【儀表網 行業(yè)科普】單對以太網可以幫助企業(yè)實現(xiàn)凈零排放目標，同時以安全且經濟高效的方式支持基于人工智能的自動化。
 

　　為了應對氣候變化和可持續(xù)發(fā)展，90多個國家正在積極制定二氧化碳凈零排放政策。簡單來說，當人類的二氧化碳排放量減少并通過其他活動加以抵消時，就實現(xiàn)了凈零排放。
 

　　實現(xiàn)凈零排放的一個基本因素是減少所有行業(yè)的二氧化碳排放量。然而，根據(jù)國際能源協(xié)會(IEA)的數(shù)據(jù)，建筑行業(yè)并沒有走上實現(xiàn)全球 2050 年二氧化碳凈零排放目標的軌道。具體來說，2030 年的目標是每平方米能耗比 2021 年降低 35%。目前，建筑能耗占全球能耗的 30%，因此人們擔心除非建筑行業(yè)采取具體措施實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)字化和自動化，否則排放目標將無法實現(xiàn)。
 

　　使這一挑戰(zhàn)更加復雜的是，要實現(xiàn)有效的自動化需要更多的實時數(shù)據(jù)采集，其水平要超過傳統(tǒng) RS-485 基礎設施目前的吞吐能力和響應速度。此外，將設備和樓宇系統(tǒng)連接到網絡會使它們更容易受到網絡攻擊，這就要求先進的安全性，而這些是傳統(tǒng)網絡的現(xiàn)有能力無法滿足的。
 

　　01  通過數(shù)字化實現(xiàn)節(jié)能
 

　　國際能源署2030 年 “凈零排放”計劃要求通過行為改變和數(shù)字化等技術減少需求，從而減少約 15% 的排放量。雖然教導人們如何節(jié)約能源是有效的，但國際能源機構的案例研究指出，通過自動化措施而非行為改變在減少能源消耗方面可能更為有效。
 

　　商業(yè)建筑的數(shù)字化程度不斷提高，這將使運營商不僅能夠衡量運營方面的改進，還能為運營自動化奠定基礎。有了正確的傳感器數(shù)據(jù)和控制能力，就有可能優(yōu)化樓宇的運行，在降低能耗的同時為人們提供更好的服務。
 

　　例如，改善室內空氣質量的需要對樓宇運營提出了更多的要求。ANSI/ASHRAE 62.1 等新法規(guī)要求攝入更多的室外空氣，并且可能需要額外的量以確保健康和衛(wèi)生的最佳實踐。這些通風標準將導致能耗增加，這意味著需要進一步降低能源需求。為了達到最佳運行狀態(tài)，建筑物內的許多暖通空調系統(tǒng)需要能夠協(xié)同工作，以避免系統(tǒng)交叉工作。
 

　　將不同的暖通空調系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、消防系統(tǒng)和門禁系統(tǒng)融合在一起，需要獲得正確的數(shù)據(jù)和控制。通過人工智能和機器學習優(yōu)化，可以根據(jù)人們當前和計劃中的活動來確定照明、供暖或制冷的理想用途。它們還可以控制氣流，幫助確保適當?shù)氖覂瓤諝赓|量，同時平衡能源消耗。
 

　　然而，由于不同的供應商維護著不同的數(shù)據(jù)庫，很難匯聚來自多個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，從而導致數(shù)據(jù)孤島。根據(jù)國際能源署負責制定建筑和暖通空調系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享指南的小組的說法，企業(yè)面臨的挑戰(zhàn)是將不同的數(shù)據(jù)源整合到一個單一的管理平臺中，以便可以比較趨勢并應用分析，從而獲得可操作的見解。
 

　　02  實現(xiàn)通信基礎設施現(xiàn)代化
 

　　合并建筑物內許多不同數(shù)據(jù)源的關鍵是所使用的測量和連接基礎設施。傳統(tǒng)上，商業(yè)建筑中的傳感器和控制裝置使用RS-485收發(fā)器和 BACnet?、Modbus 和 LonWorks 等協(xié)議通過有線串行通信鏈路連接。
 

　　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物理層上運行的常見樓宇自動化協(xié)議BACnet MS/TP的最大波特率為115.2 kbps。此外，BACnet 和Modbus 等傳統(tǒng)通信協(xié)議是為封閉網絡而設計的，缺乏內置的加密和身份驗證功能。這造成了巨大的網絡安全威脅，因為這些設備現(xiàn)在可通過IT基礎設施的網關連接到互聯(lián)網。
 

　　▲單對以太網可以幫助企業(yè)實現(xiàn)凈零目標，同時以安全且經濟高效的方式支持基于人工智能的自動化。
 

　　它可為新建和改造項目實現(xiàn)與邊緣的遠距離連接，使其成為IT和OT之間無縫數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P鍵工具。
 

　　單對以太網，特別是10BASE-T1L，是一種令人興奮的新通信方法，它于 2019 年 11 月獲得批準，即IEEE 802.3cg，現(xiàn)已部署在一些建筑物中。用于RS-485 運行的有線串行鏈路電纜可以與運行在其上的 10BASE-T1L 以太網數(shù)據(jù)一起重復使用。因此，現(xiàn)有的基礎設施可以適應單對以太網。這有很多好處：
 

　　■ 節(jié)點現(xiàn)在可以支持高達10 Mbps的更高帶寬。
 

　　■ 節(jié)點可以通過IP可尋址，從而簡化了設備的管理。
 

　　■ 覆蓋范圍增加到1公里，足以支持現(xiàn)有RS-485布線線路的最大長度。這比標準10 Mbps/100 Mbps以太網僅100米的限制相比有了顯著改進。
 

　　03  改善通信性能
 

　　供暖和制冷系統(tǒng)通常有多個組件，包括恒溫器、控制器、空氣處理裝置和可變風量裝置等，它們需要交換信息以達到溫度設定點。將通信頻率從 9.6 kbps 至 115.2 kbps 的普通串行波特率提高到 10 Mbps 的以太網帶寬，意味著系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量大幅增加。這種基于 IP 的高速通信有幾個重要優(yōu)勢：
 

　　1  高級分析：
 

　　傳統(tǒng)通信的數(shù)據(jù)速率緩慢，這意味著建筑管理人員必須確定他們收集的數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，并對他們收集的數(shù)據(jù)進行采樣。借助單對以太網，管理人員可以不再擔心串行通信采樣率，而是專注于開發(fā)各種高級分析，他們現(xiàn)在可以利用可以從系統(tǒng)中收集的額外數(shù)據(jù)來執(zhí)行這些分析。
 

　　2  節(jié)約能源：
 

　　通過更快的控制回路或使用模型和實時傳感器輸入的計算密集型能源優(yōu)化，更多有價值的數(shù)據(jù)有助于實現(xiàn)更好的節(jié)能效果。
 

　　3  消除數(shù)據(jù)孤島：
 

　　傳統(tǒng)的有線串行通信需要網關將來自邊緣設備的數(shù)據(jù)轉換為基于以太網的數(shù)據(jù)包，然后再將其傳遞到云端。將有線串行通信鏈路升級為單對以太網后，可以在重復使用現(xiàn)有布線的同時消除這些網關。這避免了數(shù)據(jù)孤島，減少了故障點，消除了網關成本，并降低了整體延遲。
 

　　4  實時響應能力：
 

　　網關上運行的通信協(xié)議和軟件將響應時間減慢到幾秒級，而IO監(jiān)控等樓宇自動化應用可能需要100毫秒或更低的延遲。單對以太網的更高吞吐量與網關的消除相結合，意味著更快的速度，因此系統(tǒng)可以實時響應。
 

　　04  更安全的通信
 

　　缺乏有效的網絡覆蓋正迅速成為智能建筑應用的主要障礙。建筑數(shù)字化面臨的最大挑戰(zhàn)之一是 IT 和 OT 領域的融合。通過升級到BACnet/SC等協(xié)議，可以將安全性改造到傳統(tǒng)的基于RS-485的現(xiàn)場總線OT網絡中，但這既昂貴又耗時，并且很容易遺漏現(xiàn)有系統(tǒng)中的漏洞。在卡巴斯基 2020 年的一項研究中，樓宇自動化系統(tǒng)在所有工業(yè)控制系統(tǒng)中受到的網絡攻擊最多，高于石油和天然氣、能源和汽車制造行業(yè)，因此有效的安全性至關重要。
 

　　為了確保通信安全，傳統(tǒng)的有線串行通信協(xié)議 BACnet 已被調整為 BACnet/SC12，該協(xié)議支持有線串行鏈路上的安全通信，允許加密。不過，網絡上的所有 BACnet 設備都需要同時升級，才能充分利用這些新功能。使用傳統(tǒng) BACnet 的現(xiàn)有設備需要重新設計和維修，以增加 BACnet/SC 所需的加密功能。單對以太網(特別是 10BASE-T1L)允許使用 BACnet 等有線、不安全串行通信連接的邊緣節(jié)點進行升級，并使用運行基于以太網安全的 BACnet/IP 協(xié)議進行連接。
 

　　重要的是，無需在現(xiàn)有信號路徑上鋪設新的、昂貴的以太網電纜，就能實現(xiàn)這種全新的、經過改進的安全態(tài)勢。通過升級OT網絡上的設備以運行基于以太網的安全協(xié)議，可以減輕與網絡攻擊相關的大部分風險。單對以太網有望通過硬件升級，實現(xiàn)從不安全的傳統(tǒng)通信到基于以太網的安全通信的過渡，同時重復使用現(xiàn)有的布線基礎設施。
 

　　單對以太網是一項重要的技術，可將 IP 連接帶到邊緣、提高安全性、重用布線、融合 IT 和OT網絡，甚至提供電力。相關數(shù)據(jù)顯示，憑借顯著更高的吞吐量、消除網關和先進的安全性，單對以太網將有助于建筑行業(yè)實現(xiàn) IEA 2030 年凈零排放目標，即減少15%的排放量。
 

　　對樓宇通信基礎設施進行現(xiàn)代化改造，將提供對建筑物內大量實時數(shù)據(jù)的訪問，同時消除數(shù)據(jù)孤島，實現(xiàn)單一管理平臺方法。除了允許傳統(tǒng)控制方案更快速地控制回路并支持人工智能和機器學習優(yōu)化外，管理人員還將能夠生成可操作的見解，從而為企業(yè)節(jié)省大量能源。