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邁向智能與低碳-貝加萊船舶自動化解決方案

來源: 貝加萊工業(yè)自動化時間：2025-07-09 00:00:00點(diǎn)擊：310

海洋，充滿著挑戰(zhàn)，也是國際貿(mào)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(lǐng)域的關(guān)鍵。

在過去的數(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化與智能。

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。船舶是我們海洋貿(mào)易的關(guān)鍵領(lǐng)域，也是國家全球競爭走出去的關(guān)鍵一環(huán)。貝加萊一直為海事裝備領(lǐng)域提供解決方案，作為一個幕后的力量，支撐著船舶自動化技術(shù)的進(jìn)步。

嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)-船舶自動化的需求演進(jìn)

海洋船舶總給人動力強(qiáng)勁，但粗獷輪廓，其實(shí)，船舶的自動化水平是不斷在進(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，且需要為船員們提供舒適、安全的工作環(huán)境。另外，對于綠色環(huán)保的需求，也產(chǎn)生了對混合動力、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

1 環(huán)境與法規(guī)

大型的船舶能夠裝載上萬個集裝箱，數(shù)以百萬噸的礦石、億計的天然氣，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，這些都改變了原來的機(jī)械結(jié)構(gòu)，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(yè)條件，以及長期遠(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(shè)計

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，這些對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，以及冗余方面的支持。

貝加萊在船舶行業(yè)的解決方案

船舶對于自動化的一些特殊需求，貝加萊一直為此而特殊開發(fā)了控制系統(tǒng)。船用自動化涉及到船用設(shè)備如發(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。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。

貝加萊在船舶自動化方面，包括了以下一些產(chǎn)品、技術(shù)與系統(tǒng)，僅做簡單介紹：

1. 涂層設(shè)計的控制器速

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，它需要對其進(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。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(rèn)證

船級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)過特船級社認(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(rèn)證。

3. 能源監(jiān)測技術(shù)

圖4-X20系列的能源監(jiān)測模塊

在多個方面，貝加萊的X20CM能源監(jiān)測模塊都發(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)等的計量、傳輸、計算、報表、分析等能力，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)，將為機(jī)組的運(yùn)行故障預(yù)測、計劃停機(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)，支持以下冗余：

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

-控制器冗余 – 速度快，無需額外工程設(shè)計

-網(wǎng)絡(luò)冗余 – 環(huán)網(wǎng)和介質(zhì) – 銅纜和光纖

-電源冗余 – 兩個或多個 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、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、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。

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的電力監(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

案例二：內(nèi)陸河道純電動游輪

內(nèi)陸河運(yùn)同樣是未來考慮綠色清潔的領(lǐng)域—長江三峽1號游輪是國內(nèi)最大的純電動船，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)。

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)

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)。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。