visão geral do protocolo de comunicação DNP3

o uso de comunicações padrão abertas para controle de Supervisão e aquisição de dados (SCADA) está bem estabelecido em um número crescente de setores de serviços públicos e industriais em todo o mundo. Isso proporcionou benefícios significativos na implantação e operação do sistema.

DNP3 é um dos padrões abertos SCADA mais bem sucedidos adotados em todo o mundo. Em particular, o setor de água adotou DNP3 para comunicações SCADA em larga escala. O uso do DNP3 nos setores de gás e petróleo também vem ganhando terreno.

conceito de DNP3

DNP3 (Distributed Network Protocol) é um grupo de protocolos. Ele desempenha um papel importante nos sistemas SCADA, onde é usado entre os componentes do sistema. O protocolo foi desenvolvido especificamente para que as RTUs pudessem falar umas com as outras

DNP3 é baseado em um modelo de objeto que reduz muito o mapeamento de bits de dados que é tradicionalmente exigido por outros protocolos menos orientados a objetos. Também reduz a grande disparidade de paradigmas de monitoramento e controle de status geralmente encontrados em protocolos que praticamente não fornecem objetos pré-definidos.Puristas desses protocolos alternativos insistiriam que qualquer objeto necessário pode ser’ construído ‘ a partir de objetos existentes.

tendo alguns objetos pré-definidos embora, faz DNP3 um design um pouco mais confortável e estrutura de implantação para engenheiros e técnicos SCADA.DNP3 (Distributed Network Protocol) é um conjunto de protocolos de comunicação usados entre componentes em sistemas de automação de processos. Seu principal uso é em concessionárias como empresas de energia elétrica e água. O uso em outras indústrias não é comum.

foi desenvolvido para comunicações entre vários tipos de aquisição de dados e equipamentos de controle. Ele desempenha um papel crucial na SCADAsystems, onde é usado por estações Mestras SCADA (também conhecidas como Centros de Controle), unidades de Terminal remoto (RTUs) e dispositivos eletrônicos inteligentes (IEDs). É usado principalmente para comunicações entre uma estação mestre e RTUs ou IEDs.

ICCP, o protocolo de Comunicações do centro do Inter-controle (uma parte de IEC 60870-6), é usado para comunicações inter-mestre da estação.

o que é DNP3?

DNP3 é um protocolo de comunicação usado em sistemas SCADA / “monitoramento remoto”. Tornou-se muito popular porque é “aberto”. Qualquer fabricante pode desenvolver equipamentos DNP3 compatíveis com outros equipamentos DNP3.

DNP3 usa um modelo mestre / remoto.

DNP3 é normalmente usado entre mestres centrais eremotes que são amplamente difundidos. O mestre (pense em “Centro Operacional”) liga o humano (você) e o sistema de monitoramento. O controle remoto(pense em “subestação”) fornece a interface entre o mestre e o (S) dispositivo (s) real (S) sendo monitorado (s) ou controlado (s).

o mestre e o controle remoto usam uma biblioteca de objetos comuns para trocar dados. O protocolo DNP3 pode ser usado de forma confiável em mídias que podem estar sujeitas a interferências ruidosas.

DNP3 é um protocolo SCADA moderno aberto, inteligente, robusto e eficiente. Ele pode

• pedido e responder com vários tipos de dados em mensagens individuais,
• segmento de mensagens em vários quadros para garantir uma excelente detecção e recuperação de erros,
• incluir somente os dados alterados em mensagens de resposta,
• atribuir prioridades aos itens de dados e o pedido de itens de dados periodicamente, baseadas na sua prioridade,
• responder sem solicitação (não solicitadas),
• suporte à sincronização de tempo e um formato de hora padrão,
• permitir que vários mestres e peer-to-peer operações,
• e permitir que o usuário definível objetos, incluindo arquivo transferência.

como os elementos DNP3 se comunicam?

DNP3 usa 27 códigos de função básicos para trocar dados entre mestres (pense em “Centro de controle”) e controles remotos (pense em “quintal da bomba”). Alguns desses códigos de função permitem que um mestre solicite e receba informações de status de um controle remoto. Outros códigos de função permitem que um mestre altere as configurações de um controle remoto.

outros códigos de função são definidos para um mestre DNP3 para controlar o Controle Remoto – ou engrenagem ao lado do controle remoto. Um código de função é fornecido para permitir que o Controle Remoto responda com uma mensagem não solicitada a eventos específicos que ocorrem em sua área.

como você pode ver, a maioria das mensagens é emitida pelo Gerente DNP3. Como a mensagem não solicitada é capaz de ser iniciada por um controle remoto, ela é normalmente usada para relatar alarmes.

isso notifica o mestre DNP3 assim que ocorre uma condição de alarme, em vez de aguardar a próxima solicitação.

entendendo a biblioteca de objetos DNP3.

a estrutura DNP3 inclui uma biblioteca de objetos que são usados em muitos sistemas SCADA. Esta Biblioteca é gratuita para membros do grupo de usuários DNP. Visita www.dnp.org para mais. Esses objetos padrão incluem entradas binárias. Eles relatarão coisas que têm dois estados; a energia está ligada ou desligada, um painel de acesso está aberto ou fechado.

outro objeto comum é uma entrada analógica que é usada para relatar coisas que têm um intervalo de valores. A velocidade do exaustor pode ser de 40 a 400 RPM. A potência principal pode variar de 110 a 128 VAC.

esta biblioteca torna mais fácil para o fabricante projetar o respondedor remoto DNP3 para usar esses objetos comuns para relatar aos mestres upstream. Também torna mais fácil para os mestres integrar os dados coletados dos controles remotos e apresentá-los para você.Sem essa estrutura de objetos comuns, os fabricantes devem desenvolver seu próprio modelo para relatar o status e fornecer capacidade de controle. Esses modelos, muitas vezes muito diferentes, devem então ser “compilados” nos mestres e convertidos em algum tipo de objeto comum para um gerenciamento eficiente.

outra ferramenta frequentemente encontrada nesses frameworks mais ‘abertos’ é uma interface proprietária ou módulo de tradução para acessar e controlar o Controle Remoto.Os objetos na biblioteca DNP3 são divididos em grupos e variações. Por exemplo, o grupo de entrada analógica tem seis variações para fornecer valores inteiros de 16 ou 32 bits ou de ponto flutuante com ou sem um bitmap de status.

o grupo de eventos analógicos tem oito variações para fornecer valores inteiros de 16 ou 32 bits ou de ponto flutuante com um bitmap de status e com ou sem um carimbo de data / hora.

observe que o grupo de eventos analógicos não inclui variações sem um bitmap de status.

entendendo a comunicação em camadas DNP3

DNP3 usa o modelo de comunicação em camadas:

• a camada de aplicação combina várias partes. Ther é uma unidade de dados de serviço de aplicativo (ASDU). Depois, há o objeto empacotado. Um bloco de informações de controle de Protocolo de aplicativo (APCI) é adicionado para criar uma unidade de dados de Protocolo de aplicativo (APDU).
• a camada de transporte divide o APDU em segmentos com um tamanho máximo de 16 bytes e os combina com um cabeçalho de controle de transporte de 8 bits e separadores CRC de segmento de 16 bits em um transportFrame.
• a camada de link adiciona um cabeçalho às informações de controle e endereço. O pacote agora está pronto para entrega.

essas camadas podem ser mapeadas para o modelo de quatro camadas desenvolvido pelo Departamento de defesa (você pode se lembrar das origens do DoD da Internet) com a camada de Internet do DoD omitida.

se o pacote for enviado por uma LAN / WAN, as três camadas DNP3 serão enroladas na camada de Aplicação.

o pacote montado é envolto no Protocolo de controle de transporte (TCP) pela camada de transporte, que por sua vez é envolto no Protocolo da Internet (IP) pela camada de internet (um tanto óbvia).

o User Datagram Protocol (UDP) também pode ser usado, mas apresenta alguns problemas adicionais relacionados à entrega confiável em redes congestionadas.

a quarta camada é a camada de Interface de rede onde o pacote montado está realmente conectado a algum tipo de meio de transporte (por exemplo, cobre de par trançado, RG58 Co-axial ou fibra).

embora este modelo Multicamadas possa parecer um pouco confuso, ele efetivamente isola as tarefas de comunicação e, finalmente, auxilia na concepção e implementação de uma rede.

atravessando as camadas

para mostrar este modelo em camadas, vamos dar uma olhada em uma única solicitação de leitura DNP3 em uma LAN. O mestre DNP3 quer saber o status do Poder do controle remoto e prepara uma mensagem de solicitação de leitura para esse objeto.

depois de passar por todas as três camadas DNP3, a mensagem é passada para a camada de transporte TCP/UDP. A camada de transporte adiciona um bloco de dados que identifica a porta Mestre e a porta onde espera que o processo DNP3 remoto esteja ouvindo mensagens. O pacote é então passado para a camada IP.

aqui, um bloco de dados segurando os endereços IP e de acesso de mídia do Mestre e do controle remoto é adicionado. Em seguida, o pacote completo é passado para a camada de Interface de rede.

a camada de interface de rede verifica o acesso e a disponibilidade da mídia. Em seguida, coloca o pacote na mídia para transmissão.

depois de trabalhar através de pontes e através de roteadores (algo como “sobre o rio e através da floresta”) com base nas informações IP, o pacote chega ao controle remoto.

aqui, ele passa pelas mesmas quatro camadas na ordem oposta à do Mestre. Primeiro, ele é retirado da mídia pela camada de Interface de rede. Depois de verificar se o pacote está intacto e válido, a camada de Interface de rede passa para a camada IP.

a camada IP verifica o acesso à mídia e o endereço IP e passa para a camada TCP/UDP onde a porta de destino é verificada para aplicativos conectados. Se um aplicativo estiver ouvindo na porta de destino, o pacote será passado para a camada do aplicativo. Se o aplicativo de escuta for o processo DNP3 remoto, a solicitação de leitura será passada.

ele se move através de suas três camadas para verificar a solicitação e ver quais informações precisam ser coletadas. A resposta Remota segue o mesmo caminho ao contrário para alcançar o mestre.

uma mensagem DNP3 passa pelas camadas de protocolo no gerente e no agente. Cada camada aborda uma tarefa de comunicação específica.

uma Ajuda para solução de problemas

conhecer este modelo em camadas de DNP3 torna mais fácil encontrar e corrigir problemas de rede. Quando há um problema, você pode simplesmente rastreá-lo para baixo, para fora de uma extremidade, para dentro e para cima do outro. O link LAN / WAN e as luzes de status fornecem mostrá-lo à camada de Interface de rede. As solicitações e respostas de eco ICMP (Pings) fornecem algumas informações sobre o bom funcionamento da camada IP.

os indicadores de processamento DNP3 podem ser usados para verificar a passagem do pacote DNP3 através da camada TCP/UDP e o funcionamento da camada de Aplicação.

cada etapa pode ser verificada independentemente até que todas as etapas estejam funcionando corretamente para comunicação de ponta a ponta.

benefícios do DNP3

DNP3 fornece multiplexação, fragmentação de dados e muito mais.

DNP3 é um protocolo de camada 2. Isso significa que ele fornece:

• multiplexação.
• fragmentação de dados.
• verificação de erros.
• controle de link.
• classificação prioritária.

ele também fornece serviços de endereçamento de camada 2 para dados do Usuário.

DNP3 permite que os vários dispositivos em sistemas de automação de processos para falar. O protocolo DNP3 é amplamente utilizado para telemetria elétrica, de gás e água por empresas de serviços públicos. Também é possível que o DNP3 seja utilizado em outras áreas, embora não seja tão comum.

SCADA Communications usa o protocolo DNP3.Os sistemas SCADA usam o protocolo DNP3 para uso entre os componentes do sistema. O protocolo DNP3 fornece comunicação entre o SCADA system master, RTUs e dispositivos eletrônicos inteligentes (IEDs).

o DNP3 foi desenvolvido para atender à necessidade de um protocolo padrão que permitisse que os componentes do sistema SCADA desenvolvidos por diferentes fornecedores falassem. Usando IEC 60870-5 como base, DNP3 foi criado como um protocolo aberto para uso nesses casos.

este protocolo estava disponível para uso imediato dentro das redes SCADA e atendia às especificações estabelecidas por organizações norte-americanas.

DNP3 fornece confiabilidade de comunicações para utilitários.

DNP3 assegura a confiança das comunicações dentro dos ambientes ásperos das utilidades. O protocolo é capaz de evitar ser distorcido por Emi, componentes legacysystem e má transmissão devido ao formato de comunicação do DNP3.

embora o protocolo tenha verificação de erros, o DNP3 não é protegido. Esta é uma consideração importante durante o planejamento do SCADA.

por que é tão popular ?

existem algumas razões pelas quais o DNP3 é tão poderoso e comumente usado em sistemas de telemetria:-

1. é um padrão e aberto. Isso significa que o” idioma ” está prontamente disponível e todos os dispositivos DNP3 se comunicam usando o mesmo idioma. Os primeiros RTU’s comunicados usando protocolos proprietários, o que significava que a linguagem em que se comunicavam era conhecida apenas por outros produtos produzidos pelo mesmo fornecedor. Hoje, muitos dispositivos são multilíngues, pois se comunicam usando seu protocolo proprietário, mas também permitem comunicações usando o protocolo DNP3, isso foi feito por muitos fornecedores para permitir uma atualização gradual de sua rede para DNP3 ao longo do tempo.
2. é um protocolo de roteamento. Esta é uma característica particularmente importante e chave do protocolo DNP3, pois pode se comunicar por meio de diferentes redes de comunicação para chegar ao destino da mensagem. Por exemplo, a máquina SCADA pode ser conectada a uma conexão Ethernet, mas a RTU pode estar em uma conexão de rádio, DNP3 pode ser roteada através da conexão Ethernet para a conexão de rádio através de uma RTU intermediária. Isso parece complexo, mas em termos simples seria como você falando através de uma conexão de telefone com seu amigo, e eles transmitindo a mensagem para alguém em um walkie talkie próximo. O poder do DNP3 é que isso pode ser feito com muita facilidade na maioria dos RTU’s modernos sem a necessidade de mapeamento de E/S complexo.
3. faz bom uso do canal de comunicação. DNP3 foi projetado para ser capaz de operar em redes Ethernet de alta velocidade e redes de rádio de velocidade lenta e é muito bom em “apenas comunicar quando necessário”. Por exemplo, quando uma bomba liga ou desliga o DNP3 enviará uma mensagem notificando o SCADA dessa alteração. Protocolos de pesquisa fixos, como o MODBUS, não conseguem fazer isso, pois precisam atualizar constantemente todos os dados por meio de pesquisas. De volta à nossa analogia humana, isso seria como você continuamente pedindo ao seu amigo para lhe dizer o que o semáforo está mostrando, em um exemplo de Protocolo de votação, o amigo estaria constantemente dizendo Verde, Verde, Verde, Verde e Vermelho, Vermelho, Vermelho a cada segundo ou mais. Com DNP3, o amigo só diria quando a luz muda para isso usando muito menos largura de banda.
4. muitos amigos ao mesmo tempo. O que este ponto número 3 acima significa é que você pode manter conversas com muitos amigos ao mesmo tempo e este é realmente o poder do DNP3, permitindo que muitas estações de bombeamento, subestações ou poços de gás se comuniquem na mesma rede.