海洋，充满着挑战，海洋是国际贸易物流、石油天然气开采、海洋勘探等业务活动的重要场所，海事装备也成为了该领域的关键设备。本文重点介绍了贝加莱为这一专业装备市场提供的智能化、低碳化船舶自动化解决方案。

　　文/贝加莱工业自动化(中国)有限公司

　　在过去的数百年里，游弋在广阔海洋中的船舶装备，一直都在不断地迈向更为自动化与智能化的发展方向。

　　在2024年，中国在全球船舶市场的份额超过50%，连续15年稳居世界第一。船舶是中国海洋贸易的关键装备，也是国家参与全球竞争、积极“走海”的重要一环。作为一股幕后力量，贝加莱一直在为海事装备领域提供专业的解决方案，支撑着中国船舶自动化技术持续进步。

　　1 严苛的挑战——船舶自动化的需求演进

　　海洋船舶总给人以动力强劲、但轮廓粗犷的感觉，但其实，船舶的自动化水平是不断在进步的。大型船舶不仅需要强劲的动力，也需要在巨浪迭起的海洋中保持稳定航行，保证船上的设备精准运营，且需要为船员们提供舒适、安全的工作环境。另外，人们对于绿色、环保的追求，也产生出对混合动力、纯电、氢能等推进系统的需求，同时还对船舶提出了更为智能化的管理要求，以降低人力消耗(图1)。

　　图1 船舶行业的发展大趋势

　　综合来看，目前船舶自动化的发展方向包括以下几个方面：

　　l 环境与法规

　　大型船舶能够装载上万个集装箱，例如数以百万吨的矿石、亿计的天然气等等，如此巨大的装载能力以及远洋运输能力，使得它们成为了全球贸易中的物流“主角”，但这同时也意味着巨大的燃料消耗，并且随着全球各国对于环保要求的上升，降低排放的呼声日益升高。这使得今天更多的清洁能源驱动正在进入船舶领域，包括甲醇、绿氨、电力推进器等，这些都在改变着船舶原来的机械结构以及控制方式;

　　l 更为自动化与智能的装备

　　海洋的恶劣作业条件，以及长期远离大陆对人们造成的心理挑战，使得在船舶海洋业工作的人工成本一直要远高于其他领域，在远洋船舶上，普通海员一般要花费数万美元的人工成本。因此，提高自动化水平，降低人力消耗，对于船舶业来说同样是一种迫切需要;

　　l 高可用性设计

　　远离大陆的海洋充满着盐雾腐蚀，工作环境时常处于摇摆和振动之中，这些对于船用电气控制系统来讲，有着更高的可用性要求，加上由于海上设备维修的不便，因此，船舶设备通常需要具有较高的可靠性设计，以及冗余方面的支持。

　　2 贝加莱在船舶行业的解决方案

　　船用自动化涉及到的船用设备，包括发电系统、推进系统、动态定位系统、机舱监控系统、各种泵类、船用起重设备、岸电系统、压舱水管理系统、废气/废水处理系统等。针对上述船舶对于自动化系统的特殊要求，贝加莱开发出一系列专用的控制系统，贝加莱在船舶领域的业务涵盖了船用设备本身的控制，以及整个船体的综合监控系统等。

　　图2 典型的船用系统

　　在图2中，以较为典型的邮轮作为参考，描述了基本的船用系统的内部构造。贝加莱在船舶自动化方面，目前开发的产品技术与系统包括：特殊涂层处理的控制器、完善的船级社认证、能源监测技术、振动监测技术、冗余技术支持等。

　　(1)特殊涂层处理的控制器

　　船用设备通常会工作在盐雾腐蚀、湿度较大、冷凝等恶劣环境中，因此，需要对其进行特殊的涂层处理，以保护其能够在恶劣环境中稳定运行。贝加莱的X20 PLC、工业PC系列产品电路板均采用了特殊涂层处理，使得这些控制器、I/O均可在防潮、抗腐蚀气体保护需求的环境下长期稳定工作。

　　带有涂层版本的X20组件可以在-40℃下启动;并且考虑到长距离输电的压降问题，它也可以容忍24VDC电源在-25%-+30%范围的偏差。

　　图3 采用涂层处理的控制器可以在海洋环境工作

　　(2)完善的船级社认证

　　船级社认证是船舶行业的特殊要求，在海洋、海岸线工作的船舶、设备均需要经过船级社的认证，以确保其能承受海洋的特殊工作环境要求。在目前贝加莱推出的控制系统中，已经获得了挪威船级社DNV、德国船级社 GL、劳氏船级社LR、中国船级社CCS、美国船级社ABS、法国船级社BV、韩国船级社KR、意大利船级社RINA的资质认证。

　　(3)能源监测技术

　　图4 X20系列的能源监测模块

　　在船舶装备的多中应用场景中，贝加莱的X20CM能源监测模块都发挥着关键作用，其中包括：

　　(1) 船用关键设备的能源监测与集中管理;

　　(2)船用内燃机组控制系统，如燃气轮机、甲醇/绿氨机组等;

　　(3) 船用氢燃料电堆的管理。

　　X20的能源模块可以高频、高精度检测电力系统的电压、电流、频率、相位、谐波等，并可作为电力控制和能源效率监测的数据采集源。

　　除此之外，遵循ISO50001能源管理系统需求，贝加莱X20丰富的I/O模块还能支持船舶上各类能源的监测，包括温度、压缩气体、蒸汽、热力供应等的计量、传输、计算、报表、分析等功能，并可进行甩负荷管理。

　　(4)振动监测技术

　　在船舶这种处于风浪之中的环境下，船用设备的运行会受到影响而产生故障，尤其是关键的发电机组、推进系统等，因此，基于振动分析的预测性维护技术可为机组的运行故障预测、计划停机等工作带来便利。

　　图5 振动监测模块X20CM4810

　　X20的振动监测可以对设备的频率进行高速采样，并进行快速傅里叶变换等处理，并提供给监测系统，包括基于机理模型和数据驱动模型的预测性维护分析系统，并能够对设备进行早期故障预测。

　　(5)冗余技术支持

　　考虑到船用设备的可用性要求，需要控制系统能够支持冗余技术，而贝加莱的控制系统包括APROL的整个管理系统，可支持以下冗余：

　　l 服务器冗余：运行时、实时和历史数据库;

　　l 控制器冗余：速度快，无需额外工程设计;

　　l 网络冗余：环网和介质——铜缆和光纤;

　　l 电源冗余：两个或多个 24 V 电源;

　　l 可以组合所有冗余选项。

　　图6 贝加莱的冗余方案

　　从以上几点可以看到，在产品技术层面，贝加莱已经有完整支撑船舶自动化应用的基础硬件架构。此外，包括满足IEC61508的安全控制技术、高速采样的reACTION技术、OPC UA通信规范，以及满足氢能领域的UL6200安全认证等等，都使得贝加莱在船舶行业拥有较高的技术匹配性。图7显示了贝加莱船舶整体控制架构能够满足从船用单机设备，到船舶整体运行、监控及管理的多种需求。

　　图7 整体的船舶控制系统

　　3 贝加莱船舶行业案例

　　贝加莱在全球包括欧洲、日本、韩国、大中华地区都拥有广泛的船舶及海事装备领域的合作客户，业务范围包括以下几大领域：

　　l 商用船舶：如豪华游轮、客滚船、散货船、集装箱、LNG运输船和油轮等;

　　l 海工类：深海/近海钻井平台、支持船、钻井船等;

　　l 特殊类船：重吊船、起重船、挖泥船、破冰船、风电安装、救助船等。

　　下面仅简单分享四个典型案例，后续将会进行更多的船舶海事领域的案例分享。

　　(1)案例一：轴带发电机组控制

　　IMO(国际海事组织)引入了EEDI(能源效率设计指数)的概念，以推动新建船舶使用节能设备。为此，贝加莱与ABB船舶事业部共同为轴带发电机组控制提供了解决方案。

　　该系统采用了X20控制器，并采用X20CM0985电力监测模块，对整个轴带发电机进行整机控制，并确保其高能效满足IMO的节能需求。

　　图8 轴带发电机组的控制

　　(2)案例二：内陆河道纯电动游轮

　　内陆河运同样是未来绿色清洁能源的重点开发领域——长江三峡1号游轮是国内最大的纯电动船，它的电池容量达到7MW+，配置有3组250kW推进系统。该项目由贝加莱的合作伙伴基于贝加莱系统提供了解决方案，它包括了以下几个单元的整体控制：

　　l 电力推进控制系统;

　　l 变频器控制系统;

　　l 功率管理系统;

　　l 机舱控制系统;

　　l 电池管理系统。

　　在这个系统中，采用了贝加莱APC，以及X20控制系统作为硬件架构，以Automation Studio开发了控制与管理系统。

　　(3)案例三：商船控制系统

　　Alfa Laval是全球知名的船用设备及商用船舶控制系统提供商，在其所开发的船用设备及控制系统中，均采用了来自贝加莱的控制产品，应用领域包括：压载水和舱底水处理、海水泵系统、污泥及废物处理、油水预处理、分离器燃料调节、自动过滤、油舱清洗、淡水发电机、废气净化系统、惰性气体系统。

　　图9 Alfa Laval船用系统设备

　　(4)案例四：混合动力推进系统

　　混合动力推进控制系统(HPCS)是将两个或多个推进装置集成和控制到一个系统中。它通常与柴油发动机和电动机结合使用，通过优化组合每个源的输出来提高效率和性能。如图10所示，由贝加莱控制系统和ABB电力推进系统共同构成，提供了包含PCS推进系统、EMS能源管理、PCS电源管理系统、ECS引擎控制、BMS舰桥管理系统在内的整体协作控制与运营。应用领域包括：压载水和舱底水处理、海水泵系统、污泥及废物处理、油水预处理、分离器燃料调节、自动过滤、油舱清洗、淡水发电机、废气净化系统、惰性气体系统。

　　其中，贝加莱的高性能APC，配合高速的I/O采样，确保了系统的高性能、高可靠性运行。

　　图10 混合动力船推进控制系统