2013年，德國人第一次提出了“工業4.0”的概念，即“互聯網+制造”，美國叫“工業互聯網”，我國叫“中國制造2025”，這三者本質內容是一致的，都指向一個核心，就是智能制造。
智能制造被譽為二十一世紀的工業革命，已成為全球先進制造業發展的突出趨勢。智能制造技術是在現代傳感技術、網絡技術、自動化技術、擬人化智能技術等先進技術的基礎上，通過智能化的感知、人機交互、決策和執行技術，實現設計過程、制造過程、應用過程和制造裝備智能化，是信息技術、智能技術與裝備制造技術的深度融合與集成。
作者認為智能制造具體體現在四個方面：生產智能化、產品智能化、生產服務化、大數據及云計算。
智能制造時代的來臨，層出不窮的新技術已開始應用于無人駕駛、智能手機等，日新月異的高科技正在滲透進我們生活的方方面面。從制造有形商品，到提供無形價值，傳統的制造業正在經歷一場大的變局，迫切需要一場史無前例的產業“升級”。
對于離心泵行業來說，既是機遇又是挑戰，且隨之而來的可能是國際、國內離心泵企業的重新大洗牌。為了在這場變局中生存，各大公司紛紛進行布局，搶灘制高點。能否應對如此迅速的升級換代，將成為未來企業發展的關鍵。
本文將以技術人員的視角，通過國內外一些公司在智能制造方面的成功經驗或嘗試，探討國內離心泵行業如何實現從傳統制造到智能制造的華麗轉變。
1 生產智能化
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，整片作業區域幾無照明，這便是 “黑燈工廠”。“黑燈工廠”是“Dark Factory”的直譯，即智慧工廠，因為無需人工操作，所以可以關燈運行。而智慧工廠的建立，離不開大量工業自動化設備。
2015年，網上曾流傳過一段關于德國工業4.0的最佳示范單位 - 西門子公司“未來工廠”的視頻（及相應的文章），我想所有看過這段視頻的人都會非常震撼：在這家工廠，生產設備和電腦可以自主處理75%的工序，只有剩余1/4的工作需要人工完成。自建成以來，工廠的生產面積沒有擴張，員工數量也幾乎未變，產能卻提升了8倍，平均1秒即可生產一個產品。同時，產品質量合格率高達99.9985%，全球沒有任何一家同類工廠可以匹敵。
這家明星工廠的閃光之處在于“機器控制機器的生產”，也就是端到端的數字化，這正是未來制造所要達到的目標。而數字化帶來的產品之間以及產品與機器設備之間的互聯互通使得生產路徑不斷優化，不斷提升生產效率。
隨著全球制造業智能化轉型浪潮的推進，在互聯網時代的大背景下，目前，類似的智慧車間、智慧工廠在我國也如雨后春筍般出現。從2015年到2017年，我國共有206個項目入選工信部智能制造試點示范名單。初步統計，試點示范項目智能化改造后，生產效率平均提升30 % 以上，運營成本平均降低20 % 左右；有19家試點示范企業實現了對105家相關企業的復制推廣。
以海爾冰箱沈陽互聯工廠為例，該工廠是行業內第一個數字化互聯工廠，其重要特點就是能夠實現高度的柔性，滿足個性化定制的需求。在整個互聯工廠的發展過程中，工廠已經過標準化、模塊化、自動化三大路徑，目前正在數字化快速發展。互聯工廠按工藝布局轉變為按模塊布局，每個模塊都是一條生產線，可以單獨進行生產，并以并聯的形式快速完成一臺冰箱的生產。
智慧工廠的顯著特點是：滿足不同消費者的不同需求，實現多品種、小批量、定制生產。雖然人們對于“智慧工廠”的理解各不相同，但其離不開以下幾個具體特征：
（1） 設備間信息互聯。
（2） 具備自學能力，自動判斷、優化生產流程等。
（3） 滿足個性化定制、柔性化生產需求，并結合精益生產理念，有效縮短產品生產周期，大幅度降低生產成本。
（4） 配套智能物流倉儲系統，實現出入庫管理的高效性。
（5） 注重環境友好，實現綠色制造。
（6） 可以實現實時洞察。
僅有自動化生產線和工業機器人的工廠不能稱為智能工廠。智能工廠不僅生產過程應實現自動化、透明化、可視化、精益化，而且在產品檢測、質量檢驗和分析、生產物流等環節也應當與生產過程實現閉環集成。一個工廠的多個車間之間也要實現信息共享、準時配送和協同作業。
除了普通的民用以外，離心泵行業、特別是石油化工用API流程泵屬于典型的多品種、小批量、定制生產的產品。要做到生產的智能化，首先產品（設計）必須滿足以下幾點：
（1） 標準化設計。除了市場上可以采購到的通用的標準件以外（如緊固件、法蘭及密封件等），還有不少零件在各種離心泵上都會用到（如葉輪/殼體耐磨環），對于這類零件，可以進行標準化設計。
（2） 模塊化設計。模塊化設計通常以功能區分、部件的型式出現。針對某一特定的市場需求，可以像搭積木一樣，將標準化設計的零件、模塊化設計的部件與專業設計生產的零件進行快速的拼接即可。模塊化設計是綠色設計方法之一，可以同時滿足產品的功能和環境屬性。國外很多離心泵制造商甚至在水力設計方面也做到了模塊化設計，如德國KSB公司的OMEGA泵，同一種泵殼可配兩種不同水力的葉輪，從而滿足不同工況性能的要求。
（3） 參數化設計。除對泵性能具有重大影響的水力零部件以外，其它零件幾乎都可以進行參數化設計。只要改變其中一個或幾個參數，就會快速自動生成一只新的零件。
（4） 設計流程的標準化。從水力設計開始，到結構設計（含外觀設計）、CFD分析、應力和疲勞分析、強度校核、抗震分析以及臨界轉速分析等，做到設計流程的標準化。
智慧工廠的建立，不僅可以大大提高勞動生產率、滿足快速交貨要求，而且還可以確保穩定的產品質量、降低制造成本，使企業變得“小而精”、具有更強的競爭力。這一點，幾乎對于所有泵制造廠都適用。
2 產品智能化
產品智能化就是將產品作為一個數據采集端，不斷地采集用戶的數據并上傳到云端，方便用戶進行管理。
美國水力協會和美國石油協會分別適時在ANSI/HI 9.6.9 -2014 "Rotary Pumps - Guideline for Condition Monitoring"（原為ANSI/HI 9.6.5 - 2000）、API670 "Machinery Protection Systems" 最新版本中介紹了無線數據傳輸技術的創新。
要想實現產品的智能化，需要使用多種傳感器對產品進行實時的監測，在發生不可逆的故障或停機之前得到較準確的診斷，及早發現問題并予以糾正。離心泵可以進行以下監測：
（1） 溫度及溫差。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。
（2） 壓力及壓差。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。
（3） 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。
（4） 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。
（5） 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。
（6） 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。
（7） 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。這是通過將儲液罐排氣口關閉至少10分鐘、而注意到壓力的增加來完成的。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[1]。
（8） 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。
機械引起的振動主要由轉子部件不平衡、軸發生彎曲或變形、動/靜零部件發生摩擦、軸承發生磨損、泵接近臨界轉速運行、零部件松動或損壞等原因所引起；水力引起的振動主要由偏離泵的最佳效率點運行、泵送介質發生汽化、葉輪葉片太靠近蝸舌（cutwater）運行、內部回流等原因所引起[2]。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。
（9） 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。
（10） 功耗。檢查泵的效率，預測發熱問題。
（11） 軸向位移。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。
（12） 間隙。趨近式表可以記錄開式葉輪與泵殼之間的間隙。
（13） 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。
（14） 含水量。通過對潤滑油含水量的檢測，預測潤滑油的更換周期。
產品的智能化離不開人工智能AI。對于傳統制造業 - 離心泵行業來說，一種最便捷快速地實現產品智能化的途徑是“與AI公司進行深度合作”，對傳統制造設備賦予智能化的功能，從而實現與AI的有機融合。
3 生產服務化
設備制造商通過網絡可以實時監控設備在用戶現場的運行狀況，以判斷產品什么時候需要維修和保養。在這個階段，所有制造商都會向服務商轉型。
《中國制造2025》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。在這方面，發達國家已經走了很長的路。
2010年德勤咨詢公司對全球80家領先制造業公司進行了一個調查，調查結果顯示，服務收入占銷售收入的平均值為26%（而我國不足10%）；服務凈利潤貢獻率平均值達46%。美國GE公司50% 以上的利潤來源于服務。
要想做到生產服務化，必須能為用戶提供最優化的、全方位的解決方案。對于離心泵行業來說，可以從以下三個方面著手：
（1） 產品
- 由泵制造商提供完整的泵送系統，而不是將單臺泵送到現場然后由承包商或工廠人員安裝。這些系統將泵放置在預先制造的結構上，并將所有的輔助設備、管路和電氣裝配成一個完整的單元。這種“打包泵送系統”有助于最大限度地減少安裝不當的外部影響，提高泵的性能。
德國KSB公司在供水（泵）系統上配備了控制單元Controlmatic，根據壓力或流量的變化，自動控制泵的啟動或停機；在消防泵上配備了自動消防系統EDS、DU/EU等。
瑞士SULZER公司可為市政廢水泵站用泵配置不同的控制器和監測設備，用以幫助泵站在整個生命周期中最大限度地降低運營成本、并提高運行可靠性。
Xylem公司的Lowara智能泵系列配備內置的超高效IE5永磁電機，以實現商業建筑的供水和暖通空調應用的最佳性能。該公司為迪拜的哈利法塔采用了完全集成的系統，可以控制酒店水箱的水位，并控制流量、壓力和溫度。
美國FLOWSERVE公司開發了基于網絡的軟件程序 - IPS觀察平臺和Flowstar.net，可以實現：通過簡化的示意圖查看性能狀態；監控實時設備性能；進行預測分析；基于事實和可證實數據的糾正措施建議；回顧設備歷史信息；管理設備更換、維修、保養、調整的時間及成本等。
在“打包泵送系統”方面，國內也有不少泵廠具有非常成熟的設計與運行經驗，例如上海邦浦實業集團有限公司的智能供水系統等。
- 為用戶老產品的改造提供最優化的解決方案。
以中國電建集團上海能源裝備有限公司為例，他們為不少火電廠用戶提供過鍋爐給水泵節能改造整體方案。
案例1. 電動給水泵變頻改造
在整個電動給水泵組（前置泵+電動機+液力偶合器+鍋爐給水泵）中，前置泵、電動機及鍋爐給水泵的效率相對穩定，但是，由于設計規程設計余量較大以及高峰運行的需要，導致電動給水泵組在實際運行時，偶合器的實際運行效率遠小于其設計效率。
變頻改造方案：普通電動機改為變頻電機，同時偶合器改為齒輪箱。已有多項業績：大唐貴州野馬寨電廠3×200MW機組、山西永濟電廠2×330MW機組、崇信電廠2×660MW機組等。
案例2. 電泵改汽泵
為了減少電廠用電負荷，目前電改汽項目很多，將案例1中的驅動方式改為小汽機+減速箱。小汽機采用雙軸伸，一端直接驅動給水泵，另一端與減速箱一起驅動前置泵。已有多項業績：華能淮陰電廠、山西華光電廠、呼和浩特金橋電廠等。
- 為新上項目提供符合國家最新政策、滿足市場更高要求的產品。
以上海凱士比泵有限公司電站泵為例，為滿足市場（安全可靠、高效節能）的要求，從2013年開始投入了5000多萬元人民幣進行技術改造，對鍋爐給水泵整體性能進行大幅度的提升。2015年投產的泰州電廠二次再熱發電機組目前是世界上參數最高、效率最高的機組，也是我國燃煤電廠技術發展水平的集中展現。
其中，上海凱士比泵有限公司交付的CHTD7型泵揚程達到4136米，效率達到85.2 %，跨進國際先進水平。2015年獲得的方家莊電廠供貨合同，CHTD9型鍋爐給水泵的效率達到86.8 %，處于國際領先水平。
目前，上海凱士比泵有限公司超超臨界機組三大主要用泵（鍋爐給水泵、凝結水泵和循環水泵）產能達到150臺，國內市場占有率均達到30 % 以上，而且是目前國內唯一能提供超超臨界機組三大泵的企業。
（2） 維護
傳統的維護方式多為反應式維護（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，從而防止設備發生故障）。
預測性維護是在產品出現故障、用戶要求之前派出技術服務人員對產品進行維護，這是制造業所追求的終極目標。
在這方面，目前國內外離心泵行業也僅在少數監測項目上有所突破，如吉林宇琦泵業有限公司與國際著名的預測性維護ITR公司合作，通過對離心泵振動變化的監測，準確判斷出其存在的問題或將要發生的故障，不僅為中國石化用戶解決了目前存在的現實問題，而且為他們以后的維護工作提供了準確的解決方案。
為了迅速適應生產和高效地響應不斷變化的條件及新訂單，KSB公司開發了適用于智能手機和平板電腦的Sonolyzer APP，可以在20秒內確定定速泵的效率（見圖1）。
它通過記錄電動機風扇發出的噪音，將其與用戶輸入的性能數據相匹配。然后將用戶輸入的性能數據與制造商開發的水力數據庫相關聯，APP可以確定泵是否在部分負荷下運行，并通過優化水力系統或驅動設備來讓用戶知道是否存在節能空間。
西門子的“智能水管理”方案解決了水務行業面臨的特殊挑戰，包括檢測高成本的泄漏、高耗能泵站的成本以及強降雨期間廢水的破壞性影響。研究估計，高達40%的水通常會被泄漏掉，可以使用智能分析解決方案進行回收，這些泄漏導致的電力成本可以降低30%[3]。
對于一些危險工況，例如核電站核島內設備的維護，由于設備本身或其運行環境具有放射性，同時還兼有高溫、高壓等特點，利用機器人進行設備檢修或以大幅提高核電站的檢修水平或事故處理效率，降低工作人員受輻照劑量和勞動強度，致力于開發出適應核輻射環境、性能先進可靠的核電站機器人一直是核工業界追求的目標。
在這方面，歐美日等西方發達國家都投入了大量的人力、物力進行了核電智能機器人的研發，并且已研制出可以真正適應高輻射環境、實現遠距離操作的核電站機器人，如德國的EMSM系列、法國SRA公司的FOSAR系列等[4]。
但是核島泵用維護機器人還未出現，目前仍普遍采用安裝于設備上的專用工具對設備進行拆裝維護，無法降低操作人員的輻照劑量。即使是這樣的拆裝工具，一套往往也高達千萬甚至數千萬人民幣。
隨著我國核電產業規模及市場的不斷擴大，對于國內一些有實力的泵公司，建議首先可以從拆裝維護用的遙控機械臂開始、與工業機器人公司合作，研發出適合輻射環境、降低工作人員勞動強度及輻照、遠程控制技術的自動化工具，作為企業利潤的一個新的增長點。待具有一定的技術積累和使用經驗以后，再開發出融合先進的傳感技術、視覺處理技術、驅動技術和遠程控制技術的自動化、智能化的核電站機器人。
（3） 服務
離心泵在很多場合是維持（系統）流程穩定的重要設備，通過物聯網技術對其安全可靠性進行監控是非常必要的。
- 可以為用戶難以維護或難以訪問的遠程離心泵提供智能解決方案。用戶隨時隨地可以使用智能手機、平板電腦或計算機通過物聯網對其進行訪問。備件也可以從泵制造商的ERP系統中看到，而無需接觸ERP操作員。這樣可以大大減少流程停機時間、降低維修和運營成本、節省能源、增加利潤。
- 對于有實力的泵公司，除了向用戶提供設備以外，還可以在設備整個生命周期內，為用戶提供操作、運行管理、維修及維護、網絡安全系統等全套服務。
- 采用租賃、甚至無償使用（利潤分成）的形式向用戶提供產品、產品維修及服務。
4 大數據和云計算
對于收集到的大量運行狀態信息需要計算的支持。通過使用數據、遠程控制和分析，改變用戶的運營方式，并幫助他們提高運營效率。
如何從海量的運行狀態信息中準確地對故障做出預測或診斷？
案例. 壓力油潤滑推力軸承溫度偏高的原因分析
傳感器提供的監測信息如下：
（1） 軸承溫度偏高；
（2） 冷卻水和潤滑油壓力正常；
（3） 冷卻水和潤滑油溫度正常；
（4） 泵殼體應變正常；
（5） 軸向力應變正常；
（6） 潤滑油含水量正常；
（7） 機械密封開始出現泄漏；
（8） 軸承座振動超標，振動頻率以1倍頻為主。
由上述信息可以得出：軸承溫度偏高與冷卻水和潤滑油無關；機械密封開始出現泄漏與振動相關；而引起振動超標的振動頻率以1倍頻為主，由此可以判斷軸承溫度偏高是由振動（1倍頻）引起的。
1倍頻偏高，說明：
（1） 轉子不平衡；
（2） 軸彎曲；
（3） 機械松動。
由于上述泵型為成熟產品，且出廠前進行動平衡試驗、機械運轉試驗時一切正常，最終判斷軸承溫度偏高的原因由機械松動所引起。建議檢查泵支撐底座是否松動。
說明：以上僅提供一種可參考的預測或診斷思路，結果不一定非常準確。
制造業只有與云計算相互融合才能真正稱得上智能制造。云計算，是用足夠低的成本、商業化的模式來解決大計算的問題。如果沒有計算能力，就談不上大數據時代，就談不上海量數據的高效應用。阿里云認為：計算的終極意義是發揮數字的力量，去解決問題、創造價值。
老牌制造企業美國通用電氣公司（GE）在2015年推出了工業互聯網云平臺Predix，其希望Predix云平臺能夠通過數據升級工業設計與制造。僅僅一年后，德國西門子公司也推出了MindSphere工業云平臺，一個基于云端開放的物聯網操作系統。
中國企業同樣在積極探索。2016年，徐工集團宣布和阿里云簽約共同搭建“徐工工業云”（XCMG-Cloud），雙方在中間件平臺上協同建設共享服務中心；在軟件平臺上實現協同設計云、全球物聯網、智能供應鏈、智能工廠等等。
“到云上去”是傳統制造業向智能制造轉型升級的必由之路。企業上云、以云計算技術和平臺為支撐，不僅可以對產品進行故障預測或診斷、提高效率、穩定產品質量，而且還可以預測產品技術發展趨勢以及市場需求，為公司的發展決策、產品轉型升級提供依據。
不過，對于國計民生具有重大影響的火電廠及核電站用離心泵，出于安全考慮，通常不適用于云計算。
英國智庫Chatham研究所的2015年度報告中指出，已經發生了大約50起襲擊核電站控制系統網絡的事件，核電站遭受嚴重網絡攻擊的風險越來越大。
2003年，Slammer蠕蟲病毒癱瘓了俄亥俄州Davis Besse核電站的網絡，并使得其中一個安全監控系統失效5小時。萬幸的是，當時該核電廠處于離線的狀態。
2006年8月，亞拉巴馬州的Browns Ferry核電站的兩個部件出現了故障：反應堆冷卻劑泵和冷凝器去礦化物控制器。這些故障導致電廠的3號機組不得不手動關閉。在這個事件中，造成問題的原因是微處理器在兩個故障設備中的以太網發送和接收數據時，由于網絡傳輸量過大導致失效。
2010年9月，伊朗核設施突遭來源不明的網絡病毒攻擊事件，導致納坦茲離心濃縮廠的上千臺離心機報廢，剛封頂的布什爾核電站不得不取出核燃料并延期啟動，事件所造成的嚴重后果，令世人震驚。
5 面臨的困難
高校人才培養不僅與產業發展需求脫節，而且忽視基礎教育。很多高學歷畢業生居然不會寫郵件、不會編輯文檔、不會撰寫科研報告，甚至很多從事制造業技術工作的畢業生無法將自己設計的機械零部件準確地表達出來（不懂機械制圖標準、不會標注尺寸）。
能夠沉下心來踏踏實實地從事傳統制造業技術工作的人員越來越少，有經驗的高技術人才、特別是跨界復合型人才嚴重缺乏。
缺少資金。技術轉型升級需要花費大量的資金，如何籌措這方面的資金（政府資助、公司上市、眾籌、風投或引進其它社會資金？）成了考驗傳統制造業領導智慧的嚴峻問題。
市場對自主創新的、傳統行業的智能產品不夠信任。
市場營利的短期行為盛行，抑制了智能制造的積極性。
6 展望與信心
2018年第2季度，美國的GDP增速震撼世界 - 達到驚人的4.1 %，而同期，世界主要發達經濟體經濟增速普遍在1~2 %。美國何以能實現這種高增長？一個最主要的原因是中、高端制造業（實體經濟）的回歸。只有實體經濟才是經濟的根本，是一個國家可持續發展的關鍵，也是建設世界強國的必由之路！傳統制造業的轉型升級是大勢所趨。
正如《中國制造2025》中所描繪的：當前，新一輪科技革命和產業變革與我國加快轉變經濟發展方式形成歷史性交匯，國際產業分工格局正在重塑。必須緊緊抓住這一重大歷史機遇，按照“四個全面”戰略布局要求，實施制造強國戰略，加強統籌規劃和前瞻部署，力爭通過三個十年的努力，到新中國成立一百年時，把我國建設成為引領世界制造業發展的制造強國，為實現中華民族偉大復興的中國夢打下堅實基礎。
未來的離心泵將全面走向自動化、智能化和集成化。
在大數據的支持下，借助現代計算機仿真技術，未來離心泵的結構設計和水力設計將變得相對簡單、快捷；而泵本體的節能增效將變得越來越困難。
未來的離心泵將完全是模塊化設計，根據不同用戶的不同需求，增加或減少不同功能的模塊。
作為系統中的一個設備，未來離心泵將會與系統一起進行最優化的設計，以追求系統整體高效為最終目標。
未來的離心泵在加工制造上會普遍使用一些先進的制造技術，如增材制造、仿生制造、柔性制造等。
未來的離心泵通過大數據、云計算，將會實現預測性維護，很少會出現意外停機的狀況。
未來的離心泵將會與機器人融合成為智能泵：可以實現數據收集、優化運行、故障診斷、人泵對話，甚至具有深度學習及故障自我修復的功能。
對于中國的離心泵行業，我們充滿期待。
