Introdução ao IEC 60870-5

O que é IEC 60870-5?

IEC 60870-5 se refere a uma coleção de padrões produzidos pela Comissão Eletrotécnica Internacional, ou IEC, para prover um padrão aberto para a transmissão de controle telemétrico e informação SCADA.

O padrão provê uma detalhada descrição funcional de telecontrole de equipamentos e sistemas para processos controlados geograficamente distantes, em outras palavras, para sistemas SCADA. O padrão foi feito para aplicações em indústrias elétricas, e possui dados que são especificamente para tais, contudo não é limitado pois possui também dados gerais em aplicações SCADA usadas em qualquer indústria. Apesar disso, o protocolo IEC 60870-5 é na sua grande maioria usado em industrias elétricas nos países europeus.

Quando o padrão IEC 60870-5 foi inicialmente completado em 1995 com a publicação do arquivo IEC 870-5-101, este cobria somente a transmissão sobre relativas bandas de largura baixa em circuitos de comunicação bit-serial. Com o grande crescimento do uso de tecnologias de comunicação pela grande rede mundial, agora o IEC 60870-5 também disponibilizaria o uso do protocolo TCP/IP para comunicações. Esta mesma sequência de desenvolvimento se deu para o DNP3.

Nesta prévia, as principais características do protocolo IEC 60870-5 são descritas nos pontos principais listados abaixo. Essas áreas são todas examinadas em grande detalhe nos capítulos subsequentes dos Fundamentos e Avançadas considerações do IEC 60870-5, no qual o protocolo será descrito em detalhes se focando nas especificações do nível físico até ao da aplicação do usuário.

Padrão

IEC 60870 se refere a um padrão produzido em partes de 1988 a 2000 pela Comissão Eletrotécnica Internacional, ou IEC. O IEC é uma organização criada de comitês nacionais ao redor do mundo, e funciona para promover uma cooperação internacional na padronização nos campos elétrico e eletrônico. O padrão foi originalmente chamado de IEC 870, mas o prefixo ‘60’ foi subsequentemente adicionado.  O padrão IEC 60870 é estruturado hierarquicamente, compreendendo seis partes mais um número de padrões associados. Cada parte é então dividida em um número de seções, cada uma publicada separadamente progressivamente. Em adição às partes principais, há quatro padrões ‘associados’ que proveem detalhes para uma aplicação particular, se estendendo nas definições providas pelas partes principais do padrão, adicionando informações específicas sobre dados no campo de aplicação.

A estrutura do padrão IEC 60870 é ilustrada na figura 7.1 abaixo. Mostra as partes principais do padrão, mais as seções e padrões associados sobre protocolos de transmissão.

No último quadro é possível observar o protocolo associado IEC 60870-5-101. Intitulado como ‘Companion standard for basic telecontrol tasks’ (Protocolo corporativo para tarefas básicas de telecontrole). Este é de fato o documento que é mais frequentemente mencionado no IEC 870 ou IEC 60870 quando discutido no contexto dos sistemas SCADA. Isto se dá porque, foi somente com o lançamento deste documento que uma definição completa do protocolo de transmissão SCADA foi criado, já que é este documento que provê todo o nível de aplicação de objetos de dados que são necessários para a operação do SCADA. Apesar disso, embora o IEC 60870-5-101 complete a definição para protocolo de transmissão, este inclui muitas referências para os detalhes contidos nas Seções de 1 a 5 da Parte 5.

O quarto padrão associado, IEC 60870-5-104 é também de particular importância na compreensão do padrão como ele é usado nos dias de hoje, porque ele define o transporte de mensagens pelo IEC 60870-5 nas redes de trabalho. Intitulado como ‘Network Access using Standard Transport Profiles’ (Acesso a Redes de Trabalho usando Perfis de Transporte Padrão) o qual se refere ao uso do TCP/IP para o transporte e protocolos de rede de trabalho.  Este padrão associado foi publicado em Dezembro de 2000, seis anos depois do IEC 60870-5-101 ser publicado. Isto claro provê um mecanismo físico e de transporte de dados muito diferente para o IEC 60870-101, mas deixa grande parte das funções de nível de aplicação e objetos de dados inalterados.

Os principais pontos a notar-se desta prévia são a estrutura hierárquica do padrão, o fato de ter sido progressivamente e publicado, e o fato de que os dois principais documentos que descrevem os protocolos são o IEC 60870-5-101 e o mais recente, IEC 60870-5-104.

Topologia do Sistema

IEC 60870-5-101, ou T101, suporta ligações de comunicação ponto-a-ponto e multiponto carregando dados de comunicação bit-serial em banda baixa. Isto provê a escolha de usar comunicação balanceada ou desbalanceada no nível de ligação. Com comunicação desbalanceada, somente o mestre pode iniciar uma comunicação, transmitindo os quadros primários.  Simplificando o projeto do sistema porque não há necessidade de suportar anticolisão. Todas as comunicações são inicializadas a pedido da estação do mestre, que irá requisitar dados do usuário se disponível.

Comunicação balanceada está disponível, mas é limitada para comunicação ponto-a-ponto somente. Portanto embora T101 possa suportar mensagens não solicitadas por um escravo, ele não pode fazê-lo por uma topologia multiponto e deve empregar um esquema de votação cíclico para interrogar as estações secundárias.

Comunicação Balanceada – limitada para comunicação ponto-a-ponto somente:

• Ambos podem iniciar transação

• Melhor eficiência no uso do sistema de comunicação

• Problemas com colisão como duas estações podem transmitir simultaneamente. Prevenção de colisão e recuperação necessária.

• Contudo, somente para ligações ponto-a-ponto no T101

Comunicação Desbalanceada – adequado para multiponto:

• Somente o mestre pode iniciar um quadro primário

• Prevenção de colisão não é necessária

• Função da camada de enlace de dados do escravo é mais simples

De acordo com IEC 60870-5, há uma estrutura hierárquica assumida, de modo que, para quaisquer duas estações que comunicam umas com as outras, uma é a estação de controle, e a outra é a estação controlada. Há também uma "direção de monitor” e uma “direção de controle” definidas. Assim, os dados monitorados, como valores analógicos do campo são enviadas na direção de monitoramento e os comandos são enviados em direção ao controle. Se uma mesma estação envia os dados monitorados e comandos, atua simultaneamente como controle e controlada. Esta é definida como operação em modo duplo. É acomodada pelo protocolo, mas requer que o uso seja feito de endereços originadores no ASDU.

Estrutura da Mensagem

A estrutura da mensagem no IEC 60870-5-é formada pelo quadro de enlace de dados carregando a ligação de endereços e controle de informação, uma bandeira para indicar se a Classe 1 de dados está disponível, e os dados de aplicativos opcionais. Cada quadro pode carregar um máximo de uma unidade de dados de serviço de aplicação, ou ASDU. Figura 7.2 mostra a estrutura do quadro de enlace de dados, e a estrutura da camada de aplicação ASDU transportada por ele.

No caso em que os dados de utilizador não é exigido no quadro, tanto um quadro de comprimento fixo, ou um único reconhecimento de caracteres pode ser usado. Estes preveem a utilização eficiente da largura de banda das comunicações.

Endereçamento

De acordo com IEC 60870-5-101 o endereçamento é tanto no link quanto no nível do aplicativo. O campo de endereço do link pode ser 1 ou 2 octetos para desequilibrado, e 0, 1 ou 2 octetos para comunicações balanceadas. Como as comunicações balanceadas são ponto-a-ponto o endereço do link é redundante, mas podem ser incluídos para a segurança. A ligação ou endereço FF ou FFFF é definido como um endereço de difusão, e pode ser utilizada para tratar todas as estações ao nível da ligação.

No nível do aplicativo, o ASDU contém 1 ou 2 octetos de endereços comuns. Este é definido como o endereço da estação de controle na 'direção controle', e o endereço da estação controlada na 'direção da monitorização ". O endereço comum da ASDU combinado com o endereço do objeto informação contida nos dados da própria combinam para tornar o endereço único para cada elemento de dados.

Como em DNP, pode haver mais do que um endereço lógico comum ou por dispositivo. Quanto ao nível de link, o endereço FF ou FFFF é definido como um endereço de broadcast. Portanto, para enviar uma mensagem de difusão é necessário incluir este endereço em ambos os enlace de dados e campos de endereço da aplicação.

Opcionalmente, numa base por sistema, os endereços originadores podem também ser efetuadas no âmbito do ASDU. Isto não é mostrado na figura 7.2, mas é uma parte opcional da causa do campo de transmissão.

O endereço do objeto informação possui de 1 a 3 octetos de comprimento, e pode ser fornecida apenas uma vez dentro de um ASDU, ou para cada objeto de informação separado dentro de uma ASDU. Isto permite a transmissão eficiente de blocos de informação sequencial.

Versão Networked

De acordo com o IEC 60870-5 há dois métodos diferentes para transporte de mensagens. Estes são na verdade dois protocolos diferentes, mas intimamente relacionadas. O primeiro é a IEC 60870-5-101, ou T101, que prevê comunicações bit-série sobre os canais de comunicação de baixa largura de banda. Este método usa o quadro de enlace de dados mostrado na Figura 7.2, juntamente com os procedimentos definidos para transportar os dados através da rede de comunicações.

O segundo método foi definido muito mais recentemente, com o lançamento do IEC 60870-5-104, ou T104 perfil. Neste protocolo os níveis mais baixos de protocolo foram completamente substituídos pelo transporte e rede de protocolos TCP e IP. Estes protocolos preveem o transporte das unidades de dados de serviço de aplicação (ASDU) mostrados na Figura 7.2 através de redes corporativas locais e redes de longa distância que utilizam estes protocolos padrão.

A estrutura do protocolo, ou "protocolo de pilha 'é mostrada na Tabela 7.1.

Considerando que o T101 oferece definição completa da pilha de protocolos até ao nível físico, este não é fornecido sob T104 como operações de camada física e ligação existentes e variados são empregados.

Em geral, apesar da operação completamente diferente de transporte de mensagens, o funcionamento do protocolo de aplicação e nível de utilizador permanece inalterado. Algumas exceções são específicos na área de sincronização de tempo, e em mensagens de difusão.

Objetos de dados de Aplicativos

IEC 60870-5 tem informações sobre um conjunto de objetos de informação que são indicadas tanto para aplicações SCADA gerais, e aplicações do sistema elétrico, em particular. Cada tipo diferente de dados tem um número de identificação único. Apenas um tipo de dados são incluídos em qualquer um ASDU, e como ilustrado na Figura 7.2 o tipo de identificação é o primeiro campo do ASDU.

Os tipos de objetos de informação são agrupados por direção e por tipo de informação, como segue:

Interoperabilidade

Interoperabilidade sob IEC 60870-5 é conseguido através de uma declaração interoperabilidade de dez páginas. Isso identifica todos os diferentes modos de operação, opções configuráveis, ASDU, causas de transmissão, e outras informações que são importantes para garantir a compatibilidade.

Porque o IEC 60870-5 tem uma estrutura simples, em termos de tipos de dados e opções de dados de endereçamento, esta abordagem é relativamente simples. É necessário verificar a compatibilidade de controlar as implementações de estações com implementações de estações controladas e garantir que todos os tipos de dados necessários são suportados.

Fundamentos do IEC 60870-5

Estrutura Geral do Padrão

A norma IEC 60870-5 foi produzido por Comitê Técnico da Comissão Eletrotécnica Internacional 57, Grupo de Trabalho 03, e publicado progressivamente a partir de 1988.

As seções IEC 60870-5-1 até IEC 60870-5-5 são os principais documentos de especificação para a Parte 5, o Protocolo de Transmissão que é parte do padrão.

As seções dos padrões associados, ou simplesmente padrão associado, IEC 60870-5-101 até IEC 60870-5-104, são cada um separadamente protocolos de aplicação criados para propósitos específicos. Eles proveem as definições de nível de aplicação com objetos de dados e funções para definir completamente um protocolo de trabalho. Eles são também chamados de perfis, e algumas vezes abreviados como T101, T102, T103, e T104, o T é padrão para telecontrole.

Como mostrado na introdução, IEC 60870-5-101 proveu o primeiro trabalho completo sobre o protocolo SCADA sobre o IEC 60870-5. Este define todas as funções e objetos de dados necessários no nível de aplicação para telecontrole operando em grandes distâncias geográficas, usando baixa largura de banda com comunicação bit-serial. Este cobre comunicações gerais com RTUs, incluindo tipos de dados e serviços aplicáveis para sistemas elétricos e subestações. Os tipos de dados são genéricos e aplicáveis para grande variedade de aplicações SCADA.

O padrão associado IEC 60870-5-102 e o IEC 60870-5-103 proveem tipos de dados e funções que suportam sistemas de proteção elétrica. Estes incluem proteção de distância, proteção diferencial de linha, e diferencial de transformador.

Como explicado na introdução, o padrão associado IEC 60870-5-104 possui uma significância especial. Este define operações de protocolos de transmissão sobre redes usando perfis de padrões de transporte específicos dos protocolos TCP e IP. Este padrão associado não é independente do IEC 60870-5-101, mas substitui versão da seção de transporte de mensagens com uma rede, deixando as funções do nível de aplicação largamente inalteradas.

Desenvolvimento dos Padrões

Padrões IEC estão sujeitos a revisão e a emissão de alterações ao longo do tempo, e desde a publicação do IEC 60870-5-101, este perfil tem duas alterações emitidas. A primeira alteração adicionou um pequeno número de definições de objetos de informação. A segunda alteração acrescentou uma quantidade significativa de esclarecer detalhes, cujo objetivo era remover ambiguidades e assim proporcionar melhores para a interoperabilidade. Em 2002, a norma foi reeditada como um documento, incluindo as duas alterações.

Obtenção de Padrões

Se o acesso aos padrões for exigido, podem ser adquiridos a partir do site da IEC (em www.iec.ch). Como uma alternativa que pode ser menos cara, vale a pena verificar se eles foram publicados como um padrão nacional, como é frequentemente o caso. Na Austrália, IEC 60870-5 seções 1-5 estão disponíveis como AS 60870.5.1 a AS 60870.5.5 e estão disponíveis on-line (em www.standards.com.au). No entanto, os padrões associados não estão presentemente disponíveis e devem ser obtidos a partir da IEC. Uma alternativa para a compra dos padrões é vê-los em uma biblioteca pública ou universitária.

Desenvolvimento do Padrão

IEC 60870-5-1 1990

Formatos de quadros de transmissão

Este artigo descreve o funcionamento das camadas físicas e de enlace de dados em termos de serviços prestados às camadas mais altas. Ele oferece uma escolha de quatro links de tipos de dados de quadros identificados como FT1.1, FT1.2, FT2 e FT3, cada um com um diferente nível de segurança contra erros de dados. Versões de tamanho fixo e variável dos quadros são descritos, e um conjunto de regras de transmissão é fornecido para cada um. Duas transmissões de caráter único de controle são fornecidos como um meio eficiente de transmissão de informações de controle, como confirmações.

IEC 60870-5-1 1990

Procedimentos de transmissão ligação

Esta seção representa os quatro formatos de estrutura de IEC 60870-5-1 e descreve os processos internos em termos das primitivas de serviço e os procedimentos de transmissão. As primitivas de serviço são as indicações de controle que passaram entre a camada de enlace e seu maior nível de usuário, e os procedimentos de transmissão que descrevem a sequência de eventos que ocorrem ao longo do link de comunicação física. Um campo de controle é descrito, é transmitido através da ligação e é utilizado pelos procedimentos da camada de ligação de cada um dos lados da ligação em controlar o processo de transmissão. Os termos desequilibrada e transmissão equilibrada são apresentados e utilizados para descrever se a transmissão pode ser iniciada apenas por uma estação mestre, ou por qualquer estação. Serviços e procedimentos de transmissão são apresentados em detalhe para as transmissões tanto desequilibrada e equilibrada.

IEC 60870-5-3 1992

Estrutura geral dos dados da aplicação

Esta seção apresenta dois modelos de estrutura de dados no nível do aplicativo. O modelo de referência versão 2 mostra como os dados do usuário da aplicação, por exemplo, informações a ponto de ser transmitida, é encapsulada dentro de uma unidade de dados de protocolo de aplicação, com ou sem informações de controle de protocolo de aplicação acrescentada, e depois passa para a camada de enlace de base para a transmissão. Ele também descreve a estrutura geral para dados de aplicativo e as regras para a formação de unidades de dados de aplicativos em geral.

IEC 60870-5-4 1993

Definição e codificação dos elementos de informação de aplicação

Esta seção apresenta as regras para a definição dos elementos de informação, e define um conjunto de elementos de informação que podem ser utilizados para a transmissão de informações em aplicações de telecontrole. Estes incluem elementos tais como inteiros assinados e não assinados, números de vírgula fixa e flutuante, bit-strings, e elementos do tempo. A intenção desta seção é fornecer um conjunto de informações de blocos de construção a partir do qual uma norma associada ou perfil pode utilizar seletivamente para construir um conjunto completo de objetos de informação de nível de aplicativo.

IEC 60870-5-5 1995

Funções básicas do aplicativo

Esta seção descreve as mais altas funções de nível do protocolo de transmissão, que são as funções do aplicativo acima da camada 7 do modelo OSI. Primitivas de serviço de aplicação são o pedido e indicações de resposta que passaram entre a camada de aplicação e do usuário do aplicativo. Funções do aplicativo são descritos. Um conjunto de funções básicas do aplicativo e primitivos de serviços associados, ou pedidos e indicações, são apresentados. Estes abrangem as mais altas funções de nível que seria necessário para realizar operações de telecontrole. Eles incluem inicialização da estação, métodos de aquisição de dados, sincronização de relógio, transmissão de comandos, conta totalizador e transferência de arquivos. Novamente, é afirmado nesta secção que seria o papel de um padrão associado específico para selecionar a partir destas funções e, possivelmente, adicionar-lhes na definição de um protocolo de trabalho completo.

IEC 60870-5-101 1995

Padrão Associado para tarefas básicas de telecontrole (incluindo as alterações 1 e 2). O padrão define um protocolo associado de telecomando completo, detalhando seleções de opções descritas nas secções 1 a 5 do IEC 60870 Parte 5, e pela definição de um conjunto completo de unidades de dados de serviços de aplicação (ASDU). 

Arquitetura de Protocolo

Modelos de referência EPA e OSI

Quanto ao DNP3, IEC 60870-5 é baseado na arquitetura de três camadas de desempenho melhoradas ou modelo de EPA para comunicações de dados. Esses modelos são descritos em detalhe mais adiante neste texto, que mostra como o modelo EPA é uma forma simplificada do modelo de referência de sete camadas OSI para fornecer o melhor desempenho para aplicações de telecontrole. Na Figura 8.1, a relação entre o modelo OSI e o modelo de EPA está representado. Isso mostra que o modelo de EPA basicamente omite as camadas de apresentação, sessão e transporte do modelo OSI.

A estrutura do modelo de EPA é apropriada para um sistema de funcionamento que opera continuamente através de uma única rede. Uma camada é normalmente adicionada ao topo da representação do modelo de base EPA e é identificada como a camada do utilizador. Esta é incluída para representar as várias funções ou processos que têm de ser definidas para fornecer as operações do sistema de telecontrole. São necessários para definir a interoperabilidade entre os equipamentos que resultará num sistema de tele totalmente operacional, ao invés de apenas um sistema de comunicação de dados. Pelo primeiro padrão associado definido como IEC 60870-5-101 ou T101 perfil, um modelo de quatro camadas, como ilustrado no lado direito da Figura 8.1 fornece uma representação precisa da arquitetura do protocolo. No caso da versão em rede IEC 60870-5-104, ou o perfil de T104, camadas adicionais do modelo OSI tem de ser incluído para fornecer para o transporte de mensagens através de redes que utilizam protocolos de rede padrão. Estes são o transporte e as camadas de rede correspondente à utilização dos protocolos TCP e IP. As duas arquiteturas são apresentadas na Figura 8.2 abaixo.

Como é evidente a partir da Figura 8.2, a operação das camadas inferiores da versão em rede, IEC 60870-5-104 é completamente diferente do que a versão não ligado em rede, IEC 60870-5-101. Essas camadas correspondem a todas as camadas abaixo da camada de aplicação, o que para essas arquiteturas são as camadas envolvidas com o transporte da mensagem.

Seleções de normas

A vantagem do modelo de referência OSI, e os modelos da EPA dele derivados e mostrado na Figura 8.2, é que eles fornecem uma estrutura para a descrição do funcionamento do protocolo. Descrever o funcionamento do protocolo é uma questão de especificar as funções de cada camada, e especificar a estrutura da informação que passa entre as camadas. Na norma IEC, é o associado IEC 60870-5-101 que especifica o protocolo completo. Ele faz isso, referindo-se as principais seções da norma IEC 60870-5, e fazendo seleções específicas de opções que podem estar disponíveis dentro dessas seções.

Para comparação, a informação correspondente para a rede versão IEC 60870-5-104 é mostrada na Tabela 8.4. Isto ilustra a forma como as camadas inferiores da 60870-5-101, norma IEC associada, foram totalmente substituídas por perfis normatizados de transporte TCP / IP.

Camada Física

A camada física está relacionada com a transmissão e recepção de dados sobre a forma física. Este nível está relacionado com a transmissão de bits e bytes, mas não com o significado daqueles bytes. A interface física é definida em termos das características elétricas e sinais individuais, passando através da interface. A definição da camada física inclui a especificação da interface de sinal entre o IEC 60870-5 e os dispositivos de comunicação para o mundo externo, e as configurações de rede que estão ligados a estes. Estes estão ilustrados na figura 8.3. Onde mostra um servidor estação SCADA mestre conectado a um modem de rádio através de uma porta serial operando em 9,6 kB / s. Os modens de rádio formam uma configuração multi-ponto-estrela em que o mestre se comunica com as duas capelas simultaneamente, e que as estações externas podem se comunicar de volta para o mestre.

Interface de Comunicação

Para permitir a utilização de equipamento de comunicações de dados normal, o padrão utiliza padrões existentes que cobrem a troca entre o equipamento terminal de dados (DTE) e equipamento de comunicação de dados (DCE). Estes padrões de interface de comunicação são os equivalentes ITU-T para o bem conhecido Electrical Industries Association RS-232 e os padrões RS-485. Estes fornecem para full-duplex transmissão desequilibrada e equilibrada de dados seriais entre o dispositivo de dados e equipamentos de comunicação, como um modem. A utilização da interface é ilustrada na Figura 8.3, a ligação entre o servidor de uma central SCADA mestre, e um modem de rádio. A interface DTE-DCE é simplesmente, um cabo RS-232 entre a porta serial do computador, e uma porta semelhante no modem rádio. Também é utilizado entre os UTRs e seus modems de rádio. As velocidades de transmissão de dados estão definidos como se segue:

Além interfaces usando os padrões específicos, deve notar-se que o perfil T101 não permite a utilização de outras interfaces físicas por acordo entre fornecedor e utilizador.

Configurações de Rede

O perfil T101 especifica suporte para as seguintes configurações de rede ou topologia:

• Ponto-a-ponto

• Multiple ponto-a-ponto

• Multi-ponto-star

• Linha Multi-ponto-party

• Anel-Multi-ponto

Estas são definidas pela norma IEC 60870-1-1, e estão representados na Figura 8.4. No desenho os símbolos quadrados representam estações controladores ou mestre, e os triângulos representam controlado, ou capelas. Os pequenos círculos nos pontos de ligação são as portas.

A partir do diagrama pode-se observar que estas se dividem em dois tipos básicos, ponto-a-ponto e multiponto. Uma ligação ponto-a-ponto tem uma estação mestre e um escravo. Uma rede multi-ponto tem uma estação mestre ligada a um certo número de estações exteriores. A configuração em anel só é diferente na medida em que inclui redundância, proporcionando uma segunda porta na estação principal que pode ser utilizada para comunicações se o anel for quebrado. Nas configurações ponto-a-ponto o mestre ou o escravo pode transmitir mensagens, desde que um canal full-duplex seja usado. Nas configurações multi-ponto, o mestre se comunica em paralelo a todas as capelas ligadas. As estações exteriores partilham um canal de comunicação de retorno, e, por conseguinte, apenas um pode transmitir de cada vez. Note-se que as combinações de ligações podem formar uma rede hierarquizada onde UTRs intermédios podem atuar como estações locais mestre para UTRs ligados a eles. Estes são muitas vezes referidos como estações de sub-mestre.

Camada de Enlace de Dados

A camada de enlace de dados é responsável pela passagem de dados através do canal de comunicação, e garantir que os dados sejam recebidos na íntegra e não corrompidos por erros. Ele faz isso através de uma unidade de dados conhecido como um quadro, combinado com os procedimentos que presidem à sua transmissão e recepção. A armação é feita com uma quantidade de dados que é suficientemente grande para transportar informação de controle, tal como um endereço de destino, verificando informações usadas para detectar erros, e uma carga de dados, se necessário. É também uma quantidade de dados que não é muito grande, de modo que um erro de transmissão não irá provocar a perda de grande quantidade de dados, ou de forma que as discrepâncias de temporização entre o transmissor e receptor possam levar à perda de sincronismo. IEC 60870-5-101 ou T101, especifica o funcionamento da camada de ligação de dados de referência e faz seleções a partir dos padrões identificados na Tabela 8.1, repetido no seguinte extrato:

Nesta seção, o funcionamento da camada de enlace é explicado em detalhe, começando com a estrutura de dados e, em seguida, olhando para os processos de transmissão.

Formato do Quadro

O formato de quadro usado pelo T101 é referido como o formato FT1.2. Há duas formas, de um comprimento fixo e o outro de comprimento variável. O quadro de comprimento fixo é restrito ao uso de quadros que não levam os dados do usuário e, portanto, é usado apenas para comando de controle de enlace e quadros de confirmação. Além dos quadros de comprimento fixo e variável, existe uma armação “caráter de controle único " que consiste de um único byte. Isto pode ser usado apenas para reconhecimento. Estes quadros são mostradas nas Figuras 8.5 e 8.6. A Figura 8.5 mostra o padrão de bits real que seria visto no canal físico, interpretada a partir da esquerda para a direita. Esta representação inclui o início e stop bits que são transmitidos com cada octeto ou byte do quadro. A construção do caixilho é mostrada na Figura 8.6. Isto não representa o padrão de bits, mas apenas mostra o conteúdo de informação até ao nível de octeto. Para manter a consistência com as normas aplicáveis​​, estes são apresentados verticalmente, a fim octeto. Assim, o primeiro octeto é mostrado na parte superior, e octetos seguintes são mostrados abaixo. O esclarecimento da ordem de bits e octetos está incluído na seção seguinte.

A partir da representação de sequência de bits acima, é possível ver que a taxa de dados máxima da armação é de cerca de oito-elevenths da taxa de transmissão de bits. Isto é ainda mais reduzida quando as despesas gerais de quadros tais como endereçamento, iniciar e parar personagens, soma de verificação, e as informações de controle são contabilizados. Estes gerais pode ser visto na Figura 8.6 mostra que a estrutura global do quadro.

Os seguintes pontos são observados sobre os quadros de enlace de dados:

• Somente o quadro de comprimento variável pode transportar dados do usuário;

• O quadro de comprimento variável pode transportar até 253 octetos de dados;

• O comprimento L é repetido duas vezes, e os dois valores de L deve ser igual para o quadro ser aceito como válido;

• O comprimento máximo do quadro é 261 octetos. No entanto, um menor comprimento máximo de quadro pode ser especificado pelo fabricante ou pelo utilizador do sistema como um parâmetro do sistema;

• O quadro de comprimento fixo é de 5 ou 6 octetos;

• Um campo de endereço pode ser de 1 ou 2 octetos, determinado por um parâmetro do sistema fixo;

• Um endereço de broadcast é definido como 0xFF ou 0xFFFF para 1 e 2 octeto respectivamente;

• O checksum é o módulo 256 soma dos dados do usuário de quadros (não os dados do usuário link). Estes são os dados entre o último caractere de início e o checksum, L octetos para o quadro variável;

• Não mais do que um intervalo ocioso, pouco tempo, é permitido entre os personagens dentro do quadro, e que um intervalo ocioso de 33 bits vezes deve ser permitido após a detecção de um erro de armação pelo receptor.

Ordem de Informações

Um detalhe técnico que pode ser difícil de encontrar nas normas é a ordenação dos bits e bytes. No IEC 60870-5, como no DNP3, a seguinte ordem é padrão. Os bits são transmitidos a partir do byte menos significativo (LSB) e terminando com o byte mais significativo (MSB). Quando uma representação de sequência de bits é dado, os bits são mostrados nesta ordem. No entanto, quando a estrutura de uma mensagem em termos de bytes ou octetos é descrito, o MSB é, à esquerda, e o LSB está à direita, o que é consistente com o peso numérico dos bits. Uma boa maneira de resolver mentalmente este é prever o octeto sendo direito deslocado para fora de um registo UART para o canal de comunicação. Da mesma forma para bytes, o byte menos significativo (LSB) é transmitido em primeiro lugar, e o byte mais significativo (MSB) é transmitido por último. A ordenação dos bits e bytes é ilustrada na Figura 8.7.

Camada Conceitos de Ligação

Esta seção apresenta alguns conceitos que são importantes para a compreensão do funcionamento dos procedimentos de transmissão da camada de enlace. A operação detalhada da camada de enlace é, então, discutida em termos desses conceitos.

Estes são os seguintes:

• primária e secundária

• desequilibrada e equilibrada

• procedimentos de serviço

• primitivas de serviço

• procedimentos de transmissão

Primária e Secundária

Os termos primários e secundários referem-se à capacidade de uma estação para iniciar comunicações sobre um canal de comunicação. Apenas uma estação principal pode iniciar comunicações. Estações secundárias devem esperar até que sejam entrevistados pela estação primária antes que eles possam transmitir dados. Mais precisamente, estes termos são aplicados às portas de comunicações de estações individuais, porque num sistema hierárquico, uma estação intermediária será um tanto controlada e uma estação de controle. Esta situação é ilustrada na Figura 8.8. Isso mostra uma configuração de rede hierárquica com portas primárias e secundárias marcados P e S.

Na Figura 8.8 UTR 3 é tanto uma estação de controle quanto uma controlada. Note-se que cada uma das duas ligações de comunicações tem apenas uma estação primária.

Transmissão

Transmissão Desequilibrada e Equilibrada

Os termos "transmissão desequilibrada" e "transmissão equilibrada" estão relacionados aos termos "primário" e "secundário". Transmissão desequilibrada se refere à configuração em que a estação de controle atua como um primário para a ligação, e uma ou mais estações controladas atuam como estações secundárias. As estações não são peer-to-peer em nível de ligação, e por isso são desequilibrados em sua funcionalidade.

Esta é a situação na Figura 8.8 para cada uma das duas ligações de comunicações. Nesta configuração, a estação de controle deve adquirir dados das estações controladas por votação de cada vez por dados. Isso se dá porque eles não podem iniciar as transmissões por conta própria. A vantagem da comunicação desequilibrada é que não há possibilidade de colisões entre as estações controladas que tentam transmitir a informação ao mesmo tempo.

Transmissão equilibrada refere-se à configuração em que qualquer estação em uma ligação pode atuar como um primário, o que significa que ele pode iniciar a comunicação. Esta configuração também é conhecida como comunicações peer-to-peer.

De acordo com o IEC 60870-5-101, apenas ligações ponto-a-ponto (ou seja duas estações) podem ser equilibradas. Ligações multi-ponto devem ser desequilibradas. Isto está em contraste com DNP3, que utiliza transmissão equilibrada só, e, portanto, tem de ter meios para superar as colisões que podem ocorrer quando mais de um escravo começa comunicações simultaneamente. Uma ligação de comunicações equilibrada é mostrada na Figura 8.9. Neste caso, uma estação mestre é conectada através de uma ligação ponto-a-ponto para uma estação sub-mestre. Note-se que cada estação pode atuar como um primário e um secundário, nas portas para esta ligação. Estes podem, de fato, serem pensados como dois processos distintos dentro de cada estação, o que, de fato, é a forma como eles são logicamente dentro das estações. A estação tem um processo primário e processo secundário operando simultaneamente para essa ligação, e a Estação B tem a mesma.

 Figura 8.10 mostra os processos primário e secundário para transmissão desequilibrada. Os processos são representados por círculos identificados como primários (P) ou secundário (S). A estação primária implementa o processo primário apenas, e as estações secundárias cada implementam apenas um processo secundário. Note-se que na prática não existe uma ligação lógica separada para cada estação secundária e que é necessário para o primário para manter um registo do estado de cada elo.

A Figura 8.11 apresenta os processos de transmissão equilibrado. Neste caso, há um processo primário e secundário para cada estação.

Procedimentos de Serviço

O termo « serviços» é descritivo da função da camada de ligação, que proporciona serviços específicos para o utilizador, que é a camada de aplicação, para realizar a transmissão de dados. Existem três principais tipos de serviços prestados pela camada de enlace de dados, que têm os seguintes nomes:

• Enviar / não responder

• Enviar / confirmar

• Solicitar / responder

O envio / no serviço de resposta é usado para enviar uma mensagem ou comando para o qual não é necessária nenhuma resposta da estação dirigida. Ele é usado para o envio de mensagens de difusão e para as mensagens de confirmação de recebimento que não é importante. O serviço de envio / confirmação é usado para enviar um comando ou dados que devem ser transmitidos de forma confiável. Para este serviço é necessário uma resposta de confirmação. O pedido / responder serviço é utilizada para obter os dados da estação de controlo. Neste caso, a estação de medição não responde com uma confirmação, mas com os dados necessários.

Estes serviços são ilustrados na Figura 8.12. Isto mostra a camada de ligação de duas estações de um canal de comunicação, e um diagrama de tempo de sequência das interações de serviço. Em cada lado são mostrados os comandos, dados e respostas que são passados ​​entre a camada de enlace e o usuário do serviço, que é a camada de aplicação. Estes são denominados das primitivas de serviço ". No centro da transmissão da mensagem é rotulada com o nome do procedimento de transmissão.

Os procedimentos de transmissão são um conjunto de regras que garantam que as transmissões são realizadas com êxito em resposta a ligação solicitações do usuário. Eles devem ser capazes de lidar com os erros no canal de transmissão que pode introduzir erros, ou causar a perda de informações. Os procedimentos de transmissão são diferentes para ligações balanceadas e equilibradas, e descreveu para cada nas seguintes seções.

Ligação de Inicialização

Ligação de inicialização é um serviço de link de dados realizada após a estação foi off-line e a primeira torna-se disponível novamente. Enquanto a estação escrava é off-line o mestre envia periodicamente link status de solicitação de funções até um status de resposta ligação é obtido. As sequências são apresentadas a seguir para ambos os modos desequilibrados e equilibrada.

Estação / link de inicialização, o modo desequilibrado:

• Mestre envia pedido de estado de ligação até que o estado do link recebido

• Mestre envia redefinição de ligação

• Link é ativo no recebimento de ACK

• Escravo gera a inicialização completa do evento estação

Estação / link de inicialização, o modo equilibrado:

• Cada estação envia solicitação de status do link até que o estado do link recebido

• Cada estação envia redefinição de ligação

• Link é ativo no recebimento de ACK em cada estação

• Um ou ambos, podem gerar a inicialização completa do evento estação

Procedimentos de Transmissão Desequilibrada

Procedimentos de transmissão desequilibrada são necessários para que não sejam ponto-a-ponto, isto é ligações multi-ponto. Para estas ligações a estação de controle tem que controlar o tráfego de dados por votação das capelas de dados. Somente quando a estação de controle ou primária em um link controla a estação secundária particular pode responder a essa estação.

O Campo de Controle

O campo do quadro de dados de controlo é fundamental para o funcionamento dos processos de transmissão. Este campo é praticamente idêntico ao utilizado pelo protocolo DNP3 porque foi derivado a partir da mesma fonte documento, IEC 60870-5-2 1992. A interpretação do campo de controle é dependente se a comunicação é uma mensagem primária ou secundária. A Figura 8.13 mostra o campo de controle para os procedimentos de transmissão desequilibrada, incluindo as breves descrições de os significados dos códigos de função para mensagens primárias e secundárias.

As tabelas abaixo mostram os significados detalhados para os códigos de função no campo de controle. Os significados são diferentes dependendo se a mensagem for um primário ou uma transmissão secundária. O bit de contagem de quadros é usado apenas no sentido primário, e é válido apenas para determinadas funções. Isto é indicado pelo estado da contagem moldura pouco válido.

Códigos de Funções de estações primárias (códigos 5, 7, 12, 15 são reservados)

Códigos de Funções de estações secundárias (códigos 2–7, 10, 12–13 são reservados)

Campo de Endereço

O campo de endereço da camada de link frame é um ou dois octetos de comprimento, definido como um parâmetro do sistema fixo. Este campo contém o endereço do link da estação secundária. Um quadro transmitido pela estação primária numa ligação contém o endereço da estação de ligação secundária para a qual a mensagem é dirigida. Um quadro transmitido por uma estação secundária para o primário contém seu próprio endereço do link. Por este meio, a estação primária pode identificar qual a mensagem da estação secundária.

Filosofia da Transmissão

Para a transmissão desequilibrada apenas a estação de controle ou primária em um link pode iniciar transmissões. Devido a isso, é necessário que um sistema de sondagem é implementado pela estação primária, a fim de determinar se existem dados de alteração disponíveis em cada estação secundária.

Para conseguir isso a estação de controlo irá pesquisar cada estação secundária de uma maneira cíclica para dados. Ele normalmente vai sondar para a classe 2 os dados do usuário usando o código de função de solicitação de responder 10. A estação secundária irá retornar todos os dados da classe 2, que tem disponível e, ao mesmo tempo em que vai indicar se há alguma classe de dados de um disponíveis, definindo o bit demanda de acesso (ACD). Normalmente, os valores analógicos serão atribuídos à classe 2 e ser atualizada durante a verificação cíclica, e todos os outros dados, tais como eventos será atribuída a classe 1.

Note-se que embora a operação de sondagem é realizada por a camada de ligação, a própria sequência de pesquisa é executado por um nível mais elevado do protocolo, o nível do processo de utilizador. O nível mais elevado gera pedidos de serviços utilizando primitivas de serviço para especificar as ações eleitorais a serem realizados pela camada de enlace.

Sincronização do Relógio

Hora de sincronização é realizado a fim de assegurar que os tempos marcadas dados de estações exteriores tem informação de tempo precisos. Todos os relógios são sujeitos a erros de tempo, que vai levar a uma diferença entre o tempo da estação mestre e escravo se o tempo de sincronização não é realizada.

A sincronização é um processo simples. A estação mestre transmite uma mensagem com o tempo de acordo com o seu relógio, para uma ou mais estações exteriores. Esta pode ser uma mensagem de difusão enviados a todos estações exteriores. Ao receber o novo tempo, cada estação exterior ajusta o seu próprio relógio para o tempo na mensagem, mais uma vez para permitir a correção do tempo a mensagem teria levado para ser transmitido e cronometrado no seu próprio tampão.

Após isso, o escravo envia todos os dados de tempo marcadas previamente em buffer e envia uma mensagem de confirmação contendo o seu próprio relógio no instante em que a estação mestre tinha transmitido o comando de sincronização. A estação mestre pode usar este tempo para calcular a diferença entre o escravo e os tempos da estação mestre no ponto de sincronização.

Os dois seguintes sub- seções descrevem o processo de sincronização de tempo em detalhes, e explicar como o atraso de transmissão, e a partir deste momento a correção, são determinados.

Certificação e Testes

Ao contrário de DNP3, não há nenhuma autoridade para fornecer a certificação de conformidade IEC 60870-5 autorizada diretamente pelo IEC. No entanto, existem laboratórios de ensaio comerciais que fazem testes oferta a esta norma. No site http://www.trianglemicroworks.com/iec60870-5 dos implementadores do IEC 60870-5 'página lista consultores, incluindo empresas que oferecem testes de conformidade com a norma. Também listados são empresas que oferecem conjuntos de testes que podem ser usados ​​para testes de sistema. Estes incluem ASE, cybertec, FGH, KEMA, PTI e Tele-Data.