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韩国造船业的自动化和控制系统技术：

最新技术和未来展望

摘要：由于全球经济的增长和对超龄船只的更换需求日益增长，海上货物运输的急剧增长，造船业迎来了历史性的繁荣时期，订单积压创纪录。为了通过提高生产率和高质量来巩固市场领先地位，韩国造船公司积极致力于造船自动化和船舶自动化技术的研究。本讲座介绍了韩国造船业中自动化控制系统技术的最新问题和努力。

1.介绍

由于对船舶操作环境法规的要求不断提高，客户对技术的要求不断提高以及船舶尺寸的极大增加，当今的造船业已从劳动密集型产业逐渐转变为技术驱动型产业。另一方面，由于后来者手持廉价的劳动力成本和扩大的生产设施，全球市场变得竞争激烈。在这种情况下，韩国造船公司正在寻求有效的方法来增强其在质量，成本和交付方面的竞争力，并最终使客户受益。

图1.商用船

为此，不仅要研究高附加值的船舶，还要在生产自动化和物流的优化方面进行许多研发工作。通过这些努力，他们试图建造高质量的船舶，并通过提高船舶制造过程的生产率和可靠性来缩短生产期限。为了加速对外国竞争对手的技术区别，韩国造船企业正在努力开发自动化技术，以实现高级功能，更优的性能，低成本以及易于维护的船舶操作。

图2.造船厂的造船

从切割钢板到构建船舶操作软件，作为一个综合性的制造业，造船业与各种技术领域有着紧密的联系。自动化技术是其中的关键领域之一。本演讲涵盖了韩国造船业中造船自动化和控制系统技术的当前趋势和未来方向。

2.造船自动化技术

为了提高造船过程的生产率和可靠性，更加需要使制造过程自动化。造船业的自动化影响着造船的每个步骤，并需要广泛的技术。

2.1生产计划与控制

生产计划和控制技术的进步可以加快造船业生产率和灵活性的提高。造船业的生产系统非常复杂，因为船舶种类繁多，而且这些船舶是由众多零件，模块和子系统构成的。因此，精确的生产计划和控制与生产率密切相关。此外，船厂有限的空间和频繁的区块转移要求优化物流。

如今，造船业中用于生产计划和控制的自动化技术已得到显着改善。整合材料资源计划（MRP），计算机集成制造（CIM）和电子商务（EC）的研发工作取得了显着进展。由于技术限制，它们不能在引入的早期阶段完全使用。但是现在，这个问题正在由该领域的深入研究来解决。

如图3所示的企业资源计划（ERP）系统正在应用于许多造船公司。还采用了新的物流管理系统，该系统采用了诸如全球定位系统（GPS）和射频识别（RFID）之类的普遍技术。

图3.通过ERP系统进行生产管理

图4示出了具有复杂算法的区块的物流管理自动化的示例。每个区块都系统地布置在船厂上，以方便运输到达并最小化运输时间。

图4.船厂的区块物流和仓储管理

2.2自动化制造系统

在造船业中，使用了许多种制造工艺。造船厂使用切割，焊接，打磨，测量和喷漆，汽修厂使用铸造，锻造和机加工，而其他车间则使用许多其他工艺。

由于要处理的零件有多种尺寸和形状，因此造船过程很难实现自动化。但是，提高生产率和改善工作环境的严格要求已经实现了多种自动化制造技术。图5显示了造船业中代表性的自动化流程。

图5.造船业的制造自动化

几十年来，用于切割和焊接过程的自动化技术已经从手动操作发展为自动操作技术，最终发展为无人操作系统。图6显示了用于面板组装的焊接机器人系统。提高生产效率和质量可以通过使用多个焊接机器人来实现开放、简单的块装配过程。

图6.自动面板焊接机器人系统

为了提高焊接过程的生产率，许多船厂正在寻求一种具有自动焊缝跟踪和自适应控制功能的自动化焊接系统。传感技术在满足这些要求方面起着重要作用。图7显示了用于膜罐制造过程的传感器应用。

图7.膜罐制造中的传感器应用

图8.机器人自动进行螺旋桨打磨的过程

通常，研磨是重要的过程之一，但是由于噪声，灰尘和重负荷，研磨过程的工作环境对工人有害。自动化的研磨系统对于克服这些情况非常有帮助。图8显示了用于螺旋桨磨削过程的自动化机器人系统的示例。

同时，由于精细喷涂控制和在线质量测量的困难，尚未实现高度自动化的喷涂；即使迫切需要自动化，因为喷涂过程非常危险，对工人也很危险。

2.3造船自动化的观点

在不久的将来，有望将信息技术（IT）和过程技术快速融合到造船自动化中。IT可以系统地结合造船的关键技术，例如设计自动化，生产管理和物流自动化以及制造自动化。在此过程中，自动化和控制技术将发挥重要作用。

图9.造船技术的融合

预计将在不久的将来出现的一些自动化技术如下：

1.面板装配线中的混合激光焊接技术

2.弯板和双壳结构智能焊接系统

3.用于处理，打磨和焊接自动化的余量处理和多机器人应用技术

4.用于危险环境应用的远程控制或操作的机器人系统

5.制造过程中基于网络的实时监控技术

6.普适传感器网络的应用

7.安全的U型头盔（无处不在的头盔），用于团体通讯和工人的位置识别。

3.船舶自动化技术

通过采用先进的船舶自动化技术，船舶本身的高性能和高品质也是造船者的基本问题。船舶自动操作系统减少了人员数量并确保了船舶的安全。如图10所示，本节介绍了主要的船舶自动操作技术，用于集成的桥路，警报和监视，电力管理和发动机状态监视。

图10.船舶自动操作系统

3.1综合桥系统

国际海事组织（IMO）将集成桥系统（IBS）定义为相互连接的系统组合，以允许从工作站集中访问传感器信息或命令/控制，目的是通过适当地增加安全和有效的船舶管理合格人员。IBS旨在提高各个级别船舶操作的安全性和效率。该集成的桥解决方案可以进行定制和安排，以适应船舶的特定操作需求。

图11.集成桥系统

所有必需的设备都可以放置在操作员可及的范围内，以提高操作安全性并减少密集操作期间的工作压力。通常，IBS专为单人操作而设计，其功能可使操作员有尽可能多的时间进行观察和决策。该系统将导航和操纵方面的所有船舶管理和自动化任务无缝集成到通用网络中。

集成功能包括：导航、路线规划、自动保持路线、ECDIS/Radar共享视频和曲目演示、机动、手动杆、游戏杆、动态定位、无线电和内部通信、安全系统。

3.2报警监控系统

警报和监视系统是一个枢纽系统，用于监视和控制船舶的整体状况并保持货物的安全和无害。该系统应高度集成，以观察船舶和货物的各种状态，例如液位测量，温度和压力监控，阀门和泵控制等。

图12.警报和监视系统

应用程序包括：液货舱液位监控、液货舱压力监控、液货舱温度监控、压载舱液位监控、服务罐液位监控、草稿，修剪和列表监控。

警报和监视系统的软件模块应专门针对船上操作和沿着船舶和货物类型的特定于船舶的要求而设计。为了实现这种灵活性，模块类型的标准程序用于不同的功能。标准程序模块包括：

（1）信号逻辑运算

（2）数据汇总（例如油箱中的物品）

（3）燃油消耗

（4）基于极限值，数字信号，测量数据等控制信号的输出

（5）闭环控制(比如冷却水温控制）

（6）控制泵的备用系统，阀门等

（7）控制压载物或燃油的源目标系统

（8）用高级PLC语言对用户定义的要求进行编程。

3.3电源管理系统

为了避免由于电力不足而造成的停电并节省燃料，电源管理系统允许发电机按需运行。为了船舶操作的安全性和经济性，电源管理系统需要处理船上发电机的多种配置并利用广泛的监视和控制功能。自动电源管理系统积极采用分散式微处理器架构。

主要功能如下：

（1）在电源中断的情况下快速减少负载

（2）过载时缓慢减载（削峰）

（3）有功和无功功率控制

（4）功率共享

（5）发电机同步

（6）重新加速并重新启动

（7）通过集成励磁和调速器控制器来控制发电机和涡轮机

（8）通过集成保护继电器来控制断路器。

图13.电源管理系统

3.4发动机监控系统

随着人们对环境的关注日益增长，正在开发新型类型的发动机，例如电控发动机，并逐渐取代传统的发动机。发动机监控系统通过为操作员提供有关运行状态的重要信息，在使发动机保持最佳状态方面发挥着关键作用。发动机监控系统充分利用了各种性能和状态数据，为操作人员提供了有效的监控环境。

主要功能如下：

（1）负载均衡检查

（2）燃油点火质量检查

（3）气流退化检测。

图14.发动机监控系统

3.5船舶自动化技术的观点

最近，油轮和商用船的几次海上事故带来了重大的环境灾难。近年来，有望积极进行针对这种事故的预防措施的研究。期望有更可靠的防撞技术，该技术通过无线通信将船只与陆上的控制中心相连。

与船公司资源管理系统紧密联系的智能船诊断研究也有望在不久的将来进行。为了维持船舶机械设备的安全有效运行，将开发基于人工智能和无线传感器网络技术的预测性诊断和维护支持系统。该系统将在早期发现可能出现的问题，并防止重要机械出现严重问题，例如机舱中的主机发动机和发电机发动机。

这些技术可以通过整合计划维护的条件来大大减轻工程师的沉重负担。该系统将为客户提供以下优势：

（1）通过延长定期检查之间的间隔来节省费用

（2）通过回避意外的严重事故增加安全性

（3）通过准时运输服务提高运营效率

（4）节省维护和备件成本。

4.结论

韩国的造船业由于及时的投资和良好的商业环境而迎来了历史性的繁荣时期。为了巩固在全球市场的领先地位，韩国的船舶制造公司通过技术研发努力提高生产率和质量。因此，韩国的造船业已从劳动密集型产业逐渐转变为以技术为主导的产业，并且在许多技术领域都显示出巨大的进步。在这些技术中，自动化技术是实现船舶高生产率，高质量和安全性的核心领域。演讲中介绍了韩国造船业在生产自动化和船舶自动化技术上的最新问题和努力，以及一些正在使用的应用程序。在不久的将来，有望通过技术融合实现造船业的许多创新变革。在此过程中，自动化技术将发挥关键作用。未来将是充满活力的国际贸易和活跃的海洋贸易时代。作为支持21世纪进步的基础产业，韩国造船业将在自动化和控制技术的研发活动中全力以赴。

参考资料

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[2] 现代重工有限公司 http://www.hhi.co.kr.

[3] J.H.Lee，J.C.Kim，J.R.Park和J.G.Kim.通过高科技功能构建的自动焊接支架的技术趋势.HHI工程评论,2007（27）:82-89.

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[7] 国际海事组织 http://www.imo.org.

[8] 康斯伯格海事 http://www.km.kongsberg.com.

[9] 曼柴油机SE http://www.manbw.com.

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