El uso de comunicaciones Estándar Abiertas para el Control de Supervisión y la Adquisición de Datos (SCADA) está bien establecido en un número cada vez mayor de sectores industriales y de servicios públicos en todo el mundo. Esto ha proporcionado beneficios significativos en la implementación y operación del sistema.
DNP3 es uno de los estándares abiertos SCADA más exitosos adoptados en todo el mundo. En particular, el Sector del agua ha adoptado el DNP3 para las comunicaciones SCADA a gran escala. El uso de DNP3 en los sectores del gas y el petróleo también ha ido ganando terreno.
El concepto de DNP3
DNP3 es un término comúnmente mal entendido que puede haber escuchado al hablar de SCADA y sistemas de telemetría.
Hemos incluido información para tratar de desmitificar DNP3 para aquellos que no son tan expertos técnicamente con los sistemas de telemetría. DNP significa Protocolo de Red Distribuida.
En primer lugar, vamos a usar la analogía de dos humanos que se comunican para ayudar a comprender dónde encaja DNP3.
Cuando nos comunicamos entre nosotros, podemos usar una gran variedad de medios de comunicación diferentes, como un walkie talkie o una radio de 2 vías, una línea telefónica fija, una línea telefónica móvil o tal vez a través de Internet usando skype o similar. Si bien el medio que utilizamos puede cambiar, será necesario que nos comuniquemos utilizando el mismo idioma, es decir, el inglés.
Cuando hablamos de comunicación en torno a nuestros sistemas SCADA y telemetría, también podemos usar diferentes métodos de comunicación, como cable Ethernet, radio y sistemas de teléfono público, al igual que cuando dos seres humanos se comunican.
En este caso, aunque también debemos usar el mismo idioma y el idioma que usamos comúnmente es DNP3.
Por lo tanto, cuando alguien se refiere a DNP3, se refiere a los dispositivos de lenguaje y las máquinas SCADA, y no al medio de comunicación que usan, como la radio.
Este es un error común para las personas que no están técnicamente claras en DNP3 y, por lo tanto, espero que esa analogía aclare las cosas.
DNP3
DNP3 (Distributed Network Protocol) es un grupo de protocolos. Desempeña un papel importante en los sistemas SCADA, donde se utiliza entre los componentes del sistema. El protocolo fue desarrollado específicamente para que las RTU pudieran comunicarse entre sí
DNP3 se basa en un modelo de objetos que reduce en gran medida la asignación de bits de datos que tradicionalmente requieren otros protocolos menos orientados a objetos. También reduce la gran disparidad de paradigmas de monitoreo y control de estado que generalmente se encuentran en protocolos que prácticamente no proporcionan objetos predefinidos.
Los puristas de estos protocolos alternativos insistirían en que cualquier objeto requerido puede ser ‘construido’ a partir de objetos existentes.
Tener algunos objetos predefinidos, sin embargo, hace que DNP3 sea un marco de diseño e implementación algo más cómodo para los ingenieros y técnicos de SCADA.
DNP3 (Protocolo de red distribuida) es un conjunto de protocolos de comunicación utilizados entre componentes en sistemas de automatización de procesos. Su uso principal es en servicios públicos como compañías de electricidad y agua. El uso en otras industrias no es común.
Fue desarrollado para comunicaciones entre diversos tipos de equipos de adquisición y control de datos. Juega un papel crucial en los Sistemas SCADAsystems, donde es utilizado por Estaciones Maestras SCADA (también conocidas como Centros de Control), Unidades Terminales Remotas (RTU) y Dispositivos Electrónicos Inteligentes (IED). Se utiliza principalmente para las comunicaciones entre una estación maestra y RTU o IED.
ICCP, el Protocolo de Comunicaciones entre Centros de Control (una parte de IEC 60870-6), se utiliza para comunicaciones entre estaciones maestras.
¿Qué es DNP3?
DNP3 es un protocolo de comunicaciones utilizado en sistemas SCADA / «monitoreo remoto». Se ha vuelto muy popular porque es «abierto». Cualquier fabricante puede desarrollar equipos DNP3 que sean compatibles con otros equipos DNP3.
DNP3 utiliza un Modelo Maestro / Remoto.
DNP3 se usa típicamente entre maestros centrales y notas que se extienden ampliamente. El maestro (piense en el «Centro de Operaciones») vincula al humano (usted) y al sistema de monitoreo. El mando a distancia(piense en la «subestación») proporciona la interfaz entre el maestro y los dispositivos reales que se supervisan o controlan.
El maestro y el remoto usan una biblioteca de objetos comunes para intercambiar datos. El protocolo DNP3 se puede utilizar de forma fiable sobre soportes que pueden estar sujetos a interferencias ruidosas.
DNP3 es un protocolo SCADA moderno abierto, inteligente, robusto y eficiente. Puede
- solicitar y responder con múltiples tipos de datos en mensajes individuales,
- segmentar mensajes en múltiples fotogramas para garantizar una excelente detección y recuperación de errores,
- incluir solo datos modificados en mensajes de respuesta,
- asignar prioridades a elementos de datos y solicitar elementos de datos periódicamente en función de su prioridad,
- responder sin 4867>
- admite sincronización de tiempo y un formato de hora estándar,
- permite múltiples operaciones maestras y de igual a igual,
- y permite objetos definibles por el usuario, incluido el archivo transferencia.
¿Cómo se comunican los elementos DNP3?
DNP3 utiliza 27 códigos de función básicos para intercambiar datos entre Maestros (piense en «Centro de control») y Mandos a distancia (piense en «patio de bombas»). Algunos de esos códigos de función permiten a un Maestro solicitar y recibir información de estado desde un control remoto. Otros códigos de función permiten a un Maestro cambiar la configuración de un control remoto.
Se definen otros códigos de función para que un Maestro DNP3 controle el mando a distancia o el engranaje junto al Mando a distancia. Se proporciona un código de función para permitir que el Control remoto responda con un Mensaje no solicitado a eventos particulares que ocurren en su área.
Como puede ver, la mayoría de los mensajes son emitidos por el administrador DNP3. Debido a que el Mensaje no solicitado puede ser iniciado por un control remoto, generalmente se usa para informar alarmas.
Esto notifica al Maestro DNP3 tan pronto como se produce una condición de alarma, en lugar de esperar a la siguiente solicitud.
Comprensión de la Biblioteca de objetos DNP3.
El framework DNP3 incluye una biblioteca de objetos que se utilizan en muchos sistemas SCADA. Esta biblioteca es gratuita para los miembros del Grupo de Usuarios de DNP. Visita www.dnp.org por más. Estos objetos estándar incluyen entradas binarias. Estos reportarán cosas que tienen dos estados; la energía está encendida o apagada, un panel de acceso está abierto o cerrado.
Otro objeto común es una entrada analógica que se usa para informar cosas que tienen un rango de valores. La velocidad del ventilador de escape puede ser de 40 a 400 RPM. La alimentación principal puede variar de 110 a 128 VCA.
Esta biblioteca facilita al fabricante el diseño del respondedor remoto DNP3 para que use estos objetos comunes para informar a los Maestros ascendentes. También hace que sea más fácil para los Maestros integrar los datos recopilados de los controles remotos y presentarlos por usted.
Sin este marco de objetos comunes, los fabricantes deben desarrollar su propio modelo para informar sobre el estado y proporcionar capacidad de control. Estos modelos, a menudo muy diferentes, deben ser ‘compilados’ en los Maestros y convertidos en algún tipo de objetos comunes para una gestión eficiente.
Otra herramienta que se encuentra a menudo en estos marcos más «abiertos» es una interfaz patentada o un módulo de traducción para acceder y controlar el control remoto.
Los objetos de la biblioteca DNP3 se dividen en Grupos y variaciones. Por ejemplo, el grupo de entrada analógica tiene seis variaciones para proporcionar valores enteros o de coma flotante de 16 o 32 bits con o sin mapa de bits de estado.
El grupo de eventos analógicos tiene ocho variaciones para proporcionar valores enteros o de coma flotante de 16 o 32 bits con un mapa de bits de estado y con o sin marca de tiempo.
Tenga en cuenta que el grupo de eventos analógicos no incluye variaciones sin mapa de bits de estado.
Comprender la comunicación en capas DNP3
DNP3 utiliza el modelo de comunicación en capas:
- La capa de aplicación combina varias partes. Hay una unidad de datos de servicio de aplicaciones (ASDU). Luego está el objeto empaquetado. Se agrega un bloque de información de control de protocolo de aplicación (APCI) para crear una unidad de datos de protocolo de aplicación (APDU).
- La capa de transporte divide el APDU en segmentos con un tamaño máximo de 16 bytes y los combina con un cabezal de control de transporte de 8 bits y separadores CRC de segmento de 16 bits en un bastidor de transporte.
- La capa de enlaces agrega un encabezado a la información de control y dirección. El paquete ya está listo para la entrega.
Estas capas se pueden asignar al modelo de cuatro capas desarrollado por el Departamento de Defensa (puede recordar los orígenes de Internet del Departamento de Defensa) con la Capa de Internet del Departamento de Defensa omitida.
Si el paquete se envía a través de una LAN / WAN, las tres capas DNP3 se enrollan en la capa de aplicación.
El paquete ensamblado está envuelto en el Protocolo de Control de Transporte (TCP) por la capa de transporte, que a su vez está envuelto en el Protocolo de Internet (IP) por la capa de Internet (algo obvia).
El Protocolo de Datagramas de usuario (UDP) también se puede usar, pero presenta algunos problemas adicionales relacionados con la entrega confiable en redes congestionadas.
La cuarta capa es la capa de interfaz de red donde el paquete ensamblado está realmente interconectado a algún tipo de medio de transporte (por ejemplo, cobre de par trenzado, RG58 coaxial o fibra).
Si bien este modelo multicapa puede parecer un poco confuso, aísla efectivamente las tareas de comunicación y, en última instancia, ayuda a diseñar e implementar una red.
Atravesando las capas
Para mostrar este modelo en capas, veamos una sola solicitud de lectura DNP3 a través de una LAN. El Maestro DNP3 quiere saber el estado de la alimentación del control remoto y prepara un mensaje de solicitud de lectura para ese objeto.
Después de pasar a través de las tres capas DNP3, el mensaje se pasa a la capa de transporte TCP/UDP. La capa de transporte agrega un bloque de datos que identifica el puerto Maestro y el puerto donde espera que el proceso DNP3 remoto esté escuchando mensajes. El paquete se pasa a la capa IP.
Aquí, se agrega un bloque de datos que contiene las direcciones IP y de Acceso a medios del Maestro y el Remoto. Luego, el paquete completo se pasa a la capa de interfaz de red.
La capa de interfaz de red comprueba el acceso y la disponibilidad de los medios. Luego coloca el paquete en el medio para su transmisión.
Después de abrirse camino a través de puentes y enrutadores (algo así como «sobre el río y a través del bosque») basado en la información IP, el paquete llega al control remoto.
Aquí, pasa a través de las mismas cuatro capas en el orden opuesto como lo hizo en el Maestro. En primer lugar, se extrae del medio mediante la capa de interfaz de red. Después de comprobar que el paquete está intacto y es válido, la capa de interfaz de red lo pasa a la capa IP.
La capa IP comprueba el Acceso a los medios y la dirección IP y los pasa a la capa TCP/UDP donde se comprueba el puerto de destino para las aplicaciones conectadas. Si una aplicación está escuchando en el puerto de destino, el paquete se pasa a la capa de aplicación. Si la aplicación de escucha es el proceso DNP3 remoto, se pasa la solicitud de lectura.
Se mueve a través de sus tres capas para verificar la solicitud y ver qué información debe recopilarse. La respuesta remota sigue la misma ruta en sentido inverso para llegar al Maestro.
Un mensaje DNP3 pasa a través de las capas de protocolo tanto en el administrador como en el agente. Cada capa aborda una tarea de comunicación específica.
Una Ayuda para solucionar problemas
Conocer este modelo en capas de DNP3 hace que sea más fácil encontrar y solucionar problemas de red. Cuando hay un problema, simplemente puede rastrearlo hacia abajo, hacia un extremo, hacia adentro y hacia arriba por el otro. Las luces de enlace LAN/WAN y de estado le muestran la capa de interfaz de red. Las solicitudes y respuestas de eco ICMP (Pings) proporcionan información sobre el correcto funcionamiento de la capa IP.
Los indicadores de procesamiento DNP3 se pueden utilizar para verificar el paso del paquete DNP3 a través de la capa TCP/UDP y el funcionamiento de la capa de aplicación.
Cada paso se puede verificar de forma independiente hasta que todos los pasos funcionen correctamente para la comunicación de extremo a extremo.
Beneficios de DNP3
DNP3 Proporciona Multiplexación, Fragmentación de datos y Más.
DNP3 es un protocolo de capa 2. Esto significa que prevé::
- Multiplexación.
- Fragmentación de datos.
- Comprobación de errores.control de enlace
- .
- Orden de prioridad.
También proporciona servicios de direccionamiento de capa 2 para datos de usuario.
DNP3 permite que los diversos dispositivos de los sistemas de automatización de procesos hablen. El protocolo DNP3 es ampliamente utilizado para telemetría eléctrica, de gas y agua por las empresas de servicios públicos. También es posible que el DNP3 se utilice en otras áreas, aunque no es tan común.
Las Comunicaciones SCADA Utilizan El Protocolo DNP3.
Los sistemas SCADA utilizan el protocolo DNP3 para su uso entre componentes del sistema. El protocolo DNP3 permite la comunicación entre el maestro del sistema SCADA, las RTU y los Dispositivos Electrónicos Inteligentes (IED).
DNP3 fue desarrollado para satisfacer la necesidad de un protocolo estándar que permitiera hablar a los componentes del sistema SCADA desarrollados por diferentes proveedores. Usando IEC 60870-5 como base, DNP3 se creó como un protocolo abierto para su uso en estos casos.
Este protocolo estaba disponible para su uso inmediato dentro de las redes SCADA, y se ajustaba a las especificaciones establecidas por organizaciones norteamericanas.
DNP3 Proporciona Fiabilidad de Comunicaciones para Servicios públicos.
DNP3 garantiza la fiabilidad de las comunicaciones en los entornos hostiles de las empresas de servicios públicos. El protocolo es capaz de evitar ser distorsionado por EMI, componentes legacysystem y transmisión deficiente debido al formato de comunicaciones DNP3.
Aunque el protocolo tiene comprobación de errores, DNP3 no está protegido. Esta es una consideración importante durante la planificación del SCADA.
¿Por qué es tan popular ?
Hay algunas razones por las que DNP3 es tan potente y se usa comúnmente en sistemas de telemetría:-
- Es un estándar y abierto. Esto significa que el» idioma » está disponible y todos los dispositivos DNP3 se comunican utilizando el mismo idioma. Los primeros RTU se comunicaban utilizando protocolos propietarios, lo que significaba que el lenguaje en el que se comunicaban era conocido solo por otros productos producidos por el mismo proveedor. Hoy en día, muchos dispositivos son multilingües, ya que se comunican utilizando su protocolo propietario, pero también permiten las comunicaciones utilizando el protocolo DNP3, esto ha sido hecho por muchos proveedores para permitir una actualización gradual de su red a DNP3 con el tiempo.
- es un protocolo de enrutamiento. Esta es una característica particularmente importante y clave del protocolo DNP3, ya que puede comunicarse a través de diferentes redes de comunicación para llegar al destino del mensaje. Por ejemplo, la máquina SCADA puede estar conectada a una conexión Ethernet, pero la RTU puede estar en una conexión de radio, DNP3 puede enrutarse desde la conexión Ethernet a la conexión de radio a través de una RTU intermedia. Esto suena complejo, pero en términos simples sería como si hablaras a través de una conexión telefónica con tu amigo, y ellos transmitieran el mensaje a alguien en un walkie talkie cercano. La potencia de DNP3 es que esto se puede hacer muy fácilmente en la mayoría de las RTU modernas sin la necesidad de un complejo mapeo de E / S.
- Hace un buen uso del canal de comunicaciones. DNP3 ha sido diseñado para ser capaz de operar tanto en redes Ethernet de alta velocidad como en redes de radio de baja velocidad y es muy bueno para «comunicarse solo cuando sea necesario». Por ejemplo, cuando una bomba se enciende o apaga, DNP3 enviará un mensaje notificando al SCADA de ese cambio. Los protocolos de sondeo fijos, como MODBUS, no pueden lograr esto, ya que tienen que actualizar constantemente todos los datos mediante sondeo. Volviendo a nuestra analogía humana, esto sería como pedirle continuamente a su amigo que le diga lo que muestra el semáforo, en un ejemplo de protocolo de votación, el amigo estaría constantemente diciendo verde, verde, verde, verde luego rojo, rojo, rojo cada segundo más o menos. Con DNP3, el amigo solo le diría cuando la luz cambia para usar mucho menos ancho de banda.
- Muchos amigos a la vez. Lo que significa este punto número 3 anterior es que puede mantener conversaciones con muchos amigos a la vez y esta es la potencia de DNP3, lo que permite que muchas estaciones de bombeo, subestaciones o pozos de gas se comuniquen en la misma red.