Протокол DNP3: архитектура, работа, функциональные коды, формат данных и его приложения

DNP3 или протокол распределенной сети3 был запущен в 1992 году японской корпорацией для установления протокола связи между распределенными системами. DNP3 — это сетевой протокол управления устройством, который используется для связи между устройством и удаленным устройством ввода/вывода. Этот протокол в основном зависит от объектно-ориентированной модели, которая уменьшает отображение битов данных, которое обычно требуется для других менее объектно-ориентированных протоколов. Он в основном используется между центральными мастер-станциями, а также распределенными удаленными устройствами, где центральная мастер-станция просто работает как интерфейс между человеком, управляющим сетью, и системой мониторинга. Распределенное удаленное устройство представляет собой интерфейс между главной станцией и физическим устройством, наблюдаемым и управляемым в удаленных областях. Обмен данными между ними может осуществляться общей библиотекой объектов. В этой статье обсуждается обзор протокол DNP3 – работа с приложениями.

Что такое протокол DNP3?

Набор протоколов связи, которые используются между различными компонентами в системах автоматизации процессов, известен как протокол DNP3. Этот протокол был в основном разработан для связи между различными видами оборудования для сбора данных и управления. Итак, в SCADA-системы , этот протокол играет важную роль, когда он используется RTU, SCADA и IED.

Архитектура протокола DNP3 и его работа

DNP3 — это распределенный сетевой протокол третьей версии. Он имеет один опрос целостности и три уровня опроса, где опрос целостности используется для получения данных в одном опросе.

Сетевая архитектура DNP3 может быть одноадресной, многоточечной и соединителя данных/иерархической архитектуры.

Одноадресная архитектура: также известна как архитектура «один к одному», в которой главная станция может связываться только с одной удаленной станцией, тогда как в многоточечная архитектура главная станция может обмениваться данными с несколькими удаленными устройствами, что означает, что она может обмениваться данными с несколькими внешними устройствами. Коннектор данных/иерархическая архитектура представляет собой комбинацию многоабонентской и одноадресной архитектур.

Протокол связи DNP3 обычно используется для электроснабжения, водоснабжения и канализации, нефти и газа, транспорта и других сред SCADA. Это позволяет вам просматривать важные уровни в реальном времени и в прошлом, такие как температура, влажность, уровень заряда батареи, напряжение, уровень топлива и т. д. Это также позволяет вам обнаруживать проблемы и быстро устранять проблемы, а также вы можете устранять узкие места. и неэффективности.

Проектирование протокола DNP3 может быть выполнено на основе уровней модели OSI, таких как канал передачи данных, транспортный, прикладной и пользовательский уровни. Этот протокол обладает гибкостью для подключения одного главного устройства как минимум через одну или более удаленных станций поверх последовательной или физической среды Ethernet.
Другие возможные архитектуры в основном включают различные основные соединения с одной удаленной станцией и одноранговые операции. Обычно мастер запускает управляющие команды для запроса данных или активации устройств, которые управляются через удаленную станцию. Эта удаленная станция просто реагирует на ведущее устройство, передавая соответствующую информацию.

Основанный на модели OSI, протокол DNP3 включает в себя четыре уровня канала передачи данных, транспортную функцию, прикладной уровень и уровень пользователя. Здесь уровень канала передачи данных внизу сделает физический канал более надежным за счет адресации и обнаружения ошибок. Транспортная функция просто собирает кадры канального уровня во фрагменты прикладного уровня. Этот уровень принимает все сообщение и указывает, какие данные предпочтительнее, чем вышеприведенный пользовательский уровень. Каждое сообщение может иметь несколько типов данных, таких как аналоговые, двоичные и встречные входы и выходы.

Как работает протокол DNP3?

Протокол DNP3 просто работает, используя 27 основных функциональных кодов для обеспечения связи между главными станциями и удаленными устройствами. Таким образом, некоторые функциональные коды позволяют ведущему устройству запрашивать и получать информацию о состоянии удаленного устройства, а другие функциональные коды позволяют ведущему устройству принимать решения или исправлять конфигурацию удаленного устройства.

Несколько функциональных кодов в основном используются на главной станции DNP3 для управления оборудованием или удаленным блоком на удаленных объектах. Ведущая станция DNP3 обеспечивает большую часть связи с удаленным устройством DNP3. Но незапрашиваемое сообщение (сообщение o/p) инициируется через удаленное устройство и генерирует сигнал тревоги. Таким образом, это сообщение уведомляет ведущее устройство при возникновении тревоги.

Коды функций

Функциональные коды DNP3 включают следующее.

Формат сообщения DNP3

Структура формата сообщения DNP3 показана ниже. Если мы исследуем эту структуру, то увидим, что сообщения обмениваются между мастерами и удаленными устройствами. Протокол последовательной телеметрии (TBOS) ориентирован на байты путем обмена одним байтом для связи.

Протоколы расширенной последовательной телеметрии, такие как TABS, ориентированы на пакеты с пакетами байтов, которыми обмениваются для связи. Эти пакеты обычно включают заголовок, данные и байты контрольной суммы. Протокол DNP3 ориентирован на пакеты и использует структуру пакетов, показанную на следующем рисунке.

На приведенной выше диаграмме формата сообщения ASDU DNP3 (блок данных службы приложений) полезен для корректировки интеллектуального содержимого, которое контролируется с помощью как квалификаторов, так и полей indexSize. Таким образом, этот дизайн сделает данные приложений доступными в рамках гибких конфигураций.

Теперь давайте обсудим, как происходит обмен данными, особенно в многоуровневой модели связи.
Прикладной уровень на приведенной выше диаграмме объединяет ASDU (блок данных службы приложения) и упакованный объект блоком APCI (управление протоколом приложения), чтобы создать APDU (блок данных протокола приложения).

Транспортный уровень разбивает блок данных службы приложений или APDU на разные сегменты с максимальным размером 16 байт и упаковывает их с помощью 8-битного заголовка управления транспортом и 16-битных разделителей сегментов CRC в транспортный фрейм.

Канальный уровень сопоставляется с 4-уровневой моделью, которая разработана Министерством обороны (Министерство обороны США) с опущенным Интернет-уровнем Министерства обороны США. Если используется последовательный транспорт, пакет собирается и размещается на транспортном носителе для доставки.

Если пакет передается по локальной или глобальной сети, то 3 уровня DNP3 свертываются в первый уровень. Собранный пакет может быть упакован в TCP (протокол управления транспортом) через транспортный уровень, который заключен в IP (интернет-протокол) через интернет-уровень. UDP (протокол пользовательских дейтаграмм) также может использоваться, но создает некоторые дополнительные проблемы, связанные с надежной доставкой в ​​упакованных сетях.

Формат данных DNP3

DNP широко используется для управления передачей сообщений между центральной станцией и блоками управления. Формат данных DNP3 в основном включает в себя два раздела: заголовок и разделы данных. Кроме того, заголовок разделен на шесть подразделов.

Формат фрейма данных и необходимый размер каждого поля показаны на рисунке выше. На этой диаграмме Sync — это первое поле размером 1 байт, которое указывает начало кадра.
Значение этого поля фиксируется равным 0564, поэтому после получения кадра путем проверки положения поля синхронизации можно эффективно выполнить сопоставление.

Длина поля обеспечивает полную длину кадра, так что конкретный буфер может быть назначен в пункте назначения для хранения входящих кадров. Таким образом, второй кадр — это «поле управления», которое описывает управляющее действие, которое необходимо выполнить на стороне получателя.

Поле управления будет содержать шестнадцатеричное значение 41, иначе 42 в зависимости от типа действия. После этого в поле адреса назначения и источника будут указаны предполагаемые адреса получателя и отправляющий узел.
CRC или Cyclic Redundancy Check — это последнее поле, которое поможет в проверке ошибки кадра. Во время передачи к сообщению присоединяется контрольное значение, которое будет перепроверено на принимающей стороне. Как только это значение совпадает, оно указывает на отсутствие ошибки в кадре. Раздел данных составляет от 2 до 4 байтов, однако он не играет никакой роли в управлении передачей сообщений.

На приведенном выше рисунке показано управляющее сообщение, передаваемое в формате DNP3 от одной станции к другой, аналогично управлению к месту назначения. Для передачи различных действий адресатам поля, такие как поле управления, а также адрес назначения, тогда как некоторые поля не будут меняться для всех сообщений.

Пример системы мониторинга DNP3

Схема ведущего устройства DNP3 и системы удаленного мониторинга показана ниже. Эта модель используется для передачи данных между двумя устройствами, такими как главное и удаленное, с использованием протокола DNP3.

Схема ведущего устройства DNP3 и системы удаленного мониторинга показана ниже. Эта модель используется для передачи данных между двумя устройствами, такими как главное и удаленное, с использованием протокола DNP3. Здесь мастер — это компьютер, а ведомый или удаленный — удаленная станция. Передаваемые данные являются либо статическими данными, либо данными о событиях, либо принимаемыми незапрошенными данными о событиях.

Протокол DNP3 обычно используется между главным (компьютером) и удаленным (аутстанцией). Здесь мастер используется для обеспечения интерфейса между администратором сети и системой мониторинга. Пульт дистанционного управления обеспечивает интерфейс между ведущим устройством и физическим устройством, которым управляют или контролируют.

Как мастер, так и удаленный сервер используют общую библиотеку объектов для обмена данными. Вот данные. Протокол DNP3 — это протокол опроса, который включает в себя тщательно разработанные возможности. Как только главная станция подключена к удаленной, можно выполнить опрос целостности, что очень важно для адресации DNP3, поскольку для точки данных они возвращают все буферизованные значения и также содержат текущее значение точки.

Как правило, драйверы DNP3 могут регулярно выполнять различные опросы, такие как опрос целостности, класс 1, класс 2 и класс 3. В опросе целостности DNP3 просто запрашивает удаленную станцию ​​​​передать ее класс 1, класс 2 и класс 3. данные о событиях и статические данные класса 0 в хронологическом порядке. Опрос целостности обычно используется для синхронизации баз данных ведущего и подчиненного устройств DNP3, и поэтому ему обычно назначается медленная скорость опроса. Как правило, опросы класса 1, класса 2 и класса 3 используются для восстановления отдельных событий класса с изменяемой скоростью в зависимости от важности этих событий. Более критические события назначаются тем классам, которые имеют более высокую скорость опроса.

Разница между DNP3 и IEC 61850

Разница между DNP3 и IEC 61850 заключается в следующем.

Разница между DNP3 и Modbus

Различия между DNP3 и Modbus заключаются в следующем.

Плюсы и минусы DNP3

преимущества протокола DNP3 л включают следующее.

• DNP3 — это открытый стандартный протокол, поэтому любой разработчик может спроектировать оборудование DNP3, которое хорошо сочетается с другим оборудованием DNP3.
• DNP3 предоставляет множество возможностей благодаря интеллектуальному и надежному протоколу.
• Он может запрашивать и отвечать с помощью нескольких типов данных в одном сообщении.
• Это позволяет выполнять несколько основных и одноранговых операций.
• Он поддерживает стандартный формат времени и синхронизацию времени.
• Затраты на программное обеспечение будут снижены.
• Нет требований к трансляторам протоколов.
• Меньше обслуживания и тестирования.

К недостаткам протокола DNP3 можно отнести следующее.

DNP3 использует последовательный RTU и обновляет его через Ethernet RTU (ERTU). Если пропускная способность канала связи с этой станцией также не увеличена, то пользователь будет иметь более медленную связь из-за служебных данных, реализованных при переносе DNP3 через TCP/IP.

Приложения DNP3

Приложения DNP3 включая следующее.

• DNP3 позволяет обмениваться данными между различными устройствами в системах автоматизации процессов.
• Различные коммунальные предприятия широко используют этот протокол для систем телеметрии газа, электричества и воды.
• Он используется в коммуникациях SCADA.
• Протокол связи DNP3 используется в системах удаленного мониторинга и SCADA.
• Это применимо ко всей среде SCADA, которая включает в себя связь от ведущего к удаленному и RTU к IED, а также к сетевым приложениям.

Таким образом, это все о обзор протокола DNP3 – работа с приложениями. Спецификация протокола DNP3 в основном зависит от модели объекта. Таким образом, эта модель просто уменьшает отображение битов данных, которое обычно необходимо для других менее объектно-ориентированных протоколов. Для техников и инженеров SCADA наличие некоторых предварительно определенных объектов сделает DNP3 более удобной структурой проектирования и развертывания. Вот вопрос к вам, что такое протокол?