智能船舶岸电远程控制系统的研究

李坤阳，张惠岭

智能船舶岸电远程控制系统的研究

李坤阳，张惠岭

（江南造船（集团）有限责任公司，上海，201913）

针对智能船舶对船舶岸电远程控制技术的需求，设计一套采用VPN技术、PLC控制器、DSP控制器以及专用远程监控软件的远程船舶岸电控制系统。本文实验平台基于船舶高压电站物理仿真平台，采用西门子公司S7-1200PLC以及TI公司TMS320 F28335型DSP作为船舶岸电系统的核心控制器，完成了包含船舶电站自动化及岸电带电无缝切换程序的编程。采用西门子公司生产的SMART LINE 700IE V3与PC作为上位机，构建了专用VPN通道进行数据通信。经物理仿真平台试验测试，验证了该智能船舶岸电远程控制系统运行可靠，达到了异地远程控制船舶岸电系统的设计目标。

船舶岸电 智能船舶 PLC DSP VPN 远程控制

0 引言

在以高度数字化、网络化产业为特点的第四次工业革命中，智能船舶作为各国船舶工业目前竞相争夺的产业制高点，已成为全球航运市场深层转换的标志。

船舶岸电系统作为可以极大降低港口区域环境污染、降低碳排放量的重要途径，已成为当下世界绿色港口的主要发展趋势[1]。智能船舶岸电远程控制系统是智能船舶研究的关键子系统，负责为船舶提供稳定、绿色、高质量的电力供给，将成为我国未来岸电研究的重要方向之一[2]。在船舶工业快速发展的当下，岸电控制系统也乘着技术进步的东风朝着信息智能化，控制远程化的目标迈进。随着中国移动网络技术的发展与完善，我国已做到内河与部分领海近百海里范围内提供稳定的4G与5G网络服务，在世界范围内各船舶强国也都在积极部署包含新一代移动网络、低轨道低延迟通信卫星在内的网络服务，为智能船舶岸电远程控制系统的实际应用创造了完备环境。

本系统基于船舶高压电站物理仿真平台，采用5G网络模拟智能船舶靠港时网络环境，采用PLC作为核心控制器对船舶岸电自动化系统进行设计、DSP芯片对电力系统数据进行采集和处理。同时完成了远程监控系统与虚拟专用通信网络（VPN）的搭建，共同组成了智能船舶岸电远程控制系统，在异地环境实时控制本地岸电系统运行，通过实验验证了系统功能。

1 系统组成

1.1 系统软件基础

远程监控系统是船舶岸电远程控制系统的重要组成部分，可以直观获取系统运行数据及发出控制指令。监控系统界面如图1所示，可实现对船舶电力系统状态监控、岸电电源状态监控、船舶发电机组启停控制、岸电切换指令发送、故障报警等功能，可设置本地岸电系统及远程控制站点[3]。

图1 智能船舶岸电远程监控界面

船舶岸电自动化系统是岸电远程控制系统的核心部分，PLC控制器使用西门子博途TIA Potral V15工程组态软件进行岸电自动化系统功能编程以及硬件组态。DSP芯片通过CCS6.0进行数据采集和处理程序的编程。远程监控系统也采用西门子博途TIA Potral V15工程组态软件进行组态设计，上位机与核心控制器间通过ProfiNet进行通信。

虚拟专用通信网络（VPN）作为数据传输的桥梁，其搭建采用便于站点间部署的第三层隧道协议IPSec VPN，同时兼容SSL VPN可提供Web访问接口，便于访问维护。VPN服务器具备自动断线重连功能，保证远程控制系统连接的稳定性。

1.2 系统硬件结构

船舶高压电站物理仿真平台设置有主配电板、负载模拟柜、变频控制设备以及两台同步发电机组，分别模拟额定电压6.6 kV、额定功率1000 kW的高压岸电电源与船舶发电机。船舶岸电自动化系统采用西门子S7-1200 PLC作为核心控制器，支持PROFINET协议与TCP/IP标准通信方式，具有功能强大、可靠性高、灵活度高等优点。为满足实时采集船舶发电机组和岸电电源参数，并对得到的参数进行离散信号分析获取电压、电流的频率、有效值、功率因数等参数，选用TI公司TMS320 F28335型DSP作为数据采集处理芯片，上位机采用西门子公司的SMART LINE 700IE V3触摸屏和PC端组态软件。采用华硕RT-AC86U路由器作为虚拟专用通信网络（VPN）站点，支持IPSec、PPTP、L2TP等VPN协议。智能船舶岸电远程控制系统硬件系统如图2所示。

图2 智能船舶岸电远程控制系统结构

2 系统构建

2.1 船舶岸电自动化系统设计

传统岸电电源切换主要方式为断电切换，关闭全船电力负荷并将发电机解列停机后接入岸电电源。为缩短岸电电源切换的操作时间以及提高对全船电力负荷供电的连续性，人们对无缝切换技术即不断电船岸电切换的重视程度不断提高[4]。船舶岸电自动化系统对船舶发电机组进行调控，使船舶发电机组在合闸时刻点完成与岸电电源并联运行，之后进行负载转移并切除船舶发电机组，完成船电到岸电供电的无缝切换[5]。

为满足无缝切换技术的需求，船舶岸电自动化系统具备对船舶电力系统冲击小、操作逻辑简明等特点，实现船舶发电机组与岸点并联运行、负载转移、发电机组的自动解列、岸电电源切除等功能，船舶岸电连接系统图如图3所示。

图3 船舶岸电连接系统图

船舶岸电自动化系统核心控制器采用两台S7-1200 PLC与一台TMS320 F28335型DSP。其中一台PLC控制器为船舶电力管理PLC，负责对系统中船舶电力系统参数、岸电屏各主开关状态、岸电电源与发电机组合闸信号等进行监控，另一台PLC为船舶发电机组控制PLC，负责对船舶发电机组的频率、电压、电流等参数进行分析，并通过PROFINET端口与船舶电力管理PLC传输数据，实现对船舶发电机组进行实时控制。为满足数据高速采样的需求，选择TMS320 F28335型DSP作为电力参数采样芯片，并通过Modbus协议与船舶发电机组控制PLC传输数据。船舶岸电自动化系统构成如图4所示。

图4 船舶岸电自动化系统

2.2 虚拟专用通信网络搭建

虚拟专用通信网络（VPN）是通过在互联网上搭建专用的通信网络来进行数据的远程交换，保证数据通信的安全可靠至关重要。为保证智能船舶站点和远程监控站点间的稳定通信，两者都需要固定的IP地址，但IPv4地址已被耗尽，运营商通过动态域名技术分配给站点的IP地址并不是真正的公网IP地址，无法进行VPN通道的搭建。

为解决以上问题，本系统搭建的VPN采用因特网工程任务组（IETF）推出的第三层隧道协议IPSec，对IPv4、IPv6通信协议实现基于密码学、可拓展的安全保障。通过DDNS把两地站点间动态IP地址解析到固定的域名服务器建立VPN通道，通信协议选择ESP，在提供安全性、完整性认证等的基础上加密数据包但不进行IP头验证保护，实现在动态域名解析的条件下完成数据的加密传输。

智能船舶站点和远程监控站点采用华硕RT-AC86U路由器作为VPN站点，设备具备断线重连功能保证连接的可靠性。智能船舶站点模拟港口网络状况接入5G网络，远程监控站点接入有线网络，服务器基于Linux-arm系统，通过开源软件OpenSwan配置IPSec VPN，在保证安全性的基础上同时开启SSL VPN,提供WEB客户端访问途径[6]。VPN站点配置信息如表1所示。

表1 船舶虚拟专用通信网络站点配置

船舶岸电自动化系统两台PLC控制器接入智能船舶站点，在站点内网通过PROFINET端口进行数据传输。当进行远程通信时，PLC控制器发出的数据包会被加密封包为IPSec数据包，由于选用ESP通信协议IPSec数据包不封装目标设备IP地址，远程监控站点获取数据包后将其解包并送入站点内网，根据原数据包目标地址发送给对应设备，实现数据的安全交换。

2.3 监控软件设计

智能船舶岸电远程控制系统上位机选用西门子SMART LINE 700IE V3型触摸屏，具有LAN接口与额外的USB主机端口，可满足各种使用情景。PLC控制器与上位机设备采用统一OPC接口标准，经WinCC flexible Smart V3 SP2组态软件编写的控制软件与PLC控制器进行通信，同时采用PC机配合组态软件也可作为上位机使用，PLC和上位机IP地址均在172.10.15.0/24网段。

控制软件设置多个关键系统监控界面，包含船舶电力系统状态界面、岸电电源状态界面、船舶同步发电机组控制界面、船舶岸电自动化系统控制界面、VPN站点通信状态监测与系统报警监控界面，可完整实现船舶岸电自动化系统的各项功能。在WIncc internet setting开启Remote功能，当特殊情况需要进行远程控制时，在PC机通过客户端接入VPN后，通过VNC协议控制软件即可接入监控系统。

3 系统测试

系统构建完成后，将船舶岸电自动化系统、船舶虚拟专用通信网络、控制软件与船舶高压电站物理仿真平台进行整合，首先对智能船舶与远程监控站点间虚拟专用通信网络进行通信测试，多次进行网络延迟测试得到站点间平均网络延时134 ms，系统连接稳定。

图5 发电机组与岸电合闸过程方波

为保证岸电带电切换过程对船舶电网的冲击最小，需要准确获取合闸时刻，船舶岸电自动化系统采用恒定超前时间法获取合闸时刻，系统根据获取的压差、频差、相位差判断是否应该执行合闸操作，为便于观察分析将岸电与交流发电机电压转换为方波，合闸过程如图5所示，两者方波上升沿几乎重合，合闸时刻波形稳定，抖动幅度小，系统恒定超前时间判断正确，对船舶电网冲击降至最低。

系统整体功能测试项目，选择从远程监控站点发出控制指令，完成岸电带电切换以及负载转移功能，实验开始时智能船舶交流发电机组带载运行。确认岸电状态在线后，远程控制界面选择岸电切换，控制命令通过VPN网络传送给船舶岸电自动化系统PLC控制器，接到指令后开始进行合闸时刻判断，当合闸时刻到来时立即进行并网操作，待电网稳定后通过变频器对船舶发电机组发出减速指令进行负载转移，逐步将所有电力负载转移至岸电电源承担，当负载转移过程完成后，系统经延时发出停机指令，船舶发电机组解列停机，整个过程可在远程控制站点通过可视化控制软件实时监控。

实验过程中船舶发电机与岸电间负载转移曲线如图6所示，系统成功完成测试。经实验证明智能船舶岸电远程控制系统运行正常，实现了设计功能。

图6 负载转移曲线

4 结论

作为智能船舶的关键子系统和未来岸电应用的重要研究方向，智能船舶岸电远程控制系统通过带电切换功能，保障了全船电力负荷供电的连续性，搭建虚拟专用通信网络实现了远程安全传输数据，配合监控软件在陆上远程监控站点即可实现系统全部功能，并在同一监控站点可同时对多艘船舶岸电系统进行控制，有效提升了船舶岸电控制系统技术水平。

[1] 林晶晶, 李延磊. 无人船时代正在拍马赶来的路上[J]. 中国水运, 2019(12): 72-73.

[2] 彭传圣. 借鉴加州经验 推动靠港远洋船舶使用岸电[J]. 中国远洋海运, 2021(01): 72-75.

[3] 吴志良. 船舶电站[M]. 大连: 大连海事大学出版社, 2012.

[4] 宋艳琼, 陈灵超, 高海波, 肖乐明. 岸电对接靠港船舶无缝供电控制方法的改进[J]. 船海工程, 2020, 49(03): 101-105.

[5] 李晓宇. 船舶岸电控制系统及其保护单元的设计与实现[D].大连海事大学, 2019.

[6] 冼桂伟.中型跨地区企业VPN专网解决方案研究[J].通讯世界,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

李坤阳（1995-），男，硕士，助理工程师。主要从事船舶电力系统设计。E-mail：likunyang00@163.com