基于VPN技術(shù)的無人船電站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的研究

李坤陽，吳志良

基于VPN技術(shù)的無人船電站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的研究

李坤陽，吳志良

（大連海事大學(xué)船舶電氣工程學(xué)院，遼寧大連 116026）

針對(duì)無人船電力系統(tǒng)對(duì)船舶電站遠(yuǎn)程控制技術(shù)的需求，設(shè)計(jì)了一種結(jié)合VPN技術(shù)、PLC控制器以及專用遠(yuǎn)程控制軟件的船舶電站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基于船舶電站物理仿真系統(tǒng)，選用西門子公司S7-1200 PLC作為船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)的核心控制器，完成了基于PLC的船舶電站自動(dòng)化控制程序編程。采用威綸通公司生產(chǎn)的MT8100i與PC作為上位機(jī)，并為數(shù)據(jù)通信搭建了專用VPN數(shù)據(jù)通道。經(jīng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行測(cè)試，驗(yàn)證了該無人船電站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠，實(shí)現(xiàn)異地遠(yuǎn)程控制船舶電站的設(shè)計(jì)要求。

船舶電站 無人船 PLC VPN 遠(yuǎn)程控制

0 引言

目前全球航運(yùn)市場(chǎng)正處在一個(gè)產(chǎn)業(yè)深層轉(zhuǎn)換的時(shí)期，無人船作為目前發(fā)展的主流趨勢(shì)，已進(jìn)入快速發(fā)展階段，隨著各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)不斷成熟，航運(yùn)界新一輪產(chǎn)業(yè)革命很有可能以無人船為起點(diǎn)產(chǎn)生。

無人船電站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是無人船應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)之一，可為全船提供穩(wěn)定、可靠、高質(zhì)量的供電系統(tǒng)[1]。在船舶技術(shù)飛速發(fā)展的今天，船舶電站自動(dòng)化技術(shù)也借助新興技術(shù)的發(fā)展正朝著網(wǎng)絡(luò)智能化、監(jiān)控遠(yuǎn)程化發(fā)展，通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制能夠讓技術(shù)人員在陸地即可對(duì)船舶電站進(jìn)行控制，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)服務(wù)商在岸上即可對(duì)全船電力系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)診斷，可以有效提高船舶的運(yùn)行維護(hù)效率。

目前中國(guó)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商能在我國(guó)內(nèi)河與部分沿海百公里范圍內(nèi)提供可靠的4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，為內(nèi)河與近海無人船電站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了可能性。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的成熟、Inmarsat的Global Xpress第六代海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展以及美國(guó)太空探索技術(shù)公司發(fā)射的低軌道互聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)衛(wèi)星的逐步投入使用，運(yùn)營(yíng)商將來能夠提供超低延遲的網(wǎng)絡(luò)寬帶服務(wù)，在公海也可以滿足船舶電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸要求。本文基于船舶電站試驗(yàn)平臺(tái)，采用4G網(wǎng)絡(luò)模擬近海無人船網(wǎng)絡(luò)狀況，通過設(shè)計(jì)基于PLC的船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)、船舶電站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和專用VPN通道搭建了一套無人船電站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，能夠通過遠(yuǎn)程站點(diǎn)實(shí)時(shí)控制異地船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了其功能。

1 系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)

船舶電站自動(dòng)化控制軟件可同時(shí)設(shè)置于本地控制平臺(tái)與異地控制平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集監(jiān)控與系統(tǒng)控制?？刂栖浖蓪?shí)現(xiàn)船舶電站發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)控、機(jī)組啟停控制、故障報(bào)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(tài)軟件采用梯形圖LAD編程語言進(jìn)行硬件組態(tài)以及軟件編程。使用EB8000 Project Manager組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計(jì)，通過ProfiNet端口實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)的通信。

VPN部署方式選擇站點(diǎn)間VPN連接，采用動(dòng)態(tài)域名解析技術(shù)通過PPTP協(xié)議進(jìn)行連接，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線(Stay-on-line)狀態(tài)，保證遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)連接的可靠性。

1.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件平臺(tái)基于大連海事大學(xué)電站物理仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含兩臺(tái)交流同步發(fā)電機(jī)組、主配電盤、負(fù)載柜和機(jī)旁變頻控制柜等設(shè)備?？刂破鞑捎梦鏖T子S7-1200 PLC，該型PLC具有集成PROFINET接口、擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)，能夠滿足船舶電站自動(dòng)化各項(xiàng)功能的設(shè)計(jì)需求[2]。為了便于系統(tǒng)的使用和升級(jí)，上位機(jī)采用威綸通公司生產(chǎn)的MT8100i和PC端組態(tài)軟件。專用VPN通道搭建選用兩臺(tái)X3-3251企業(yè)路由器作為站點(diǎn)，支持IPSec安全協(xié)議，支持PPTP與L2TP VPN隧道協(xié)議，無人船電站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于PLC的船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用三臺(tái)S7-1200PLC作為船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)核心控制器，其中兩臺(tái)為交流同步發(fā)電機(jī)組控制PLC，負(fù)責(zé)對(duì)發(fā)電機(jī)組的電壓、電流、頻率、有功功率值等參數(shù)的采集監(jiān)控并根據(jù)系統(tǒng)需求實(shí)時(shí)通過變頻器與調(diào)壓器對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。第三臺(tái)為電力系統(tǒng)管理PLC,負(fù)責(zé)對(duì)船舶電站的電力系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)監(jiān)控管理同時(shí)控制負(fù)載屏主開關(guān)、聯(lián)絡(luò)屏等設(shè)備。船舶電站各參數(shù)通過交流同步發(fā)電機(jī)組控制PLC進(jìn)行采集，數(shù)字量參數(shù)直接送入PLC中，模擬量參數(shù)經(jīng)相應(yīng)變送器處理后送入PLC。本地選用一臺(tái)X3-3251企業(yè)路由器作為結(jié)點(diǎn)連接三臺(tái)PLC，通過建立Profinet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息共享以及指令傳發(fā)送。

通過PLC程序設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)同步發(fā)電機(jī)組自動(dòng)并車、自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載、解列停機(jī)等船舶電站自動(dòng)化功能，船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖1 無人船舶電站硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 VPN通道搭建

VPN(虛擬專用網(wǎng)絡(luò))對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)加密以及地址轉(zhuǎn)換，通過在公用網(wǎng)絡(luò)上建立專用網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行遠(yuǎn)程加密通信，本設(shè)計(jì)搭建的專用VPN采用Intranet VPN。由于動(dòng)態(tài)域名分配技術(shù)的存在，運(yùn)營(yíng)商分配的IP地址并不是真正的公網(wǎng)IP地址，遠(yuǎn)程監(jiān)控站點(diǎn)無法直接與本地船舶電站系統(tǒng)組建VPN網(wǎng)絡(luò)[3]。采用動(dòng)態(tài)域名解析服務(wù)器將本地船舶電站系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控站點(diǎn)的VPN服務(wù)器動(dòng)態(tài)IP地址分別映射到租用的域名地址，通過兩個(gè)固定的域名地址進(jìn)行VPN搭建，專用VPN系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

VPN服務(wù)器搭建選擇兩臺(tái)X3-3251企業(yè)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(dòng)網(wǎng)，從站模擬陸地控制中心接入有線寬帶網(wǎng)絡(luò)。服務(wù)器系統(tǒng)基于linux可進(jìn)行程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)斷線重連功能，支持IETF的IPSec安全協(xié)議，具有良好的安全性。在滿足本地船舶電站系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控站點(diǎn)搭建VPN的同時(shí)支持通過客戶端增加成員，具有良好的擴(kuò)展性，系統(tǒng)各站點(diǎn)IP地址信息分配如表1所示。

表1 專用VPN通道各站點(diǎn)配置

圖2 基于PLC的船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)

圖3 專用VPN系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

船舶電站自動(dòng)化平臺(tái)接入VPN主站，三臺(tái)PLC控制器處于VPN主站內(nèi)網(wǎng)，對(duì)外通信網(wǎng)關(guān)為172.10.15.1。與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)數(shù)據(jù)包目的地址為VPN從站子網(wǎng)內(nèi)控制系統(tǒng)設(shè)備的IP地址，VPN主站會(huì)將PLC控制器發(fā)送給控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包重新封包，新數(shù)據(jù)包目的地址為VPN從站的域名解析地址，VPN從站收到該數(shù)據(jù)包后會(huì)將其解包并確認(rèn)原數(shù)據(jù)包目的地址并發(fā)送給控制設(shè)備，當(dāng)VPN從站向VPN主站通信時(shí)也遵循相同的過程，保證了遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)正常交換。

2.3 控制軟件設(shè)計(jì)

船舶電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)可采用PC與威綸通MT8100i型工業(yè)控制屏作為上位機(jī)，MT8100i擁有Profinet端口、COM通信端口，具有電源隔離保護(hù)功能可在各種工況下穩(wěn)定工作，同時(shí)配合組態(tài)軟件可與PLC進(jìn)行直接通信。本設(shè)計(jì)中控制器S7-1200PLC與上位機(jī)設(shè)備遵循同一OPC的接口標(biāo)準(zhǔn)配合組態(tài)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。通過EB8000 project manager組態(tài)軟件獲取PLC控制器的相關(guān)參數(shù)并設(shè)計(jì)控制界面。PLC與組態(tài)軟件間通信采用以太網(wǎng)，PLC和上位機(jī)IP地址均在172.10.15.0/24網(wǎng)段。

控制軟件擁有多個(gè)監(jiān)控界面，包括船舶電站系統(tǒng)狀態(tài)界面、同步發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)參數(shù)界面、船舶電站自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)界面、發(fā)電機(jī)組控制界面、系統(tǒng)報(bào)警監(jiān)控界面。主要對(duì)船舶電網(wǎng)相關(guān)參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)，以及同步發(fā)電機(jī)組電壓、電流、頻率、功率等進(jìn)行監(jiān)控，可以完整實(shí)現(xiàn)船舶電站自動(dòng)化所需的各項(xiàng)功能[4]。在各監(jiān)控界面設(shè)計(jì)了負(fù)責(zé)控制相應(yīng)功能的按鈕和和顯示系統(tǒng)狀態(tài)的指示燈，具備較好的人機(jī)交互性?？刂栖浖蛇\(yùn)行于多臺(tái)設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)多地點(diǎn)同時(shí)監(jiān)控操作。啟動(dòng)威綸通MT8100i虛擬網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)VNC(Virtual Network Computer)功能時(shí)，當(dāng)異地需要進(jìn)行監(jiān)控船舶電站運(yùn)行狀態(tài)但未安裝控制軟件的情況下，可在接入搭建的VPN系統(tǒng)后，在瀏覽器中輸入MT8100i的IP地址與設(shè)備密碼，即可通過VPN通道將現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)軟件的監(jiān)控信息實(shí)時(shí)顯示在遠(yuǎn)程的PC機(jī)上，便于在特殊情況進(jìn)行檢修與操控。

系統(tǒng)控制軟件同時(shí)工作于本地船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)及遠(yuǎn)程監(jiān)控站點(diǎn)，將控制器采集到的船舶電站相關(guān)參數(shù)進(jìn)行可視化并監(jiān)控船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)可通過監(jiān)控界面直接對(duì)船舶電站的運(yùn)行進(jìn)行控制。

3 系統(tǒng)測(cè)試

在完成關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，將本地船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)與監(jiān)控軟件平臺(tái)以及專用VPN平臺(tái)進(jìn)行整合，系統(tǒng)測(cè)試以兩臺(tái)X3-3251企業(yè)路由器分別作為無人船電站監(jiān)控系統(tǒng)的VPN主站與從站，主站接入三臺(tái)S7-1200PLC控制器與MT8100i，從站接入安裝組態(tài)軟件的上位機(jī)PC。為驗(yàn)證VPN通道的可靠性與穩(wěn)定性，分別選擇大連、天津、新加坡三地對(duì)其進(jìn)行了多次異地連接實(shí)驗(yàn)，其穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 VPN連接穩(wěn)定性測(cè)試表

選擇新加坡從站點(diǎn)進(jìn)行無人船電站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)功能測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目選擇船舶電站同步發(fā)電機(jī)準(zhǔn)同步并車，無人船電站當(dāng)前處于2號(hào)同步發(fā)電機(jī)單機(jī)組帶載運(yùn)行狀態(tài)。

新加坡站點(diǎn)遠(yuǎn)程控制界面對(duì)1號(hào)發(fā)電機(jī)組發(fā)出自動(dòng)準(zhǔn)同步并車指令，指令信息通過VPN通道傳輸?shù)綗o人船舶電站現(xiàn)場(chǎng)。船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)接收到指令后啟動(dòng)1號(hào)發(fā)電機(jī)組，待其進(jìn)入平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)，PLC控制器對(duì)電壓、頻差條件進(jìn)行判斷，系統(tǒng)根據(jù)獲取的合閘恒定超前時(shí)間判斷合閘時(shí)刻，當(dāng)合閘時(shí)刻到時(shí)立刻發(fā)出合閘指令，1號(hào)同步發(fā)電機(jī)組完成并車操作[5]。合閘后系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)頻率以及獲取的兩臺(tái)機(jī)組有功功率參數(shù)自動(dòng)執(zhí)行調(diào)頻調(diào)載步驟，將兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組負(fù)載平均分配，并將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)反饋到遠(yuǎn)程監(jiān)控界面中。經(jīng)驗(yàn)證系統(tǒng)搭建的VPN通道可靠穩(wěn)定，通過測(cè)試成功驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的無人船電站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)各項(xiàng)功能運(yùn)行正常。VPN通道通信正常，船舶發(fā)電機(jī)組電壓、電流、頻率正常，參數(shù)顯示兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組在并車完成后順利實(shí)現(xiàn)有功以及無功負(fù)載的均分，兩臺(tái)機(jī)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(nèi)滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求，完成測(cè)試目標(biāo)。

4 結(jié)論

作為保障無人船電站正常運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，本文設(shè)計(jì)的無人船電站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，通過采用Intranet VPN可以在保證安全性的前提下有效解決遠(yuǎn)距離異地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，同時(shí)能夠保障各種情況下遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)的正常工作。船舶電站的控制只需要在陸上集中監(jiān)控室內(nèi)完成，還可以同時(shí)管理多艘船舶電站的運(yùn)行情況，減少了船舶電力系統(tǒng)運(yùn)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(xué)出版社, 2012.

[2] 廖長(zhǎng)初. S7-1200 PLC編程及應(yīng)用（第3版）[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2017.

[3] 閆光來, 張衛(wèi)強(qiáng), 李維. 基于4G+VPN技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無線電通信技術(shù), 2015, 41(05): 81-85.

[4] 賈秉峰. 船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)研究[J]. 中國(guó)水運(yùn)(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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 船電技術(shù), 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(dòng)化。E-mail: likunyang00@163.com