智能船舶岸電遠程控制系統的研究

李坤陽，張惠嶺

智能船舶岸電遠程控制系統的研究

李坤陽，張惠嶺

（江南造船（集團）有限責任公司，上海，201913）

針對智能船舶對船舶岸電遠程控制技術的需求，設計一套采用VPN技術、PLC控制器、DSP控制器以及專用遠程監控軟件的遠程船舶岸電控制系統。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的SMART LINE 700IE V3與PC作為上位機，構建了專用VPN通道進行數據通信。經物理仿真平臺試驗測試，驗證了該智能船舶岸電遠程控制系統運行可靠，達到了異地遠程控制船舶岸電系統的設計目標。

船舶岸電 智能船舶 PLC DSP VPN 遠程控制

0 引言

在以高度數字化、網絡化產業為特點的第四次工業革命中，智能船舶作為各國船舶工業目前競相爭奪的產業制高點，已成為全球航運市場深層轉換的標志。

船舶岸電系統作為可以極大降低港口區域環境污染、降低碳排放量的重要途徑，已成為當下世界綠色港口的主要發展趨勢[1]。智能船舶岸電遠程控制系統是智能船舶研究的關鍵子系統，負責為船舶提供穩定、綠色、高質量的電力供給，將成為我國未來岸電研究的重要方向之一[2]。在船舶工業快速發展的當下，岸電控制系統也乘著技術進步的東風朝著信息智能化，控制遠程化的目標邁進。隨著中國移動網絡技術的發展與完善，我國已做到內河與部分領海近百海里范圍內提供穩定的4G與5G網絡服務，在世界范圍內各船舶強國也都在積極部署包含新一代移動網絡、低軌道低延遲通信衛星在內的網絡服務，為智能船舶岸電遠程控制系統的實際應用創造了完備環境。

本系統基于船舶高壓電站物理仿真平臺，采用5G網絡模擬智能船舶靠港時網絡環境，采用PLC作為核心控制器對船舶岸電自動化系統進行設計、DSP芯片對電力系統數據進行采集和處理。同時完成了遠程監控系統與虛擬專用通信網絡（VPN）的搭建，共同組成了智能船舶岸電遠程控制系統，在異地環境實時控制本地岸電系統運行，通過實驗驗證了系統功能。

1 系統組成

1.1 系統軟件基礎

遠程監控系統是船舶岸電遠程控制系統的重要組成部分，可以直觀獲取系統運行數據及發出控制指令。監控系統界面如圖1所示，可實現對船舶電力系統狀態監控、岸電電源狀態監控、船舶發電機組啟?？刂啤峨娗袚Q指令發送、故障報警等功能，可設置本地岸電系統及遠程控制站點[3]。

圖1 智能船舶岸電遠程監控界面

船舶岸電自動化系統是岸電遠程控制系統的核心部分，PLC控制器使用西門子博途TIA Potral V15工程組態軟件進行岸電自動化系統功能編程以及硬件組態。DSP芯片通過CCS6.0進行數據采集和處理程序的編程。遠程監控系統也采用西門子博途TIA Potral V15工程組態軟件進行組態設計，上位機與核心控制器間通過ProfiNet進行通信。

虛擬專用通信網絡（VPN）作為數據傳輸的橋梁，其搭建采用便于站點間部署的第三層隧道協議IPSec VPN，同時兼容SSL VPN可提供Web訪問接口，便于訪問維護。VPN服務器具備自動斷線重連功能，保證遠程控制系統連接的穩定性。

1.2 系統硬件結構

船舶高壓電站物理仿真平臺設置有主配電板、負載模擬柜、變頻控制設備以及兩臺同步發電機組，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電機。船舶岸電自動化系統采用西門子S7-1200 PLC作為核心控制器，支持PROFINET協議與TCP/IP標準通信方式，具有功能強大、可靠性高、靈活度高等優點。為滿足實時采集船舶發電機組和岸電電源參數，并對得到的參數進行離散信號分析獲取電壓、電流的頻率、有效值、功率因數等參數，選用TI公司TMS320 F28335型DSP作為數據采集處理芯片，上位機采用西門子公司的SMART LINE 700IE V3觸摸屏和PC端組態軟件。采用華碩RT-AC86U路由器作為虛擬專用通信網絡（VPN）站點，支持IPSec、PPTP、L2TP等VPN協議。智能船舶岸電遠程控制系統硬件系統如圖2所示。

圖2 智能船舶岸電遠程控制系統結構

2 系統構建

2.1 船舶岸電自動化系統設計

傳統岸電電源切換主要方式為斷電切換，關閉全船電力負荷并將發電機解列停機后接入岸電電源。為縮短岸電電源切換的操作時間以及提高對全船電力負荷供電的連續性，人們對無縫切換技術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對船舶發電機組進行調控，使船舶發電機組在合閘時刻點完成與岸電電源并聯運行，之后進行負載轉移并切除船舶發電機組，完成船電到岸電供電的無縫切換[5]。

為滿足無縫切換技術的需求，船舶岸電自動化系統具備對船舶電力系統沖擊小、操作邏輯簡明等特點，實現船舶發電機組與岸點并聯運行、負載轉移、發電機組的自動解列、岸電電源切除等功能，船舶岸電連接系統圖如圖3所示。

圖3 船舶岸電連接系統圖

船舶岸電自動化系統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，負責對系統中船舶電力系統參數、岸電屏各主開關狀態、岸電電源與發電機組合閘信號等進行監控，另一臺PLC為船舶發電機組控制PLC，負責對船舶發電機組的頻率、電壓、電流等參數進行分析，并通過PROFINET端口與船舶電力管理PLC傳輸數據，實現對船舶發電機組進行實時控制。為滿足數據高速采樣的需求，選擇TMS320 F28335型DSP作為電力參數采樣芯片，并通過Modbus協議與船舶發電機組控制PLC傳輸數據。船舶岸電自動化系統構成如圖4所示。

圖4 船舶岸電自動化系統

2.2 虛擬專用通信網絡搭建

虛擬專用通信網絡（VPN）是通過在互聯網上搭建專用的通信網絡來進行數據的遠程交換，保證數據通信的安全可靠至關重要。為保證智能船舶站點和遠程監控站點間的穩定通信，兩者都需要固定的IP地址，但IPv4地址已被耗盡，運營商通過動態域名技術分配給站點的IP地址并不是真正的公網IP地址，無法進行VPN通道的搭建。

為解決以上問題，本系統搭建的VPN采用因特網工程任務組（IETF）推出的第三層隧道協議IPSec，對IPv4、IPv6通信協議實現基于密碼學、可拓展的安全保障。通過DDNS把兩地站點間動態IP地址解析到固定的域名服務器建立VPN通道，通信協議選擇ESP，在提供安全性、完整性認證等的基礎上加密數據包但不進行IP頭驗證保護，實現在動態域名解析的條件下完成數據的加密傳輸。

智能船舶站點和遠程監控站點采用華碩RT-AC86U路由器作為VPN站點，設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絡狀況接入5G網絡，遠程監控站點接入有線網絡，服務器基于Linux-arm系統，通過開源軟件OpenSwan配置IPSec VPN，在保證安全性的基礎上同時開啟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絡站點配置

船舶岸電自動化系統兩臺PLC控制器接入智能船舶站點，在站點內網通過PROFINET端口進行數據傳輸。當進行遠程通信時，PLC控制器發出的數據包會被加密封包為IPSec數據包，由于選用ESP通信協議IPSec數據包不封裝目標設備IP地址，遠程監控站點獲取數據包后將其解包并送入站點內網，根據原數據包目標地址發送給對應設備，實現數據的安全交換。

2.3 監控軟件設計

智能船舶岸電遠程控制系統上位機選用西門子SMART LINE 700IE V3型觸摸屏，具有LAN接口與額外的USB主機端口，可滿足各種使用情景。PLC控制器與上位機設備采用統一OPC接口標準，經WinCC flexible Smart V3 SP2組態軟件編寫的控制軟件與PLC控制器進行通信，同時采用PC機配合組態軟件也可作為上位機使用，PLC和上位機IP地址均在172.10.15.0/24網段。

控制軟件設置多個關鍵系統監控界面，包含船舶電力系統狀態界面、岸電電源狀態界面、船舶同步發電機組控制界面、船舶岸電自動化系統控制界面、VPN站點通信狀態監測與系統報警監控界面，可完整實現船舶岸電自動化系統的各項功能。在WIncc internet setting開啟Remote功能，當特殊情況需要進行遠程控制時，在PC機通過客戶端接入VPN后，通過VNC協議控制軟件即可接入監控系統。

3 系統測試

系統構建完成后，將船舶岸電自動化系統、船舶虛擬專用通信網絡、控制軟件與船舶高壓電站物理仿真平臺進行整合，首先對智能船舶與遠程監控站點間虛擬專用通信網絡進行通信測試，多次進行網絡延遲測試得到站點間平均網絡延時134 ms，系統連接穩定。

圖5 發電機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的沖擊最小，需要準確獲取合閘時刻，船舶岸電自動化系統采用恒定超前時間法獲取合閘時刻，系統根據獲取的壓差、頻差、相位差判斷是否應該執行合閘操作，為便于觀察分析將岸電與交流發電機電壓轉換為方波，合閘過程如圖5所示，兩者方波上升沿幾乎重合，合閘時刻波形穩定，抖動幅度小，系統恒定超前時間判斷正確，對船舶電網沖擊降至最低。

系統整體功能測試項目，選擇從遠程監控站點發出控制指令，完成岸電帶電切換以及負載轉移功能，實驗開始時智能船舶交流發電機組帶載運行。確認岸電狀態在線后，遠程控制界面選擇岸電切換，控制命令通過VPN網絡傳送給船舶岸電自動化系統PLC控制器，接到指令后開始進行合閘時刻判斷，當合閘時刻到來時立即進行并網操作，待電網穩定后通過變頻器對船舶發電機組發出減速指令進行負載轉移，逐步將所有電力負載轉移至岸電電源承擔，當負載轉移過程完成后，系統經延時發出停機指令，船舶發電機組解列停機，整個過程可在遠程控制站點通過可視化控制軟件實時監控。

實驗過程中船舶發電機與岸電間負載轉移曲線如圖6所示，系統成功完成測試。經實驗證明智能船舶岸電遠程控制系統運行正常，實現了設計功能。

圖6 負載轉移曲線

4 結論

作為智能船舶的關鍵子系統和未來岸電應用的重要研究方向，智能船舶岸電遠程控制系統通過帶電切換功能，保障了全船電力負荷供電的連續性，搭建虛擬專用通信網絡實現了遠程安全傳輸數據，配合監控軟件在陸上遠程監控站點即可實現系統全部功能，并在同一監控站點可同時對多艘船舶岸電系統進行控制，有效提升了船舶岸電控制系統技術水平。

[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, 2019(12): 72-73.

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

[3] 吳志良. 船舶電站[M]. 大連: 大連海事大學出版社, 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[J]. 船海工程, 2020, 49(03): 101-105.

[5] 李曉宇. 船舶岸電控制系統及其保護單元的設計與實現[D].大連海事大學, 2019.

[6] 冼桂偉.中型跨地區企業VPN專網解決方案研究[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設計。E-mail：likunyang00@163.com