Protokol DNP3 : Seni Bina, Kerja, Kod Fungsi, Format Data & Aplikasinya

DNP3 atau Distributed Network Protocol3 telah dilancarkan pada tahun 1992 oleh Perbadanan Jepun untuk mewujudkan protokol untuk komunikasi antara sistem yang diedarkan. DNP3 ialah protokol kawalan peranti berasaskan rangkaian yang digunakan untuk komunikasi antara peranti dan peranti input / ouput jauh. Protokol ini bergantung terutamanya pada model berorientasikan objek yang mengurangkan pemetaan bit data yang biasanya diperlukan oleh protokol lain yang kurang berorientasikan objek. Ia digunakan terutamanya di antara stesen induk pusat serta unit terpencil yang diedarkan di mana stesen induk pusat hanya berfungsi sebagai antara muka antara pengurus rangkaian manusia serta sistem pemantauan. Unit jauh teragih ialah antara muka antara stesen induk & radas fizikal yang diperhatikan & dikawal di kawasan yang jauh. Pertukaran data antara kedua-dua ini boleh dilakukan oleh perpustakaan objek biasa. Artikel ini membincangkan gambaran keseluruhan Protokol DNP3 – bekerja dengan aplikasi.

Apakah itu Protokol DNP3?

Set protokol komunikasi yang digunakan antara komponen berbeza dalam sistem automasi proses dikenali sebagai protokol DNP3. Protokol ini direka bentuk terutamanya untuk tujuan komunikasi antara pelbagai jenis peralatan pemerolehan data & kawalan. Jadi dalam sistem SCADA , protokol ini memainkan peranan penting apabila ia digunakan oleh RTU, SCADA dan IED.

Seni Bina Protokol DNP3 & Kerjanya

DNP3 ialah protokol rangkaian teragih versi ketiga. Ia mempunyai satu tinjauan integriti dan tiga peringkat pengundian, di mana tinjauan integriti digunakan untuk merebut data pada satu tinjauan pendapat.

Seni bina rangkaian DNP3 boleh menjadi unicast, multidrop, dan penyambung data/arkitektur hierarki.

Seni bina unicast: juga dikenali sebagai seni bina satu sama satu, di sini stesen induk boleh berkomunikasi hanya dengan satu stesen luar, sedangkan di seni bina multidrop stesen induk boleh berkomunikasi dengan lebih daripada satu peranti luar stesen yang bermaksud ia boleh berkomunikasi dengan beberapa peranti luar stesen. Penyambung data/seni bina hierarki ialah gabungan seni bina multidrop dan unicast.

Protokol komunikasi DNP3 biasanya digunakan untuk utiliti elektrik, air & kumbahan, minyak & gas, pengangkutan dan persekitaran SCADA yang lain. Ia membolehkan anda melihat tahap penting dalam masa nyata dan sejarah, yang boleh menjadi suhu, kelembapan, tahap bateri, voltan, tahap bahan api, dll. Ia juga membolehkan anda mengesan masalah dan membetulkan masalah dengan cepat, dan anda juga boleh menghapuskan kesesakan dan ketidakcekapan.

Reka bentuk protokol DNP3 boleh dilakukan berdasarkan lapisan model OSI seperti pautan data, pengangkutan, aplikasi & lapisan pengguna. Protokol ini mempunyai fleksibiliti untuk menyambungkan induk tunggal melalui sekurang-kurangnya satu atau lebih stesen luar di atas siri serta media fizikal Ethernet.
Seni bina lain yang berkemungkinan terutamanya terdiri daripada pelbagai sambungan induk dengan satu stesen luar & operasi peer-to-peer. Biasanya, master memulakan arahan kawalan untuk meminta data daripada atau mengaktifkan peranti yang diuruskan melalui stesen luar. Outstation ini hanya bertindak balas kepada tuan dengan menghantar maklumat yang sesuai.

Berdasarkan model OSI, protokol DNP3 merangkumi empat lapisan Pautan Data, Fungsi Pengangkutan, Aplikasi & Lapisan Pengguna. Di sini, Lapisan Pautan Data di bahagian bawah akan menjadikan pautan fizikal lebih dipercayai dengan menangani & pengesanan ralat. Fungsi Pengangkutan hanya memasang bingkai Lapisan Pautan ke dalam serpihan Lapisan Aplikasi. Lapisan ini mengambil keseluruhan mesej & menentukan data yang lebih disukai daripada Lapisan Pengguna di atas. Setiap mesej boleh mempunyai beberapa jenis data seperti input & output analog, binari & pembilang.

Bagaimana Protokol DNP3 Berfungsi?

Protokol DNP3 hanya berfungsi dengan menggunakan 27 kod fungsi asas untuk membenarkan komunikasi antara stesen induk & unit jauh. Supaya beberapa kod fungsi akan membenarkan tuan untuk meminta dan mendapatkan keadaan maklumat daripada peranti jauh dan kod fungsi lain akan membenarkan tuan untuk memutuskan atau membetulkan konfigurasi unit jauh.

Beberapa kod fungsi digunakan terutamanya di stesen induk DNP3 untuk mengawal peralatan atau unit jauh di tapak terpencil. Stesen induk DNP3 mengeluarkan kebanyakan komunikasi ke peranti jauh DNP3. Tetapi, Mesej Tidak Diminta (mesej o/p) dimulakan melalui unit jauh, dan ia menjana penggera. Supaya mesej ini memberi amaran kepada tuan apabila penggera berlaku.

Kod Fungsi

Kod fungsi DNP3 termasuk yang berikut.

Format Mesej DNP3

Struktur format mesej DNP3 ditunjukkan di bawah. Jika kita meneliti struktur ini, kita dapat melihat bahawa mesej ditukar antara induk & alat kawalan jauh. Protokol telemetri bersiri (TBOS) berorientasikan bait dengan menukar satu bait untuk berkomunikasi.

Protokol telemetri bersiri lanjutan seperti TABS berorientasikan paket dengan paket bait yang ditukar untuk berkomunikasi. Paket ini biasanya termasuk pengepala, data & bait semak. Protokol DNP3 adalah berorientasikan paket & menggunakan struktur paket yang ditunjukkan dalam rajah berikut.

Dalam rajah format mesej di atas, DNP3 ASDU (unit data perkhidmatan aplikasi) adalah berharga untuk pelarasan kandungan pintar yang dikawal melalui kedua-dua medan kelayakan dan juga indexSize. Jadi reka bentuk ini akan menjadikan data aplikasi boleh diakses dalam konfigurasi yang fleksibel.

Sekarang mari kita bincangkan bagaimana data ditukar terutamanya dalam model komunikasi berlapis.
Lapisan aplikasi dalam rajah di atas menggabungkan ASDU (unit data perkhidmatan aplikasi) dan objek berpakej oleh blok APCI (kawalan protokol aplikasi) untuk membuat APDU (unit data protokol aplikasi).

Lapisan pengangkutan akan memecahkan unit data perkhidmatan aplikasi atau APDU kepada segmen berbeza dengan saiz maksimum 16 bait & membungkusnya dengan pengepala kawalan pengangkutan 8-bit & pemisah CRC segmen 16-bit ke dalam Bingkai pengangkutan.

Lapisan pautan dipetakan kepada model 4 lapisan yang dibangunkan melalui DoD (Jabatan Pertahanan) melalui Lapisan Internet DoD yang ditinggalkan. Jika pengangkutan bersiri digunakan, maka pemasangan paket dilakukan & terletak pada media pengangkutan untuk penghantaran.

Jika paket dihantar melalui LAN atau WAN, maka 3 lapisan DNP3 digulung ke lapisan pertama. Paket yang dipasang boleh dibungkus dalam TCP (Transport Control Protocol) melalui lapisan pengangkutan yang dibalut dalam IP (Internet Protocol) melalui lapisan internet. UDP (User Datagram Protocol) juga boleh digunakan tetapi mengemukakan beberapa isu tambahan yang disambungkan kepada penghantaran yang boleh dipercayai dalam rangkaian yang padat.

Format Data DNP3

DNP digunakan secara meluas dalam mengawal mesej yang dihantar di antara stesen pusat & unit kawalan. Format data DNP3 terutamanya merangkumi dua bahagian pengepala & bahagian data. Selanjutnya, pengepala dipisahkan kepada enam subseksyen.

Format bingkai data & saiz yang diperlukan bagi setiap medan ditunjukkan dalam rajah di atas. Dalam rajah ini, Penyegerakan ialah medan pertama iaitu 1 bait & ia menentukan permulaan bingkai.
Nilai medan ini ditetapkan kepada 0564, jadi sebaik sahaja bingkai diterima dengan memeriksa kedudukan medan Penyegerakan maka pemetaan boleh dilakukan dengan cekap.

Panjang medan menyediakan keseluruhan panjang bingkai supaya penimbal tertentu boleh ditetapkan di destinasi untuk menahan bingkai masuk. Jadi bingkai kedua ialah 'Medan kawalan' yang menerangkan tindakan kawalan yang diperlukan untuk diminta di hujung penerima.

Medan kawalan akan termasuk nilai hex 41 sebaliknya 42 berdasarkan jenis tindakan. Selepas itu, destinasi & medan alamat sumber akan memberikan alamat penerima yang dimaksudkan & nod penghantaran.
CRC atau Cyclic Redundancy Check ialah medan terakhir yang akan membantu dalam mengesahkan ralat bingkai. Nilai semakan disambungkan kepada mesej pada masa penghantaran yang akan disahkan silang di hujung penerima. Apabila nilai ini sepadan, maka nilai ini menentukan ketiadaan ralat dalam bingkai. Bahagian data ialah 2 hingga 4 bait namun ia tidak mempunyai peranan dalam mengawal penghantaran mesej.

Rajah di atas menunjukkan mesej kawalan yang dihantar dalam format DNP3 dari satu stesen ke stesen lain seperti kawalan ke destinasi. Untuk komunikasi pelbagai tindakan ke destinasi, medan seperti medan kawalan serta alamat destinasi manakala sesetengah medan tidak akan berubah untuk semua komunikasi.

Contoh Sistem Pemantauan DNP3

Rajah sistem pemantauan induk dan jauh DNP3 ditunjukkan di bawah. Model ini digunakan untuk memindahkan data antara dua peranti seperti master dan remote menggunakan DNP3.

Rajah sistem pemantauan induk dan jauh DNP3 ditunjukkan di bawah. Model ini digunakan untuk memindahkan data antara dua peranti seperti master dan remote menggunakan DNP3. Di sini tuan adalah komputer dan hamba atau remote adalah outstation. Data yang dihantar adalah sama ada data statik, data peristiwa & menerima data peristiwa yang tidak diminta.

Protokol DNP3 biasanya digunakan antara induk (komputer) dan jauh (Outstation). Di sini, master digunakan untuk menyediakan antara muka antara pengurus rangkaian manusia serta sistem pemantauan. Alat kawalan jauh menyediakan antara muka antara induk serta peranti fizikal yang sedang dikawal atau dipantau.

Kedua-dua induk & jauh menggunakan perpustakaan objek biasa untuk pertukaran data. Di sini data ialah Protokol DNP3 ialah protokol tinjauan yang merangkumi keupayaan yang direka bentuk dengan teliti. Setelah stesen induk disambungkan ke alat kawalan jauh, maka tinjauan integriti boleh dilakukan yang sangat penting untuk menangani DNP3 kerana untuk titik data ia mengembalikan semua nilai buffer & merangkumi nilai semasa titik itu juga.

Secara umumnya, pemandu DNP3 boleh melakukan tinjauan pendapat yang berbeza secara rutin seperti Tinjauan Integriti, Kelas 1, Kelas 2 dan Kelas 3. Dalam Tinjauan Integriti, DNP3 hanya meminta pihak luar menghantar Kelas 1, kelas 2 dan kelas 3nya data acara & data statik Kelas 0 dalam susunan kronologi. Tinjauan Integriti biasanya digunakan untuk menyegerakkan pangkalan data induk & hamba DNP3 dan dengan itu cenderung untuk memperuntukkan kadar tinjauan yang perlahan. Lazimnya, tinjauan pendapat Kelas 1, Kelas2 & Kelas 3 digunakan untuk memulihkan acara kelas individu pada kadar yang boleh diubah berdasarkan kepentingan peristiwa tersebut, lebih banyak peristiwa kritikal diberikan kepada kelas yang mempunyai kadar undian yang lebih pantas.

Perbezaan antara DNP3 dan IEC 61850

Perbezaan antara DNP3 dan IEC 61850 termasuk yang berikut.

Perbezaan antara DNP3 dan Modbus

Perbezaan antara DNP3 dan Modbus termasuk yang berikut.

DNP3 Kebaikan dan Keburukan

The kelebihan protokol DNP3 l termasuk yang berikut.

• DNP3 ialah protokol standard terbuka, jadi mana-mana pereka boleh mereka bentuk peralatan DNP3 yang dipadankan dengan baik dengan peralatan DNP3 yang lain.
• DNP3 menyediakan banyak keupayaan kerana protokol pintar & mantap.
• Ia boleh meminta & membalas melalui beberapa jenis data dalam satu mesej
• Ia membenarkan beberapa operasi master & peer-to-peer
• Ia menyokong format masa standard & penyegerakan masa.
• Kos perisian akan dikurangkan.
• Tiada keperluan untuk penterjemah protokol.
• Kurang penyelenggaraan & ujian.

Kelemahan protokol DNP3 termasuk yang berikut.

DNP3 menggunakan RTU bersiri & menaik tarafnya melalui RTU Ethernet (ERTU). Jika jalur lebar saluran komunikasi ke stesen itu tidak juga dipertingkatkan, maka pengguna akan mempunyai pautan yang lebih perlahan kerana overhed yang dilaksanakan dalam membalut DNP3 melalui TCP/IP.

Aplikasi DNP3

The aplikasi DNP3 termasuk yang berikut.

• DNP3 membenarkan peranti berbeza dalam sistem automasi proses untuk berkomunikasi.
• Syarikat utiliti yang berbeza secara meluas menggunakan protokol ini untuk sistem telemetri gas, elektrik dan air.
• Ia digunakan dalam Komunikasi SCADA.
• Protokol komunikasi DNP3 digunakan dalam sistem pemantauan jauh & SCADA.
• Ini terpakai dalam keseluruhan persekitaran SCADA yang termasuk dari induk ke jauh dan komunikasi RTU ke IED & juga dalam aplikasi rangkaian.

Oleh itu, ini semua tentang gambaran keseluruhan protokol DNP3 – bekerja dengan aplikasi. The Spesifikasi protokol DNP3 terutamanya bergantung pada model objek. Jadi model ini hanya mengurangkan pemetaan bit data yang biasanya diperlukan dengan protokol lain yang kurang berorientasikan objek. Bagi juruteknik & jurutera SCADA, mempunyai beberapa objek yang telah ditetapkan akan menjadikan DNP3 rangka kerja reka bentuk & penggunaan lebih selesa. Berikut adalah soalan untuk anda, apakah protokol?