【導讀】為了實現CO2凈零排放目標，建筑行業需要對其通信基礎設施進行現代化改造。本文將介紹如何利用單對以太網（特別是10BASE-T1L）對使用RS-485等傳統鏈路的樓宇輕松實現改造，以提升數字化程度、實現自動化、提高安全性并大幅降低能耗，從而實現更高的可持續性。
摘要
為了實現CO2凈零排放目標，建筑行業需要對其通信基礎設施進行現代化改造。本文將介紹如何利用單對以太網（特別是10BASE-T1L）對使用RS-485等傳統鏈路的樓宇輕松實現改造，以提升數字化程度、實現自動化、提高安全性并大幅降低能耗，從而實現更高的可持續性。
簡介
為了應對氣候變化和實現可持續發展，90多個國家/地區正在積極制定CO2凈零排放政策。簡言之，當人類的CO2排放量可以通過其他活動減少和抵消時，就可以實現凈零排放。
實現凈零排放的一個基本要素是減少所有行業的CO2排放量。然而，根據國際能源協會(IEA)的數據，建筑行業實現2050年全球CO2凈零排放目標的進展依然不盡人意。具體而言，2030年的目標是與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%，為此人們擔心，除非建筑行業采取具體行動實現系統數字化轉型和自動化，否則排放目標將無法實現。為了實現有效的自動化，需要進行更多的實時數據采集，這超出了基于RS-485的傳統基礎設施的當前吞吐量和響應能力，面臨的挑戰難度進一步升級。此外，將設備和樓宇系統與網絡相連會帶來遭受網絡攻擊的風險，因此需要具備超越這些傳統網絡當前水平的高級安全功能。
本文將探討單對以太網如何幫助建筑行業實現凈零目標，同時以安全且經濟高效的方式支持基于AI的自動化。單對以太網可為新設施和改造設施提供到邊緣的長距離連接，使其成為在IT和OT領域之間無縫傳輸數據的重要工具。
通過數字化轉型實現節能
IEA 2030凈零計劃3要求通過行為改變和數字化等技術減少需求，從而減少約15%的排放量。盡管教導人們如何節約能源可能有效，但IEA案例研究4指出，自動化（而非行為改變）更有可能減少能耗。
隨著商業樓宇數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。借助傳感器數據和控制功能，可以優化樓宇運行，降低能耗，同時讓樓宇內的人員獲得更好的服務。
例如，改善室內空氣質量為樓宇運營提出了額外的要求。ANSI/ASHRAE 62.1等新法規要求吸入更多的室外空氣，并且可能需要增加通風量2以確保符合健康和衛生標準要求。這些通風標準將導致能耗增加，這意味著必須進一步降低能源需求。為了優化運行，樓宇內的許多HVAC系統必須能夠協同工作，避免系統之間相互沖突。
為了讓不同的HVAC、照明、消防和門禁系統融合操作，需要獲取正確的數據并訪問控制功能。通過融合操作可優化AI和機器學習(ML)，以根據人們當前和計劃的活動確定理想的照明、供暖或制冷設置。通過融合操作還可以控制氣流，幫助確保適當的室內空氣質量，同時平衡能耗。
然而，由于不同的供應商維護不同的數據庫，很難融合來自多個系統的數據，從而導致數據孤島。根據負責樓宇和HVAC系統數據共享指南5的IEA小組的說法，接下來的挑戰是如何將不同的數據源整合到一個控制臺中，以便比較趨勢并應用分析，從而產生新見解，如圖1所示。1
實現通信基礎設施現代化
要將樓宇內的許多不同數據源整合，關鍵在于所用的測量和連接基礎設施。以前，商業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收發器和協議（如BACnet?、Modbus和LonWorks）進行連接。6
然而，RS-485是一種傳統接口，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議）的最大波特率為115.2 kbps。10 此外，傳統的通信協議（如BACnet和Modbus）是為封閉網絡設計的，缺乏內置的 加密和身份驗證功能。由于這些設備通過IT基礎設施網關連接到互聯網，因此面臨極的網絡安全威脅。
單對以太網（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，現已部署到樓宇中。9 支持RS-485的有線串行鏈路電纜可以重復使用，并通過這些電纜傳輸10BASE-T1L以太網數據。因此，現有的基礎設施可適用于單對以太網。這具有很多優勢：
節點現在可以支持更高的帶寬（高達10 Mbps）。
節點可通過IP尋址，從而簡化設備管理。
可延伸至1公里，足以支持現有RS-485布線的最大長度。與標準10 Mbps/100 Mbps以太網的限制（僅100米）相比，這有了顯著的改進。11
IEEE 802.3cg規定了15類相關要求，允許通過單根雙絞線電纜 傳輸高達52 W的功率以及10BASE-T1L數據。利用最近推出的LTC4296-1 以太網供電(PoE)控制器，系統可以為各類終端設備供電。請注意，由于電纜質量存在差異，建議僅對新設施進行供電。
數字化轉型之旅的第一步，應在部署了采用標準10 Mbps/100 Mbps以太網的樓宇控制器的情況下，通過這些傳統協議基于以太網的版本（稱為BACnet/IP和Modbus TCP/IP）進行通信。6 BACnet/IP設備使用與BACnet MS/TP傳統設備相同的數據對象，因此很容易實現 具有這兩種設備的系統。采用BACnet/IP和Modbus TCP/IP等支持現代網絡安全措施的基于IP協議的以太網連接設施日益增加。12 BACnet在全球擁有約60%的市場份額7 ，約80%的新設施使用基于RS-485的有線串行通信。據建筑服務研究和信息協會(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用范圍。8
改善通信
供暖和制冷系統有多個組件（包括恒溫器、控制器、空氣處理裝置和可變風量裝置）需要交換信息以達到溫度設定點。將通信頻率從常見的串行波特率9.6 kbps至115.2 kbps提升到以太網帶寬10 Mbps，意味著系統的數據吞吐量會大幅增加。這種基于IP的高速通信有幾大優勢。
圖1.多個系統融合可通過單個控制臺實現數據可視化，與自動化和AI/ML配合使用時可節約能源。
分析，而不是采樣：傳統通信的數據傳輸速率較慢，因此樓宇管理者必須對收集的數據進行優先排序，然后對收集的數據進行采樣。借助單對以太網，管理者不必擔心串行通信采樣率， 現在可專注于開發各種高級分析功能，利用從系統收集的更多數據來執行這些分析。14
節約能源：利用這些額外數據，可以通過更快的控制環路或借助模型和實時傳感器輸入信息實現計算密集型能源優化，從而提高節能效率。
融合數據/消除數據孤島：傳統的有線串行通信需要網關將來自邊緣設備的數據轉換為基于以太網的數據包，然后將這些數據包傳輸到云端。如果將有線串行通信鏈路升級為單對以太網 10BASE-T1L，則可以重用現有布線，同時消除這些網關。這可避免出現數據孤島、減少故障點、消除網關成本并縮短總體延遲時間。
實時響應能力：在網關上運行的通信協議和軟件會將響應時間減慢到幾秒級，而樓宇自動化應用（如IO監控）可能需要100毫秒或更短的延遲時間。13 單對以太網具有更高吞吐量，同時無需網關，吞吐速度會更快，因此系統可以實時做出響應。
安全通信
智能樓宇研究領域的領導者 Memoori12指出，缺乏有效的網絡覆蓋正在迅速成為智能樓宇應用向前發展的主要障礙。
實現數字化轉型面臨的最大挑戰之一是IT和OT領域的融合。通過升級到BACnet/SC等協議，可以對基于RS-485的傳統現場總線OT網絡進行安全改造，但這樣做成本高昂、耗時很長，并且很容易遺漏現有系統中的漏洞。Kaspersky 2020年的一項研究顯示，在所有工業控制系統中，樓宇自動化系統受到的網絡攻擊最多，超過石油和天然氣、能源和汽車制造行業，因此有效的安全防護至關重要。15
為了確保通信安全，傳統的有線串行通信協議BACnet已改為BACnet/SC12，后者通過有線串行鏈路實現安全通信并允許加密。然而，網絡上的所有BACnet設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 計和維護那些使用傳統BACnet的現有設備。通過單對以太網（特別是10BASE-T1L），可以使用BACnet/IP協議（可實現基于以太網的安全性）升級和連接借助于不安全的有線串行通信（如BACnet）進行連接的邊緣節點。重要的是，無需在現有信號路徑上布設昂貴的新電纜即可實現這種經過改進的新型安全狀態。
通過升級OT網絡上的設備以運行基于以太網的安全協議，可以減輕許多與網絡攻擊相關聯的風險。單對以太網10BASE-T1L有望通過一代硬件升級，從不安全的傳統通信過渡到基于以太網的安全通信，同時重用現有的布線基礎設施。
單對以太網10BASE-T1L是一項重要技術，可將IP連接擴展到邊緣、提高安全性、重用布線、融合IT和OT網絡，甚至可以供電。單對以太網具有明顯更高的吞吐量、無需網關而且具有高級安全功能，將有助于建筑行業實現IEA的2030年凈零排放量目標，即減少15%的排放量。通過實現樓宇通信基礎設施現代化，可以提供對樓宇內大量實時數據的訪問，同時消除數據孤島并支持單一控制臺管理模式。除了為傳統控制方案提供更快的控制環 路閉合并支持人工智能和ML優化外，管理人員還將能夠產生可行性見解，從而節約大量能源。
ADI公司擁有一支可持續樓宇專業團隊，作為市場先行者，在該技術領域持續創新，專注于支持數字化轉型的技術（如單對以太網(10BASE-T1L)、安全和智能IO，以及用于傳統系統的隔離和有 線RS-485收發器）。ADI公司已發布多款支持點對點的單對以太網產品 (ADIN1100、ADIN1110)，以及支持線環架構的單對以太網產品 (ADIN2111).16關于單對以太網供電產品，請參見LTC4296-1（電源端），以及LTC9111（設備端）。
參考資料
1 “樓宇建筑”。國際能源協會。
2 “后COVID-19時代能源可持續性和室內空氣質量的新通風設計標準.”《可再生和可持續能源審查》，2023年第182卷。
3 到2050年實現凈零排放—全球能源行業發展規劃。國際能源協會，2021年。
4 2021年能源效率。國際能源協會，2021年。
5 IEA附件81活動A1—樓宇和HVAC系統數據共享指南。國際能源協會，2023年。
6 樓宇自動化協議終極指南。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 “發布了一項新的美國現場設備詳細研究?！盉SRIA，2020年。
9 “單對以太網即將進入智能樓宇。”Smart Buildings Technology，2020年。
10 改進BACnet?。BACnet，2020年。
11 “如何經濟高效地為樓宇管理系統部署網絡傳感器。”DigiKey，2023年。
12 “2022年至2027年智能商業樓宇的網絡安全?！盡emoori，2022年。
13 “工業4.0提高能源生產率。”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 “工業自動化系統面臨的威脅?！盞aspersky，2021年3月。
16 “樓宇自動化控制器和網絡。”ADI公司
（來源：ADI公司，作者：Meghan Kaiserman，戰略市場營銷總監）
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