Giao thức DNP3: Kiến trúc, Làm việc, Mã chức năng, Định dạng dữ liệu và Ứng dụng của nó

DNP3 hay Giao thức mạng phân tán3 được một công ty Nhật Bản đưa ra vào năm 1992 để thiết lập một giao thức truyền thông giữa các hệ thống phân tán. DNP3 là giao thức điều khiển thiết bị dựa trên mạng được sử dụng để giao tiếp giữa thiết bị và thiết bị nhập / xuất từ ​​xa. Giao thức này chủ yếu phụ thuộc vào mô hình hướng đối tượng làm giảm ánh xạ bit dữ liệu thường được yêu cầu bởi các giao thức hướng đối tượng khác. Nó chủ yếu được sử dụng giữa các trạm chủ trung tâm cũng như các đơn vị từ xa phân tán nơi trạm chủ trung tâm chỉ hoạt động như một giao diện giữa người quản lý mạng con người cũng như hệ thống giám sát. Thiết bị từ xa phân tán là giao diện giữa trạm chính và thiết bị vật lý đang được quan sát & điều khiển ở các khu vực xa. Việc trao đổi dữ liệu giữa hai đối tượng này có thể được thực hiện bởi thư viện đối tượng chung. Bài viết này thảo luận tổng quan về Giao thức DNP3 - làm việc với các ứng dụng.

Giao thức DNP3 là gì?

Tập hợp các giao thức truyền thông được sử dụng giữa các thành phần khác nhau trong hệ thống tự động hóa quy trình được gọi là giao thức DNP3. Giao thức này chủ yếu được thiết kế cho mục đích giao tiếp giữa các loại thiết bị điều khiển và thu thập dữ liệu khác nhau. Vì vậy, trong Hệ thống SCADA , giao thức này đóng một vai trò thiết yếu khi nó được sử dụng bởi RTU, SCADA và IED.

Kiến trúc giao thức DNP3 và hoạt động của nó

DNP3 là một giao thức mạng phân tán phiên bản thứ ba. Nó có một cuộc thăm dò tính toàn vẹn và ba cấp độ thăm dò, trong đó cuộc thăm dò tính toàn vẹn được sử dụng để lấy dữ liệu tại một cuộc thăm dò ý kiến.

Kiến trúc mạng DNP3 có thể là unicast, multidrop và kiến ​​trúc phân cấp / kết nối dữ liệu.

Kiến trúc unicast: còn được gọi là kiến ​​trúc một-một, ở đây trạm chính chỉ có thể giao tiếp với một trạm ra, trong khi kiến trúc multidrop trạm chủ có thể giao tiếp với nhiều hơn một thiết bị trạm, có nghĩa là nó có thể giao tiếp với nhiều thiết bị trạm. Kiến trúc phân cấp / trình kết nối dữ liệu là sự kết hợp của kiến ​​trúc multidrop và unicast.

Giao thức truyền thông DNP3 thường được sử dụng cho các tiện ích điện, nước và nước thải, dầu khí, giao thông vận tải và các môi trường SCADA khác. Nó cho phép bạn xem các mức quan trọng trong thời gian thực và lịch sử, đó có thể là nhiệt độ, độ ẩm, mức pin, điện áp, mức nhiên liệu, v.v. Nó cũng cho phép bạn phát hiện sự cố và khắc phục sự cố nhanh chóng, đồng thời bạn cũng có thể loại bỏ tắc nghẽn và sự kém hiệu quả.

Việc thiết kế giao thức DNP3 có thể được thực hiện dựa trên các lớp của mô hình OSI như liên kết dữ liệu, truyền tải, ứng dụng và lớp người dùng. Giao thức này có tính linh hoạt để kết nối một tổng thể duy nhất thông qua tối thiểu một hoặc nhiều trạm phát phía trên phương tiện truyền thông vật lý nối tiếp cũng như Ethernet.
Các kiến ​​trúc khả thi khác chủ yếu bao gồm các kết nối tổng thể khác nhau với một máy trạm duy nhất & hoạt động ngang hàng. Thông thường, master bắt đầu các lệnh điều khiển để yêu cầu dữ liệu từ hoặc kích hoạt các thiết bị được quản lý thông qua máy trạm. Trạm phát này chỉ phản ứng với chủ bằng cách truyền thông tin phù hợp.

Dựa trên mô hình OSI, giao thức DNP3 bao gồm bốn lớp Liên kết Dữ liệu, Chức năng Truyền tải, Lớp Ứng dụng & Lớp Người dùng. Ở đây, Lớp liên kết dữ liệu ở dưới cùng sẽ làm cho liên kết vật lý đáng tin cậy hơn bằng cách xác định địa chỉ và phát hiện lỗi. Hàm truyền tải chỉ đơn giản là tập hợp các khung của Lớp liên kết thành các mảnh của Lớp ứng dụng. Lớp này nhận toàn bộ thông báo và chỉ định dữ liệu nào được ưu tiên cho Lớp người dùng ở trên. Mỗi thông báo có thể có một số kiểu dữ liệu như đầu vào và đầu ra tương tự, nhị phân & bộ đếm.

Giao thức DNP3 hoạt động như thế nào?

Giao thức DNP3 hoạt động đơn giản bằng cách sử dụng 27 mã chức năng cơ bản để cho phép giao tiếp giữa các trạm chính và các đơn vị từ xa. Vì vậy, một số mã chức năng sẽ cho phép thiết bị chính yêu cầu và nhận điều kiện thông tin từ thiết bị từ xa và các mã chức năng khác sẽ cho phép thiết bị chính quyết định hoặc sửa cấu hình thiết bị từ xa.

Một số mã chức năng chủ yếu được sử dụng trong trạm chủ DNP3 để điều khiển thiết bị hoặc thiết bị từ xa tại các điểm từ xa. Trạm chủ DNP3 cấp hầu hết các giao tiếp tới thiết bị từ xa của DNP3. Tuy nhiên, Tin nhắn không mong muốn (tin nhắn o / p) được khởi tạo thông qua một thiết bị từ xa và nó tạo ra một cảnh báo. Vì vậy, thông báo này sẽ đưa ra một cảnh báo cho chủ khi báo động xảy ra.

Mã chức năng

Các mã chức năng của DNP3 bao gồm những điều sau đây.

Định dạng thông báo DNP3

Cấu trúc định dạng thông báo của DNP3 được hiển thị bên dưới. Nếu chúng ta kiểm tra cấu trúc này, chúng ta có thể quan sát thấy rằng các thông điệp được trao đổi giữa bản chính và điều khiển từ xa. Giao thức đo từ xa nối tiếp (TBOS) được định hướng theo byte bằng cách trao đổi một byte duy nhất để giao tiếp.

Các giao thức đo từ xa nối tiếp mở rộng như TABS được định hướng gói với các gói byte được trao đổi để giao tiếp. Các gói này thường bao gồm các byte tiêu đề, dữ liệu và tổng kiểm tra. Giao thức DNP3 là hướng gói và sử dụng cấu trúc gói được thể hiện trong hình sau.

Trong sơ đồ định dạng thông báo ở trên, DNP3 ASDU (đơn vị dữ liệu dịch vụ ứng dụng) có giá trị cho việc điều chỉnh nội dung thông minh được kiểm soát thông qua cả hai định tính cũng như các trường indexSize. Vì vậy, thiết kế này sẽ làm cho dữ liệu ứng dụng có thể truy cập được trong các cấu hình linh hoạt.

Bây giờ, hãy thảo luận về cách dữ liệu được trao đổi, đặc biệt là trong mô hình giao tiếp phân lớp.
Lớp ứng dụng trong sơ đồ trên kết hợp ASDU (đơn vị dữ liệu dịch vụ ứng dụng) và một đối tượng được đóng gói bởi khối APCI (điều khiển giao thức ứng dụng) để tạo thành một APDU (đơn vị dữ liệu giao thức ứng dụng).

Lớp truyền tải sẽ chia đơn vị dữ liệu dịch vụ ứng dụng hoặc APDU thành các phân đoạn khác nhau với kích thước tối đa 16 byte & đóng gói chúng bằng tiêu đề điều khiển truyền tải 8 bit & bộ phân tách CRC phân đoạn 16 bit thành một Khung truyền tải.

Lớp liên kết được ánh xạ tới mô hình 4 lớp được phát triển thông qua DoD (Bộ Quốc phòng) thông qua Lớp Internet DoD bị bỏ qua. Nếu vận chuyển nối tiếp được sử dụng, thì quá trình lắp ráp gói được thực hiện và nằm trên phương tiện truyền tải để phân phối.

Nếu gói được truyền qua mạng LAN hoặc WAN, thì 3 lớp DNP3 sẽ được cuộn lại thành lớp đầu tiên. Gói được tập hợp có thể được gói trong TCP (Giao thức điều khiển truyền tải) thông qua lớp truyền tải được gói trong IP (Giao thức Internet) thông qua lớp internet. UDP (User Datagram Protocol) cũng có thể được sử dụng nhưng gây ra một số vấn đề bổ sung liên quan đến phân phối đáng tin cậy trong các mạng được đóng gói.

Định dạng dữ liệu DNP3

DNP được sử dụng rộng rãi trong việc kiểm soát thông điệp truyền giữa trạm trung tâm và các đơn vị điều khiển. Định dạng dữ liệu của DNP3 chủ yếu bao gồm hai phần tiêu đề và phần dữ liệu. Hơn nữa, tiêu đề được tách thành sáu phần phụ.

Định dạng của khung dữ liệu và kích thước cần thiết của mọi trường được thể hiện trong hình trên. Trong sơ đồ này, Sync là trường đầu tiên có kích thước 1 byte và nó chỉ định phần đầu của khung.
Giá trị trường này được cố định thành 0564, vì vậy khi khung được nhận bằng cách kiểm tra vị trí trường Đồng bộ thì việc ánh xạ có thể được thực hiện một cách hiệu quả.

Chiều dài trường cung cấp toàn bộ chiều dài khung để một bộ đệm cụ thể có thể được chỉ định tại đích để giữ các khung đến. Vì vậy, khung thứ hai là “Trường điều khiển” mô tả hành động điều khiển cần được thực hiện ở đầu máy thu.

Trường điều khiển sẽ bao gồm giá trị hex 41 nếu không là 42 dựa trên loại hành động. Sau đó, trường địa chỉ đích & nguồn sẽ cung cấp địa chỉ người nhận dự định và nút gửi.
CRC hoặc Kiểm tra dự phòng theo chu kỳ là trường cuối cùng sẽ giúp xác minh lỗi khung. Giá trị kiểm tra được kết nối với thông báo tại thời điểm truyền và giá trị này sẽ được xác minh chéo ở đầu nhận. Khi giá trị này khớp, thì nó chỉ định sự không tồn tại của lỗi trong khung. Phần dữ liệu có kích thước từ 2 đến 4 byte tuy nhiên nó không có vai trò kiểm soát việc truyền thông điệp.

Hình trên cho thấy thông điệp điều khiển được truyền theo định dạng DNP3 từ trạm này sang trạm khác giống như điều khiển đến đích. Để truyền các hành động khác nhau tới các đích, các trường như trường điều khiển cũng như địa chỉ đích trong khi một số trường sẽ không thay đổi đối với tất cả các liên lạc.

Ví dụ về Hệ thống giám sát DNP3

Sơ đồ hệ thống giám sát từ xa và chính DNP3 được hiển thị bên dưới. Mô hình này được sử dụng để truyền dữ liệu giữa hai thiết bị như chính và từ xa bằng DNP3.

Sơ đồ hệ thống giám sát từ xa và chính DNP3 được hiển thị bên dưới. Mô hình này được sử dụng để truyền dữ liệu giữa hai thiết bị như chính và từ xa bằng DNP3. Ở đây chủ là máy tính và máy chủ hoặc điều khiển từ xa là máy trạm. Dữ liệu được truyền là dữ liệu tĩnh, dữ liệu sự kiện và chấp nhận dữ liệu sự kiện không được yêu cầu.

Giao thức DNP3 thường được sử dụng giữa chính (máy tính) và điều khiển từ xa (Outstation). Ở đây, tổng thể được sử dụng để cung cấp giao diện giữa người quản lý mạng con người cũng như hệ thống giám sát. Điều khiển từ xa cung cấp giao diện giữa thiết bị chính cũng như thiết bị vật lý đang được điều khiển hoặc giám sát.

Cả master & remote đều sử dụng thư viện đối tượng chung để trao đổi dữ liệu. Đây là dữ liệu Giao thức DNP3 là một giao thức được thăm dò ý kiến ​​bao gồm các khả năng được thiết kế cẩn thận. Khi trạm chính được kết nối với một điều khiển từ xa, thì một cuộc thăm dò tính toàn vẹn có thể được thực hiện, điều này rất quan trọng đối với việc xử lý DNP3 vì đối với một điểm dữ liệu, chúng trả về tất cả các giá trị được đệm & bao gồm cả giá trị hiện tại của điểm đó.

Nói chung, các trình điều khiển DNP3 có thể thực hiện các cuộc thăm dò khác nhau thường xuyên như Cuộc thăm dò về tính toàn vẹn, Lớp 1, Lớp 2 và Lớp 3. Trong Cuộc thăm dò về tính toàn vẹn, DNP3 chỉ cần yêu cầu máy trạm truyền Lớp 1, lớp 2 và lớp 3 của nó dữ liệu sự kiện & dữ liệu tĩnh Lớp 0 theo thứ tự thời gian. Một cuộc thăm dò toàn vẹn thường được sử dụng để đồng bộ hóa cơ sở dữ liệu của DNP3 master & slave và do đó có xu hướng được phân bổ tỷ lệ thăm dò chậm. Thông thường, các cuộc thăm dò Lớp 1, Lớp 2 và Lớp 3 được sử dụng để khôi phục các sự kiện lớp riêng lẻ với tỷ lệ có thể thay đổi dựa trên mức độ quan trọng của các sự kiện đó, các sự kiện quan trọng hơn được chỉ định cho các lớp có tốc độ thăm dò nhanh hơn.

Sự khác biệt giữa DNP3 và IEC 61850

Sự khác biệt giữa DNP3 và IEC 61850 bao gồm những điều sau đây.

Sự khác biệt giữa DNP3 và Modbus

Sự khác biệt giữa DNP3 và Modbus bao gồm những điều sau đây.

Ưu và nhược điểm của DNP3

Các lợi thế của DNP3 protoco Tôi bao gồm những điều sau đây.

• DNP3 là một giao thức tiêu chuẩn mở, vì vậy bất kỳ nhà thiết kế nào cũng có thể thiết kế thiết bị DNP3 phù hợp với thiết bị DNP3 khác.
• DNP3 cung cấp nhiều khả năng nhờ một giao thức thông minh và mạnh mẽ.
• Nó có thể yêu cầu và trả lời thông qua một số kiểu dữ liệu trong các tin nhắn đơn lẻ
• Nó cho phép một số hoạt động chính & ngang hàng
• Nó hỗ trợ định dạng thời gian tiêu chuẩn và đồng bộ hóa thời gian.
• Chi phí phần mềm sẽ được giảm xuống.
• Không yêu cầu trình dịch giao thức.
• Bảo trì và kiểm tra ít hơn.

Những nhược điểm của giao thức DNP3 bao gồm những điều sau đây.

DNP3 sử dụng RTU nối tiếp và nâng cấp nó thông qua Ethernet RTU (ERTU). Nếu băng thông kênh liên lạc đến trạm đó cũng không được tăng cường, thì người dùng sẽ có liên kết chậm hơn do chi phí được thực hiện trong việc gói DNP3 thông qua TCP / IP.

Ứng dụng DNP3

Các Ứng dụng DNP3 bao gồm những điều sau đây.

• DNP3 cho phép các thiết bị khác nhau trong hệ thống tự động hóa quy trình giao tiếp.
• Các công ty tiện ích khác nhau sử dụng rộng rãi giao thức này cho các hệ thống đo từ xa khí đốt, điện và nước.
• Nó được sử dụng trong SCADA Communications.
• Giao thức truyền thông DNP3 được sử dụng trong các hệ thống giám sát từ xa & SCADA.
• Điều này có thể áp dụng trong toàn bộ môi trường SCADA bao gồm truyền thông từ tổng thể đến điều khiển từ xa và truyền thông RTU tới IED và cả trong các ứng dụng mạng.

Vì vậy, đây là tất cả về tổng quan về giao thức DNP3 - làm việc với các ứng dụng. Các Đặc tả giao thức DNP3 chủ yếu phụ thuộc vào mô hình đối tượng. Vì vậy, mô hình này chỉ đơn giản là giảm ánh xạ bit dữ liệu thường cần thiết với các giao thức ít hướng đối tượng khác. Đối với các kỹ thuật viên và kỹ sư SCADA, việc có một số đối tượng được xác định trước sẽ làm cho khung triển khai & thiết kế DNP3 thoải mái hơn. Đây là một câu hỏi dành cho bạn, giao thức là gì?