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借助單對以太網(wǎng)實現(xiàn)二氧化碳凈零排放

發(fā)布時間:2024-07-24 來源:ADI公司 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】為了實現(xiàn)CO2凈零排放目標(biāo),建筑行業(yè)需要對其通信基礎(chǔ)設(shè)施進行現(xiàn)代化改造。本文將介紹如何利用單對以太網(wǎng)(特別是10BASE-T1L)對使用RS-485等傳統(tǒng)鏈路的樓宇輕松實現(xiàn)改造,以提升數(shù)字化程度、實現(xiàn)自動化、提高安全性并大幅降低能耗,從而實現(xiàn)更高的可持續(xù)性。


摘要


為了實現(xiàn)CO2凈零排放目標(biāo),建筑行業(yè)需要對其通信基礎(chǔ)設(shè)施進行現(xiàn)代化改造。本文將介紹如何利用單對以太網(wǎng)(特別是10BASE-T1L)對使用RS-485等傳統(tǒng)鏈路的樓宇輕松實現(xiàn)改造,以提升數(shù)字化程度、實現(xiàn)自動化、提高安全性并大幅降低能耗,從而實現(xiàn)更高的可持續(xù)性。


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。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。


借助單對以太網(wǎng)實現(xiàn)二氧化碳凈零排放

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)進行優(yōu)先排序,然后對收集的數(shù)據(jù)進行采樣。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)皆贫恕H绻麑⒂芯€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。

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。

2021年能源效率。國際能源協(xié)會,2021年。

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。

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%。”BACnet 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。”BSRIA,2020年。

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

10 改進BACnet?。BACnet,2020年。

11 “如何經(jīng)濟高效地為樓宇管理系統(tǒng)部署網(wǎng)絡(luò)傳感器?!盌igiKey,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。”暢想2030,2021年。

14 “IP控制功能如何改變樓宇自動化控制?!盋ontrolTrends,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)?!盇DI公司

(來源:ADI公司,作者:Meghan Kaiserman,戰(zhàn)略市場營銷總監(jiān)


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