海洋，充滿著挑戰(zhàn)，也是國(guó)際貿(mào)易物流、石油天然氣開(kāi)采、海洋勘探等重要的場(chǎng)所。海事裝備也成為了這個(gè)領(lǐng)域的關(guān)鍵。
在過(guò)去的數(shù)百年里，這些游弋在廣闊海洋的裝備，都一直在不斷走向更為自動(dòng)化與智能。
在2024年，中國(guó)在全球船舶市場(chǎng)的份額超過(guò)50%，連續(xù)15年穩(wěn)居世界第一。船舶是我們海洋貿(mào)易的關(guān)鍵領(lǐng)域，也是國(guó)家全球競(jìng)爭(zhēng)走出去的關(guān)鍵一環(huán)。貝加萊一直為海事裝備領(lǐng)域提供解決方案，作為一個(gè)幕后的力量，支撐著船舶自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步。
嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)-船舶自動(dòng)化的需求演進(jìn)
海洋船舶總給人動(dòng)力強(qiáng)勁，但粗獷輪廓，其實(shí)，船舶的自動(dòng)化水平是不斷在進(jìn)步的。大型的船舶不僅需要強(qiáng)勁的動(dòng)力，也需要在巨浪迭起的海洋中保持穩(wěn)定，船上的設(shè)備精準(zhǔn)運(yùn)營(yíng)，且需要為船員們提供舒適、安全的工作環(huán)境。另外，對(duì)于綠色環(huán)保的需求，也產(chǎn)生了對(duì)混合動(dòng)力、純電、氫能的推進(jìn)系統(tǒng)的需求。包括船舶更為智能的管理，降低人們的消耗等迫切的需求。
圖1-船舶行業(yè)的發(fā)展大趨勢(shì)
1 環(huán)境與法規(guī)
大型的船舶能夠裝載上萬(wàn)個(gè)集裝箱，數(shù)以百萬(wàn)噸的礦石、億計(jì)的天然氣，他們的裝載能力，以及遠(yuǎn)洋運(yùn)輸能力，使得他們成為了全球貿(mào)易中物流的主角。但是，這同時(shí)意味著巨大的燃料消耗，并且，隨著全球環(huán)保的需求，也更多的要求降低排放。
今天，更多的清潔能源驅(qū)動(dòng)正在進(jìn)入船舶領(lǐng)域，包括甲醇、綠氨、電力推進(jìn)器，這些都改變了原來(lái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，以及控制方式。
2 更為自動(dòng)化與智能的裝備
海洋的惡劣作業(yè)條件，以及長(zhǎng)期遠(yuǎn)離大陸造成的心里挑戰(zhàn)，使得在船舶等海洋工作的人工成本一直是遠(yuǎn)高于其他領(lǐng)域。在遠(yuǎn)洋船舶上普通的海員也是數(shù)萬(wàn)美元的人工成本。
因此，能夠提高自動(dòng)化水平，降低人員消耗，對(duì)于船舶同樣是一種迫切的需求。
3 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)境充滿著搖擺和振動(dòng)，這些對(duì)于船用電氣控制系統(tǒng)也是有著更高的可用性要求。由于維修的不便，因此，這些設(shè)備通常需要具有高可靠性設(shè)計(jì)，以及冗余方面的支持。
貝加萊在船舶行業(yè)的解決方案
船舶對(duì)于自動(dòng)化的一些特殊需求，貝加萊一直為此而特殊開(kāi)發(fā)了控制系統(tǒng)。船用自動(dòng)化涉及到船用設(shè)備如發(fā)電系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、動(dòng)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。貝加萊在船舶的業(yè)務(wù)涵蓋了船用設(shè)備本身的控制，以及整個(gè)船的綜合監(jiān)控系統(tǒng)。
圖2-典型的船用系統(tǒng)
圖2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(dòng)化方面，包括了以下一些產(chǎn)品、技術(shù)與系統(tǒng)，僅做簡(jiǎn)單介紹：
1.涂層設(shè)計(jì)的控制器速：
船用設(shè)備通常會(huì)工作在鹽霧腐蝕、濕度較大、冷凝等惡劣環(huán)境中，因此，它需要對(duì)其進(jìn)行特殊的涂層處理，以保護(hù)其穩(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，它使得這些控制器、I/O均可在防潮、抗腐蝕氣體保護(hù)需求的環(huán)境下工作。
圖3-采用涂層處理的控制器可以在海洋環(huán)境工作
帶有涂層版本的X20組件，它可以在-40℃下啟動(dòng)。并且考慮長(zhǎng)距離輸電的壓降，它也可以容忍24VDC電源在-25%-+30%范圍的偏差。
2.完善的船級(jí)社認(rèn)證：
船級(jí)社的需求是船舶行業(yè)的特殊要求，它需要在海洋、海岸線工作的船舶、設(shè)備需要經(jīng)過(guò)特船級(jí)社認(rèn)證，以確保其能承受海洋的特殊工作環(huán)境需求。在目前的貝加萊控制系統(tǒng)中，已經(jīng)在挪威船級(jí)社DNV、德國(guó)船級(jí)社 GL、勞氏船級(jí)社LR、中國(guó)船級(jí)社CCS、美國(guó)船級(jí)社ABS、法國(guó)船級(jí)社BV、韓國(guó)船級(jí)社KR、意大利船級(jí)社RINA認(rèn)證。
3.能源監(jiān)測(cè)技術(shù)
圖4-X20系列的能源監(jiān)測(cè)模塊
在多個(gè)方面，貝加萊的X20CM能源監(jiān)測(cè)模塊都發(fā)揮著關(guān)鍵作用：
1) 船用關(guān)鍵設(shè)備的能源監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)，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、分析等能力，并可進(jìn)行甩負(fù)荷管理。
4.振動(dòng)監(jiān)測(cè)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(huì)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(dòng)分析的預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)，將為機(jī)組的運(yùn)行故障預(yù)測(cè)、計(jì)劃停機(jī)等工作帶來(lái)便利。
圖5-振動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊X20CM4810
X20的振動(dòng)監(jiān)測(cè)可以對(duì)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(cè)系統(tǒng)，包括基于機(jī)理模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的預(yù)測(cè)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(cè)。
5.冗余技術(shù)支持
考慮船用設(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(gè)管理系統(tǒng)，支持以下冗余：
-服務(wù)器冗余 – 運(yùn)行時(shí)、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)
-控制器冗余 – 速度快，無(wú)需額外工程設(shè)計(jì)
-網(wǎng)絡(luò)冗余 – 環(huán)網(wǎng)和介質(zhì) – 銅纜和光纖
-電源冗余 – 兩個(gè)或多個(gè) 24 V 電源
-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(dòng)化應(yīng)用的基礎(chǔ)硬件架構(gòu)。其它包括滿足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，都使得貝加萊在船舶行業(yè)擁有較大的技術(shù)匹配性。
圖7-整體的船舶控制系統(tǒng)
圖7顯示了貝加萊船舶整體控制的架構(gòu)，能夠滿足從船用單機(jī)設(shè)備，到船舶的整體運(yùn)行、監(jiān)控及管理。
貝加萊船舶行業(yè)案例
貝加萊在全球包括歐洲、日本、韓國(guó)、大中華地區(qū)都有廣泛的與船舶及海事裝備領(lǐng)域的客戶合作，范圍包括幾個(gè)大的領(lǐng)域：
1) 商用船舶：
這包括了豪華游輪、客滾船、散貨船、集裝箱、LNG運(yùn)輸船和油輪等。
2) 海工類：
深海/近海鉆井平臺(tái)、支持船、鉆井船等。
3) 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。
本次僅簡(jiǎn)單分享四個(gè)典型案例，后續(xù)將會(huì)進(jìn)行更多的船舶海事領(lǐng)域的案例分享。
● 案例一：軸帶發(fā)電機(jī)組控制
IMO（國(guó)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(dòng)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的電力監(jiān)測(cè)模塊，對(duì)整個(gè)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
● 案例二：內(nèi)陸河道純電動(dòng)游輪
內(nèi)陸河運(yùn)同樣是未來(lái)考慮綠色清潔的領(lǐng)域—長(zhǎng)江三峽1號(hào)游輪是國(guó)內(nèi)最大的純電動(dòng)船，它電池容量達(dá)到7MW+，3組250kW推進(jìn)系統(tǒng)。由貝加萊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(gè)單元的整體控制：
▪ 電力推進(jìn)控制系統(tǒng)
▪ 變頻器控制系統(tǒng)
▪ 功率管理系統(tǒng)
▪ 機(jī)艙控制系統(tǒng)
▪ 電池管理系統(tǒng)
在這個(gè)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(kāi)發(fā)了控制與管理系統(tǒng)。
● 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)的提供商，在其所提供的船用設(shè)備及控制中，均采用了來(lái)自貝加萊的控制系統(tǒng)。
圖9-Alfa Laval船用系統(tǒng)設(shè)備
應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾個(gè)方面：
▪ 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(dòng)過(guò)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)
● 案例四：混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)
混合動(dòng)力推進(jìn)控制系統(tǒng)（HPCS）是將兩個(gè)或多個(gè)推進(jìn)裝置集成和控制到一個(gè)系統(tǒng)。它通常與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)結(jié)合使用。通過(guò)優(yōu)化組合每個(gè)源的輸出來(lái)提高效率和性能。如圖11，由貝加萊控制和ABB的電力推進(jìn)系統(tǒng)共同構(gòu)成。提供了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)的整體協(xié)作控制與運(yùn)營(yíng)。
圖11-混合動(dòng)力船推進(jìn)控制系統(tǒng)
應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾個(gè)方面：
▪ 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(dòng)過(guò)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)
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、可靠運(yùn)行。
不止于此，貝加萊在船舶的各種機(jī)器、整船、海洋裝備領(lǐng)域，都有廣泛應(yīng)用，敬請(qǐng)關(guān)注后續(xù)技術(shù)與案例分享。