بررسی اجمالی پروتکل ارتباطی DNP3

بررسی اجمالی پروتکل ارتباطی DNP3:

استفاده از ارتباطات استاندارد باز برای کنترل نظارتی و جمع آوری داده ها (SCADA) به خوبی در تعداد فزاینده ای از بخش های ابزار و صنعت در سراسر جهان تثبیت شده است.

این مزایای قابل توجهی در استقرار و عملیات سیستم ارائه کرده است.

DNP3 یکی از موفق ترین استانداردهای باز SCADA است که در سراسر جهان پذیرفته شده است.

به ویژه بخش آب، DNP3 را برای ارتباطات SCADA در مقیاس وسیع پذیرفته است.

استفاده از DNP3 در بخش‌های گاز و نفت نیز در حال افزایش است.

مفهوم DNP3

DNP3 اصطلاحی است که معمولاً اشتباه گرفته می شود که ممکن است هنگام صحبت در مورد SCADA و سیستم های تله متری به آن اشاره کرده باشید.

ما اطلاعاتی را در اینجا قرار داده ایم تا بتوانیم DNP3 را برای کسانی که از نظر فنی با سیستم های تله متری آشنا نیستند، رمزگشایی کنیم. DNP مخفف Distributed Network Protocol است.

ابتدا، ما قصد داریم از تشبیه دو انسان که در حال ارتباط هستند استفاده کنیم تا بفهمیم DNP3 کجاست.

هنگامی که ما بین یکدیگر ارتباط برقرار می کنیم، ممکن است از انواع مختلفی از رسانه های ارتباطی مختلف مانند رادیو دو طرفه یا رادیو، خط تلفن ثابت، خط تلفن همراه یا شاید استفاده کنیم.

از طریق اینترنت با استفاده از اسکایپ یا موارد مشابه.

در حالی که رسانه ای که استفاده می کنیم می تواند تغییر کند، برای ما ضروری است که با استفاده از همان زبان، یعنی انگلیسی، ارتباط برقرار کنیم.

هنگامی که ما در مورد برقراری ارتباط در اطراف سیستم های SCADA و تله متری خود صحبت می کنیم،

می توانیم از روش های ارتباطی مختلف مانند کابل اترنت، رادیو و سیستم های تلفن عمومی استفاده کنیم، درست مانند زمانی که دو انسان با هم ارتباط برقرار می کنند.

در این مورد، اگرچه باید از همان زبان نیز استفاده کنیم و زبانی که معمولا استفاده می کنیم DNP3 است.

بنابراین، وقتی کسی به DNP3 اشاره می کند، به دستگاه های زبان و ماشین های SCADA صحبت می کند و نه رسانه های ارتباطی که استفاده می کنند، مانند رادیو.

این یک تصور غلط رایج برای افرادی است که از نظر فنی در DNP3 روشن نیستند و امیدواریم که قیاس همه چیز را روشن کند.

DNP3

DNP3 (پروتکل شبکه توزیع شده) گروهی از پروتکل ها است. نقش مهمی در سیستم های اسکادا ایفا می کند، جایی که بین اجزای سیستم استفاده می شود.

پروتکل به طور خاص توسعه داده شد تا RTU ها بتوانند با یکدیگر صحبت کنند

DNP3 مبتنی بر یک مدل شی است که نگاشت بیت داده هایی را که به طور سنتی توسط پروتکل های دیگر کمتر شی گرا مورد نیاز است، بسیار کاهش می دهد.

همچنین اختلاف گسترده پارادایم های نظارت و کنترل وضعیت را که به طور کلی در پروتکل هایی یافت می شود که عملاً هیچ شیء از پیش تعریف شده ای ارائه نمی دهند، کاهش می دهد.

پاوریست های این پروتکل های جایگزین اصرار دارند که هر شی مورد نیاز را می توان از اشیاء موجود “ساخت” کرد.

اگرچه داشتن برخی از اشیاء از پیش تعریف شده، DNP3 را به یک چارچوب طراحی و استقرار تا حدودی راحت‌تر برای مهندسان و تکنسین‌های SCADA تبدیل می‌کند.

DNP3 (پروتکل شبکه توزیع شده) مجموعه ای از پروتکل های ارتباطی است که بین اجزا در سیستم های اتوماسیون فرآیند استفاده می شود.

کاربرد اصلی آن در تاسیساتی مانند شرکت های برق و آب است. استفاده در سایر صنایع رایج نیست.

برای ارتباطات بین انواع مختلف تجهیزات جمع آوری و کنترل داده ها ایجاد شده است.

این نقش مهمی در سیستم‌های SCADA ایفا می‌کند، جایی که توسط ایستگاه‌های اصلی SCADA (معروف به مراکز کنترل)، واحدهای پایانه راه دور (RTUs) و دستگاه‌های الکترونیکی هوشمند (IED) استفاده می‌شود.

این در درجه اول برای ارتباطات بین یک ایستگاه اصلی و RTU یا IED استفاده می شود.

ICCP، پروتکل ارتباطات مرکز بین کنترل (بخشی از IEC 60870-6)، برای ارتباطات بین ایستگاه اصلی استفاده می شود.

 

DNP3

DNP3 یک پروتکل ارتباطی است که در سیستم های SCADA / “مانیتورینگ از راه دور” استفاده می شود.

این بسیار محبوب شده است زیرا “باز” ​​است. هر سازنده ای می تواند تجهیزات DNP3 را توسعه دهد که با سایر تجهیزات DNP3 سازگار باشد.

DNP3 از یک مدل Master/Remote استفاده می کند.

DNP3 معمولاً بین Masters andremote های مرکزی استفاده می شود که به طور گسترده پخش می شوند. استاد (فکر کنید “مرکز عملیات”) انسان (شما) و سیستم نظارت را به هم مرتبط می کند. کنترل از راه دور (فکر کنید “ایستگاه فرعی”) رابط بین اصلی و دستگاه(های) واقعی تحت نظارت یا کنترل را فراهم می کند.

مستر و کنترل از راه دور هر دو از کتابخانه ای از اشیاء مشترک برای تبادل داده استفاده می کنند. پروتکل DNP3 را می توان به طور قابل اعتماد روی رسانه هایی استفاده کرد که ممکن است در معرض تداخل نویز باشند.

DNP3 یک پروتکل SCADA مدرن باز، هوشمند، قوی و کارآمد است. می تواند

• درخواست و پاسخ با انواع داده های متعدد در پیام های واحد،
• پیام ها را به چند فریم تقسیم کنید تا از تشخیص و بازیابی عالی خطا اطمینان حاصل کنید،
• فقط داده های تغییر یافته را در پیام های پاسخ قرار دهید،
• اولویت هایی را به اقلام داده اختصاص دهید و بر اساس اولویت آنها به صورت دوره ای موارد داده را درخواست کنید،
• بدون درخواست (ناخواسته) پاسخ دهید،
• پشتیبانی از همگام سازی زمان و قالب استاندارد زمان،
• اجازه دادن چندین Master و عملیات نظیر به نظیر،
• و به اشیاء قابل تعریف کاربر از جمله انتقال فایل اجازه دهید.

چگونه عناصر DNP3 ارتباط برقرار می کنند؟

DNP3 از ۲۷ کد تابع اصلی برای تبادل داده بین Masters (در نظر بگیرید “Control Center”) و Remote ها (“Pump Yard”) استفاده می کند.

برخی از این کدهای تابع به استاد امکان می‌دهند تا اطلاعات وضعیت را از یک کنترل از راه دور درخواست و دریافت کند. سایر کدهای عملکرد یک Master را قادر می‌سازد تا تنظیمات کنترل از راه دور را تغییر دهد.

کدهای عملکرد دیگری برای DNP3 Master برای کنترل کنترل از راه دور – یا چرخ دنده در کنار کنترل از راه دور تعریف شده است. یک کد تابع ارائه شده است تا کنترل از راه دور بتواند به رویدادهای خاصی که در منطقه رخ می دهد با یک پیام ناخواسته پاسخ دهد.

همانطور که می بینید، بیشتر پیام ها توسط مدیر DNP3 صادر می شوند. از آنجایی که پیام ناخواسته می‌تواند توسط یک کنترل از راه دور راه‌اندازی شود، معمولاً برای گزارش هشدارها استفاده می‌شود.

این به‌جای اینکه منتظر درخواست بعدی باشد، به‌محض وقوع یک وضعیت هشدار، DNP3 Master را مطلع می‌کند.

درک کتابخانه شیء DNP3.

فریم ورک DNP3 شامل کتابخانه ای از اشیا است که در بسیاری از سیستم های SCADA استفاده می شود. این کتابخانه برای اعضای گروه کاربران DNP رایگان است. برای اطلاعات بیشتر به www.dnp.org مراجعه کنید.

این اشیاء استاندارد شامل ورودی های باینری هستند. اینها چیزهایی را گزارش می کنند که دو حالت دارند. برق روشن یا خاموش است، یک پانل دسترسی باز یا بسته است.

یک شی رایج دیگر یک ورودی آنالوگ است که برای گزارش چیزهایی استفاده می شود که دارای محدوده ای از مقادیر هستند. سرعت فن اگزوز می تواند از ۴۰ تا ۴۰۰ دور در دقیقه باشد. برق اصلی می تواند از ۱۱۰ تا ۱۲۸ VAC متفاوت باشد.

این کتابخانه طراحی پاسخگوی راه دور DNP3 را برای استفاده از این اشیاء رایج برای گزارش به Masters بالادست برای سازنده آسان می کند. همچنین ادغام داده‌های جمع‌آوری‌شده از راه دور و ارائه آن‌ها را برای Masters آسان‌تر می‌کند.

بدون این چارچوب از اشیاء مشترک، سازندگان باید مدل خود را برای گزارش وضعیت و ارائه قابلیت کنترل توسعه دهند. این مدل‌ها، اغلب بسیار متفاوت هستند، سپس باید در Masters «کامپایل» شوند و برای مدیریت کارآمد به نوعی از اشیاء مشترک تبدیل شوند.

ابزار دیگری که اغلب در این چارچوب‌های بازتر یافت می‌شود، یک رابط یا ماژول ترجمه اختصاصی برای دسترسی و کنترل از راه دور است.

اشیاء در کتابخانه DNP3 به گروه ها و تغییرات تقسیم می شوند. به عنوان مثال، گروه ورودی آنالوگ دارای شش تغییر برای ارائه مقادیر ۱۶ یا ۳۲ بیتی عدد صحیح یا ممیز شناور با یا بدون بیت مپ وضعیت است.

گروه رویداد آنالوگ دارای هشت تغییر برای ارائه مقادیر عدد صحیح یا ممیز شناور ۱۶ یا ۳۲ بیتی با بیت مپ وضعیت و با یا بدون مهر زمانی است.

توجه داشته باشید که گروه رویداد آنالوگ شامل تغییرات بدون بیت مپ وضعیت نیست.

درک ارتباطات لایه ای DNP3

DNP3 از مدل ارتباط لایه ای استفاده می کند:

• لایه برنامه چندین بخش را ترکیب می کند. یک واحد داده خدمات برنامه (ASDU) وجود دارد. سپس شیء بسته بندی شده وجود دارد. یک بلوک اطلاعات کنترل پروتکل برنامه (APCI) برای ایجاد یک واحد داده پروتکل برنامه (APDU) اضافه شده است.
• لایه انتقال، APDU را به بخش هایی با حداکثر اندازه ۱۶ بایت تقسیم می کند و آنها را با یک هدر کنترل انتقال ۸ بیتی و جداکننده های بخش ۱۶ بیتی CRC در یک transportFrame ترکیب می کند.
• لایه پیوند یک هدر به اطلاعات کنترل و آدرس اضافه می کند. بسته اکنون برای تحویل آماده است.

این لایه‌ها را می‌توان به مدل چهار لایه توسعه‌یافته توسط وزارت دفاع نگاشت (شما می‌توانید منشاء وزارت دفاع اینترنت را به خاطر بیاورید) با حذف لایه اینترنت وزارت دفاع.

اگر بسته از طریق یک LAN/WAN ارسال شود، سه لایه DNP3 در لایه برنامه جمع می شوند.

بسته مونتاژ شده توسط لایه انتقال در پروتکل کنترل حمل و نقل (TCP) پیچیده می شود، که به نوبه خود توسط اینترنت (تا حدودی واضح) در پروتکل اینترنت (IP) پیچیده می شود. لایه.

پروتکل دیتاگرام کاربر (UDP) نیز می تواند مورد استفاده قرار گیرد، اما برخی مسائل اضافی مربوط به تحویل قابل اعتماد در شبکه های شلوغ را ارائه می دهد.

لایه چهارم، لایه رابط شبکه است که در آن بسته مونتاژ شده در واقع به نوعی رسانه انتقال (به عنوان مثال، مس جفت تابیده، هم محوری یا فیبر RG58) متصل می شود.

در حالی که این مدل چند لایه ممکن است کمی گیج کننده به نظر برسد، اما به طور موثر وظایف ارتباطی را جدا می کند و در نهایت به طراحی و اجرای یک شبکه کمک می کند.

پیمایش لایه ها

برای نشان دادن این مدل لایه لایه، اجازه دهید به یک درخواست خواندن DNP3 از طریق یک شبکه LAN نگاه کنیم. DNP3 Master می خواهد از وضعیت قدرت کنترل از راه دور مطلع شود و یک پیام درخواست خواندن برای آن شی آماده می کند.

پس از عبور از هر سه لایه DNP3، پیام به لایه انتقال TCP/UDP ارسال می شود. لایه انتقال یک بلوک داده اضافه می‌کند که پورت اصلی و پورتی را که انتظار دارد فرآیند Remote DNP3 در آن به پیام‌ها گوش دهد، شناسه می‌دهد. سپس بسته به لایه IP ارسال می شود.

در اینجا، یک بلوک داده حاوی آدرس IP و Media Access Master و Remote اضافه می شود. سپس، بسته کامل به لایه Network Interface منتقل می شود.

لایه رابط شبکه دسترسی و در دسترس بودن رسانه را بررسی می کند. سپس بسته را برای انتقال روی رسانه قرار می دهد.

پس از عبور از پل ها و مسیریاب ها (چیزی مانند “بر روی رودخانه و از طریق جنگل”) بر اساس اطلاعات IP، بسته به کنترل از راه دور می رسد.

در اینجا، از همان چهار لایه به ترتیبی که در Master انجام شد، عبور می کند. ابتدا توسط لایه Network Interface از رسانه خارج می شود. پس از بررسی دست نخورده و معتبر بودن بسته، لایه رابط شبکه آن را به لایه IP ارسال می کند.

لایه IP دسترسی رسانه و آدرس IP را بررسی می کند و آن را به لایه TCP/UDP می دهد، جایی که پورت هدف برای برنامه های متصل بررسی می شود. اگر برنامه ای در پورت هدف گوش می دهد، بسته به لایه Application ارسال می شود. اگر برنامه گوش دادن، فرآیند Remote DNP3 باشد، درخواست Read ارسال می‌شود.

در سه لایه خود حرکت می کند تا درخواست را بررسی کند و ببیند چه اطلاعاتی باید جمع آوری شود. سپس پاسخ از راه دور همان مسیر را به صورت معکوس دنبال می کند تا به Master برسد.

 

یک پیام DNP3 از لایه های پروتکل هم در مدیر و هم در عامل عبور می کند. هر لایه به یک وظیفه ارتباطی خاص می پردازد.

کمکی برای عیب یابی

شناخت این مدل لایه لایه DNP3 یافتن و رفع مشکلات شبکه را آسان تر می کند. هنگامی که مشکلی وجود دارد، می توانید به سادگی آن را از یک انتها، به سمت دیگر و به سمت بالا ردیابی کنید. لینک LAN/WAN و چراغ های وضعیت به شما لایه رابط شبکه را نشان می دهد. درخواست‌ها و پاسخ‌های اکو ICMP (پینگ) اطلاعاتی در مورد عملکرد صحیح لایه IP ارائه می‌دهند.

نشانگرهای پردازش DNP3 را می توان برای تأیید عبور بسته DNP3 از لایه TCP/UDP و عملکرد لایه Application استفاده کرد.

هر مرحله را می توان به طور مستقل تأیید کرد تا زمانی که همه مراحل برای ارتباط سرتاسر به درستی کار کنند.

مزایای DNP3

DNP3 Multiplexing، تکه تکه شدن داده ها و موارد دیگر را ارائه می دهد.

DNP3 یک پروتکل لایه ۲ است. این بدان معنی است که این موارد را فراهم می کند:

• چند پلکس کردن.
• تجزیه داده ها.
• خطا در بررسی.
• کنترل پیوند.
• مرتب‌سازی اولویت.

همچنین خدمات آدرس دهی لایه ۲ را برای داده های کاربر ارائه می دهد.

DNP3 به دستگاه های مختلف در سیستم های اتوماسیون فرآیند اجازه می دهد تا صحبت کنند. پروتکل DNP3 به طور گسترده برای تله متری برق، گاز و آب توسط شرکت های خدمات شهری استفاده می شود. همچنین امکان استفاده از DNP3 در مناطق دیگر وجود دارد، اگرچه این امر چندان رایج نیست.

ارتباطات SCADA از پروتکل DNP3 استفاده می کند.

سیستم های SCADA از پروتکل DNP3 برای استفاده بین اجزای سیستم استفاده می کنند. پروتکل DNP3 ارتباط بین سیستم اصلی SCADA، RTU ها و دستگاه های الکترونیکی هوشمند (IED) را فراهم می کند.

DNP3 برای پاسخگویی به نیاز به یک پروتکل استاندارد توسعه یافته است که به اجزای سیستم SCADA که توسط فروشندگان مختلف توسعه یافته است اجازه می دهد تا صحبت کنند. با استفاده از IEC 60870-5 به عنوان پایه، DNP3 به عنوان یک پروتکل باز برای استفاده در این موارد ایجاد شد.

این پروتکل برای استفاده سریع در شبکه‌های SCADA در دسترس بود و مشخصات ارائه شده توسط سازمان‌های آمریکای شمالی را برآورده می‌کرد.

DNP3 قابلیت اطمینان ارتباطات را برای برنامه های کاربردی فراهم می کند.

DNP3 قابلیت اطمینان ارتباطات را در محیط های سخت برنامه ها تضمین می کند. این پروتکل می تواند از تحریف شدن توسط EMI، اجزای سیستم قدیمی و انتقال ضعیف به دلیل قالب ارتباطی DNP3 جلوگیری کند.

اگرچه پروتکل دارای بررسی خطا است، DNP3 ایمن نیست. این یک ملاحظات مهم در طول برنامه ریزی SCADA است.

چرا اینقدر محبوب است؟

چند دلیل وجود دارد که چرا DNP3 بسیار قدرتمند است و معمولاً در سیستم های تله متری استفاده می شود:-

1. یک استاندارد و باز است. این بدان معنی است که “زبان” به راحتی در دسترس است و همه دستگاه های DNP3 با استفاده از یک زبان ارتباط برقرار می کنند. RTU های اولیه با استفاده از پروتکل های اختصاصی ارتباط برقرار می کردند که به این معنی بود که زبانی که آنها با آن ارتباط برقرار می کردند فقط برای سایر محصولات تولید شده توسط همان فروشنده شناخته شده بود. امروزه، بسیاری از دستگاه‌ها چند زبانه هستند، زیرا با استفاده از پروتکل اختصاصی خود ارتباط برقرار می‌کنند، اما همچنین امکان برقراری ارتباط با استفاده از پروتکل DNP3 را فراهم می‌کنند، این کار توسط بسیاری از فروشندگان انجام شده است تا امکان ارتقای تدریجی شبکه آنها به DNP3 در طول زمان فراهم شود.
2. این یک پروتکل مسیریابی است. این یک ویژگی مهم و کلیدی پروتکل DNP3 است که می تواند از طریق شبکه های ارتباطی مختلف برای رسیدن به مقصد پیام ارتباط برقرار کند. به عنوان مثال، ماشین SCADA ممکن است به یک اتصال اترنت متصل باشد اما RTU ممکن است روی یک اتصال رادیویی باشد، DNP3 می‌تواند از طریق یک RTU میانی از اتصال اترنت به اتصال رادیویی هدایت شود. این پیچیده به نظر می رسد، اما به زبان ساده، مانند این است که شما از طریق یک اتصال تلفنی با دوست خود صحبت می کنید، و آنها پیام را به شخصی در یک دستگاه واکی تاکی نزدیک منتقل می کنند. قدرت DNP3 این است که این کار را می توان به راحتی در اکثر RTU های مدرن بدون نیاز به نگاشت پیچیده I/O انجام داد.
3. از کانال ارتباطی به خوبی استفاده می کند. DNP3 به گونه‌ای طراحی شده است که بتواند هم در شبکه‌های اترنت پرسرعت و هم در شبکه‌های رادیویی با سرعت کم کار کند و «فقط در صورت لزوم» در برقراری ارتباط بسیار خوب است. به عنوان مثال، هنگامی که یک پمپ روشن یا خاموش می شود، DNP3 پیامی را از طریق اطلاع SCADA از آن تغییر ارسال می کند. پروتکل‌های نظرسنجی ثابت، مانند MODBUS نمی‌توانند به این هدف دست یابند زیرا باید دائماً همه داده‌ها را با نظرسنجی به‌روزرسانی کنند. به قیاس انسانی خودمان برگردیم، این مانند این است که شما مدام از دوست خود بخواهید به شما بگوید چراغ راهنمایی چه چیزی را نشان می دهد، در یک مثال پروتکل نظرسنجی، دوست دائماً می گوید سبز، سبز، سبز، سبز، سپس قرمز، قرمز، قرمز. دوم یا بیشتر با DNP3،
4. بسیاری از دوستان در یک زمان. معنی این نکته شماره ۳ در بالا این است که می‌توانید همزمان با دوستان زیادی گفتگو کنید و این در واقع قدرت DNP3 است که به بسیاری از ایستگاه‌های پمپاژ، پست‌ها یا چاه‌های گاز اجازه می‌دهد در یک شبکه با هم ارتباط برقرار کنند.

منبع مقاله: dpstele

در صورت هرگونه سوال و نظر با مجموعه پرگاران تماس حاصل فرمایید.

جهت کسب اطلاعات بیشتر اینجا کلیک کنید.