1 DNP3通信規約概述
         DNP 3.0(Distributed Network Protocol Version 3.0，簡稱DNP3，下同)規約是目前在歐洲及北美比較流行的一種開放性結構的規約，在國內正逐漸成為主流性通信規約之一。它可用于電力系統子站系統、RTU、智能電子設備（IEDS）以及主站系統之間的通信。由于目前大部分國外配電自動化（DA）設備都支持DNP3，為使電力設備具有兼容性和標準性，大部分與國外電力主站配套的FTU(饋線終端單元)都使用DNP3通訊規約，DNP3規約是一個開放性公共遠動通信規約，現已成為主流遠動通信規約之一，廣泛應用于電力、城市供水等行業。
      DNP3規約是一種分層的通信規約，與OS1參考模型所采用的7層結構不同的是，DNP3規
約采用了由物理層、鏈路層、應用層組成的3層增強性能結構(EPA)，同時提供了一層稱之為偽傳輸層的輔助層用于通信信息的分段處理，其與常規OSI參考模型比較如下圖１所示：

圖１：DNP3的通訊模型

 

1．1 DNP3 數據鏈路層
         DNP3數據鏈路層規約文件規定了DNP3．0版的數據鏈路層、鏈路規約數據單元(1 PDU)以及數據鏈路服務和傳輸規程，采用FT3可變幀格式，其幀格式下圖２所示意：

圖２：DNP3數據鏈路層幀格式

     從圖２可以看出，1個FT3幀被定義為1個固定長度(10字節)的報頭，隨后是若干個可以選用的數據塊(最大長度16字節)，每個數據塊附有1個16位的CRC校驗碼，總的鏈路層幀長度不超過256字節。

1．2 DNP3 偽傳輸層
         DNP3偽傳輸層用于在原方站和從方站之間傳送超出鏈路規約數據單元(I PDU)所定義長度的信息。其格式如下圖３所示：

圖３：DNP3偽傳輸層幀格式

      從圖３可以看出，傳輸層報頭TH為傳輸控制字，1個字節；數據塊為應用用戶數據，1～249個字節，由于數據鏈路層的FT3幀格式中的長度字的最大限制為255，因此傳輸層數據
塊的最大長度為：255-5（鏈路層control + source +destination）-1（TH）=249。當應用層用戶數據長度大于249字節時，傳輸層將以多幀報文方式傳送，并每幀前加TH控制字，如1234=249+249+249+249+238，將分5幀傳送。

1．3 DNP3 應用層
         DNP3應用層定義了應用層報文(APDU)的格式。其中主站被定義為發送請求報文的站，而從站則為從屬設備，被請求回送報文的智能終端(1EDs)是事先規定了的。在DNP３中，只有被指定的主站能夠發送應用層的請求報文，而從站則只能發送應用層的響應報文。應用層報文格式分別如下圖４和圖５所示：
Request Header
請求報頭 Object Header對象標題 Data
數據 Object Header對象標題 Data
數據

圖４：DNP3應用層請求報文幀格式
 

圖５：DNP3應用層響應報文幀格式

1．4 DNP3 規約的主要特點
         DNP3采用Polling Cycle或Poll Group的通訊機制，具有如下特點：
1)采用德國西門子1200數字輸出模塊6ES7222-1HF32-0XB0全新現貨單一的變長FT3幀格式，既有利于不同長度信息的傳輸，又使得幀格式得到統一。
2)鏈路層報頭帶有源地址和目的地址，有利于采用多點共線物理層通道結構的數據傳輸。
3)支持主動上報(unsolicited response)的通信方式，有利于在故障發生時從站非請求主
動上報信息。

2 配置WinCC Telecontrol與TMW Protocol Test Harness模擬軟件進行DNP3規約通訊
        下面將詳細介紹如何配置WinCC Telecontrol作為主站與TMW Protocol Test Harness作為子站的進行DNP3規約通信，包括雙方的通信連接握手過程，各種數據對象庫(包括二進制輸入對象、包括二進制輸出對象、計數對象、模擬量輸入對象、模擬量輸出對象、時間對象、級類對象等)的數據交換機制原理和數據讀寫，通訊網絡結構如下圖6所示：

圖6：通訊網絡結構

2．1 硬件和軟件需求

       在本文中涉及到硬件如下：

(1) 由于WinCC Telecontrol安裝后將集成到WinCC中，TMW Test Harness為PC模擬軟件將安裝在另外一臺PC中，因此將涉及到兩臺PC機，對于PC機沒有特殊要求，推薦使用配置較高的PC
所使用的德國西門子1200數字輸出模塊6ES7222-1HF32-0XB0全新現貨軟件如下：
(1) 本文檔測試中使用到的Siemens Simatic WinCC軟件如下圖７所示：

圖7：Simatic WinCC測試軟件列表

(2) TMW Protocol Test Harness，版本V2.0.43，含21天的Demo試用授權
關于TMW Protocol Test Harness軟件的Demo版可以從以下連接中獲?。?br /> http://www.trianglemicroworks.com

2．2 TMW Protocol Test Harness模擬軟件簡介
         TMW Protocol Test Harness PC模擬軟件是TriangleMicroWorks公司推出的針對電力行業計算機模擬測試軟件，支持多種電力通信規約，包括IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104及DNP3等電力遠控規約，同時支持Modbus RTU/TCP通訊協議，能夠作為上述通信規約的Master和Slave，非常適合于與第三方設備或軟件進行模擬電力行業的各種環境測試。
         對于TMW Protocol Test Harness PC模擬軟件，在DNP3作為Slave站下其各種數據對象的地址分布如下表１所示：

數據類型	數量	長度	所屬類Class	索引Index	備注
單點數字位輸入(Binary Input)	40	8 Bit	Class1	0-39	單點輸入信號，其中信號占1bit,其余7Bit為Flag
雙點數字位輸入(Double Bit Input)	40	8 Bit	Class1	0-39	雙點輸入信號，其中信號占2bit,其余6Bit為Flag
數字輸出(Binary Output)	35	8 Bit	Class1	0-34	單點輸出控制信號
計數器輸入(Counter Input)	30	32/16 Bit	Class3	0-29	計數器輸入信號
凍結計數器(Frozen Counter )	30	32/16 Bit	Class3	0-29	凍結計數器信號
模擬量輸入(Analog Input)	75	32/16 Bit	Class2	0-74	模擬量輸入信號
模擬量輸出(Analog Output)	25	32/16 Bit	Class0	0-24	模擬量輸出控制信號

表１：TMW Protocol Test Harness PC模擬軟件作為DNP3 Slave的數據對象分布

     下面將主要介紹如何組態WinCC Telecontrol獲取表１中的數據。

2．3 配置WinCC Telecontrol作為DNP3 主站(Master)項目組態
     在操作系統的桌面下通過點擊WinCC的快捷圖標打開WinCC界面，并創建一個單用戶項目文件，本例中命名為“DNP3_Test”，如下圖8所示：

圖8：創建一個新的WinCC項目文件

   在新創建的項目中的驅動通道下通過德國西門子1200數字輸出模塊6ES7222-1HF32-0XB0全新現貨“Tag Management->Add New Driver…”添加新驅動，選擇tcChannel來添加WinCC Telecontrol驅動通道，如下圖9所示：

圖9：添加Tc Channel驅動通道

          添加Tcchannel驅動通道后，通過“TELECONTROL->New Driver Connection..” 添加一個新的驅動連接，通道名稱本例中設置為“TMW_Protocol_Test_Harness”，如下圖10所示：

圖10：新建一個通道連接

         之后通過點擊圖9中的“Properties”來打開新建的通道連接的屬性對話框，在屬性對話框中的“AS View”下通過鼠標右鍵“->Add”DNPCONN” AS Source Node...”添加一個DNP3 Connection，本例中將節點名稱命名為DNP_Connection”，在“Protocol Type”中選擇協議類型為“TCP”，在”Connection Adress”中設置連接遠程從站的IP地址，本例為安裝了TMW Protocol Test Harness軟件的PC IP地址192.168.0.120，”Connection Port”保持為缺省20000即可，如下圖11所示：

圖11 ：添加DNP3 Connection

          在圖10中通過點擊“Configure Connection Parameters”打開DNP3 Connection的參數設置對話框，對于”Parameters”和”Timeouts”參數保持缺省設置即可，點擊“OK”確認設置，如下圖12所示：

圖12：DNP3 Connection 的參數設置

         之后返回到通道連接的屬性對話框，同樣在屬性對話框中的“AS View”下通過鼠標右鍵“->Add DNPRTU AS Source Node...”添加一個DNP3 RTU，本例中將節點名稱命名為“DNP3_RTU”，在“Redundancy Mode””中設置DNP3連接的冗余模式，本例中選擇非冗余模式”0-Single Connection(no redundancy)”，在”Polling”中設置DNP3的輪詢模式，本例中設置為”Polling Cycle”，如圖13所示：

圖13：DNP3_RTU 節點的參數設置

注意：在DNP3的Polling模式中包括如下兩種模式
“Polling Cycle”:循環輪詢
“ Polling Group”:輪詢組，每個組可以單獨設定輪詢周期及模式

        點擊圖13中的“Configure Connection”可以設置DNP3_RTU節點所關聯的DNP3 Connection節點，本例中直接選擇上面中所創建的DNP3_Connection，在”Link Address”中設置遠程從站的鏈路地址，本例中為4，如下圖14所示意：

圖14：組態DNP3_RTU所關聯的DNP3_Connection節點

         點擊圖13中的“Configure Parameter”可以設置DNP3_RTU的其他參數，該參數保持缺省即可，如下圖15所示，實際應用中對于”Opinion”、”Unsolicitated Responses”、”Time Delay Measurement”需要根據實際項目情況進行設置，具體含義如下：

1)“opinion”
”Automatic Class Assignment” : 類別分配，表示是否將指定數據對象設為某一類別，本例中勾選
“Automatic Read of Dataset structures”:自動讀取從站的數據結構，本例中勾選
2）”Unsolicitated Responses”
”Unsolicitated Responses”: 自發上送消息，設置是否支持主動上送沒有請求的消息，本例中勾選Class1,2,3
“Automatic Read Current Value After CMD/SP”:設置是否在發出控制命令或設定值后自動讀取當前值，本例中勾選
3 ）”Time Delay Measurement”: 時間延遲測量,是否支持讓應用計算某一從站的傳輸路徑延遲，本例中勾選

圖15 ：DNP3_RTU的相關參數設置

        至此WInCC Telecontrol作為主站DNP3的參數設置已經全部完成.

2．4 配置TMW Protocol Test Harness PC模擬軟件作為DNP3 從站(Slave)項目組態
         打開TMW Protocol Test Harness測試軟件，通過點擊快捷圖標“ ”來打開協議選擇對話框，在打開的協議選擇對話框中，在”Protocol”中選擇”DNP3”；在”Type”中選擇”Slave”，之后點擊”Open”按鈕打開”DNP3 Slave”的詳細設置對話框，如下圖16所示：

圖16：在Protocol Test Harness軟件中新建DNP3 Slave控制臺

         在圖16的DNP3 Slave的”Channel”選項框中，其相關參數設置如下 ：

“Channel name”:設置新建控制臺的名稱，由用戶自定義，本例中為”My DNP3 Slave”
“Connection Type”:連接類型，本例中選擇”TCP/IP”
其它參數保持缺省設置即可。
將圖16的DNP3 Slave對話框切換到Session，如下圖17所示：

圖17：DNP3 Slave控制臺的”Session”參數設置

圖17的相關參數設置如下：
“Link Layer Addresses”的”Soure”:源鏈路地址，必須與WinCC Telecontrol的目的地址一致
“Link Layer Addresses”的”Destination”:目的鏈路地址，必須與WinCC Telecontrol的源地址一致
“Predefined Database or Device Simulator”:選擇”Default Database-Change values in Data Window”

其它參數保持缺省設置即可。
之后點擊圖17中的”Open”按鈕，可以看到新建的DNP3 Salve控制臺，如下圖18所示：

圖18：創建的DNP3 Slave控制臺

3 通訊測試
        基于DNP3的特殊通訊機制，下面將逐一介紹WInCC Telecontrol作為主站與TMW Protocol Test Harness作為子站通訊的通信連接握手過程，各種數據對象庫(包括二進制輸入對象、二進制輸出對象、計數對象、模擬量輸入對象、模擬量輸出對象、時間對象、級類對象等)的數據交換過程

3．1 WinCC Telecontrol與TMW Protocol Test Harness通訊握手連接過程
WinCC Telecontrol參數設置完畢后在Runtime項目運行后與TMW Protocol Test Harness將完成如下DNP3數據交換過程：

1) 根據設定的周期(測試時設定為10秒)完成對從站TMW Protocol Test Harness的Class 1/2/3類數據的數據更新請求，從站正常予以響應，此時從站的所有Class1/2/3類數據將更新到WinCC Telecontrol
2) 根據設定的周期(測試時設定為600秒)完成對從站TMW Protocol Test Harness的Class 0類數據的數據更新請求，從站正常予以響應，此時從站的所有Class0類數據將更新到WinCC Telecontrol
3) 根據設定的周期(測試時設定為300秒)完成對從站TMW Protocol Test Harness的時鐘同步

3．2單點數字位輸入(Binary Input)測試
        對于單點數字位輸入，其通信機制如下，從站TMW Protocol Test Harness支持帶有相對時間的單點數字位輸入，當在從站中更改該數據的Value或Flag時將會自發上送單點數字位輸入報文給WinCC Telecontrol，WinCC Telecontrol正常解析報文，通過組態對應的單點數字位輸入變量獲取相應的Value和Flag。
        對帶有相對時間的單點數字位輸入數據，當改變以下任意數值時從站將自發上送消息報文給主站：
1) 變量值Value-代表某個設備的實際狀態，如開或關
2) 變量的質量狀態Flag,包括了(Online、Restart、Comms Lost、Remote Forced、Local Forced、Chatter)
         而WinCC Telecontrol解析到的此類對象數據的物理意義如下：
1) Value-代表某個設備的實際狀態，如開或關代表了該點的實際狀態
2) Flag-代表某個設備的質量狀態，如Online、Restart、Comms Lost、Remote Forced、Local Forced、Chatter等
        下面將介紹如何在WinCC畫面組態單點數字位輸入變量詳細步驟。
        在圖10 所添加的驅動連接“TMW_Protocol_Test_Harness”中新增一個Bool變量，在本例中名稱為“BI1_Value”，數據類型選擇為“Binary tag”，如下圖19所示：

圖19：添加DNP3單點數字位輸入變量

        在圖19添加的Bool變量中點擊“Select”按鈕，進入單點數字位輸入變量地址屬性設置對話框，在打開的屬性對話框中分別設置如下 ：

“AS_Node”：選擇在圖13 中所創建的“DNP_RTU”
“Data_Processing Mode”： “RP----Data is an input signal(DI;AI;counter) read from RTU
“Class”：從表1中可以看出單點數字位輸入變量所屬類為1，因此選擇1
“Index”：索引號，代表變量的索引地址，從表1中可以知道為0-39，本例中設置為1
“Group”：變量組號，選擇”2-Binary Input Event”
“Variation”：代表變量變體，選擇”2.3-Wirh Relative Time”，
“Flag”：選擇該變量的實際狀態或質量狀態，選擇”VALUE”
具體設置如下圖20所示：

圖20：DNP3單點數字位輸入變量地址設置

注意：對于圖17中的關于”Variable Adress”中的設置，如該變量所屬類、索引、組號、變體
等需要根據實際中的設備來具體定義，所有的相關地址信息可以從所通信的設備中獲取，本例中的設置均是按照Protocol Test Harness軟件的實際情況設置，各種不同設備其地址分布和原理不盡相同，對于其他類型數據亦如此

        按照同樣的方式可以創建另外一個字節變量，本例中為” BI1_Flag”，該變量用來顯示某個設備的實際質量狀態，之后在WinCC中創建一個畫面來調用“BI1_Value ”、 “BI1_Flag ” 、”變量，可以看到，當在TMW Protocol Test Harness軟件中索引為1的單點數字位輸入變量的Value或Flag值發生變化時(可在軟件中手動更改用于模擬)，將會自發上送消息給WinCC Telecontrol，“BI1_Value ”、 “BI1_Flag ”的值將隨之發生更改，如下圖21所示：

圖21：單點數字位輸入變量通訊測試

注意：在圖21中的Falg值中，Flag將占用6bit ，而WinCC telecontrol進行報文解析后將直接轉換成十進制數，因此如果用戶想要直接顯示跟Protocol Test Harness的直接效果，需要用戶通過一些腳本或其他控件進行后續處理。

3．3 雙點數字位輸入(Double Bit Input)測試
         對于雙點數字位輸入變量，其通信機制如下，從站TMW Protocol Test Harness支持帶
有相對時間雙點數字位輸入對象，當在從站中更改該對象的Value或Flag時將會主動發雙點
數字位輸入對象報文給WinCC Telecontrol，WinCC Telecontrol正常解析報文，通
過組態對應的雙點數字位輸入變量獲取相應的Value和Flag
         對帶有相對時間的雙點數字位輸入對象數據，當改變以下任意數值時從站將主動上送報
文給主站：
1) 變量值Value-某個設備的實際位置，用2Bit表示(包括00 01 10 11,分別代表0,1,2,3)
2) 變量的質量狀態Flag,包括了(Online、Restart、Comms Lost、Remote Forced、Local Forced、Chatter)
         而WinCC Telecontrol解析到的此類對象數據的物理意義如下：
1) Value-代表了某個設備的實際位置或檔位
2) Flag-代表某個設備的質量狀態，如Online、Restart、Comms Lost、Remote Forced、Local Forced、Chatter等
         關于雙點數字位輸入變量的WinCC組態可以參考3.2章節，其過程類似，在此不作詳述

3．4計數器輸入(Counter Input)測試
         對于計數器輸入變量，其通信機制如下，從站TMW Protocol Test Harness支持不帶時間的32位計數器值越限事件對象，當在從站中更改該對象的Value時將會在主站周期請求Class1/2/3類數據時發送計數器值越限事件對象報文給WinCC Telecontrol，WinCC Telecontrol正常解析報文，通過組態對應的計數器值越限事件對象變量獲取相應的Value和Flag
對不帶時間的32位計數器值越限事件對象數據，只有從站的計數器值發生變化時才會上送報文，而當Flag變化時是不會自行上送的，該機制與二進制變量有所不同
         WinCC Telecontrol解析到此類對象數據的物理意義如下：
1) Value-代表了實際的計數器值
2) Flag-代表計數器的質量狀態，包括Online、Restart、Comms Lost、Remote Forced、Local Forced、Roll Over、Discontinuity等
關于計數器輸入變量的WinCC組態可以參考3.2章節，其過程類似，在此不作詳述

3．5 凍結計數器(Frozen Counter )測試
         對于凍結計數器變量，其通信機制如下，從站TMW Protocol Test Harness支持不帶時間的32位計數器凍結值越限事件對象，當在從站中將計數器值進行凍結操作時，從站將在周期請求Class1/2/3類數據時發計數器凍結值越限事件對象報文給WinCC Telecontrol，WinCC Telecontrol正常解析報文，通過組態對應的計數器凍結值值越限事件對象變量獲取相應的Value和Flag
         對不帶時間的32位計數器凍結值越限事件對象數據，只有從站的凍結計數器值發生變化時才會上送報文，而當Flag變化時是不會上送的，該機制與二進制變量也有所不同
         WinCC Telecontrol解析到的此類對象數據的物理意義如下：
1) Value-代表了實際的計數器凍結值
2) Flag-代表凍結計數器的質量狀態，包括Online、Restart、Comms Lost、Remote Forced、Local Forced、Roll Over、Discontinuity等
         另外還可以在WinCC中的畫面中設置凍結計數器命令，當該命令發出后能夠直接對從站TMW Protocol Test Harness進行凍結計數器操作，但與在從站進行凍結計數器命令不同，此時從站不會自發上送凍結計數器報文給WinCC，但會在周期請求Class0類數據中上送
         關于凍結計數器變量的WinCC組態可以參考3.2章節，其過程類似，在此不作詳述

3．6 模擬量輸入(Analog Input)測試
         對于模擬量輸入變量，其通信機制如下，從站TMW Protocol Test Harness支持不帶時間的32位模擬輸入值越限事件對象，當在從站中更改該對象的Value或Flag后將會在周期請求Class1/2/3類數據時上送計數器值越限事件對象報文給WinCC Telecontrol，WinCC Telecontrol正常解析報文，通過組態對應的模擬輸入值越限事件對象變量獲取相應的Value和Flag
         對于不帶時間的32位模擬輸入值越限事件對象數據，當改變以下任意數值時從站將在周期掃描Class1/2/3類數據時上送報文給主站：
1) 變量值Value-實際的模擬量值，32Bit
2) 變量的質量狀態Flag,包括了Online、Restart、Comms Lost、Remote Forced、Local Forced、Over Range、Reference Check
         WinCC Telecontrol解析到的此類對象數據的物理意義如下：
1) Value-代表了實際的模擬量
2) Flag-該模擬量的實際各種狀態，如超限、在線等
關于模擬量輸入變量的WinCC組態可以參考3.2章節，其過程類似，在此不作詳述

3．7 模擬量輸出(Analog Output)測試
         對于模擬量輸出變量，其通信機制如下，從站TMW Protocol Test Harness支持不帶時間的32位模擬輸出值越限事件對象，此類對象比較特殊，對象的Value或Flag數據變化只有在系統周期掃描Class0類數據時才會上傳報文到WinCC中，并不能主動上送。
         WinCC Telecontrol解析到的此類對象數據的物理意義如下：
1) Value-代表了實際的模擬輸出值，
2) Flag-該模擬輸出量的實際各種狀態，包括Online、Restart、Comms Lost、Remote Forced、Local Forced等
         關于模擬量輸出變量的WinCC組態可以參考3.2章節，其過程類似，在此不作詳述

3．8 通訊測試小結
         上述所描述的各種類型數據變量的通信機制均是基于TMW Protocol Test Harness來說明的，對于其他的支持DNP3的設備，其機制并不盡相同，該部分并沒有在DNP3 的詳細規范中進行約束，因此需要了解通信設備的具體定義。
         另外需要說明的是創建的變量的長度需要根據DNP3規約中所定義來選擇，例如對于模擬量輸入或輸出變量，可以創建一個16/32Bit的變量，需要根據實際設備的情況來確定，這樣能夠保證德國西門子1200數字輸出模塊6ES7222-1HF32-0XB0全新現貨WinCC Telecontrol后臺數據解析的準確性。
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