借助單對以太網(wǎng)實現(xiàn)二氧化碳凈零排放

簡介

為了應(yīng)對氣候變化和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，90多個國家/地區(qū)正在積極制定CO2凈零排放政策。簡言之，當(dāng)人類的CO2排放量可以通過其他活動減少和抵消時，就可以實現(xiàn)凈零排放。

實現(xiàn)凈零排放的一個基本要素是減少所有行業(yè)的CO2排放量。然而，根據(jù)國際能源協(xié)會(IEA)的數(shù)據(jù)，建筑行業(yè)實現(xiàn)2050年全球CO2凈零排放目標(biāo)的進(jìn)展依然不盡人意。具體而言，2030年的目標(biāo)是與2021年相比每平方米的能耗減少35%。¹目前，建筑能耗占全球能耗的30%，為此人們擔(dān)心，除非建筑行業(yè)采取具體行動實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和自動化，否則排放目標(biāo)將無法實現(xiàn)。為了實現(xiàn)有效的自動化，需要進(jìn)行更多的實時數(shù)據(jù)采集，這超出了基于RS-485的傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的當(dāng)前吞吐量和響應(yīng)能力，面臨的挑戰(zhàn)難度進(jìn)一步升級。此外，將設(shè)備和樓宇系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)相連會帶來遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊的風(fēng)險，因此需要具備超越這些傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前水平的高級安全功能。

本文將探討單對以太網(wǎng)如何幫助建筑行業(yè)實現(xiàn)凈零目標(biāo)，同時以安全且經(jīng)濟(jì)高效的方式支持基于AI的自動化。單對以太網(wǎng)可為新設(shè)施和改造設(shè)施提供到邊緣的長距離連接，使其成為在IT和OT領(lǐng)域之間無縫傳輸數(shù)據(jù)的重要工具。

通過數(shù)字化轉(zhuǎn)型實現(xiàn)節(jié)能

IEA 2030凈零計劃³要求通過行為改變和數(shù)字化等技術(shù)減少需求，從而減少約15%的排放量。盡管教導(dǎo)人們?nèi)绾喂?jié)約能源可能有效，但I(xiàn)EA案例研究⁴指出，自動化（而非行為改變）更有可能減少能耗。

隨著商業(yè)樓宇數(shù)字化程度的不斷提高，運營商不僅能夠衡量運營績效提升情況，還為運營自動化奠定了基礎(chǔ)。借助傳感器數(shù)據(jù)和控制功能，可以優(yōu)化樓宇運行，降低能耗，同時讓樓宇內(nèi)的人員獲得更好的服務(wù)。

例如，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量為樓宇運營提出了額外的要求。ANSI/ASHRAE 62.1等新法規(guī)要求吸入更多的室外空氣，并且可能需要增加通風(fēng)量²以確保符合健康和衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求。這些通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)將導(dǎo)致能耗增加，這意味著必須進(jìn)一步降低能源需求。為了優(yōu)化運行，樓宇內(nèi)的許多HVAC系統(tǒng)必須能夠協(xié)同工作，避免系統(tǒng)之間相互沖突。

為了讓不同的HVAC、照明、消防和門禁系統(tǒng)融合操作，需要獲取正確的數(shù)據(jù)并訪問控制功能。通過融合操作可優(yōu)化AI和機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)，以根據(jù)人們當(dāng)前和計劃的活動確定理想的照明、供暖或制冷設(shè)置。通過融合操作還可以控制氣流，幫助確保適當(dāng)?shù)氖覂?nèi)空氣質(zhì)量，同時平衡能耗。

然而，由于不同的供應(yīng)商維護(hù)不同的數(shù)據(jù)庫，很難融合來自多個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)孤島。根據(jù)負(fù)責(zé)樓宇和HVAC系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享指南⁵的IEA小組的說法，接下來的挑戰(zhàn)是如何將不同的數(shù)據(jù)源整合到一個控制臺中，以便比較趨勢并應(yīng)用分析，從而產(chǎn)生新見解，如圖1所示。¹

實現(xiàn)通信基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)代化

要將樓宇內(nèi)的許多不同數(shù)據(jù)源整合，關(guān)鍵在于所用的測量和連接基礎(chǔ)設(shè)施。以前，商業(yè)樓宇中的傳感器和控制功能通過有線串行通信鏈路，借助RS-485收發(fā)器和協(xié)議（如BACnet?、Modbus和LonWorks）進(jìn)行連接。⁶

然而，RS-485是一種傳統(tǒng)接口，在吞吐量和安全性方面都受到限制。例如，在RS-485物理層上運行的BACnet MS/TP（一種常見的樓宇自動化協(xié)議）的最大波特率為115.2 kbps。¹⁰ 此外，傳統(tǒng)的通信協(xié)議（如BACnet和Modbus）是為封閉網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的，缺乏內(nèi)置的 加密和身份驗證功能。由于這些設(shè)備通過IT基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)，因此面臨極的網(wǎng)絡(luò)安全威脅。

單對以太網(wǎng)（特別是10BASE-T1L）是一種令人欣喜的新通信方法，已于2019年11月獲得IEEE 802.3cg批準(zhǔn)，現(xiàn)已部署到樓宇中。⁹支持RS-485的有線串行鏈路電纜可以重復(fù)使用，并通過這些電纜傳輸10BASE-T1L以太網(wǎng)數(shù)據(jù)。因此，現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施可適用于單對以太網(wǎng)。這具有很多優(yōu)勢：

■   節(jié)點現(xiàn)在可以支持更高的帶寬（高達(dá)10 Mbps）。

■   節(jié)點可通過IP尋址，從而簡化設(shè)備管理。

■   可延伸至1公里，足以支持現(xiàn)有RS-485布線的最大長度。與標(biāo)準(zhǔn)10 Mbps/100 Mbps以太網(wǎng)的限制（僅100米）相比，這有了顯著的改進(jìn)。¹¹

■   IEEE 802.3cg規(guī)定了15類相關(guān)要求，允許通過單根雙絞線電纜 傳輸高達(dá)52 W的功率以及10BASE-T1L數(shù)據(jù)。利用最近推出的LTC4296-1 以太網(wǎng)供電(PoE)控制器，系統(tǒng)可以為各類終端設(shè)備供電。請注意，由于電纜質(zhì)量存在差異，建議僅對新設(shè)施進(jìn)行供電。

數(shù)字化轉(zhuǎn)型之旅的第一步，應(yīng)在部署了采用標(biāo)準(zhǔn)10 Mbps/100 Mbps以太網(wǎng)的樓宇控制器的情況下，通過這些傳統(tǒng)協(xié)議基于以太網(wǎng)的版本（稱為BACnet/IP和Modbus TCP/IP）進(jìn)行通信。⁶ BACnet/IP設(shè)備使用與BACnet MS/TP傳統(tǒng)設(shè)備相同的數(shù)據(jù)對象，因此很容易實現(xiàn) 具有這兩種設(shè)備的系統(tǒng)。采用BACnet/IP和Modbus TCP/IP等支持現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)安全措施的基于IP協(xié)議的以太網(wǎng)連接設(shè)施日益增加。¹² BACnet在全球擁有約60%的市場份額⁷ ，約80%的新設(shè)施使用基于RS-485的有線串行通信。據(jù)建筑服務(wù)研究和信息協(xié)會(BSRIA)估計，2019年5%的HVAC傳感器是無線傳感器，其連接可靠性較低，而且需要配備電池，這些因素限制了其應(yīng)用范圍。⁸

改善通信

供暖和制冷系統(tǒng)有多個組件（包括恒溫器、控制器、空氣處理裝置和可變風(fēng)量裝置）需要交換信息以達(dá)到溫度設(shè)定點。將通信頻率從常見的串行波特率9.6 kbps至115.2 kbps提升到以太網(wǎng)帶寬10 Mbps，意味著系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量會大幅增加。這種基于IP的高速通信有幾大優(yōu)勢。

圖1 多個系統(tǒng)融合可通過單個控制臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，與自動化和AI/ML配合使用時可節(jié)約能源

分析，而不是采樣：傳統(tǒng)通信的數(shù)據(jù)傳輸速率較慢，因此樓宇管理者必須對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)先排序，然后對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。借助單對以太網(wǎng)，管理者不必?fù)?dān)心串行通信采樣率， 現(xiàn)在可專注于開發(fā)各種高級分析功能，利用從系統(tǒng)收集的更多數(shù)據(jù)來執(zhí)行這些分析。¹⁴

節(jié)約能源：利用這些額外數(shù)據(jù)，可以通過更快的控制環(huán)路或借助模型和實時傳感器輸入信息實現(xiàn)計算密集型能源優(yōu)化，從而提高節(jié)能效率。

融合數(shù)據(jù)/消除數(shù)據(jù)孤島：傳統(tǒng)的有線串行通信需要網(wǎng)關(guān)將來自邊緣設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)包，然后將這些數(shù)據(jù)包傳輸?shù)皆贫?。如果將有線串行通信鏈路升級為單對以太網(wǎng) 10BASE-T1L，則可以重用現(xiàn)有布線，同時消除這些網(wǎng)關(guān)。這可避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)孤島、減少故障點、消除網(wǎng)關(guān)成本并縮短總體延遲時間。

實時響應(yīng)能力：在網(wǎng)關(guān)上運行的通信協(xié)議和軟件會將響應(yīng)時間減慢到幾秒級，而樓宇自動化應(yīng)用（如IO監(jiān)控）可能需要100毫秒或更短的延遲時間。¹³單對以太網(wǎng)具有更高吞吐量，同時無需網(wǎng)關(guān)，吞吐速度會更快，因此系統(tǒng)可以實時做出響應(yīng)。

安全通信

智能樓宇研究領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者 Memoori¹²指出，缺乏有效的網(wǎng)絡(luò)覆蓋正在迅速成為智能樓宇應(yīng)用向前發(fā)展的主要障礙。

實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型面臨的最大挑戰(zhàn)之一是IT和OT領(lǐng)域的融合。通過升級到BACnet/SC等協(xié)議，可以對基于RS-485的傳統(tǒng)現(xiàn)場總線OT網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行安全改造，但這樣做成本高昂、耗時很長，并且很容易遺漏現(xiàn)有系統(tǒng)中的漏洞。Kaspersky 2020年的一項研究顯示，在所有工業(yè)控制系統(tǒng)中，樓宇自動化系統(tǒng)受到的網(wǎng)絡(luò)攻擊最多，超過石油和天然氣、能源和汽車制造行業(yè)，因此有效的安全防護(hù)至關(guān)重要。¹⁵

為了確保通信安全，傳統(tǒng)的有線串行通信協(xié)議BACnet已改為BACnet/SC¹²，后者通過有線串行鏈路實現(xiàn)安全通信并允許加密。然而，網(wǎng)絡(luò)上的所有BACnet設(shè)備必須同時升級才能充分利用這些新功能。為了添加BACnet/SC所需的額外加密功能，需要重新設(shè) 計和維護(hù)那些使用傳統(tǒng)BACnet的現(xiàn)有設(shè)備。通過單對以太網(wǎng)（特別是10BASE-T1L），可以使用BACnet/IP協(xié)議（可實現(xiàn)基于以太網(wǎng)的安全性）升級和連接借助于不安全的有線串行通信（如BACnet）進(jìn)行連接的邊緣節(jié)點。重要的是，無需在現(xiàn)有信號路徑上布設(shè)昂貴的新電纜即可實現(xiàn)這種經(jīng)過改進(jìn)的新型安全狀態(tài)。

通過升級OT網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備以運行基于以太網(wǎng)的安全協(xié)議，可以減輕許多與網(wǎng)絡(luò)攻擊相關(guān)聯(lián)的風(fēng)險。單對以太網(wǎng)10BASE-T1L有望通過一代硬件升級，從不安全的傳統(tǒng)通信過渡到基于以太網(wǎng)的安全通信，同時重用現(xiàn)有的布線基礎(chǔ)設(shè)施。

單對以太網(wǎng)10BASE-T1L是一項重要技術(shù)，可將IP連接擴(kuò)展到邊緣、提高安全性、重用布線、融合IT和OT網(wǎng)絡(luò)，甚至可以供電。單對以太網(wǎng)具有明顯更高的吞吐量、無需網(wǎng)關(guān)而且具有高級安全功能，將有助于建筑行業(yè)實現(xiàn)IEA的2030年凈零排放量目標(biāo)，即減少15%的排放量。通過實現(xiàn)樓宇通信基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)代化，可以提供對樓宇內(nèi)大量實時數(shù)據(jù)的訪問，同時消除數(shù)據(jù)孤島并支持單一控制臺管理模式。除了為傳統(tǒng)控制方案提供更快的控制環(huán) 路閉合并支持人工智能和ML優(yōu)化外，管理人員還將能夠產(chǎn)生可行性見解，從而節(jié)約大量能源。

ADI公司擁有一支可持續(xù)樓宇專業(yè)團(tuán)隊，作為市場先行者，在該技術(shù)領(lǐng)域持續(xù)創(chuàng)新，專注于支持?jǐn)?shù)字化轉(zhuǎn)型的技術(shù)（如單對以太網(wǎng)(10BASE-T1L)、安全和智能IO，以及用于傳統(tǒng)系統(tǒng)的隔離和有 線RS-485收發(fā)器）。ADI公司已發(fā)布多款支持點對點的單對以太網(wǎng)產(chǎn)品 (ADIN1100、ADIN1110)，以及支持線環(huán)架構(gòu)的單對以太網(wǎng)產(chǎn)品 (ADIN2111).¹⁶關(guān)于單對以太網(wǎng)供電產(chǎn)品，請參見LTC4296-1（電源端），以及LTC9111（設(shè)備端）。

參考資料

1 “樓宇建筑”。國際能源協(xié)會。

2 “后COVID-19時代能源可持續(xù)性和室內(nèi)空氣質(zhì)量的新通風(fēng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn).”《可再生和可持續(xù)能源審查》，2023年第182卷。

3 到2050年實現(xiàn)凈零排放—全球能源行業(yè)發(fā)展規(guī)劃。國際能源協(xié)會，2021年。

4 2021年能源效率。國際能源協(xié)會，2021年。

5 IEA附件81活動A1—樓宇和HVAC系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享指南。國際能源協(xié)會，2023年。

6 樓宇自動化協(xié)議終極指南。Smart Buildings Academy，2020年。

7 “研究表明BACnet的全球市場份額超過60%?！盉ACnet International，2018年。

8 “發(fā)布了一項新的美國現(xiàn)場設(shè)備詳細(xì)研究?！盉SRIA，2020年。

9 “單對以太網(wǎng)即將進(jìn)入智能樓宇?！盨mart Buildings Technology，2020年。

10 改進(jìn)BACnet?。BACnet，2020年。

11 “如何經(jīng)濟(jì)高效地為樓宇管理系統(tǒng)部署網(wǎng)絡(luò)傳感器。”DigiKey，2023年。

12 “2022年至2027年智能商業(yè)樓宇的網(wǎng)絡(luò)安全。”Memoori，2022年。

13 “工業(yè)4.0提高能源生產(chǎn)率?！睍诚?030，2021年。

14 “IP控制功能如何改變樓宇自動化控制。”ControlTrends，2022年2月。

15 “工業(yè)自動化系統(tǒng)面臨的威脅?！盞aspersky，2021年3月。

16 “樓宇自動化控制器和網(wǎng)絡(luò)。”ADI公司

關(guān)于作者

Meghan Kaiserman是ADI公司可持續(xù)樓宇戰(zhàn)略市場營銷總監(jiān)，專注于數(shù)字化技術(shù)（包括智能IO、單對以太網(wǎng)和安全性）。Meghan在ADI公司工作了18年以上，此前曾在應(yīng)用和系統(tǒng)工程領(lǐng)域任職。她為工業(yè)市場開發(fā)從精密模擬到電能計量和工業(yè)以太網(wǎng)等各種產(chǎn)品。Meghan擁有紐約市庫伯高等科學(xué)藝術(shù)聯(lián)盟學(xué)院電子工程學(xué)士學(xué)位。