（CS01 北京鼎实创新科技有限公司）

1.工厂能源管理主要功能及监控系统组成

工厂能源管理主要功能是对工厂内部能源消耗，如水、电、汽等公共资源的使用过程数据，进行监测、记录、分析和管理，实时监控企业各种能源的详细使用情况并与生产调度系统密切配合，完成生产与能源的协调管理，合理利用资源，最大限度地降低成本和最大限度地降低环境污染，提高企业综合竞争力。

工厂能源管理监控系统是工厂能源管理的技术平台。主要有以下系统组成：供配电监控系统、动力监控系统、给排水监控系统、环保监控系统。每个子系统是一个典型的现场及设备及仪表监控系统，一般由现场总线、现场测量仪表、保护装置、驱动装置、PLC、计算机及监控软件组成，如图1所示。

图1 工厂能源管理监控系统的组成

各个子系统通过计算机网络连接到工厂能源综合管理系统——是由计算机及网络、监控管理软件、能源管理数据库，以及能源管理专家决策软件组成，并通过工厂骨干网与工厂管理层ERP系统数据库共享数据。

图2是一个典型的能源管理监测子系统（供配电监测或动力监测系统）技术平台。底层由现场设备组成，如供配电监测系统现场设备主要是电量测量仪表、智能保护装置、智能开关等；动力监控系统现场设备主要由电动机保护MCC、电量测量与保护PCC、变频器等组成；给排水及环保监控系统则主要有测量仪表、执行机构、电动机保护等装置组成。

图2 典型的能源管理监测子系统

目前现场设备大多由智能设备组成，通常具有某种现场总线通信接口。比较流行的现场总线通信协议包括：Profibus-DP、Modbus/RTU、DeviceNet、CANopen等。但也有为数不少的基于RS485或CAN物理层的所谓企业自有协议通信接口。现场设备必须通过现场总线组网，实现信息集成，以实现现场设备监控功能。

2.实现能源管理监控系统的关键技术

1）多通信协议标准设备的组网及信息集成

在一个实际的能源监控系统中，现场设备可能具有不同协议标准的现场总线接口。如电量测量与电动机保护可能是Modbus/RTU/485，而保护装置与执行机构是Profibus-DP；甚至可能还有一些CAN接口和RS485企业自有协议接口设备，如何将这些不同通信协议接口设备组网，统一连接到以太网并将信息按照统一格式集成到能源管理数据库，这是目前从事能源监控系统集成不得不面临的现实问题。底层测量设备及执行机构通信的高速、可靠性影响到整个工程项目的成败。因此不同协议现场总线设备组网成为实现能源管理监控系统的关键技术之一。

2）海量现场总线设备组网

即使现场设备具有相同协议标准的现场总线接口，但由于现场总线技术对站点个数的限制（如RS485仅限32站点，否则要有中继），或者考虑到一条通信线路上挂接过多节点会影响通信可靠性，一般实际项目中现场设备组网采用分组的方式，一条通信线路中节点数小于32个、或小于60个。而在一个实际工厂能源管理监控系统中现场设备数量巨大，如一个化工厂仅电动机保护MCC数量在可能会有800～10000台。因此，如何将如此海量的现场设备组网成为能源监控系统的关键技术。目前比较好的技术是采用以太网现场总线网关（有的场合称为通信管理机，本文认为在此称以太网现场总线网关更合适）实现海量现场总线设备到工业以太网的组网与信息集成。

3）保证海量数据刷新的实时性

海量现场总线设备的组网必然造成海量数据集成与网络传输。海量数据传输势必造成网络数据刷新速度下降，因此海量数据传输与网络数据刷新实时性是一对矛盾。对某些能源管理监控系统来说，如电力监控子系统，就具有较高的网络数据刷新实时性要求，如小于500ms。在海量现场总线设备的组网要求条件下，保证网络数据刷新实时性要求是实现能源管理监控系统的另一项关键技术。满足该项技术要求的关键是网关的工作技术原理。基于“透明协议传输”技术的网关很难保证海量现场总线设备的组网要求条件下的数据刷新时间，只有采用所谓“存储器共享型”协议转换网关才能对保证海量现场总线设备组网条件下通信数据实时性。

图3是一个实际化工厂的工厂配电及电力监控系统（作为工厂能源管理的一个子系统），该系统对上千台MCC（电动机保护装置）、PCC（电量测量与保护装置）、智能开关保护设备组网及信息集成。其中大部分MCC采用Modbus/RTU/485协议，部分PCC及智能开关设备采用Profibus-DP协议。北京鼎实的以太网现场总线网关ETH-485-MRTU（以太网Modbus网关）和PBMG-ETH-2（以太网Profibus网关）是该系统中的关键设备。

以太网Modbus网关ETH-485-MRTU2具有2个独立（通道）的Modbus/485主站接口，不用中继可连接62台Modbus协议MCC。ETH-485-MRTU6具有6个独立（通道）Modbus/485主站接口，不用中继可连接186台Modbus协议MCC。由于Modbus通道是独立的（可同时收发），186台MCC的数据网络刷新时间与单通道（31个）相同。

图3 某化工厂的工厂配电及电力监控系统

以太网Profibus主站网关PBMG-ETH-2具有2个（物理层隔离）Profibus主站接口，不用中继可连接62台Profibus从站PCC或智能开关。PBMG-ETH-4具有4个（物理层隔离）Profibus主站接口，不用中继可连接124台Profibus从站PCC或智能开关。Profibus接口数据传输速率最高可达12M，可方便配合使用PBHUB及光纤传输模块等实现高速、可靠长距离传输。

3.以太网现场总线网关

北京鼎实创新科技有限公司是以工业控制网络异构互连为技术专长的高科技企业，专业从事协议转换网关、网桥及工业网络控制设备研制。鼎实公司的“以太网现场总线网关”专为工厂能源管理监控系统设计，针对工厂能源管理监控系统关键技术要求，产品具有如下特点：

1）适应多种通信协议现场总线设备集成要求；

2）适合海量现场总线设备组网要求；

3）网关设计技术原理保证网络数据传输实时性要求。

4.能源管理监控系统采用的主流现场总线协议标准

当前国际上流行的工业控制网络协议标准很多，不同领域、不同国家地区、不同行业都有各自比较主流的现场总线协议标准。这种现状在国内的反映也比较明显。工厂能源管理监控系统上层网络绝大多数采用工业以太网TCP/IP+Modbus/TCP协议；下层现场总线协议标准的选型主要受到以下几个方面的影响：

1）工厂所处行业，如冶金、交通、电力多数采用Profibus；石化、水工业多事采用FF；

2）现场设备的类型，如变频器、智能开关多数采用Profibus、MCC/PCC多采用Modbus或Profibus；(www.daowen.com)

3）现场设备厂家来自不同的国家、地区：欧洲多数用Profibus、CANopen、Modbus；美洲及日本多数用DviceNet、Modbus；

4）现场设备厂家设备通信技术开发水平：一些偏离工业自动化行业的现场设备厂家往往采用简单的RS485自定义协议或CAN2.0A/2.0B自定义协议，如风机、泵、电子称、一些测量仪表等。

5.鼎实以太网现场总线网关产品系列及技术特点分析

1）鼎实以太网现场总线网关产品系列（见表1）

表1 鼎实以太网现场总线网关产品系列

（续）

2）鼎实网关技术特点分析

a）产品系列支持多种现场总线协议设备，适应工程实际需要：

鼎实以太网现场总线网关目前支持Profibus、Modbus、DeviceNet、CANopen四种主流现场总线标准，这些标准在目前国内能源管理监控系统中采用较为普遍。也是国内外用于能源管理监控系统中现场设备通常具备的通信接口。至于“RS485串口企业自定义协议”设备及“CAN2.0A/2.0B企业自定义协议”设备，鼎实公司在现有网关ETH-485和ETH-CANO基础上接受用户软件协议的定制以解决个别案例的要求。

b）基于“存储器共享型网关”设计保证网络数据实时性：

鼎实网关设计原理基于“存储器共享型”网关技术，以此保证在海量现场设备组网条件下网络数据的实时性。为此，鼎实网关组态软件工具包，在现场总线一侧提供了现场设备的组网配置工具，并包括了在线仿真、诊断等功能；在以太网一侧提供了OPC、动态链接库等多种软件接口形式。

c）并行独立多通道现场总线接口保证海量现场设备组网时的高速数据刷新性能：

如以太网Modbus网关ETH-485-6，采用6个独立串口实现Modbus/RTU协议，每个物理接口可接31个Modbus/RTU从站，因此6组共计可连接186个Modbus/RTU从站而无需中继设备。6个串口可独立并行收发。这样，在以太网一侧，186个Modbus/RTU站点的数据的网络刷新时间等同于31个站点（或6组等同于1组）。

d）内置式集线器可集成大量从站设备、降低工程成本：

鼎实网关的系列产品有2口、4口、6口型号，主要为现场集成海量现场设备考虑。产品采用内置式集线器，可以节省工程安装成本，避免通信电缆敷设中安装使用中继器、集线器。

e）各种以太网现场总线网关均具有网络诊断功能—通信报文及状态记录：

鼎实公司集多年从事协议转化网关研制经验，所有以太网现场总线网关均有网络诊断功能。这些功能包括记录通信报文（带时间标签）、记录站点失败通信次数、统计通信质量等。

f）以太网Modbus/TCP协议提供多种集成接口：

以太网现场总线网关具有统一的以太网接口，技术指标为IEEE802.310M/100M TCP/IP+Modbus/TCP服务器。为方便与能源管理层计算机连接，产品提供包括OPC、动态链接库等多种形式软件接口。

g）以太网现场总线网关配置软件工具包集配置、仿真、调试、诊断多功能一体：

鼎实自主开发的以太网现场总线网关配置工具软件包，主要功能包括：

① 对网关现场总线一侧设备组网进行配置，如是Profibus总线，需要现场设备的GSD文件；如是DeviceNet总线需要EDS文件等；

② 软件自动生成“现场总线设备IO与以太网Modbus/TCP存储区地址映射关系表”；

③ 配置文件下载；

④ 在线仿真：可在线监视、设置现场总线设备数据；

⑤ 诊断功能：记录通信报文（带时间标签）、记录站点失败通信次数、统计通信质量等。

6.结束语

节能环保是企业的社会责任，工厂能源管理是现代化企业必须具有的系统功能。工厂能源管理监控系统是能源管理的技术平台，其中关键设备之一是以太网现场总线网关。工厂能源管理监控系统面临着关键技术是“海量现场设备组网”、“网络数据实时性”、“多种现场总线通信协议标准并存”。北京鼎实集多年协议转换网关设计研制经验，推出面向主流现场总线协议的以太网现场总线网关。产品基于“存储器共享型”网关设计原理，内置独立多通道现场总线接口，很好地解决了海量现场设备组网条件下的网络数据实时性问题、并具有节省工程成本、具有集成化网络诊断功能等特点。