بروتوكول DNP3: العمارة ، والعمل ، ورموز الوظائف ، وتنسيق البيانات وتطبيقاتها

تم إطلاق DNP3 أو بروتوكول الشبكة الموزعة 3 في عام 1992 من قبل شركة يابانية لإنشاء بروتوكول للاتصال بين الأنظمة الموزعة. DNP3 هو بروتوكول التحكم في الجهاز المستند إلى الشبكة والذي يستخدم للاتصال بين الجهاز وجهاز الإدخال / الإخراج عن بُعد. يعتمد هذا البروتوكول بشكل أساسي على نموذج موجه للكائنات يقلل من تعيين بت البيانات المطلوب عادةً بواسطة بروتوكولات أخرى أقل توجهاً للكائنات. يتم استخدامه بشكل أساسي بين المحطات الرئيسية المركزية وكذلك الوحدات البعيدة الموزعة حيث تعمل المحطة الرئيسية المركزية ببساطة كواجهة بين مدير الشبكة البشرية وكذلك نظام المراقبة. الوحدة البعيدة الموزعة هي الواجهة بين المحطة الرئيسية والجهاز المادي الذي يتم مراقبته والتحكم فيه في المناطق البعيدة. يمكن أن يتم تبادل البيانات بين هذين من خلال مكتبة الكائنات المشتركة. تتناول هذه المقالة نظرة عامة على بروتوكول DNP3 - العمل مع التطبيقات.

ما هو بروتوكول DNP3؟

تُعرف مجموعة بروتوكولات الاتصال المستخدمة بين المكونات المختلفة داخل أنظمة أتمتة العمليات باسم بروتوكول DNP3. تم تصميم هذا البروتوكول بشكل أساسي لأغراض الاتصال بين أنواع مختلفة من أجهزة الحصول على البيانات والتحكم فيها. حتى في أنظمة SCADA ، يلعب هذا البروتوكول دورًا أساسيًا عندما يتم استخدامه من قبل RTUs و SCADAs و IEDs.

بنية بروتوكول DNP3 وعمله

DNP3 هو إصدار ثالث من بروتوكول الشبكة الموزع. يحتوي على استطلاع واحد للنزاهة وثلاثة مستويات اقتراع ، حيث يتم استخدام استطلاع النزاهة للحصول على البيانات في استطلاع واحد.

يمكن أن تكون بنية شبكة DNP3 عبارة عن بنيات أحادية الإرسال ومتعددة الإسقاط وموصل بيانات / بنية هرمية.

العمارة أحادية الإرسال: يُعرف أيضًا باسم الهندسة المعمارية الفردية ، حيث يمكن للمحطة الرئيسية هنا الاتصال بمحطة خارجية واحدة فقط ، بينما في هندسة multidrop يمكن للمحطة الرئيسية الاتصال بأكثر من جهاز خارجي واحد مما يعني أنه يمكنها الاتصال بأجهزة محطة خارجية متعددة. موصل البيانات / البنية الهرمية عبارة عن مزيج من معماريات أحادية الإرسال ومتعددة.

يستخدم بروتوكول الاتصال DNP3 بشكل شائع للمرافق الكهربائية والمياه والصرف الصحي والنفط والغاز والنقل وبيئات SCADA الأخرى. يسمح لك بمشاهدة المستويات المهمة في الوقت الفعلي وتاريخيًا ، والتي يمكن أن تكون درجة الحرارة والرطوبة ومستوى البطارية والجهد ومستوى الوقود وما إلى ذلك ، كما يسمح لك باكتشاف المشكلات وتصحيحها بسرعة ، كما يمكنك التخلص من الاختناقات وعدم الكفاءة.

يمكن تصميم بروتوكول DNP3 بناءً على طبقات نموذج OSI مثل ارتباط البيانات والنقل والتطبيق وطبقة المستخدم. يتمتع هذا البروتوكول بالمرونة لتوصيل سيد واحد من خلال محطة خارجية واحدة أو أعلى على الأقل فوق الوسائط الفعلية التسلسلية وكذلك إيثرنت.
تشتمل الأبنية المحتملة الأخرى بشكل أساسي على اتصالات رئيسية متنوعة مع محطة خارجية واحدة وعمليات نظير إلى نظير. عادة ، يبدأ السيد أوامر التحكم لطلب البيانات من أو تنشيط الأجهزة التي تتم إدارتها من خلال المحطة الخارجية. هذه المحطة الخارجية تتفاعل ببساطة مع السيد عن طريق إرسال المعلومات المناسبة.

استنادًا إلى نموذج OSI ، يشتمل بروتوكول DNP3 على أربع طبقات من ارتباط البيانات ووظيفة النقل وطبقة التطبيق والمستخدم. هنا ، ستجعل طبقة ارتباط البيانات في الجزء السفلي الارتباط المادي أكثر موثوقية من خلال معالجة واكتشاف الأخطاء. تقوم وظيفة النقل ببساطة بتجميع إطارات طبقة الارتباط في أجزاء طبقة التطبيق. تأخذ هذه الطبقة الرسالة بأكملها وتحدد البيانات المفضلة لطبقة المستخدم أعلاه. يمكن أن تحتوي كل رسالة على عدة أنواع من البيانات مثل المدخلات والمخرجات التناظرية والثنائية والعدادية.

كيف يعمل بروتوكول DNP3؟

يعمل بروتوكول DNP3 ببساطة عن طريق استخدام 27 رمز وظيفي أساسي للسماح بالاتصال بين المحطات الرئيسية والوحدات البعيدة. حتى تسمح بعض رموز الوظائف للسيد بطلب حالة المعلومات والحصول عليها من جهاز بعيد ، وستسمح رموز الوظائف الأخرى للسيد بتحديد تكوين الوحدة البعيدة أو تصحيحه.

يتم استخدام العديد من رموز الوظائف بشكل أساسي في محطة DNP3 الرئيسية للتحكم في المعدات أو الوحدة البعيدة في المواقع البعيدة. تصدر محطة DNP3 الرئيسية معظم الاتصالات بالجهاز البعيد لـ DNP3. ولكن ، يتم بدء الرسالة غير المطلوبة (رسالة o / p) من خلال وحدة بعيدة ، وتقوم بإنشاء إنذار. بحيث تعطي هذه الرسالة تنبيهًا للسيد بمجرد حدوث إنذار.

رموز الوظائف

تتضمن رموز وظائف DNP3 ما يلي.

تنسيق رسالة DNP3

يتم عرض بنية تنسيق الرسالة لـ DNP3 أدناه. إذا فحصنا هذا الهيكل ، يمكننا أن نلاحظ أن الرسائل يتم تبادلها بين الماجستير وأجهزة التحكم عن بعد. بروتوكول القياس عن بعد التسلسلي (TBOS) موجه للبايت عن طريق تبادل بايت واحد للتواصل.

بروتوكولات القياس عن بعد التسلسلية الممتدة مثل TABS هي حزم موجهة مع حزم البايت التي يتم تبادلها للتواصل. وعادة ما تتضمن هذه الحزم الرأس والبيانات والبايت الاختباري. بروتوكول DNP3 موجه نحو الحزم ويستخدم بنية الحزمة الموضحة في الشكل التالي.

في الرسم التخطيطي لتنسيق الرسالة أعلاه ، تعتبر DNP3 ASDU (وحدة بيانات خدمة التطبيق) ذات قيمة لتعديل المحتوى الذكي الذي يتم التحكم فيه من خلال كل من المؤهلات وكذلك حقول indexSize. لذا فإن هذا التصميم سيجعل بيانات التطبيق قابلة للوصول من خلال تكوينات مرنة.

الآن دعونا نناقش كيفية تبادل البيانات خاصة في نموذج الاتصال متعدد الطبقات.
تجمع طبقة التطبيق في الرسم البياني أعلاه بين ASDU (وحدة بيانات خدمة التطبيق) وكائن مرزم بواسطة كتلة APCI (التحكم في بروتوكول التطبيق) لإنشاء APDU (وحدة بيانات بروتوكول التطبيق).

ستقوم طبقة النقل بتقسيم وحدة بيانات خدمة التطبيق أو APDU إلى أجزاء مختلفة بحد أقصى 16 بايت في الحجم وتعبئتها بواسطة رأس تحكم في النقل 8 بت وفواصل CRC مكونة من 16 بت في إطار نقل.

يتم تعيين طبقة الارتباط إلى النموذج المكون من 4 طبقات والذي تم تطويره من خلال DoD (وزارة الدفاع) من خلال حذف طبقة الإنترنت الخاصة بـ DoD. إذا تم استخدام النقل التسلسلي ، فسيتم تجميع الحزم ووضعها على وسائط النقل للتسليم.

إذا تم إرسال الحزمة عبر شبكة LAN أو WAN ، فسيتم تجميع 3 طبقات DNP3 في الطبقة الأولى. يمكن تغليف الحزمة التي تم تجميعها في TCP (بروتوكول التحكم في النقل) من خلال طبقة النقل التي يتم تغليفها داخل IP (بروتوكول الإنترنت) من خلال طبقة الإنترنت. يمكن أيضًا استخدام UDP (بروتوكول مخطط بيانات المستخدم) ولكنه يقدم بعض المشكلات الإضافية المتصلة بالتسليم الموثوق به داخل الشبكات المعبأة.

تنسيق بيانات DNP3

يستخدم DNP على نطاق واسع في التحكم في الرسالة التي تمر بين المحطة المركزية ووحدات التحكم. يتضمن تنسيق بيانات DNP3 بشكل أساسي قسمين هما الرأس وأقسام البيانات. علاوة على ذلك ، يتم فصل الرأس إلى ستة أقسام فرعية.

شكل إطار البيانات والحجم الضروري لكل حقل مبين في الشكل أعلاه. في هذا الرسم التخطيطي ، يعتبر حقل المزامنة هو الحقل الأول الذي يبلغ حجمه 1 بايت ويحدد بداية الإطار.
تم تثبيت قيمة الحقل هذه على 0564 ، لذلك بمجرد استلام الإطار عن طريق فحص موضع حقل المزامنة ، يمكن إجراء التعيين بكفاءة.

يوفر طول الحقل طول الإطار بالكامل بحيث يمكن تعيين مخزن مؤقت معين في الوجهة للاحتفاظ بالإطارات الواردة. لذا فإن الإطار الثاني هو 'حقل التحكم' الذي يصف إجراء التحكم المطلوب المطلوب عند طرف المستقبِل.

سيشمل حقل التحكم القيمة السداسية 41 وإلا 42 بناءً على نوع الإجراء. بعد ذلك ، ستوفر الوجهة وحقل عنوان المصدر عناوين المستلم المقصودة وعقدة الإرسال.
CRC أو Cyclic Redundancy Check هو الحقل الأخير الذي سيساعد في التحقق من خطأ الإطار. يتم توصيل قيمة فحص بالرسالة في وقت الإرسال والتي سيتم التحقق منها عند الطرف المستلم. بمجرد تطابق هذه القيمة ، فإنها تحدد عدم وجود خطأ داخل الإطار. قسم البيانات هو 2 إلى 4 بايت ولكن ليس له دور في التحكم في تمرير الرسالة.

يوضح الشكل أعلاه رسالة التحكم المرسلة بتنسيق DNP3 من محطة إلى أخرى مثل التحكم إلى الوجهة. لتوصيل الإجراءات المختلفة إلى الوجهات ، لن تتغير الحقول مثل حقل التحكم بالإضافة إلى عنوان الوجهة بينما لن تتغير بعض الحقول لجميع الاتصالات.

مثال على نظام مراقبة DNP3

يظهر الرسم التخطيطي لنظام DNP3 الرئيسي ونظام المراقبة عن بعد أدناه. يستخدم هذا النموذج لنقل البيانات بين جهازين مثل جهاز رئيسي وجهاز تحكم عن بعد باستخدام DNP3.

يتم عرض الرسم التخطيطي لنظام DNP3 الرئيسي ونظام المراقبة عن بعد أدناه. يستخدم هذا النموذج لنقل البيانات بين جهازين مثل جهاز رئيسي وجهاز تحكم عن بعد باستخدام DNP3. هنا السيد هو الكمبيوتر والعبد أو جهاز التحكم عن بعد هو المحطة الخارجية. البيانات المرسلة هي إما بيانات ثابتة وبيانات حدث وتقبل بيانات الأحداث غير المرغوب فيها.

يُستخدم بروتوكول DNP3 عادةً بين الجهاز الرئيسي (الكمبيوتر) والبعد (المحطة الخارجية). هنا ، يتم استخدام البرنامج الرئيسي لتوفير واجهة بين مدير الشبكة البشرية وكذلك نظام المراقبة. يوفر جهاز التحكم عن بُعد الواجهة بين الجهاز الرئيسي والجهاز المادي الذي يتم التحكم فيه أو مراقبته.

يستخدم كل من الماستر وجهاز التحكم عن بعد مكتبة كائنات مشتركة لتبادل البيانات. البيانات هنا هي بروتوكول DNP3 هو بروتوكول تم استقصائه يتضمن إمكانيات تم تصميمها بعناية. بمجرد توصيل المحطة الرئيسية بجهاز تحكم عن بعد ، يمكن إجراء استطلاع سلامة وهو أمر مهم للغاية لمعالجة DNP3 لأن نقطة البيانات تعيد جميع القيم المخزنة وتشكل القيمة الحالية للنقطة أيضًا.

بشكل عام ، يمكن لسائقي DNP3 إجراء استطلاعات رأي مختلفة بشكل روتيني مثل استطلاع النزاهة والفئة 1 والفئة 2 والفئة 3. في استطلاع النزاهة ، يطلب DNP3 ببساطة من المحطة الخارجية إرسال الفئة 1 والفئة 2 والفئة 3 بيانات الأحداث وبيانات الفئة 0 الثابتة بترتيب زمني. يستخدم استطلاع النزاهة عادةً لمزامنة قواعد بيانات DNP3 الرئيسي والعبد وبالتالي يميل إلى تخصيص معدل استقصاء بطيء. عادةً ما يتم استخدام استطلاعات الرأي من الفئة 1 والفئة 2 والفئة 3 لاستعادة أحداث الفصل الفردي بمعدلات متغيرة بناءً على أهمية تلك الأحداث يتم تخصيص المزيد من الأحداث المهمة للفئات التي تتمتع بمعدل اقتراع أسرع.

الفرق بين DNP3 و IEC 61850

يتضمن الاختلاف بين DNP3 و IEC 61850 ما يلي.

الفرق بين DNP3 و Modbus

يشمل الاختلاف بين DNP3 و Modbus ما يلي.

إيجابيات وسلبيات DNP3

ال مزايا بروتوكو DNP3 ل تشمل ما يلي.

• DNP3 هو بروتوكول قياسي مفتوح ، لذلك يمكن لأي مصمم تصميم معدات DNP3 التي تتوافق جيدًا مع معدات DNP3 الأخرى.
• يوفر DNP3 العديد من الإمكانات بسبب بروتوكول ذكي وقوي.
• يمكنه الطلب والرد من خلال العديد من أنواع البيانات داخل رسائل واحدة
• يسمح بالعديد من العمليات الرئيسية والند للند
• وهو يدعم تنسيق الوقت القياسي ومزامنة الوقت.
• سيتم تخفيض تكاليف البرمجيات.
• لا يوجد شرط لمترجمي البروتوكول.
• صيانة واختبار أقل.

تشمل عيوب بروتوكول DNP3 ما يلي.

يستخدم DNP3 وحدة RTU تسلسلية ويقوم بترقيتها من خلال Ethernet RTU (ERTU). إذا لم يتم أيضًا تحسين عرض النطاق الترددي لقناة الاتصال لتلك المحطة ، فسيكون لدى المستخدم ارتباط أبطأ بسبب الحمل المنفذ في التفاف DNP3 عبر TCP / IP.

تطبيقات DNP3

ال تطبيقات DNP3 تشمل ما يلي.

• يسمح DNP3 للأجهزة المختلفة داخل أنظمة أتمتة العمليات بالتواصل.
• تستخدم شركات المرافق المختلفة هذا البروتوكول على نطاق واسع لأنظمة قياس الغاز والكهرباء والمياه.
• يتم استخدامه في اتصالات SCADA.
• يستخدم بروتوكول الاتصال DNP3 في أنظمة المراقبة عن بعد و SCADA.
• ينطبق هذا على بيئة SCADA بأكملها والتي تشمل اتصالات من الرئيسي إلى البعيد ومن RTU إلى IED وأيضًا في تطبيقات الشبكة.

وبالتالي ، هذا كل شيء عن نظرة عامة على بروتوكول DNP3 - العمل مع التطبيقات. ال مواصفات بروتوكول DNP3 يعتمد بشكل أساسي على نموذج الكائن. لذلك يقلل هذا النموذج ببساطة من تعيين بت البيانات الذي يكون ضروريًا عادةً مع البروتوكولات الأخرى الأقل توجهاً للكائنات. بالنسبة لفنيي ومهندسي SCADA ، فإن وجود بعض الكائنات المحددة مسبقًا سيجعل DNP3 أكثر راحة في التصميم وإطار النشر. هنا سؤال لك ما هو البروتوكول؟