基于VPN技術的無人船電站遠程控制系統的研究

李坤陽，吳志良

基于VPN技術的無人船電站遠程控制系統的研究

李坤陽，吳志良

（大連海事大學船舶電氣工程學院，遼寧大連 116026）

針對無人船電力系統對船舶電站遠程控制技術的需求，設計了一種結合VPN技術、PLC控制器以及專用遠程控制軟件的船舶電站遠程控制系統。實驗平臺基于船舶電站物理仿真系統，選用西門子公司S7-1200 PLC作為船舶電站自動化系統的核心控制器，完成了基于PLC的船舶電站自動化控制程序編程。采用威綸通公司生產的MT8100i與PC作為上位機，并為數據通信搭建了專用VPN數據通道。經實驗平臺運行測試，驗證了該無人船電站遠程控制系統運行可靠，實現異地遠程控制船舶電站的設計要求。

船舶電站 無人船 PLC VPN 遠程控制

0 引言

目前全球航運市場正處在一個產業深層轉換的時期，無人船作為目前發展的主流趨勢，已進入快速發展階段，隨著各項關鍵技術不斷成熟，航運界新一輪產業革命很有可能以無人船為起點產生。

無人船電站遠程控制系統是無人船應用中的關鍵技術之一，可為全船提供穩定、可靠、高質量的供電系統[1]。在船舶技術飛速發展的今天，船舶電站自動化技術也借助新興技術的發展正朝著網絡智能化、監控遠程化發展，通過互聯網進行遠程控制能夠讓技術人員在陸地即可對船舶電站進行控制，當系統出現異常時服務商在岸上即可對全船電力系統進行檢測診斷，可以有效提高船舶的運行維護效率。

目前中國網絡運營商能在我國內河與部分沿海百公里范圍內提供可靠的4G移動網絡服務，為內河與近海無人船電站遠程控制系統的實現提供了可能性。隨著5G網絡的成熟、Inmarsat的Global Xpress第六代海事衛星通信系統的發展以及美國太空探索技術公司發射的低軌道互聯網試驗衛星的逐步投入使用，運營商將來能夠提供超低延遲的網絡寬帶服務，在公海也可以滿足船舶電站遠程監控系統的數據傳輸要求。本文基于船舶電站試驗平臺，采用4G網絡模擬近海無人船網絡狀況，通過設計基于PLC的船舶電站自動化系統、船舶電站遠程控制系統和專用VPN通道搭建了一套無人船電站遠程控制系統，能夠通過遠程站點實時控制異地船舶電站自動化系統，并經實驗測試了其功能。

1 系統組成

1.1 系統軟件基礎

船舶電站自動化控制軟件可同時設置于本地控制平臺與異地控制平臺，進行數據采集監控與系統控制。控制軟件可實現船舶電站發電機組狀態監控、機組啟停控制、故障報警記錄、用戶登錄等功能。

PLC控制器通過西門子TIA Potral工程控制組態軟件采用梯形圖LAD編程語言進行硬件組態以及軟件編程。使用EB8000 Project Manager組態軟件進行監控系統的組態設計，通過ProfiNet端口實現PLC與上位機的通信。

VPN部署方式選擇站點間VPN連接，采用動態域名解析技術通過PPTP協議進行連接，整個監控系統可實現實時在線(Stay-on-line)狀態，保證遠程控制系統連接的可靠性。

1.2 系統硬件結構

系統硬件平臺基于大連海事大學電站物理仿真系統，該系統包含兩臺交流同步發電機組、主配電盤、負載柜和機旁變頻控制柜等設備。控制器采用西門子S7-1200 PLC，該型PLC具有集成PROFINET接口、擴展性強、可靠性高等特點，能夠滿足船舶電站自動化各項功能的設計需求[2]。為了便于系統的使用和升級，上位機采用威綸通公司生產的MT8100i和PC端組態軟件。專用VPN通道搭建選用兩臺X3-3251企業路由器作為站點，支持IPSec安全協議，支持PPTP與L2TP VPN隧道協議，無人船電站遠程控制系統硬件結構如圖1所示。

2 關鍵技術

2.1 基于PLC的船舶電站自動化系統設計

采用三臺S7-1200PLC作為船舶電站自動化系統核心控制器，其中兩臺為交流同步發電機組控制PLC，負責對發電機組的電壓、電流、頻率、有功功率值等參數的采集監控并根據系統需求實時通過變頻器與調壓器對電機進行控制。第三臺為電力系統管理PLC,負責對船舶電站的電力系統狀態進監控管理同時控制負載屏主開關、聯絡屏等設備。船舶電站各參數通過交流同步發電機組控制PLC進行采集，數字量參數直接送入PLC中，模擬量參數經相應變送器處理后送入PLC。本地選用一臺X3-3251企業路由器作為結點連接三臺PLC，通過建立Profinet網絡實現信息共享以及指令傳發送。

通過PLC程序設計可實現同步發電機組自動并車、自動調頻調載、解列停機等船舶電站自動化功能，船舶電站自動化系統構成如圖2所示。

圖1 無人船舶電站硬件系統結構

2.2 VPN通道搭建

VPN(虛擬專用網絡)對數據包進行數據加密以及地址轉換，通過在公用網絡上建立專用網絡來進行遠程加密通信，本設計搭建的專用VPN采用Intranet VPN。由于動態域名分配技術的存在，運營商分配的IP地址并不是真正的公網IP地址，遠程監控站點無法直接與本地船舶電站系統組建VPN網絡[3]。采用動態域名解析服務器將本地船舶電站系統以及遠程監控站點的VPN服務器動態IP地址分別映射到租用的域名地址，通過兩個固定的域名地址進行VPN搭建，專用VPN系統結構如圖3所示。

VPN服務器搭建選擇兩臺X3-3251企業路由器，采用端到端連接方式，分別作為VPN主站和從站，主站模擬近海無人船狀況接入4G移動網，從站模擬陸地控制中心接入有線寬帶網絡。服務器系統基于linux可進行程序設計實現斷線重連功能，支持IETF的IPSec安全協議，具有良好的安全性。在滿足本地船舶電站系統以及遠程監控站點搭建VPN的同時支持通過客戶端增加成員，具有良好的擴展性，系統各站點IP地址信息分配如表1所示。

表1 專用VPN通道各站點配置

圖2 基于PLC的船舶電站自動化系統

圖3 專用VPN系統結構圖

船舶電站自動化平臺接入VPN主站，三臺PLC控制器處于VPN主站內網，對外通信網關為172.10.15.1。與遠程控制系統進行數據通信時數據包目的地址為VPN從站子網內控制系統設備的IP地址，VPN主站會將PLC控制器發送給控制系統的數據包重新封包，新數據包目的地址為VPN從站的域名解析地址，VPN從站收到該數據包后會將其解包并確認原數據包目的地址并發送給控制設備，當VPN從站向VPN主站通信時也遵循相同的過程，保證了遠程控制系統的數據正常交換。

2.3 控制軟件設計

船舶電站自動化控制系統可采用PC與威綸通MT8100i型工業控制屏作為上位機，MT8100i擁有Profinet端口、COM通信端口，具有電源隔離保護功能可在各種工況下穩定工作，同時配合組態軟件可與PLC進行直接通信。本設計中控制器S7-1200PLC與上位機設備遵循同一OPC的接口標準配合組態軟件進行數據通信。通過EB8000 project manager組態軟件獲取PLC控制器的相關參數并設計控制界面。PLC與組態軟件間通信采用以太網，PLC和上位機IP地址均在172.10.15.0/24網段。

控制軟件擁有多個監控界面，包括船舶電站系統狀態界面、同步發電機組系統參數界面、船舶電站自動化網絡狀態界面、發電機組控制界面、系統報警監控界面。主要對船舶電網相關參數、設備狀態，以及同步發電機組電壓、電流、頻率、功率等進行監控，可以完整實現船舶電站自動化所需的各項功能[4]。在各監控界面設計了負責控制相應功能的按鈕和和顯示系統狀態的指示燈，具備較好的人機交互性。控制軟件可運行于多臺設備，能夠實現多地點同時監控操作。啟動威綸通MT8100i虛擬網絡計算機VNC(Virtual Network Computer)功能時，當異地需要進行監控船舶電站運行狀態但未安裝控制軟件的情況下，可在接入搭建的VPN系統后，在瀏覽器中輸入MT8100i的IP地址與設備密碼，即可通過VPN通道將現場組態軟件的監控信息實時顯示在遠程的PC機上，便于在特殊情況進行檢修與操控。

系統控制軟件同時工作于本地船舶電站自動化系統及遠程監控站點，將控制器采集到的船舶電站相關參數進行可視化并監控船舶電站自動化系統運行狀態，同時可通過監控界面直接對船舶電站的運行進行控制。

3 系統測試

在完成關鍵系統設計后，將本地船舶電站自動化系統與監控軟件平臺以及專用VPN平臺進行整合，系統測試以兩臺X3-3251企業路由器分別作為無人船電站監控系統的VPN主站與從站，主站接入三臺S7-1200PLC控制器與MT8100i，從站接入安裝組態軟件的上位機PC。為驗證VPN通道的可靠性與穩定性，分別選擇大連、天津、新加坡三地對其進行了多次異地連接實驗，其穩定性測試結果如表2所示。

表2 VPN連接穩定性測試表

選擇新加坡從站點進行無人船電站遠程控制系統功能測試，測試項目選擇船舶電站同步發電機準同步并車，無人船電站當前處于2號同步發電機單機組帶載運行狀態。

新加坡站點遠程控制界面對1號發電機組發出自動準同步并車指令，指令信息通過VPN通道傳輸到無人船舶電站現場。船舶電站自動化系統接收到指令后啟動1號發電機組，待其進入平穩運行狀態，PLC控制器對電壓、頻差條件進行判斷，系統根據獲取的合閘恒定超前時間判斷合閘時刻，當合閘時刻到時立刻發出合閘指令，1號同步發電機組完成并車操作[5]。合閘后系統根據電網頻率以及獲取的兩臺機組有功功率參數自動執行調頻調載步驟，將兩臺發電機組負載平均分配，并將現場數據反饋到遠程監控界面中。經驗證系統搭建的VPN通道可靠穩定，通過測試成功驗證了本文設計的無人船電站遠程控制系統各項功能運行正常。VPN通道通信正常，船舶發電機組電壓、電流、頻率正常，參數顯示兩臺發電機組在并車完成后順利實現有功以及無功負載的均分，兩臺機組有功功率為379.7 KW和381.5 KW，無功功率為172.6 KW和171.2 KW，在誤差允許范圍內滿足系統運行要求，完成測試目標。

4 結論

作為保障無人船電站正常運行的關鍵技術，本文設計的無人船電站遠程控制系統經過多次實驗測試，通過采用Intranet VPN可以在保證安全性的前提下有效解決遠距離異地數據傳輸的問題，同時能夠保障各種情況下遠程控制系統與現場船舶電站自動化系統的正常工作。船舶電站的控制只需要在陸上集中監控室內完成，還可以同時管理多艘船舶電站的運行情況，減少了船舶電力系統運行的成本，提升了船舶電站管理水平。

[1] 吳志良. 船舶電站[M]. 大連: 大連海事大學出版社, 2012.

[2] 廖長初. S7-1200 PLC編程及應用（第3版）[M]. 北京: 機械工業出版社, 2017.

[3] 閆光來, 張衛強, 李維. 基于4G+VPN技術的視頻監控系統設計與實現[J].無線電通信技術, 2015, 41(05): 81-85.

[4] 賈秉峰. 船舶遠程監控與管理系統研究[J]. 中國水運(下半月), 2016, 16(07): 62-63.

[5] 徐昭, 吳志良. 基于S7-1200 PLC 的船舶電站并車裝置的設計與實現[J]. 船電技術, 2014, 34(11): 48-51.

Research on Control System of Unmanned Ship Power Station Based on VPN Technology

Li Kunyang, Wu Zhiliang

(College of Marine Electrical Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning, China)

U665.12

A

1003-4862(2019)11-0061-04

2019-05-08

李坤陽（1995-），男，碩士研究生。研究方向：船舶電氣自動化。E-mail: likunyang00@163.com