon belül elérhetővé teszi az alkalmazásadatokat.

Most beszéljük meg, hogyan történik az adatcsere, különösen a réteges kommunikációs modellben.
A fenti diagramon látható alkalmazási réteg egy ASDU-t (alkalmazásszolgáltatási adategység) és egy APCI (alkalmazásprotokoll-vezérlés) blokk által csomagolt objektumot egyesít, hogy APDU-t (alkalmazási protokoll adategységet) hozzon létre.

A szállítási réteg különböző szegmensekre bontja az alkalmazásszolgáltatási adategységet vagy APDU-t legfeljebb 16 bájt mérettel, és 8 bites szállításvezérlő fejléccel és 16 bites szegmens CRC elválasztókkal csomagolja őket egy szállítási keretbe.

A kapcsolati réteg a 4 rétegű modellre van leképezve, amelyet a Védelmi Minisztérium (Department of Defense) fejlesztett ki, a DoD internetes réteg elhagyása révén. Ha soros szállítást használnak, akkor a csomagösszeállítás megtörténik és a szállítási adathordozón található.

Ha a csomagot LAN-on vagy WAN-on keresztül továbbítják, akkor 3 DNP3-réteg kerül fel az első rétegbe. Az összeállított csomag becsomagolható a TCP-n (Transport Control Protocol) a szállítási rétegen keresztül, amely az IP-n (Internet Protocol) belül van az internetes rétegen keresztül. Az UDP (User Datagram Protocol) is használható, de néhány extra problémát jelent a csomagolt hálózatokon belüli megbízható szállításhoz.

DNP3 adatformátum

A DNP-t széles körben használják a központi állomás és a vezérlőegységek közötti üzenetek vezérlésére. A DNP3 adatformátuma főleg két részből áll, a fejlécből és az adatrészekből. Továbbá a fejléc hat alszakaszra oszlik.

Az adatkeret formátuma és minden mező szükséges mérete a fenti ábrán látható. Ezen a diagramon a Szinkronizálás az első mező, amely 1 bájtos, és ez adja meg a keret elejét.
Ez a mezőérték 0564-re van rögzítve, így ha a Sync mező helyzetének vizsgálatával egy keretet fogadunk, akkor a leképezés hatékonyan elvégezhető.

A mező hossza megadja a keret teljes hosszát, így egy adott puffer hozzárendelhető a célhelyen a bejövő keretek tárolására. Tehát a második keret a „Vezérlőmező”, amely leírja a vevő végén szükséges vezérlési műveletet.

A vezérlőmező a 41 hexadecimális értéket fogja tartalmazni, ellenkező esetben a 42 a művelet típusától függően. Ezt követően a cél és a forráscím mező megadja a kívánt fogadó címeket és a küldő csomópontot.
A CRC vagy a ciklikus redundancia ellenőrzése az utolsó mező, amely segít a kerethiba ellenőrzésében. Az üzenethez az adás időpontjában egy ellenőrző érték kapcsolódik, amelyet a fogadó oldalon keresztellenőrznek. Ha ez az érték megegyezik, akkor megadja a hiba hiányát a kereten belül. Az adatszakasz 2-4 bájt, de nincs szerepe az üzenettovábbítás szabályozásában.

A fenti ábra a DNP3 formátumban az egyik állomásról a másikra küldött vezérlőüzenetet mutatja, mint a vezérlést a célállomásra. Különböző műveletek célállomásokkal történő kommunikációjához a mezők, például a vezérlőmező, valamint a cél címe, míg egyes mezők nem változnak meg minden kommunikációnál.

Példa a DNP3 felügyeleti rendszerre

A DNP3 fő és távfelügyeleti rendszer diagramja az alábbiakban látható. Ezt a modellt két eszköz, például a fő és a távoli eszköz közötti adatátvitelre használják DNP3 használatával.

A DNP3 master és a távfelügyeleti rendszer diagramja az alábbiakban látható. Ezt a modellt két eszköz, például a fő és a távoli eszköz közötti adatátvitelre használják DNP3 használatával. Itt a mester a számítógép, a slave vagy távoli pedig az outstation. A továbbított adatok statikus adatok, eseményadatok és kéretlen eseményadatok fogadása.

A DNP3 protokollt általában a fő (számítógép) és a távoli (Outstation) között használják. Itt a master interfészt biztosít az emberi hálózatkezelő és a megfigyelő rendszer között. A távvezérlő interfészt biztosít a master és a vezérelt vagy felügyelt fizikai eszköz között.

Mind a mester, mind a távoli egy közös objektumkönyvtárat használ az adatcseréhez. Itt az adatok: A DNP3 protokoll egy lekérdezett protokoll, amely gondosan megtervezett képességeket tartalmaz. Miután a mester állomást egy távolihoz csatlakoztatták, egy integritáslekérdezés hajtható végre, ami nagyon fontos a DNP3 címzéséhez, mivel egy adatpont esetében az összes pufferelt értéket visszaadják, és a pont jelenlegi értékét is tartalmazzák.

Általában a DNP3 meghajtók rutinszerűen különböző lekérdezéseket hajthatnak végre, például egy Integrity Poll, egy 1. osztályú, egy 2. osztályú és egy 3. osztályú lekérdezést. Az Integrity Poll során a DNP3 egyszerűen arra kéri a külső állomást, hogy küldje el az 1., 2. és 3. osztályt. eseményadatok és 0. osztályú statikus adatok időrendi sorrendben. Az Integrity Poll rendszerint a DNP3 mester és szolga adatbázisainak szinkronizálására szolgál, ezért általában lassú lekérdezési arányt rendelnek hozzá. Általában az 1., 2. és 3. osztályú lekérdezéseket használják az egyes osztályesemények visszaállítására, változó sebességgel, az események fontossága alapján, a kritikusabb események hozzá vannak rendelve a gyorsabb lekérdezési arányú osztályokhoz.

Különbség a DNP3 és az IEC 61850 között

A DNP3 és az IEC 61850 közötti különbség a következőket tartalmazza.

Különbség a DNP3 és a Modbus között

A DNP3 és a Modbus közötti különbség a következők.

A DNP3 előnyei és hátrányai

Az a DNP3 protokoll előnyei A következőket adom hozzá.

• A DNP3 egy nyílt szabványú protokoll, így bármely tervező tervezhet olyan DNP3 berendezést, amely jól illeszkedik más DNP3 berendezésekhez.
• A DNP3 számos funkciót biztosít az intelligens és robusztus protokollnak köszönhetően.
• Több adattípuson keresztül kérhet és válaszolhat egyetlen üzeneten belül
• Számos master és peer-to-peer műveletet tesz lehetővé
• Támogatja a szabványos időformátumot és az idő szinkronizálását.
• Csökkennek a szoftverköltségek.
• Protokollfordítókra nincs szükség.
• Kevesebb karbantartás és tesztelés.

A DNP3 protokoll hátrányai a következők.

A DNP3 soros RTU-t használ, és Ethernet RTU-n (ERTU) keresztül frissíti. Ha a kommunikációs csatorna sávszélessége az adott állomás felé szintén nincs megnövelve, akkor a felhasználónak lassabb lesz a kapcsolata a DNP3 TCP/IP-n keresztüli áttekerése miatti többletterhelés miatt.

DNP3 alkalmazások

Az DNP3 alkalmazások a következőket tartalmazzák.

• A DNP3 lehetővé teszi a folyamatautomatizálási rendszereken belüli különböző eszközök kommunikációját.
• Különböző közüzemi vállalatok széles körben használják ezt a protokollt gáz-, elektromos- és víztelemetriai rendszerekhez.
• A SCADA kommunikációban használatos.
• A DNP3 kommunikációs protokollt távoli és SCADA megfigyelő rendszerekben használják.
• Ez a teljes SCADA-környezetben alkalmazható, beleértve a mastertől a távoli és az RTU-tól az IED-ig terjedő kommunikációt, valamint a hálózati alkalmazásokban is.

Tehát erről szól az egész a DNP3 protokoll áttekintése – alkalmazásokkal való munka. Az DNP3 protokoll specifikáció elsősorban az objektummodelltől függ. Tehát ez a modell egyszerűen csökkenti az adatbit-leképezést, amely általában szükséges más kevésbé objektumorientált protokolloknál. A SCADA technikusai és mérnökei számára néhány előre meghatározott objektum kényelmesebbé teszi a DNP3 tervezési és telepítési keretét. Itt egy kérdés, hogy mi a protokoll?