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明日之舟：誕生于數據的海洋
為了節省燃料，條例要求船舶在未來大幅提高能源效率。借助于前沿的流動模擬軟件，西門子正在幫助船舶制造商實現這一目標。

說到夏日航行，人們會想到陽光、藍天和愜意的海風。但是他們常常忘記，目前正在運行的約7萬艘商用船和游輪正在消耗重質燃油，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，總部設于倫敦的海事組織根據現行規定提出要求，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。“船舶的設計起著至關重要的作用，尤其是驅動系統、螺旋槳、傳動裝置，以及圍繞船舵和螺旋槳的水流。”他解釋道。布爾登是船用技術企業瓦錫蘭集團（Wärtsilä）的產品性能經理，在過去的20年中一直致力于優化驅動系統的設計。從一開始，他便運用計算機以及西門子的軟件進行流量計算。這種計算被稱為計算流體動力學（CFD）。簡單來說，CFD能夠確定船舶的驅動系統是否能在船體周圍形成良好水流，是否存在阻力，以及發動機動力是否有效轉化為推進力。現在瓦錫蘭用于CFD的軟件平臺是來自西門子的Simcenter STAR-CCM+。



螺旋槳的設計借助了西門子NX平臺上的CAD程序。之后，計算機使用流動模擬技術實現在設計過程中提高船只能源效率。




起初的保守態度
布爾頓介紹道，僅在20年前，航運公司還對CFD缺乏信心。“幾十年來，我們行業的公司一直依賴于在水槽中進行測試。船模在水中拖動行進，以此測試船舶設計的好壞。”起初，布爾頓和他的團隊只對單獨部件進行數據測算，例如螺旋槳及其周圍環境。不過，他已經多次證明，CFD在測試階段也可以做出很大貢獻。例如，對于那些還在建造中就已顯示出流動阻力增長的船只，它可以對其進行改善。利用CFD技術，只需對設計進行細微調整，并且當船只還在干船塢時就對其進行相應的再焊接。僅幾天的調試工作就可使船只達到完備狀態。“盡管如此，這些公司很長一段時間仍然對CFD持保留意見。”Bulten說道。不過，情況迅速發生了改變。如今，CFD已經被用于按照實際比例對船舶進行整體設計。“僅需一臺計算機，就可以再現一艘大船在水中運行的真實表現。這讓我們能夠全面了解流量特性。”其中，螺旋槳的設計起著關鍵作用。“與汽車制造不同，每艘船的*性要求我們必須為它定制開發優化的螺旋槳。設計這種螺旋槳是一門藝術。”螺旋槳是借助西門子NX平臺上的CAD程序設計而成。接著，計算機使用CAD在設計中提升船舶的能源效率。



來自馬士基集團的“艾瑪·馬士基號”：2006年下水時，這艘400米的巨輪是有史以來大的集裝箱船。它的瓦錫蘭發動機是世界上強大的往復式發動機之一。

PLC是面向工礦企業的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人從事工業控制打開了方便之門。

4.系統的設計，工作量小，維護方便，容易改造

PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統設計及建造的周期大為縮短，同時日常維護也變得容易起來，更重要的是使同一設備經過改變程序而改變生產過程成為可能。這特別適合多品種、小批量的生產場合。

（2）安裝與布線

● 動力線、控制線以及PLC的電源線和I/O線應分別配線，隔離變壓器與PLC和I/O之間應采用雙膠線連接。將PLC的IO線和大功率線分開走線，如必須在同一線槽內，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應遠離強干擾源如電焊機、大功率硅整流裝置和大型動力設備，不能與高壓電器安裝在同一個開關柜內。在柜內PLC應遠離動力線（二者之間距離應大于200mm）。與PLC裝在同一個柜子內的電感性負載，如功率較大的繼電器、接觸器的線圈，應并聯RC消弧電路。

● PLC的輸入走線，開關量與模擬量也要分開敷設。模擬量信號的傳送應采用屏蔽線，屏蔽層應一端或兩端接地，接地電阻應小于屏蔽層電阻的1/10.

● 交流輸出線和直流輸出線不要用同一根電纜，輸出線應盡量遠離高壓線和動力線，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。但如果環境干擾較小，電壓降不大時，輸入接線可適當長些。

● 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載短路，將燒毀印制電路板。

● 采用繼電器輸出時，所承受的電感性負載的大小，會影響到繼電器的使用壽命，因此，使用電感性負載時應合理選擇，或加隔離繼電器。

● PLC的輸出負載可能產生干擾，因此要采取措施加以控制，如直流輸出的續流管保護，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。

船舶技術專家：來自美國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”客輪。



“Viking Grace號”客輪發動機艙內部的瓦錫蘭發動機。

這種個性化的計算程序對于船舶的改造同樣具有價值。受到2008年經濟危機的影響，航運行業開始采取降低大型集裝箱船運行速度的方法來節省燃油。他們將速度從之前的28海里/小時降低到20海里/小時。然而，在低速運行時，配備有六個槳葉和巨大表面的傳統螺旋槳效率較低。“我們終說服了船舶運營商使用裝配有四個槳葉和較小表面的新型窄螺旋槳，同時使用CFD來調整每艘船的螺旋槳設計。日積月累，這種改造使船廠能夠在幾年內節省大量燃料。”布爾頓說。

可觀的可靠性

近幾年來，布爾頓成績斐然，這要歸功于他計算真實尺寸船舶效率的能力。布爾頓的一個客戶近訂購了一艘航速超過13海里/小時的輪船。水槽中的模型試驗結果預測該船的設計將不能達到期望的航速，而在Simcenter STAR-CCM+上運行的CFD程序結果則表明可以實現。終，客戶決定根據初始設計建造該船。事實證明布爾頓是正確的。在2018年初的一次試航中，這艘船輕松實現了13海里/小時的速度。“這向我們和許多行業專家證明了如今CFD至少與水箱中的測試一樣有效。”布爾頓說道。

盡管CFD相比水箱測試擁有多項優勢，但他們有一個共同點：船只仍然需要在真實條件下進一步測試。的確，兩種測試方式目前都是在平靜的水中以巡航速度進行的。布爾頓希望使CFD計算更加動態化。他說：“在未來，我們希望為CFD程序提供真實測量數據，這些數據來自海上船舶的實際操作，包括螺旋槳操作、湍流以及波浪的影響。為了達到這個目的，未來我們將在CFD程序中創建船只的‘數字化雙胞胎’，并在準真實條件下通過計算機進行測試，以便優化設計效率。”鑒于這一前景，布爾頓相信CFD如今正處在一個新時代的開始。他說：“在水箱中進行測試可能會越來越多地被計算機中的測算所取代。”
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