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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(guò)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(kāi)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(lái)說(shuō)，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。現(xiàn)在瓦錫蘭用于CFD的軟件平臺(tái)是來(lái)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(guò)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(lái)，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(guò)，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(jiàn)。”Bulten說(shuō)道。不過(guò)，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(kāi)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(lái)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(lái)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。



船舶技術(shù)專家：來(lái)自美國(guó)瓦錫蘭公司的諾伯特·布爾頓。



來(lái)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(kāi)始采取降低大型集裝箱船運(yùn)行速度的方法來(lái)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(shuō)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(lái)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(shuō)。

可觀的可靠性

近幾年來(lái)，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(guò)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(shuō)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(shuō)：“在未來(lái)，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(lái)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(lái)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(guò)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(kāi)始。他說(shuō)：“在水箱中進(jìn)行測(cè)試可能會(huì)越來(lái)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、
ET2 00M、ET200SP、ET200PRO、3RW系列軟啟動(dòng)器(3RW30/3RW40/3RW44/3RW31)、
3RK系列電 機(jī)啟動(dòng)器、數(shù)控系統(tǒng)、變頻器(MM420/MM430/MM440/S110/S120/G120/
G120C/V10/V20/V6 0/V80/V90/G130/G150)、人機(jī)界面、觸摸屏、伺服、電機(jī)、
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并可提供西門子維修服務(wù)，工程余貨回收
簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)使得 S7-300 使用靈活且易于維護(hù)：
安裝模塊：
只需簡(jiǎn)單地將模塊掛在安裝導(dǎo)軌上，轉(zhuǎn)動(dòng)到位然后鎖緊螺釘。 集成的背板總線：
背板總線集成到模塊里。模塊通過(guò)總線連接器相連，總線連接器插在外殼的背面。 模塊采用機(jī)械編碼，更換極為容易：
更換模塊時(shí)，必須擰下模塊的固定螺釘。按下閉鎖機(jī)構(gòu)，可輕松拔下前連接器。前連接器上的編碼裝置防止將已接線的連接器錯(cuò)插到其他的模塊上。 現(xiàn)場(chǎng)證明可靠的連接：
對(duì)于信號(hào)模塊，可以使用螺釘型、彈簧型或絕緣刺破型前連接器。 TOP 連接：
為采用螺釘型接線端子或彈簧型接線端子連接的 1 線 - 3 線連接系統(tǒng)提供預(yù)組裝接線另外還可直接在信號(hào)模塊上接線。 規(guī)定的安裝深度：
所有的連接和連接器都在模塊上的凹槽內(nèi)，并有前蓋保護(hù)。因此，所有模塊應(yīng)有明確的安裝深度。 無(wú)插槽規(guī)則:
信號(hào)模塊和通信處理器可以不受限制地以任何方式連接。系統(tǒng)可自行組態(tài)。
擴(kuò)展
若用戶的自動(dòng)化任務(wù)需要 8 個(gè)以上的 SM、FM 或 CP 模塊插槽時(shí)，則可對(duì) S7-300（除 CPU 312 和 CPU 312C 外）進(jìn)行擴(kuò)展：
控制器和3個(gè)擴(kuò)展機(jī)架多可連接32個(gè)模塊：
總共可將 3 個(gè)擴(kuò)展裝置（EU）連接到控制器（CC）。每個(gè) CC/EU 可以連接八個(gè)模塊。 通過(guò)接口模板連接：
每個(gè) CC / EU 都有自己的接口模塊。在控制器上它總是被插在 CPU 旁邊的插槽中，并自動(dòng)處理與擴(kuò)展裝置的通信。 通過(guò) IM 365 擴(kuò)展：
1 個(gè)擴(kuò)展裝置遠(yuǎn)擴(kuò)展距離為 1 米；電源電壓也通過(guò)擴(kuò)展裝置提供。 通過(guò) IM 360/361 擴(kuò)展：
3 個(gè)擴(kuò)展裝置， CC 與 EU 之間以及 EU 與 EU 之間的遠(yuǎn)距離為 10m。 單獨(dú)安裝：
對(duì)于單獨(dú)的 CC/EU，也能夠以更遠(yuǎn)的距離安裝。兩個(gè)相鄰 CC/EU 或 EU/EU 之間的距離：長(zhǎng)達(dá) 10m。 靈活的安裝選項(xiàng)：
CC/EU 既可以水平安裝，也可以垂直安裝。這樣可以大限度滿足空間要求。
通信
S7-300 具有不同的通信接口：
連接 AS-Interface、PROFIBUS 和 PROFINET/工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)的通信處理器。 用于點(diǎn)到點(diǎn)連接的通信處理器 多點(diǎn)接口 (MPI), 集成在 CPU 中；
是一種經(jīng)濟(jì)有效的方案，可以同時(shí)連接編程器/PC、人機(jī)界面系統(tǒng)和其它的 SIMATIC S7/C7 自動(dòng)化系統(tǒng)。
PROFIBUS DP進(jìn)行過(guò)程通信
SIMATIC S7-300 通過(guò)通信處理器或通過(guò)配備集成 PROFIBUS DP 接口的 CPU 連接到 PROFIBUS DP 總線系統(tǒng)。通過(guò)帶有 PROFIBUS DP 主站/從站接口的 CPU,可構(gòu)建一個(gè)高速的分布式自動(dòng)化系統(tǒng)，并且使得操作大大簡(jiǎn)化。