DNP3 Protokolü : Mimari, Çalışma, Fonksiyon kodları, Veri formatı ve Uygulamaları

DNP3 veya Dağıtılmış Ağ Protokolü3, 1992 yılında bir Japon Şirketi tarafından dağıtılmış sistemler arasında iletişim için bir protokol oluşturmak üzere başlatıldı. DNP3, bir cihaz ile bir uzak giriş/çıkış cihazı arasındaki iletişim için kullanılan ağ tabanlı cihaz kontrol protokolüdür. Bu protokol esas olarak, daha az nesne yönelimli diğer protokoller tarafından genellikle gerekli olan veri bit eşlemesini azaltan nesne yönelimli bir modele bağlıdır. Esas olarak merkezi ana istasyonlar arasında ve merkezi ana istasyonun insan ağı yöneticisi ile izleme sistemi arasında bir arayüz olarak çalıştığı dağıtılmış uzak birimler arasında kullanılır. Dağıtılmış uzak birim, ana istasyon ile uzak alanlarda gözlemlenen ve kontrol edilen fiziksel aygıt arasındaki arayüzdür. Bu ikisi arasındaki veri alışverişi, ortak nesneler kitaplığı tarafından yapılabilir. Bu makalede, aşağıdakilere genel bir bakış anlatılmaktadır: DNP3 protokolü - uygulamalarla çalışma.

DNP3 Protokolü nedir?

Proses otomasyon sistemlerinde farklı bileşenler arasında kullanılan iletişim protokolleri seti, DNP3 protokolü olarak bilinir. Bu protokol esas olarak farklı veri toplama ve kontrol ekipmanı türleri arasındaki iletişim amaçları için tasarlanmıştır. yani SCADA sistemleri , bu protokol RTU'lar, SCADA'lar ve IED'ler tarafından kullanıldığında önemli bir rol oynar.

DNP3 Protokol Mimarisi ve Çalışması

DNP3, üçüncü bir dağıtılmış ağ protokolü sürümüdür. Bir bütünlük yoklaması ve bütünlük yoklamasının verileri tek bir yoklamada almak için kullanıldığı üç yoklama düzeyi vardır.

DNP3 ağ mimarisi tek noktaya yayın, çoklu bağlantı ve veri bağlayıcı/hiyerarşik mimariler olabilir.

Tek noktaya yayın mimarisi: Bire bir mimari olarak da bilinir, burada ana istasyon yalnızca bir dış istasyonla iletişim kurabilir, oysa multidrop mimarisi ana istasyon birden fazla dış istasyon cihazıyla iletişim kurabilir, bu da birden fazla dış istasyon cihazıyla iletişim kurabileceği anlamına gelir. Veri bağlayıcısı/hiyerarşik mimari, çok noktalı ve tek noktaya yayın mimarilerinin bir birleşimidir.

DNP3 iletişim protokolü yaygın olarak elektrik hizmetleri, su ve kanalizasyon, petrol ve gaz, ulaşım ve diğer SCADA ortamları için kullanılır. Sıcaklık, nem, pil seviyesi, voltaj, yakıt seviyesi vb. olabilecek önemli seviyeleri gerçek zamanlı ve tarihsel olarak görmenizi sağlar. Ayrıca sorunları tespit etmenize ve sorunları hızlı bir şekilde düzeltmenize olanak tanır ve ayrıca darboğazları ortadan kaldırabilirsiniz. ve verimsizlikler.

DNP3 protokolünün tasarımı, veri bağlantısı, taşıma, uygulama ve kullanıcı katmanı gibi OSI modelinin katmanlarına dayalı olarak yapılabilir. Bu protokol, Ethernet fiziksel ortamının yanı sıra seri üzerinde en az bir veya daha fazla dış istasyon aracılığıyla tek bir master'ı bağlama esnekliğine sahiptir.
Diğer olası mimariler, temel olarak, tek bir dış istasyon ve eşler arası işlemlerle çeşitli ana bağlantıları içerir. Genellikle ana birim, dış istasyon aracılığıyla yönetilen aygıtlardan veri istemek veya aygıtları etkinleştirmek için kontrol komutlarını başlatır. Bu dış istasyon, uygun bilgiyi ileterek efendiye basitçe tepki verir.

OSI modeline dayalı olarak, DNP3 protokolü dört katman Veri Bağlantısı, Aktarım İşlevi, Uygulama ve Kullanıcı Katmanı içerir. Burada, alttaki Veri Bağlantı Katmanı, adresleme ve hata tespiti ile fiziksel bağlantıyı daha güvenilir hale getirecektir. Aktarım İşlevi, Bağlantı Katmanı çerçevelerini Uygulama Katmanı parçalarına birleştirir. Bu katman tüm mesajı alır ve yukarıdaki Kullanıcı Katmanına göre hangi verilerin tercih edildiğini belirtir. Her mesajın analog, ikili ve sayaç girişleri ve çıkışları gibi çeşitli veri türleri olabilir.

DNP3 Protokolü Nasıl Çalışır?

DNP3 protokolü, ana istasyonlar ve uzak birimler arasında iletişime izin vermek için 27 temel işlev kodunu kullanarak çalışır. Böylece, bazı fonksiyon kodları, master'ın uzak bir cihazdan bilgi istemesine ve durumunu almasına izin verecek ve diğer fonksiyon kodları, master'ın uzak ünite konfigürasyonuna karar vermesine veya düzeltmesine izin verecektir.

DNP3 ana istasyonunda, uzaktaki sitelerde ekipmanı veya uzak üniteyi kontrol etmek için temel olarak birkaç fonksiyon kodu kullanılır. DNP3 ana istasyonu, iletişimin çoğunu DNP3'ün uzak cihazına verir. Ancak, İstenmeyen Mesaj (o/p mesajı) uzak bir ünite aracılığıyla başlatılır ve bir alarm oluşturur. Böylece bu mesaj, bir alarm oluştuğunda master'a bir uyarı verir.

Fonksiyon Kodları

DNP3'ün fonksiyon kodları aşağıdakileri içerir.

DNP3 Mesaj Formatı

DNP3'ün mesaj formatı yapısı aşağıda gösterilmiştir. Bu yapıyı incelersek, master & remote arasında mesajların değiş tokuş edildiğini görebiliriz. Seri telemetri protokolü (TBOS), iletişim için tek bir bayt değiş tokuşu yaparak bayt odaklıdır.

TABS gibi genişletilmiş seri telemetri protokolleri, iletişim için değiş tokuş edilen bayt paketleriyle paket odaklıdır. Bu paketler normalde başlık, veri ve sağlama toplamı baytlarını içerir. DNP3 protokolü paket yönelimlidir ve aşağıdaki şekilde gösterilen paket yapısını kullanır.

Yukarıdaki mesaj formatı şemasında, DNP3 ASDU (uygulama hizmeti veri birimi), hem niteleyiciler hem de indexSize alanları aracılığıyla kontrol edilen akıllı içeriğin ayarlanması için değerlidir. Dolayısıyla bu tasarım, uygulama verilerini esnek konfigürasyonlar içinde erişilebilir hale getirecektir.

Şimdi özellikle katmanlı iletişim modelinde veri alışverişinin nasıl yapıldığını tartışalım.
Yukarıdaki şemadaki uygulama katmanı, bir APDU (uygulama protokolü veri birimi) yapmak için bir ASDU (uygulama hizmeti veri birimi) ile bir APCI (uygulama protokolü denetimi) bloğu tarafından paketlenmiş bir nesneyi birleştirir.

Taşıma katmanı, uygulama hizmeti veri birimini veya APDU'yu maksimum 16 bayt boyutunda farklı segmentlere böler ve bunları 8 bitlik bir taşıma kontrol başlığı ve 16 bitlik segment CRC ayırıcıları ile bir taşıma Çerçevesine paketler.

Bağlantı katmanı, DoD İnternet Katmanı hariç tutularak DoD (Savunma Departmanı) aracılığıyla geliştirilen 4 katmanlı modele eşlenir. Seri taşıma kullanılıyorsa, paket montajı yapılır ve teslimat için taşıma ortamına yerleştirilir.

Paket bir LAN veya WAN üzerinden iletilirse, ilk katmana 3 DNP3 katmanı toplanır. Birleştirilen paket, internet katmanı aracılığıyla IP (İnternet Protokolü) içine sarılmış olan taşıma katmanı aracılığıyla TCP (Transport Control Protocol) içine sarılabilir. UDP (Kullanıcı Datagram Protokolü) de kullanılabilir, ancak paketlenmiş ağlar içinde güvenilir teslimatla bağlantılı bazı ekstra sorunlar sunar.

DNP3 Veri Formatı

DNP, merkezi istasyon ve kontrol üniteleri arasında geçen mesajın kontrolünde yaygın olarak kullanılmaktadır. DNP3'ün veri formatı esas olarak başlık ve veri bölümleri olmak üzere iki bölüm içerir. Ayrıca, başlık altı alt bölüme ayrılmıştır.

Veri çerçevesinin formatı ve her alanın gerekli boyutu yukarıdaki şekilde gösterilmiştir. Bu şemada, Senkronizasyon 1 bayt olan ilk alandır ve çerçevenin başlangıcını belirtir.
Bu alan değeri 0564'e sabitlenmiştir, bu nedenle Senkronizasyon alanı konumu incelenerek bir çerçeve alındığında, haritalama verimli bir şekilde yapılabilir.

Alan uzunluğu, tüm çerçeve uzunluğunu sağlar, böylece hedefte gelen çerçeveleri tutmak için belirli bir arabellek atanabilir. Dolayısıyla ikinci çerçeve, alıcı tarafında talep edilmesi gereken kontrol eylemini tanımlayan “Kontrol alanı”dır.

Kontrol alanı, eylem türüne bağlı olarak 41, aksi takdirde 42 hex değerini içerecektir. Bundan sonra, hedef ve kaynak adres alanı, amaçlanan alıcı adreslerini ve gönderen düğümü sağlayacaktır.
CRC veya Döngüsel Artıklık Kontrolü, çerçeve hatasını doğrulamaya yardımcı olacak son alandır. İletim sırasında mesaja, alıcı uçta çapraz doğrulanacak bir kontrol değeri bağlanır. Bu değer eşleştiğinde, çerçeve içinde hatanın olmadığını belirtir. Veri bölümü 2 ila 4 bayttır, ancak mesaj geçişini kontrol etmede rolü yoktur.

Yukarıdaki şekil, bir istasyondan diğerine kontrolden hedefe DNP3 formatında iletilen kontrol mesajını göstermektedir. Çeşitli eylemlerin hedeflere iletilmesi için, kontrol alanı ve hedef adresi gibi alanlar, tüm iletişimler için bazı alanlar değişmeyecektir.

DNP3 İzleme Sistemi Örneği

DNP3 ana ve uzaktan izleme sistemi şeması aşağıda gösterilmiştir. Bu model, DNP3 kullanılarak ana ve uzaktan kumanda gibi iki cihaz arasında veri aktarımı için kullanılır.

DNP3 ana ve uzaktan izleme sistemi şeması aşağıda gösterilmiştir. Bu model, DNP3 kullanılarak ana ve uzaktan kumanda gibi iki cihaz arasında veri aktarımı için kullanılır. Burada ana bilgisayar bilgisayardır ve bağımlı veya uzak istasyon dış istasyondur. İletilen veriler ya statik verilerdir, olay verileridir ve istenmeyen olay verilerini kabul eder.

DNP3 protokolü normalde ana (bilgisayar) ve uzak (Outstation) arasında kullanılır. Burada master, insan ağı yöneticisi ile izleme sistemi arasında bir arayüz sağlamak için kullanılır. Uzaktan kumanda, kontrol edilen veya izlenen fiziksel cihazın yanı sıra ana cihaz arasındaki arabirimi sağlar.

Hem ana hem de uzaktan kumanda, veri alışverişi için ortak bir nesne kitaplığı kullanır. Burada veriler DNP3 protokolü, dikkatle tasarlanmış yetenekleri içeren bir yoklamalı protokoldür. Ana istasyon bir uzaktan kumandaya bağlandıktan sonra, DNP3'ü adreslemek için çok önemli olan bir bütünlük yoklaması gerçekleştirilebilir, çünkü bir veri noktası için tamponlanmış tüm değerleri döndürürler ve noktanın mevcut değerini de içerirler.

Genel olarak, DNP3 sürücüleri Bütünlük Anketi, Sınıf 1, Sınıf 2 ve Sınıf 3 gibi rutin olarak farklı yoklamalar gerçekleştirebilir. Bütünlük Anketinde, DNP3 dış istasyondan Sınıf 1, sınıf 2 ve sınıf 3'ü iletmesini ister. kronolojik sırayla olay verileri ve Sınıf 0 statik veriler. Bir Bütünlük Anketi normalde DNP3 ana ve bağımlı veritabanlarını senkronize etmek için kullanılır ve bu nedenle yavaş bir yoklama oranı tahsis edilme eğilimindedir. Tipik olarak, Sınıf 1, Sınıf2 ve Sınıf 3 yoklamalar, bu olayların önemine bağlı olarak değişken oranlarda bireysel sınıf olaylarını kurtarmak için kullanılır, daha hızlı yoklama oranına sahip sınıflara daha kritik olaylar atanır.

DNP3 ve IEC 61850 arasındaki fark

DNP3 ve IEC 61850 arasındaki fark aşağıdakileri içerir.

DNP3 ve Modbus arasındaki fark

DNP3 ve Modbus arasındaki fark aşağıdakileri içerir.

DNP3 Artıları ve Eksileri

bu DNP3 protokolünün avantajları Aşağıdakileri dahil ediyorum.

• DNP3 açık standart bir protokoldür, bu nedenle herhangi bir tasarımcı, diğer DNP3 ekipmanıyla iyi eşleşen DNP3 ekipmanı tasarlayabilir.
• DNP3, akıllı ve sağlam bir protokol sayesinde birçok yetenek sağlar.
• Tek mesajlarda birkaç veri türü aracılığıyla istekte bulunabilir ve yanıt verebilir
• Birkaç ana ve eşler arası işlemlere izin verir
• Standart saat biçimini ve zaman senkronizasyonunu destekler.
• Yazılım maliyetleri düşecektir.
• Protokol çevirmenleri için gereklilik yoktur.
• Daha az bakım ve test.

DNP3 protokolünün dezavantajları aşağıdakileri içerir.

DNP3, bir seri RTU kullanır ve bunu bir Ethernet RTU (ERTU) aracılığıyla yükseltir. Bu istasyona giden iletişim kanalı bant genişliği de geliştirilmezse, DNP3'ün TCP/IP üzerinden sarılmasında uygulanan ek yük nedeniyle kullanıcı daha yavaş bir bağlantıya sahip olacaktır.

DNP3 Uygulamaları

bu DNP3 uygulamaları aşağıdakileri içerir.

• DNP3, proses otomasyon sistemleri içindeki farklı cihazların iletişim kurmasını sağlar.
• Farklı kamu hizmeti şirketleri bu protokolü gaz, elektrik ve su telemetri sistemleri için yaygın olarak kullanır.
• SCADA Haberleşmesinde kullanılır.
• Uzak ve SCADA izleme sistemlerinde DNP3 iletişim protokolü kullanılmaktadır.
• Bu, master'dan uzak ve RTU'dan IED'ye iletişimleri içeren tüm SCADA ortamında ve ayrıca ağ uygulamalarında geçerlidir.

Böylece, tüm bunlar hakkında DNP3 protokolüne genel bakış - uygulamalarla çalışma. bu DNP3 protokolü belirtimi esas olarak nesne modeline bağlıdır. Dolayısıyla bu model, genellikle diğer daha az nesne yönelimli protokollerle gerekli olan veri bit eşlemesini azaltır. SCADA teknisyenleri ve mühendisleri için, önceden tanımlanmış bazı nesnelere sahip olmak, DNP3'ü daha konforlu tasarım ve dağıtım çerçevesi haline getirecektir. İşte size bir soru, protokol nedir?