0 前言當(dāng)你走進(jìn)工廠，除了機(jī)床的轟鳴聲和機(jī)器人精準(zhǔn)的移動(dòng)之外，幾乎看不到一名工人；當(dāng)你外出時(shí)，只要輸入目的地，無人駕駛汽車便自動(dòng)選擇最暢通的路線、在最短時(shí)間內(nèi)將你安全送達(dá)（未來的交通出行，我們只需要把自己帶上就行了）；當(dāng)你去便利店購物時(shí)，掃碼即可進(jìn)店，無需排隊(duì)，無人收銀，即拿即走，無感支付；
當(dāng)你勞累了一天，在下班的路上通過手機(jī)APP，一鍵遠(yuǎn)程控制空調(diào)的開關(guān)、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(shí)還可以讓按摩機(jī)器人幫你放松身體；當(dāng)你心情不好或在家無聊時(shí)，通過語音或手機(jī)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(jī)器人聊天；當(dāng)你走進(jìn)餐廳，根本就見不到服務(wù)員，整個(gè)用餐過程，不管是排除、點(diǎn)餐還是取餐、結(jié)賬，全靠消費(fèi)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(guān)。
正如百度創(chuàng)始人、董事長兼CEO李彥宏的觀點(diǎn)：“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(yīng)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(gè)泵制造商不得不面對的現(xiàn)實(shí)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(jìn)行探討，以期引起同行們的關(guān)注和借鑒。
1 關(guān)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(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。
美國麻省理工學(xué)院的溫斯頓教授認(rèn)為：“人工智能就是研究如何使計(jì)算機(jī)去做過去只有人才能做的智能工作。”即人工智能是研究人類智能活動(dòng)的規(guī)律，構(gòu)造具有一定智能的人工系統(tǒng)，研究如何讓計(jì)算機(jī)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(yīng)用計(jì)算機(jī)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(shù)。
1.2 人工智能與數(shù)據(jù)分析的關(guān)系很多人或公司錯(cuò)誤地認(rèn)為，只要其工作與數(shù)據(jù)或工作流程相關(guān)，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(chǔ)。
很多所謂的人工智能公司實(shí)際上做的是基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)分析，他們的技術(shù)來源于數(shù)據(jù)，而且結(jié)果都被用于實(shí)現(xiàn)特定的目的，例如，根據(jù)預(yù)設(shè)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(guān)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(shù)能夠?yàn)楝F(xiàn)實(shí)問題提供突破性的解決方案，同時(shí)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(jìn)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(jī)械的離心泵，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，其各項(xiàng)指標(biāo)也越來越受到人們的關(guān)注。數(shù)十年來，其維護(hù)方式多為被動(dòng)式維護(hù)（設(shè)備已經(jīng)失效，進(jìn)行事故后維修）或預(yù)防性維護(hù)（通過采取適當(dāng)?shù)拇胧缣岣邚?qiáng)度等，從而防止設(shè)備發(fā)生故障）。
1）市場的需要
隨著人工智能的出現(xiàn)，預(yù)測性維護(hù)將成為一種趨勢，并成為制造商和用戶所追求的終極目標(biāo)。人工智能不僅可以使用戶和/或制造商實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，在發(fā)生不可逆的故障或停機(jī)之前得到準(zhǔn)確的診斷、確定維護(hù)和保養(yǎng)時(shí)間、提高設(shè)備運(yùn)行可靠性并延長設(shè)備壽命，而且還可根據(jù)實(shí)際情況或需要，優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行方式、提高運(yùn)行效率、降低運(yùn)營成本。
2）企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的需要
在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)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(wù)商轉(zhuǎn)型。《中國制造2025》明確提出：要加快制造與服務(wù)的協(xié)同發(fā)展，推動(dòng)商業(yè)模式創(chuàng)新，促進(jìn)生產(chǎn)制造向服務(wù)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(jī)械保護(hù)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(gè)概念及其之間的關(guān)系 – 機(jī)械保護(hù)和狀態(tài)監(jiān)測。關(guān)于機(jī)械保護(hù)系統(tǒng)和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，API 670標(biāo)準(zhǔn)[1]中有明確的定義和說明。
2.1 機(jī)械保護(hù)機(jī)械保護(hù)系統(tǒng)（Machinery Protection Systems，縮寫MPS）：感知、測量、監(jiān)測和顯示機(jī)器參數(shù)以表明其運(yùn)行狀態(tài)的系統(tǒng)。當(dāng)一個(gè)參數(shù)超過預(yù)先定義的限值、表明出現(xiàn)異常情況時(shí)，系統(tǒng)會將事件傳達(dá)給操作人員和/或停機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的目標(biāo)是減輕對機(jī)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(jī)器過程參數(shù)和預(yù)測趨勢的系統(tǒng)。提供報(bào)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(yán)重性。也可用于管理機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)，以減少因發(fā)展中的故障而產(chǎn)生的意外停機(jī)。CMS的目標(biāo)是最大程度地提高可用性，同時(shí)降低運(yùn)營和維護(hù)成本。
2.3 機(jī)械保護(hù)與狀態(tài)監(jiān)測之間的關(guān)系實(shí)際工程應(yīng)用中，由于機(jī)械保護(hù)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(yīng)商和用戶通常將兩種系統(tǒng)混為一談。CMS是一種計(jì)算機(jī)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(yùn)行設(shè)備進(jìn)行趨勢預(yù)測。目前，工程應(yīng)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(jī)械保護(hù)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(jī)器參數(shù)，以表明其運(yùn)行狀態(tài)。測量機(jī)器過程參數(shù)和預(yù)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(yán)重性。也可用于管理機(jī)器的工作條件。目標(biāo)防止人員受傷，防止或減輕對機(jī)器或環(huán)境的損害智能化地預(yù)測壽命。使操作人員和管理人員更好地了解關(guān)鍵資產(chǎn)的運(yùn)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(guān)鍵”設(shè)備，同時(shí)，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(chǔ)）。
3 泵的保護(hù)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(yùn)行狀況的工具 – 機(jī)械保護(hù)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(shí)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(yùn)行狀態(tài)，并預(yù)測出機(jī)械零部件的壽命、故障可能發(fā)生的時(shí)間，以便在預(yù)期或規(guī)定的期限內(nèi)對問題進(jìn)行糾正。
離心泵最常見的監(jiān)測項(xiàng)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(jìn)/出口介質(zhì)的溫度；還涉及到泵殼體上/下溫差。通過對泵進(jìn)/出口介質(zhì)溫度的監(jiān)測，有助于預(yù)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(jìn)行了充分的暖泵。
壓力/壓差。主要包括泵進(jìn)/出口的壓力、冷卻水及潤滑油的壓力、機(jī)械密封系統(tǒng)壓力；還包括過濾器前后的壓差。
流量?？梢灶A(yù)測泵殼體/葉輪耐磨環(huán)更換時(shí)間及開式葉輪間隙調(diào)整時(shí)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(yù)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(gè)雙重?zé)o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(gè)雙重?zé)o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(gè)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(dòng)。引起離心泵振動(dòng)的原因很多，包括泵本體設(shè)計(jì)原因和外部條件因素兩大類。而泵本體設(shè)計(jì)引起的振動(dòng)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，機(jī)械引起的振動(dòng)和水力引起的振動(dòng)。通過振動(dòng)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(dòng)/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(yù)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(jī)械密封對軸向位移非常敏感。
其它可能監(jiān)測的項(xiàng)目有：
應(yīng)變。預(yù)測動(dòng)/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(yù)測發(fā)熱問題。
轉(zhuǎn)速。主要用于變速運(yùn)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(yù)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(shí)，軸撓度過大，會導(dǎo)致耐磨環(huán)、機(jī)械密封和軸承過早失效。
在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以將泵（組）的監(jiān)測集成為兩個(gè)大的模塊：性能監(jiān)測模塊和機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)監(jiān)測模塊。也可以根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容的不同，進(jìn)一步細(xì)分為：振動(dòng)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(yīng)變監(jiān)測模塊等。根據(jù)不同需要，這些模塊可以進(jìn)行隨意組合。
4 數(shù)據(jù)收集
過去，從離心泵及其驅(qū)動(dòng)設(shè)備上收集數(shù)據(jù)需要花費(fèi)大量的時(shí)間。隨著傳感器及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器應(yīng)運(yùn)而生，實(shí)時(shí)體現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)收集變得越來越簡單且自動(dòng)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(guān)和監(jiān)控主機(jī)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(yīng)用于智慧城市、智慧能源、智慧制造、智慧工廠等各種領(lǐng)域。
離心泵的運(yùn)行狀態(tài)可以通過監(jiān)測到的許多跡象來評估[3]。
以振動(dòng)監(jiān)測為例，無線振動(dòng)傳感器可以提供潛在問題的早期預(yù)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(jī)部件的連接松動(dòng)以及聯(lián)軸器的問題。
接觸式振動(dòng)監(jiān)測傳感器安裝在軸承座上以檢測振動(dòng)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(shí)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(shè)備的多個(gè)位置和方向（水平、垂直和軸向）上收集，振動(dòng)數(shù)據(jù)被記錄下來，可以通過遠(yuǎn)程或程序進(jìn)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(yù)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(jìn)行監(jiān)測和收集：
1）泵進(jìn)/出口介質(zhì)溫度。
2）泵進(jìn)/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(shí)間（@停泵時(shí)）。
6）軸承座振動(dòng)或軸振。
7）泵（組）噪音的變化。
8）電動(dòng)機(jī)的電流變化等。
汽蝕是離心泵運(yùn)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(yáng)程下降。
5）泵轉(zhuǎn)速增加。
6）振動(dòng)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(shù)的創(chuàng)新。有幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將無線傳感器連接到接收站進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。圖1顯示了振動(dòng)診斷星形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。星形拓?fù)涫怯梢粋€(gè)中心節(jié)點(diǎn)（通常是一個(gè)交換機(jī)或集線器）組成的網(wǎng)絡(luò)，其作為傳輸信息的管道。
在基于狀態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，主要接收機(jī)節(jié)點(diǎn)（PRNs）同時(shí)與多個(gè)振動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，以收集及時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)。
反過來，PRNs通過收集服務(wù)器（CS）直接連接到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器計(jì)算機(jī)或公司的主干網(wǎng)絡(luò)。
實(shí)際上，傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)兩層星形網(wǎng)絡(luò)，中央的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器計(jì)算機(jī)直接連接到傳感器網(wǎng)絡(luò)，其規(guī)模從一個(gè)非常簡單的兩傳感器網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到三傳感器網(wǎng)絡(luò)?？梢员O(jiān)控從單臺機(jī)器的運(yùn)行狀況到數(shù)百臺機(jī)器上的傳感器的超大型網(wǎng)絡(luò)的所有內(nèi)容。
圖1 顯示了收集服務(wù)器如何連接到工廠或設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。
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(luò)的Wi-Fi或藍(lán)牙連接，以及通過蜂窩電話運(yùn)營商連接到Internet的蜂窩網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)連接。該網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)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(kuò)展性/可測量性方面的優(yōu)勢。