工业企业能耗在线监测数据传输设备远程运维研究

吴佩林?马骉

摘要：全国重点用能单位已相继上线运行能耗在线监测系统，并上传省级、国家级平台。政府部门将运用能耗监测数据开展能耗大数据分析应用，实施能源宏观分析与战略规划、开展能源消费总量与强度“双控”形势分析、实施节能监察、制定节能标准等。为保障工业企业能源数据传输的及时性、稳定性和可靠性，针对数据传输关键环节——传输设备的运维活动开展研究工作，解构数据传输结构，定位数据传输设备常见故障，提出传输设备运维的可行机制和可靠技术，为工业企业能耗在线监测传输设备的运维能力提升和发展具有良好的指导意义。

关键词：能耗监测；智能网关；端设备；远程维护；预测性维护

一、前言

工业企业为深入贯彻落实国家节能减排政策，努力实现“双控”目标、“双碳”目标，建立能源计量管理体系，新增和改造能源计量器具，融合自动化、信息化技术，实施能源消耗的在线监测，对能源消耗情况进行分析和评估，并对能源消耗情况进行定期报告。根据《重点用能单位能耗在线监测系统推广建设工作方案》要求，我国重点用能单位应开展接入端系统建设，将能源消费数据准确、完整、及时接入到省级平台或国家平台[1]。工业企业为降低能源成本，实现绿色、高效、可持续发展，应建立完善的能源管理体系，将能耗监测、能耗分析、能耗控制等工作有机地整合起来，依靠先进的数据采集、传输设备和技术实现能耗在线监测。工业企业能耗在线监测数据传输设备远程运维，它旨在通过先进的技术手段，实现对工业企业能耗的实时监测和远程控制。这项技术的核心是数据传输设备，它可以实现对工业企业的各种设备和系统的远程监测和控制。为确保能耗监测系统中能耗数据准确可信，保证在线率与大数校核准确率[2]，实施信息化与智能化监测运维[3]活动，是现代企业必不可少的一项技术和服务。而数据传输设备远程运维可以大大提高设备维护效率，同时降低运维成本和人力资源的浪费。通过远程监控和管理、远程诊断和维修、远程升级和配置、远程安全管理等多种技术和方法，可以实现对数据传输设备的全面远程运维，为企业的能耗监测与管理提供有力的支持和保障。

二、 能耗在线监测数据传输过程与设备

（一）数据传输过程

根据《重点用能单位能耗在线监测系统技术规范 第4部分 端设备接口协议规范（试行）》要求，企业的能耗相关数据通过有线或无线网络传输到能耗在线监测端设备。能耗在线监测端设备对采集到的数据进行汇总、验证、筛选、整理打包后[4]，将数据上传至省级、国家级系统平台。

企业主要构建仪器仪表－数据传输设备－能耗在线监测端设备的系统结构实施能耗数据的上传，如图1所示。数据传输设备的主要作用是将企业的各种设备和系统的数据进行集中，再传输到端设备，由端设备连接互联网之后，加密上传省级、国家级能耗监测平台。

（二）数据传输设备

结合各企业实际，数据传输设备可以通过多种方式进行数据传输，包括有线和无线传输。有线传输主要通过网线、光纤等方式，通过Modbus-TCP、OPC等协议进行传输，无线传输主要通过Wi-Fi、Lora、NB-IoT和4G/5G等方式实现。为保障数据传输的稳定可靠，数据传输设备的运行维护工作至关重要，主要涉及无线数传电台、数据采集网关、智能网关、DTU&RTU等。

1.无线数传电台

无线数传电台是一种无线通信设备，用于在短距离范围内传输数据[5]，应用于无线遥控、无线监测、无线数据传输等场景。无线数传电台根据其所使用的通讯协议，主要类型有蓝牙、Wi-Fi、ZigBee、Lora等。因工业企业能耗监测具有数据传输量小、数据传输距离远的特点，多采用Lora（长距离传输技术），能够实现3km以内良好视距的高效、稳定传输，且功耗低、抗干扰能力强。

2.串口服务器

串口服务器是一种用于采集和传输数据的设备，通常具有模拟输入、数字输入、串口、以太网等多种接口，可以连接各种传感器、仪器仪表、PLC等设备，使用网线将能耗数据传输至企业数据中心。它是构建DCS、SIS、EMS、MES等企业管理系统，以及工业物联网、工业互联网平台的重要组成。但因其常常部署于企业生产局域网，设备运行监测与维护主要在线下实施。

3.智能网关

智能网关是综合串口服务器、通信管理机、无线路由等设备，并结合NB-IoT、4G、5G无线通信技术研制而成的新型集成化、智能化工业物联网设备。主要功能包括协议转换、数据处理、安全防护、远程管理和边缘计算。

4.DTU&RTU

DTU和RTU都是利用2G/3G/4G移动通信技术研制的，用于数据采集和传输的设备，都可以实现数据的远程传输。DTU（Data Transfer Unit）是数据传输单元，通常安装在数据采集设备或控制器上，通过无线或有线网络将采集到的数据传输到远程服务器或云平台，实现远程监控和控制。

RTU（Remote Terminal Unit）是远程终端单元，通常安装在现场设备或控制器上，负责采集和处理现场数据，并将处理后的数据传输到上位机或控制中心。数据采集端设备安装于工业企业，用于采集、分析、汇总上述设备和DCS、EMS、MES、ERP等信息系统的能耗数据，并将数据上传到管理部门监测平台。

端设备的远程监控接口，能够提供设备硬件（CPU、内存、硬盘等）工作状态、应用程序运行状态、设备操作系统信息（操作系统类型、版本）等远程监控信息和监控错误日志信息，实施远程运维。

综上所述，能耗在线监测设备远程运维的对象主要是智能网关、DTU&RTU和端设备，部分无线数传电台、串口服务器可以间接实施远程运维。

三、传输设备常见故障分析

工业企业能耗在线监测数据传输设备在运行过程中可能会出现一些常见故障，以下是一些常见故障及相应的远程维护技术解决方案。

（一）通信故障

数据传输设备可能会出现通信故障，如信号干扰、传输线路中断、通信协议错误、通信卡故障、通信流量溢出、通信欠费等问题。信号干扰指通信设备运行过程中，所处电磁环境因企业设备改造、建筑环境更新、通讯设施安装等，导致传输设备无法连接到网络或者网络连接不稳定。传输线路中断常见于传输天线位置发生改变、设备老化、线路故障等，也可能因现场仪表检修、更换、拆卸、人员操作错误等原因，拔除通信电缆，中断通信链路。通信协议错誤通常发生在传输设备断电重启或者宕机后，传输设备配置文件错误、配置信息丢失，导致通信故障。通信卡故障主要指安装于传输设备的SIM卡失效、接触不良，导致通信故障。通信流量溢出和通信欠费均指通过运营商办理的SIM卡超过套餐流量合约范围而导致通信故障，与传输设备无关。

远程维护技术可以通过网络对设备进行诊断和调试，例如检查通信信号状态、设备配置、通讯费用与流量查询等，从而找到问题原因并进行修复。另外，还有可能因运营商后台管理系统运行故障，导致传输设备通信故障。

（二）设备故障

设备可能会出现硬件故障，如设备损坏、电源故障、接口损坏等。因传输设备可能安装在工业现场，工作环境恶劣，长时间运行后导致设备元器件损坏。电源故障，一方面可能因为电源设备质量低劣、企业供电电源波动较大导致电源设备或线路损坏；另一方面可能因企业生产运行断电，或者人为误操作，导致设备断电停机。接口损坏是指传输设备电源接口、通信接口等因长时间使用出现松动、接触异常等故障。设备也可能因为传输设备长时间、高负荷运行，导致程序崩溃、死机，出现软件运行错误等软件故障。远程维护技术可以通过对设备进行远程监控，获取设备运行状态和故障信息，从而判断故障原因。对于一些软件故障，可以通过远程固件升级或重启设备等方式进行修复，对于硬件故障，则需要现场维修或更换设备。

（三）系统兼容性问题

数据传输设备与下位、上位系统之间可能存在企业系统更新后的兼容性问题，如企业自动化系统、信息系统升级迭代需要，将原有数据传输接口进行更新、优化、停用等，导致数据无法正常接收。远程维护技术可以通过网络对设备进行诊断，检查设备配置和通信协议设置，确保与上位系统的兼容性。

（四）系统连接故障

数据传输设备可能会出现系统连接故障，如因省级、国家级平台数据采集服务器运维，端设备无法连接到服务器数据采集接口，不能实现数据正常上传。远程维护技术可以通过对设备进行远程监控或者消息推送，查询数据传输状态，从而找到问题原因并进行修复。

（五）网络安全问题

联网的数据传输设备还存在网络安全的问题，主要涉及数据泄露问题、身份认证问题、网络攻击问题、数据篡改问题、设备漏洞问题。远程维护技术可以通过加强传输设备的安全防护，如加密传输、身份认证、访问控制、数据备份和恢复、更新安全补丁等一系列的安全措施强化传输设备网络安全防护能力。

总之，传输设备的远程运维需要根据具体情况进行，对于常见的故障可以采取相应的维护方法进行处理。同时，设备状态信息推送、定期设备远程检测、加强安全防护措施也是保证设备稳定运行的重要手段。

四、远程运维实施

（一）远程运维工作机制

为高效实施传输设备远程运维活动，建议企业和运维单位建立运维工作体制和机制，提升运维能力。

1.远程连接建立：远程维护人员通过网络连接到被维护设备的远程访问接口或界面。

2.身份认证：远程维护人员进行身份认证，以保证只有被授权的人员可以进行远程维护操作。

3.远程控制：远程维护人员通过远程维护工具，例如远程桌面控制、命令行接口等，对被维护设备进行控制和操作。

4.数据传输：远程维护工具通过网络传输数据，例如传输日志、配置文件、软件更新等。

5.维护任务执行：远程维护人员根据实际情况，执行各种维护任务，例如定期检查、故障诊断、设备配置、软件更新等。

6.维护结果反馈：远程维护人员将维护结果反馈给用户，例如告知故障原因、修复方案、维护记录等。

（二）远程运维技术

远程维护技术可以帮助工程师不在现场的情况下，对数据传输设备进行诊断、调试和维护，提高设备运行稳定性和数据传输可靠性。

1.运维方法

（1）远程监控和管理

远程监控和管理是传输设备远程运维的核心技术之一。通过远程监控和管理，运维人员可以随时随地对设备进行远程监控、操作和管理，包括设备的状态、运行情况、故障报警、数据备份等，提高设备的可靠性和稳定性。

（2）远程诊断

远程诊断主要针对传输设备传输的能源数据和日志等信息，利用数据分析、机器学习等技术，及时发现和预测设备故障。

（3）远程升级和配置

远程升级和配置是传输设备远程运维的另一个重要技术。通过远程升级和配置，运维人员可以对设备进行远程升级和配置，包括固件升级、软件升级、配置文件更新等，保证设备始终处于最新的状态，同时也可以避免因为配置错误导致的故障和问题。

（4）远程安全管理

远程安全管理是运维人员对设备进行安全管控，包括远程访问控制、远程认证、远程加密等，保证设备的安全性和可靠性，同时也可以避免因为安全漏洞造成的数据泄露和损失。

2.维护工具

常用的远程维护工具主要包括VPN、远程桌面控制、Web监控界面、远程命令行接口等。

（1）VPN（虚拟专用网络）：通过VPN技术，可以在公共网络上建立一条安全的加密通道，实现远程访问和管理网络设备。VPN技术可以提供安全的数据传输和身份认证，保证数据的机密性和完整性。

（2）远程桌面控制：远程桌面控制技术可以实现远程访问和控制计算机桌面，可以远程执行各种操作和维护任务。远程桌面控制技术可以提高维护效率和响应速度，减少维护成本和时间。

（3）Web监控界面：Web监控界面可以通过Web浏览器访问和管理网络设备，实现设备状态监测、故障诊断、配置管理等功能。Web监控界面可以提供友好的用户界面和操作方式，方便用户进行设备管理和维护。

（4）远程命令行接口：远程命令行接口可以通过网络远程访问和管理设备，执行各种命令和维护任务，提供灵活的管理方式和高效的维护效率，适用于各种设备和系统。

（三）远程运维与预测预警

预测性维护[6]基于大数据技术，结合了算法模型与专家系统，集成了众多智能方法的优势，能够准确、实时对设备异常运行情况进行智能报警，提供故障诊断决策。远程维护预测可以通过对设备的历史数据进行分析和预测，提前发现设备可能出现的问题，并给出相应的预警提示。

1.基于规则的预测方法：基于专家系统的知识库和规则库来进行诊断和维护，通常需要手动输入一些信息来触发规则，然后根据规则库中的知识来进行判断。该算法的优点是易于理解和实现，但是需要专家不断更新和维护规则库，且对于复杂的问题可能无法准确诊断。

2.基于统计学习的预测方法：利用机器学习算法来进行诊断和维护[7]，通常需要大量的数据来训练模型，然后根据模型进行判断。该算法的优点是可以自动学习和更新模型，对于复杂的问题也能够进行较准确的诊断，但是需要大量的数据来训练模型。

3.基于深度学习的预测方法：利用深度神经网络来进行诊断和维护，通常需要大量的数据和计算资源来训练模型，然后根据模型来进行判断。该算法的优点是可以自动学习和更新模型，对于非常复杂的问题也能够进行较准确的诊断，但是需要大量的数据和计算资源来训练模型。

五、结语

工业企业能耗在线监测系统在全国各地大面积建设和运行，能耗数据传输设备的高效、稳定运行是企业实施能源监测与管理的关键环节，是政府部门实现“双控”“双碳”目标的基础数据保障。本文对能耗数据传输设备类型、常见故障进行准确全面分析，针对传输设备安装运行后的远程维护活动，从机制、技术和新方法方面提出综合解决方案。下一步的研究重点是提取能耗数据特征，运用机器学习算法，搭建能耗在线监测数据传输设备的预测性维护模型，实施靶向运维，提高运维效能。

参考文献

[1]国家发展改革委，质检总局.关于印发《重点用能单位能耗在线监测系统推广建设工作方案》的通知[1711][Z].2017-09-25.

[2]何影，唐振忠，易检长.深圳市公共建筑能耗监测系统运行维护研究[J].建筑科技，2019（06）：19-23.

[3]胡宏明，张波.设备预防预测性维护应用[J].设备管理与维修，2022（11）：58-60.

[4]国家发展改革委环资司 国家节能中心.重点用能单位能耗在线监测系统技术规范 第4部分 端设备接口协议规范（试行）[Z].2018-05-04.

[5]徐友刚，朱能，李建宁，等.基于无线数传电台的箱式变电站温度在线监测系统设计与应用[J].电力与能源，2017（04）：435-437.

[6]许越.设备管理及预测性维护系统在水泥工厂中的应用[J].水泥技术，2022（06）：29-35.

[7]禹鑫燚，施甜峰，唐权瑞，等.面向预测性维护的工业设备管理系统[J].计算机科学，2020（47）：667-672+677.