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控制系統

清風徐來 | WAGO-I/O-SYSTEM 750 成就綠色船舶“水波不興”

  2019年07月26日  

  美麗動人的Lucerne湖憑借峽灣狀直道和蜿蜒的入口營造出傳統靜谧氛圍。這幅美景的中心則爲一條航線,每日承載來自Lucerne及Weggis和Bürgenstock等其他著名景點的遊客。

  SGV公司的電動船只MS Bürgenstock,可實現無噪音、低油耗混合驅動。總部位于拉岑的船舶混合驅動專家Aventics公司可確保電機和柴油機之間實現最佳控制。

  而早在幾年之前,Aventics就憑借WAGO-I/O-SYSTEM 750使其解決方案更加完善。

  兩年的設計及建造終于迎來了收獲:SGV的最新船舶MS  Bürgenstock迎來了她的處女秀,從清晨到午夜,每日沿著Lucerne-Kehrsiten-Bürgenstock航線航行。

  首批乘坐的遊客本以爲會聽到柴油機的噪聲,而結果卻讓他們大吃一驚。由Shiptec AG設計的雙體船專門以電動模式航行于Lucerne灣,通過電池進行供電,船長決議柴油機驅動僅占行程的一半。

  據Shiptec的CEO Rudolf Stadelmann稱,”MS  Bürgenstock極具現代化與創新性,在Lucerne與Bürgenstock間架起了生態友好之橋。”同時,這座橋也極爲快速,船舶行駛速度爲35千米/小時,僅需23分鍾即可到達終點。

  設計驅動技術時,Shiptec選定了最經濟有利的變量。通過應用相似尺寸的船只,可得出相似的行程,並對推進系統的需求和耗量以及船載電網進行記錄。以該數據爲基礎,形成了並聯混合電力及推進系統。

  Shiptec的船舶設計及工程負責人Martin Einsiedler解釋稱,推進系統包括兩個輸出各爲552kW的SCANIA斯堪尼亞柴油發動機,以及兩個輸出各爲180kW的西門子永磁同步電動機。“基本來說,我們在港口外部海域航行時會使用柴油發動機,”Einsiedler說道。

  而電動機可作爲發電機來爲船舶及系統電池進行供電。反過來,電池可爲電力驅動及Lucerne灣的船載電網供電。整個行程中全電動系統的應用約占50%。

複雜系統,可靠解決方案

  爲使複雜的柴油推進及能源管理系統實現良好運行,並保證兩電源間的快速、可靠轉換,我們對驅動控制提出了極高的要求。

  正如來自Aventics的Marius Mudroch解釋的那樣,“混合技術的複雜之處在于我們擁有兩種不同動力學及運轉方式的驅動裝置。船長總是需要根據行程選擇驅動以混合動力航行,”Mudroch說道,在他任職Aventics的十年間,專門負責船舶自動化混合控制器的研發工作,他對瑞士項目感到吃驚。

  控制器中存儲了不同的行程,在Bürgenstock的案例中,采用了WAGO-I/O-SYSTEM 750的CAN控制器。

  “我們自身的控制器數字量及模擬量輸入和輸出數量有限。因此,在混合推進系統等帶衆多接口的大型項目中——我們多年前便開始采用了萬可750系統,”Mudroch說道。這些控制器專爲Aventics設備而設計,同時經過編程後可使模塊靈活組合。

  “750系統真正的實用性在于我們可以獨立確定模塊數量,在混合電機中總共有10個模塊。萬可CANopen控制器(750-837)作爲主導,可實現CODESYS編程。”

  另一大優勢爲極短的啓動時間:系統開啓後,控制器幾秒鍾之內便可實現運行。

  “通過使用CAN總線,我們將自身控制器與萬可控制器相連,一切運轉正常。”

  通過使用萬可控制器的WAGO-I/O-PRO軟件工具對混合系統中的功能進行編程,該軟件工具基于CODESYS 2.3。

  “我們的控制器如同一台正常遠程控制設備一樣實現與萬可系統的信息交換,”Mudroch解釋道。

  所有特性曲線轉換操作都在750系列I/O系統中進行編程,數據也于其中進行評估及傳輸。

  例如,選擇電機後,控制器將混合推進系統調整爲電動模式。根據需要,電機可在啓動操作中作爲額外的推進器或波浪發生器。

  此外,控制器還可提供柴油機扭矩或杠杆位等模擬量數值。通過存儲器中的變量,既可實現編程也可實現參數化設置。“我們的控制器與萬可控制器可實現良好交互,”Mudroch強調。

混合動力更具創新性

  兩種不同的動力來源,更多的信號,意味著潛在故障數量也相應增加,Marius  Mudroch指出。由于船長無法立即判斷混合驅動哪一部分生成故障信息,因此需通過控制器進行故障處理,以使船舶根據要求作出反饋。針對每次模式更改都會生成步驟鏈,每一步驟後控制器都會檢驗是否已得到充分執行。

  “船級社規範決定了故障發生時船舶將如何應對,”Mudroch解釋道。對于一艘遠洋船而言,故障時的最後一次航行狀態應得到良好保存,這樣船長可決定應繼續行駛還是將緊急止動。“像Bürgenstock等內陸水運船舶可在故障發生時迅速熄滅引擎,這是由于這些船只可相對快速駛向岸邊,” Mudroch繼續道。

  Mudroch估計研發控制器大約花費一周時間,“我將自身知識及先前經驗運用到特性曲線轉換操作中。然而,近年來對于船舶混合推進系統的要求已發生了改變。”混合驅動早期作爲冗余操作用以避免故障,而今天的電力驅動則在系統中扮演了更加積極的角色。

  Bürgenstock並不是第一艘航行在Lucerne湖上的電動船舶。2017年,SGV將前一代型號MS  Diamant投入運行。由于重量較輕、船體良好,且具備混合驅動,這艘客商兩用船與傳統柴油驅動船只相比可節省約20%能源。“雖然MS  Bürgenstock與前一代相比配備了相似的組件,但卻具備了更多的創新性,”Mudroch強調。

  Diamant配有一台輔助柴油機,可承受極高的船載電網負載,特別是在大型活動中,而在Bürgenstock上卻省卻了這一配置,以降低噪音和排放,並節約空間。

  驅動控制器原理也代表了另一項研發,正如Aventics工程師強調的那樣,“前一代船只的引擎在切換推進系統之前必須首先轉換到中間狀態。切換僅需幾秒鍾時間。”對于Bürgenstock,船長一旦下達命令,在行駛過程中即可從柴油驅動轉換爲電力驅動。“乘客感受不到絲毫的轉換、機械閉合開斷影響或晃動——一切都可在驅動側抵消。”

  對于Mudroch來說,還有大量研發創新空間。“只要我們能在萬可控制器上通過編程、輸入和輸出實現自身控制器的擴展,那麽仍然存在無限可能。”這同樣適用于未來的控制器與雲端間的數字化數據轉移,“我們尚未實現對系統的遠程訪問,這可能是由于當前所用控制器無法實現雲端通信。當然,如果客戶提出這個需求時,萬可IoT控制器不失爲一個理想選擇。”

MS Bürgenstock應用多種萬可産品

  除Aventics在Bürgenstock的混合控制中應用的控制器元件外,這家來自Laatzen的公司還采用許多萬可産品。

  “例如,我們當前使用的是870系列軌裝接線端子,在未來的項目中,我們打算安裝TOPJOB®S産品,”Mudroch說道。

  857系列轉換模塊可將輸入信號轉換成合適的頻率信號。“萬可可獨立迅速地處理我們的特殊需求,我們收到的固件形式獨一無二。”

  例如,對于螺旋槳螺距不同的船只來說,不僅需要線性特征曲線,也需要有一個或更多支撐點的屈曲曲線。這一需求已編程到轉換模塊中。WAGO-I/O-SYSTEM 750接口相同,這一點極其實用。

  “我們與萬可的夥伴關系隨著時間的推移而不斷深入。 對于我們來說,快速靈活的支持是一個積極信號,使用單一來源組件我們可從中獲益,” Mudroch解釋道。

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