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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(tǒng)、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(yè)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(yōu)化驅動系統(tǒng)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(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)動機動力是否有效轉化為推進力?，F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(tài)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(yè)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(huán)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(tài)。“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(fā)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(fā)優(yōu)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(fā)動機是世界上強大的往復式發(fā)動機之一。



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(fā)動機艙內部的瓦錫蘭發(fā)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(yè)開始采取降低大型集裝箱船運行速度的方法來節(jié)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(tǒng)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(jié)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(yè)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(yōu)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(tài)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(chuàng)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(yōu)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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簡單的結構使得 S7-300 使用靈活且易于維護：
安裝模塊：
只需簡單地將模塊掛在安裝導軌上，轉動到位然后鎖緊螺釘。 集成的背板總線：
背板總線集成到模塊里。模塊通過總線連接器相連，總線連接器插在外殼的背面。 模塊采用機械編碼，更換極為容易：
更換模塊時，必須擰下模塊的固定螺釘。按下閉鎖機構，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插到其他的模塊上。 現場證明可靠的連接：
對于信號模塊，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)提供預組裝接線另外還可直接在信號模塊上接線。 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，并有前蓋保護。因此，所有模塊應有明確的安裝深度。 無插槽規(guī)則:
信號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)。
擴展
若用戶的自動化任務需要 8 個以上的 SM、FM 或 CP 模塊插槽時，則可對 S7-300（除 CPU 312 和 CPU 312C 外）進行擴展：
控制器和3個擴展機架多可連接32個模塊：
總共可將 3 個擴展裝置（EU）連接到控制器（CC）。每個 CC/EU 可以連接八個模塊。 通過接口模板連接：
每個 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，并自動處理與擴展裝置的通信。 通過 IM 365 擴展：
1 個擴展裝置遠擴展距離為 1 米；電源電壓也通過擴展裝置提供。 通過 IM 360/361 擴展：
3 個擴展裝置， CC 與 EU 之間以及 EU 與 EU 之間的遠距離為 10m。 單獨安裝：
對于單獨的 CC/EU，也能夠以更遠的距離安裝。兩個相鄰 CC/EU 或 EU/EU 之間的距離：長達 10m。 靈活的安裝選項：
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)以太網總線系統(tǒng)的通信處理器。 用于點到點連接的通信處理器 多點接口 (MPI), 集成在 CPU 中；
是一種經濟有效的方案，可以同時連接編程器/PC、人機界面系統(tǒng)和其它的 SIMATIC S7/C7 自動化系統(tǒng)。
PROFIBUS DP進行過程通信
SIMATIC S7-300 通過通信處理器或通過配備集成 PROFIBUS DP 接口的 CPU 連接到 PROFIBUS DP 總線系統(tǒng)。通過帶有 PROFIBUS DP 主站/從站接口的 CPU,可構建一個高速的分布式自動化系統(tǒng)，并且使得操作大大簡化。