清風(fēng)徐來 | WAGO-I/O-SYSTEM 750 成就綠色船舶“水波不興”
2019-8-1新聞
美麗動(dòng)人的Lucerne湖憑借峽灣狀直道和蜿蜒的入口營(yíng)造出傳統(tǒng)靜謐氛圍。這幅美景的中心則為一條航線，每日承載來自Lucerne及Weggis和Bürgenstock等其他著名景點(diǎn)的游客。
SGV公司的電動(dòng)船只MS Bürgenstock，可實(shí)現(xiàn)無噪音、低油耗混合驅(qū)動(dòng)。總部位于拉岑的船舶混合驅(qū)動(dòng)專家Aventics公司可確保電機(jī)和柴油機(jī)之間實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)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。
首批乘坐的游客本以為會(huì)聽到柴油機(jī)的噪聲，而結(jié)果卻讓他們大吃一驚。由Shiptec?AG設(shè)計(jì)的雙體船專門以電動(dòng)模式航行于Lucerne灣，通過電池進(jìn)行供電，船長(zhǎng)決議柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)僅占行程的一半。
據(jù)Shiptec的CEO Rudolf Stadelmann稱，”MS? Bürgenstock極具現(xiàn)代化與創(chuàng)新性，在Lucerne與Bürgenstock間架起了生態(tài)友好之橋。”同時(shí)，這座橋也極為快速，船舶行駛速度為35千米/小時(shí)，僅需23分鐘即可到達(dá)終點(diǎn)。
設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)技術(shù)時(shí)，Shiptec選定了最經(jīng)濟(jì)有利的變量。通過應(yīng)用相似尺寸的船只，可得出相似的行程，并對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的需求和耗量以及船載電網(wǎng)進(jìn)行記錄。以該數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，形成了并聯(lián)混合電力及推進(jìn)系統(tǒng)。
Shiptec的船舶設(shè)計(jì)及工程負(fù)責(zé)人Martin Einsiedler解釋稱，推進(jìn)系統(tǒng)包括兩個(gè)輸出各為552kW的SCANIA斯堪尼亞柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，以及兩個(gè)輸出各為180kW的西門子永磁同步電動(dòng)機(jī)。“基本來說，我們?cè)诟劭谕獠亢Ｓ蚝叫袝r(shí)會(huì)使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，”Einsiedler說道。
而電動(dòng)機(jī)可作為發(fā)電機(jī)來為船舶及系統(tǒng)電池進(jìn)行供電。反過來，電池可為電力驅(qū)動(dòng)及Lucerne灣的船載電網(wǎng)供電。整個(gè)行程中全電動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用約占50%。
復(fù)雜系統(tǒng)，可靠解決方案
為使復(fù)雜的柴油推進(jìn)及能源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)良好運(yùn)行，并保證兩電源間的快速、可靠轉(zhuǎn)換，我們對(duì)驅(qū)動(dòng)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(shù)的復(fù)雜之處在于我們擁有兩種不同動(dòng)力學(xué)及運(yùn)轉(zhuǎn)方式的驅(qū)動(dòng)裝置。船長(zhǎng)總是需要根據(jù)行程選擇驅(qū)動(dòng)以混合動(dòng)力航行，”Mudroch說道，在他任職Aventics的十年間，專門負(fù)責(zé)船舶自動(dòng)化混合控制器的研發(fā)工作，他對(duì)瑞士項(xiàng)目感到吃驚。
控制器中存儲(chǔ)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(shù)字量及模擬量輸入和輸出數(shù)量有限。因此，在混合推進(jìn)系統(tǒng)等帶眾多接口的大型項(xiàng)目中——我們多年前便開始采用了萬可750系統(tǒng)，”Mudroch說道。這些控制器專為Aventics設(shè)備而設(shè)計(jì)，同時(shí)經(jīng)過編程后可使模塊靈活組合。
750系統(tǒng)真正的實(shí)用性在于我們可以獨(dú)立確定模塊數(shù)量，在混合電機(jī)中總共有10個(gè)模塊。
萬可CANopen控制器（750-837）作為主導(dǎo)，可實(shí)現(xiàn)CODESYS編程。
另一大優(yōu)勢(shì)為極短的啟動(dòng)時(shí)間：系統(tǒng)開啟后，控制器幾秒鐘之內(nèi)便可實(shí)現(xiàn)運(yùn)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(yùn)轉(zhuǎn)正常。”
通過使用萬可控制器的WAGO-I/O-PRO軟件工具對(duì)混合系統(tǒng)中的功能進(jìn)行編程，該軟件工具基于CODESYS 2.3。
“我們的控制器如同一臺(tái)正常遠(yuǎn)程控制設(shè)備一樣實(shí)現(xiàn)與萬可系統(tǒng)的信息交換，”Mudroch解釋道。
所有特性曲線轉(zhuǎn)換操作都在750系列I/O系統(tǒng)中進(jìn)行編程，數(shù)據(jù)也于其中進(jìn)行評(píng)估及傳輸。
例如，選擇電機(jī)后，控制器將混合推進(jìn)系統(tǒng)調(diào)整為電動(dòng)模式。根據(jù)需要，電機(jī)可在啟動(dòng)操作中作為額外的推進(jìn)器或波浪發(fā)生器。
此外，控制器還可提供柴油機(jī)扭矩或杠桿位等模擬量數(shù)值。通過存儲(chǔ)器中的變量，既可實(shí)現(xiàn)編程也可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)置。“我們的控制器與萬可控制器可實(shí)現(xiàn)良好交互，”Mudroch強(qiáng)調(diào)。
混合動(dòng)力更具創(chuàng)新性
兩種不同的動(dòng)力來源，更多的信號(hào)，意味著潛在故障數(shù)量也相應(yīng)增加，Marius? Mudroch指出。由于船長(zhǎng)無法立即判斷混合驅(qū)動(dòng)哪一部分生成故障信息，因此需通過控制器進(jìn)行故障處理，以使船舶根據(jù)要求作出反饋。針對(duì)每次模式更改都會(huì)生成步驟鏈，每一步驟后控制器都會(huì)檢驗(yàn)是否已得到充分執(zhí)行。
“船級(jí)社規(guī)范決定了故障發(fā)生時(shí)船舶將如何應(yīng)對(duì)，”Mudroch解釋道。對(duì)于一艘遠(yuǎn)洋船而言，故障時(shí)的最后一次航行狀態(tài)應(yīng)得到良好保存，這樣船長(zhǎng)可決定應(yīng)繼續(xù)行駛還是將緊急止動(dòng)。“像Bürgenstock等內(nèi)陸水運(yùn)船舶可在故障發(fā)生時(shí)迅速熄滅引擎，這是由于這些船只可相對(duì)快速駛向岸邊，”?Mudroch繼續(xù)道。
Mudroch估計(jì)研發(fā)控制器大約花費(fèi)一周時(shí)間，“我將自身知識(shí)及先前經(jīng)驗(yàn)運(yùn)用到特性曲線轉(zhuǎn)換操作中。然而，近年來對(duì)于船舶混合推進(jìn)系統(tǒng)的要求已發(fā)生了改變。”混合驅(qū)動(dòng)早期作為冗余操作用以避免故障，而今天的電力驅(qū)動(dòng)則在系統(tǒng)中扮演了更加積極的角色。
Bürgenstock并不是第一艘航行在Lucerne湖上的電動(dòng)船舶。2017年，SGV將前一代型號(hào)MS? Diamant投入運(yùn)行。由于重量較輕、船體良好，且具備混合驅(qū)動(dòng)，這艘客商兩用船與傳統(tǒng)柴油驅(qū)動(dòng)船只相比可節(jié)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(chuàng)新性，”Mudroch強(qiáng)調(diào)。
Diamant配有一臺(tái)輔助柴油機(jī)，可承受極高的船載電網(wǎng)負(fù)載，特別是在大型活動(dòng)中，而在Bürgenstock上卻省卻了這一配置，以降低噪音和排放，并節(jié)約空間。
驅(qū)動(dòng)控制器原理也代表了另一項(xiàng)研發(fā)，正如Aventics工程師強(qiáng)調(diào)的那樣，“前一代船只的引擎在切換推進(jìn)系統(tǒng)之前必須首先轉(zhuǎn)換到中間狀態(tài)。切換僅需幾秒鐘時(shí)間。”對(duì)于Bürgenstock，船長(zhǎng)一旦下達(dá)命令，在行駛過程中即可從柴油驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電力驅(qū)動(dòng)。“乘客感受不到絲毫的轉(zhuǎn)換、機(jī)械閉合開斷影響或晃動(dòng)——一切都可在驅(qū)動(dòng)側(cè)抵消。”
對(duì)于Mudroch來說，還有大量研發(fā)創(chuàng)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(shí)現(xiàn)自身控制器的擴(kuò)展，那么仍然存在無限可能。”這同樣適用于未來的控制器與云端間的數(shù)字化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，“我們尚未實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問，這可能是由于當(dāng)前所用控制器無法實(shí)現(xiàn)云端通信。當(dāng)然，如果客戶提出這個(gè)需求時(shí)，萬可IoT控制器不失為一個(gè)理想選擇。”
MS Bürgenstock應(yīng)用多種萬可產(chǎn)品
除Aventics在Bürgenstock的混合控制中應(yīng)用的控制器元件外，這家來自Laatzen的公司還采用許多萬可產(chǎn)品。
“例如，我們當(dāng)前使用的是870系列軌裝接線端子，在未來的項(xiàng)目中，我們打算安裝TOPJOB?S產(chǎn)品，”Mudroch說道。
857系列轉(zhuǎn)換模塊可將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成合適的頻率信號(hào)。“萬可可獨(dú)立迅速地處理我們的特殊需求，我們收到的固件形式獨(dú)一無二。”
例如，對(duì)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(gè)或更多支撐點(diǎn)的屈曲曲線。這一需求已編程到轉(zhuǎn)換模塊中。WAGO-I/O-SYSTEM 750接口相同，這一點(diǎn)極其實(shí)用。
“我們與萬可的伙伴關(guān)系隨著時(shí)間的推移而不斷深入。 對(duì)于我們來說，快速靈活的支持是一個(gè)積極信號(hào)，使用單一來源組件我們可從中獲益，”?Mudroch解釋道。
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