工業企業能耗在線監測數據傳輸設備遠程運維研究

吳佩林?馬骉

摘要：全國重點用能單位已相繼上線運行能耗在線監測系統，并上傳省級、國家級平臺。政府部門將運用能耗監測數據開展能耗大數據分析應用，實施能源宏觀分析與戰略規劃、開展能源消費總量與強度“雙控”形勢分析、實施節能監察、制定節能標準等。為保障工業企業能源數據傳輸的及時性、穩定性和可靠性，針對數據傳輸關鍵環節——傳輸設備的運維活動開展研究工作，解構數據傳輸結構，定位數據傳輸設備常見故障，提出傳輸設備運維的可行機制和可靠技術，為工業企業能耗在線監測傳輸設備的運維能力提升和發展具有良好的指導意義。

關鍵詞：能耗監測；智能網關；端設備；遠程維護；預測性維護

一、前言

工業企業為深入貫徹落實國家節能減排政策，努力實現“雙控”目標、“雙碳”目標，建立能源計量管理體系，新增和改造能源計量器具，融合自動化、信息化技術，實施能源消耗的在線監測，對能源消耗情況進行分析和評估，并對能源消耗情況進行定期報告。根據《重點用能單位能耗在線監測系統推廣建設工作方案》要求，我國重點用能單位應開展接入端系統建設，將能源消費數據準確、完整、及時接入到省級平臺或國家平臺[1]。工業企業為降低能源成本，實現綠色、高效、可持續發展，應建立完善的能源管理體系，將能耗監測、能耗分析、能耗控制等工作有機地整合起來，依靠先進的數據采集、傳輸設備和技術實現能耗在線監測。工業企業能耗在線監測數據傳輸設備遠程運維，它旨在通過先進的技術手段，實現對工業企業能耗的實時監測和遠程控制。這項技術的核心是數據傳輸設備，它可以實現對工業企業的各種設備和系統的遠程監測和控制。為確保能耗監測系統中能耗數據準確可信，保證在線率與大數校核準確率[2]，實施信息化與智能化監測運維[3]活動，是現代企業必不可少的一項技術和服務。而數據傳輸設備遠程運維可以大大提高設備維護效率，同時降低運維成本和人力資源的浪費。通過遠程監控和管理、遠程診斷和維修、遠程升級和配置、遠程安全管理等多種技術和方法，可以實現對數據傳輸設備的全面遠程運維，為企業的能耗監測與管理提供有力的支持和保障。

二、 能耗在線監測數據傳輸過程與設備

（一）數據傳輸過程

根據《重點用能單位能耗在線監測系統技術規范 第4部分 端設備接口協議規范（試行）》要求，企業的能耗相關數據通過有線或無線網絡傳輸到能耗在線監測端設備。能耗在線監測端設備對采集到的數據進行匯總、驗證、篩選、整理打包后[4]，將數據上傳至省級、國家級系統平臺。

企業主要構建儀器儀表－數據傳輸設備－能耗在線監測端設備的系統結構實施能耗數據的上傳，如圖1所示。數據傳輸設備的主要作用是將企業的各種設備和系統的數據進行集中，再傳輸到端設備，由端設備連接互聯網之后，加密上傳省級、國家級能耗監測平臺。

（二）數據傳輸設備

結合各企業實際，數據傳輸設備可以通過多種方式進行數據傳輸，包括有線和無線傳輸。有線傳輸主要通過網線、光纖等方式，通過Modbus-TCP、OPC等協議進行傳輸，無線傳輸主要通過Wi-Fi、Lora、NB-IoT和4G/5G等方式實現。為保障數據傳輸的穩定可靠，數據傳輸設備的運行維護工作至關重要，主要涉及無線數傳電臺、數據采集網關、智能網關、DTU&RTU等。

1.無線數傳電臺

無線數傳電臺是一種無線通信設備，用于在短距離范圍內傳輸數據[5]，應用于無線遙控、無線監測、無線數據傳輸等場景。無線數傳電臺根據其所使用的通訊協議，主要類型有藍牙、Wi-Fi、ZigBee、Lora等。因工業企業能耗監測具有數據傳輸量小、數據傳輸距離遠的特點，多采用Lora（長距離傳輸技術），能夠實現3km以內良好視距的高效、穩定傳輸，且功耗低、抗干擾能力強。

2.串口服務器

串口服務器是一種用于采集和傳輸數據的設備，通常具有模擬輸入、數字輸入、串口、以太網等多種接口，可以連接各種傳感器、儀器儀表、PLC等設備，使用網線將能耗數據傳輸至企業數據中心。它是構建DCS、SIS、EMS、MES等企業管理系統，以及工業物聯網、工業互聯網平臺的重要組成。但因其常常部署于企業生產局域網，設備運行監測與維護主要在線下實施。

3.智能網關

智能網關是綜合串口服務器、通信管理機、無線路由等設備，并結合NB-IoT、4G、5G無線通信技術研制而成的新型集成化、智能化工業物聯網設備。主要功能包括協議轉換、數據處理、安全防護、遠程管理和邊緣計算。

4.DTU&RTU

DTU和RTU都是利用2G/3G/4G移動通信技術研制的，用于數據采集和傳輸的設備，都可以實現數據的遠程傳輸。DTU（Data Transfer Unit）是數據傳輸單元，通常安裝在數據采集設備或控制器上，通過無線或有線網絡將采集到的數據傳輸到遠程服務器或云平臺，實現遠程監控和控制。

RTU（Remote Terminal Unit）是遠程終端單元，通常安裝在現場設備或控制器上，負責采集和處理現場數據，并將處理后的數據傳輸到上位機或控制中心。數據采集端設備安裝于工業企業，用于采集、分析、匯總上述設備和DCS、EMS、MES、ERP等信息系統的能耗數據，并將數據上傳到管理部門監測平臺。

端設備的遠程監控接口，能夠提供設備硬件（CPU、內存、硬盤等）工作狀態、應用程序運行狀態、設備操作系統信息（操作系統類型、版本）等遠程監控信息和監控錯誤日志信息，實施遠程運維。

綜上所述，能耗在線監測設備遠程運維的對象主要是智能網關、DTU&RTU和端設備，部分無線數傳電臺、串口服務器可以間接實施遠程運維。

三、傳輸設備常見故障分析

工業企業能耗在線監測數據傳輸設備在運行過程中可能會出現一些常見故障，以下是一些常見故障及相應的遠程維護技術解決方案。

（一）通信故障

數據傳輸設備可能會出現通信故障，如信號干擾、傳輸線路中斷、通信協議錯誤、通信卡故障、通信流量溢出、通信欠費等問題。信號干擾指通信設備運行過程中，所處電磁環境因企業設備改造、建筑環境更新、通訊設施安裝等，導致傳輸設備無法連接到網絡或者網絡連接不穩定。傳輸線路中斷常見于傳輸天線位置發生改變、設備老化、線路故障等，也可能因現場儀表檢修、更換、拆卸、人員操作錯誤等原因，拔除通信電纜，中斷通信鏈路。通信協議錯誤通常發生在傳輸設備斷電重啟或者宕機后，傳輸設備配置文件錯誤、配置信息丟失，導致通信故障。通信卡故障主要指安裝于傳輸設備的SIM卡失效、接觸不良，導致通信故障。通信流量溢出和通信欠費均指通過運營商辦理的SIM卡超過套餐流量合約范圍而導致通信故障，與傳輸設備無關。

遠程維護技術可以通過網絡對設備進行診斷和調試，例如檢查通信信號狀態、設備配置、通訊費用與流量查詢等，從而找到問題原因并進行修復。另外，還有可能因運營商后臺管理系統運行故障，導致傳輸設備通信故障。

（二）設備故障

設備可能會出現硬件故障，如設備損壞、電源故障、接口損壞等。因傳輸設備可能安裝在工業現場，工作環境惡劣，長時間運行后導致設備元器件損壞。電源故障，一方面可能因為電源設備質量低劣、企業供電電源波動較大導致電源設備或線路損壞；另一方面可能因企業生產運行斷電，或者人為誤操作，導致設備斷電停機。接口損壞是指傳輸設備電源接口、通信接口等因長時間使用出現松動、接觸異常等故障。設備也可能因為傳輸設備長時間、高負荷運行，導致程序崩潰、死機，出現軟件運行錯誤等軟件故障。遠程維護技術可以通過對設備進行遠程監控，獲取設備運行狀態和故障信息，從而判斷故障原因。對于一些軟件故障，可以通過遠程固件升級或重啟設備等方式進行修復，對于硬件故障，則需要現場維修或更換設備。

（三）系統兼容性問題

數據傳輸設備與下位、上位系統之間可能存在企業系統更新后的兼容性問題，如企業自動化系統、信息系統升級迭代需要，將原有數據傳輸接口進行更新、優化、停用等，導致數據無法正常接收。遠程維護技術可以通過網絡對設備進行診斷，檢查設備配置和通信協議設置，確保與上位系統的兼容性。

（四）系統連接故障

數據傳輸設備可能會出現系統連接故障，如因省級、國家級平臺數據采集服務器運維，端設備無法連接到服務器數據采集接口，不能實現數據正常上傳。遠程維護技術可以通過對設備進行遠程監控或者消息推送，查詢數據傳輸狀態，從而找到問題原因并進行修復。

（五）網絡安全問題

聯網的數據傳輸設備還存在網絡安全的問題，主要涉及數據泄露問題、身份認證問題、網絡攻擊問題、數據篡改問題、設備漏洞問題。遠程維護技術可以通過加強傳輸設備的安全防護，如加密傳輸、身份認證、訪問控制、數據備份和恢復、更新安全補丁等一系列的安全措施強化傳輸設備網絡安全防護能力。

總之，傳輸設備的遠程運維需要根據具體情況進行，對于常見的故障可以采取相應的維護方法進行處理。同時，設備狀態信息推送、定期設備遠程檢測、加強安全防護措施也是保證設備穩定運行的重要手段。

四、遠程運維實施

（一）遠程運維工作機制

為高效實施傳輸設備遠程運維活動，建議企業和運維單位建立運維工作體制和機制，提升運維能力。

1.遠程連接建立：遠程維護人員通過網絡連接到被維護設備的遠程訪問接口或界面。

2.身份認證：遠程維護人員進行身份認證，以保證只有被授權的人員可以進行遠程維護操作。

3.遠程控制：遠程維護人員通過遠程維護工具，例如遠程桌面控制、命令行接口等，對被維護設備進行控制和操作。

4.數據傳輸：遠程維護工具通過網絡傳輸數據，例如傳輸日志、配置文件、軟件更新等。

5.維護任務執行：遠程維護人員根據實際情況，執行各種維護任務，例如定期檢查、故障診斷、設備配置、軟件更新等。

6.維護結果反饋：遠程維護人員將維護結果反饋給用戶，例如告知故障原因、修復方案、維護記錄等。

（二）遠程運維技術

遠程維護技術可以幫助工程師不在現場的情況下，對數據傳輸設備進行診斷、調試和維護，提高設備運行穩定性和數據傳輸可靠性。

1.運維方法

（1）遠程監控和管理

遠程監控和管理是傳輸設備遠程運維的核心技術之一。通過遠程監控和管理，運維人員可以隨時隨地對設備進行遠程監控、操作和管理，包括設備的狀態、運行情況、故障報警、數據備份等，提高設備的可靠性和穩定性。

（2）遠程診斷

遠程診斷主要針對傳輸設備傳輸的能源數據和日志等信息，利用數據分析、機器學習等技術，及時發現和預測設備故障。

（3）遠程升級和配置

遠程升級和配置是傳輸設備遠程運維的另一個重要技術。通過遠程升級和配置，運維人員可以對設備進行遠程升級和配置，包括固件升級、軟件升級、配置文件更新等，保證設備始終處于最新的狀態，同時也可以避免因為配置錯誤導致的故障和問題。

（4）遠程安全管理

遠程安全管理是運維人員對設備進行安全管控，包括遠程訪問控制、遠程認證、遠程加密等，保證設備的安全性和可靠性，同時也可以避免因為安全漏洞造成的數據泄露和損失。

2.維護工具

常用的遠程維護工具主要包括VPN、遠程桌面控制、Web監控界面、遠程命令行接口等。

（1）VPN（虛擬專用網絡）：通過VPN技術，可以在公共網絡上建立一條安全的加密通道，實現遠程訪問和管理網絡設備。VPN技術可以提供安全的數據傳輸和身份認證，保證數據的機密性和完整性。

（2）遠程桌面控制：遠程桌面控制技術可以實現遠程訪問和控制計算機桌面，可以遠程執行各種操作和維護任務。遠程桌面控制技術可以提高維護效率和響應速度，減少維護成本和時間。

（3）Web監控界面：Web監控界面可以通過Web瀏覽器訪問和管理網絡設備，實現設備狀態監測、故障診斷、配置管理等功能。Web監控界面可以提供友好的用戶界面和操作方式，方便用戶進行設備管理和維護。

（4）遠程命令行接口：遠程命令行接口可以通過網絡遠程訪問和管理設備，執行各種命令和維護任務，提供靈活的管理方式和高效的維護效率，適用于各種設備和系統。

（三）遠程運維與預測預警

預測性維護[6]基于大數據技術，結合了算法模型與專家系統，集成了眾多智能方法的優勢，能夠準確、實時對設備異常運行情況進行智能報警，提供故障診斷決策。遠程維護預測可以通過對設備的歷史數據進行分析和預測，提前發現設備可能出現的問題，并給出相應的預警提示。

1.基于規則的預測方法：基于專家系統的知識庫和規則庫來進行診斷和維護，通常需要手動輸入一些信息來觸發規則，然后根據規則庫中的知識來進行判斷。該算法的優點是易于理解和實現，但是需要專家不斷更新和維護規則庫，且對于復雜的問題可能無法準確診斷。

2.基于統計學習的預測方法：利用機器學習算法來進行診斷和維護[7]，通常需要大量的數據來訓練模型，然后根據模型進行判斷。該算法的優點是可以自動學習和更新模型，對于復雜的問題也能夠進行較準確的診斷，但是需要大量的數據來訓練模型。

3.基于深度學習的預測方法：利用深度神經網絡來進行診斷和維護，通常需要大量的數據和計算資源來訓練模型，然后根據模型來進行判斷。該算法的優點是可以自動學習和更新模型，對于非常復雜的問題也能夠進行較準確的診斷，但是需要大量的數據和計算資源來訓練模型。

五、結語

工業企業能耗在線監測系統在全國各地大面積建設和運行，能耗數據傳輸設備的高效、穩定運行是企業實施能源監測與管理的關鍵環節，是政府部門實現“雙控”“雙碳”目標的基礎數據保障。本文對能耗數據傳輸設備類型、常見故障進行準確全面分析，針對傳輸設備安裝運行后的遠程維護活動，從機制、技術和新方法方面提出綜合解決方案。下一步的研究重點是提取能耗數據特征，運用機器學習算法，搭建能耗在線監測數據傳輸設備的預測性維護模型，實施靶向運維，提高運維效能。

參考文獻

[1]國家發展改革委，質檢總局.關于印發《重點用能單位能耗在線監測系統推廣建設工作方案》的通知[1711][Z].2017-09-25.

[2]何影，唐振忠，易檢長.深圳市公共建筑能耗監測系統運行維護研究[J].建筑科技，2019（06）：19-23.

[3]胡宏明，張波.設備預防預測性維護應用[J].設備管理與維修，2022（11）：58-60.

[4]國家發展改革委環資司 國家節能中心.重點用能單位能耗在線監測系統技術規范 第4部分 端設備接口協議規范（試行）[Z].2018-05-04.

[5]徐友剛，朱能，李建寧，等.基于無線數傳電臺的箱式變電站溫度在線監測系統設計與應用[J].電力與能源，2017（04）：435-437.

[6]許越.設備管理及預測性維護系統在水泥工廠中的應用[J].水泥技術，2022（06）：29-35.

[7]禹鑫燚，施甜峰，唐權瑞，等.面向預測性維護的工業設備管理系統[J].計算機科學，2020（47）：667-672+677.