Protocolo DNP3: arquitectura, trabajo, códigos de función, formato de datos y sus aplicaciones

El DNP3 o Distributed Network Protocol3 fue lanzado en 1992 por una corporación japonesa para establecer un protocolo de comunicación entre sistemas distribuidos. DNP3 es un protocolo de control de dispositivos basado en red que se utiliza para la comunicación entre un dispositivo y un dispositivo de entrada/salida remoto. Este protocolo depende principalmente de un modelo orientado a objetos que disminuye el mapeo de bits de datos que normalmente requieren otros protocolos menos orientados a objetos. Se utiliza principalmente entre estaciones maestras centrales y unidades remotas distribuidas donde la estación maestra central simplemente funciona como una interfaz entre el administrador de la red humana y el sistema de monitoreo. La unidad remota distribuida es la interfaz entre la estación maestra y el aparato físico que se observa y controla en las áreas distantes. El intercambio de datos entre estos dos se puede realizar mediante la biblioteca de objetos comunes. Este artículo analiza una visión general de la protocolo DNP3 – trabajar con aplicaciones.

¿Qué es el protocolo DNP3?

El conjunto de protocolos de comunicación que se utilizan entre diferentes componentes dentro de los sistemas de automatización de procesos se conoce como protocolo DNP3. Este protocolo se diseñó principalmente para fines de comunicación entre diferentes tipos de equipos de adquisición y control de datos. así que en Sistemas SCADA , este protocolo juega un papel esencial cuando es utilizado por RTU, SCADA e IED.

Arquitectura del protocolo DNP3 y su funcionamiento

El DNP3 es una tercera versión del protocolo de red distribuida. Tiene una encuesta de integridad y tres niveles de encuesta, donde la encuesta de integridad se usa para obtener los datos en una encuesta.

La arquitectura de red DNP3 puede ser unidifusión, multipunto y conector de datos/arquitecturas jerárquicas.

La arquitectura de unidifusión: también se conoce como arquitectura uno a uno, aquí la estación maestra puede comunicarse solo con una estación remota, mientras que en arquitectura multipunto la estación maestra puede comunicarse con más de un dispositivo de estación externa, lo que significa que puede comunicarse con múltiples dispositivos de estación externa. El conector de datos/arquitectura jerárquica es una combinación de arquitecturas multipunto y unidifusión.

El protocolo de comunicación DNP3 se usa comúnmente para servicios eléctricos, agua y alcantarillado, petróleo y gas, transporte y otros entornos SCADA. Le permite ver niveles importantes en tiempo real e históricamente, que pueden ser temperatura, humedad, nivel de batería, voltaje, nivel de combustible, etc. También le permite detectar problemas y corregirlos rápidamente, y también puede eliminar cuellos de botella. e ineficiencias.

El diseño del protocolo DNP3 se puede realizar en función de las capas del modelo OSI como enlace de datos, transporte, aplicación y capa de usuario. Este protocolo tiene la flexibilidad para conectar un solo maestro a través de un mínimo de una o más estaciones remotas por encima de los medios físicos seriales y Ethernet.
Otras arquitecturas posibles comprenden principalmente varias conexiones maestras con una sola estación remota y operaciones de igual a igual. Por lo general, el maestro inicia comandos de control para solicitar datos o activar dispositivos que se administran a través de la estación remota. Esta estación remota simplemente reacciona ante el maestro transmitiendo información adecuada.

Basado en el modelo OSI, el protocolo DNP3 incluye cuatro capas de enlace de datos, función de transporte, aplicación y capa de usuario. Aquí, la capa de enlace de datos en la parte inferior hará que el enlace físico sea más confiable mediante el direccionamiento y la detección de errores. La función de transporte simplemente ensambla marcos de la capa de enlace en fragmentos de la capa de aplicación. Esta capa toma el mensaje completo y especifica qué datos se prefieren a la capa de usuario anterior. Cada mensaje puede tener varios tipos de datos, como entradas y salidas analógicas, binarias y de contador.

¿Cómo funciona el protocolo DNP3?

El protocolo DNP3 simplemente funciona mediante el uso de 27 códigos de función fundamentales para permitir la comunicación entre estaciones maestras y unidades remotas. De modo que algunos códigos de función permitirán que el maestro solicite y obtenga el estado de la información de un dispositivo remoto y otros códigos de función permitirán que el maestro decida o corrija la configuración de la unidad remota.

Varios códigos de función se utilizan principalmente en la estación maestra DNP3 para controlar el equipo o la unidad remota en sitios remotos. La estación maestra DNP3 emite la mayor parte de la comunicación al dispositivo remoto de DNP3. Pero, el Mensaje No Solicitado (mensaje o/p) se inicia a través de una unidad remota y genera una alarma. De modo que este mensaje da una alerta al maestro una vez que ocurre una alarma.

Códigos de función

Los códigos de función de DNP3 incluyen lo siguiente.

Formato de mensaje DNP3

La estructura de formato de mensaje de DNP3 se muestra a continuación. Si examinamos esta estructura, podemos observar que los mensajes se intercambian entre maestros y remotos. El protocolo de telemetría en serie (TBOS) está orientado a bytes al intercambiar un solo byte para comunicarse.

Los protocolos de telemetría en serie extendidos, como TABS, están orientados a paquetes con paquetes de bytes que se intercambian para comunicarse. Estos paquetes normalmente incluyen bytes de encabezado, datos y suma de verificación. El protocolo DNP3 está orientado a paquetes y utiliza la estructura de paquetes que se muestra en la siguiente figura.

En el diagrama de formato de mensaje anterior, la ASDU DNP3 (unidad de datos del servicio de aplicación) es valiosa para el ajuste del contenido inteligente que se controla mediante calificadores y campos indexSize. Por lo tanto, este diseño hará que los datos de la aplicación sean accesibles dentro de configuraciones flexibles.

Ahora analicemos cómo se intercambian los datos, especialmente en el modelo de comunicación en capas.
La capa de aplicación del diagrama anterior combina una ASDU (unidad de datos de servicio de aplicación) y un objeto empaquetado mediante un bloque APCI (control de protocolo de aplicación) para crear una APDU (unidad de datos de protocolo de aplicación).

La capa de transporte dividirá la unidad de datos del servicio de aplicación o APDU en diferentes segmentos con un tamaño máximo de 16 bytes y los empaquetará mediante un encabezado de control de transporte de 8 bits y separadores CRC de segmento de 16 bits en una trama de transporte.

La capa de enlace se asigna al modelo de 4 capas que se desarrolla a través del DoD (Departamento de Defensa) a través de la capa de Internet del DoD omitida. Si se utiliza el transporte en serie, el ensamblaje del paquete se realiza y se ubica en los medios de transporte para su entrega.

Si el paquete se transmite a través de una LAN o WAN, se acumulan 3 capas DNP3 en la primera capa. El paquete que se ensambla se puede envolver dentro del TCP (Protocolo de control de transporte) a través de la capa de transporte que se envuelve dentro del IP (Protocolo de Internet) a través de la capa de Internet. El UDP (Protocolo de datagramas de usuario) también se puede utilizar, pero presenta algunos problemas adicionales relacionados con la entrega confiable dentro de redes empaquetadas.

Formato de datos DNP3

DNP se utiliza ampliamente para controlar el paso de mensajes entre la estación central y las unidades de control. El formato de datos de DNP3 incluye principalmente dos secciones, el encabezado y las secciones de datos. Además, el encabezado se divide en seis subsecciones.

El formato del marco de datos y el tamaño necesario de cada campo se muestran en la figura anterior. En este diagrama, Sync es el primer campo que es de 1 byte y especifica el comienzo del cuadro.
El valor de este campo se fija en 0564, por lo que una vez que se recibe un marco al examinar la posición del campo de sincronización, el mapeo se puede realizar de manera eficiente.

La longitud del campo proporciona la longitud completa de la trama para que se pueda asignar un búfer particular en el destino para contener las tramas entrantes. Entonces, el segundo cuadro es 'Campo de control', que describe la acción de control que se debe solicitar en el extremo del receptor.

El campo de control incluirá el valor hexadecimal 41, de lo contrario, 42 según el tipo de acción. Después de eso, el campo de dirección de origen y destino proporcionará las direcciones de destino previstas y el nodo de envío.
El CRC o verificación de redundancia cíclica es el último campo que ayudará a verificar el error de trama. Se conecta un valor de verificación al mensaje en el momento de la transmisión, que se verificará de forma cruzada en el extremo receptor. Una vez que este valor coincide, especifica la inexistencia de error dentro del marco. La sección de datos es de 2 a 4 bytes, sin embargo, no tiene ninguna función en el control del paso de mensajes.

La figura anterior muestra el mensaje de control transmitido dentro del formato de DNP3 de una estación a otra como control a destino. Para la comunicación de varias acciones a los destinos, los campos como el campo de control y la dirección de destino, mientras que algunos campos no cambiarán para todas las comunicaciones.

Ejemplo de Sistema de Monitoreo DNP3

El diagrama del sistema de monitoreo remoto y maestro DNP3 se muestra a continuación. Este modelo se usa para transferir datos entre dos dispositivos como maestro y remoto usando DNP3.

El diagrama del sistema de monitoreo remoto y maestro DNP3 se muestra a continuación. Este modelo se usa para transferir datos entre dos dispositivos como maestro y remoto usando DNP3. Aquí el maestro es la computadora y el esclavo o remoto es la estación remota. Los datos transmitidos son datos estáticos, datos de eventos y aceptan datos de eventos no solicitados.

El protocolo DNP3 se usa normalmente entre el maestro (computadora) y el remoto (Outstation). Aquí, el maestro se usa para proporcionar una interfaz entre el administrador de la red humana y el sistema de monitoreo. El control remoto proporciona la interfaz entre el maestro y el dispositivo físico que se controla o supervisa.

Tanto el maestro como el remoto utilizan una biblioteca de objetos comunes para el intercambio de datos. Aquí los datos están El protocolo DNP3 es un protocolo sondeado que incluye capacidades diseñadas cuidadosamente. Una vez que la estación maestra está conectada a un control remoto, se puede realizar una encuesta de integridad que es muy importante para abordar DNP3 porque para un punto de datos devuelven todos los valores almacenados en búfer y también comprenden el valor actual del punto.

En general, los controladores DNP3 pueden realizar diferentes encuestas de forma rutinaria, como una encuesta de integridad, una clase 1, una clase 2 y una clase 3. En la encuesta de integridad, el DNP3 simplemente solicita a la estación remota que transmita su clase 1, clase 2 y clase 3. datos de eventos y datos estáticos de Clase 0 en orden cronológico. Una encuesta de integridad se usa normalmente para sincronizar las bases de datos del maestro y esclavo DNP3 y, por lo tanto, tiende a asignarse una tasa de encuesta lenta. Por lo general, los sondeos de Clase 1, Clase 2 y Clase 3 se utilizan para recuperar eventos de clases individuales a tasas variables en función de la importancia de esos eventos. Los eventos más críticos se asignan a las clases que tienen la tasa de sondeo más rápida.

Diferencia entre DNP3 e ​​IEC 61850

La diferencia entre DNP3 e ​​IEC 61850 incluye lo siguiente.

Diferencia entre DNP3 y Modbus

La diferencia entre DNP3 y Modbus incluye lo siguiente.

Pros y contras de DNP3

los ventajas del protocolo DNP3 Incluyo lo siguiente.

• DNP3 es un protocolo estándar abierto, por lo que cualquier diseñador puede diseñar equipos DNP3 que se adapten bien a otros equipos DNP3.
• DNP3 proporciona muchas capacidades debido a un protocolo inteligente y robusto.
• Puede solicitar y responder a través de varios tipos de datos dentro de mensajes individuales
• Permite varias operaciones master y peer-to-peer
• Es compatible con el formato de hora estándar y la sincronización de hora.
• Los costos de software se reducirán.
• No se requieren traductores de protocolo.
• Menos mantenimiento y pruebas.

Las desventajas del protocolo DNP3 incluyen lo siguiente.

El DNP3 usa una RTU serial y la actualiza a través de una RTU Ethernet (ERTU). Si el ancho de banda del canal de comunicación a esa estación no se mejora también, entonces el usuario tendrá un enlace más lento debido a la sobrecarga implementada al envolver el DNP3 a través de TCP/IP.

Aplicaciones DNP3

los aplicaciones DNP3 Incluya lo siguiente.

• DNP3 permite que diferentes dispositivos dentro de los sistemas de automatización de procesos se comuniquen.
• Diferentes empresas de servicios públicos utilizan ampliamente este protocolo para sistemas de telemetría de gas, electricidad y agua.
• Se utiliza en comunicaciones SCADA.
• El protocolo de comunicación DNP3 se usa en sistemas de monitoreo remoto y SCADA.
• Esto es aplicable en todo el entorno SCADA, que incluye comunicaciones de maestro a remoto y de RTU a IED, y también en aplicaciones de red.

Por lo tanto, todo esto se trata una descripción general del protocolo DNP3 – trabajar con aplicaciones. los Especificación del protocolo DNP3 depende principalmente del modelo de objeto. Por lo tanto, este modelo simplemente reduce el mapeo de bits de datos que suele ser necesario con otros protocolos menos orientados a objetos. Para los técnicos e ingenieros de SCADA, tener algunos objetos predefinidos hará que el marco de diseño e implementación de DNP3 sea más cómodo. Aquí hay una pregunta para ti, ¿cuál es el protocolo?