Czy od wyboru właściwego protokołu komunikacyjnego w urządzeniach może zależeć sprawność systemu SCADA?

W przemyśle funkcjonuje wiele protokołów komunikacyjnych, dzięki którym możemy nadzorować pracę urządzeń. Wiele z nich dedykowanych jest dla układów automatyki przemysłowej. Jeżeli chcemy monitorować pracę urządzeń elektroenergetycznych, najczęściej spotykane są protokoły to:  MODBUS (RTU lub TCP), DNP3 oraz IEC 60870-5-101 (lub 103), z czego dominują dwa pierwsze. Standardem w zakresie budowy cyfrowych stacji oraz protokołem komunikacyjnym jest również IEC 61850. Stosowany on jest natomiast przedewszystkich w cyfrowych przekaźnika zabezpieczeniowych.

Różnice między MODBUS a DNP3 są znaczące i mocno wpływają na jakość danych w systemie nadzoru, a tym samym na funkcjonalność całego zaimplementowanego systemu SCADA.

Oba protokoły są używane w wielu różnych rodzajach komunikacji, takich jak RS-232, RS-485 i TCP/IP. Jeśli chodzi o TCP/IP, MODBUS ma osobny wariant zwany MODBUS TCP/IP, natomiast DNP3 może pracować o standard TCP/IP. Urządzenia obiektowe w warstwie fizycznej mogą być połączone w magistrale komunikacyjne lub bezpośrednio do MASTER’a połączeniem peer-to-peer.

Protokół MODBUS oparty jest o pracę urządzeń w modelu MASTER-SLAVE. Urządzeniem typu MASTER jest lokalny sterownik obiektowy lub koncentrator danych, do którego podłączone są urządzenia obiektowe typu SLAVE. Transmisja danych odbywa się w systemie odpytywania (pooling) tj. zapytanie wysyłane jest przez urządzenie typu MASTER i tylko w odpowiedzi na nie SLAVE wysyła dane. Dane nie posiadają stempla czasu i ani statusu zdarzeń. Dane w ramce są nadpisywane i w przypadku, braku odczytu danej ramki w czasie (np. z powodu błędu komunikacji, bądź długiego czasu pooling’u) dane przepadają. Przy każdym pooling’u przez MASTER’a pobierana jest cała zdefiniowana ramka danych, bez względu czy wystąpiły zmiany czy nie.

Protokół DNP3, podobnie jak MODBUS również oparty jest o pracę w modelu MASTER-SLAVE. Mechanizm pooling’u jest zbliżony, a istotną różnicą jest to, że urządzenie typu SLAVE może zainicjować samo wysyłanie danych w przypadku wystąpienia zdarzenia nie czekając na zapytanie MASTER’a. Dzięki temu, ilość przesyłanych danych może być zredukowana, a tym samym przepustowość łącza może być lepsza. Dane przesyłane w protokole DNP3 posiadają znacznik czasu, co zdecydowanie ułatwia późniejszą analizę zdarzeń.

Podstawową zaletą MODBUS jest jego prostota, co ułatwia jego stosowania. Jest on zaimplementowany w bardzo dużej ilości produktów różnych producentów. Niestety brak sztywnego standardu sprawia, że sposób konfiguracji przez producentów jest dowolny. DNP3 natomiast jest bardziej uporządkowany i przede wszystkim mocno znormalizowany, co ułatwia komunikację z systemami SCADA oraz innymi urządzeniami.

Jak widać wybór odpowiedniego protokołu nie jest oczywisty. Jeżeli przesyłasz małe ilości danych z urządzeń obiektowych, zależy Ci na ograniczeniu ilości kanałów komunikacyjnych w sterowniki oraz na integralności danych bez znaczników czasowych – wybierz MODBUS. Jeśli natomiast z konkretnych urządzeń masz odczytywać oprócz pomiarów duże ilości możliwych sygnalizacji i zdarzeń, oraz ilość kanałów komunikacyjnych w sterowniku nie jest mocno ograniczona zdecydowanym faworytem będzie DNP3.

Niestety prostota implementacji MODBUS w urządzeniach sprawia, że jest to raczej dominujący protokół komunikacyjnych w urządzeniach elektroenergetycznych, w szczególności na niskim napięciu. W przypadku urządzeń pracujących w rozdzielnicach SN (cyfrowe przekaźniki zabezpieczeniowe, analizatory sieciowe, automatyki SZR/PPZ) często dostępny jest protokół DNP3, z pełni konfigurowalną ramką danych.

Leave a Comment