DNP3 Protokol

Podporované typy a verzie zariadení  
Konfigurácia komunikačnej linky
Konfigurácia komunikačnej stanice
Konfigurácia meraných bodov
Literatúra
Zmeny a úpravy
Revízie dokumentu

Podporované typy a verzie zariadení

Protokol DNP3 je telemetrický protokol určený na komunikáciu centrálnej stanice (Master Station, zvyčajne SCADA) s podriadenými stanicami (Outstation, zvyčajne PLC, RTU alebo iné IED - Intelligent Electronic Devices). Bol vyvinutý počas doby, keď IEC iba pracovalo na štandardoch skupiny IEC60870-5 (IEC 870-5-101 a IEC 870-5-104).

Protokol DNP3 definuje viacero skupín objektov (Groups - napr. Binary Input, Analog Input, Counter) a pre každú skupinu objektov viacero variácií (napr. pre Analog Input je to 32-bit with flag, 16-bit with flag, 32-bit without flag, 16-bit without flag, Single-precision floating point with flag..). Každý objekt je definovaný číslom skupiny a indexom (nezáporné číslo s veľkosťou 1, 2 alebo 4 bajty).

Zároveň DNP3 protokol zaraďuje objekty do 4 tried (Class 0 - statické objekty; Class 1..3 - dynamické objekty s registrovaním zmien). Podobne ako IEC 870-5-101 a IEC 870-5-104 podporuje DNP3 vyžiadanie si všetkých hodnôt konkrétnej triedy (výzva Poll), navyše je možné explicitné čítanie konkrétnej skupiny objektov s udaním variácie (prípadne s použitím variácie 0 - automatickej). Pri čítaní je možné žiadať dáta celej skupiny, prípadne špecifikovať konkrétny index, prípadne celý interval objektov.

Nad objektami sú podporené tieto aplikačné funkcie:

• Read (1) - čítanie objektov.
• Write (2) - jednofázový zápis objektov (s číselným kódom potvrdzujúcim úspešný zápis alebo hovoriacim o chybe zápisu).
• Select (3) + Operate (4) - dvojfázový zápis objektov, ktorý prakticky vylučuje možnosť chyby v dôsledku nedetekovaného rušenia na linke. Každá operácia vracia okrem návratového kódu aj skupinu, index a zapisovanú hodnotu.
• Direct Operate (5) - jednofázový zápis objektov (okrem číselného kódu operácia vracia aj skupinu, index a zapisovanú hodnotu).
• Direct Operate Non Return (6) - jednofázový zápis objektu bez potvrdenia (najmenej bezpečný).
• Enable Unsolicited Responses (20) - aktivácia posielania spontánnych zmien podriadenými stanicami.

Protokol podporuje aj posielanie spontánnych zmien podriadenými stanicami - s použitím aplikačnej funkcie Unsolicited Response (130).

Dáta sú posielané ako dátové pakety (Data Link Layer packet) nazývané aj transportné segmenty. Jeden alebo viacero transportných segmentov tvorí fragment aplikačnej vrstvy (Application Layer fragment). Fragment môže byť posielaný ako potvrdzovaný (funkčný kód dátovej vrstvy 3 - CONFIRMED_USER_DATA) alebo nepotvrdzovaný (funkčný kód dátovej vrstvy 4 - UNCONFIRMED_USER_DATA). Samotné transportné segmenty v rámci jedného fragmentu sú vždy potvrdzované - s výnimkou posledného (funkčný kód dátovej vrstvy 0 - ACK).

Tab. č. 1: Implementácia D2000 podporuje spracovanie nasledovných skupín objektov a ich variácií:

* Pozn: operácia Analýza znamená, že D2000 KOM dokáže analyzovať správu a priradiť hodnoty príslušnému meranému bodu. Napr. pre skupinu objektov Binary Input Event (2) sa hodnoty priraďujú meraným bodom zo skupiny Binary Input (1).

Pozn: D2000 KOM umožňuje poslať správu s typom zápisu aj mimo rozsah povolený normou - napr. pre skupinu Analog Output (41) je možné nakonfigurovať zápisovú operáciu s funkciou Write (2).

Implementácia D2000 podporuje aj synchronizáciu času (podľa parametrov nastavených na stanici) a browsovanie. Nie je podporená funkcia bezpečnej autentifikácie (secure authentication).

Konfigurácia komunikačnej linky

Kategória komunikačnej linky:

• Serial
• SerialOverUDP Device Redundant
• MOXA IP Serial Library
• TCP/IP-UDP: na linke sa konfiguruje IP adresa a UDP port podriadenej stanice (štandardný port pre DNP3 protokol je 20000). UDP port na strane D2000 KOM procesu je pridelený dynamicky. Ak je potrebné ho zafixovať, použite linku SerialOverUDP Device Redundant.
• TCP/IP-TCP: na linke sa konfiguruje IP adresa a TCP port podriadenej stanice (štandardný port pre DNP3 protokol je 20000). Parameter Číslo linky sa nepoužíva, nastavte  ho na 0.
  Pozn: ak sú na linke TCP/IP-TCP všetky stanice v stave StOFF, TCP spojenie bude zatvorené. Takto je možné riadiť TCP komunikáciu zo skriptu pomocou tell príkazu STSTAT.

Parametre protokolu linky

Dialóg konfigurácia linky - záložka Parametre protokolu.
Ovplyvňujú niektoré voliteľné parametre protokolu. Môžu byť zadané nasledovné parametre protokolu linky:

Konfigurácia komunikačnej stanice

• Komunikačný protokol DNP3.
• Adresa stanice: 16-bitové číslo z intervalu 0-65 519 (ostatné adresy majú špeciálne významy).

Parametre protokolu stanice

Môžu byť zadané nasledovné parametre protokolu stanice:

Konfigurácia meraných bodov

Možné typy hodnôt bodov: Ai, Ao, Di, Dout, Ci, Co, Qi, TxtI, TxtO, TiA, ToA, TiR, ToR.

Adresa meraného bodu

Úvod

Meraný bod zodpovedá jednému DNP3 objektu.

Minimálna konfigurácia meraného bodu spočíva v nakonfigurovaní parametrov Group a Index. Takýto meraný bod musí byť na strane zariadenia zaradený do niektorej z dynamických tried Class 1-3, aby jeho zmeny chodili spontánne, prípadne v rámci odpovede na Poll výzvu.

Pokiaľ sa jedná o statické dáta (zaradené do Class 0), prípadne o objekty, ktoré nie sú zaradené do žiadnej z tried Class 1-3, je nutné nakonfigurovať explicitné čítanie (Explicit Read). Podľa normy napr. objekty zo skupín Binary-Coded Decimal Integer (101), Unsigned Integer (102) a Octet String (110) môžu ale nemusia byť zaradené do triedy Class 0 a trieda Analog Input Reporting Deadband (34) nie je zaradená do triedy Class 0, takže jej objekty je nutné explicitne čítať.

Pri nakonfigurovaní explicitného čítania je možné zadať konkrétnu variáciu (alebo nechať hodnotu <Automatic>, čo znamená, že sa použije variácia 0). Ďalej je možné nakonfigurovať čítané rozpätie adries parametrom Range a prípadne parametrami From a To (požiadavka generovaná jedným meraným bodom tak môže vyčítavať dáta pre viacero meraných bodov, ktoré nemajú nakonfigurované explicitné čítanie, prípadne pre položky štruktúry). Pomocou parametra Read Period je možné nakonfigurovať vlastnú periódu čítania, odlišnú od periódy zadanej v parametroch stanice.

Ak je meraný bod výstupného typu, je možné parametrom Write nakonfigurovať zápis. Parameter Write Type vtedy udáva aplikačnú funkciu použitú na zápis, parameter Write Group skupinu objektov a Write Variation variáciu použitú pri zápise. Pokiaľ je nakonfigurovaný na meranom bode zápis, je nutné, aby bol zadaný parameter Range a pokiaľ konkrétna hodnota tohto parametra vyžaduje zadanie parametrov From a To, tak tieto musia mať rovnakú hodnotu.

Parametrom Disable sa dá meraný bod vypnúť (zakázať).

Obr - konfigurácia adresy meraného bodu v protokole DNP3

Detailný popis jednotlivých parametrov:

Skupina Adresa

Group: skupina objektov, do ktorej meraný bod patrí. Zoznam podporených skupín podľa normy je v Tabuľke č. 1 (sú podporené, ak v stĺpci Podporené operácie je hodnota Čítanie).

Index: index objektu v skupine objektov. Index je nezáporné číslo s veľkosťou 1, 2 alebo 4 bajty. Kombinácia Group + Index udáva adresu objektu v DNP3 protokole.

Disable: možnosť vypnúť (zakázať) meraný bod, takže nebude nadobúdať hodnoty a v prípade výstupných meraných bodov nebude fungovať ani zápis.

Skupina Read / write parameters

Explicit Read: zapnutie explicitné čítania aplikačnou funkciou Read (1). Nutné je nakonfigurovať aj parametre Variation, Range a v závislosti od hodnoty Range voliteľne aj From a To.

Read Period: kladné reálne číslo, ktoré udáva periódu explicitného čítania v sekundách. Ak nie je zadané, použije sa perióda definovaná na stanici.

Variation: preferovaná variácia (formát špecifický pre konkrétnu skupinu) použitá pri explicitnom čítaní. Variácia <Automatic> sa posiela ako variácia 0 (podľa normy ňou master oznamuje, že nemá preferovaný formát a necháva výber na podriadenej stanici).

Range: rozsah objektov špecifikovaný pri explicitnom čítaní alebo pri zápise. Pri explicitnom čítaní je možné jednou výzvou načítať aj všetky objekty v konkrétnej skupine, prípadne celý interval objektov. Takto načítané hodnoty budú následne priradené aj meraným bodom, ktoré nemajú nakonfigurované explicitné čítanie, pokiaľ sa zhoduje Group + Index. Podobne budú načítané hodnoty priradené aj položkám cieľovej štruktúry, ak je špecifikovaná v záložke Cieľ.
Podporené sú nasledovné rozsahy:

From, To: rozsah indexov resp. virtuálnych adries pre niektoré hodnoty parametra Range (0-5). Musí platiť, že From je menšie alebo rovné ako To. Ak je nakonfigurovaný na meranom bode zápis a konkrétna hodnota parametra Range vyžaduje zadanie parametrov From a To, tak tieto musia mať rovnakú hodnotu. 
Pozn: v praxi sme sa stretli s implementáciami DNP3, ktoré podporovali zápis iba pri nastavení Range na hodnoty 7, 8 a 9 (1/2/4-octet count of objects), t.j. nepodporovali zápis so špecifikovaním Range na hodnoty 0, 1 a 2 (1/2/4-octet start/stop index) pomocou From a To, aj keď sa tieto nastavili na rovnakú hodnotu.

Write: pre výstupné merané body povolenie funkcie zápisu. Pri zápise je nutné špecifikovať aj parametre Range, Write Type, Write Group, Write Variation a v závislosti od Range aj From a To.

Write Type: aplikačná funkcia použitá na zápis. Podporené sú nasledovné funkcie:

Tabuľka č. 1 v stĺpci Podporené operácie pri operácii Zápis udáva, ktoré aplikačné funkcie sú v súlade s normou. Naša implementácia umožňuje použiť aj aplikačné funkcie nad rámec normy, pokiaľ ich konkrétne zariadenie podporuje.

Write Group: skupina objektov použitá pri zápise. Zoznam podporených skupín podľa normy je v Tabuľke č. 1 (zápis je podporený, ak v stĺpci Podporené operácie je hodnota Zápis).

Write Variation: variácia použitá pri zápise.  Zoznam podporených variácií pre jednotlivé skupiny podľa normy je v Tabuľke č. 1 v stĺpci Variácie (zápis je podporený, ak v stĺpci Podporené operácie je hodnota Zápis).

Browse

Pre merané body je možné zistiť zoznam objektov a ich dátové typy, pokiaľ KOM proces beží a komunikácia so stanicou je nadviazaná.
Po kliknutí na tlačidlo Browse sa otvorí okno DNP3 Item Browser a zobrazí sa zoznam doteraz načítaných objektov. Zoznam objektov sa vytvára dynamicky v dôsledku prijatých správ (odpovedí na výzvy Read, Poll ako aj v dôsledku spontánneho príchodu hodnôt).

Zároveň - pokiaľ je parameter Browse All Groups nastavený na hodnotu YES, sú pri prvom browsovaní (ako aj pri browsovaní v dôsledku stlačenia tlačidla Refresh) poslané výzvy na čítanie všetkých podporovaných skupín objektov.

Zoznam objektov je dynamický, t.j. pri príchode novej hodnoty do KOM procesu alebo po zistení nového objektu je aktualizovaný.

Dvojité kliknutie na konkrétny riadok spôsobí, že sa parametre Group a Index vložia do konfigurácie meraného bodu, z ktorého bolo okno DNP3 Item Browser otvorené.

Obr - okno DNP3 Item Browser

V okne sú zobrazené nasledovné informácie:

Group: skupina objektov. Okrem skupín konfigurovateľných v meraných bodoch sa v zozname môžu vyskytnúť aj "udalostné" skupiny (napr. Binary Input Event (2)), pokiaľ KOM proces prijal správu reportujúcu zmenu hodnoty objektu.

Index: index objektu v skupine objektov

Source: zdroj údajov:

• READ - dáta prišli ako odpoveď na požiadavku čítania dát - funkcia Read (1)
• POLLED - dáta prišli ako odpoveď na požiadavku Poll - čítanie skupiny objektov Class Objects (60)
• SPONTANEOUS - dáta prišli spontánne - s použitím funkcie Unsolicited Response (130)

Value: aktuálna hodnota, podľa konkrétnej skupiny objektov a variácie aj s príznakmi a časovou značkou

Point: názov meraného bodu, ktorý je nakonfigurovaný pre tento objekt. Názvy sa môžu aj opakovať:

• ak je na záložke Cieľ v položke Cieľový stĺpec v konfigurácii meraného bodu uvedený stĺpec štruktúrovanej premennej
• ak sa jedná o "udalostnú" skupinu objektov a o skupinu objektov konfigurovateľnú v meraných bodoch, ktoré sú mapované do toho istého meraného bodu (na obrázku Analog Output Status (40) a Analog Output Event (42), oba s Index=0, meraný bod M.DNP3_OutSim_AnalogOutput41_2).

Filtrovanie v zozname objektov: prehľadávací dialóg umožňuje filtrovanie podľa hodnôt zobrazených v jednotlivých stĺpcoch. Nie je potrebné zadať ich celé. Postačuje zápis *FILTROVANÝ VÝRAZ*, kde hviezdičky reprezentujú ľubovoľný text pred začiatkom a koncom výrazu (napr. *put* zahŕňa input aj output).

Celkový počet objektov: v ľavej spodnej časti okna je zobrazený celkový počet objektov vo všetkých skupinách objektov.

Význam jednotlivých volieb a tlačidiel:

Copy all to clipboard

Skopírovanie zobrazených objektov a podrobností do schránky Windows - Clipboardu.

Refresh

Tlačidlom Refresh je možné vynútiť znovunačítanie zoznamu objektov zo zariadenia. Štandardne KOM proces načíta zoznam objektov a ich dátové typy iba pri prvej požiadavke a uchová ho v pamäti. Toto načítanie môže trvať v závislosti od počtu objektov a rýchlosti zariadenia dlhší čas. Následne posiela procesu/procesom CNF tieto uchované zoznamy, takže ďalšie naplnenie zoznamu v okne DNP3 Item Browser je už rýchle.

Cancel

D2000 Cnf má implementované recyklovanie prehliadacieho dialógu. Pokiaľ je dialóg zavretý tlačidlom Cancel alebo po výbere objektu, v skutočnosti je iba skrytý a je k dispozícii pre browsovanie iného meraného bodu v rámci tej istej stanice, takže sa zachová zoznam prehliadaných objektov. Kliknutie na krížik vpravo hore spôsobí skutočné zavretie dialógu.

Literatúra

IEEE Standard for Electric Power Systems Communications - Distributed Network Protocol (DNP3).

Zmeny a úpravy

-

Revízie dokumentu

• Ver. 1.0 - 28. máj 2019 - Vytvorenie dokumentu.

Požiadavky