0 前言當你走進工廠，除了機床的轟鳴聲和機器人精準的移動之外，幾乎看不到一名工人；當你外出時，只要輸入目的地，無人駕駛汽車便自動選擇最暢通的路線、在最短時間內(nèi)將你安全送達（未來的交通出行，我們只需要把自己帶上就行了）；當你去便利店購物時，掃碼即可進店，無需排隊，無人收銀，即拿即走，無感支付；
當你勞累了一天，在下班的路上通過手機APP，一鍵遠程控制空調(diào)的開關、溫度的調(diào)節(jié)，到家無需等待即可享受夏天的清涼或冬日的溫暖，同時還可以讓按摩機器人幫你放松身體；當你心情不好或在家無聊時，通過語音或手機APP即可喚醒家庭影音模式，欣賞音樂或大片，也可以找聊天機器人聊天；當你走進餐廳，根本就見不到服務員，整個用餐過程，不管是排除、點餐還是取餐、結(jié)賬，全靠消費者用支付寶或者口碑自助完成……所有這一切，都與人工智能相關。
正如百度創(chuàng)始人、董事長兼CEO李彥宏的觀點：“人工智能正在喚醒萬物，催生萬千產(chǎn)業(yè)智能化。人工智能與各行各業(yè)的融會貫通，將掀起產(chǎn)業(yè)智能化新浪潮?！?/p>
隨著人工智能的普及和廣泛應用，這為傳統(tǒng)制造業(yè)的離心泵行業(yè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，“如何使其智能化”是每個泵制造商不得不面對的現(xiàn)實問題。國外不少泵制造商如美國FLOWSERVE公司、瑞士SULZER公司、德國KSB公司等，在“智能泵”方面早已走在了同行的前列；而國內(nèi)絕大多數(shù)泵廠為了生存，還一直在中低端泵市場上苦苦掙扎，“智能泵”對于他們來說，似乎還是遙不可及的夢想。本文將嘗試就“離心泵智能化及其路徑”進行探討，以期引起同行們的關注和借鑒。
1 關于人工智能
1.1 人工智能的定義百度百科對人工智能的解釋如下：
人工智能（Artificial Intelligence，英文縮寫為AI）。它是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統(tǒng)的一門新的技術科學。
美國麻省理工學院的溫斯頓教授認為：“人工智能就是研究如何使計算機去做過去只有人才能做的智能工作?！奔慈斯ぶ悄苁茄芯咳祟愔悄芑顒拥囊?guī)律，構(gòu)造具有一定智能的人工系統(tǒng)，研究如何讓計算機去完成以往需要人的智力才能勝任的工作，也就是研究如何應用計算機的軟硬件來模擬人類某些智能行為的基本理論、方法和技術。
1.2 人工智能與數(shù)據(jù)分析的關系很多人或公司錯誤地認為，只要其工作與數(shù)據(jù)或工作流程相關，都可以被稱這為人工智能。數(shù)據(jù)分析只是人工智能的基礎。
很多所謂的人工智能公司實際上做的是基礎的數(shù)據(jù)分析，他們的技術來源于數(shù)據(jù)，而且結(jié)果都被用于實現(xiàn)特定的目的，例如，根據(jù)預設定的規(guī)則識別發(fā)送特定的信息。這種根據(jù)上下文來整理數(shù)據(jù)的做法并不是人工智能。它們之間的關鍵區(qū)別在于：人工智能系統(tǒng)具有迭代性，分析的數(shù)據(jù)越多，系統(tǒng)就會變得越智能，越能干，而且越自主化。真正的人工智能技術能夠為現(xiàn)實問題提供突破性的解決方案，同時會徹底地顛覆市場。
1.3 離心泵智能化的必要性
隨著社會的發(fā)展、科技的進步，人們對健康、環(huán)保、安全等方面的要求越來越高。作為通用機械的離心泵，廣泛應用于各行各業(yè)，其各項指標也越來越受到人們的關注。數(shù)十年來，其維護方式多為被動式維護（設備已經(jīng)失效，進行事故后維修）或預防性維護（通過采取適當?shù)拇胧缣岣邚姸鹊?，從而防止設備發(fā)生故障）。
1）市場的需要
隨著人工智能的出現(xiàn)，預測性維護將成為一種趨勢，并成為制造商和用戶所追求的終極目標。人工智能不僅可以使用戶和/或制造商實時監(jiān)控設備的運行狀態(tài)，在發(fā)生不可逆的故障或停機之前得到準確的診斷、確定維護和保養(yǎng)時間、提高設備運行可靠性并延長設備壽命，而且還可根據(jù)實際情況或需要，優(yōu)化設備運行方式、提高運行效率、降低運營成本。
2）企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的需要
在互聯(lián)網(wǎng)時代的大背景下，商業(yè)模式發(fā)生了巨大的變化。傳統(tǒng)制造業(yè)為了生存和發(fā)展，企業(yè)必須由單一制造商向服務商轉(zhuǎn)型?！吨袊圃?025》明確提出：要加快制造與服務的協(xié)同發(fā)展，推動商業(yè)模式創(chuàng)新，促進生產(chǎn)制造向服務型制造的轉(zhuǎn)變 - 就是由單一產(chǎn)品制造向用戶提供一整套系統(tǒng)解決方案。
2 機械保護及狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)
人工智能需要依靠大量的數(shù)據(jù)支撐，而數(shù)據(jù)的獲取離不開各種傳感器。在探討離心泵智能化之前，需要了解兩個概念及其之間的關系 – 機械保護和狀態(tài)監(jiān)測。關于機械保護系統(tǒng)和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，API 670標準[1]中有明確的定義和說明。
2.1 機械保護機械保護系統(tǒng)（Machinery Protection Systems，縮寫MPS）：感知、測量、監(jiān)測和顯示機器參數(shù)以表明其運行狀態(tài)的系統(tǒng)。當一個參數(shù)超過預先定義的限值、表明出現(xiàn)異常情況時，系統(tǒng)會將事件傳達給操作人員和/或停機系統(tǒng)。該系統(tǒng)的目標是減輕對機器的損壞。該系統(tǒng)包括傳感器系統(tǒng)、信號電纜、監(jiān)控系統(tǒng)以及所必需的安裝位置、安裝夾具和說明文件。
2.2 狀態(tài)監(jiān)測
狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（Condition Monitoring Systems，縮寫CMS）：一種測量指定機器過程參數(shù)和預測趨勢的系統(tǒng)。提供報警、顯示和分析工具，用于檢測和識別發(fā)展中的故障。允許繼續(xù)監(jiān)視檢測到的故障以確定其傳播和嚴重性。也可用于管理機器的運行狀態(tài)，以減少因發(fā)展中的故障而產(chǎn)生的意外停機。CMS的目標是最大程度地提高可用性，同時降低運營和維護成本。
2.3 機械保護與狀態(tài)監(jiān)測之間的關系實際工程應用中，由于機械保護系統(tǒng)和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)常安裝在一起，甚至可以緊密地集成在一起，因此，很多制造商/供應商和用戶通常將兩種系統(tǒng)混為一談。CMS是一種計算機化的數(shù)據(jù)采集和分析工具，其與MPS最大的區(qū)別在于對運行設備進行趨勢預測。目前，工程應用中所采用的基本上為MPS。MPS與CMS的基本區(qū)別如表1。
表1 MPS和CMS的基本區(qū)別機械保護系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)目的感知、測量、監(jiān)測和顯示機器參數(shù)，以表明其運行狀態(tài)。測量機器過程參數(shù)和預測趨勢的系統(tǒng)。用于檢測和識別發(fā)展中的故障以確定其傳播和嚴重性。也可用于管理機器的工作條件。目標防止人員受傷，防止或減輕對機器或環(huán)境的損害智能化地預測壽命。使操作人員和管理人員更好地了解關鍵資產(chǎn)的運行狀況。
除了以上區(qū)別以外，兩種系統(tǒng)還有一些相似之處。通常均用于一些重要工況的“關鍵”設備，同時，兩種系統(tǒng)共享許多相同類型的傳感器和相同類型的信號處理功能（通常將MPS的數(shù)據(jù)作為CMS的基礎）。
3 泵的保護及監(jiān)測
多年來，制造商一直致力于提高泵的可靠性，并開發(fā)了監(jiān)測泵性能和運行狀況的工具 – 機械保護系統(tǒng)。然而，這些工具通常只會在故障發(fā)生前或正在發(fā)生時起到“警示或提醒”的作用。
隨著科技的不斷發(fā)展，可以通過監(jiān)測泵（組）過程參數(shù)的變化 – 狀態(tài)監(jiān)測，來確定離心泵的運行狀態(tài)，并預測出機械零部件的壽命、故障可能發(fā)生的時間，以便在預期或規(guī)定的期限內(nèi)對問題進行糾正。
離心泵最常見的監(jiān)測項目通常如下[2]：
溫度/溫升。特別是軸承和密封腔的溫度。主要涉及軸承、密封腔、潤滑油、冷卻水以及泵進/出口介質(zhì)的溫度；還涉及到泵殼體上/下溫差。通過對泵進/出口介質(zhì)溫度的監(jiān)測，有助于預測汽蝕的發(fā)生；通過對泵殼體上/下溫差的監(jiān)測，判斷是否進行了充分的暖泵。
壓力/壓差。主要包括泵進/出口的壓力、冷卻水及潤滑油的壓力、機械密封系統(tǒng)壓力；還包括過濾器前后的壓差。
流量。可以預測泵殼體/葉輪耐磨環(huán)更換時間及開式葉輪間隙調(diào)整時間；通過流量監(jiān)測還可以確定泵出口再循環(huán)系統(tǒng)的狀態(tài)。
泄漏。主要用于預測密封故障或壓力邊界的失效。壓力積聚是監(jiān)測泄漏的一種方式。通過一個雙重無壓密封裝置內(nèi)側(cè)密封泄漏，檢測到密封儲罐隔離液壓力的變化。另一種監(jiān)測泄漏的方式是注意到隔離液流量的變化。通過一個雙重無壓密封裝置內(nèi)側(cè)密封泄漏檢測到從密封到排氣系統(tǒng)或收集系統(tǒng)的氣/液體流量的變化。通過一個雙重有壓密封裝置內(nèi)側(cè)密封泄漏檢測到從循環(huán)系統(tǒng)和儲液罐的隔離液位的變化。
振動。引起離心泵振動的原因很多，包括泵本體設計原因和外部條件因素兩大類。而泵本體設計引起的振動主要體現(xiàn)在兩個方面，機械引起的振動和水力引起的振動。通過振動監(jiān)測可以檢測或診斷出泵及其系統(tǒng)存在的各種問題。
噪音。表示泵發(fā)生了汽蝕、動/靜零部件出現(xiàn)摩擦、軸承損壞或其它一些異常情況。
潤滑劑品質(zhì)。通過對潤滑劑含水量及固體顆粒的檢測，預測潤滑劑的更換周期。
軸位移。主要用于可傾瓦推力軸承的離心泵，葉輪和機械密封對軸向位移非常敏感。
其它可能監(jiān)測的項目有：
應變。預測動/靜零部件之間是否會發(fā)生摩擦、泵殼體的腐蝕及現(xiàn)場管路支撐問題；另外，還可以監(jiān)測離心泵軸向力的變化。
功耗。檢查泵的效率，預測發(fā)熱問題。
轉(zhuǎn)速。主要用于變速運行的離心泵，以觀察其對泵性能的影響。
液位。包括供液箱的液位、潤滑油箱的液位及密封系統(tǒng)緩沖/隔離罐的液位。通過對供液箱液位的監(jiān)測，可以預測泵汽蝕的發(fā)生。
間隙。趨近式表可以記錄開式葉輪與泵殼體之間的間隙。
軸撓度。通過安裝于泵體上的趨近式表來測量軸撓度，以確保旋轉(zhuǎn)部件與靜止部件不會發(fā)生接觸。同時，軸撓度過大，會導致耐磨環(huán)、機械密封和軸承過早失效。
在實際工程應用中，可以將泵（組）的監(jiān)測集成為兩個大的模塊：性能監(jiān)測模塊和機械運轉(zhuǎn)監(jiān)測模塊。也可以根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容的不同，進一步細分為：振動監(jiān)測模塊、壓力/差壓監(jiān)測模塊、溫度/溫差監(jiān)測模塊、轉(zhuǎn)速監(jiān)測模塊、汽蝕監(jiān)測模塊、泄漏監(jiān)測模塊、液位監(jiān)測模塊、潤滑劑品質(zhì)監(jiān)測模塊、應變監(jiān)測模塊等。根據(jù)不同需要，這些模塊可以進行隨意組合。
4 數(shù)據(jù)收集
過去，從離心泵及其驅(qū)動設備上收集數(shù)據(jù)需要花費大量的時間。隨著傳感器及互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，無線傳感器應運而生，實時體現(xiàn)設備運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)收集變得越來越簡單且自動化。
無線傳感器產(chǎn)品為系統(tǒng)級產(chǎn)品，包括現(xiàn)場無線傳感器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關和監(jiān)控主機等在內(nèi)的整體解決方案。無線傳感器終端產(chǎn)品在檢測和監(jiān)測市場將普遍應用于智慧城市、智慧能源、智慧制造、智慧工廠等各種領域。
離心泵的運行狀態(tài)可以通過監(jiān)測到的許多跡象來評估[3]。
以振動監(jiān)測為例，無線振動傳感器可以提供潛在問題的早期預警，通過監(jiān)測可以檢測到泵中存在的各種問題，包括軸承問題、轉(zhuǎn)子部件的不平衡或不對中、泵和電機部件的連接松動以及聯(lián)軸器的問題。
接觸式振動監(jiān)測傳感器安裝在軸承座上以檢測振動的變化。這些傳感器可以永久性安裝并連續(xù)監(jiān)控，也可以臨時性安裝，作為基于路由的定期監(jiān)控系統(tǒng)的一部分。
數(shù)據(jù)可以在設備的多個位置和方向（水平、垂直和軸向）上收集，振動數(shù)據(jù)被記錄下來，可以通過遠程或程序進行分析以識別故障。
如果我們選擇監(jiān)測泵的性能、并使用這些數(shù)據(jù)來預測即將發(fā)生的密封或軸承失效（故障），可以通過多種不同的傳感器對以下過程參數(shù)進行監(jiān)測和收集：
1）泵進/出口介質(zhì)溫度。
2）泵進/出口介質(zhì)壓力。
3）泵軸的撓度。
4）泵的出口流量。
5）泵的惰走時間（@停泵時）。
6）軸承座振動或軸振。
7）泵（組）噪音的變化。
8）電動機的電流變化等。
汽蝕是離心泵運行過程中較常見的一種故障，汽蝕會損傷密封件并縮短零部件的壽命。如果我們選擇監(jiān)測泵是否會發(fā)生汽蝕，那么必須監(jiān)測以下過程參數(shù)：
1）入口壓力下降。
2）入口溫度上升。
3）入口流量降低。
4）出口揚程下降。
5）泵轉(zhuǎn)速增加。
6）振動增加。
7）噪音增加等。
5 數(shù)據(jù)傳輸
美國水力協(xié)會和美國石油協(xié)會分別在ANSI/HI 9.6.5 "Rotary Pumps - Guideline for Condition Monitoring s"、API670 "Machinery Protection Systems"最新版本中介紹了無線數(shù)據(jù)傳輸技術的創(chuàng)新。有幾種拓撲結(jié)構(gòu)將無線傳感器連接到接收站進行數(shù)據(jù)處理。圖1顯示了振動診斷星形拓撲網(wǎng)絡。星形拓撲是由一個中心節(jié)點（通常是一個交換機或集線器）組成的網(wǎng)絡，其作為傳輸信息的管道。
在基于狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡中，主要接收機節(jié)點（PRNs）同時與多個振動傳感器節(jié)點進行通信，以收集及時振動數(shù)據(jù)。
反過來，PRNs通過收集服務器（CS）直接連接到數(shù)據(jù)庫服務器計算機或公司的主干網(wǎng)絡。
實際上，傳感器網(wǎng)絡是一個兩層星形網(wǎng)絡，中央的數(shù)據(jù)庫服務器計算機直接連接到傳感器網(wǎng)絡，其規(guī)模從一個非常簡單的兩傳感器網(wǎng)絡擴展到三傳感器網(wǎng)絡?？梢员O(jiān)控從單臺機器的運行狀況到數(shù)百臺機器上的傳感器的超大型網(wǎng)絡的所有內(nèi)容。
圖1 顯示了收集服務器如何連接到工廠或設備的網(wǎng)絡。
其中包括直接連接到公司主干內(nèi)部網(wǎng)的以太網(wǎng)、連接到公司現(xiàn)有無線網(wǎng)絡的Wi-Fi或藍牙連接，以及通過蜂窩電話運營商連接到Internet的蜂窩網(wǎng)絡數(shù)據(jù)連接。該網(wǎng)絡基礎架構(gòu)示例突出了無線、在線狀態(tài)監(jiān)測策略在易于安裝和可擴展性/可測量性方面的優(yōu)勢。