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潯之漫 智控技術(shù)有限公司  上海詩(shī)慕自動(dòng)化設(shè)備有限公司
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明日之舟：誕生于數(shù)據(jù)的海洋
為了節(jié)省燃料，條例要求船舶在未來大幅提高能源效率。借助于前沿的流動(dòng)模擬軟件，西門子正在幫助船舶制造商實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

說到夏日航行，人們會(huì)想到陽(yáng)光、藍(lán)天和愜意的海風(fēng)。但是他們常常忘記，目前正在運(yùn)行的約7萬(wàn)艘商用船和游輪正在消耗重質(zhì)燃油，加劇著的空氣污染。此外，許多船只效率不高，需要消耗較多不潔燃料。因此，總部設(shè)于倫敦的海事組織根據(jù)現(xiàn)行規(guī)定提出要求，2025年起建造的新船必須比2014年之前建造的船只能源效率提高至少30%。

如何在短短幾年內(nèi)將船舶的燃料消耗減少近1/3？諾伯特·布爾登（Norbert Bulten）深諳其道。“船舶的設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用，尤其是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、螺旋槳、傳動(dòng)裝置，以及圍繞船舵和螺旋槳的水流。”他解釋道。布爾登是船用技術(shù)企業(yè)瓦錫蘭集團(tuán)（Wärtsilä）的產(chǎn)品性能經(jīng)理，在過去的20年中一直致力于優(yōu)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。從一開始，他便運(yùn)用計(jì)算機(jī)以及西門子的軟件進(jìn)行流量計(jì)算。這種計(jì)算被稱為計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）。簡(jiǎn)單來說，CFD能夠確定船舶的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是否能在船體周圍形成良好水流，是否存在阻力，以及發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力是否有效轉(zhuǎn)化為推進(jìn)力?，F(xiàn)在瓦錫蘭用于CFD的軟件平臺(tái)是來自西門子的Simcenter STAR-CCM+。



螺旋槳的設(shè)計(jì)借助了西門子NX平臺(tái)上的CAD程序。之后，計(jì)算機(jī)使用流動(dòng)模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)過程中提高船只能源效率。




起初的保守態(tài)度
布爾頓介紹道，僅在20年前，航運(yùn)公司還對(duì)CFD缺乏信心。“幾十年來，我們行業(yè)的公司一直依賴于在水槽中進(jìn)行測(cè)試。船模在水中拖動(dòng)行進(jìn)，以此測(cè)試船舶設(shè)計(jì)的好壞。”起初，布爾頓和他的團(tuán)隊(duì)只對(duì)單獨(dú)部件進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)算，例如螺旋槳及其周圍環(huán)境。不過，他已經(jīng)多次證明，CFD在測(cè)試階段也可以做出很大貢獻(xiàn)。例如，對(duì)于那些還在建造中就已顯示出流動(dòng)阻力增長(zhǎng)的船只，它可以對(duì)其進(jìn)行改善。利用CFD技術(shù)，只需對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，并且當(dāng)船只還在干船塢時(shí)就對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的再焊接。僅幾天的調(diào)試工作就可使船只達(dá)到完備狀態(tài)。“盡管如此，這些公司很長(zhǎng)一段時(shí)間仍然對(duì)CFD持保留意見。”Bulten說道。不過，情況迅速發(fā)生了改變。如今，CFD已經(jīng)被用于按照實(shí)際比例對(duì)船舶進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。“僅需一臺(tái)計(jì)算機(jī)，就可以再現(xiàn)一艘大船在水中運(yùn)行的真實(shí)表現(xiàn)。這讓我們能夠全面了解流量特性。”其中，螺旋槳的設(shè)計(jì)起著關(guān)鍵作用。“與汽車制造不同，每艘船的*性要求我們必須為它定制開發(fā)優(yōu)化的螺旋槳。設(shè)計(jì)這種螺旋槳是一門藝術(shù)。”螺旋槳是借助西門子NX平臺(tái)上的CAD程序設(shè)計(jì)而成。接著，計(jì)算機(jī)使用CAD在設(shè)計(jì)中提升船舶的能源效率。



來自馬士基集團(tuán)的“艾瑪·馬士基號(hào)”：2006年下水時(shí)，這艘400米的巨輪是有史以來大的集裝箱船。它的瓦錫蘭發(fā)動(dòng)機(jī)是世界上強(qiáng)大的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)之一。

PLC是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語(yǔ)言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語(yǔ)言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語(yǔ)言的人從事工業(yè)控制打開了方便之門。

4.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，工作量小，維護(hù)方便，容易改造

PLC用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)日常維護(hù)也變得容易起來，更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序而改變生產(chǎn)過程成為可能。這特別適合多品種、小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合。

（2）安裝與布線

● 動(dòng)力線、控制線以及PLC的電源線和I/O線應(yīng)分別配線，隔離變壓器與PLC和I/O之間應(yīng)采用雙膠線連接。將PLC的IO線和大功率線分開走線，如必須在同一線槽內(nèi)，分開捆扎交流線、直流線，若條件允許，分槽走不僅能使其有盡可能大的空間距離，并能將干擾降到低限度。

● PLC應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源如電焊機(jī)、大功率硅整流裝置和大型動(dòng)力設(shè)備，不能與高壓電器安裝在同一個(gè)開關(guān)柜內(nèi)。在柜內(nèi)PLC應(yīng)遠(yuǎn)離動(dòng)力線（二者之間距離應(yīng)大于200mm）。與PLC裝在同一個(gè)柜子內(nèi)的電感性負(fù)載，如功率較大的繼電器、接觸器的線圈，應(yīng)并聯(lián)RC消弧電路。

● PLC的輸入走線，開關(guān)量與模擬量也要分開敷設(shè)。模擬量信號(hào)的傳送應(yīng)采用屏蔽線，屏蔽層應(yīng)一端或兩端接地，接地電阻應(yīng)小于屏蔽層電阻的1/10.

● 交流輸出線和直流輸出線不要用同一根電纜，輸出線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離高壓線和動(dòng)力線，避免并行。

（3）I/O端的接線

輸入接線

● 輸入接線一般不要太長(zhǎng)。但如果環(huán)境干擾較小，電壓降不大時(shí)，輸入接線可適當(dāng)長(zhǎng)些。

● 輸入/輸出線不能用同一根電纜，輸入/輸出線要分開。

● 盡可能采用常開觸點(diǎn)形式連接到輸入端，使編制的梯形圖與繼電器原理圖一致，便于閱讀。

輸出連接

● 輸出端接線分為獨(dú)立輸出和公共輸出。在不同組中，可采用不同類型和電壓等級(jí)的輸出電壓。但在同一組中的輸出只能用同一類型、同一電壓等級(jí)的電源。

● 由于PLC的輸出元件被封裝在印制電路板上，并且連接至端子板，若將連接輸出元件的負(fù)載短路，將燒毀印制電路板。

● 采用繼電器輸出時(shí)，所承受的電感性負(fù)載的大小，會(huì)影響到繼電器的使用壽命，因此，使用電感性負(fù)載時(shí)應(yīng)合理選擇，或加隔離繼電器。

● PLC的輸出負(fù)載可能產(chǎn)生干擾，因此要采取措施加以控制，如直流輸出的續(xù)流管保護(hù)，交流輸出的阻容吸收電路，晶體管及雙向晶閘管輸出的旁路電阻保護(hù)。

船舶技術(shù)專家：來自美國(guó)瓦錫蘭公司的諾伯特·布爾頓。



來自芬蘭渡輪公司維京游輪（Viking Line）的“Viking Grace號(hào)”客輪。



“Viking Grace號(hào)”客輪發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部的瓦錫蘭發(fā)動(dòng)機(jī)。

這種個(gè)性化的計(jì)算程序?qū)τ诖暗母脑焱瑯泳哂袃r(jià)值。受到2008年經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影響，航運(yùn)行業(yè)開始采取降低大型集裝箱船運(yùn)行速度的方法來節(jié)省燃油。他們將速度從之前的28海里/小時(shí)降低到20海里/小時(shí)。然而，在低速運(yùn)行時(shí)，配備有六個(gè)槳葉和巨大表面的傳統(tǒng)螺旋槳效率較低。“我們終說服了船舶運(yùn)營(yíng)商使用裝配有四個(gè)槳葉和較小表面的新型窄螺旋槳，同時(shí)使用CFD來調(diào)整每艘船的螺旋槳設(shè)計(jì)。日積月累，這種改造使船廠能夠在幾年內(nèi)節(jié)省大量燃料。”布爾頓說。

可觀的可靠性

近幾年來，布爾頓成績(jī)斐然，這要?dú)w功于他計(jì)算真實(shí)尺寸船舶效率的能力。布爾頓的一個(gè)客戶近訂購(gòu)了一艘航速超過13海里/小時(shí)的輪船。水槽中的模型試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)該船的設(shè)計(jì)將不能達(dá)到期望的航速，而在Simcenter STAR-CCM+上運(yùn)行的CFD程序結(jié)果則表明可以實(shí)現(xiàn)。終，客戶決定根據(jù)初始設(shè)計(jì)建造該船。事實(shí)證明布爾頓是正確的。在2018年初的一次試航中，這艘船輕松實(shí)現(xiàn)了13海里/小時(shí)的速度。“這向我們和許多行業(yè)專家證明了如今CFD至少與水箱中的測(cè)試一樣有效。”布爾頓說道。

盡管CFD相比水箱測(cè)試擁有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，但他們有一個(gè)共同點(diǎn)：船只仍然需要在真實(shí)條件下進(jìn)一步測(cè)試。的確，兩種測(cè)試方式目前都是在平靜的水中以巡航速度進(jìn)行的。布爾頓希望使CFD計(jì)算更加動(dòng)態(tài)化。他說：“在未來，我們希望為CFD程序提供真實(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來自海上船舶的實(shí)際操作，包括螺旋槳操作、湍流以及波浪的影響。為了達(dá)到這個(gè)目的，未來我們將在CFD程序中創(chuàng)建船只的‘數(shù)字化雙胞胎’，并在準(zhǔn)真實(shí)條件下通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)試，以便優(yōu)化設(shè)計(jì)效率。”鑒于這一前景，布爾頓相信CFD如今正處在一個(gè)新時(shí)代的開始。他說：“在水箱中進(jìn)行測(cè)試可能會(huì)越來越多地被計(jì)算機(jī)中的測(cè)算所取代。”
（西門子代理）專業(yè)銷售西門子S7-200/300/400/1200/1500PLC，ET200/O:ET200S、
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