海洋，充滿著挑戰(zhàn)，海洋是國際貿(mào)易物流、石油天然氣開采、海洋勘探等業(yè)務(wù)活動的重要場所，海事裝備也成為了該領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備。本文重點(diǎn)介紹了貝加萊為這一專業(yè)裝備市場提供的智能化、低碳化船舶自動化解決方案。

　　文/貝加萊工業(yè)自動化(中國)有限公司

　　在過去的數(shù)百年里，游弋在廣闊海洋中的船舶裝備，一直都在不斷地邁向更為自動化與智能化的發(fā)展方向。

　　在2024年，中國在全球船舶市場的份額超過50%，連續(xù)15年穩(wěn)居世界第一。船舶是中國海洋貿(mào)易的關(guān)鍵裝備，也是國家參與全球競爭、積極“走?！钡闹匾画h(huán)。作為一股幕后力量，貝加萊一直在為海事裝備領(lǐng)域提供專業(yè)的解決方案，支撐著中國船舶自動化技術(shù)持續(xù)進(jìn)步。

　　1 嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)——船舶自動化的需求演進(jìn)

　　海洋船舶總給人以動力強(qiáng)勁、但輪廓粗獷的感覺，但其實(shí)，船舶的自動化水平是不斷在進(jìn)步的。大型船舶不僅需要強(qiáng)勁的動力，也需要在巨浪迭起的海洋中保持穩(wěn)定航行，保證船上的設(shè)備精準(zhǔn)運(yùn)營，且需要為船員們提供舒適、安全的工作環(huán)境。另外，人們對于綠色、環(huán)保的追求，也產(chǎn)生出對混合動力、純電、氫能等推進(jìn)系統(tǒng)的需求，同時還對船舶提出了更為智能化的管理要求，以降低人力消耗(圖1)。

　　圖1 船舶行業(yè)的發(fā)展大趨勢

　　綜合來看，目前船舶自動化的發(fā)展方向包括以下幾個方面：

　　l 環(huán)境與法規(guī)

　　大型船舶能夠裝載上萬個集裝箱，例如數(shù)以百萬噸的礦石、億計(jì)的天然氣等等，如此巨大的裝載能力以及遠(yuǎn)洋運(yùn)輸能力，使得它們成為了全球貿(mào)易中的物流“主角”，但這同時也意味著巨大的燃料消耗，并且隨著全球各國對于環(huán)保要求的上升，降低排放的呼聲日益升高。這使得今天更多的清潔能源驅(qū)動正在進(jìn)入船舶領(lǐng)域，包括甲醇、綠氨、電力推進(jìn)器等，這些都在改變著船舶原來的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及控制方式;

　　l 更為自動化與智能的裝備

　　海洋的惡劣作業(yè)條件，以及長期遠(yuǎn)離大陸對人們造成的心理挑戰(zhàn)，使得在船舶海洋業(yè)工作的人工成本一直要遠(yuǎn)高于其他領(lǐng)域，在遠(yuǎn)洋船舶上，普通海員一般要花費(fèi)數(shù)萬美元的人工成本。因此，提高自動化水平，降低人力消耗，對于船舶業(yè)來說同樣是一種迫切需要;

　　l 高可用性設(shè)計(jì)

　　遠(yuǎn)離大陸的海洋充滿著鹽霧腐蝕，工作環(huán)境時常處于搖擺和振動之中，這些對于船用電氣控制系統(tǒng)來講，有著更高的可用性要求，加上由于海上設(shè)備維修的不便，因此，船舶設(shè)備通常需要具有較高的可靠性設(shè)計(jì)，以及冗余方面的支持。

　　2 貝加萊在船舶行業(yè)的解決方案

　　船用自動化涉及到的船用設(shè)備，包括發(fā)電系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、動態(tài)定位系統(tǒng)、機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)、各種泵類、船用起重設(shè)備、岸電系統(tǒng)、壓艙水管理系統(tǒng)、廢氣/廢水處理系統(tǒng)等。針對上述船舶對于自動化系統(tǒng)的特殊要求，貝加萊開發(fā)出一系列專用的控制系統(tǒng)，貝加萊在船舶領(lǐng)域的業(yè)務(wù)涵蓋了船用設(shè)備本身的控制，以及整個船體的綜合監(jiān)控系統(tǒng)等。

　　圖2 典型的船用系統(tǒng)

　　在圖2中，以較為典型的郵輪作為參考，描述了基本的船用系統(tǒng)的內(nèi)部構(gòu)造。貝加萊在船舶自動化方面，目前開發(fā)的產(chǎn)品技術(shù)與系統(tǒng)包括：特殊涂層處理的控制器、完善的船級社認(rèn)證、能源監(jiān)測技術(shù)、振動監(jiān)測技術(shù)、冗余技術(shù)支持等。

　　(1)特殊涂層處理的控制器

　　船用設(shè)備通常會工作在鹽霧腐蝕、濕度較大、冷凝等惡劣環(huán)境中，因此，需要對其進(jìn)行特殊的涂層處理，以保護(hù)其能夠在惡劣環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。貝加萊的X20 PLC、工業(yè)PC系列產(chǎn)品電路板均采用了特殊涂層處理，使得這些控制器、I/O均可在防潮、抗腐蝕氣體保護(hù)需求的環(huán)境下長期穩(wěn)定工作。

　　帶有涂層版本的X20組件可以在-40℃下啟動;并且考慮到長距離輸電的壓降問題，它也可以容忍24VDC電源在-25%-+30%范圍的偏差。

　　圖3 采用涂層處理的控制器可以在海洋環(huán)境工作

　　(2)完善的船級社認(rèn)證

　　船級社認(rèn)證是船舶行業(yè)的特殊要求，在海洋、海岸線工作的船舶、設(shè)備均需要經(jīng)過船級社的認(rèn)證，以確保其能承受海洋的特殊工作環(huán)境要求。在目前貝加萊推出的控制系統(tǒng)中，已經(jīng)獲得了挪威船級社DNV、德國船級社 GL、勞氏船級社LR、中國船級社CCS、美國船級社ABS、法國船級社BV、韓國船級社KR、意大利船級社RINA的資質(zhì)認(rèn)證。

　　(3)能源監(jiān)測技術(shù)

　　圖4 X20系列的能源監(jiān)測模塊

　　在船舶裝備的多中應(yīng)用場景中，貝加萊的X20CM能源監(jiān)測模塊都發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其中包括：

　　(1) 船用關(guān)鍵設(shè)備的能源監(jiān)測與集中管理;

　　(2)船用內(nèi)燃機(jī)組控制系統(tǒng)，如燃?xì)廨啓C(jī)、甲醇/綠氨機(jī)組等;

　　(3) 船用氫燃料電堆的管理。

　　X20的能源模塊可以高頻、高精度檢測電力系統(tǒng)的電壓、電流、頻率、相位、諧波等，并可作為電力控制和能源效率監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集源。

　　除此之外，遵循ISO50001能源管理系統(tǒng)需求，貝加萊X20豐富的I/O模塊還能支持船舶上各類能源的監(jiān)測，包括溫度、壓縮氣體、蒸汽、熱力供應(yīng)等的計(jì)量、傳輸、計(jì)算、報(bào)表、分析等功能，并可進(jìn)行甩負(fù)荷管理。

　　(4)振動監(jiān)測技術(shù)

　　在船舶這種處于風(fēng)浪之中的環(huán)境下，船用設(shè)備的運(yùn)行會受到影響而產(chǎn)生故障，尤其是關(guān)鍵的發(fā)電機(jī)組、推進(jìn)系統(tǒng)等，因此，基于振動分析的預(yù)測性維護(hù)技術(shù)可為機(jī)組的運(yùn)行故障預(yù)測、計(jì)劃停機(jī)等工作帶來便利。

　　圖5 振動監(jiān)測模塊X20CM4810

　　X20的振動監(jiān)測可以對設(shè)備的頻率進(jìn)行高速采樣，并進(jìn)行快速傅里葉變換等處理，并提供給監(jiān)測系統(tǒng)，包括基于機(jī)理模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的預(yù)測性維護(hù)分析系統(tǒng)，并能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行早期故障預(yù)測。

　　(5)冗余技術(shù)支持

　　考慮到船用設(shè)備的可用性要求，需要控制系統(tǒng)能夠支持冗余技術(shù)，而貝加萊的控制系統(tǒng)包括APROL的整個管理系統(tǒng)，可支持以下冗余：

　　l 服務(wù)器冗余：運(yùn)行時、實(shí)時和歷史數(shù)據(jù)庫;

　　l 控制器冗余：速度快，無需額外工程設(shè)計(jì);

　　l 網(wǎng)絡(luò)冗余：環(huán)網(wǎng)和介質(zhì)——銅纜和光纖;

　　l 電源冗余：兩個或多個 24 V 電源;

　　l 可以組合所有冗余選項(xiàng)。

　　圖6 貝加萊的冗余方案

　　從以上幾點(diǎn)可以看到，在產(chǎn)品技術(shù)層面，貝加萊已經(jīng)有完整支撐船舶自動化應(yīng)用的基礎(chǔ)硬件架構(gòu)。此外，包括滿足IEC61508的安全控制技術(shù)、高速采樣的reACTION技術(shù)、OPC UA通信規(guī)范，以及滿足氫能領(lǐng)域的UL6200安全認(rèn)證等等，都使得貝加萊在船舶行業(yè)擁有較高的技術(shù)匹配性。圖7顯示了貝加萊船舶整體控制架構(gòu)能夠滿足從船用單機(jī)設(shè)備，到船舶整體運(yùn)行、監(jiān)控及管理的多種需求。

　　圖7 整體的船舶控制系統(tǒng)

　　3 貝加萊船舶行業(yè)案例

　　貝加萊在全球包括歐洲、日本、韓國、大中華地區(qū)都擁有廣泛的船舶及海事裝備領(lǐng)域的合作客戶，業(yè)務(wù)范圍包括以下幾大領(lǐng)域：

　　l 商用船舶：如豪華游輪、客滾船、散貨船、集裝箱、LNG運(yùn)輸船和油輪等;

　　l 海工類：深海/近海鉆井平臺、支持船、鉆井船等;

　　l 特殊類船：重吊船、起重船、挖泥船、破冰船、風(fēng)電安裝、救助船等。

　　下面僅簡單分享四個典型案例，后續(xù)將會進(jìn)行更多的船舶海事領(lǐng)域的案例分享。

　　(1)案例一：軸帶發(fā)電機(jī)組控制

　　IMO(國際海事組織)引入了EEDI(能源效率設(shè)計(jì)指數(shù))的概念，以推動新建船舶使用節(jié)能設(shè)備。為此，貝加萊與ABB船舶事業(yè)部共同為軸帶發(fā)電機(jī)組控制提供了解決方案。

　　該系統(tǒng)采用了X20控制器，并采用X20CM0985電力監(jiān)測模塊，對整個軸帶發(fā)電機(jī)進(jìn)行整機(jī)控制，并確保其高能效滿足IMO的節(jié)能需求。

　　圖8 軸帶發(fā)電機(jī)組的控制

　　(2)案例二：內(nèi)陸河道純電動游輪

　　內(nèi)陸河運(yùn)同樣是未來綠色清潔能源的重點(diǎn)開發(fā)領(lǐng)域——長江三峽1號游輪是國內(nèi)最大的純電動船，它的電池容量達(dá)到7MW+，配置有3組250kW推進(jìn)系統(tǒng)。該項(xiàng)目由貝加萊的合作伙伴基于貝加萊系統(tǒng)提供了解決方案，它包括了以下幾個單元的整體控制：

　　l 電力推進(jìn)控制系統(tǒng);

　　l 變頻器控制系統(tǒng);

　　l 功率管理系統(tǒng);

　　l 機(jī)艙控制系統(tǒng);

　　l 電池管理系統(tǒng)。

　　在這個系統(tǒng)中，采用了貝加萊APC，以及X20控制系統(tǒng)作為硬件架構(gòu)，以Automation Studio開發(fā)了控制與管理系統(tǒng)。

　　(3)案例三：商船控制系統(tǒng)

　　Alfa Laval是全球知名的船用設(shè)備及商用船舶控制系統(tǒng)提供商，在其所開發(fā)的船用設(shè)備及控制系統(tǒng)中，均采用了來自貝加萊的控制產(chǎn)品，應(yīng)用領(lǐng)域包括：壓載水和艙底水處理、海水泵系統(tǒng)、污泥及廢物處理、油水預(yù)處理、分離器燃料調(diào)節(jié)、自動過濾、油艙清洗、淡水發(fā)電機(jī)、廢氣凈化系統(tǒng)、惰性氣體系統(tǒng)。

　　圖9 Alfa Laval船用系統(tǒng)設(shè)備

　　(4)案例四：混合動力推進(jìn)系統(tǒng)

　　混合動力推進(jìn)控制系統(tǒng)(HPCS)是將兩個或多個推進(jìn)裝置集成和控制到一個系統(tǒng)中。它通常與柴油發(fā)動機(jī)和電動機(jī)結(jié)合使用，通過優(yōu)化組合每個源的輸出來提高效率和性能。如圖10所示，由貝加萊控制系統(tǒng)和ABB電力推進(jìn)系統(tǒng)共同構(gòu)成，提供了包含PCS推進(jìn)系統(tǒng)、EMS能源管理、PCS電源管理系統(tǒng)、ECS引擎控制、BMS艦橋管理系統(tǒng)在內(nèi)的整體協(xié)作控制與運(yùn)營。應(yīng)用領(lǐng)域包括：壓載水和艙底水處理、海水泵系統(tǒng)、污泥及廢物處理、油水預(yù)處理、分離器燃料調(diào)節(jié)、自動過濾、油艙清洗、淡水發(fā)電機(jī)、廢氣凈化系統(tǒng)、惰性氣體系統(tǒng)。

　　其中，貝加萊的高性能APC，配合高速的I/O采樣，確保了系統(tǒng)的高性能、高可靠性運(yùn)行。

　　圖10 混合動力船推進(jìn)控制系統(tǒng)