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

　　為了應(yīng)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(dāng)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(dān)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(fù)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(chǔ)設(shè)施目前的吞吐能力和響應(yīng)速度。此外，將設(shè)備和樓宇系統(tǒng)連接到網(wǎng)絡(luò)會使它們更容易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊，這就要求先進的安全性，而這些是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(shù)減少需求，從而減少約 15% 的排放量。雖然教導(dǎo)人們?nèi)绾喂?jié)約能源是有效的，但國際能源機構(gòu)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(chǔ)。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(wù)。
 

　　例如，改善室內(nèi)空氣質(zhì)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(fēng)標準將導(dǎo)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(nèi)的許多暖通空調(diào)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(diào)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(xué)習(xí)優(yōu)化，可以根據(jù)人們當(dāng)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(dāng)?shù)氖覂?nèi)空氣質(zhì)量，同時平衡能源消耗。
 

　　然而，由于不同的供應(yīng)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(dǎo)致數(shù)據(jù)孤島。根據(jù)國際能源署負責(zé)制定建筑和暖通空調(diào)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(yīng)用分析，從而獲得可操作的見解。
 

　　02  實現(xiàn)通信基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)代化
 

　　合并建筑物內(nèi)許多不同數(shù)據(jù)源的關(guān)鍵是所使用的測量和連接基礎(chǔ)設(shè)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(wǎng)絡(luò)而設(shè)計的，缺乏內(nèi)置的加密和身份驗證功能。這造成了巨大的網(wǎng)絡(luò)安全威脅，因為這些設(shè)備現(xiàn)在可通過IT基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)。
 

　　▲單對以太網(wǎng)可以幫助企業(yè)實現(xiàn)凈零目標，同時以安全且經(jīng)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(guān)鍵工具。
 

　　單對以太網(wǎng)，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(wǎng)數(shù)據(jù)一起重復(fù)使用。因此，現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施可以適應(yīng)單對以太網(wǎng)。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(shè)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(wǎng)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(fēng)量裝置等，它們需要交換信息以達到溫度設(shè)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(wǎng)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(wǎng)，管理人員可以不再擔(dān)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(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(wǎng)后，可以在重復(fù)使用現(xiàn)有布線的同時消除這些網(wǎng)關(guān)。這避免了數(shù)據(jù)孤島，減少了故障點，消除了網(wǎng)關(guān)成本，并降低了整體延遲。
 

　　4  實時響應(yīng)能力：
 

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

　　04  更安全的通信
 

　　缺乏有效的網(wǎng)絡(luò)覆蓋正迅速成為智能建筑應(yīng)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(lǐng)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(guān)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(diào)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(wǎng)絡(luò)上的所有 BACnet 設(shè)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(shè)備需要重新設(shè)計和維修，以增加 BACnet/SC 所需的加密功能。單對以太網(wǎng)(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(wǎng)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(shè)新的、昂貴的以太網(wǎng)電纜，就能實現(xiàn)這種全新的、經(jīng)過改進的安全態(tài)勢。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，可以減輕與網(wǎng)絡(luò)攻擊相關(guān)的大部分風(fēng)險。單對以太網(wǎng)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(wǎng)的安全通信的過渡，同時重復(fù)使用現(xiàn)有的布線基礎(chǔ)設(shè)施。
 

　　單對以太網(wǎng)是一項重要的技術(shù)，可將 IP 連接帶到邊緣、提高安全性、重用布線、融合 IT 和OT網(wǎng)絡(luò)，甚至提供電力。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，憑借顯著更高的吞吐量、消除網(wǎng)關(guān)和先進的安全性，單對以太網(wǎng)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(chǔ)設(shè)施進行現(xiàn)代化改造，將提供對建筑物內(nèi)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(xué)習(xí)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。