借助單對(duì)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)二氧化碳凈零排放

摘要

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

簡(jiǎn)介

為了應(yīng)對(duì)氣候變化和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，90多個(gè)國(guó)家/地區(qū)正在積極制定CO2凈零排放政策。簡(jiǎn)言之，當(dāng)人類的CO2排放量可以通過(guò)其他活動(dòng)減少和抵消時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)凈零排放。

實(shí)現(xiàn)凈零排放的一個(gè)基本要素是減少所有行業(yè)的CO2排放量。然而，根據(jù)國(guó)際能源協(xié)會(huì)(IEA)的數(shù)據(jù)，建筑行業(yè)實(shí)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(dòng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和自動(dòng)化，否則排放目標(biāo)將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)有效的自動(dòng)化，需要進(jìn)行更多的實(shí)時(shí)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(jí)。此外，將設(shè)備和樓宇系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)相連會(huì)帶來(lái)遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊的風(fēng)險(xiǎn)，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(jí)安全功能。

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

通過(guò)數(shù)字化轉(zhuǎn)型實(shí)現(xiàn)節(jié)能

IEA 2030凈零計(jì)劃3要求通過(guò)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(dòng)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(yùn)營(yíng)商不僅能夠衡量運(yùn)營(yíng)績(jī)效提升情況，還為運(yùn)營(yíng)自動(dòng)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(yùn)行，降低能耗，同時(shí)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(yùn)營(yíng)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(yùn)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(wèn)控制功能。通過(guò)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(jì)劃的活動(dòng)確定理想的照明、供暖或制冷設(shè)置。通過(guò)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(shí)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(kù)，很難融合來(lái)自多個(gè)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(shuō)法，接下來(lái)的挑戰(zhàn)是如何將不同的數(shù)據(jù)源整合到一個(gè)控制臺(tái)中，以便比較趨勢(shì)并應(yīng)用分析，從而產(chǎn)生新見(jiàn)解，如圖1所示。1

實(shí)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(cè)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(guò)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(yùn)行的BACnet MS/TP（一種常見(jiàn)的樓宇自動(dòng)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(jì)的，缺乏內(nèi)置的 加密和身份驗(yàn)證功能。由于這些設(shè)備通過(guò)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(duì)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(guò)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(duì)以太網(wǎng)。這具有很多優(yōu)勢(shì)：

• 節(jié)點(diǎn)現(xiàn)在可以支持更高的帶寬（高達(dá)10 Mbps）。
• 節(jié)點(diǎn)可通過(guò)IP尋址，從而簡(jiǎn)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(zhǎng)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(guò)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(qǐng)注意，由于電纜質(zhì)量存在差異，建議僅對(duì)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(guò)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(duì)象，因此很容易實(shí)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(chǎng)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(huì)(BSRIA)估計(jì)，2019年5%的HVAC傳感器是無(wú)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(gè)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(diǎn)。將通信頻率從常見(jiàn)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(huì)大幅增加。這種基于IP的高速通信有幾大優(yōu)勢(shì)。

圖1.多個(gè)系統(tǒng)融合可通過(guò)單個(gè)控制臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，與自動(dòng)化和AI/ML配合使用時(shí)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(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)先排序，然后對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。借助單對(duì)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(kāi)發(fā)各種高級(jí)分析功能，利用從系統(tǒng)收集的更多數(shù)據(jù)來(lái)執(zhí)行這些分析。

節(jié)約能源：利用這些額外數(shù)據(jù)，可以通過(guò)更快的控制環(huán)路或借助模型和實(shí)時(shí)傳感器輸入信息實(shí)現(xiàn)計(jì)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(lái)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(jí)為單對(duì)以太網(wǎng)，則可以重用現(xiàn)有布線，同時(shí)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(diǎn)、消除網(wǎng)關(guān)成本并縮短總體延遲時(shí)間。

實(shí)時(shí)響應(yīng)能力：在網(wǎng)關(guān)上運(yùn)行的通信協(xié)議和軟件會(huì)將響應(yīng)時(shí)間減慢到幾秒級(jí)，而樓宇自動(dòng)化應(yīng)用（如監(jiān)控）可能需要毫秒或更短的延遲時(shí)間。單對(duì)以太網(wǎng)具有更高吞吐量，同時(shí)無(wú)需網(wǎng)關(guān)，吞吐速度會(huì)更快，因此系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)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(shí)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(guò)升級(jí)到BACnet/SC等協(xié)議，可以對(duì)基于RS-485的傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線OT網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行安全改造，但這樣做成本高昂、耗時(shí)很長(zhǎng)，并且很容易遺漏現(xiàn)有系統(tǒng)中的漏洞。Kaspersky 2020年的一項(xiàng)研究顯示，在所有工業(yè)控制系統(tǒng)中，樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)受到的網(wǎng)絡(luò)攻擊最多，超過(guò)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(guò)有線串行鏈路實(shí)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(shí)升級(jí)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(jì)和維護(hù)那些使用傳統(tǒng)BACnet的現(xiàn)有設(shè)備。通過(guò)單對(duì)以太網(wǎng)（特別是10BASE-T1L），可以使用BACnet/IP協(xié)議（可實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)的安全性）升級(jí)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(diǎn)。重要的是，無(wú)需在現(xiàn)有信號(hào)路徑上布設(shè)昂貴的新電纜即可實(shí)現(xiàn)這種經(jīng)過(guò)改進(jìn)的新型安全狀態(tài)。

通過(guò)升級(jí)OT網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備以運(yùn)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(xiǎn)。單對(duì)以太網(wǎng)10BASE-T1L有望通過(guò)一代硬件升級(jí)，從不安全的傳統(tǒng)通信過(guò)渡到基于以太網(wǎng)的安全通信，同時(shí)重用現(xiàn)有的布線基礎(chǔ)設(shè)施。

單對(duì)以太網(wǎng)10BASE-T1L是一項(xiàng)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(duì)以太網(wǎng)具有明顯更高的吞吐量、無(wú)需網(wǎng)關(guān)而且具有高級(jí)安全功能，將有助于建筑行業(yè)實(shí)現(xiàn)IEA的2030年凈零排放量目標(biāo)，即減少15%的排放量。通過(guò)實(shí)現(xiàn)樓宇通信基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)代化，可以提供對(duì)樓宇內(nèi)大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，同時(shí)消除數(shù)據(jù)孤島并支持單一控制臺(tái)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(jiàn)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(duì)，作為市場(chǎng)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(duì)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單對(duì)以太網(wǎng)產(chǎn)品 (ADIN1100、ADIN1110)，以及支持線環(huán)架構(gòu)的單對(duì)以太網(wǎng)產(chǎn)品 (ADIN2111).16關(guān)于單對(duì)以太網(wǎng)供電產(chǎn)品，請(qǐng)參見(jiàn)LTC4296-1（電源端），以及LTC9111（設(shè)備端）。

參考資料

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

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14 “工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)面臨的威脅。”Kaspersky，2021年3月。

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