港口船岸連接通信協(xié)議相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)仿真驗(yàn)證研究

中圖分類(lèi)號(hào)：U665.26 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）21-0101-05

Abstract：Thisresearch focusesonthesimulationverificationof portship-shoreconnectioncommunicationprotocolsandIP addressesduring thestandardformulationprocessThecommunicationprotocolbetweentheshoresideandtheshipsideis verifiedtroughsimulation，adedicatedIPaddressandportnumberareset，andModussimulationsoftwareisusedtoreadand displaytheadressdataofbothparties.TheverifcationresultsshowthattheModbusTCP/IPprotocolisreasonableandfeasible forship-to-shorecomunication，providingsimulationverificationmethodsandexperienceforsubsequentformulationofshipand offshore equipment standards.

Keywords： ship-shore connection; communication protocol; simulation;data exchange; standard test verification

在船舶行業(yè)發(fā)展進(jìn)程中，通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)港口船岸連接的高效性與穩(wěn)定性至關(guān)重要。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T38329.2—2021《港口船岸連接第2部分：高壓和低壓岸電連接系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和控制的數(shù)據(jù)傳輸》由中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七四研究所聯(lián)合多單位共同起草并于2021年12月正式實(shí)施。在標(biāo)準(zhǔn)起草期間，相關(guān)單位已采用調(diào)研分析和仿真驗(yàn)證的方法，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中“4.4協(xié)議和IP地址\"章節(jié)內(nèi)容進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)積極推動(dòng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證點(diǎn)建設(shè)，鼓勵(lì)各單位參與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)驗(yàn)證工作，這一舉措對(duì)提升標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量意義重大。作者前期參與船舶行業(yè)制造標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)項(xiàng)目，積累了船舶及海洋工程裝備相關(guān)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)驗(yàn)證的經(jīng)驗(yàn)，為本研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1驗(yàn)證內(nèi)容

本研究重點(diǎn)針對(duì)GB/T38329.2—2021標(biāo)準(zhǔn)的4.4章節(jié)，該章節(jié)規(guī)定港口船岸連接通信采用ModbusTCP/IP協(xié)議，并對(duì)通信過(guò)程中的寄存器數(shù)據(jù)包請(qǐng)求、數(shù)據(jù)塊配置、IP地址和端口號(hào)等內(nèi)容做出明確要求。通過(guò)產(chǎn)品調(diào)研及仿真分析，對(duì)該部分內(nèi)容的合理性開(kāi)展驗(yàn)證。

具體而言，需通過(guò)125個(gè)寄存器的單個(gè)Modbus數(shù)據(jù)包請(qǐng)求，在岸側(cè)和船側(cè)快速完成每個(gè)通信模塊周期，且數(shù)據(jù)包內(nèi)容必須符合標(biāo)準(zhǔn)第5章和第6章的規(guī)定。岸側(cè)和船側(cè)均需設(shè)置專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)塊，從絕對(duì)寄存器地址0開(kāi)始，長(zhǎng)度為125個(gè)寄存器，其配置要遵循標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)章節(jié)及附錄要求。同時(shí)，岸側(cè)和船側(cè)需配備固定的IP地址和端口號(hào)用于通信，為避免IP地址沖突，通信應(yīng)在專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行。具體IP地址和端口號(hào)設(shè)置見(jiàn)表1。

2 調(diào)研分析

2.1 調(diào)研產(chǎn)品

選取低壓岸電連接系統(tǒng)的岸側(cè)工控機(jī)與船側(cè)工控機(jī)各1臺(tái)作為調(diào)研對(duì)象，這2臺(tái)工控機(jī)均具備提供Modbus TCP/IP服務(wù)的能力。

2.2實(shí)體場(chǎng)景運(yùn)行流程

首先，將岸側(cè)工控機(jī)的IP地址設(shè)置為192.168.68.103，船側(cè)工控機(jī)的IP地址設(shè)置為192.168.68.102。其次，船側(cè)工控機(jī)在502端口提供ModbusTCP/IP服務(wù)，以便岸側(cè)工控機(jī)通過(guò)ModbusTCP/IP協(xié)議讀取船側(cè)502端口0—125位置的數(shù)據(jù)；同樣，岸側(cè)工控機(jī)在502端口提供ModbusTCP/IP服務(wù)，供船側(cè)工控機(jī)讀取岸側(cè)502端口0—125位置的數(shù)據(jù)。

2.3實(shí)體場(chǎng)景與仿真環(huán)境之間的結(jié)構(gòu)及映射關(guān)系

在仿真環(huán)境中，2臺(tái)計(jì)算機(jī)分別模擬岸側(cè)和船側(cè)工控機(jī)。其中一臺(tái)計(jì)算機(jī)模擬岸側(cè)工控機(jī)，設(shè)置IP地址為192.168.68.103；另一臺(tái)模擬船側(cè)工控機(jī)，設(shè)置IP地址為192.168.68.102。在這2臺(tái)計(jì)算機(jī)上分別運(yùn)行Modbus仿真軟件，該軟件對(duì)應(yīng)實(shí)體場(chǎng)景中提供Mod-busTCP服務(wù)的硬件設(shè)備，在502端口提供ModbusTCP/IP服務(wù)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體場(chǎng)景的模擬。

2.4實(shí)體的物理參數(shù)、狀態(tài)變量、設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)

岸側(cè)工控機(jī)的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)為IP地址192.168.68.103，且在502端口提供ModbusTCP/IP服務(wù)；船側(cè)工控機(jī)的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)為IP地址192.168.68.102，同樣在502端口提供ModbusTCP/IP服務(wù)。這些參數(shù)是保證實(shí)體與仿真環(huán)境一致性的重要基礎(chǔ)。

3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證場(chǎng)景

3.1 驗(yàn)證場(chǎng)景分析

為了準(zhǔn)確驗(yàn)證GB/T38329.2—2021標(biāo)準(zhǔn)第4.4節(jié)內(nèi)容的正確性，需要依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)條款規(guī)定的協(xié)議和IP地址，模擬岸側(cè)工控機(jī)和船側(cè)工控機(jī)之間的通信過(guò)程。利用2臺(tái)計(jì)算機(jī)，一臺(tái)模擬岸側(cè)工控機(jī)并設(shè)置IP地址為192.168.68.103，另一臺(tái)模擬船側(cè)工控機(jī)并設(shè)置IP地址為192.168.68.102，在2臺(tái)計(jì)算機(jī)上分別運(yùn)行Modbus仿真軟件，通過(guò)該軟件在502端口提供Mod-busTCP/IP服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)通信過(guò)程的模擬驗(yàn)證。

3.2建設(shè)驗(yàn)證場(chǎng)景所需的硬件與軟件

硬件方面，準(zhǔn)備2臺(tái)計(jì)算機(jī)即可滿足模擬需求。

軟件方面，選用EasyModbusTCP軟件作為Mod-busTCP/IP服務(wù)仿真器，同時(shí)使用自主開(kāi)發(fā)的海工產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，在該仿真軟件平臺(tái)建立的模型包括一些設(shè)備的控制模型、通信設(shè)備的通信模型、電力管理系統(tǒng)模型等3]。使用這些模型可以實(shí)現(xiàn)的船舶及海洋平臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的仿真測(cè)試驗(yàn)證，其架構(gòu)如圖1所示。

圖1仿真試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)架構(gòu)

4標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證內(nèi)容及結(jié)論

TCP/IP協(xié)議已成為信息行業(yè)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，世界上93% 的網(wǎng)絡(luò)都使用TCP/IP協(xié)議（在網(wǎng)絡(luò)層使用IP協(xié)議，在傳輸層使用TCP協(xié)議），在船載設(shè)備方面也通過(guò)基于TCP/IP協(xié)議來(lái)配置數(shù)據(jù)集中，并且前期已有船舶岸基供電信息監(jiān)控系統(tǒng)中的TCP/IP通信協(xié)議應(yīng)用研究。在應(yīng)用層使用Modbus協(xié)議，就構(gòu)成了完整的工業(yè)以太網(wǎng)。ModbusTCP/IP協(xié)議具有以下優(yōu)點(diǎn)： ① 傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速度快、連接穩(wěn)定。 ② 在不同的操作系統(tǒng)上完美運(yùn)行。 ③ 具有可擴(kuò)展的客戶端-服務(wù)器架構(gòu)。④ 標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)，用戶可以免費(fèi)使用ModbusTCP/IP協(xié)議，而不用繳納許可費(fèi)用。 ⑤ ModbusTCP/IP協(xié)議的幀格式較為簡(jiǎn)單、緊湊、規(guī)范。

所以ModbusTCP/IP協(xié)議具有諸多優(yōu)點(diǎn)，采用ModbusTCP/IP協(xié)議作為岸側(cè)和船舶之間的通信協(xié)議是合理的。

4.1數(shù)據(jù)交換模型

岸側(cè)與船側(cè)的數(shù)據(jù)交換模型如圖2所示，岸側(cè)可讀取船側(cè)0一125地址數(shù)據(jù)并顯示，船側(cè)也能讀取岸側(cè)相應(yīng)地址的數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)交換方式能夠確保船岸數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下不受干擾，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，為船岸之間的有效連接提供保障。

4.2 驗(yàn)證過(guò)程與結(jié)果

為了驗(yàn)證根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)條款進(jìn)行Modbus協(xié)議通信的合理性，需要實(shí)現(xiàn)在船側(cè)上運(yùn)行ModbusTCP/IP仿真服務(wù)器，在岸側(cè)計(jì)算機(jī)讀取船側(cè)計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)在岸側(cè)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行ModbusTCP/IP仿真服務(wù)器，在船側(cè)計(jì)算機(jī)讀取岸側(cè)計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)。臺(tái)式計(jì)算機(jī)模擬岸側(cè)計(jì)算機(jī)，設(shè)置其IP地址為192.168.68.103，工作站筆記本電腦模擬船側(cè)計(jì)算機(jī)，設(shè)置其IP地址為192.168.68.102，2臺(tái)計(jì)算機(jī)均連接到路由器上。

驗(yàn)證步驟如下：

1）打開(kāi)臺(tái)式計(jì)算機(jī)，稱(chēng)其為岸側(cè)計(jì)算機(jī)，設(shè)置其IP地址為192.168.68.103。

2）打開(kāi)工作站筆記本電腦，稱(chēng)其為船側(cè)計(jì)算機(jī)，設(shè)置其IP地址為192.168.68.102。

3）在船側(cè)計(jì)算機(jī)（192.168.68.102），運(yùn)行 Easy-ModbusTCP服務(wù)器仿真軟件，如圖3所示。在EasyModbu TCP服務(wù)器的主界面上，可以在HoldingRegister列表框中，設(shè)置Modbus的讀保持寄存器0—125位置的數(shù)據(jù)。

設(shè)置在502端口提供ModbusTCP/IP服務(wù)，如圖4所示。設(shè)置完成后，點(diǎn)擊右側(cè)確定按鈕，否則點(diǎn)擊左側(cè)的取消按鈕。

4）在岸側(cè)計(jì)算機(jī)（192.168.68.103），打開(kāi)仿真平臺(tái)軟件，點(diǎn)擊“工具” ^? “選擇標(biāo)準(zhǔn)\"菜單，彈出切換驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)對(duì)話框，如圖5所示。選擇第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)GB/T38329.2—2021，然后點(diǎn)擊確定按鈕，此時(shí)主界面的標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證切換到驗(yàn)證GB/T38329.2—2021。

在主界面上，點(diǎn)擊“連接\"按鈕，平臺(tái)軟件在提示框中輸出下面的內(nèi)容：

\"[2021-12-1716：33：11.327]-連接到，主機(jī)：192.168.68.102，端口：502，設(shè)備號(hào)：1，成功”，則說(shuō)明連接成功。

之后，岸側(cè)仿真平臺(tái)軟件使用Modbus功能代碼0x03 讀取船側(cè)計(jì)算機(jī)0—125位置的數(shù)據(jù)，并將讀取到的數(shù)據(jù)顯示列表框中，讀取到的數(shù)據(jù)與船側(cè)計(jì)算機(jī)ModbusTCP/IP服務(wù)器的數(shù)據(jù)一致，說(shuō)明讀取成功。

5）同時(shí)測(cè)試船側(cè)計(jì)算機(jī)（192.168.68.102）讀取岸側(cè)計(jì)算機(jī)（192.168.68.103）上的數(shù)據(jù)，其使用的方法與上面的描述相同。在岸側(cè)計(jì)算機(jī)，利用EasyMod-busTCP仿真軟件，設(shè)置在502端口提供ModbusTCP/IP仿真服務(wù)，并設(shè)置0—125位置的數(shù)據(jù)，如圖6所示。

然后在船側(cè)計(jì)算機(jī)，運(yùn)行平臺(tái)軟件，如圖7所示，點(diǎn)擊“連接”命令，使用Modbus功能代碼0x03讀取岸側(cè)計(jì)算機(jī)0一125位置的數(shù)據(jù)，列表框?qū)⒆x取到的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，列表框中顯示的數(shù)據(jù)與岸側(cè)計(jì)算機(jī)ModbusTCP/IP服務(wù)器的數(shù)據(jù)一致，說(shuō)明讀取成功。

當(dāng)點(diǎn)擊“斷開(kāi)\"命令后，提示框中輸出以下內(nèi)容：

\"[2021-12-2010：45：12.622]-斷開(kāi)連接，主機(jī)：192.168.68.103，端口：502，設(shè)備號(hào)：1”，則表示仿真平臺(tái)軟件與ModbusTCP/IP仿真服務(wù)器的連接斷開(kāi)。

4.3 驗(yàn)證情況

使用ModbusTCP/IP協(xié)議仿真岸側(cè)和船舶之間的通信，岸側(cè)計(jì)算機(jī)設(shè)置IP地址為192.168.68.103，船側(cè)計(jì)算機(jī)設(shè)置其IP地址為192.168.68.102。船側(cè)計(jì)算機(jī)在502端口提供ModbusTCP/IP服務(wù)，岸側(cè)計(jì)算機(jī)可以通過(guò)ModbusTCP/IP協(xié)議連接船側(cè)計(jì)算機(jī)502端口，并使用Modbus功能代碼 0x03 讀取船側(cè)計(jì)算機(jī)Modbus

TCP/IP服務(wù)器的寄存器0—125位置的數(shù)據(jù)。同時(shí)，岸側(cè)計(jì)算機(jī)在502端口提供ModbusTCP/IP服務(wù)，船側(cè)計(jì)算機(jī)可以通過(guò)ModbusTCP/IP連接岸側(cè)計(jì)算機(jī)502端口，并使用Modbus功能代碼 0x03 讀取岸側(cè)計(jì)算機(jī)ModbusTCP/IP服務(wù)器的寄存器0—125位置的數(shù)據(jù)。以上內(nèi)容與GB/T38329.2—2021第4.4節(jié)制定的內(nèi)容完全吻合的，充分證明了該標(biāo)準(zhǔn)條款的合理性和可行性。

5結(jié)束語(yǔ)

ModbusTCP/IP協(xié)議應(yīng)用于港口船岸連接通信具有諸多優(yōu)勢(shì)，它能夠統(tǒng)一岸側(cè)和船側(cè)設(shè)備之間的傳輸方式，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化通信，有效提高通信開(kāi)發(fā)效率，降低網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)帶來(lái)的復(fù)雜問(wèn)題。岸側(cè)和船側(cè)采用固定的IP地址和端口號(hào)進(jìn)行通信，有利于推動(dòng)船舶通信標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，對(duì)岸電系統(tǒng)的同步推廣、安全保障及質(zhì)量管理起到積極的促進(jìn)作用。

本研究通過(guò)仿真驗(yàn)證，成功實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的岸側(cè)和船側(cè)之間的相互通信，驗(yàn)證了GB/T38329.2—2021標(biāo)準(zhǔn)第4.4節(jié)內(nèi)容的合理性。這一研究成果為后續(xù)制定船舶及海工裝備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供了可靠的仿真驗(yàn)證方法，有助于提高標(biāo)準(zhǔn)制定的質(zhì)量，推動(dòng)船舶行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。在未來(lái)的研究中，可以進(jìn)一步拓展仿真驗(yàn)證的范圍和深度，探索更多復(fù)雜場(chǎng)景下的通信協(xié)議應(yīng)用，為船舶行業(yè)的發(fā)展提供更有力的技術(shù)支持。

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