WinCC Telecontrol与第三方设备DNP3 通信快速入门

1 DNP3通信规约概述
         DNP 3.0(Distributed Network Protocol Version 3.0，简称DNP3，下同)规约是目前在欧洲及北美比较流行的一种开放性结构的规约，在国内正逐渐成为主流性通信规约之一。它可用于电力系统子站系统、RTU、智能电子设备（IEDS）以及主站系统之间的通信。由于目前大部分国外配电自动化（DA）设备都支持DNP3，为使电力设备具有兼容性和标准性，大部分与国外电力主站配套的FTU(馈线终端单元)都使用DNP3通讯规约，DNP3规约是一个开放性公共远动通信规约，现已成为主流远动通信规约之一，广泛应用于电力、城市供水等行业。
      DNP3规约是一种分层的通信规约，与OS1参考模型所采用的7层结构不同的是，DNP3规
约采用了由物理层、链路层、应用层组成的3层增强性能结构(EPA)，同时提供了一层称之为伪传输层的辅助层用于通信信息的分段处理，其与常规OSI参考模型比较如下图１所示：

图１：DNP3的通讯模型

 

1．1 DNP3 数据链路层
         DNP3数据链路层规约文件规定了DNP3．0版的数据链路层、链路规约数据单元(1 PDU)以及数据链路服务和传输规程，采用FT3可变帧格式，其帧格式下图２所示意：

图２：DNP3数据链路层帧格式

     从图２可以看出，1个FT3帧被定义为1个固定长度(10字节)的报头，随后是若干个可以选用的数据块(最大长度16字节)，每个数据块附有1个16位的CRC校验码，总的链路层帧长度不超过256字节。

1．2 DNP3 伪传输层
         DNP3伪传输层用于在原方站和从方站之间传送超出链路规约数据单元(I PDU)所定义长度的信息。其格式如下图３所示：

图３：DNP3伪传输层帧格式

      从图３可以看出，传输层报头TH为传输控制字，1个字节；数据块为应用用户数据，1～249个字节，由于数据链路层的FT3帧格式中的长度字的最大限制为255，因此传输层数据
块的最大长度为：255-5（链路层control + source +destination）-1（TH）=249。当应用层用户数据长度大于249字节时，传输层将以多帧报文方式传送，并每帧前加TH控制字，如1234=249+249+249+249+238，将分5帧传送。

1．3 DNP3 应用层
         DNP3应用层定义了应用层报文(APDU)的格式。其中主站被定义为发送请求报文的站，而从站则为从属设备，被请求回送报文的智能终端(1EDs)是事先规定了的。在DNP３中，只有被指定的主站能够发送应用层的请求报文，而从站则只能发送应用层的响应报文。应用层报文格式分别如下图４和图５所示：
Request Header
请求报头 Object Header对象标题 Data
数据 Object Header对象标题 Data
数据

图４：DNP3应用层请求报文帧格式
 

图５：DNP3应用层响应报文帧格式

1．4 DNP3 规约的主要特点
         DNP3采用Polling Cycle或Poll Group的通讯机制，具有如下特点：
1)采用德国西门子1200数字输出模块6ES7222-1HF32-0XB0全新现货单一的变长FT3帧格式，既有利于不同长度信息的传输，又使得帧格式得到统一。
2)链路层报头带有源地址和目的地址，有利于采用多点共线物理层通道结构的数据传输。
3)支持主动上报(unsolicited response)的通信方式，有利于在故障发生时从站非请求主
动上报信息。

2 配置WinCC Telecontrol与TMW Protocol Test Harness模拟软件进行DNP3规约通讯
        下面将详细介绍如何配置WinCC Telecontrol作为主站与TMW Protocol Test Harness作为子站的进行DNP3规约通信，包括双方的通信连接握手过程，各种数据对象库(包括二进制输入对象、包括二进制输出对象、计数对象、模拟量输入对象、模拟量输出对象、时间对象、级类对象等)的数据交换机制原理和数据读写，通讯网络结构如下图6所示：

图6：通讯网络结构

2．1 硬件和软件需求

       在本文中涉及到硬件如下：

(1) 由于WinCC Telecontrol安装后将集成到WinCC中，TMW Test Harness为PC模拟软件将安装在另外一台PC中，因此将涉及到两台PC机，对于PC机没有特殊要求，推荐使用配置较高的PC
所使用的德国西门子1200数字输出模块6ES7222-1HF32-0XB0全新现货软件如下：
(1) 本文档测试中使用到的Siemens Simatic WinCC软件如下图７所示：

图7：Simatic WinCC测试软件列表

(2) TMW Protocol Test Harness，版本V2.0.43，含21天的Demo试用授权
关于TMW Protocol Test Harness软件的Demo版可以从以下连接中获取：
http://www.trianglemicroworks.com

2．2 TMW Protocol Test Harness模拟软件简介
         TMW Protocol Test Harness PC模拟软件是TriangleMicroWorks公司推出的针对电力行业计算机模拟测试软件，支持多种电力通信规约，包括IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104及DNP3等电力远控规约，同时支持Modbus RTU/TCP通讯协议，能够作为上述通信规约的Master和Slave，非常适合于与第三方设备或软件进行模拟电力行业的各种环境测试。
         对于TMW Protocol Test Harness PC模拟软件，在DNP3作为Slave站下其各种数据对象的地址分布如下表１所示：

数据类型	数量	长度	所属类Class	索引Index	备注
单点数字位输入(Binary Input)	40	8 Bit	Class1	0-39	单点输入信号，其中信号占1bit,其余7Bit为Flag
双点数字位输入(Double Bit Input)	40	8 Bit	Class1	0-39	双点输入信号，其中信号占2bit,其余6Bit为Flag
数字输出(Binary Output)	35	8 Bit	Class1	0-34	单点输出控制信号
计数器输入(Counter Input)	30	32/16 Bit	Class3	0-29	计数器输入信号
冻结计数器(Frozen Counter )	30	32/16 Bit	Class3	0-29	冻结计数器信号
模拟量输入(Analog Input)	75	32/16 Bit	Class2	0-74	模拟量输入信号
模拟量输出(Analog Output)	25	32/16 Bit	Class0	0-24	模拟量输出控制信号

表１：TMW Protocol Test Harness PC模拟软件作为DNP3 Slave的数据对象分布

     下面将主要介绍如何组态WinCC Telecontrol获取表１中的数据。

2．3 配置WinCC Telecontrol作为DNP3 主站(Master)项目组态
     在操作系统的桌面下通过点击WinCC的快捷图标打开WinCC界面，并创建一个单用户项目文件，本例中命名为“DNP3_Test”，如下图8所示：

图8：创建一个新的WinCC项目文件

   在新创建的项目中的驱动通道下通过德国西门子1200数字输出模块6ES7222-1HF32-0XB0全新现货“Tag Management->Add New Driver…”添加新驱动，选择tcChannel来添加WinCC Telecontrol驱动通道，如下图9所示：

图9：添加Tc Channel驱动通道

          添加Tcchannel驱动通道后，通过“TELECONTROL->New Driver Connection..” 添加一个新的驱动连接，通道名称本例中设置为“TMW_Protocol_Test_Harness”，如下图10所示：

图10：新建一个通道连接

         之后通过点击图9中的“Properties”来打开新建的通道连接的属性对话框，在属性对话框中的“AS View”下通过鼠标右键“->Add”DNPCONN” AS Source Node...”添加一个DNP3 Connection，本例中将节点名称命名为DNP_Connection”，在“Protocol Type”中选择协议类型为“TCP”，在”Connection Adress”中设置连接远程从站的IP地址，本例为安装了TMW Protocol Test Harness软件的PC IP地址192.168.0.120，”Connection Port”保持为缺省20000即可，如下图11所示：

图11 ：添加DNP3 Connection

          在图10中通过点击“Configure Connection Parameters”打开DNP3 Connection的参数设置对话框，对于”Parameters”和”Timeouts”参数保持缺省设置即可，点击“OK”确认设置，如下图12所示：

图12：DNP3 Connection 的参数设置

         之后返回到通道连接的属性对话框，同样在属性对话框中的“AS View”下通过鼠标右键“->Add DNPRTU AS Source Node...”添加一个DNP3 RTU，本例中将节点名称命名为“DNP3_RTU”，在“Redundancy Mode””中设置DNP3连接的冗余模式，本例中选择非冗余模式”0-Single Connection(no redundancy)”，在”Polling”中设置DNP3的轮询模式，本例中设置为”Polling Cycle”，如图13所示：

图13：DNP3_RTU 节点的参数设置

注意：在DNP3的Polling模式中包括如下两种模式
“Polling Cycle”:循环轮询
“ Polling Group”:轮询组，每个组可以单独设定轮询周期及模式

        点击图13中的“Configure Connection”可以设置DNP3_RTU节点所关联的DNP3 Connection节点，本例中直接选择上面中所创建的DNP3_Connection，在”Link Address”中设置远程从站的链路地址，本例中为4，如下图14所示意：

图14：组态DNP3_RTU所关联的DNP3_Connection节点

         点击图13中的“Configure Parameter”可以设置DNP3_RTU的其他参数，该参数保持缺省即可，如下图15所示，实际应用中对于”Opinion”、”Unsolicitated Responses”、”Time Delay Measurement”需要根据实际项目情况进行设置，具体含义如下：

1)“opinion”
”Automatic Class Assignment” : 类别分配，表示是否将指定数据对象设为某一类别，本例中勾选
“Automatic Read of Dataset structures”:自动读取从站的数据结构，本例中勾选
2）”Unsolicitated Responses”
”Unsolicitated Responses”: 自发上送消息，设置是否支持主动上送没有请求的消息，本例中勾选Class1,2,3
“Automatic Read Current Value After CMD/SP”:设置是否在发出控制命令或设定值后自动读取当前值，本例中勾选
3 ）”Time Delay Measurement”: 时间延迟测量,是否支持让应用计算某一从站的传输路径延迟，本例中勾选

图15 ：DNP3_RTU的相关参数设置

        至此WInCC Telecontrol作为主站DNP3的参数设置已经全部完成.

2．4 配置TMW Protocol Test Harness PC模拟软件作为DNP3 从站(Slave)项目组态
         打开TMW Protocol Test Harness测试软件，通过点击快捷图标“ ”来打开协议选择对话框，在打开的协议选择对话框中，在”Protocol”中选择”DNP3”；在”Type”中选择”Slave”，之后点击”Open”按钮打开”DNP3 Slave”的详细设置对话框，如下图16所示：

图16：在Protocol Test Harness软件中新建DNP3 Slave控制台

         在图16的DNP3 Slave的”Channel”选项框中，其相关参数设置如下 ：

“Channel name”:设置新建控制台的名称，由用户自定义，本例中为”My DNP3 Slave”
“Connection Type”:连接类型，本例中选择”TCP/IP”
其它参数保持缺省设置即可。
将图16的DNP3 Slave对话框切换到Session，如下图17所示：

图17：DNP3 Slave控制台的”Session”参数设置

图17的相关参数设置如下：
“Link Layer Addresses”的”Soure”:源链路地址，必须与WinCC Telecontrol的目的地址一致
“Link Layer Addresses”的”Destination”:目的链路地址，必须与WinCC Telecontrol的源地址一致
“Predefined Database or Device Simulator”:选择”Default Database-Change values in Data Window”

其它参数保持缺省设置即可。
之后点击图17中的”Open”按钮，可以看到新建的DNP3 Salve控制台，如下图18所示：

图18：创建的DNP3 Slave控制台

3 通讯测试
        基于DNP3的特殊通讯机制，下面将逐一介绍WInCC Telecontrol作为主站与TMW Protocol Test Harness作为子站通讯的通信连接握手过程，各种数据对象库(包括二进制输入对象、二进制输出对象、计数对象、模拟量输入对象、模拟量输出对象、时间对象、级类对象等)的数据交换过程

3．1 WinCC Telecontrol与TMW Protocol Test Harness通讯握手连接过程
WinCC Telecontrol参数设置完毕后在Runtime项目运行后与TMW Protocol Test Harness将完成如下DNP3数据交换过程：

1) 根据设定的周期(测试时设定为10秒)完成对从站TMW Protocol Test Harness的Class 1/2/3类数据的数据更新请求，从站正常予以响应，此时从站的所有Class1/2/3类数据将更新到WinCC Telecontrol
2) 根据设定的周期(测试时设定为600秒)完成对从站TMW Protocol Test Harness的Class 0类数据的数据更新请求，从站正常予以响应，此时从站的所有Class0类数据将更新到WinCC Telecontrol
3) 根据设定的周期(测试时设定为300秒)完成对从站TMW Protocol Test Harness的时钟同步

3．2单点数字位输入(Binary Input)测试
        对于单点数字位输入，其通信机制如下，从站TMW Protocol Test Harness支持带有相对时间的单点数字位输入，当在从站中更改该数据的Value或Flag时将会自发上送单点数字位输入报文给WinCC Telecontrol，WinCC Telecontrol正常解析报文，通过组态对应的单点数字位输入变量获取相应的Value和Flag。
        对带有相对时间的单点数字位输入数据，当改变以下任意数值时从站将自发上送消息报文给主站：
1) 变量值Value-代表某个设备的实际状态，如开或关
2) 变量的质量状态Flag,包括了(Online、Restart、Comms Lost、Remote Forced、Local Forced、Chatter)
         而WinCC Telecontrol解析到的此类对象数据的物理意义如下：
1) Value-代表某个设备的实际状态，如开或关代表了该点的实际状态
2) Flag-代表某个设备的质量状态，如Online、Restart、Comms Lost、Remote Forced、Local Forced、Chatter等
        下面将介绍如何在WinCC画面组态单点数字位输入变量详细步骤。
        在图10 所添加的驱动连接“TMW_Protocol_Test_Harness”中新增一个Bool变量，在本例中名称为“BI1_Value”，数据类型选择为“Binary tag”，如下图19所示：

图19：添加DNP3单点数字位输入变量

        在图19添加的Bool变量中点击“Select”按钮，进入单点数字位输入变量地址属性设置对话框，在打开的属性对话框中分别设置如下 ：

“AS_Node”：选择在图13 中所创建的“DNP_RTU”
“Data_Processing Mode”： “RP----Data is an input signal(DI;AI;counter) read from RTU
“Class”：从表1中可以看出单点数字位输入变量所属类为1，因此选择1
“Index”：索引号，代表变量的索引地址，从表1中可以知道为0-39，本例中设置为1
“Group”：变量组号，选择”2-Binary Input Event”
“Variation”：代表变量变体，选择”2.3-Wirh Relative Time”，
“Flag”：选择该变量的实际状态或质量状态，选择”VALUE”
具体设置如下图20所示：

图20：DNP3单点数字位输入变量地址设置

注意：对于图17中的关于”Variable Adress”中的设置，如该变量所属类、索引、组号、变体
等需要根据实际中的设备来具体定义，所有的相关地址信息可以从所通信的设备中获取，本例中的设置均是按照Protocol Test Harness软件的实际情况设置，各种不同设备其地址分布和原理不尽相同，对于其他类型数据亦如此

        按照同样的方式可以创建另外一个字节变量，本例中为” BI1_Flag”，该变量用来显示某个设备的实际质量状态，之后在WinCC中创建一个画面来调用“BI1_Value ”、 “BI1_Flag ” 、”变量，可以看到，当在TMW Protocol Test Harness软件中索引为1的单点数字位输入变量的Value或Flag值发生变化时(可在软件中手动更改用于模拟)，将会自发上送消息给WinCC Telecontrol，“BI1_Value ”、 “BI1_Flag ”的值将随之发生更改，如下图21所示：

图21：单点数字位输入变量通讯测试

注意：在图21中的Falg值中，Flag将占用6bit ，而WinCC telecontrol进行报文解析后将直接转换成十进制数，因此如果用户想要直接显示跟Protocol Test Harness的直接效果，需要用户通过一些脚本或其他控件进行后续处理。

3．3 双点数字位输入(Double Bit Input)测试
         对于双点数字位输入变量，其通信机制如下，从站TMW Protocol Test Harness支持带
有相对时间双点数字位输入对象，当在从站中更改该对象的Value或Flag时将会主动发双点
数字位输入对象报文给WinCC Telecontrol，WinCC Telecontrol正常解析报文，通
过组态对应的双点数字位输入变量获取相应的Value和Flag
         对带有相对时间的双点数字位输入对象数据，当改变以下任意数值时从站将主动上送报
文给主站：
1) 变量值Value-某个设备的实际位置，用2Bit表示(包括00 01 10 11,分别代表0,1,2,3)
2) 变量的质量状态Flag,包括了(Online、Restart、Comms Lost、Remote Forced、Local Forced、Chatter)
         而WinCC Telecontrol解析到的此类对象数据的物理意义如下：
1) Value-代表了某个设备的实际位置或档位
2) Flag-代表某个设备的质量状态，如Online、Restart、Comms Lost、Remote Forced、Local Forced、Chatter等
         关于双点数字位输入变量的WinCC组态可以参考3.2章节，其过程类似，在此不作详述

3．4计数器输入(Counter Input)测试
         对于计数器输入变量，其通信机制如下，从站TMW Protocol Test Harness支持不带时间的32位计数器值越限事件对象，当在从站中更改该对象的Value时将会在主站周期请求Class1/2/3类数据时发送计数器值越限事件对象报文给WinCC Telecontrol，WinCC Telecontrol正常解析报文，通过组态对应的计数器值越限事件对象变量获取相应的Value和Flag
对不带时间的32位计数器值越限事件对象数据，只有从站的计数器值发生变化时才会上送报文，而当Flag变化时是不会自行上送的，该机制与二进制变量有所不同
         WinCC Telecontrol解析到此类对象数据的物理意义如下：
1) Value-代表了实际的计数器值
2) Flag-代表计数器的质量状态，包括Online、Restart、Comms Lost、Remote Forced、Local Forced、Roll Over、Discontinuity等
关于计数器输入变量的WinCC组态可以参考3.2章节，其过程类似，在此不作详述

3．5 冻结计数器(Frozen Counter )测试
         对于冻结计数器变量，其通信机制如下，从站TMW Protocol Test Harness支持不带时间的32位计数器冻结值越限事件对象，当在从站中将计数器值进行冻结操作时，从站将在周期请求Class1/2/3类数据时发计数器冻结值越限事件对象报文给WinCC Telecontrol，WinCC Telecontrol正常解析报文，通过组态对应的计数器冻结值值越限事件对象变量获取相应的Value和Flag
         对不带时间的32位计数器冻结值越限事件对象数据，只有从站的冻结计数器值发生变化时才会上送报文，而当Flag变化时是不会上送的，该机制与二进制变量也有所不同
         WinCC Telecontrol解析到的此类对象数据的物理意义如下：
1) Value-代表了实际的计数器冻结值
2) Flag-代表冻结计数器的质量状态，包括Online、Restart、Comms Lost、Remote Forced、Local Forced、Roll Over、Discontinuity等
         另外还可以在WinCC中的画面中设置冻结计数器命令，当该命令发出后能够直接对从站TMW Protocol Test Harness进行冻结计数器操作，但与在从站进行冻结计数器命令不同，此时从站不会自发上送冻结计数器报文给WinCC，但会在周期请求Class0类数据中上送
         关于冻结计数器变量的WinCC组态可以参考3.2章节，其过程类似，在此不作详述

3．6 模拟量输入(Analog Input)测试
         对于模拟量输入变量，其通信机制如下，从站TMW Protocol Test Harness支持不带时间的32位模拟输入值越限事件对象，当在从站中更改该对象的Value或Flag后将会在周期请求Class1/2/3类数据时上送计数器值越限事件对象报文给WinCC Telecontrol，WinCC Telecontrol正常解析报文，通过组态对应的模拟输入值越限事件对象变量获取相应的Value和Flag
         对于不带时间的32位模拟输入值越限事件对象数据，当改变以下任意数值时从站将在周期扫描Class1/2/3类数据时上送报文给主站：
1) 变量值Value-实际的模拟量值，32Bit
2) 变量的质量状态Flag,包括了Online、Restart、Comms Lost、Remote Forced、Local Forced、Over Range、Reference Check
         WinCC Telecontrol解析到的此类对象数据的物理意义如下：
1) Value-代表了实际的模拟量
2) Flag-该模拟量的实际各种状态，如超限、在线等
关于模拟量输入变量的WinCC组态可以参考3.2章节，其过程类似，在此不作详述

3．7 模拟量输出(Analog Output)测试
         对于模拟量输出变量，其通信机制如下，从站TMW Protocol Test Harness支持不带时间的32位模拟输出值越限事件对象，此类对象比较特殊，对象的Value或Flag数据变化只有在系统周期扫描Class0类数据时才会上传报文到WinCC中，并不能主动上送。
         WinCC Telecontrol解析到的此类对象数据的物理意义如下：
1) Value-代表了实际的模拟输出值，
2) Flag-该模拟输出量的实际各种状态，包括Online、Restart、Comms Lost、Remote Forced、Local Forced等
         关于模拟量输出变量的WinCC组态可以参考3.2章节，其过程类似，在此不作详述

3．8 通讯测试小结
         上述所描述的各种类型数据变量的通信机制均是基于TMW Protocol Test Harness来说明的，对于其他的支持DNP3的设备，其机制并不尽相同，该部分并没有在DNP3 的详细规范中进行约束，因此需要了解通信设备的具体定义。
         另外需要说明的是创建的变量的长度需要根据DNP3规约中所定义来选择，例如对于模拟量输入或输出变量，可以创建一个16/32Bit的变量，需要根据实际设备的情况来确定，这样能够保证德国西门子1200数字输出模块6ES7222-1HF32-0XB0全新现货WinCC Telecontrol后台数据解析的准确性。
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关键词
WinCC Telecontrol，DNP3.0，数据链路层，伪传输层，应用层，数据对象，类，索引，计数器输入，冻结