Protocole DNP3 : architecture, fonctionnement, codes de fonction, format de données et ses applications

Le DNP3 ou Distributed Network Protocol3 a été lancé en 1992 par une société japonaise pour établir un protocole de communication entre systèmes distribués. DNP3 est un protocole de contrôle de périphérique basé sur le réseau qui est utilisé pour la communication entre un périphérique et un périphérique d'entrée/sortie distant. Ce protocole dépend principalement d'un modèle orienté objet qui diminue le mappage des bits de données généralement requis par d'autres protocoles moins orientés objet. Il est principalement utilisé entre les postes maîtres centraux ainsi que les unités distantes distribuées où le poste maître central fonctionne simplement comme une interface entre le gestionnaire de réseau humain ainsi que le système de surveillance. L'unité distante distribuée est l'interface entre la station maîtresse et l'appareil physique observé et contrôlé dans les zones éloignées. L'échange de données entre ces deux peut être fait par la bibliothèque d'objets communs. Cet article donne un aperçu de la Protocole DNP3 – travailler avec des applications.

Qu'est-ce que le protocole DNP3 ?

L'ensemble des protocoles de communication utilisés entre les différents composants des systèmes d'automatisation de processus est connu sous le nom de protocole DNP3. Ce protocole a été principalement conçu à des fins de communication entre différents types d'équipements d'acquisition et de contrôle de données. Alors dans Systèmes SCADA , ce protocole joue un rôle essentiel lorsqu'il est utilisé par les RTU, les SCADA et les IED.

Architecture du protocole DNP3 et son fonctionnement

Le DNP3 est une troisième version du protocole de réseau distribué. Il a une interrogation d'intégrité et trois niveaux d'interrogation, où l'interrogation d'intégrité est utilisée pour saisir les données lors d'une interrogation.

L'architecture du réseau DNP3 peut être monodiffusion, multipoint et connecteur de données/architectures hiérarchiques.

L'architecture monodiffusion : est également connue sous le nom d'architecture un à un, ici la station maîtresse ne peut communiquer qu'avec une station externe, alors que dans architecture multipoint la station maîtresse peut communiquer avec plus d'un appareil de station externe, ce qui signifie qu'elle peut communiquer avec plusieurs appareils de station externe. L'architecture de connecteur de données/hiérarchique est une combinaison d'architectures multipoint et monodiffusion.

Le protocole de communication DNP3 est couramment utilisé pour les services publics d'électricité, l'eau et les égouts, le pétrole et le gaz, le transport et d'autres environnements SCADA. Il vous permet de visualiser des niveaux importants en temps réel et historiquement, tels que la température, l'humidité, le niveau de la batterie, la tension, le niveau de carburant, etc. Il vous permet également de détecter les problèmes et de les corriger rapidement, et vous pouvez également éliminer les goulots d'étranglement et les inefficacités.

La conception du protocole DNP3 peut se faire sur la base des couches du modèle OSI comme la liaison de données, le transport, l'application et la couche utilisateur. Ce protocole offre la flexibilité de connecter un seul maître via au moins une ou plusieurs stations externes au-dessus des supports physiques série et Ethernet.
Les autres architectures possibles comprennent principalement diverses connexions principales avec une seule station externe et des opérations peer-to-peer. Habituellement, le maître lance des commandes de contrôle pour demander des données ou activer des dispositifs gérés via la station externe. Cette station externe réagit simplement au maître en transmettant les informations appropriées.

Basé sur le modèle OSI, le protocole DNP3 comprend quatre couches de liaison de données, de fonction de transport, d'application et de couche utilisateur. Ici, la couche de liaison de données en bas rendra la liaison physique plus fiable en adressant et en détectant les erreurs. La fonction de transport assemble simplement les trames de la couche liaison en fragments de la couche application. Cette couche prend l'intégralité du message et spécifie quelles données sont préférées à la couche utilisateur ci-dessus. Chaque message peut avoir plusieurs types de données comme des entrées et sorties analogiques, binaires et de compteur.

Comment fonctionne le protocole DNP3 ?

Le protocole DNP3 fonctionne simplement en utilisant 27 codes de fonction fondamentaux pour permettre la communication entre les stations maîtresses et les unités distantes. Ainsi, certains codes de fonction permettront au maître de demander et d'obtenir l'état des informations d'un dispositif distant et d'autres codes de fonction permettront au maître de décider ou de corriger la configuration de l'unité distante.

Plusieurs codes de fonction sont principalement utilisés dans le poste maître DNP3 pour contrôler l'équipement ou l'unité distante sur des sites distants. La station maître DNP3 émet la plupart des communications vers l'appareil distant de DNP3. Mais, le message non sollicité (message o/p) est initié par une unité distante, et il génère une alarme. Ainsi, ce message donne une alerte au maître lorsqu'une alarme se produit.

Codes de fonction

Les codes de fonction de DNP3 incluent les suivants.

Format de message DNP3

La structure du format de message de DNP3 est illustrée ci-dessous. Si nous examinons cette structure, nous pouvons observer que les messages sont échangés entre les maîtres et les télécommandes. Le protocole de télémétrie série (TBOS) est orienté octet en échangeant un seul octet pour communiquer.

Les protocoles de télémétrie série étendus tels que TABS sont orientés paquets avec des paquets d'octets qui sont échangés pour communiquer. Ces paquets comprennent normalement des octets d'en-tête, de données et de somme de contrôle. Le protocole DNP3 est orienté paquets et utilise la structure de paquets illustrée dans la figure suivante.

Dans le diagramme de format de message ci-dessus, l'ASDU DNP3 (unité de données de service d'application) est utile pour l'ajustement du contenu intelligent qui est contrôlé à la fois par des qualificateurs et des champs indexSize. Ainsi, cette conception rendra les données d'application accessibles dans des configurations flexibles.

Voyons maintenant comment les données sont échangées, en particulier dans le modèle de communication en couches.
La couche application dans le schéma ci-dessus combine un ASDU (unité de données de service d'application) et un objet empaqueté par un bloc APCI (contrôle de protocole d'application) pour créer une APDU (unité de données de protocole d'application).

La couche de transport divisera l'unité de données de service d'application ou APDU en différents segments d'une taille maximale de 16 octets et les regroupera par un en-tête de contrôle de transport de 8 bits et des séparateurs CRC de segment de 16 bits dans une trame de transport.

La couche de liaison est mappée sur le modèle à 4 couches qui est développé par le DoD (Department of Defense) via la couche Internet du DoD omise. Si le transport en série est utilisé, l'assemblage des paquets est effectué et situé sur le support de transport pour la livraison.

Si le paquet est transmis sur un LAN ou un WAN, alors 3 couches DNP3 sont enroulées dans la première couche. Le paquet qui est assemblé peut être enveloppé dans le TCP (Transport Control Protocol) via la couche de transport qui est enveloppé dans l'IP (Internet Protocol) via la couche Internet. L'UDP (User Datagram Protocol) peut également être utilisé, mais présente quelques problèmes supplémentaires liés à une livraison fiable au sein de réseaux condensés.

Format de données DNP3

DNP est largement utilisé pour contrôler le message passant entre la station centrale et les unités de contrôle. Le format de données de DNP3 comprend principalement deux sections, l'en-tête et les sections de données. De plus, l'en-tête est séparé en six sous-sections.

Le format de la trame de données et la taille nécessaire de chaque champ sont indiqués dans la figure ci-dessus. Dans ce diagramme, Sync est le premier champ qui est de 1 octet et il spécifie le début de la trame.
Cette valeur de champ est fixée à 0564, donc une fois qu'une trame est reçue en examinant la position du champ Sync, le mappage peut être effectué efficacement.

La longueur de champ fournit la longueur de trame entière de sorte qu'un tampon particulier peut être affecté à la destination pour contenir les trames entrantes. Ainsi, la deuxième trame est 'Champ de contrôle' qui décrit l'action de contrôle requise à l'extrémité du récepteur.

Le champ de contrôle inclura la valeur hexadécimale 41 sinon 42 en fonction du type d'action. Après cela, la destination et le champ d'adresse source fourniront les adresses de destinataire prévues et le nœud d'envoi.
Le CRC ou Cyclic Redundancy Check est le dernier champ qui aidera à vérifier l'erreur de trame. Une valeur de contrôle est connectée au message au moment de la transmission qui sera contre-vérifiée à l'extrémité de réception. Une fois que cette valeur correspond, elle spécifie la non-existence d'erreur dans la trame. La section de données est de 2 à 4 octets mais elle n'a aucun rôle dans le contrôle de la transmission des messages.

La figure ci-dessus montre le message de contrôle transmis au format DNP3 d'une station à l'autre comme le contrôle à la destination. Pour la communication de diverses actions aux destinations, les champs comme le champ de contrôle ainsi que l'adresse de destination alors que certains champs ne changeront pas pour toutes les communications.

Exemple de système de surveillance DNP3

Le schéma du maître DNP3 et du système de surveillance à distance est illustré ci-dessous. Ce modèle est utilisé pour transférer des données entre deux appareils comme le maître et la télécommande en utilisant DNP3.

Le diagramme du maître DNP3 et du système de surveillance à distance est illustré ci-dessous. Ce modèle est utilisé pour transférer des données entre deux appareils comme le maître et la télécommande en utilisant DNP3. Ici, le maître est l'ordinateur et l'esclave ou la télécommande est la station externe. Les données transmises sont soit des données statiques, des données d'événement et acceptent des données d'événement non sollicitées.

Le protocole DNP3 est normalement utilisé entre le maître (ordinateur) et la télécommande (Outstation). Ici, le maître est utilisé pour fournir une interface entre le gestionnaire de réseau humain ainsi que le système de surveillance. La télécommande fournit l'interface entre le maître et l'appareil physique qui sont contrôlés ou surveillés.

Le maître et la télécommande utilisent une bibliothèque d'objets communs pour l'échange de données. Ici, les données sont Le protocole DNP3 est un protocole interrogé qui inclut des fonctionnalités conçues avec soin. Une fois que la station maître est connectée à une télécommande, une interrogation d'intégrité peut être effectuée, ce qui est très important pour l'adressage DNP3 car, pour un point de données, elles renvoient toutes les valeurs mises en mémoire tampon et comprennent également la valeur actuelle du point.

Généralement, les pilotes DNP3 peuvent effectuer régulièrement différents sondages comme un sondage d'intégrité, une classe 1, une classe 2 et une classe 3. Dans le sondage d'intégrité, le DNP3 demande simplement à la station externe de transmettre sa classe 1, classe 2 et classe 3. données d'événement et données statiques de classe 0 dans l'ordre chronologique. Un sondage d'intégrité est normalement utilisé pour synchroniser les bases de données du maître et de l'esclave DNP3 et a donc tendance à se voir attribuer un taux de sondage lent. En règle générale, les interrogations de classe 1, classe 2 et classe 3 sont utilisées pour récupérer des événements de classe individuels à des taux variables en fonction de l'importance de ces événements. Les événements les plus critiques sont attribués aux classes qui ont le taux d'interrogation le plus rapide.

Différence entre DNP3 et CEI 61850

La différence entre DNP3 et CEI 61850 comprend les éléments suivants.

Différence entre DNP3 et Modbus

La différence entre DNP3 et Modbus comprend les éléments suivants.

Avantages et inconvénients de DNP3

La avantages du protocole DNP3 J'inclus ce qui suit.

• DNP3 est un protocole standard ouvert, de sorte que tout concepteur peut concevoir un équipement DNP3 bien adapté aux autres équipements DNP3.
• DNP3 offre de nombreuses fonctionnalités grâce à un protocole intelligent et robuste.
• Il peut demander et répondre via plusieurs types de données dans des messages uniques
• Il permet plusieurs opérations maître et peer-to-peer
• Il prend en charge le format d'heure standard et la synchronisation de l'heure.
• Les coûts de logiciel seront réduits.
• Aucune exigence pour les traducteurs de protocole.
• Moins de maintenance et de tests.

Les inconvénients du protocole DNP3 sont les suivants.

Le DNP3 utilise une RTU série et la met à niveau via une RTU Ethernet (ERTU). Si la bande passante du canal de communication vers cette station n'est pas également améliorée, l'utilisateur aura une liaison plus lente en raison de la surcharge mise en œuvre lors de l'encapsulation du DNP3 via TCP/IP.

Applications DNP3

La Applications DNP3 inclure les éléments suivants.

• DNP3 permet à différents appareils au sein des systèmes d'automatisation de processus de communiquer.
• Différentes entreprises de services publics utilisent largement ce protocole pour les systèmes de télémétrie de gaz, d'électricité et d'eau.
• Il est utilisé dans les communications SCADA.
• Le protocole de communication DNP3 est utilisé dans les systèmes de surveillance à distance et SCADA.
• Cela s'applique à l'ensemble de l'environnement SCADA, qui comprend les communications du maître à la télécommande et de la RTU à l'IED, ainsi que dans les applications réseau.

Ainsi, il s'agit de un aperçu du protocole DNP3 – travailler avec des applications. La Spécification du protocole DNP3 dépend principalement du modèle d'objet. Ainsi, ce modèle diminue simplement le mappage des bits de données qui est généralement nécessaire avec d'autres protocoles moins orientés objet. Pour les techniciens et ingénieurs SCADA, le fait d'avoir des objets prédéfinis rendra le cadre de conception et de déploiement DNP3 plus confortable. Voici une question pour vous, quel est le protocole?