基于VPN技術的無人船電站遠程控制系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)對船舶電站遠程控制技術的需求，設計了一種結(jié)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(tǒng)。實驗平臺基于船舶電站物理仿真系統(tǒng)，選用西門子公司S7-1200 PLC作為船舶電站自動化系統(tǒng)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(chǎn)的MT8100i與PC作為上位機，并為數(shù)據(jù)通信搭建了專用VPN數(shù)據(jù)通道。經(jīng)實驗平臺運行測試，驗證了該無人船電站遠程控制系統(tǒng)運行可靠，實現(xiàn)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(chǎn)業(yè)深層轉(zhuǎn)換的時期，無人船作為目前發(fā)展的主流趨勢，已進入快速發(fā)展階段，隨著各項關鍵技術不斷成熟，航運界新一輪產(chǎn)業(yè)革命很有可能以無人船為起點產(chǎn)生。

無人船電站遠程控制系統(tǒng)是無人船應用中的關鍵技術之一，可為全船提供穩(wěn)定、可靠、高質(zhì)量的供電系統(tǒng)[1]。在船舶技術飛速發(fā)展的今天，船舶電站自動化技術也借助新興技術的發(fā)展正朝著網(wǎng)絡智能化、監(jiān)控遠程化發(fā)展，通過互聯(lián)網(wǎng)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(tǒng)出現(xiàn)異常時服務商在岸上即可對全船電力系統(tǒng)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(wǎng)絡運營商能在我國內(nèi)河與部分沿海百公里范圍內(nèi)提供可靠的4G移動網(wǎng)絡服務，為內(nèi)河與近海無人船電站遠程控制系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了可能性。隨著5G網(wǎng)絡的成熟、Inmarsat的Global Xpress第六代海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展以及美國太空探索技術公司發(fā)射的低軌道互聯(lián)網(wǎng)試驗衛(wèi)星的逐步投入使用，運營商將來能夠提供超低延遲的網(wǎng)絡寬帶服務，在公海也可以滿足船舶電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸要求。本文基于船舶電站試驗平臺，采用4G網(wǎng)絡模擬近海無人船網(wǎng)絡狀況，通過設計基于PLC的船舶電站自動化系統(tǒng)、船舶電站遠程控制系統(tǒng)和專用VPN通道搭建了一套無人船電站遠程控制系統(tǒng)，能夠通過遠程站點實時控制異地船舶電站自動化系統(tǒng)，并經(jīng)實驗測試了其功能。

1 系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集監(jiān)控與系統(tǒng)控制?？刂栖浖蓪崿F(xiàn)船舶電站發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)控、機組啟?？刂啤⒐收蠄缶涗?、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編程語言進行硬件組態(tài)以及軟件編程。使用EB8000 Project Manager組態(tài)軟件進行監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)設計，通過ProfiNet端口實現(xiàn)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(tài)域名解析技術通過PPTP協(xié)議進行連接，整個監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)實時在線(Stay-on-line)狀態(tài)，保證遠程控制系統(tǒng)連接的可靠性。

1.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件平臺基于大連海事大學電站物理仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含兩臺交流同步發(fā)電機組、主配電盤、負載柜和機旁變頻控制柜等設備?？刂破鞑捎梦鏖T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(tǒng)的使用和升級，上位機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X3-3251企業(yè)路由器作為站點，支持IPSec安全協(xié)議，支持PPTP與L2TP VPN隧道協(xié)議，無人船電站遠程控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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(tǒng)設計

采用三臺S7-1200PLC作為船舶電站自動化系統(tǒng)核心控制器，其中兩臺為交流同步發(fā)電機組控制PLC，負責對發(fā)電機組的電壓、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)需求實時通過變頻器與調(diào)壓器對電機進行控制。第三臺為電力系統(tǒng)管理PLC,負責對船舶電站的電力系統(tǒng)狀態(tài)進監(jiān)控管理同時控制負載屏主開關、聯(lián)絡屏等設備。船舶電站各參數(shù)通過交流同步發(fā)電機組控制PLC進行采集，數(shù)字量參數(shù)直接送入PLC中，模擬量參數(shù)經(jīng)相應變送器處理后送入PLC。本地選用一臺X3-3251企業(yè)路由器作為結(jié)點連接三臺PLC，通過建立Profinet網(wǎng)絡實現(xiàn)信息共享以及指令傳發(fā)送。

通過PLC程序設計可實現(xiàn)同步發(fā)電機組自動并車、自動調(diào)頻調(diào)載、解列停機等船舶電站自動化功能，船舶電站自動化系統(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)對數(shù)據(jù)包進行數(shù)據(jù)加密以及地址轉(zhuǎn)換，通過在公用網(wǎng)絡上建立專用網(wǎng)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(tài)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(wǎng)IP地址，遠程監(jiān)控站點無法直接與本地船舶電站系統(tǒng)組建VPN網(wǎng)絡[3]。采用動態(tài)域名解析服務器將本地船舶電站系統(tǒng)以及遠程監(jiān)控站點的VPN服務器動態(tài)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(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

VPN服務器搭建選擇兩臺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移動網(wǎng)，從站模擬陸地控制中心接入有線寬帶網(wǎng)絡。服務器系統(tǒng)基于linux可進行程序設計實現(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)以及遠程監(jiān)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(tǒng)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(tǒng)

圖3 專用VPN系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(nèi)網(wǎng)，對外通信網(wǎng)關為172.10.15.1。與遠程控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信時數(shù)據(jù)包目的地址為VPN從站子網(wǎng)內(nèi)控制系統(tǒng)設備的IP地址，VPN主站會將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)包后會將其解包并確認原數(shù)據(jù)包目的地址并發(fā)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(tǒng)的數(shù)據(jù)正常交換。

2.3 控制軟件設計

船舶電站自動化控制系統(tǒng)可采用PC與威綸通MT8100i型工業(yè)控制屏作為上位機，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(wěn)定工作，同時配合組態(tài)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(tài)軟件進行數(shù)據(jù)通信。通過EB8000 project manager組態(tài)軟件獲取PLC控制器的相關參數(shù)并設計控制界面。PLC與組態(tài)軟件間通信采用以太網(wǎng)，PLC和上位機IP地址均在172.10.15.0/24網(wǎng)段。

控制軟件擁有多個監(jiān)控界面，包括船舶電站系統(tǒng)狀態(tài)界面、同步發(fā)電機組系統(tǒng)參數(shù)界面、船舶電站自動化網(wǎng)絡狀態(tài)界面、發(fā)電機組控制界面、系統(tǒng)報警監(jiān)控界面。主要對船舶電網(wǎng)相關參數(shù)、設備狀態(tài)，以及同步發(fā)電機組電壓、電流、頻率、功率等進行監(jiān)控，可以完整實現(xiàn)船舶電站自動化所需的各項功能[4]。在各監(jiān)控界面設計了負責控制相應功能的按鈕和和顯示系統(tǒng)狀態(tài)的指示燈，具備較好的人機交互性?？刂栖浖蛇\行于多臺設備，能夠?qū)崿F(xiàn)多地點同時監(jiān)控操作。啟動威綸通MT8100i虛擬網(wǎng)絡計算機VNC(Virtual Network Computer)功能時，當異地需要進行監(jiān)控船舶電站運行狀態(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地址與設備密碼，即可通過VPN通道將現(xiàn)場組態(tài)軟件的監(jiān)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(tǒng)控制軟件同時工作于本地船舶電站自動化系統(tǒng)及遠程監(jiān)控站點，將控制器采集到的船舶電站相關參數(shù)進行可視化并監(jiān)控船舶電站自動化系統(tǒng)運行狀態(tài)，同時可通過監(jiān)控界面直接對船舶電站的運行進行控制。

3 系統(tǒng)測試

在完成關鍵系統(tǒng)設計后，將本地船舶電站自動化系統(tǒng)與監(jiān)控軟件平臺以及專用VPN平臺進行整合，系統(tǒng)測試以兩臺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S7-1200PLC控制器與MT8100i，從站接入安裝組態(tài)軟件的上位機PC。為驗證VPN通道的可靠性與穩(wěn)定性，分別選擇大連、天津、新加坡三地對其進行了多次異地連接實驗，其穩(wěn)定性測試結(jié)果如表2所示。

表2 VPN連接穩(wěn)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(tǒng)功能測試，測試項目選擇船舶電站同步發(fā)電機準同步并車，無人船電站當前處于2號同步發(fā)電機單機組帶載運行狀態(tài)。

新加坡站點遠程控制界面對1號發(fā)電機組發(fā)出自動準同步并車指令，指令信息通過VPN通道傳輸?shù)綗o人船舶電站現(xiàn)場。船舶電站自動化系統(tǒng)接收到指令后啟動1號發(fā)電機組，待其進入平穩(wěn)運行狀態(tài)，PLC控制器對電壓、頻差條件進行判斷，系統(tǒng)根據(jù)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(fā)出合閘指令，1號同步發(fā)電機組完成并車操作[5]。合閘后系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)頻率以及獲取的兩臺機組有功功率參數(shù)自動執(zhí)行調(diào)頻調(diào)載步驟，將兩臺發(fā)電機組負載平均分配，并將現(xiàn)場數(shù)據(jù)反饋到遠程監(jiān)控界面中。經(jīng)驗證系統(tǒng)搭建的VPN通道可靠穩(wěn)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(tǒng)各項功能運行正常。VPN通道通信正常，船舶發(fā)電機組電壓、電流、頻率正常，參數(shù)顯示兩臺發(fā)電機組在并車完成后順利實現(xiàn)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(nèi)滿足系統(tǒng)運行要求，完成測試目標。

4 結(jié)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(tǒng)經(jīng)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(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，同時能夠保障各種情況下遠程控制系統(tǒng)與現(xiàn)場船舶電站自動化系統(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，還可以同時管理多艘船舶電站的運行情況，減少了船舶電力系統(tǒng)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(yè)出版社, 2017.

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

[4] 賈秉峰. 船舶遠程監(jiān)控與管理系統(tǒng)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(xiàn)[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