brugen af Open Standard communications til tilsynskontrol og dataindsamling (SCADA) er veletableret i et stigende antal forsynings-og industrisektorer over hele kloden. Dette har givet betydelige fordele i system implementering og drift.
DNP3 er en af de mest succesfulde SCADA åbne standarder vedtaget over hele kloden. Især vandsektoren har vedtaget DNP3 for SCADA kommunikation på en bred skala basis. Brugen af DNP3 i Gas – og oliesektoren har også vundet terræn.
begrebet DNP3
DNP3 er et almindeligt misforstået udtryk, som du måske har hørt henvist til, når du taler om SCADA og telemetrisystemer.
vi har inkluderet nogle oplysninger her for at forsøge at afmystificere DNP3 for dem, der ikke er så teknisk kyndige med telemetrisystemer. DNP står for distribueret netværksprotokol.
for det første skal vi bruge analogien af to mennesker, der kommunikerer for at hjælpe med at forstå, hvor DNP3 passer.
når vi kommunikerer mellem hinanden, kan vi bruge en lang række forskellige kommunikationsmedier såsom en talkie eller 2-vejs radio, en fast telefonlinje, en mobiltelefonlinje eller måske over internettet ved hjælp af skype eller lignende. Mens det medium, vi bruger, kan ændre sig, vil det være nødvendigt for os at kommunikere ved hjælp af det samme sprog, dvs.engelsk.
når vi taler om kommunikation omkring vores SCADA-og telemetrisystemer, kan vi også bruge forskellige kommunikationsmetoder som Ethernet-kabel, radio og offentlige telefonsystemer, ligesom når to mennesker kommunikerer.
i dette tilfælde skal vi dog også bruge det samme sprog, og det sprog, vi ofte bruger, er DNP3.
så når nogen henviser til DNP3, henviser de til sprogenhederne og SCADA-maskinerne og ikke det kommunikationsmedium, de bruger, som radio.
dette er en almindelig misforståelse for folk, der ikke er teknisk klare på DNP3, og så forhåbentlig rydder analogien tingene op.
DNP3
DNP3 (distribueret netværksprotokol) er en gruppe protokoller. Det spiller en vigtig rolle i SCADA-systemer, hvor det bruges mellem systemkomponenter. Protokollen blev specifikt udviklet, så RTUs kunne tale med hinanden
DNP3 er baseret på en objektmodel, der i høj grad reducerer bitkortlægningen af data, der traditionelt kræves af andre mindre objektorienterede protokoller. Det reducerer også den store forskel mellem statusovervågning og kontrolparadigmer, der generelt findes i protokoller, der næsten ikke giver nogen foruddefinerede objekter.
purister af disse alternative protokoller ville insistere på, at ethvert krævet objekt kan ‘bygges’ fra eksisterende objekter.
at have nogle foruddefinerede objekter gør dog DNP3 til en noget mere behagelig design-og implementeringsramme for SCADA-ingeniører og teknikere.
DNP3 (distribueret netværksprotokol) er et sæt kommunikationsprotokoller, der bruges mellem komponenter i procesautomatiseringssystemer. Dens vigtigste anvendelse er i forsyningsselskaber som el-og vandvirksomheder. Anvendelse i andre brancher er ikke almindelig.
det blev udviklet til kommunikation mellem forskellige typer dataindsamlings-og kontroludstyr. Det spiller en afgørende rolle i SCADAsystems, hvor det bruges af SCADA-Masterstationer (aka kontrolcentre), Fjernterminalenheder (RTU ‘er) og intelligente elektroniske enheder (IED’ er). Det bruges primært til kommunikation mellem en masterstation og RTU ‘er eller IED’ er.
ICCP, kommunikationsprotokollen mellem kontrolcentre (en del af IEC 60870-6), bruges til kommunikation mellem master-stationer.
Hvad er DNP3?
DNP3 er en kommunikationsprotokol, der anvendes i SCADA / “fjernovervågning” systemer. Det er blevet meget populært, fordi det er”åbent”. Enhver producent kan udvikle DNP3-udstyr, der er kompatibelt med andet DNP3-udstyr.
DNP3 bruger en Master/Remote Model.
DNP3 bruges typisk mellem centrale mestre ogfelter, der er spredt bredt. Føreren (tænk “operationscenter”) forbinder mennesket (dig) og overvågningssystemet. Fjernbetjeningen(tænk “understation”) giver grænsefladen mellem masteren og den eller de faktiske enheder, der overvåges eller styres.
masteren og fjernbetjeningen bruger begge et bibliotek med almindelige objekter til at udveksle data. DNP3-protokollen kan bruges pålideligt over medier, der kan være udsat for støjende interferens.
DNP3 er en åben, intelligent, robust og effektiv moderne SCADA-protokol. Det kan
- anmode om og svare med flere datatyper i enkeltbeskeder,
- segmentmeddelelser i flere rammer for at sikre fremragende fejldetektering og gendannelse,
- Inkluder kun ændrede data i svarmeddelelser,
- Tildel prioriteter til dataelementer og anmod om dataelementer med jævne mellemrum baseret på deres prioritet,
- svar uden anmodning (uopfordret),
- support tidssynkronisering og et standardtidsformat,
- Tillad flere mastere og peer-to-peer-operationer,
- og tillad brugerdefinerede objekter inklusive fil overførsel.
Hvordan kommunikerer DNP3-elementer?
DNP3 bruger 27 grundlæggende funktionskoder til at udveksle data mellem Masters (tænk “Control Center”) og fjernbetjeninger (tænk “pump yard”). Nogle af disse funktionskoder gør det muligt for en Master at anmode om og modtage statusoplysninger fra en fjernbetjening. Andre funktionskoder gør det muligt for en Master at ændre en fjernbetjenings indstillinger.
andre funktionskoder er defineret for en DNP3 Master til at styre fjernbetjeningen – eller gearet ved siden af fjernbetjeningen. En funktionskode leveres for at gøre det muligt for fjernbetjeningen at svare med en uopfordret besked på bestemte begivenheder, der opstår i dens område.
som du kan se, udstedes de fleste af meddelelserne af DNP3-manageren. Da den uopfordrede besked kan initieres af en fjernbetjening, bruges den typisk til at rapportere alarmer.
dette meddeler DNP3 Master, så snart en alarmtilstand opstår, i stedet for at vente på den næste anmodning.
forståelse af DNP3-Objektbiblioteket.
DNP3-rammen indeholder et bibliotek med objekter, der bruges i mange SCADA-systemer. Dette bibliotek er gratis for medlemmer af DNP-brugergruppen. Besøg www.dnp.org for mere. Disse standardobjekter omfatter binære indgange. Disse rapporterer ting, der har to tilstande; strømmen er tændt eller slukket, et adgangspanel er åbent eller lukket.
et andet almindeligt objekt er en Analog indgang, der bruges til at rapportere ting, der har en række værdier. Udstødningsventilatorhastigheden kan være alt fra 40 til 400 omdr. / min. Hovedstrømmen kan variere fra 110 til 128 VAC.
dette bibliotek gør det nemt for producenten at designe DNP3 Remote responder til at bruge disse almindelige objekter til at rapportere til opstrøms mastere. Det gør det også lettere for mestre at integrere de data, der er indsamlet fra fjernbetjeninger, og præsentere dem for dig.
uden denne ramme af fælles objekter skal producenterne udvikle deres egen model til rapporteringsstatus og give kontrolfunktion. Disse modeller, ofte meget forskellige, skal derefter ‘kompileres’ til mestrene og konverteres til en slags fælles objekter til effektiv styring.
et andet værktøj, der ofte findes i disse mere ‘åbne’ rammer, er et proprietært interface eller oversættelsesmodul til at få adgang til og styre fjernbetjeningen.
objekter i DNP3-biblioteket er opdelt i grupper og variationer. For eksempel har den analoge Inputgruppe seks variationer, der giver 16 eller 32 bit heltal eller flydende punktværdier med eller uden en statusbitmap.
den analoge Begivenhedsgruppe har otte variationer, der giver 16 eller 32 bit heltal eller flydende punktværdier med en statusbitmap og med eller uden et tidsstempel.
Bemærk, at den analoge Hændelsesgruppe ikke indeholder variationer uden en statusbitmap.
forståelse DNP3 lagdelt kommunikation
DNP3 bruger den lagdelte kommunikationsmodel:
- applikationslaget kombinerer flere dele. Der er en applikationsservicedataenhed (ASDU). Så er der det pakkede objekt. En apci-blok (application protocol control info) tilføjes for at oprette en APDU-dataenhed (application protocol data unit).
- transportlaget bryder APDU i segmenter med en maksimal størrelse på 16 bytes og kombinerer dem med en 8-bit transportkontrolhoved og 16-bit segment CRC-separatorer i en transportramme.
- linklaget tilføjer en overskrift til kontrol-og adresseoplysningerne. Pakken er nu klar til levering.
disse lag kan kortlægges til firelagsmodellen udviklet af Forsvarsministeriet (du kan huske DoD-oprindelsen af internettet) med DoD-Internetlaget udeladt.
hvis pakken sendes over et LAN/van, rulles de tre DNP3-lag op i applikationslaget.
den samlede pakke er pakket ind i Transportkontrolprotokollen (TCP) af transportlaget, som igen er pakket ind i Internetprotokollen (IP) af det (noget indlysende) internetlag.
User Datagram Protocol (UDP) kan også bruges, men præsenterer nogle yderligere problemer relateret til pålidelig levering i overbelastede netværk.
det fjerde lag er Netværksinterfacelaget, hvor den samlede pakke faktisk er forbundet med en slags transportmedier (for eksempel snoet par kobber, RG58 koaksial eller fiber).
selvom denne flerlagsmodel kan virke lidt forvirrende, isolerer den effektivt kommunikationsopgaverne og hjælper i sidste ende med at designe og implementere et netværk.
gennemgang af lagene
for at vise denne lagdelte model, lad os se på en enkelt DNP3-Læseanmodning over et LAN. DNP3-masteren ønsker at kende status for fjernbetjeningens strøm og forbereder en Læsebesked for det pågældende objekt.
efter at have passeret gennem alle tre DNP3-lag, sendes meddelelsen til TCP/UDP-transportlaget. Transportlaget tilføjer en datablok, der id ‘ er Masterporten og den port, hvor den forventer, at den eksterne DNP3-proces lytter efter meddelelser. Pakken sendes derefter til IP-laget.
her tilføjes en datablok med IP-og Medieadgangsadresserne på masteren og fjernbetjeningen. Derefter sendes den fulde pakke til Netværksinterfacelaget.
Netværksgrænsefladelaget kontrollerer medieadgang og tilgængelighed. Det placerer derefter pakken på medierne til transmission.
efter at have arbejdet sig over broer og gennem routere (noget som “over floden og gennem skoven”) baseret på IP-info, ankommer pakken til fjernbetjeningen.
her passerer den gennem de samme fire lag i modsat rækkefølge som det gjorde hos mesteren. For det første trækkes det af medierne af Netværksinterfacelaget. Efter at have kontrolleret, at pakken er intakt og gyldig, sender Netværksinterfacelaget det til IP-laget.
IP-laget kontrollerer Medieadgangen og IP-adressen og videregiver den til TCP/UDP-laget, hvor målporten kontrolleres for tilsluttede applikationer. Hvis en app lytter ved målporten, sendes pakken til applikationslaget. Hvis lytteappen er den eksterne DNP3-proces, sendes Læseanmodningen.
det bevæger sig gennem sine tre lag for at kontrollere anmodningen og se, hvilke oplysninger der skal indsamles. Fjernresponsen følger derefter den samme sti i omvendt retning for at nå masteren.
en DNP3-meddelelse passerer gennem protokollagene hos både manager og agent. Hvert lag adresserer en bestemt kommunikationsopgave.
hjælp til fejlfinding
at kende denne lagdelte model af DNP3 gør det lettere at finde og løse netværksproblemer. Når der er et problem, kan du blot spore det ned, ud i den ene ende, ind i og op i den anden. LAN / vil link og status lys giver vise dig til netværket Interface lag. ICMP echo-anmodninger og-svar (Pings) giver nogle oplysninger om, at IP-laget fungerer korrekt.
DNP3-behandlingsindikatorer kan bruges til at verificere passagen af DNP3-pakken gennem TCP/UDP-laget og Applikationslagets funktion.
hvert trin kan verificeres uafhængigt, indtil alle trin fungerer korrekt til end-to-end kommunikation.
fordele ved DNP3
DNP3 giver multipleksering, Datafragmentering og meget mere.
DNP3 er en Layer 2 protokol. Det betyder, at det giver:
- multipleksering.
- datafragmentering.
- fejlkontrol.
- link kontrol.
- prioriteret sortering.
det giver også lag 2 adressering tjenester til brugerdata.
DNP3 giver de forskellige enheder i procesautomatiseringssystemer mulighed for at tale. DNP3-protokollen bruges i vid udstrækning til el -, gas-og vandtelemetri af forsyningsselskaber. Det er også muligt for DNP3 at blive brugt på andre områder, selvom det ikke er så almindeligt.
SCADA Communications bruger DNP3-protokollen.
SCADA-systemer bruger DNP3-protokollen til brug mellem systemkomponenter. DNP3-protokollen giver mulighed for kommunikation mellem SCADA system master, RTU ‘er og intelligente elektroniske enheder (IED’ er).
DNP3 blev udviklet for at imødekomme behovet for en standardprotokol, der gjorde det muligt for SCADA-systemkomponenter udviklet af forskellige leverandører at tale. Ved hjælp af IEC 60870-5 som base blev DNP3 oprettet som en åben protokol til brug i disse tilfælde.
denne protokol var tilgængelig til hurtig brug inden for SCADA-netværk og taget højde for de specifikationer, der blev fastlagt af nordamerikanske organisationer.
DNP3 giver kommunikation pålidelighed for forsyningsselskaber.
DNP3 sikrer pålideligheden af kommunikation inden for de barske miljøer af forsyningsselskaber. Protokollen er i stand til at undgå at blive forvrænget af EMI, legacysystemkomponenter og dårlig transmission på grund af DNP3S kommunikationsformat.
selvom protokollen har fejlkontrol, er DNP3 ikke sikret. Dette er en vigtig overvejelse under SCADA-planlægningen.
Hvorfor er det så populært ?
der er et par grunde til, at DNP3 er så kraftig og almindeligt anvendt i telemetrisystemer:-
- det er standard og åbent. Dette betyder, at “sproget” er let tilgængeligt, og at alle DNP3-enheder kommunikerer ved hjælp af det samme sprog. Tidlige RTU ‘ er kommunikeret ved hjælp af proprietære protokoller, hvilket betød, at det sprog, de kommunikerede på, kun var kendt for andre produkter produceret af den samme leverandør. I dag er mange enheder flersprogede, idet de vil kommunikere ved hjælp af deres proprietære protokol, men også tillade kommunikation ved hjælp af DNP3-protokollen, dette er blevet gjort af mange leverandører for at muliggøre en gradvis opgradering af deres netværk til DNP3 over tid.
- det er en routingprotokol. Dette er en særlig vigtig og nøglefunktion i DNP3-protokollen, idet den kan kommunikere via forskellige kommunikationsnetværk for at nå meddelelsens destination. For eksempel kan SCADA-maskinen være tilsluttet en Ethernet-forbindelse, men RTU kan være på en radioforbindelse, DNP3 kan føres igennem fra Ethernet-forbindelsen til radioforbindelsen via en mellemliggende RTU. Dette lyder komplekst, men i enkle vendinger ville det være som om du taler på tværs af en telefonforbindelse til din ven, og dem videresende beskeden til en person på en nærliggende talkie. Kraften ved DNP3 er, at dette kan gøres meget let i de fleste moderne RTU ‘ er uden behov for kompleks i/o-kortlægning.
- det gør god brug af kommunikationskanalen. DNP3 er designet til at kunne fungere på både højhastigheds Ethernet-netværk og langsomt radionetværk og er meget god til “kun at kommunikere, når det er nødvendigt”. For eksempel, når en pumpe tænder eller slukker, sender DNP3 en besked ved at underrette SCADA om den ene ændring. Faste afstemningsprotokoller, som MODBUS, er ikke i stand til at opnå dette, da de konstant skal opdatere alle data ved afstemning. Tilbage til vores menneskelige analogi, dette ville være som om du konstant beder din ven om at fortælle dig, hvad trafiklyset viser, i et pollingprotokoleksempel ville venen konstant sige grøn, grøn, grøn, grøn derefter rød, rød, Rød hvert sekund eller deromkring. Med DNP3 vil venen kun fortælle dig, når lyset skifter derfor ved at bruge meget mindre båndbredde.
- mange venner på en gang. Hvad dette punkt nummer 3 ovenfor betyder er, at du kunne holde samtaler med mange venner på en gang, og dette er faktisk kraften i DNP3, så mange pumpestationer, understationer eller gasbrønde kan kommunikere på det samme netværk.