Komunikačný protokol IEC 101 je určený na zber telemetrických dát a riadenie v energetike. Používa sa na komunikáciu medzi dvoma systémami prepojenými permanentným dátovým okruhom (sériovou linkou). V našich zemepisných šírkach je pomerne rozšírený - napr. na riadenie výroby elektrickej energie a rozvodní Slovenským elektroenergetickým dispečingom (SED) . Tento článok sa venuje popisu jeho základných vlastností.

Varovanie: popis protokolu IEC 101 môže laikom spôsobiť nevoľnosť a bolenie hlavy. V prípade, že podobné príznaky na sebe spozorujete, odporúčam prestať čítať :-)

Úvod

Protokol IEC 101 sa plným menom nazýva IEC 60870-5-101 a patrí do rodiny štandardov IEC 60870-5 určených pre zber telemetrických údajov a vzdialené riadenie v SCADA systémoch. V slovenskej norme boli tieto štandardy prevzaté ako STN EN 60870-5.

Rodina štandardov obsahuje niekoľko základných dokumentov:

60870-5-1: formáty prenosového rámca (serial)
60870-5-2: postupy linkového prenosu (serial)
60870-5-3: obecná štruktúra aplikačných dát
60870-5-4: definície a kódovanie používaných informačných prvkov
60870-5-5: základné aplikačné funkcie
60870-5-6: pokyny pre testovanie zhody pre sprievodné normy IEC 60870-5
60870-5-7: bezpečnostné rozšírenia protokolov IEC 60870-5-101 a IEC 60870-5-104 (podľa IEC 62351)

Tieto štandardý sú používané sprievodnými normami:

60870-5-101: základné úlohy diaľkového ovládania
60870-5-102: prenos integrovaných súčtov (počítadiel) v elektrických systémoch
60870-5-103: informačné rozhranie ochranných zariadení
60870-5-104: sieťový prístup pre IEC 60870-5-101 s použitím normalizovaných sieťových profilov

Výhodou takéhoto modulárneho členenia štandardov je možnosť ich opätovného použitia. Napríklad IEC60870-5-101 sa odvoláva na IEC 60870-5-1, 2, 3, 4. Štandard pre TCP komunikáciu IEC 60870-5-104 (námet na nezávislý článok) využíva časti IEC 60870-5-5 a používa formáty správ definované v IEC 60870-5-101.

Predtým, ako sa pustíme do protokolu IEC 101, musíme stručne prejsť základné normy, ktoré tento protokol využíva. Poďme na to.

IEC 60870-5-1 a 60870-5-2

IEC 60870-5-1 definuje triedy I1, I2 a I3 pre integritu dát (odvodené od pravdepodobnosti reziduálnej chyby, t.j. chyby neodhalenej mechanizmami protokolu ako parita a CRC), špecifikuje zodpovednosti fyzickej a linkovej vrstvy a definuje triedy služieb poskytovaných linkovou vrstvou. Ďalej definuje triedy formátov správ:

1 zabezpečený paritou, do 127 bajtov dát, s Hammingovou vzdialenosťou 2 (trieda I1)
2 ako FT1.1, navyše s 8-bitovým CRC, s Hammingovou vzdialenosťou 4 (trieda I2)
FT2 ako FT1.2 ale max. 15 bajtov dát, s Hammingovou vzdialenosťou 4 (trieda I2)
FT3 blok max. 16 bajtov dát s 16-bitovým CRC, s Hammingovou vzdialenosťou 6 (trieda I2)

Tieto triedy formátov správ majú rôzne úrovne efektivity prenosu dát a rôzne pravdepodobnosti reziduálnej chyby - vlastnosti dôležité pre pomalé sériové trasy s vysokou chybovosťou, charakteristické pre technológiu minulého tisícročia (IEC 60870-5-1 je z roku 1990). Podľa normy sa formáty triedy FT1.1 využíva na cyklické obvolávanie v systémoch s nízkymi nárokami na integritu dát, triedy FT1.2 a FT2 v systémoch so zvýšenými a FT3 v systémoch s mimoriadnymi požiadavkami na integritu dát.

IEC 60870-5-2 detailne špecifikuje jednotlivé polia definovaných formátov správ F1.1 až F3.

Obr 1: správy formátu FT1.2 (ktorý používa IEC 101)
s variabilnou dĺžku, fixnou dĺžkou a jednoznakové potvrdenie

Ďalej špecifikuje jednotlivé linkové služby (servisné primitívy):

send/noreply pre nepotvrdzované posielanie správ
send/confirm pre potvrdzované posielanie správ
request/respond pre vyžiadanie si dát

Obr 2: servisné primitívy a správy pre základné linkové služby

V tomto kontexte norma definuje primárnu a sekundárnu stanicu.

Primárna stanica je tá, ktorá je aktívna (iniciuje komunikáciu, na obr. 2 vľavo). Sekundárna stanica reaguje (prijíma požiadavky od primárnej a prípadne na ne odpovedá).

Ďalej norma definuje nebalancovanú komunikáciu, v ktorej master stanica, t.j. SCADA systém, dotazuje podriadené podstanice. Master stanica je zároveň primárna stanica a iniciuje komunikáciu. V rámci nebalancovanej komunikácie je definovaný obsah riadiaceho poľa (control field), ktoré obsahujeinformáciu o odosielateľovi (primary/secondary), bit riešiaci duplicitné a stratené správy a 4-bitové číslo charakterizujúce službu linkovej vrstvy (napr. užívateľské dáta, reset linky, reset užívateľského procesu, žiadosť o užívateľské dáta triedy 1 a 2).

Pri balancovanej komunikácii môže každá stanica iniciovať prenos dát. Keďže každá stanica funguje zárovň ako primárna aj sekundárna, norma ich nazýva kombinované stanice. Na rozdiel od nebalancovanej komunikácie obe kombinované stanice môžu posielať dáta simultánne.

IEC 60870-5-3 – obecná štruktúra aplikačných dát

Štandard IEC 60870-5-3 definuje takzvaný EPA model komunikácie (enhanced performance architecture), ktorý na rozdiel od štandardného 7-vrstvového ISO modelu má iba tri vrstvy (s cieľom zrýchliť a zjednodušiť komunikáciu).

Obr 3: porovnanie ISO a EPA modelov komunikácie

Ďalej je definovaný pojem ASDU (Application Service Data Unit) – všetky užívateľské dáta sú pri prenose „zabalené“ do ASDU – reprezentujúcej najvyššiu, tretiu vrstvu (aplikačnú). Táto je následne na linkovej vrstve „zabalená“ do LSDU (Link Service Data Unit) a po pridaní LPCI (Link Protocol Control Information) je poslaná na fyzickú vrstvu.

Obr 4: vzťahy medzi dátovými jednotkami (Data Units) komunikačných vrstiev

Akú má štruktúru ASDU? Obsahuje Data unit identifier - identifikátor dátovej jednotky (voliteľný), jeden alebo viac informačných objektov a spoločnú časovú značku (opät voliteľnú).

Obr 5: štruktúra ASDU

Identifikátor dátovej jednotky obsahuje povinne identifikátor typu a voliteľne ďalšie polia: dĺžka ASDU, kvalifikátor variabilnej štruktúry (VSQ), príčinu poslania (COT) a spoločnú adresu ASDU. Dôvodom voliteľnosti jednotlivých polí je možnosť ich použitia alebo vynechania v štandardoch, ktoré použivajú IEC 60870-5-3.

Obr 6: štruktúra identifikátora dátovej jednotky

Informačný objekt sa skladá z identifikátora (typ objektu + adresa), sady informačných elementov a časovej značky. Všetky polia sú pritom voliteľné.

Obr 7: štruktúra informačného objektu

Aby sa čitateľ nezamotal v postupných dekompozíciach, norma obsahuje prehľadnejšiu tabuľku uvádzajúcu celú štruktúru ASDU:

Obr 8: dekompozícia ASDU na jednotlivé komponenty a elementy

60870-5-4 - definície a kódovanie informačných elementov

Táto norma definuje základné dátové typy (unsigned integer, integer, unsigned fixed point, fixed point, real, bitstring) a ich binárnu reprezentáciu (v prípade integer hodnôt aj BCD reprezentáciu) používanú na kódovanie informačných elementov. Napríklad pre typ unsigned integer sa definuje reprezentácia rôznych príkazov typu zapni/vypni , vyššie/nižšie a hodnôt typu dvojstav alebo „jeden bit z ôsmich“.

Obr 9: príklady definícií reprezentácie rôznych informačných elementov.

Vyššie bity sú definované až v normách, ktoré túto používajú (IEC 101, 104).

Ďalej sa definujú reprezentácie rôznych ukazovateľov kvality (Quality Descriptor) používaných v ASDU. Norma definuje príznaky:

OV – overflow (pretečenie hodnoty)
BL – blocked (blokovaná hodnota)
SB – substituted (nahradená hodnota)
NT –non topical (hodnota nebola aktualizovaná za špecifikovaný čas alebo je nedostupná)
IV – invalid (neplatná hodnota)

a niekoľko formátov časových značiek:

40 – bitový binárny čas (presnosť na milisekundy, max. 8.7 roku, príznak letného času- SU)
48 – bitový zložkový čas (milisekundy až stovky dní)
56 – bitový zložkový čas (milisekundy až desiatky rokov, príznaky SU a IV - invalid)

Obr 10: najobsiahlejšia definícia 56-bitového času používaná aj IEC 101

IEC 101 využíva aj skrátenú formu 56-bitového času, ktorá obsahuje iba prvé 3 bajty (milisekundy až minúty a príznak Invalid - IV). Skrátenie povoľuje poznámka pod nákresom v Obr 10.

Toto boli - s výnimkou 60870-5-5 - všetky základné normy používané IEC 101. K samotnej norme IEC 101 a jej detailom sa dostaneme o týždeň.

16.10.2017, Ing. Peter Humaj, www.ipesoft.com

Komunikácia – protokol IEC 101

Peter Humaj

Úvod

IEC 60870-5-1 a 60870-5-2

IEC 60870-5-3 – obecná štruktúra aplikačných dát

60870-5-4 - definície a kódovanie informačných elementov

Iné blogy

Komunikácia - MQTT Sparkplug

Komunikácia - optimalizácia v protokole Ethernet/IP

Diagnostika a ladenie databázových operácií v D2000