användningen av Open Standard communications for Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) är väl etablerad i ett ökande antal nytto-och industrisektorer över hela världen. Detta har gett betydande fördelar i systemdistribution och drift.
DNP3 är en av de mest framgångsrika SCADA-öppna standarderna som antagits över hela världen. I synnerhet har vattensektorn antagit DNP3 för SCADA-kommunikation i stor skala. Användningen av DNP3 inom Gas-och oljesektorn har också vunnit mark.
begreppet DNP3
DNP3 är en allmänt missförstådd term som du kanske har hört hänvisas till när man talar om SCADA och telemetrisystem.
vi har inkluderat lite information här för att försöka avmystifiera DNP3 för dem som inte är lika tekniskt kunniga med telemetrisystem. DNP står för Distributed Network Protocol.
för det första kommer vi att använda analogin av två människor som kommunicerar för att hjälpa till att förstå var DNP3 passar.
när vi kommunicerar mellan varandra kan vi använda en mängd olika kommunikationsmedier som en walkie talkie eller 2-vägs radio, en fast telefonlinje, en mobiltelefonlinje eller kanske via internet med skype eller liknande. Medan mediet vi använder kan förändras, kommer det att vara nödvändigt för oss att kommunicera med samma språk, dvs engelska.
när vi pratar om att kommunicera runt våra SCADA-och telemetrisystem kan vi också använda olika kommunikationsmetoder som Ethernet-kabel, radio och offentliga telefonsystem precis som när två människor kommunicerar.
i det här fallet måste vi också använda samma språk och det språk vi vanligtvis använder är DNP3.
så, när någon hänvisar till DNP3 de hänvisar till språk enheter och SCADA maskiner prata och inte kommunikationsmediet som de använder, som radio.
Detta är en vanlig missuppfattning för människor som inte är tekniskt tydliga på DNP3 och så förhoppningsvis rensar analogin upp saker.
DNP3
Dnp3 (Distributed Network Protocol) är en grupp av protokoll. Det spelar en viktig roll i SCADA-system, där det används mellan systemkomponenter. Protokollet utvecklades specifikt så att RTU: er kunde prata med varandra
DNP3 är baserat på en objektmodell som kraftigt minskar bitmappningen av data som traditionellt krävs av andra mindre objektorienterade protokoll. Det minskar också den stora skillnaden mellan statusövervakning och kontrollparadigmer som vanligtvis finns i protokoll som ger praktiskt taget inga fördefinierade objekt.
purister av dessa alternativa protokoll skulle insistera på att alla nödvändiga objekt kan ’byggas’ från befintliga objekt.
att ha några fördefinierade objekt gör dock DNP3 till en något bekvämare design-och distributionsram för SCADA-ingenjörer och tekniker.
Dnp3 (distribuerat nätverksprotokoll) är en uppsättning kommunikationsprotokoll som används mellan komponenter i processautomatiseringssystem. Dess huvudsakliga användning är i verktyg som El-och vattenföretag. Användning i andra branscher är inte vanligt.
den utvecklades för kommunikation mellan olika typer av datainsamling och styrutrustning. Det spelar en avgörande roll i SCADAsystems, där det används av SCADA Master Stations (aka Control Centers), Remote Terminal Units (RTU) och Intelligent Electronic Devices (IED). Den används främst för kommunikation mellan en huvudstation och RTU eller IED.
ICCP, Inter-Control Center Communications Protocol (en del av IEC 60870-6), används för kommunikation mellan masterstationer.
Vad är DNP3?
DNP3 är ett kommunikationsprotokoll som används i SCADA / ”remote monitoring” – system. Det har blivit mycket populärt eftersom det är ”öppet”. Alla tillverkare kan utveckla dnp3-utrustning som är kompatibel med annan dnp3-utrustning.
DNP3 använder en Master / Remote-Modell.
DNP3 används vanligtvis mellan centrala mästare ochmotes som sprids i stor utsträckning. Befälhavaren (tänk ”operationscenter”) länkar människan (du) och övervakningssystemet. Fjärrkontrollen(tänk ”sub station”) ger gränssnittet mellan mastern och den faktiska enheten (erna) som övervakas eller kontrolleras.
master och remote använder båda ett bibliotek med vanliga objekt för att utbyta data. Dnp3-protokollet kan användas på ett tillförlitligt sätt över media som kan utsättas för bullriga störningar.
DNP3 är ett öppet, intelligent, robust och effektivt modernt SCADA-protokoll. Det kan
- begär och svara med flera datatyper i enstaka meddelanden,
- segmentera meddelanden i flera ramar för att säkerställa utmärkt feldetektering och återställning,
- inkludera endast ändrade data i svarsmeddelanden,
- tilldela prioriteringar till dataobjekt och begära dataobjekt regelbundet baserat på deras prioritet,
- svara utan begäran (oönskad),
- stöd tidssynkronisering och ett standardtidsformat,
- Tillåt flera mästare och peer-to-peer-operationer,
- och tillåta användardefinierade objekt inklusive fil överföring.
Hur kommunicerar Dnp3-element?
DNP3 använder 27 grundläggande funktionskoder för att utbyta data mellan mästare (tänk ”Control Center”) och fjärrkontroller (tänk ”pump yard”). Några av dessa funktionskoder gör det möjligt för en mästare att begära och ta emot statusinformation från en fjärrkontroll. Andra funktionskoder gör det möjligt för en mästare att ändra fjärrkontrollens inställningar.
andra funktionskoder definieras för en Dnp3 Master för att styra fjärrkontrollen – eller växel bredvid fjärrkontrollen. En funktionskod tillhandahålls för att göra det möjligt för fjärrkontrollen att svara med ett oönskat meddelande till vissa händelser som inträffar i dess område.
som du kan se utfärdas de flesta meddelandena av dnp3-chefen. Eftersom det oönskade meddelandet kan initieras av en fjärrkontroll används det vanligtvis för att rapportera larm.
detta meddelar Dnp3 Master så snart ett larmtillstånd inträffar, istället för att vänta på nästa begäran.
förstå Dnp3-objektbiblioteket.
dnp3-ramverket innehåller ett bibliotek med objekt som används i många SCADA-system. Detta bibliotek är gratis för DNP användare gruppmedlemmar. Besök www.dnp.org för mer. Dessa standardobjekt inkluderar binära ingångar. Dessa kommer att rapportera saker som har två tillstånd; strömmen är på eller av, en åtkomstpanel är öppen eller stängd.
ett annat vanligt objekt är en Analog ingång som används för att rapportera saker som har ett värdeområde. Avgasfläkthastigheten kan vara var som helst från 40 till 400 RPM. Huvudströmmen kan variera från 110 till 128 VAC.
detta bibliotek gör det enkelt för tillverkaren att utforma Dnp3 Remote responder för att använda dessa vanliga objekt för att rapportera till uppströms mästare. Det gör det också lättare för Masters att integrera data som samlats in från fjärrkontroller och presentera det för dig.
utan denna ram av vanliga objekt måste tillverkare utveckla sin egen modell för rapporteringsstatus och tillhandahålla kontrollförmåga. Dessa modeller, ofta mycket olika, måste sedan ’sammanställas’ till mästarna och omvandlas till någon form av vanliga objekt för effektiv hantering.
ett annat verktyg som ofta finns i dessa mer öppna ramar är ett proprietärt gränssnitt eller översättningsmodul för att komma åt och styra fjärrkontrollen.
objekt i dnp3-biblioteket är indelade i grupper och variationer. Till exempel har den analoga ingångsgruppen sex variationer för att ge 16 eller 32 bitars heltal eller flyttalsvärden med eller utan statusbitmapp.
den analoga Händelsegruppen har åtta varianter för att ge 16 eller 32 bitars heltal eller flyttalsvärden med en statusbitmapp och med eller utan tidsstämpel.
Observera att den analoga Händelsegruppen inte innehåller variationer utan statusbitmapp.
förstå Dnp3 Layered Communication
DNP3 använder layered communication model:
- applikationsskiktet kombinerar flera delar. Det är en application service data unit (ASDU). Sedan finns det förpackade objektet. Ett APCI-block (application protocol control info) läggs till för att skapa en APDU (application protocol data unit).
- transportskiktet bryter APDU i segment med en maxstorlek på 16 byte och kombinerar dem med en 8-bitars transportkontrollhuvud och 16-bitars segment CRC-separatorer i en transportram.
- länklaget lägger till en rubrik i kontroll-och adressinformationen. Paketet är nu klart för leverans.
dessa lager kan mappas till fyrskiktsmodellen som utvecklats av försvarsdepartementet (du kanske kommer ihåg dod-ursprunget på Internet) med DoD-Internetlagret utelämnat.
om paketet skickas över ett LAN / WAN rullas de tre dnp3-lagren upp i applikationsskiktet.
det monterade paketet är inslaget i Transport Control Protocol (TCP) av transport layer, som i sin tur är inslaget i Internet Protocol (IP) av det (något uppenbara) internet layer.
User Datagram Protocol (UDP) kan också användas men presenterar några ytterligare problem relaterade till pålitlig leverans i överbelastade nätverk.
det fjärde lagret är Nätverksgränssnittskiktet där det monterade paketet faktiskt är kopplat till någon form av transportmedier (till exempel tvinnat par koppar, RG58 koaxial eller fiber).
även om denna flerskiktsmodell kan verka lite förvirrande isolerar den effektivt kommunikationsuppgifterna och hjälper slutligen till att designa och implementera ett nätverk.
korsa lagren
för att visa denna skiktade modell, låt oss titta på en enda dnp3-läsförfrågan via ett LAN. Dnp3-mästaren vill veta statusen för fjärrkontrollens kraft och förbereder ett Läsförfrågningsmeddelande för det objektet.
efter att ha passerat alla tre dnp3-lagren skickas meddelandet till TCP / UDP-transportskiktet. Transportskiktet lägger till ett datablock som identifierar huvudporten och porten där den förväntar sig att Fjärrprocessen DNP3 ska lyssna på meddelanden. Paketet skickas sedan till IP-skiktet.
här läggs ett datablock som håller IP-och Mediaåtkomstadresserna för mastern och fjärrkontrollen till. Sedan skickas hela paketet till Nätverksgränssnittskiktet.
Nätverksgränssnittskiktet kontrollerar mediaåtkomst och tillgänglighet. Det placerar sedan paketet på media för överföring.
efter att ha arbetat sig över broar och genom routrar (något som ”över floden och genom skogen”) baserat på IP-informationen kommer paketet till fjärrkontrollen.
här passerar den genom samma fyra lager i motsatt ordning som det gjorde hos befälhavaren. Först dras det av media av Nätverksgränssnittskiktet. Efter att ha kontrollerat att paketet är intakt och giltigt, skickar Nätverksgränssnittskiktet det till IP-lagret.
IP-lagret kontrollerar mediaåtkomst och IP-adress och överför den till TCP/UDP-lagret där målporten kontrolleras för anslutna applikationer. Om en app lyssnar på målporten skickas paketet till applikationslagret. Om lyssningsappen är den avlägsna dnp3-processen skickas Läsbegäran.
den rör sig genom sina tre lager för att kontrollera begäran och se vilken information som behöver samlas in. Fjärrsvaret följer sedan samma väg bakåt för att nå mästaren.
ett dnp3-meddelande passerar genom protokollskikten hos både chefen och agenten. Varje lager adresserar en specifik kommunikationsuppgift.
ett hjälpmedel för felsökning
att känna till denna skiktade modell av DNP3 gör det lättare att hitta och åtgärda nätverksproblem. När det finns ett problem kan du helt enkelt spåra det, ut ena änden, in i och upp den andra. LAN / WAN länk och statuslampor ger visa dig till Nätverksgränssnittslager. ICMP echo-förfrågningar och svar (Pings) ger viss information om hur IP-lagret fungerar korrekt.
dnp3-bearbetningsindikatorer kan användas för att verifiera passagen av dnp3-paketet genom TCP/UDP-skiktet och Applikationsskiktets funktion.
varje steg kan verifieras oberoende tills alla steg fungerar korrekt för end-to-end-kommunikation.
fördelar med DNP3
Dnp3 ger multiplexering, Datafragmentering och mer.
DNP3 är ett lag 2-protokoll. Det innebär att det ger:
- multiplexering.
- datafragmentering.
- felkontroll.
- länk kontroll.
- prioritets sortering.
det ger också lager 2 adresseringstjänster för användardata.
DNP3 tillåter de olika enheterna i processautomatiseringssystem att prata. Dnp3-protokollet används ofta för el -, gas-och vattentelemetri av verktygsföretag. Det är också möjligt för DNP3 att användas i andra områden, men det är inte lika vanligt.
SCADA Communications använder Dnp3-protokollet.
SCADA-system använder dnp3-protokollet för användning mellan systemkomponenter. Dnp3-protokollet tillhandahåller kommunikation mellan SCADA system master, RTU och Intelligent Electronic Devices (IED).
DNP3 utvecklades för att möta behovet av ett standardprotokoll som skulle göra det möjligt för SCADA-systemkomponenter som utvecklats av olika leverantörer att prata. Med hjälp av IEC 60870-5 som bas skapades DNP3 som ett öppet protokoll för användning i dessa fall.
detta protokoll var tillgängligt för snabb användning inom SCADA-nätverk och tillgodoses de specifikationer som anges av nordamerikanska organisationer.
DNP3 ger kommunikationssäkerhet för verktyg.
dnp3 säkerställer tillförlitligheten av kommunikation inom de hårda miljöerna av verktyg. Protokollet kan undvika att förvrängas av EMI, legacysystemkomponenter och dålig överföring på grund av dnp3: s kommunikationsformat.
även om protokollet har felkontroll, är DNP3 inte säkrad. Detta är ett viktigt övervägande under SCADA-planeringen.
Varför är det så populärt ?
det finns några anledningar till varför DNP3 är så kraftfull och ofta används i telemetrisystem:-
- det är en standard och öppen. Det betyder att ”språket” är lätt tillgängligt och alla dnp3-enheter kommunicerar med samma språk. Tidiga RTU kommunicerade med proprietära protokoll vilket innebar att språket de kommunicerade på endast var känt för andra produkter som tillverkats av samma leverantör. Idag är många enheter flerspråkiga genom att de kommer att kommunicera med sitt proprietära protokoll men också tillåta kommunikation med dnp3-protokollet, detta har gjorts av många leverantörer för att möjliggöra en gradvis uppgradering av deras nätverk till DNP3 över tiden.
- det är ett routingprotokoll. Detta är ett särskilt viktigt och viktigt inslag i dnp3-protokollet genom att det kan kommunicera via olika kommunikationsnätverk för att nå meddelandets destination. Till exempel kan SCADA-maskinen vara ansluten till en Ethernet-anslutning men RTU kan vara på en radioanslutning, DNP3 kan dirigeras via Ethernet-anslutningen till Radioanslutningen via en mellanliggande RTU. Det här låter komplicerat, men i enkla termer skulle det vara som att du pratar över en telefonanslutning till din vän, och de vidarebefordrar meddelandet till någon på en närliggande walkie talkie. Kraften i DNP3 är att detta kan göras mycket enkelt i de flesta moderna RTU: er utan behov av komplex i/O-kartläggning.
- det utnyttjar kommunikationskanalen bra. DNP3 har utformats för att kunna fungera på både höghastighets Ethernet-nätverk och långsamma radionätverk och är mycket bra på att ”bara kommunicera vid behov”. Till exempel, när en pump slås på eller av DNP3 kommer att skicka ett meddelande Genom att meddela SCADA av att en förändring. Fasta omröstningsprotokoll, som MODBUS, kan inte uppnå detta eftersom de ständigt måste uppdatera all data genom omröstning. Tillbaka till vår mänskliga analogi, detta skulle vara som du ständigt be din vän att berätta vad trafikljuset visar, i en polling protokoll exempel vän skulle ständigt säga Grön, Grön, Grön, Grön sedan röd, röd, Röd varje sekund eller så. Med DNP3 skulle vännen bara berätta när ljuset ändras därför med mycket mindre bandbredd.
- många vänner på en gång. Vad denna punkt nummer 3 ovan betyder är att du kan hålla samtal med många vänner på en gång och det här är verkligen kraften i DNP3, vilket gör att många pumpstationer, transformatorstationer eller gasbrunnar kan kommunicera på samma nätverk.