SPE单对以太网替代 RS-485，一种令人兴奋的新通信方法
- 2024/9/9 17:22:15 31349
- 来源：控制工程网
【仪表网 行业科普】单对以太网可以帮助企业实现净零排放目标，同时以安全且经济高效的方式支持基于人工智能的自动化。
为了应对气候变化和可持续发展，90多个国家正在积极制定二氧化碳净零排放政策。简单来说，当人类的二氧化碳排放量减少并通过其他活动加以抵消时，就实现了净零排放。
实现净零排放的一个基本因素是减少所有行业的二氧化碳排放量。然而，根据国际能源协会(IEA)的数据，建筑行业并没有走上实现全球 2050 年二氧化碳净零排放目标的轨道。具体来说，2030 年的目标是每平方米能耗比 2021 年降低 35%。目前，建筑能耗占全球能耗的 30%，因此人们担心除非建筑行业采取具体措施实现系统数字化和自动化，否则排放目标将无法实现。
使这一挑战更加复杂的是，要实现有效的自动化需要更多的实时数据采集，其水平要超过传统 RS-485 基础设施目前的吞吐能力和响应速度。此外，将设备和楼宇系统连接到网络会使它们更容易受到网络攻击，这就要求先进的安全性，而这些是传统网络的现有能力无法满足的。
01 通过数字化实现节能
国际能源署2030 年 “净零排放”计划要求通过行为改变和数字化等技术减少需求，从而减少约 15% 的排放量。虽然教导人们如何节约能源是有效的，但国际能源机构的案例研究指出，通过自动化措施而非行为改变在减少能源消耗方面可能更为有效。
商业建筑的数字化程度不断提高，这将使运营商不仅能够衡量运营方面的改进，还能为运营自动化奠定基础。有了正确的传感器数据和控制能力，就有可能优化楼宇的运行，在降低能耗的同时为人们提供更好的服务。
例如，改善室内空气质量的需要对楼宇运营提出了更多的要求。ANSI/ASHRAE 62.1 等新法规要求摄入更多的室外空气，并且可能需要额外的量以确保健康和卫生的最佳实践。这些通风标准将导致能耗增加，这意味着需要进一步降低能源需求。为了达到最佳运行状态，建筑物内的许多暖通空调系统需要能够协同工作，以避免系统交叉工作。
将不同的暖通空调系统、照明系统、消防系统和门禁系统融合在一起，需要获得正确的数据和控制。通过人工智能和机器学习优化，可以根据人们当前和计划中的活动来确定照明、供暖或制冷的理想用途。它们还可以控制气流，帮助确保适当的室内空气质量，同时平衡能源消耗。
然而，由于不同的供应商维护着不同的数据库，很难汇聚来自多个系统的数据，从而导致数据孤岛。根据国际能源署负责制定建筑和暖通空调系统数据共享指南的小组的说法，企业面临的挑战是将不同的数据源整合到一个单一的管理平台中，以便可以比较趋势并应用分析，从而获得可操作的见解。
02 实现通信基础设施现代化
合并建筑物内许多不同数据源的关键是所使用的测量和连接基础设施。传统上，商业建筑中的传感器和控制装置使用RS-485收发器和 BACnet?、Modbus 和 LonWorks 等协议通过有线串行通信链路连接。
然而，RS-485是一种传统接口，在吞吐量和安全性方面都受到限制。例如，在RS-485物理层上运行的常见楼宇自动化协议BACnet MS/TP的最大波特率为115.2 kbps。此外，BACnet 和Modbus 等传统通信协议是为封闭网络而设计的，缺乏内置的加密和身份验证功能。这造成了巨大的网络安全威胁，因为这些设备现在可通过IT基础设施的网关连接到互联网。
▲单对以太网可以帮助企业实现净零目标，同时以安全且经济高效的方式支持基于人工智能的自动化。
它可为新建和改造项目实现与边缘的远距离连接，使其成为IT和OT之间无缝数据传输的关键工具。
单对以太网，特别是10BASE-T1L，是一种令人兴奋的新通信方法，它于 2019 年 11 月获得批准，即IEEE 802.3cg，现已部署在一些建筑物中。用于RS-485 运行的有线串行链路电缆可以与运行在其上的 10BASE-T1L 以太网数据一起重复使用。因此，现有的基础设施可以适应单对以太网。这有很多好处：
■ 节点现在可以支持高达10 Mbps的更高带宽。
■ 节点可以通过IP可寻址，从而简化了设备的管理。
■ 覆盖范围增加到1公里，足以支持现有RS-485布线线路的最大长度。这比标准10 Mbps/100 Mbps以太网仅100米的限制相比有了显着改进。
03 改善通信性能
供暖和制冷系统通常有多个组件，包括恒温器、控制器、空气处理装置和可变风量装置等，它们需要交换信息以达到温度设定点。将通信频率从 9.6 kbps 至 115.2 kbps 的普通串行波特率提高到 10 Mbps 的以太网带宽，意味着系统的数据吞吐量大幅增加。这种基于 IP 的高速通信有几个重要优势：
1 高级分析：
传统通信的数据速率缓慢，这意味着建筑管理人员必须确定他们收集的数据的优先级，并对他们收集的数据进行采样。借助单对以太网，管理人员可以不再担心串行通信采样率，而是专注于开发各种高级分析，他们现在可以利用可以从系统中收集的额外数据来执行这些分析。
2 节约能源：
通过更快的控制回路或使用模型和实时传感器输入的计算密集型能源优化，更多有价值的数据有助于实现更好的节能效果。
3 消除数据孤岛：
传统的有线串行通信需要网关将来自边缘设备的数据转换为基于以太网的数据包，然后再将其传递到云端。将有线串行通信链路升级为单对以太网后，可以在重复使用现有布线的同时消除这些网关。这避免了数据孤岛，减少了故障点，消除了网关成本，并降低了整体延迟。
4 实时响应能力：
网关上运行的通信协议和软件将响应时间减慢到几秒级，而IO监控等楼宇自动化应用可能需要100毫秒或更低的延迟。单对以太网的更高吞吐量与网关的消除相结合，意味着更快的速度，因此系统可以实时响应。
04 更安全的通信
缺乏有效的网络覆盖正迅速成为智能建筑应用的主要障碍。建筑数字化面临的最大挑战之一是 IT 和 OT 领域的融合。通过升级到BACnet/SC等协议，可以将安全性改造到传统的基于RS-485的现场总线OT网络中，但这既昂贵又耗时，并且很容易遗漏现有系统中的漏洞。在卡巴斯基 2020 年的一项研究中，楼宇自动化系统在所有工业控制系统中受到的网络攻击最多，高于石油和天然气、能源和汽车制造行业，因此有效的安全性至关重要。
为了确保通信安全，传统的有线串行通信协议 BACnet 已被调整为 BACnet/SC12，该协议支持有线串行链路上的安全通信，允许加密。不过，网络上的所有 BACnet 设备都需要同时升级，才能充分利用这些新功能。使用传统 BACnet 的现有设备需要重新设计和维修，以增加 BACnet/SC 所需的加密功能。单对以太网(特别是 10BASE-T1L)允许使用 BACnet 等有线、不安全串行通信连接的边缘节点进行升级，并使用运行基于以太网安全的 BACnet/IP 协议进行连接。
重要的是，无需在现有信号路径上铺设新的、昂贵的以太网电缆，就能实现这种全新的、经过改进的安全态势。通过升级OT网络上的设备以运行基于以太网的安全协议，可以减轻与网络攻击相关的大部分风险。单对以太网有望通过硬件升级，实现从不安全的传统通信到基于以太网的安全通信的过渡，同时重复使用现有的布线基础设施。
单对以太网是一项重要的技术，可将 IP 连接带到边缘、提高安全性、重用布线、融合 IT 和OT网络，甚至提供电力。相关数据显示，凭借显著更高的吞吐量、消除网关和先进的安全性，单对以太网将有助于建筑行业实现 IEA 2030 年净零排放目标，即减少15%的排放量。
对楼宇通信基础设施进行现代化改造，将提供对建筑物内大量实时数据的访问，同时消除数据孤岛，实现单一管理平台方法。除了允许传统控制方案更快速地控制回路并支持人工智能和机器学习优化外，管理人员还将能够生成可操作的见解，从而为企业节省大量能源。
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