โปรโตคอล DNP3 : สถาปัตยกรรม การทำงาน รหัสฟังก์ชัน รูปแบบข้อมูล & แอปพลิเคชัน

DNP3 หรือ Distributed Network Protocol3 เปิดตัวในปี 1992 โดยบริษัทสัญชาติญี่ปุ่นเพื่อสร้างโปรโตคอลสำหรับการสื่อสารระหว่างระบบแบบกระจาย DNP3 เป็นโปรโตคอลควบคุมอุปกรณ์บนเครือข่ายซึ่งใช้สำหรับการสื่อสารระหว่างอุปกรณ์และอุปกรณ์อินพุต/เอาต์พุตระยะไกล โปรโตคอลนี้ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับโมเดลเชิงวัตถุที่ลดการแมปบิตข้อมูลซึ่งปกติแล้วโปรโตคอลเชิงวัตถุอื่น ๆ จำเป็นต้องใช้ ส่วนใหญ่จะใช้ระหว่างสถานีหลักกลางและหน่วยระยะไกลแบบกระจาย โดยที่สถานีหลักกลางทำงานเป็นอินเทอร์เฟซระหว่างผู้จัดการเครือข่ายของมนุษย์และระบบตรวจสอบ หน่วยระยะไกลแบบกระจายเป็นส่วนต่อประสานระหว่างสถานีหลักและอุปกรณ์ทางกายภาพที่ถูกสังเกตและควบคุมในพื้นที่ห่างไกล การแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่างสองสิ่งนี้สามารถทำได้โดยไลบรารีอ็อบเจ็กต์ทั่วไป บทความนี้กล่าวถึงภาพรวมของ โปรโตคอล DNP3 - การทำงานกับแอพพลิเคชั่น

โปรโตคอล DNP3 คืออะไร?

ชุดของโปรโตคอลการสื่อสารที่ใช้ระหว่างส่วนประกอบต่างๆ ภายในระบบอัตโนมัติของกระบวนการเรียกว่าโปรโตคอล DNP3 โปรโตคอลนี้ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อวัตถุประสงค์ในการสื่อสารระหว่างอุปกรณ์เก็บข้อมูลและควบคุมประเภทต่างๆ ดังนั้นใน ระบบ SCADA โปรโตคอลนี้มีบทบาทสำคัญเมื่อใช้งานโดย RTU, SCADA และ IED

สถาปัตยกรรมโปรโตคอล DNP3 และการทำงาน

DNP3 เป็นโปรโตคอลเครือข่ายแบบกระจายรุ่นที่สาม มีแบบสำรวจความสมบูรณ์หนึ่งแบบและแบบสำรวจสามระดับ ซึ่งแบบสำรวจความสมบูรณ์จะใช้เพื่อดึงข้อมูลในโพลเดียว

สถาปัตยกรรมเครือข่าย DNP3 สามารถเป็นแบบ unicast, multidrop และ data connector/hierarchical

สถาปัตยกรรมยูนิคาสต์: ยังเป็นที่รู้จักกันในนามสถาปัตยกรรมแบบหนึ่งต่อหนึ่ง ในที่นี้สถานีหลักสามารถสื่อสารกับสถานีต้นทางเดียวเท่านั้น ในขณะที่ใน สถาปัตยกรรมหลายจุด สถานีมาสเตอร์สามารถสื่อสารกับอุปกรณ์เอาท์สเตชั่นได้มากกว่าหนึ่งเครื่อง ซึ่งหมายความว่าสามารถสื่อสารกับอุปกรณ์เอาท์สเตชั่นได้หลายเครื่อง ตัวเชื่อมต่อข้อมูล/สถาปัตยกรรมแบบลำดับชั้นเป็นการผสมผสานระหว่างสถาปัตยกรรมแบบมัลติดรอปและยูนิคาสต์

โดยทั่วไปแล้วโปรโตคอลการสื่อสาร DNP3 จะใช้สำหรับสาธารณูปโภคไฟฟ้า น้ำและน้ำเสีย น้ำมันและก๊าซ การขนส่ง และสภาพแวดล้อม SCADA อื่นๆ ช่วยให้คุณดูระดับที่สำคัญในแบบเรียลไทม์และในอดีต อาจเป็นอุณหภูมิ ความชื้น ระดับแบตเตอรี่ แรงดันไฟฟ้า ระดับน้ำมันเชื้อเพลิง ฯลฯ นอกจากนี้ยังช่วยให้คุณตรวจจับปัญหาและแก้ไขปัญหาได้อย่างรวดเร็ว และยังขจัดปัญหาคอขวดได้อีกด้วย และความไร้ประสิทธิภาพ

การออกแบบโปรโตคอล DNP3 สามารถทำได้ตามเลเยอร์ของโมเดล OSI เช่น ดาต้าลิงค์ การขนส่ง แอปพลิเคชัน และเลเยอร์ผู้ใช้ โปรโตคอลนี้มีความยืดหยุ่นในการเชื่อมต่อมาสเตอร์ตัวเดียวผ่าน outstation อย่างน้อยหนึ่งสถานีขึ้นไปด้านบนซีเรียลและฟิสิคัลมีเดียอีเทอร์เน็ต
สถาปัตยกรรมที่เป็นไปได้อื่น ๆ ส่วนใหญ่ประกอบด้วยการเชื่อมต่อหลักต่างๆ กับ outstation เดียว & การดำเนินการแบบ peer-to-peer โดยปกติ ต้นแบบจะเริ่มคำสั่งควบคุมเพื่อขอข้อมูลจากหรือเปิดใช้งานอุปกรณ์ที่ได้รับการจัดการผ่านสถานีนอก Outstation นี้เพียงแค่ตอบสนองต่อต้นแบบโดยการส่งข้อมูลที่เหมาะสม

ตามโมเดล OSI โปรโตคอล DNP3 ประกอบด้วย Data Link, Transport Function, Application & User Layer สี่ชั้น ที่นี่ Data Link Layer ที่ด้านล่างจะทำให้ฟิสิคัลลิงก์มีความน่าเชื่อถือมากขึ้นโดยการระบุที่อยู่ & การตรวจจับข้อผิดพลาด Transport Function เป็นเพียงการประกอบเฟรมของ Link Layer ลงในส่วนย่อยของ Application Layer เลเยอร์นี้ใช้ข้อความทั้งหมดและระบุว่าข้อมูลใดที่ต้องการสำหรับเลเยอร์ผู้ใช้ด้านบน ทุกข้อความสามารถมีข้อมูลได้หลายประเภท เช่น อินพุตและเอาต์พุตอนาล็อก ไบนารี และตัวนับ

โปรโตคอล DNP3 ทำงานอย่างไร

โปรโตคอล DNP3 ทำงานโดยใช้รหัสฟังก์ชันพื้นฐาน 27 รหัสเพื่อให้สามารถสื่อสารระหว่างสถานีหลักและหน่วยระยะไกลได้ เพื่อให้รหัสฟังก์ชันบางอย่างอนุญาตให้ต้นแบบสามารถร้องขอและรับเงื่อนไขของข้อมูลจากอุปกรณ์ระยะไกลและรหัสฟังก์ชันอื่น ๆ จะอนุญาตให้ต้นแบบตัดสินใจหรือแก้ไขการกำหนดค่าหน่วยระยะไกล

รหัสฟังก์ชันหลายรหัสส่วนใหญ่จะใช้ในสถานีมาสเตอร์ DNP3 เพื่อควบคุมอุปกรณ์หรือยูนิตระยะไกลที่ไซต์ระยะไกล สถานีมาสเตอร์ DNP3 ออกการสื่อสารส่วนใหญ่ไปยังอุปกรณ์ระยะไกลของ DNP3 แต่ข้อความที่ไม่พึงประสงค์ (ข้อความ o/p) เริ่มต้นผ่านยูนิตระยะไกล และสร้างการเตือน เพื่อให้ข้อความนี้แจ้งเตือนไปยังต้นแบบเมื่อมีการเตือนเกิดขึ้น

รหัสฟังก์ชัน

รหัสฟังก์ชันของ DNP3 มีดังต่อไปนี้

รูปแบบข้อความ DNP3

โครงสร้างรูปแบบข้อความของ DNP3 แสดงอยู่ด้านล่าง หากเราตรวจสอบโครงสร้างนี้ เราจะสังเกตได้ว่าข้อความมีการแลกเปลี่ยนกันระหว่างมาสเตอร์และรีโมต โปรโตคอลการวัดและส่งข้อมูลทางไกลแบบอนุกรม (TBOS) เป็นแบบไบต์โดยการแลกเปลี่ยนไบต์เดียวเพื่อสื่อสาร

โปรโตคอลการวัดและส่งข้อมูลทางไกลแบบอนุกรมแบบขยาย เช่น TABS เป็นแพ็กเก็ตเชิงกับแพ็คเก็ตไบต์ที่แลกเปลี่ยนเพื่อสื่อสาร โดยปกติแพ็กเก็ตเหล่านี้จะมีส่วนหัว ข้อมูล & ไบต์เช็คซัม โปรโตคอล DNP3 เป็นแบบแพ็กเก็ต & ใช้โครงสร้างแพ็กเก็ตซึ่งแสดงในรูปต่อไปนี้

ในไดอะแกรมรูปแบบข้อความข้างต้น DNP3 ASDU (หน่วยข้อมูลบริการแอปพลิเคชัน) มีค่าสำหรับการปรับเนื้อหาที่ชาญฉลาดซึ่งควบคุมผ่านทั้งตัวระบุและฟิลด์ขนาดดัชนี ดังนั้นการออกแบบนี้จะทำให้ข้อมูลแอปพลิเคชันสามารถเข้าถึงได้ภายในการกำหนดค่าที่ยืดหยุ่น

ตอนนี้ เรามาพูดคุยกันถึงวิธีการแลกเปลี่ยนข้อมูลโดยเฉพาะในรูปแบบการสื่อสารแบบเลเยอร์
เลเยอร์แอปพลิเคชันในไดอะแกรมด้านบนรวม ASDU (หน่วยข้อมูลบริการแอปพลิเคชัน) และออบเจ็กต์ที่จัดแพ็คเกจโดยบล็อก APCI (การควบคุมโปรโตคอลแอปพลิเคชัน) เพื่อสร้าง APDU (หน่วยข้อมูลโปรโตคอลแอปพลิเคชัน)

เลเยอร์การขนส่งจะแบ่งหน่วยข้อมูลบริการแอปพลิเคชันหรือ APDU ออกเป็นเซ็กเมนต์ต่างๆ ด้วยขนาดสูงสุด 16 ไบต์และจัดแพ็กเกจโดยส่วนหัวควบคุมการขนส่ง 8 บิต และตัวแยก CRC 16 บิตลงในเฟรมการขนส่ง

เลเยอร์ลิงก์ถูกแมปกับโมเดล 4 ชั้นซึ่งพัฒนาผ่าน DoD (กระทรวงกลาโหม) ผ่าน DoD Internet Layer ที่ละเว้น หากมีการใช้การขนส่งแบบอนุกรม การประกอบแพ็คเก็ตจะเสร็จสิ้นและตั้งอยู่บนสื่อการขนส่งสำหรับการจัดส่ง

หากแพ็กเก็ตถูกส่งผ่าน LAN หรือ WAN เลเยอร์ 3 DNP3 จะถูกม้วนขึ้นไปในเลเยอร์แรก แพ็กเก็ตที่ประกอบเข้าด้วยกันสามารถห่อได้ภายใน TCP (Transport Control Protocol) ผ่านเลเยอร์การขนส่งซึ่งห่อหุ้มไว้ภายใน IP (Internet Protocol) ผ่านเลเยอร์อินเทอร์เน็ต นอกจากนี้ยังสามารถใช้ UDP (User Datagram Protocol) ได้ แต่มีปัญหาพิเศษบางอย่างที่เชื่อมต่อกับการจัดส่งที่เชื่อถือได้ภายในเครือข่ายที่อัดแน่น

รูปแบบข้อมูล DNP3

DNP ถูกใช้อย่างกว้างขวางในการควบคุมข้อความที่ส่งผ่านระหว่างสถานีกลางและหน่วยควบคุม รูปแบบข้อมูลของ DNP3 ส่วนใหญ่ประกอบด้วยสองส่วนคือส่วนหัวและส่วนข้อมูล นอกจากนี้ ส่วนหัวยังแบ่งออกเป็นหกส่วนย่อย

รูปแบบของ data frame & ขนาดที่จำเป็นของทุกฟิลด์จะแสดงในรูปด้านบน ในไดอะแกรมนี้ การซิงค์คือฟิลด์แรกที่มีขนาด 1 ไบต์ และระบุจุดเริ่มต้นของเฟรม
ค่าฟิลด์นี้ถูกกำหนดไว้ที่ 0564 ดังนั้นเมื่อได้รับเฟรมโดยการตรวจสอบตำแหน่งฟิลด์ซิงค์ การทำแผนที่ก็สามารถทำได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ความยาวของฟิลด์ให้ความยาวของเฟรมทั้งหมด เพื่อให้สามารถกำหนดบัฟเฟอร์เฉพาะที่ปลายทางเพื่อเก็บเฟรมที่เข้ามา ดังนั้นเฟรมที่สองคือ 'ฟิลด์ควบคุม' ซึ่งอธิบายการดำเนินการควบคุมที่จำเป็นในการเรียกที่ส่วนรับ

ช่องควบคุมจะรวมค่าฐานสิบหก 41 มิฉะนั้น 42 ตามประเภทการดำเนินการ หลังจากนั้น ฟิลด์ปลายทาง & ที่อยู่ต้นทางจะให้ที่อยู่ผู้รับที่ต้องการ & โหนดส่ง
CRC หรือ Cyclic Redundancy Check เป็นฟิลด์สุดท้ายที่จะช่วยในการตรวจสอบข้อผิดพลาดของเฟรม ค่าตรวจสอบจะเชื่อมต่อกับข้อความในเวลาที่ส่ง ซึ่งจะมีการตรวจสอบความถูกต้องเมื่อสิ้นสุดการรับ เมื่อค่านี้ตรงกัน จะระบุการไม่มีข้อผิดพลาดภายในเฟรม ส่วนของข้อมูลมีขนาด 2 ถึง 4 ไบต์ แต่ไม่มีบทบาทในการควบคุมการส่งข้อความ

รูปด้านบนแสดงข้อความควบคุมที่ส่งในรูปแบบ DNP3 จากสถานีหนึ่งไปยังอีกสถานีหนึ่ง เช่นเดียวกับการควบคุมไปยังปลายทาง สำหรับการสื่อสารการดำเนินการต่าง ๆ ไปยังปลายทาง ฟิลด์เช่นฟิลด์ควบคุมเช่นเดียวกับที่อยู่ปลายทางในขณะที่บางฟิลด์จะไม่เปลี่ยนแปลงสำหรับการสื่อสารทั้งหมด

ตัวอย่างระบบตรวจสอบ DNP3

ไดอะแกรมหลัก DNP3 และระบบตรวจสอบระยะไกลแสดงอยู่ด้านล่าง โมเดลนี้ใช้ในการถ่ายโอนข้อมูลระหว่างอุปกรณ์สองเครื่อง เช่น มาสเตอร์และรีโมตโดยใช้ DNP3

ไดอะแกรมหลัก DNP3 และระบบตรวจสอบระยะไกลแสดงอยู่ด้านล่าง โมเดลนี้ใช้ในการถ่ายโอนข้อมูลระหว่างอุปกรณ์สองเครื่อง เช่น มาสเตอร์และรีโมตโดยใช้ DNP3 ที่นี่ต้นแบบคือคอมพิวเตอร์และทาสหรือรีโมตคือสถานีนอก ข้อมูลที่ส่งเป็นข้อมูลคงที่ ข้อมูลเหตุการณ์ & ยอมรับข้อมูลเหตุการณ์ที่ไม่พึงประสงค์

โดยปกติโปรโตคอล DNP3 จะใช้ระหว่างเครื่องหลัก (คอมพิวเตอร์) และระยะไกล (Outstation) ที่นี่ ต้นแบบใช้เพื่อจัดเตรียมอินเทอร์เฟซระหว่างผู้จัดการเครือข่ายของมนุษย์กับระบบตรวจสอบ รีโมตจัดเตรียมอินเทอร์เฟซระหว่างมาสเตอร์และอุปกรณ์จริงที่จะถูกควบคุมหรือตรวจสอบ

ทั้งมาสเตอร์และรีโมตใช้ไลบรารีอ็อบเจ็กต์ทั่วไปสำหรับการแลกเปลี่ยนข้อมูล ข้อมูลในที่นี้คือ โปรโตคอล DNP3 เป็นโปรโตคอลแบบสำรวจที่มีความสามารถที่ออกแบบมาอย่างระมัดระวัง เมื่อสถานีมาสเตอร์เชื่อมต่อกับรีโมตแล้ว ก็สามารถดำเนินการสำรวจความสมบูรณ์ได้ ซึ่งสำคัญมากสำหรับการระบุที่อยู่ DNP3 เพราะสำหรับจุดข้อมูล จะส่งคืนค่าที่บัฟเฟอร์ทั้งหมด & ประกอบด้วยค่าปัจจุบันของจุดด้วย

โดยทั่วไป ไดรเวอร์ DNP3 สามารถทำโพลต่างๆ ได้ตามปกติ เช่น Integrity Poll, Class 1, Class 2 และ Class 3 ในการสำรวจความสมบูรณ์ DNP3 เพียงแค่ขอให้ outstation ส่ง Class 1, class 2 และ class 3 ข้อมูลเหตุการณ์ & ข้อมูลสแตติกคลาส 0 ตามลำดับเวลา โดยทั่วไปแล้ว Integrity Poll จะใช้สำหรับการซิงโครไนซ์ฐานข้อมูลของ DNP3 master & slave ดังนั้นจึงมีแนวโน้มที่จะได้รับการจัดสรรอัตราการสำรวจที่ช้า โดยทั่วไปแล้ว โพลคลาส 1, คลาส2 และคลาส 3 จะใช้ในการกู้คืนกิจกรรมของคลาสแต่ละรายการในอัตราที่เปลี่ยนแปลงได้ตามความสำคัญของเหตุการณ์เหล่านั้น

ความแตกต่างระหว่าง DNP3 และ IEC 61850

ความแตกต่างระหว่าง DNP3 และ IEC 61850 มีดังต่อไปนี้

ความแตกต่างระหว่าง DNP3 และ Modbus

ความแตกต่างระหว่าง DNP3 และ Modbus มีดังต่อไปนี้

ข้อดีและข้อเสียของ DNP3

ดิ ข้อดีของโปรโตคอล DNP3 l รวมสิ่งต่อไปนี้

• DNP3 เป็นโปรโตคอลมาตรฐานแบบเปิด ดังนั้นนักออกแบบทุกคนจึงสามารถออกแบบอุปกรณ์ DNP3 ที่เข้ากันได้ดีกับอุปกรณ์ DNP3 อื่นๆ
• DNP3 มีความสามารถมากมายเนื่องจากโปรโตคอลที่ชาญฉลาดและมีประสิทธิภาพ
• สามารถขอและตอบกลับผ่านข้อมูลหลายประเภทภายในข้อความเดียว
• อนุญาตให้ดำเนินการ master & peer-to-peer ได้หลายครั้ง
• รองรับรูปแบบเวลามาตรฐานและการซิงโครไนซ์เวลา
• ต้นทุนซอฟต์แวร์จะลดลง
• ไม่มีข้อกำหนดสำหรับผู้แปลโปรโตคอล
• การบำรุงรักษาและการทดสอบน้อยลง

ข้อเสียของโปรโตคอล DNP3 มีดังต่อไปนี้

DNP3 ใช้ RTU แบบอนุกรมและอัปเกรดผ่าน Ethernet RTU (ERTU) หากแบนด์วิดท์ของช่องทางการสื่อสารไปยังสถานีนั้นไม่ได้รับการปรับปรุงด้วย ผู้ใช้จะมีลิงก์ที่ช้ากว่าเนื่องจากโอเวอร์เฮดที่นำมาใช้ในการห่อ DNP3 ผ่าน TCP/IP

แอปพลิเคชัน DNP3

ดิ แอปพลิเคชัน DNP3 รวมสิ่งต่อไปนี้

• DNP3 ช่วยให้อุปกรณ์ต่างๆ ภายในระบบอัตโนมัติของกระบวนการสามารถสื่อสารกันได้
• บริษัทสาธารณูปโภคต่างๆ ใช้โปรโตคอลนี้ในวงกว้างสำหรับระบบส่งก๊าซ ไฟฟ้า และน้ำ
• ใช้ในการสื่อสาร SCADA
• โปรโตคอลการสื่อสาร DNP3 ใช้ในระบบตรวจสอบระยะไกลและ SCADA
• สิ่งนี้ใช้ได้ในสภาพแวดล้อม SCADA ทั้งหมดซึ่งรวมถึงการสื่อสารจากต้นแบบไปยังระยะไกลและ RTU ถึง IED และในแอปพลิเคชันเครือข่าย

ดังนั้น ทั้งหมดนี้เกี่ยวกับ ภาพรวมของโปรโตคอล DNP3 - การทำงานกับแอพพลิเคชั่น ดิ ข้อกำหนดโปรโตคอล DNP3 ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับรูปแบบวัตถุ ดังนั้นโมเดลนี้จึงลดการแมปบิตข้อมูลซึ่งมักจะจำเป็นกับโปรโตคอลเชิงวัตถุอื่นๆ ที่น้อยกว่า สำหรับช่างเทคนิคและวิศวกรของ SCADA การมีออบเจ็กต์ที่กำหนดไว้ล่วงหน้าจะทำให้ DNP3 ออกแบบและปรับใช้เฟรมเวิร์กได้สะดวกยิ่งขึ้น นี่คือคำถามสำหรับคุณ โปรโตคอลคืออะไร?