【儀表網(wǎng) 行業(yè)科普】單對(duì)以太網(wǎng)可以幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)凈零排放目標(biāo)，同時(shí)以安全且經(jīng)濟(jì)高效的方式支持基于人工智能的自動(dòng)化。
 

　　為了應(yīng)對(duì)氣候變化和可持續(xù)發(fā)展，90多個(gè)國(guó)家正在積極制定二氧化碳凈零排放政策。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，當(dāng)人類的二氧化碳排放量減少并通過(guò)其他活動(dòng)加以抵消時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了凈零排放。
 

　　實(shí)現(xiàn)凈零排放的一個(gè)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(guó)際能源協(xié)會(huì)(IEA)的數(shù)據(jù)，建筑行業(yè)并沒(méi)有走上實(shí)現(xiàn)全球 2050 年二氧化碳凈零排放目標(biāo)的軌道。具體來(lái)說(shuō)，2030 年的目標(biāo)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)字化和自動(dòng)化，否則排放目標(biāo)將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
 

　　使這一挑戰(zhàn)更加復(fù)雜的是，要實(shí)現(xiàn)有效的自動(dòng)化需要更多的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，其水平要超過(guò)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(huì)使它們更容易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊，這就要求先進(jìn)的安全性，而這些是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)有能力無(wú)法滿足的。
 

　　01  通過(guò)數(shù)字化實(shí)現(xiàn)節(jié)能
 

　　國(guó)際能源署2030 年 “凈零排放”計(jì)劃要求通過(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。雖然教導(dǎo)人們?nèi)绾喂?jié)約能源是有效的，但國(guó)際能源機(jī)構(gòu)的案例研究指出，通過(guò)自動(dòng)化措施而非行為改變?cè)跍p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(yùn)營(yíng)商不僅能夠衡量運(yùn)營(yíng)方面的改進(jìn)，還能為運(yùn)營(yíng)自動(dòng)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(yùn)行，在降低能耗的同時(shí)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(duì)樓宇運(yùn)營(yíng)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(shí)踐。這些通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)將導(dǎo)致能耗增加，這意味著需要進(jìn)一步降低能源需求。為了達(dá)到最佳運(yùn)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(mén)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(guò)人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化，可以根據(jù)人們當(dāng)前和計(jì)劃中的活動(dòng)來(lái)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(shí)平衡能源消耗。
 

　　然而，由于不同的供應(yīng)商維護(hù)著不同的數(shù)據(jù)庫(kù)，很難匯聚來(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)國(guó)際能源署負(fù)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(shuō)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(gè)單一的管理平臺(tái)中，以便可以比較趨勢(shì)并應(yīng)用分析，從而獲得可操作的見(jiàn)解。
 

　　02  實(shí)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(cè)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(guò)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(yùn)行的常見(jiàn)樓宇自動(dòng)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(jì)的，缺乏內(nèi)置的加密和身份驗(yàn)證功能。這造成了巨大的網(wǎng)絡(luò)安全威脅，因?yàn)檫@些設(shè)備現(xiàn)在可通過(guò)IT基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)。
 

　　▲單對(duì)以太網(wǎng)可以幫助企業(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人工智能的自動(dòng)化。
 

　　它可為新建和改造項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)與邊緣的遠(yuǎn)距離連接，使其成為IT和OT之間無(wú)縫數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵工具。
 

　　單對(duì)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(zhǔn)，即IEEE 802.3cg，現(xiàn)已部署在一些建筑物中。用于RS-485 運(yùn)行的有線串行鏈路電纜可以與運(yùn)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(duì)以太網(wǎng)。這有很多好處：
 

　　■ 節(jié)點(diǎn)現(xiàn)在可以支持高達(dá)10 Mbps的更高帶寬。
 

　　■ 節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)IP可尋址，從而簡(jiǎn)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(zhǎng)度。這比標(biāo)準(zhǔn)10 Mbps/100 Mbps以太網(wǎng)僅100米的限制相比有了顯著改進(jìn)。
 

　　03  改善通信性能
 

　　供暖和制冷系統(tǒng)通常有多個(gè)組件，包括恒溫器、控制器、空氣處理裝置和可變風(fēng)量裝置等，它們需要交換信息以達(dá)到溫度設(shè)定點(diǎn)。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(gè)重要優(yōu)勢(shì)：
 

　　1  高級(jí)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(jí)，并對(duì)他們收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。借助單對(duì)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(kāi)發(fā)各種高級(jí)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(lái)執(zhí)行這些分析。
 

　　2  節(jié)約能源：
 

　　通過(guò)更快的控制回路或使用模型和實(shí)時(shí)傳感器輸入的計(jì)算密集型能源優(yōu)化，更多有價(jià)值的數(shù)據(jù)有助于實(shí)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(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，然后再將其傳遞到云端。將有線串行通信鏈路升級(jí)為單對(duì)以太網(wǎng)后，可以在重復(fù)使用現(xiàn)有布線的同時(shí)消除這些網(wǎng)關(guān)。這避免了數(shù)據(jù)孤島，減少了故障點(diǎn)，消除了網(wǎng)關(guān)成本，并降低了整體延遲。
 

　　4  實(shí)時(shí)響應(yīng)能力：
 

　　網(wǎng)關(guān)上運(yùn)行的通信協(xié)議和軟件將響應(yīng)時(shí)間減慢到幾秒級(jí)，而IO監(jiān)控等樓宇自動(dòng)化應(yīng)用可能需要100毫秒或更低的延遲。單對(duì)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(shí)時(shí)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(guò)升級(jí)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(chǎng)總線OT網(wǎng)絡(luò)中，但這既昂貴又耗時(shí)，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(xiàng)研究中，樓宇自動(dòng)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(guò)，網(wǎng)絡(luò)上的所有 BACnet 設(shè)備都需要同時(shí)升級(jí)，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(jì)和維修，以增加 BACnet/SC 所需的加密功能。單對(duì)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(diǎn)進(jìn)行升級(jí)，并使用運(yùn)行基于以太網(wǎng)安全的 BACnet/IP 協(xié)議進(jìn)行連接。
 

　　重要的是，無(wú)需在現(xiàn)有信號(hào)路徑上鋪設(shè)新的、昂貴的以太網(wǎng)電纜，就能實(shí)現(xiàn)這種全新的、經(jīng)過(guò)改進(jìn)的安全態(tài)勢(shì)。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，可以減輕與網(wǎng)絡(luò)攻擊相關(guān)的大部分風(fēng)險(xiǎn)。單對(duì)以太網(wǎng)有望通過(guò)硬件升級(jí)，實(shí)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(guò)渡，同時(shí)重復(fù)使用現(xiàn)有的布線基礎(chǔ)設(shè)施。
 

　　單對(duì)以太網(wǎng)是一項(xiàng)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(jìn)的安全性，單對(duì)以太網(wǎng)將有助于建筑行業(yè)實(shí)現(xiàn) IEA 2030 年凈零排放目標(biāo)，即減少15%的排放量。
 

　　對(duì)樓宇通信基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行現(xiàn)代化改造，將提供對(duì)建筑物內(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，實(shí)現(xiàn)單一管理平臺(tái)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(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化外，管理人員還將能夠生成可操作的見(jiàn)解，從而為企業(yè)節(jié)省大量能源。