邁向智能與低碳-貝加萊船舶自動化解決方案
發布時間：2024-11-14 作者：www.xstr.xyz
海洋，充滿著挑戰，也是國際貿易物流、石油天然氣開采、海洋勘探等重要的場所。海事裝備也成為了這個領域的關鍵。
在過去的數百年里，這些游弋在廣闊海洋的裝備，都一直在不斷走向更為自動化與智能。
在2024年，中國在全球船舶市場的份額超過50%，連續15年穩居世界第一。船舶是我們海洋貿易的關鍵領域，也是國家全球競爭走出去的關鍵一環。貝加萊一直為海事裝備領域提供解決方案，作為一個幕后的力量，支撐著船舶自動化技術的進步。
嚴苛的挑戰-船舶自動化的需求演進
海洋船舶總給人動力強勁，但粗獷輪廓，其實，船舶的自動化水平是不斷在進步的。大型的船舶不僅需要強勁的動力，也需要在巨浪迭起的海洋中保持穩定，船上的設備精準運營，且需要為船員們提供舒適、安全的工作環境。另外，對于綠色環保的需求，也產生了對混合動力、純電、氫能的推進系統的需求。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-船舶行業的發展大趨勢
1 環境與法規
大型的船舶能夠裝載上萬個集裝箱，數以百萬噸的礦石、億計的天然氣，他們的裝載能力，以及遠洋運輸能力，使得他們成為了全球貿易中物流的主角。但是，這同時意味著巨大的燃料消耗，并且，隨著全球環保的需求，也更多的要求降低排放。
今天，更多的清潔能源驅動正在進入船舶領域，包括甲醇、綠氨、電力推進器，這些都改變了原來的機械結構，以及控制方式。
2 更為自動化與智能的裝備
海洋的惡劣作業條件，以及長期遠離大陸造成的心里挑戰，使得在船舶等海洋工作的人工成本一直是遠高于其他領域。在遠洋船舶上普通的海員也是數萬美元的人工成本。
因此，能夠提高自動化水平，降低人員消耗，對于船舶同樣是一種迫切的需求。
3 高可用性設計
遠離大陸的海洋，充滿著鹽霧腐蝕，工作環境充滿著搖擺和振動，這些對于船用電氣控制系統也是有著更高的可用性要求。由于維修的不便，因此，這些設備通常需要具有高可靠性設計，以及冗余方面的支持。
貝加萊在船舶行業的解決方案
船舶對于自動化的一些特殊需求，貝加萊一直為此而特殊開發了控制系統。船用自動化涉及到船用設備如發電系統、推進系統、動態定位系統、機艙監控系統、各種泵類、船用起重設備、岸電系統、壓艙水管理系統、廢氣/廢水處理系統、等。貝加萊在船舶的業務涵蓋了船用設備本身的控制，以及整個船的綜合監控系統。
圖2-典型的船用系統
圖2以較為典型的郵輪作為參考描述了基本的船用系統的內部構造。
貝加萊在船舶自動化方面，包括了以下一些產品、技術與系統，僅做簡單介紹：
1.涂層設計的控制器速：
船用設備通常會工作在鹽霧腐蝕、濕度較大、冷凝等惡劣環境中，因此，它需要對其進行特殊的涂層處理，以保護其穩定運行。貝加萊的X20 PLC、工業PC系列產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、抗腐蝕氣體保護需求的環境下工作。
圖3-采用涂層處理的控制器可以在海洋環境工作
帶有涂層版本的X20組件，它可以在-40℃下啟動。并且考慮長距離輸電的壓降，它也可以容忍24VDC電源在-25%-+30%范圍的偏差。
2.完善的船級社認證：
船級社的需求是船舶行業的特殊要求，它需要在海洋、海岸線工作的船舶、設備需要經過特船級社認證，以確保其能承受海洋的特殊工作環境需求。在目前的貝加萊控制系統中，已經在挪威船級社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認證。
3.能源監測技術
圖4-X20系列的能源監測模塊
在多個方面，貝加萊的X20CM能源監測模塊都發揮著關鍵作用：
1) 船用關鍵設備的能源監測與集中管理；
2) 船用內燃機組控制系統，如燃氣輪機、甲醇/綠氨機組等；
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測的數據采集源。
除此之外，遵循ISO50001能源管理系統需求，貝加萊X20豐富的I/O模塊還能支持船舶上各類能源的監測，包括溫度、壓縮氣體、蒸汽、熱力供應等的計量、傳輸、計算、報表、分析等能力，并可進行甩負荷管理。
4.振動監測技術
在船舶這種處于風浪之中的環境下，船用設備的運行會受到影響而產生故障，尤其是關鍵的發電機組、推進系統等，因此，基于振動分析的預測性維護技術，將為機組的運行故障預測、計劃停機等工作帶來便利。
圖5-振動監測模塊X20CM4810
X20的振動監測可以對設備的頻率進行高速采樣，并進行快速傅里葉變換等處理，并提供給監測系統，包括基于機理模型和數據驅動模型的預測性維護分析系統。并能夠對設備進行早期故障預測。
5.冗余技術支持
考慮船用設備的可用性要求，需要控制系統能夠支持冗余技術，而貝加萊的控制系統，包括APROL的整個管理系統，支持以下冗余：
-服務器冗余 – 運行時、實時和歷史數據庫
-控制器冗余 – 速度快，無需額外工程設計
-網絡冗余 – 環網和介質 – 銅纜和光纖
-電源冗余 – 兩個或多個 24 V 電源
-可以組合所有冗余選項
圖6-貝加萊的冗余方案
從以上幾點可以看到，在產品技術層面，貝加萊已經有完整支撐船舶自動化應用的基礎硬件架構。其它包括滿足IEC61508的安全控制技術、高速采樣的reACTION技術、OPC UA通信規范，以及滿足氫能領域的UL6200安全認證，都使得貝加萊在船舶行業擁有較大的技術匹配性。
圖7-整體的船舶控制系統
圖7顯示了貝加萊船舶整體控制的架構，能夠滿足從船用單機設備，到船舶的整體運行、監控及管理。
貝加萊船舶行業案例
貝加萊在全球包括歐洲、日本、韓國、大中華地區都有廣泛的與船舶及海事裝備領域的客戶合作，范圍包括幾個大的領域：
1) 商用船舶：
這包括了豪華游輪、客滾船、散貨船、集裝箱、LNG運輸船和油輪等。
2) 海工類：
深海/近海鉆井平臺、支持船、鉆井船等。
3) 特殊類船：
重吊船、起重船、挖泥船、破冰船、風電安裝、救助船等。
本次僅簡單分享四個典型案例，后續將會進行更多的船舶海事領域的案例分享。
● 案例一：軸帶發電機組控制
IMO（國際海事組織）引入了EEDI （能源效率設計指數）的概念，以推動新建船舶使用節能設備。為此，貝加萊與ABB船舶事業部共同為軸帶發電機組控制提供了解決方案。
該系統采用了X20控制器，并采用X20CM0985的電力監測模塊，對整個軸帶發電機進行整機控制，并確保其高能效滿足IMO的節能需求。
圖8-軸帶發電機組的控制
● 案例二：內陸河道純電動游輪
內陸河運同樣是未來考慮綠色清潔的領域—長江三峽1號游輪是國內最大的純電動船，它電池容量達到7MW+，3組250kW推進系統。由貝加萊合作伙伴基于貝加萊系統提供了解決方案，它包括了以下幾個單元的整體控制：
▪ 電力推進控制系統
▪ 變頻器控制系統
▪ 功率管理系統
▪ 機艙控制系統
▪ 電池管理系統
在這個系統中，采用了貝加萊APC，以及X20控制系統作為硬件架構，以Automation Studio開發了控制與管理系統。
● 案例三：商船控制系統
Alfa Laval是全球知名的船用設備及商用船舶控制系統的提供商，在其所提供的船用設備及控制中，均采用了來自貝加萊的控制系統。
圖9-Alfa Laval船用系統設備
應用領域包括以下幾個方面：
▪ 壓載水和艙底水處理
▪ 海水泵系統
▪ 污泥及廢物處理
▪ 油水預處理
▪ 分離器燃料調節
▪ 自動過濾
▪ 油艙清洗
▪ 淡水發電機
▪ 廢氣凈化系統
▪ 惰性氣體系統
● 案例四：混合動力推進系統
混合動力推進控制系統（HPCS）是將兩個或多個推進裝置集成和控制到一個系統。它通常與柴油發動機和電動機結合使用。通過優化組合每個源的輸出來提高效率和性能。如圖11，由貝加萊控制和ABB的電力推進系統共同構成。提供了PCS推進系統、EMS能源管理、PCS電源管理系統、ECS引擎控制、BMS艦橋管理系統的整體協作控制與運營。
圖11-混合動力船推進控制系統
應用領域包括以下幾個方面：
▪ 壓載水和艙底水處理
▪ 海水泵系統
▪ 污泥及廢物處理
▪ 油水預處理
▪ 分離器燃料調節
▪ 自動過濾
▪ 油艙清洗
▪ 淡水發電機
▪ 廢氣凈化系統
▪ 惰性氣體系統
貝加萊的高性能APC，配合高速的I/O采樣，確保了系統的高性能、可靠運行。
不止于此，貝加萊在船舶的各種機器、整船、海洋裝備領域，都有廣泛應用，敬請關注后續技術與案例分享。