používání otevřené standardní komunikace pro kontrolu dohledu a získávání dat (SCADA) je dobře zavedeno ve stále větším počtu odvětví veřejných služeb a průmyslu po celém světě. To přineslo významné výhody při zavádění a provozu systému.
DNP3 je jedním z nejúspěšnějších otevřených standardů SCADA přijatých po celém světě. Zejména Vodohospodářské odvětví přijalo DNP3 pro komunikaci SCADA v širokém měřítku. Využití DNP3 v plynárenském a ropném odvětví také získává půdu pod nohama.
koncept DNP3
DNP3 je běžně nepochopený termín, o kterém jste možná slyšeli, když mluvíte o SCADA a telemetrických systémech.
zde jsme zahrnuli některé informace, abychom se pokusili demystifikovat DNP3 pro ty, kteří nejsou tak technicky zdatní s telemetrickými systémy. DNP je zkratka pro distribuovaný síťový protokol.
nejprve použijeme analogii dvou lidí, kteří komunikují, abychom pomohli pochopit, kam DNP3 zapadá.
když komunikujeme mezi sebou, můžeme použít velké množství různých komunikačních médií, jako je vysílačka nebo 2cestné rádio, pevná telefonní linka, mobilní telefonní linka nebo snad přes internet pomocí skype nebo podobně. Zatímco médium, které používáme, se může změnit, bude nutné, abychom komunikovali stejným jazykem, tj.
když mluvíme o komunikaci kolem našich SCADA a telemetrických systémů, můžeme také použít různé komunikační metody, jako je ethernetový kabel, rádiové a veřejné telefonní systémy, stejně jako když komunikují dva lidé.
v tomto případě však musíme použít stejný jazyk a jazyk, který běžně používáme, je DNP3.
když tedy někdo odkazuje na DNP3, odkazuje na jazyková zařízení a SCADA stroje a ne na komunikační médium, které používají, jako rádio.
Toto je běžná mylná představa pro lidi, kteří nejsou na DNP3 technicky jasní, a tak doufejme, že tato analogie věci vyjasní.
DNP3
DNP3 (Distributed Network Protocol) je skupina protokolů. Hraje důležitou roli ve SCADA systémech, kde se používá mezi komponentami systému. Protokol byl speciálně vyvinut tak, aby RTUs mohl spolu mluvit
DNP3 je založen na objektovém modelu, který výrazně snižuje bitové mapování dat, které je tradičně vyžadováno jinými méně objektově orientovanými protokoly. Snižuje také široké rozdíly v paradigmatech monitorování stavu a řízení, které se obecně vyskytují v protokolech, které neposkytují prakticky žádné předdefinované objekty.
puristé těchto alternativních protokolů by trvali na tom, že jakýkoli požadovaný objekt může být „postaven“ z existujících objektů.
díky některým předdefinovaným objektům je DNP3 poněkud pohodlnějším konstrukčním a implementačním rámcem pro inženýry a techniky SCADA.
DNP3 (Distributed Network Protocol) je sada komunikačních protokolů používaných mezi komponenty v systémech automatizace procesů. Jeho hlavní využití je v inženýrských sítích, jako jsou elektrické a vodárenské společnosti. Použití v jiných průmyslových odvětvích není běžné.
byl vyvinut pro komunikaci mezi různými typy zařízení pro sběr dat a řízení. Hraje klíčovou roli ve SCADAsystems, kde je používán řídicími stanicemi SCADA Master (aka Control Centers), vzdálenými terminálovými jednotkami (RTUs) a inteligentními elektronickými zařízeními (IED). Používá se především pro komunikaci mezi hlavní stanicí a RTUs nebo IED.
ICCP, komunikační protokol mezi řídicími středisky (součást IEC 60870-6), se používá pro komunikaci mezi hlavními stanicemi.
co je DNP3?
DNP3 je komunikační protokol používaný v systémech SCADA / „remote monitoring“. Stala se velmi populární, protože je „otevřená“. Každý výrobce může vyvinout zařízení DNP3, které je kompatibilní s jiným zařízením DNP3.
DNP3 používá Master / Remote Model.
DNP3 se obvykle používá mezi centrálními mistry a poznámkami, které jsou široce rozšířeny. Master (myslím „operační centrum“) spojuje člověka (vy) a monitorovací systém. Dálkové (myslím „sub stanice“) poskytuje rozhraní mezi master a skutečné zařízení(Y), které jsou monitorovány nebo řízeny.
master I remote používají k výměně dat knihovnu běžných objektů. Protokol DNP3 lze spolehlivě použít přes média, která mohou být vystavena hlučnému rušení.
DNP3 je otevřený, inteligentní, robustní a efektivní moderní SCADA protokol. Může
- požadovat a reagovat s více typy dat v jednotlivých zprávách,
- segmentovat zprávy do více rámců, aby byla zajištěna vynikající detekce a obnovení chyb,
- zahrnout pouze změněná data ve zprávách odpovědí,
- přiřadit priority datovým položkám a požadovat datové položky pravidelně na základě jejich priority,
- reagovat bez požadavku (nevyžádaná),
- Podpora synchronizace času a standardního formátu času,
- povolit více masterů a peer-to-peer operací,
- a povolit uživatelem definovatelné objekty včetně souboru převod.
jak komunikují prvky DNP3?
DNP3 používá 27 základních funkčních kódů pro výměnu dat mezi Mastery (myslím „Control Center“) a dálkovými ovladači (myslím „pump yard“). Některé z těchto funkčních kódů umožňují veliteli požadovat a přijímat informace o stavu z dálkového ovladače. Další funkční kódy umožňují Master změnit nastavení dálkového ovladače.
další funkční kódy jsou definovány pro DNP3 Master pro ovládání dálkového ovladače-nebo ozubeného kola vedle dálkového ovladače. K dispozici je jeden funkční kód, který umožňuje dálkovému ovladači reagovat nevyžádanou zprávou na konkrétní události, ke kterým dochází v jeho oblasti.
jak vidíte, většina zpráv je vydána správcem DNP3. Protože nevyžádaná zpráva může být iniciována dálkovým ovladačem, obvykle se používá k hlášení alarmů.
toto upozorní DNP3 Master, jakmile nastane stav alarmu, místo čekání na další požadavek.
pochopení knihovny objektů DNP3.
rámec DNP3 obsahuje knihovnu objektů, které se používají v mnoha SCADA systémech. Tato knihovna je zdarma pro členy skupiny uživatelů DNP. Návštěva www.dnp.org pro více. Tyto standardní objekty zahrnují binární vstupy. Ty budou hlásit věci, které mají dva stavy; napájení je zapnuto nebo Vypnuto, přístupový panel je otevřený nebo zavřený.
dalším běžným objektem je analogový vstup, který se používá k hlášení věcí, které mají rozsah hodnot. Rychlost odtahového ventilátoru může být kdekoli od 40 do 400 ot / min. Hlavní výkon se může pohybovat od 110 do 128 VAC.
tato knihovna usnadňuje výrobci navrhnout DNP3 Remote responder používat tyto běžné objekty hlásit upstream Masters. To také usnadňuje Masters integrovat data shromážděná z dálkových ovladačů a prezentovat je pro vás.
bez tohoto rámce společných objektů musí výrobci vyvinout svůj vlastní model pro hlášení stavu a zajištění schopnosti řízení. Tyto modely, často velmi odlišné, musí být poté „zkompilovány“ do mistrů a převedeny na nějaké společné objekty pro efektivní správu.
dalším nástrojem, který se často nachází v těchto „otevřených“ rámcích, je proprietární rozhraní nebo překladový modul pro přístup a ovládání dálkového ovladače.
objekty v knihovně DNP3 jsou rozděleny do skupin a variací. Například skupina analogových vstupů má šest variant, které poskytují 16 nebo 32 bitové celočíselné nebo plovoucí desetinné hodnoty s nebo bez bitové mapy stavu.
skupina analogových událostí má osm variant, které poskytují 16 nebo 32 bitové celočíselné nebo desetinné hodnoty se stavovou bitmapou a s časovým razítkem nebo bez něj.
Všimněte si, že skupina analogových událostí neobsahuje variace bez bitmapy stavu.
pochopení DNP3 vrstvené komunikace
DNP3 používá vrstvený komunikační model:
- aplikační vrstva kombinuje několik částí. Ther je aplikační služba datová jednotka (ASDU). Pak je tu zabalený předmět. Blok application protocol control info (APCI) je přidán, aby se datová jednotka application protocol (APDU).
- transportní vrstva rozdělí APDU na segmenty s maximální velikostí 16 bajtů a kombinuje je s 8bitovou hlavičkou řízení transportu a 16bitovými oddělovači CRC segmentů do transportFrame.
- vrstva odkazů přidá hlavičku k informacím o řízení a adrese. Balíček je nyní připraven k dodání.
tyto vrstvy lze mapovat na čtyřvrstvý model vyvinutý Ministerstvem obrany (můžete si vzpomenout na původ Dod internetu) s vynechanou vrstvou Dod Internet.
pokud bude paket odeslán přes LAN / WAN, jsou tři vrstvy DNP3 srolovány do aplikační vrstvy.
sestavený paket je zabalen do Transport Control Protocol (TCP) transportní vrstvou, která je zase zabalena do internetového protokolu (IP) (poněkud zjevnou) internetovou vrstvou.
lze také použít User Datagram Protocol (UDP), ale představuje některé další problémy související se spolehlivým doručováním v přetížených sítích.
čtvrtá vrstva je vrstva síťového rozhraní, kde je sestavený paket skutečně propojen s nějakým druhem transportního média(například kroucená dvojice mědi, RG58 koaxiální nebo vlákno).
i když se tento vícevrstvý model může zdát trochu matoucí, účinně izoluje úkoly komunikace a nakonec pomáhá při navrhování a implementaci sítě.
procházení vrstev
Chcete-li zobrazit tento vrstvený model, podívejme se na jeden požadavek na čtení DNP3 přes LAN. DNP3 Master chce znát stav napájení dálkového ovladače a připraví zprávu Read request pro tento objekt.
po průchodu všemi třemi vrstvami DNP3 je zpráva předána transportní vrstvě TCP/UDP. Transportní vrstva přidá datový blok, který identifikuje hlavní port a port, kde očekává, že vzdálený proces DNP3 bude poslouchat zprávy. Paket je pak předán do IP vrstvy.
zde je přidán datový blok obsahující adresy IP a přístup k médiím Master a Remote. Pak se celý paket dostane do vrstvy síťového rozhraní.
vrstva síťového rozhraní kontroluje přístup a dostupnost médií. Poté umístí paket na médium pro přenos.
po práci přes mosty a směrovače (něco jako „přes řeku a lesem“) na základě informací o IP dorazí paket na dálkové ovládání.
zde prochází stejnými čtyřmi vrstvami v opačném pořadí, než tomu bylo u mistra. Nejprve se stáhne z média vrstvou síťového rozhraní. Po kontrole, zda je paket neporušený a platný, vrstva síťového rozhraní jej předá vrstvě IP.
IP vrstva zkontroluje přístup k médiím a IP adresu a předá ji vrstvě TCP/UDP, kde je cílový port zkontrolován pro připojené aplikace. Pokud aplikace poslouchá na cílovém portu, paket je předán aplikační vrstvě. Pokud je aplikace pro poslech vzdálený proces DNP3, je předán požadavek na čtení.
pohybuje se ve svých třech vrstvách, aby zkontroloval požadavek a zjistil, jaké informace je třeba shromáždit. Vzdálená odezva pak sleduje stejnou cestu v opačném směru, aby se dostala k veliteli.
zpráva DNP3 prochází vrstvami protokolu ve Správci i agentovi. Každá vrstva řeší konkrétní komunikační úkol.
pomoc při řešení problémů
znalost tohoto vrstveného modelu DNP3 usnadňuje hledání a opravu problémů se sítí. Když to je problém, můžete jednoduše vystopovat dolů, z jednoho konce, do, a nahoru druhý. LAN / WAN link a stavová světla poskytují zobrazení vrstvy síťového rozhraní. ICMP echo žádosti a odpovědi (Ping) poskytují některé informace týkající se správného fungování vrstvy IP.
indikátory zpracování DNP3 lze použít k ověření průchodu paketu DNP3 vrstvou TCP/UDP a fungování aplikační vrstvy.
každý krok lze ověřit nezávisle, dokud všechny kroky nefungují správně pro end-to-end komunikaci.
výhody DNP3
DNP3 poskytuje multiplexování, fragmentaci dat a další.
DNP3 je protokol vrstvy 2. To znamená, že poskytuje:
- multiplexování.
- fragmentace dat.
- Kontrola chyb.
- ovládání spojení.
- prioritní třídění.
poskytuje také služby adresování vrstvy 2 pro uživatelská data.
DNP3 umožňuje různým zařízením v systémech automatizace procesů mluvit. Protokol DNP3 je široce používán pro elektrickou, plynovou a vodní telemetrii inženýrskými společnostmi. Je také možné, aby byl DNP3 využit v jiných oblastech, i když to není tak běžné.
SCADA Communications používá protokol DNP3.
SCADA systémy používají protokol DNP3 pro použití mezi součástmi systému. Protokol DNP3 zajišťuje komunikaci mezi SCADA systémem master, RTUs a inteligentními elektronickými zařízeními (IED).
DNP3 byl vyvinut tak, aby vyhovoval potřebě standardního protokolu, který by umožnil mluvit komponenty systému SCADA vyvinuté různými dodavateli. Pomocí IEC 60870-5 jako základny byl DNP3 vytvořen jako otevřený protokol pro použití v těchto případech.
tento protokol byl k dispozici pro rychlé použití v sítích SCADA a vyhovoval specifikacím stanoveným severoamerickými organizacemi.
DNP3 poskytuje spolehlivost komunikace pro nástroje.
DNP3 zajišťuje spolehlivost komunikace v drsném prostředí inženýrských sítí. Protokol je schopen zabránit tomu, aby byl zkreslen EMI, komponenty legacysystem a špatným přenosem kvůli komunikačnímu formátu DNP3.
přestože protokol má kontrolu chyb, DNP3 není zabezpečen. To je důležité při plánování SCADA.
proč je tak populární ?
existuje několik důvodů, proč je DNP3 tak silný a běžně používaný v telemetrických systémech:-
- je to standardní a otevřené. To znamená, že „jazyk“ je snadno dostupný a všechna zařízení DNP3 komunikují stejným jazykem. Raná komunikace RTU pomocí proprietárních protokolů, což znamenalo, že jazyk, ve kterém komunikovali, byl znám pouze jiným produktům vyrobeným stejným prodejcem. Dnes je mnoho zařízení vícejazyčných v tom, že budou komunikovat pomocí svého proprietárního protokolu, ale také umožňují komunikaci pomocí protokolu DNP3, což bylo provedeno mnoha dodavateli, aby v průběhu času umožnilo postupný upgrade jejich sítě na DNP3.
- Jedná se o směrovací protokol. To je obzvláště důležitá a klíčová vlastnost protokolu DNP3 v tom, že může komunikovat prostřednictvím různých komunikačních sítí, aby dosáhl cíle zprávy. Například SCADA stroj může být připojen k ethernetovému připojení, ale RTU může být na rádiovém připojení, DNP3 může být směrován z ethernetového připojení k rádiovému připojení přes mezilehlý RTU. Zní to složitě, ale jednoduše by to bylo, jako byste mluvili přes telefonní spojení se svým přítelem,a předávají zprávu někomu na nedaleké vysílačce. Síla DNP3 je, že to lze provést velmi snadno ve většině moderních RTU bez nutnosti komplexního I / o mapování.
- dobře využívá komunikační kanál. DNP3 byl navržen tak, aby byl schopen pracovat jak na vysokorychlostních sítích Ethernet, tak na rádiových sítích s pomalou rychlostí a je velmi dobrý v „komunikaci pouze v případě potřeby“. Například, když čerpadlo zapne nebo vypne DNP3 odešle zprávu prostřednictvím oznámení SCADA o této jedné změně. Pevné protokoly dotazování, jako je MODBUS, toho nemohou dosáhnout, protože musí neustále aktualizovat všechna data dotazováním. Zpět k naší lidské analogii, to by bylo, jako byste neustále žádali svého přítele, aby vám řekl, co ukazuje semafor, v příkladu dotazovacího protokolu by přítel neustále říkal zelenou, zelená, zelená, zelená pak červená, červená, Červená každou sekundu. S DNP3, přítel by vám řekl pouze tehdy, když se světlo změní pro použití mnohem menší šířky pásma.
- mnoho přátel najednou. Toto číslo bodu 3 výše znamená, že byste mohli vést rozhovory s mnoha přáteli najednou, a to je skutečně síla DNP3, což umožňuje mnoha čerpacím stanicím, rozvodnám nebo plynovým vrt komunikovat ve stejné síti.