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，一鍵遠程控制空調的開關、溫度的調節，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，催生萬千產業智能化。人工智能與各行各業的融會貫通，將掀起產業智能化新浪潮?！?/p>
隨著人工智能的普及和廣泛應用，這為傳統制造業的離心泵行業帶來了巨大的挑戰，“如何使其智能化”是每個泵制造商不得不面對的現實問題。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；而國內絕大多數泵廠為了生存，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幝?，構造具有一定智能的人工系統，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 人工智能與數據分析的關系很多人或公司錯誤地認為，只要其工作與數據或工作流程相關，都可以被稱這為人工智能。數據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據分析，他們的技術來源于數據，而且結果都被用于實現特定的目的，例如，根據預設定的規則識別發送特定的信息。這種根據上下文來整理數據的做法并不是人工智能。它們之間的關鍵區別在于：人工智能系統具有迭代性，分析的數據越多，系統就會變得越智能，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
隨著社會的發展、科技的進步，人們對健康、環保、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，其各項指標也越來越受到人們的關注。數十年來，其維護方式多為被動式維護（設備已經失效，進行事故后維修）或預防性維護（通過采取適當的措施，如提高強度等，從而防止設備發生故障）。
1）市場的需要
隨著人工智能的出現，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/或制造商實時監控設備的運行狀態，在發生不可逆的故障或停機之前得到準確的診斷、確定維護和保養時間、提高設備運行可靠性并延長設備壽命，而且還可根據實際情況或需要，優化設備運行方式、提高運行效率、降低運營成本。
2）企業轉型升級的需要
在互聯網時代的大背景下，商業模式發生了巨大的變化。傳統制造業為了生存和發展，企業必須由單一制造商向服務商轉型?！吨袊圃?025》明確提出：要加快制造與服務的協同發展，推動商業模式創新，促進生產制造向服務型制造的轉變 - 就是由單一產品制造向用戶提供一整套系統解決方案。
2 機械保護及狀態監測系統
人工智能需要依靠大量的數據支撐，而數據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 – 機械保護和狀態監測。關于機械保護系統和狀態監測系統，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（Machinery Protection Systems，縮寫MPS）：感知、測量、監測和顯示機器參數以表明其運行狀態的系統。當一個參數超過預先定義的限值、表明出現異常情況時，系統會將事件傳達給操作人員和/或停機系統。該系統的目標是減輕對機器的損壞。該系統包括傳感器系統、信號電纜、監控系統以及所必需的安裝位置、安裝夾具和說明文件。
2.2 狀態監測
狀態監測系統（Condition Monitoring Systems，縮寫CMS）：一種測量指定機器過程參數和預測趨勢的系統。提供報警、顯示和分析工具，用于檢測和識別發展中的故障。允許繼續監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，以減少因發展中的故障而產生的意外停機。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 機械保護與狀態監測之間的關系實際工程應用中，由于機械保護系統和狀態監測系統經常安裝在一起，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混為一談。CMS是一種計算機化的數據采集和分析工具，其與MPS最大的區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的基本區別如表1。
表1 MPS和CMS的基本區別機械保護系統狀態監測系統目的感知、測量、監測和顯示機器參數，以表明其運行狀態。測量機器過程參數和預測趨勢的系統。用于檢測和識別發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的運行狀況。
除了以上區別以外，兩種系統還有一些相似之處。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的數據作為CMS的基礎）。
3 泵的保護及監測
多年來，制造商一直致力于提高泵的可靠性，并開發了監測泵性能和運行狀況的工具 – 機械保護系統。然而，這些工具通常只會在故障發生前或正在發生時起到“警示或提醒”的作用。
隨著科技的不斷發展，可以通過監測泵（組）過程參數的變化 – 狀態監測，來確定離心泵的運行狀態，并預測出機械零部件的壽命、故障可能發生的時間，以便在預期或規定的期限內對問題進行糾正。
離心泵最常見的監測項目通常如下[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/出口介質的溫度；還涉及到泵殼體上/下溫差。通過對泵進/出口介質溫度的監測，有助于預測汽蝕的發生；通過對泵殼體上/下溫差的監測，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、機械密封系統壓力；還包括過濾器前后的壓差。
流量?？梢灶A測泵殼體/葉輪耐磨環更換時間及開式葉輪間隙調整時間；通過流量監測還可以確定泵出口再循環系統的狀態。
泄漏。主要用于預測密封故障或壓力邊界的失效。壓力積聚是監測泄漏的一種方式。通過一個雙重無壓密封裝置內側密封泄漏，檢測到密封儲罐隔離液壓力的變化。另一種監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側密封泄漏檢測到從密封到排氣系統或收集系統的氣/液體流量的變化。通過一個雙重有壓密封裝置內側密封泄漏檢測到從循環系統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。通過振動監測可以檢測或診斷出泵及其系統存在的各種問題。
噪音。表示泵發生了汽蝕、動/靜零部件出現摩擦、軸承損壞或其它一些異常情況。
潤滑劑品質。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。
其它可能監測的項目有：
應變。預測動/靜零部件之間是否會發生摩擦、泵殼體的腐蝕及現場管路支撐問題；另外，還可以監測離心泵軸向力的變化。
功耗。檢查泵的效率，預測發熱問題。
轉速。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緩沖/隔離罐的液位。通過對供液箱液位的監測，可以預測泵汽蝕的發生。
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，以確保旋轉部件與靜止部件不會發生接觸。同時，軸撓度過大，會導致耐磨環、機械密封和軸承過早失效。
在實際工程應用中，可以將泵（組）的監測集成為兩個大的模塊：性能監測模塊和機械運轉監測模塊。也可以根據監測內容的不同，進一步細分為：振動監測模塊、壓力/差壓監測模塊、溫度/溫差監測模塊、轉速監測模塊、汽蝕監測模塊、泄漏監測模塊、液位監測模塊、潤滑劑品質監測模塊、應變監測模塊等。根據不同需要，這些模塊可以進行隨意組合。
4 數據收集
過去，從離心泵及其驅動設備上收集數據需要花費大量的時間。隨著傳感器及互聯網技術的發展，無線傳感器應運而生，實時體現設備運行狀態的數據收集變得越來越簡單且自動化。
無線傳感器產品為系統級產品，包括現場無線傳感器、數據轉發網關和監控主機等在內的整體解決方案。無線傳感器終端產品在檢測和監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。
離心泵的運行狀態可以通過監測到的許多跡象來評估[3]。
以振動監測為例，無線振動傳感器可以提供潛在問題的早期預警，通過監測可以檢測到泵中存在的各種問題，包括軸承問題、轉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軸器的問題。
接觸式振動監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監控，也可以臨時性安裝，作為基于路由的定期監控系統的一部分。
數據可以在設備的多個位置和方向（水平、垂直和軸向）上收集，振動數據被記錄下來，可以通過遠程或程序進行分析以識別故障。
如果我們選擇監測泵的性能、并使用這些數據來預測即將發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進行監測和收集：
1）泵進/出口介質溫度。
2）泵進/出口介質壓力。
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。如果我們選擇監測泵是否會發生汽蝕，那么必須監測以下過程參數：
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）泵轉速增加。
6）振動增加。
7）噪音增加等。
5 數據傳輸
美國水力協會和美國石油協會分別在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據傳輸技術的創新。有幾種拓撲結構將無線傳感器連接到接收站進行數據處理。圖1顯示了振動診斷星形拓撲網絡。星形拓撲是由一個中心節點（通常是一個交換機或集線器）組成的網絡，其作為傳輸信息的管道。
在基于狀態監測網絡中，主要接收機節點（PRNs）同時與多個振動傳感器節點進行通信，以收集及時振動數據。
反過來，PRNs通過收集服務器（CS）直接連接到數據庫服務器計算機或公司的主干網絡。
實際上，傳感器網絡是一個兩層星形網絡，中央的數據庫服務器計算機直接連接到傳感器網絡，其規模從一個非常簡單的兩傳感器網絡擴展到三傳感器網絡?？梢员O控從單臺機器的運行狀況到數百臺機器上的傳感器的超大型網絡的所有內容。
圖1 顯示了收集服務器如何連接到工廠或設備的網絡。
其中包括直接連接到公司主干內部網的以太網、連接到公司現有無線網絡的Wi-Fi或藍牙連接，以及通過蜂窩電話運營商連接到Internet的蜂窩網絡數據連接。該網絡基礎架構示例突出了無線、在線狀態監測策略在易于安裝和可擴展性/可測量性方面的優勢。