DNP3-protokoll: arkitektur, arbete, funktionskoder, dataformat och dess tillämpningar

DNP3 eller Distributed Network Protocol3 lanserades 1992 av ett japanskt företag för att upprätta ett protokoll för kommunikation mellan distribuerade system. DNP3 är ett nätverksbaserat enhetskontrollprotokoll som används för kommunikation mellan en enhet och en fjärrinmatnings-/utgångsenhet. Detta protokoll beror huvudsakligen på en objektorienterad modell som minskar den databitmappning som vanligtvis krävs av andra mindre objektorienterade protokoll. Den används främst mellan centrala masterstationer såväl som distribuerade fjärrenheter där den centrala masterstationen helt enkelt fungerar som ett gränssnitt mellan den mänskliga nätverkschefen såväl som övervakningssystemet. Den distribuerade fjärrenheten är gränssnittet mellan masterstationen och den fysiska apparaten som observeras och kontrolleras i avlägsna områden. Datautbytet mellan dessa två kan göras av Common Objects-biblioteket. Den här artikeln diskuterar en översikt över DNP3-protokoll – arbeta med applikationer.

Vad är DNP3-protokollet?

Uppsättningen kommunikationsprotokoll som används mellan olika komponenter inom processautomationssystem är känt som DNP3-protokollet. Detta protokoll var huvudsakligen utformat för kommunikationsändamål mellan olika typer av datainsamling och kontrollutrustning. Så in SCADA-system , spelar detta protokoll en viktig roll när det används av RTU:er, SCADA:er och IED:er.

DNP3-protokollarkitektur och dess funktion

DNP3 är en tredje version av distribuerat nätverksprotokoll. Den har en integritetsundersökning och tre undersökningsnivåer, där integritetsundersökningen används för att fånga data vid en undersökning.

DNP3-nätverksarkitekturen kan vara unicast-, multidrop- och dataanslutnings-/hierarkiska arkitekturer.

Unicast-arkitekturen: är också känd som en-till-en-arkitektur, här kan masterstationen bara kommunicera med en utstation, medan i multidrop arkitektur masterstationen kan kommunicera med mer än en outstation-enhet, vilket innebär att den kan kommunicera med flera outstation-enheter. Datakontakten/hierarkiska arkitekturen är en kombination av multidrop- och unicast-arkitekturer.

DNP3-kommunikationsprotokollet används ofta för elbolag, vatten och avlopp, olja och gas, transporter och andra SCADA-miljöer. Det låter dig se viktiga nivåer i realtid och historiskt, som kan vara temperatur, luftfuktighet, batterinivå, spänning, bränslenivå, etc. Det låter dig också upptäcka problem och åtgärda problemen snabbt, och du kan även eliminera flaskhalsar och ineffektivitet.

Utformningen av DNP3-protokollet kan göras baserat på lagren i OSI-modellen som datalänk, transport, applikation och användarskikt. Detta protokoll har flexibiliteten för att ansluta en enda master via minst en eller fler utstationer ovanför både seriella och fysiska Ethernet-media.
Andra möjliga arkitekturer omfattar huvudsakligen olika huvudanslutningar med en enda utstation och peer-to-peer-operationer. Vanligtvis startar befälhavaren kontrollkommandon för att begära data från eller aktivera enheter som hanteras via utstationen. Denna utstation reagerar helt enkelt på mastern genom att sända lämplig information.

Baserat på OSI-modellen inkluderar DNP3-protokollet fyra lager Data Link, Transport Function, Application & User Layer. Här kommer Data Link Layer längst ner att göra den fysiska länken mer tillförlitlig genom adressering och feldetektering. Transportfunktionen sätter helt enkelt ihop ramar av Link Layer till Application Layer-fragment. Detta lager tar hela meddelandet och specificerar vilken data som föredras framför ovanstående användarlager. Varje meddelande kan ha flera datatyper som analoga, binära och räknare ingångar och utgångar.

Hur fungerar DNP3-protokollet?

DNP3-protokollet fungerar helt enkelt genom att använda 27 grundläggande funktionskoder för att möjliggöra kommunikation mellan masterstationer och fjärrenheter. Så att vissa funktionskoder kommer att tillåta mastern att begära och hämta informationens tillstånd från en fjärrenhet och andra funktionskoder kommer att tillåta mastern att bestämma eller korrigera fjärrenhetens konfiguration.

Flera funktionskoder används huvudsakligen i DNP3-masterstationen för att styra utrustningen eller fjärrenheten på avlägsna platser. DNP3-masterstationen skickar det mesta av kommunikationen till fjärrenheten på DNP3. Men det oönskade meddelandet (o/p-meddelandet) initieras via en fjärrenhet och det genererar ett larm. Så att detta meddelande ger en varning till befälhavaren när ett larm inträffar.

Funktionskoder

Funktionskoderna för DNP3 inkluderar följande.

DNP3 meddelandeformat

Meddelandeformatstrukturen för DNP3 visas nedan. Om vi ​​undersöker denna struktur kan vi observera att meddelanden utbyts mellan masters och fjärrkontroller. Serietelemetriprotokollet (TBOS) är byte-orienterat genom att byta ut en enda byte för att kommunicera.

Utökade seriella telemetriprotokoll som TABS är paketorienterade med paket av byte som utbyts för att kommunicera. Dessa paket inkluderar normalt header, data & checksum byte. DNP3-protokollet är paketorienterat och använde paketstrukturen som visas i följande figur.

I ovanstående meddelandeformatdiagram är DNP3 ASDU (application service data unit) värdefull för justering av smart innehåll som kontrolleras genom både kvalificerare och indexSize-fält. Så denna design kommer att göra applikationsdata tillgänglig inom flexibla konfigurationer.

Låt oss nu diskutera hur data utbyts, särskilt i den skiktade kommunikationsmodellen.
Applikationsskiktet i diagrammet ovan kombinerar en ASDU (application service data unit) och ett paketerat objekt av ett APCI (application protocol control) block för att göra en APDU (application protocol data unit).

Transportlagret kommer att dela upp applikationstjänstens dataenhet eller APDU i olika segment med en maximal storlek på 16 byte och paketera dem med en 8-bitars transportkontrollhuvud & 16-bitars segment CRC-separatorer till en transportram.

Länklagret mappas till 4-lagersmodellen som utvecklas genom DoD (Department of Defense) genom att DoD Internet Layer utelämnas. Om serietransporten används görs paketmontering och placeras på transportmediet för leverans.

Om paketet sänds över ett LAN eller WAN, rullas 3 DNP3-lager upp i det första lagret. Paketet som sätts ihop kan lindas in i TCP (Transport Control Protocol) genom transportskiktet som lindas in i IP (Internet Protocol) genom internetskiktet. UDP (User Datagram Protocol) kan också användas men presenterar några extra problem kopplade till pålitlig leverans inom packade nätverk.

DNP3-dataformat

DNP används i stor utsträckning för att styra meddelandet som passerar mellan centralstationen och kontrollenheterna. Dataformatet för DNP3 innehåller huvudsakligen två sektioner, rubriken och datasektionerna. Vidare är rubriken uppdelad i sex undersektioner.

Formatet på dataramen och den nödvändiga storleken på varje fält visas i ovanstående figur. I det här diagrammet är Sync det första fältet som är 1 byte och det anger början av ramen.
Detta fältvärde är fixerat till 0564, så när en ram väl har tagits emot genom att undersöka synkroniseringsfältets position kan mappningen göras effektivt.

Fältlängden tillhandahåller hela ramlängden så att en viss buffert kan tilldelas vid destinationen för att hålla de inkommande ramarna. Så den andra ramen är 'Kontrollfält' som beskriver den kontrollåtgärd som krävs för att begäras i mottagaränden.

Kontrollfältet kommer att inkludera hexvärde 41 annars 42 baserat på åtgärdstypen. Därefter kommer destinations- och källadressfältet att tillhandahålla de avsedda mottagaradresserna och sändningsnoden.
CRC eller cyklisk redundanskontroll är det sista fältet som hjälper till att verifiera ramfelet. Ett kontrollvärde är kopplat till meddelandet vid tidpunkten för sändning som kommer att korsverifieras vid mottagandet. När detta värde stämmer överens anger det att det inte finns några fel inom ramen. Datasektionen är 2 till 4 byte men den har ingen roll i att kontrollera meddelandeöverföring.

Ovanstående figur visar kontrollmeddelandet som sänds inom formatet DNP3 från en station till en annan, liksom kontroll till destination. För kommunikation av olika åtgärder till destinationer, liknar fälten kontrollfältet såväl som destinationsadressen, medan vissa fält inte kommer att ändras för all kommunikation.

Exempel på DNP3-övervakningssystem

Diagrammet för DNP3-master och fjärrövervakningssystem visas nedan. Denna modell används för att överföra data mellan två enheter som master och fjärrkontroll med hjälp av DNP3.

Diagrammet för DNP3-master och fjärrövervakningssystem visas nedan. Denna modell används för att överföra data mellan två enheter som master och fjärrkontroll med hjälp av DNP3. Här är mastern datorn och slaven eller fjärrkontrollen är outstation. Den överförda informationen är antingen statisk data, händelsedata och acceptera oönskad händelsedata.

DNP3-protokollet används normalt mellan mastern (datorn) och fjärrkontrollen (Outstation). Här används mastern för att tillhandahålla ett gränssnitt mellan den mänskliga nätverkshanteraren såväl som övervakningssystemet. Fjärrkontrollen tillhandahåller gränssnittet mellan mastern såväl som den fysiska enheten som styrs eller övervakas.

Både mastern och fjärrkontrollen använder ett gemensamt objektbibliotek för datautbyte. Här finns data. DNP3-protokollet är ett pollat ​​protokoll som inkluderar funktioner som är noggrant utformade. När huvudstationen väl är ansluten till en fjärrkontroll kan en integritetsundersökning utföras, vilket är mycket viktigt för att adressera DNP3 eftersom de för en datapunkt returnerar alla buffrade värden och även omfattar punktens nuvarande värde.

Generellt kan DNP3-förare utföra olika undersökningar rutinmässigt som en integritetsundersökning, en klass 1, en klass 2 och en klass 3. I integritetsundersökning begär DNP3 helt enkelt att utstationen ska sända sin klass 1, klass 2 och klass 3 händelsedata & Klass 0 statisk data i kronologisk ordning. En integritetsundersökning används normalt för att synkronisera databaserna för DNP3 master & slav och tenderar därför att tilldelas en långsam undersökningshastighet. Vanligtvis används klass 1, klass 2 och klass 3 omröstningar för att återställa individuella klasshändelser till föränderliga takter baserat på vikten av dessa händelser.

Skillnaden mellan DNP3 och IEC 61850

Skillnaden mellan DNP3 och IEC 61850 inkluderar följande.

Skillnad mellan DNP3 och Modbus

Skillnaden mellan DNP3 och Modbus inkluderar följande.

DNP3 För- och nackdelar

De fördelarna med DNP3-protokollet Jag inkluderar följande.

• DNP3 är ett öppet standardprotokoll, så alla designer kan designa DNP3-utrustning som är väl matchad med annan DNP3-utrustning.
• DNP3 ger många funktioner tack vare ett intelligent och robust protokoll.
• Den kan begära och svara genom flera datatyper inom enstaka meddelanden
• Det tillåter flera master- och peer-to-peer-operationer
• Den stöder standard tidsformat och tidssynkronisering.
• Programvarukostnaderna kommer att minska.
• Inget krav på protokollöversättare.
• Mindre underhåll och testning.

Nackdelarna med DNP3-protokollet inkluderar följande.

DNP3 använder en seriell RTU och uppgraderar den via en Ethernet RTU (ERTU). Om kommunikationskanalens bandbredd till den stationen inte också förbättras, kommer användaren att ha en långsammare länk på grund av den overhead som implementerats för att linda DNP3 genom TCP/IP.

DNP3-applikationer

De DNP3-applikationer inkluderar följande.

• DNP3 tillåter olika enheter inom processautomationssystem att kommunicera.
• Olika elbolag använder i stort sett detta protokoll för gas-, el- och vattentelemetrisystem.
• Det används i SCADA Communications.
• DNP3-kommunikationsprotokollet används i fjärr- och SCADA-övervakningssystem.
• Detta är tillämpligt i hela SCADA-miljön som inkluderar från master till fjärr- och RTU till IED-kommunikation och även i nätverksapplikationer.

Alltså handlar det här om en översikt över DNP3-protokollet – arbeta med applikationer. De DNP3-protokollspecifikation beror främst på objektmodellen. Så den här modellen minskar helt enkelt den databitmappning som vanligtvis är nödvändig med andra mindre objektorienterade protokoll. För SCADA-tekniker och ingenjörer kommer att ha några fördefinierade objekt att göra DNP3 mer bekväm design och distributionsramverk. Här är en fråga till dig, vad är protokollet?