DEVELOPMENT AND INTEGRATION OF DNP3 DRIVER INTO SCADA SYSTEM

HRVATSKI OGRANAK MEĐUNARODNOG VIJEĆA 

ZA VELIKE ELEKTROENERGETSKE SUSTAVE – CIGRÉ 

10. savjetovanje HRO CIGRÉ 

Cavtat, 6. – 10. studenoga 2011. 

D2-03 

Božo Kopić Stjepan Sučić Goran Kekelj 

Končar-KET d.d. Končar-KET d.d. Končar - KET d.d. 

bozo.kopic@koncar-ket.hr stjepan.sucic@koncar-ket.hr goran.kekelj@koncar-ket.hr 

Hrvoje Keserica 

Končar - KET d.d. 

hrvoje.keserica@koncar-ket.hr 

Ante Martinić 

Končar - KET d.d. 

ante.martinic@koncar-ket.hr 

RAZVOJ I INTEGRACIJA PROGRAMSKE PODRŠKE ZA DNP3 PROTOKOL U 

SCADA SUSTAVE 

SAŢETAK 

Značajno velik broj komunikacijskih protokola za automatizaciju elektroenergetskih podsustava 

uvjetuje kontinuirani razvoj programske podrške za sustave upravljanja i nadzora, tj. SCADA (eng. 

Supervisory Control and Data Acquisition) sustave. Uobičajeno korišteni komunikacijski protokoli temeljni 

na IEC normama pokrivaju najveći tržišni segment u europskim okvirima, dok se u sjevernoj Americi i 

većim dijelovima južne Amerike i Azije prvenstveno koristi komunikacijski protokol DNP3. Potpuni 

integracijski SCADA sustav zahtjeva podršku za sve vodeće komunikacijske protokole kako bi stvorio 

lokacijski transparentan informacijski sustav. Za razliku od IEC komunikacijskih protokola koji su 

prvenstveno namijenjenih vođenju elektroenergetskog sustava, DNP3 protokol je općenit i namijenjen 

automatizaciji raznorodnih industrijskih postrojenja (elektroenergetski sustav, vodovod, plinovod, 

kanalizacija). Iz navedenih razloga DNP3 odlikuje univerzalnost primjene i posebnost programske 

implementacije. 

U ovom članku dan je pregled DNP3 protokola, napravljena je usporedba sa modernim 

upravljačkim komunikacijskim protokolima te su opisane posebnosti implementacije DNP3 protokola. 

Prikazane su ključne razlike u modelu i tipovima DNP3 procesnih podataka te su objašnjeni potrebni 

programski zahvati na aplikacijskim servisima kako bi se omogućila programska podrška za DNP3 

uređaje. 

Ključne riječi: DNP3, SCADA, razvoj programske podrške 

DEVELOPMENT AND INTEGRATION OF DNP3 DRIVER INTO SCADA SYSTEM 

SUMMARY 

The large number of communication protocols used for power system automation introduces 

constant development of software support and communication drivers for SCADA (Supervisory Control 

and Data Acquisition) systems. Commonly used communication protocols based on IEC standards cover 

the largest part of European market while in the North America and in the most of the parts South 

America DNP3 protocol is used. Complete integration system such as SCADA requires support for all 

leading communication protocols in order to create location transparent information system. Contrary to 

IEC protocols which are dominantly oriented for controlling power systems, DNP3 is used for controlling 

variety of automated industrial systems (power system, water system, gas system, sewage system). For 

these reasons, DNP3 is characterized by universal application and specific software implementation. 

This article provides an overview of DNP3 protocol and comparison between DNP3 and 

commonly used utility communication protocols. Some specific details during implementation process of 

1

DNP3 driver are described. Also, key differences between DNP3 data types are described and required 

programming actions regarding application services are explained in order to successfully create DNP3 

driver. 

Key words: DNP3, SCADA, driver development 

1. DNP3 

DNP3 (eng. Distributed Network Protocol) je standardizirani industrijski komunikacijski protokol 

namijenjen upravljanju i nadzoru automatiziranim postrojenjima. Nastao je kao prvi potpuno otvoreni 

protokol u području industrijske automatizacije. Izvorna verzija razvijana je između 1992. i 1994. godine. 

Osnovna funkcionalnost temelji se na specifikacijama grupe komunikacijskih protokola IEC 60870-5 [1]. 

Jedni od osnovnih zahtijeva prilikom razvoja DNP3 bili su kompaktnost i mala veličina 

komunikacijskih poruka zajedno s velikim naglaskom na pouzdanosti i sigurnost komunikacije. 

Komunikacija je ostvarena slojevito upotrebom modificiranog OSI modela - u normu su uključeni 

podatkovni sloj, transportni sloj i aplikacijski sloj. Iako je DNP3 izvorno dizajniran za upotrebu u serijskoj 

komunikaciji, zbog potrebe za razmjenom DNP3 poruka putem brzih digitalnih komunikacijskih mreža, 

norma određuje peer-to-peer komunikaciju (upotrebu većeg broja poslužitelja) i obuhvaća opis upotrebe 

protokola TCP/IP i UDP/IP [2]. Slika 1. prikazuje osnovnu komunikacijsku arhitekturu uređaja koji 

komuniciraju DNP3 protokolom. 

Master 

(SCADA Server) 

Master 


Master 


... 

Master / Slave 

(SCADA Gateway) 

Outstation 

(DNP3 device) 

Outstation 


Outstation 


Outstation 


... 

Outstation 


Tipovi komunikacije 

TCP/IP 

UDP/IP 

RS232 

... 

Slika 1. Primjena DNP3 protokola 

2

1.1. Osnovne funkcije DNP3 protokola 

DNP3 objedinjuje funkcionalnosti uobičajeno korištenih protokola za automatizaciju industrijskih 

postrojenja u jedinstvenom protokolu [1]. Primjeri tih funkcionalnosti su: 

Mogućnost slanja jedne poruke prema više uređaja (eng. Broadcasting). 

Upotreba većeg stupnja pouzdanosti pri određivanju mogućeg izlaznog parametra (eng. 

Select-Before-Operate). 

Upotreba vremenskih oznaka povezanih sa skoro svim oblicima podataka (eng.Time- 

Stamped Data). 

Precizna sinkronizacija vremena između poslužitelja i uređaja (eng. Accurate Time 

Synchronization). 

Upotrebom oznaka uključenih u protokol, omogućava se prijenos informacija o kvaliteti 

prenošenih podataka (eng Quality Flags). 

Podržani su različiti oblici zapisa podataka: 16-bit, 32-bit, s predznakom, bez predznaka, 

decimalni, BCD, itd (eng. Multiple Data Formats). 

Slanje zahtijeva za većim brojem međusobno povezanih podataka. (eng, Scan Groups). 

Razdvajanje funkcionalnosti prijenosa podataka od SCADA funkcionalnosti (eng. Layer 

Separation). 

Pouzdana obavijest o promjenama podataka poslana od strane uređaja (eng. Report-by- 

Exception). 

Prijavljivanje stanja uređaja korištenjem unaprijed definiranih zastavica uključenih u 

svakoj poruci odaslanoj od strane uređaja (eng Internal Indications). 

1.2. DNP3 komunikacija 

Uobičajeni način komunikacije upotrebom protokola DNP3 zasniva se na 

zahtjev/odgovor modelu. Poslužitelj (eng.master) prvi šalje poruku zahtjeva prema uređaju 

(eng. outstation). Po primitku poslužiteljeve poruke, uređaj šalje odgovor prema poslužitelju. 

Ovaj oblik komunikacije omogućava jednostavnu provjeru isporuke poslanog zahtjeva (za svaki 

poslani zahtjev očekuje se pripadni odgovor) [3]. 

DNP3 omogućava i komunikaciju kojom uređaj šalje podatke poslužitelju bez potrebe za 

prethodnim zahtjevom (eng. unsolicited). Koristeći unsolicited poruke, uređaj može poslati 

obavijest o promjeni stanja u trenutku kad se za time ukaže potreba. Ovaj vid komunikacije 

zamjenjuje potrebu za učestalim prozivanjem (eng. polling) od stane poslužitelja čime se 

sprječavaju značajnija opterećenja komunikacijske infrastrukture kod složenijih konfiguracija 

sustava. 

Kako bi se dodatno garantirala sigurnost isporuke poruka, DNP3 uključuje upotrebu 

poruka potvrde primitka. Po primitku svake poruke, poslužitelj ili uređaj šalju pošiljatelju poruku 

potvrde primitka. Potvrda primitka poruke je implementirana i na podatkovnom i na 

aplikacijskom sloju protokola. Slika 2 prikazuje tipove komunikacije podržane DNP3 protokolom. 

3

Binary 

Input 

8 

7 

6 

5 

4 

3 

2 

1 

0 

Analog 

Input 

4 

3 

2 

1 

0 

Counter 

Input 

3 

2 

1 

0 

Binary 

Output 

6 

5 

4 

3 

2 

1 

0 

Master 

Analog 

Output 

4 

3 

2 

1 

0 

Binary 

Input 

8 

7 

6 

5 

4 

3 

2 

1 

0 

Analog 

Input 

4 

3 

2 

1 

0 

Counter 

Input 

3 

2 

1 

0 

Outstation 

Binary 

Output 

6 

5 

4 

3 

2 

1 

0 

Analog 

Output 

4 

3 

2 

1 

0 

User Layer 

Application Layer 

Transport Function 

DNP3 

Data Link Layer 

User Layer 

Application Layer 

Transport Function 

DNP3 

Data Link Layer 

// 

Request 

Solicited and Unsolicited Responses 

Confirmations 

1.3. Slojevi DNP3 protokola 

1.3.1. Podatkovni sloj 

Slika 2 Tipovi komunikacije podržani DNP3 protokolom [3] 

Osnovna zadaća podatkovnog sloja je dvosmjerni transport podataka aplikacijskog sloja 

prema uređaju [4]. Ovaj sloj omogućava: 

• Enkapsulaciju segmenata transportnog sloja za prijenos putem komunikacijskog kanala 

• Dekodiranje paketa podatkovnog sloja u segmente transportnog sloja 

• detekciju pogrešaka i CRC (eng. Cyclic Redundacy Check) 

• adresiranje izvora i odredišta prijenosa podataka 

• mogućnost potvrđivanja svakog primljenog podatkovnog okvira 

• mogućnost detekcije izgubljenih ili ponovljenih podatkovnih okvira 

1.3.2. Transportni sloj 

Transportni sloj ima jednostavnu funkcionalnost razlaganja i ponovnog sastavljanja 

dužih poruka podatkovnog sloja [5]. Svi podaci podatkovnog sloja moraju proći kroz transportni 

sloj koji razlaže podatke na pakete koji sadrže između jednog i 249 okteta podataka 

aplikacijskog sloja. Po primitku poruke, podatkovni sloj prosljeđuje pakete transportnom sloju 

koji sakuplja ispravnim redoslijedom i formira izvorni cjeloviti oblik podataka aplikacijskog sloja. 

4

1.3.2. Aplikacijski sloj 

Aplikacijski sloj je najviši komunikacijski sloj DNP3 modela kojeg izravno koriste 

korisničke aplikacije za prijenos i prihvat podataka [3]. 

Svi podaci koji se prenose upotrebom protokola DNP3 mogu se jedinstveno identificirati 

tipom podataka (binary input, analog input, counter input, binary output, analog output) i rednim 

bojem. Za prijenos ovih podataka upotrebljavaju se DNP3 objekti tj. način zapisa podataka u 

DNP3 porukama u ovisnosti o tipu i varijanti podataka (norma obuhvaća detaljni opis svih 

raspoloživih zapisa putem dokumenta DNP Object Library) [6], [7]. 

DNP3 vrijednosti podataka grupira u statičke vrijednosti i vrijednosti događaja. Statičke 

vrijednosti predstavljaju trenutačno aktualnu vrijednost određenog podatka, dok događaji 

predstavljaju vrijednost od nekog unaprijed definiranog značaja (npr. promjena statičke 

vrijednosti, vrijednost zabilježena u određenom vremenu, prisutnost novo dostupne informacije 

itd.). Kako bi se olakšalo upravljanje i pristup podacima, postoje 4 klase unutar kojih se 

grupiraju podaci (klasa 0 obuhvaća sve statičke podatke dok klase 1, 2 i 3 obuhvaćaju 

događaje). Slika 3 prikazuje strukturu poruka aplikacijskog sloja. 

← Start of fragment 

Application 

Header 

First 

Object 

Header 

DNP3 Objects 

… 

Last 

Object 

Header 

DNP3 Objects 

Object Type Field 

Group 

Variation 

Qualifier Field 

Range Field 

See Data Object Library 

7 6 5 4 3 2 1 0 

0 Object Prefix Code Range Specifier Code 

Qualifier octet 

bit number 

Object Prefix 

0 Objs packed without a prefix. 

1 Objs prefixed with 1-octet index. 



4 Objs prefixed with 1-octet object size. 



7 Reserved. 

Range Field Contains 

0 1-octet start – stop indexes. 



3 1-octet start – stop virtual addresses. 



6 No range field used. Implies all values. 

7 1-octet count of objects. 



A Reserved. 

B 1-octet count of objects (variable format). 

C Reserved. 

D Reserved. 

E Reserved. 

F Reserved. 

Slika 3. Struktura aplikacijske DNP3 poruke [3] 

5

2. Usporedba DNP3 protokola s uobičajeno korištenim protokolima za daljanski nadzor i 

upravljanje 

Tablica 1 Usporedba DNP3 protokola sa IEC 61850 i IEC 60870-5-104 protokolima 

Karakteristika / protokol IEC 61850 IEC 60870-5-104 DNP 3.0 

Glavno područje primjene 

Automatizacija Daljinsko 

Daljinsko 

postrojenja upravljanje 

upravljanje 

Semantika procesnih 

informacija 

+ - - 

Podatkovni modela neovisan 

o aplikacijskim servisima 

+ - - 

Aplikacijski servisi neovisni 

implementacijskoj tehnologiji 

+ - - 

Slanje dogaĎaja s 

vremenskom oznakom 

+ + + 

Skup podrţanih tipova 

podataka 

Proširiv Fiksan Proširiv 

Tipovi komunikacije 

Client/Server, 

peer-to-peer 

Master/Slave Master/Slave 

Podrška za više mastera + + + 

Upravljačke naredbe + + Bez vremenske oznake 

Mjerenja + + + 

Vremenske oznake + + + 

Kvaliteta procesnih podataka + + + 

Spontano slanje + + + 

Istovremeno čitanje većeg 

broja podataka 

+ - + 

Istovremeno pisanje većeg 

broja podataka 

+ - + 

Slijed dogaĎaja + + + 

Vremenska sinkronizacija + + + 

Konfiguracija adresnog 

prostora procesnih podataka 

- + + 

Grupiranje podataka + - + 

Prijenos datoteka + + + 

Točnost vremenske 

sinkronizacije 

3. Integracija DNP3 protokola u SCADA sustav 

U sklopu razvoja Končarevog SCADA sustava PROZA NET integrirana je programska podrška 

za DNP3 protokol. DNP3 protokol je integriran kao dio programske komponente zadužene za 

komunikaciju s udaljenim uređajima. Modularni dizajn komponente PORZA NET sustava zadužene za 

ostvarivanje komunikacije s različitim protokolima je prikazan na Slici 4. 

PROZA NET 

Ostale SCADA komponente 

Jedinstveni model procesnih podatka 

DNP3 driver 

IEC 61850 driver IEC 60870-5-104 IEC 60870-5-101 

DNP3 uređaj 

IEC 61850 

uređaj 

IEC 60870-5-104 

uređaj 

IEC 60870-5-101 

uređaj 

Slika 4 Modularni dizajn programske komponente za komuniciranja sa različitim protokolima 

Jedan od temeljnih elemenata PROZA NET SCADA-e koji predstavlja osnovu za implementaciju 

novog komunikacijskog protokola je jedinstveni model procesnih podataka. Na taj način nadogradnjom 

novog komunikacijskog protokola nije potrebno iznova razvijati već postojeće SCADA funkcionalnosti i 

gotove komponente. 

Jedinstveni model procesnih podataka se temelji na određivanju triju atributa procesnog podatka 

(vrijednost, kvaliteta i vremenska oznaka) i semantike samog procesnog podatka. Tako oblikovani 

procesni podatak je integralni dio upravljanja SCADA sustavom. Upravo zbog jedinstvenog modela 

procesnih podataka moguća je istovremeni rad s uređajima koji komuniciraju s različitim protokolima kako 

je prikazano na Slici 4. 

Kao dio aplikacijske logike procesiranja komunikacije prema DNP3 uređajima su programski 

automati stanja koji opisuju način prihvata podataka. Dva osnovana automata koji prikazuju unsolicited i 

solicited komunikaciju su prikazani na Slikama 5 i 6. Pomoću posebno razvijenih programskih mehanizma 

PROZA NET SCADA sustava ovi automati stanja su izravno korišteni u sklopu razvoja programske 

podrške za DNP3 protokol. 

Integrity Poll 

Completed 

First Unsolicited 

Fragment Received 

Startup FirstUR Idle 

Unsolicited 

Fragment 

Received 

Slika 5. Unsolicited DNP3 komunikacija [3] 

7

Request Sent 

No Response 

Expected 

Unexpected 

Fragment 

Received 

Idle 


FIR = 1, FIN = 1, SEQ = N 

or 

FIR = 1, FIN = X, SEQ != N 

Reponse 

Timout 

Request Sent 

Response 

Expected 


FIR = 0 

AwaitFirst 


FIR = 1, FIN = 0, SEQ = N 

Reponse 

Timout 


All other conditions that do not 

result in loop back to Assembly 


FIR = 0, FIN = 0, SEQ = N + 1 

or 

FIR, FIN, SEQ and octets match previous 

Assembly 

Slika 6. Solicited DNP3 komunikacija [3] 

4. ZAKLJUČAK 

DNP3 protokol je vodeći protokol za automatizaciju industrijskih postrojenja u Sj. Americi. U ovom 

članku dan je pregled DNP3 protokola i njegovih osnovnih karakteristika. Također, prikazana je 

usporedba DNP3 protokola s uobičajeno korištenim komunikacijskim protokolima korištenim u Europi. 

Prikazani su detalji integracijskog procesa DNP3 protokola u SCADA sustav. Kako bi se ostvario 

jedinstven i lokacijski transparentan SCADA proizvod poput Končarevog SCADA sustava PROZA NET, 

integracija protokola poput DNP3 je ključan preduvjet visoke kvalitete i primjenjivosti sustava 

5. LITERATURA 

[1] “DNP3 SPECIFICATION, Volume 1, DNP3 INTRODUCTION, Version 2.01, 2007.” . 

[2] “DNP3 SPECIFICATION,Volume 7, IP NETWORKING,Version 2.1, 2007.” . 

[3] “DNP3 SPECIFICATION, Volume 2, APPLICATION LAYER, Version 2.01, 2007.” . 

[4] “DNP3 SPECIFICATION, Volume 4, DATA LINK LAYER, Version 2.01, 2007.” . 

[5] “DNP3 SPECIFICATION, Volume 3, TRANSPORT FUNCTION, Version 2.01, 2007.” . 

[6] “DNP3 SPECIFICATION, Volume 6, Part 1 - Basics, DNP3 OBJECT LIBRARY, Version 2.01, 2007.” . 

[7] “DNP3 SPECIFICATION, Volume 6, Part 2 - Objects, DNP3 OBJECT LIBRARY, Version 2.01, 2007.” . 

8

DEVELOPMENT AND INTEGRATION OF DNP3 DRIVER INTO SCADA SYSTEM

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?