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01 概述
环保法规正推动渡轮及其他船舶转向低排放的电力推进。西门子在挪威特隆赫姆新建工厂，以满足快速增长的船舶电池需求。在系统集成商 Intek 设计的高度自动化产线中，Zivid 的三维机器视觉相机在优化生产效率方面发挥了关键作用。
（所有图片来源：西门子）
02 背景
作为前瞻性环保立法的一部分，挪威议会于 2018 年决定，最迟到 2026 年禁止在其峡湾中运营的渡轮和游轮排放有害物质。这涵盖二氧化碳 (CO2) 和氮氧化物 (NOx) 排放，以及水上噪声污染。
当地航运公司和渡轮运营商的应对措施是大幅加快电力推进系统的研发和应用。挪威首艘投入运营的全电动渡轮，其性能表现可谓令人瞩目。
全球首艘纯电池动力渡轮 MF Ampere 往返于 Lavik 港和 Oppedal 港之间，由岸基充电站为其电池充电。据称，与柴油动力船舶相比，该船排放减少 95%，运营成本降低 80%。这对全球渡轮船队而言极具吸引力。
（所有图片来源：西门子）
汽车和客运渡轮航程较短，且长时间停靠在相同港口，因此已被证明是全球海运业从传统柴油动力向电池及柴电混合动力全面转型的理想起点。
然而，这一深刻变革的关键前提，是能够以合适的规模供应合适类型的电池，为新型全电动和混合动力系统提供动力。
西门子投资 1 亿挪威克朗，在挪威特隆赫姆开设了一座灵活、高度自动化的电池工厂，以满足未来需求。该工厂将为船舶以及海上油气应用研发和制造储能解决方案。
为使新的船舶电池产线达到极高的自动化水平，西门子委托位于劳福斯的 Intek 提供机器人、三维机器视觉和自动化系统集成服务，以帮助实现严苛的生产率目标。
03 挑战
对于全电动渡轮，电池组的容量通常需要达到约 2 MWh。典型配置包含 34 个电池柜，每个电池柜内有 9 个电池模块，每个模块由 28 个电芯组成。即使是柴电混合动力系统，电池容量也至少需要 500 kWh。
除了汽车和客运渡轮之外，还有数以千计的渔船、游轮、多用途船舶和海上设施同样可以受益于全面或部分电气化。因此，船舶电池组的需求及相应的产能预计将十分可观，并将呈指数级增长。
西门子特隆赫姆海洋工程与船舶中心负责人 Torstein Sole-Gärtner 表示：“挪威所有的汽车和客运渡轮最终都将依赖某种形式的储能解决方案。我们估计，到 2020 年，这里将有约 60 艘混合动力或纯电池动力渡轮投入运营。”
他继续说道：“我们期望，在新工厂中研发和批量生产的电池与电力推进产品，将推动全球各类海事领域实现类似的技术进步。”
西门子预计，到 2024 年全球船舶电池市场规模将翻一番，并预测在所有长度不超过 150 米的新造船舶中，近 80% 将采用纯电池或柴电混合动力配置并配备电池。
为跟上未来需求的步伐，特隆赫姆新产线的系统需要尽可能高效、灵活。生产过程中的人工参与需要降至最低，而机器人化程度则需要最大化。
系统集成商 Intek 的项目经理 Olaf Pedersen 概述了所面临的挑战：“在开发整体解决方案时，保持快速、零差错的生产吞吐量是至关重要的考量。无论是零部件运输、产品装配还是测试，确保高生产率都是关键。”
Pedersen 解释说，产线拆垛工位中的电池零部件处理带来了一系列特殊挑战：“与其他生产单元不同，第一个单元需要能够自动处理种类繁多且难以预测的零部件，例如电芯、框架、连接器等……”
“来料种类如此之多，并且随机摆放在托盘、纸板料盘或塑料吸塑包装中，要以较快速度自动处理这些物料，是一项颇具难度的任务。”
04 解决方案
西门子特隆赫姆船舶电池产线配备了八个可独立配置的机器人单元，以及七台用于单元间物流的自动导引车（AGV）。该产线由 Intek 历时 12 个月设计和开发，从最初的零部件拾取到最终的电池测试和文档记录，全部自动完成。
在至关重要的拆垛单元中，系统集成商 Intek 选择将 Zivid One 实时三维机器视觉相机安装在配备定制真空夹具的 KUKA KR9 机械臂上，并由西门子可编程逻辑控制器（PLC）和高速工业 PC 提供控制与处理能力。
Pedersen 解释了这一选择的原因：“借助 Zivid One 相机的高质量 3D 点云，我们能够轻松确定托盘或料盘的轮廓，精确测量其中零部件的外形尺寸，并据此以最高精度进行拾放。而且只需拍摄一次，因此速度也非常快。”
“采用这种更务实的方法，我们无需任何机械‘导正’系统，也无需操作员干预来摆正零部件并将其移动到预定位置，就能解决零部件随机摆放的问题。此外，这也避免了针对复杂零部件 CAD 文件进行大量编程。因此，这是一种非常灵活、可靠的解决方案。”
除了确保可靠的“拾取”之外，基于 Zivid One 相机的机器视觉系统还能确保高精度的“放置”。Pedersen 进一步阐述了这一性能指标对相互衔接的生产单元的效率为何至关重要：
“由于机械臂要将零部件自动堆放到相对较小的 AGV 上，系统必须考虑负载分布，AGV 在运输过程中需要保持完全平衡。此外，当 AGV 到达目标生产单元时，另一台机器人需要从预定位置拾取这些零部件。因此，将零部件精确放置到 AGV 上也同样至关重要。”
作为挪威最早采用 Zivid One 3D 彩色相机技术的企业，Intek 运用自主设计的软件算法处理相机的 3D 点云数据，最大限度地提高了产线吞吐量。
05 结果
（所有图片来源：西门子）
西门子船舶电池产线采用先进的单元化设计，能够灵活调整自身能力并扩大产能，以应对预期中全球市场需求的激增和技术的快速发展。电池的设计与生产也更容易根据特定船舶的功能和工作周期进行定制。
借助先进的机器视觉、机器人和 AGV，特隆赫姆产线实现了尽可能高的自动化水平，生产区域仅需三名员工。这使得可持续能源解决方案的生产更加高效、更具成本效益。
尤为重要的是，在零部件拆垛单元中采用 Zivid 三维机器视觉相机，对确保所需的高生产吞吐量发挥了重要作用。相机的高质量彩色 3D 点云使机械臂能够适应产品变化，而无需修改机械系统或大量重新开发软件。
凭借这条高效的端到端自动化产线，西门子预计每年可为 150–200 艘渡轮供应电池，相当于约 400 MWh 的电池模块容量。该工厂可在四天内完成一艘全电动渡轮所需电池模块的生产。
从柴油动力船舶转向纯电池或混合动力船舶，其积极的环境影响不容低估。二氧化碳和氮氧化物排放以及水上噪声污染的减少，将同时惠及全球和本地。实现零排放、近乎静音的海上运营，是一个值得追求的目标。