智能船舶岸電遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的研究

李坤陽，張惠嶺

智能船舶岸電遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的研究

李坤陽，張惠嶺

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海，201913）

針對智能船舶對船舶岸電遠(yuǎn)程控制技術(shù)的需求，設(shè)計一套采用VPN技術(shù)、PLC控制器、DSP控制器以及專用遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件的遠(yuǎn)程船舶岸電控制系統(tǒng)。本文實驗平臺基于船舶高壓電站物理仿真平臺，采用西門子公司S7-1200PLC以及TI公司TMS320 F28335型DSP作為船舶岸電系統(tǒng)的核心控制器，完成了包含船舶電站自動化及岸電帶電無縫切換程序的編程。采用西門子公司生產(chǎn)的SMART LINE 700IE V3與PC作為上位機(jī)，構(gòu)建了專用VPN通道進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。經(jīng)物理仿真平臺試驗測試，驗證了該智能船舶岸電遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠，達(dá)到了異地遠(yuǎn)程控制船舶岸電系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)。

船舶岸電 智能船舶 PLC DSP VPN 遠(yuǎn)程控制

0 引言

在以高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化產(chǎn)業(yè)為特點的第四次工業(yè)革命中，智能船舶作為各國船舶工業(yè)目前競相爭奪的產(chǎn)業(yè)制高點，已成為全球航運(yùn)市場深層轉(zhuǎn)換的標(biāo)志。

船舶岸電系統(tǒng)作為可以極大降低港口區(qū)域環(huán)境污染、降低碳排放量的重要途徑，已成為當(dāng)下世界綠色港口的主要發(fā)展趨勢[1]。智能船舶岸電遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是智能船舶研究的關(guān)鍵子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)為船舶提供穩(wěn)定、綠色、高質(zhì)量的電力供給，將成為我國未來岸電研究的重要方向之一[2]。在船舶工業(yè)快速發(fā)展的當(dāng)下，岸電控制系統(tǒng)也乘著技術(shù)進(jìn)步的東風(fēng)朝著信息智能化，控制遠(yuǎn)程化的目標(biāo)邁進(jìn)。隨著中國移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與完善，我國已做到內(nèi)河與部分領(lǐng)海近百海里范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的4G與5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，在世界范圍內(nèi)各船舶強(qiáng)國也都在積極部署包含新一代移動網(wǎng)絡(luò)、低軌道低延遲通信衛(wèi)星在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，為智能船舶岸電遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用創(chuàng)造了完備環(huán)境。

本系統(tǒng)基于船舶高壓電站物理仿真平臺，采用5G網(wǎng)絡(luò)模擬智能船舶靠港時網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，采用PLC作為核心控制器對船舶岸電自動化系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計、DSP芯片對電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理。同時完成了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)與虛擬專用通信網(wǎng)絡(luò)（VPN）的搭建，共同組成了智能船舶岸電遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，在異地環(huán)境實時控制本地岸電系統(tǒng)運(yùn)行，通過實驗驗證了系統(tǒng)功能。

1 系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是船舶岸電遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的重要組成部分，可以直觀獲取系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)及發(fā)出控制指令。監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖1所示，可實現(xiàn)對船舶電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、岸電電源狀態(tài)監(jiān)控、船舶發(fā)電機(jī)組啟?？刂?、岸電切換指令發(fā)送、故障報警等功能，可設(shè)置本地岸電系統(tǒng)及遠(yuǎn)程控制站點[3]。

圖1 智能船舶岸電遠(yuǎn)程監(jiān)控界面

船舶岸電自動化系統(tǒng)是岸電遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的核心部分，PLC控制器使用西門子博途TIA Potral V15工程組態(tài)軟件進(jìn)行岸電自動化系統(tǒng)功能編程以及硬件組態(tài)。DSP芯片通過CCS6.0進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理程序的編程。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)也采用西門子博途TIA Potral V15工程組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)設(shè)計，上位機(jī)與核心控制器間通過ProfiNet進(jìn)行通信。

虛擬專用通信網(wǎng)絡(luò)（VPN）作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?，其搭建采用便于站點間部署的第三層隧道協(xié)議IPSec VPN，同時兼容SSL VPN可提供Web訪問接口，便于訪問維護(hù)。VPN服務(wù)器具備自動斷線重連功能，保證遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)連接的穩(wěn)定性。

1.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

船舶高壓電站物理仿真平臺設(shè)置有主配電板、負(fù)載模擬柜、變頻控制設(shè)備以及兩臺同步發(fā)電機(jī)組，分別模擬額定電壓6.6 kV、額定功率1000 kW的高壓岸電電源與船舶發(fā)電機(jī)。船舶岸電自動化系統(tǒng)采用西門子S7-1200 PLC作為核心控制器，支持PROFINET協(xié)議與TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通信方式，具有功能強(qiáng)大、可靠性高、靈活度高等優(yōu)點。為滿足實時采集船舶發(fā)電機(jī)組和岸電電源參數(shù)，并對得到的參數(shù)進(jìn)行離散信號分析獲取電壓、電流的頻率、有效值、功率因數(shù)等參數(shù)，選用TI公司TMS320 F28335型DSP作為數(shù)據(jù)采集處理芯片，上位機(jī)采用西門子公司的SMART LINE 700IE V3觸摸屏和PC端組態(tài)軟件。采用華碩RT-AC86U路由器作為虛擬專用通信網(wǎng)絡(luò)（VPN）站點，支持IPSec、PPTP、L2TP等VPN協(xié)議。智能船舶岸電遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 智能船舶岸電遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 船舶岸電自動化系統(tǒng)設(shè)計

傳統(tǒng)岸電電源切換主要方式為斷電切換，關(guān)閉全船電力負(fù)荷并將發(fā)電機(jī)解列停機(jī)后接入岸電電源。為縮短岸電電源切換的操作時間以及提高對全船電力負(fù)荷供電的連續(xù)性，人們對無縫切換技術(shù)即不斷電船岸電切換的重視程度不斷提高[4]。船舶岸電自動化系統(tǒng)對船舶發(fā)電機(jī)組進(jìn)行調(diào)控，使船舶發(fā)電機(jī)組在合閘時刻點完成與岸電電源并聯(lián)運(yùn)行，之后進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移并切除船舶發(fā)電機(jī)組，完成船電到岸電供電的無縫切換[5]。

為滿足無縫切換技術(shù)的需求，船舶岸電自動化系統(tǒng)具備對船舶電力系統(tǒng)沖擊小、操作邏輯簡明等特點，實現(xiàn)船舶發(fā)電機(jī)組與岸點并聯(lián)運(yùn)行、負(fù)載轉(zhuǎn)移、發(fā)電機(jī)組的自動解列、岸電電源切除等功能，船舶岸電連接系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 船舶岸電連接系統(tǒng)圖

船舶岸電自動化系統(tǒng)核心控制器采用兩臺S7-1200 PLC與一臺TMS320 F28335型DSP。其中一臺PLC控制器為船舶電力管理PLC，負(fù)責(zé)對系統(tǒng)中船舶電力系統(tǒng)參數(shù)、岸電屏各主開關(guān)狀態(tài)、岸電電源與發(fā)電機(jī)組合閘信號等進(jìn)行監(jiān)控，另一臺PLC為船舶發(fā)電機(jī)組控制PLC，負(fù)責(zé)對船舶發(fā)電機(jī)組的頻率、電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行分析，并通過PROFINET端口與船舶電力管理PLC傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對船舶發(fā)電機(jī)組進(jìn)行實時控制。為滿足數(shù)據(jù)高速采樣的需求，選擇TMS320 F28335型DSP作為電力參數(shù)采樣芯片，并通過Modbus協(xié)議與船舶發(fā)電機(jī)組控制PLC傳輸數(shù)據(jù)。船舶岸電自動化系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。

圖4 船舶岸電自動化系統(tǒng)

2.2 虛擬專用通信網(wǎng)絡(luò)搭建

虛擬專用通信網(wǎng)絡(luò)（VPN）是通過在互聯(lián)網(wǎng)上搭建專用的通信網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程交換，保證數(shù)據(jù)通信的安全可靠至關(guān)重要。為保證智能船舶站點和遠(yuǎn)程監(jiān)控站點間的穩(wěn)定通信，兩者都需要固定的IP地址，但I(xiàn)Pv4地址已被耗盡，運(yùn)營商通過動態(tài)域名技術(shù)分配給站點的IP地址并不是真正的公網(wǎng)IP地址，無法進(jìn)行VPN通道的搭建。

為解決以上問題，本系統(tǒng)搭建的VPN采用因特網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）推出的第三層隧道協(xié)議IPSec，對IPv4、IPv6通信協(xié)議實現(xiàn)基于密碼學(xué)、可拓展的安全保障。通過DDNS把兩地站點間動態(tài)IP地址解析到固定的域名服務(wù)器建立VPN通道，通信協(xié)議選擇ESP，在提供安全性、完整性認(rèn)證等的基礎(chǔ)上加密數(shù)據(jù)包但不進(jìn)行IP頭驗證保護(hù)，實現(xiàn)在動態(tài)域名解析的條件下完成數(shù)據(jù)的加密傳輸。

智能船舶站點和遠(yuǎn)程監(jiān)控站點采用華碩RT-AC86U路由器作為VPN站點，設(shè)備具備斷線重連功能保證連接的可靠性。智能船舶站點模擬港口網(wǎng)絡(luò)狀況接入5G網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程監(jiān)控站點接入有線網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器基于Linux-arm系統(tǒng)，通過開源軟件OpenSwan配置IPSec VPN，在保證安全性的基礎(chǔ)上同時開啟SSL VPN,提供WEB客戶端訪問途徑[6]。VPN站點配置信息如表1所示。

表1 船舶虛擬專用通信網(wǎng)絡(luò)站點配置

船舶岸電自動化系統(tǒng)兩臺PLC控制器接入智能船舶站點，在站點內(nèi)網(wǎng)通過PROFINET端口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信時，PLC控制器發(fā)出的數(shù)據(jù)包會被加密封包為IPSec數(shù)據(jù)包，由于選用ESP通信協(xié)議IPSec數(shù)據(jù)包不封裝目標(biāo)設(shè)備IP地址，遠(yuǎn)程監(jiān)控站點獲取數(shù)據(jù)包后將其解包并送入站點內(nèi)網(wǎng)，根據(jù)原數(shù)據(jù)包目標(biāo)地址發(fā)送給對應(yīng)設(shè)備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全交換。

2.3 監(jiān)控軟件設(shè)計

智能船舶岸電遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)上位機(jī)選用西門子SMART LINE 700IE V3型觸摸屏，具有LAN接口與額外的USB主機(jī)端口，可滿足各種使用情景。PLC控制器與上位機(jī)設(shè)備采用統(tǒng)一OPC接口標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)WinCC flexible Smart V3 SP2組態(tài)軟件編寫的控制軟件與PLC控制器進(jìn)行通信，同時采用PC機(jī)配合組態(tài)軟件也可作為上位機(jī)使用，PLC和上位機(jī)IP地址均在172.10.15.0/24網(wǎng)段。

控制軟件設(shè)置多個關(guān)鍵系統(tǒng)監(jiān)控界面，包含船舶電力系統(tǒng)狀態(tài)界面、岸電電源狀態(tài)界面、船舶同步發(fā)電機(jī)組控制界面、船舶岸電自動化系統(tǒng)控制界面、VPN站點通信狀態(tài)監(jiān)測與系統(tǒng)報警監(jiān)控界面，可完整實現(xiàn)船舶岸電自動化系統(tǒng)的各項功能。在WIncc internet setting開啟Remote功能，當(dāng)特殊情況需要進(jìn)行遠(yuǎn)程控制時，在PC機(jī)通過客戶端接入VPN后，通過VNC協(xié)議控制軟件即可接入監(jiān)控系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)構(gòu)建完成后，將船舶岸電自動化系統(tǒng)、船舶虛擬專用通信網(wǎng)絡(luò)、控制軟件與船舶高壓電站物理仿真平臺進(jìn)行整合，首先對智能船舶與遠(yuǎn)程監(jiān)控站點間虛擬專用通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信測試，多次進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)延遲測試得到站點間平均網(wǎng)絡(luò)延時134 ms，系統(tǒng)連接穩(wěn)定。

圖5 發(fā)電機(jī)組與岸電合閘過程方波

為保證岸電帶電切換過程對船舶電網(wǎng)的沖擊最小，需要準(zhǔn)確獲取合閘時刻，船舶岸電自動化系統(tǒng)采用恒定超前時間法獲取合閘時刻，系統(tǒng)根據(jù)獲取的壓差、頻差、相位差判斷是否應(yīng)該執(zhí)行合閘操作，為便于觀察分析將岸電與交流發(fā)電機(jī)電壓轉(zhuǎn)換為方波，合閘過程如圖5所示，兩者方波上升沿幾乎重合，合閘時刻波形穩(wěn)定，抖動幅度小，系統(tǒng)恒定超前時間判斷正確，對船舶電網(wǎng)沖擊降至最低。

系統(tǒng)整體功能測試項目，選擇從遠(yuǎn)程監(jiān)控站點發(fā)出控制指令，完成岸電帶電切換以及負(fù)載轉(zhuǎn)移功能，實驗開始時智能船舶交流發(fā)電機(jī)組帶載運(yùn)行。確認(rèn)岸電狀態(tài)在線后，遠(yuǎn)程控制界面選擇岸電切換，控制命令通過VPN網(wǎng)絡(luò)傳送給船舶岸電自動化系統(tǒng)PLC控制器，接到指令后開始進(jìn)行合閘時刻判斷，當(dāng)合閘時刻到來時立即進(jìn)行并網(wǎng)操作，待電網(wǎng)穩(wěn)定后通過變頻器對船舶發(fā)電機(jī)組發(fā)出減速指令進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移，逐步將所有電力負(fù)載轉(zhuǎn)移至岸電電源承擔(dān)，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)移過程完成后，系統(tǒng)經(jīng)延時發(fā)出停機(jī)指令，船舶發(fā)電機(jī)組解列停機(jī)，整個過程可在遠(yuǎn)程控制站點通過可視化控制軟件實時監(jiān)控。

實驗過程中船舶發(fā)電機(jī)與岸電間負(fù)載轉(zhuǎn)移曲線如圖6所示，系統(tǒng)成功完成測試。經(jīng)實驗證明智能船舶岸電遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)運(yùn)行正常，實現(xiàn)了設(shè)計功能。

圖6 負(fù)載轉(zhuǎn)移曲線

4 結(jié)論

作為智能船舶的關(guān)鍵子系統(tǒng)和未來岸電應(yīng)用的重要研究方向，智能船舶岸電遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通過帶電切換功能，保障了全船電力負(fù)荷供電的連續(xù)性，搭建虛擬專用通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了遠(yuǎn)程安全傳輸數(shù)據(jù)，配合監(jiān)控軟件在陸上遠(yuǎn)程監(jiān)控站點即可實現(xiàn)系統(tǒng)全部功能，并在同一監(jiān)控站點可同時對多艘船舶岸電系統(tǒng)進(jìn)行控制，有效提升了船舶岸電控制系統(tǒng)技術(shù)水平。

[1] 林晶晶, 李延磊. 無人船時代正在拍馬趕來的路上[J]. 中國水運(yùn), 2019(12): 72-73.

[2] 彭傳圣. 借鑒加州經(jīng)驗 推動靠港遠(yuǎn)洋船舶使用岸電[J]. 中國遠(yuǎn)洋海運(yùn), 2021(01): 72-75.

[3] 吳志良. 船舶電站[M]. 大連: 大連海事大學(xué)出版社, 2012.

[4] 宋艷瓊, 陳靈超, 高海波, 肖樂明. 岸電對接靠港船舶無縫供電控制方法的改進(jìn)[J]. 船海工程, 2020, 49(03): 101-105.

[5] 李曉宇. 船舶岸電控制系統(tǒng)及其保護(hù)單元的設(shè)計與實現(xiàn)[D].大連海事大學(xué), 2019.

[6] 冼桂偉.中型跨地區(qū)企業(yè)VPN專網(wǎng)解決方案研究[J].通訊世界,2019,26(06):107-108.

Research on remote control system of shore power for smart ship

Li Kunyang, Zhang Huiling

(Jiangnan Shipyard (Group) Co., Ltd., Shanghai 201913, China)

U665

A

1003-4862（2022）03-0057-04

2021-08-09

李坤陽（1995-），男，碩士，助理工程師。主要從事船舶電力系統(tǒng)設(shè)計。E-mail：likunyang00@163.com