借助單對乙太網路實現淨零排放目標

作者： ADI 策略市場行銷總監Meghan Kaiserman


摘要

 

為了達成淨零排放目標，建築產業需要對其通訊基礎設施進行現代化改造。本文將介紹如何利用單對乙太網路（特別是10BASE-T1L）對使用RS-485等傳統鏈路的建築輕鬆實現改造，以提升數位化程度、實現自動化、提高安全性並大幅降低能耗，進而實現更高的永續性。

 

簡介

為了因應氣候變化和實現永續發展，目前全球有90多個國家/地區正在積極制定淨零排放政策。簡言之，當人類的二氧化碳排放量可以透過其他活動減少和抵消時，就能實現淨零排放。

實現淨零排放的一個基本要素是減少所有產業的二氧化碳排放量。然而，根據國際能源協會, the building sector is not on track to meet global 2050 net zero CO2(IEA)的資料，建築業實現2050年全球二氧化碳淨零排放目標的進展依然不盡理想。具體而言，2030年的目標是與2021年相比每平方公尺的能耗減少35%。1 目前，建築能耗占全球能耗的30%，為此，人們擔心除非建築業採取具體行動實現系統數位化轉型和自動化，否則排放目標將無法實現。為了實現有效的自動化，需要進行更多的即時資料採集，而這超出了基於RS-485的傳統基礎設施的目前輸送量和回應能力，面臨的挑戰難度進一步升級。此外，將裝置和建築系統與網路相連會帶來遭受網路攻擊的風險，因此需要具備超越這些傳統網絡目前水準的先進安全功能。

本文將探討單對乙太網路如何協助建築業實現淨零目標，同時以安全且經濟高效的方式支援基於AI的自動化。單對乙太網路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領域之間無縫傳輸資料的重要工具。

透過數位化轉型實現節能

IEA 2030淨零計畫3要求透過行為改變和數位化等技術減少需求，進而減少約15%的排放量。儘管其中指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。

隨著商業建築數位化程度的不斷提升，營運業者不僅能夠衡量營運績效提升情況，並為營運自動化奠定了基礎。借助感測器資料和控制功能，可以優化建築運行，降低能耗，同時讓建築內人員獲得更好的服務。

例如，改善室內空氣品質為建築營運提出了額外的要求。ANSI/ASHRAE 62.1等新法規要求吸入更多的室外空氣，並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，表示必須進一步降低能源需求。為了優化運行，建築內的許多HVAC系統必須能夠協同工作，避免系統之間相互衝突。

為了讓不同的HVAC、照明、消防和門禁系統融合操作，需要獲取正確的資料並存取控制功能。透過融合操作可優化AI和機器學習(ML)，以根據人們目前和計畫的活動確定理想的照明、暖氣或冷卻裝置。透過融合操作還可以控制氣流，協助確保適當的室內空氣品質，同時平衡能耗。

然而，由於不同的資料庫是由不同的供應商維護，因此很難融合來自多個系統的資料，進而導致資料孤島。根據負責建築和HVAC系統資料共用指南5的IEA小組指出，接下來的挑戰是如何將不同的資料來源整合到一個控制台中，以便比較趨勢並應用分析，進而產生新見解，如圖1所示。

Figure 1. Converging systems allow data visualization through a single pane of glass, which enables energy savings when used alongside automation and AI/ML.

圖1. 多個系統融合可透過單一控制台實現資料視覺化，與自動化和AI/ML配合使用時可節約能源。

實現通訊基礎設施現代化

要將建築內的許多不同資料來源整合，關鍵在於所用的測量和連接基礎設施。以往商業建築中的感測器和控制功能透過有線串列通訊鏈路，借助RS-485收發器和協議（如BACnet™、Modbus和LonWorks）進行連接。6

然而，RS-485是一種傳統介面，在輸送量和安全性方面都受到限制。例如，在RS-485實體層上運行的BACnet MS/TP（一種常見的建築自動化協議）的最大串列傳輸速率為115.2 kbps。10 此外，傳統的通訊協定（如BACnet和Modbus）是為封閉網路設計的，缺乏內建的加密和身份驗證功能。由於這些裝置透過IT基礎設施閘道器連接到互聯網，因此面臨極的網路安全威脅。

單對乙太網路（特別是10BASE-T1L）為一種令人欣喜的新通訊方法，已於2019年11月獲得IEEE 802.3cg批准，現已部署到建築中。9 支援RS-485的有線串列鏈路電纜可以重複使用，並透過這些電纜傳輸10BASE-T1L乙太網路資料。因此，現有的基礎設施可適用於單對乙太網路。這具有很多優勢：

  • 節點現在可以支援更高的頻寬（高達10 Mbps）。
  • 節點可透過IP定址，進而簡化裝置管理。
  • 可延伸至1公里，足以支援現有RS-485佈線的最大長度。相較於標準10 Mbps/100 Mbps乙太網路的限制（僅100公尺），這有了明顯的改善。11
  • IEEE 802.3cg規定了15類相關要求，允許透過單根雙絞線電纜傳輸高達52 W的功率以及10BASE-T1L資料。利用最近推出的 LTC4296-1乙太網路供電(PoE)控制器，系統可以為各類終端裝置供電。請注意，由於電纜品質存在差異，建議僅對新設施進行供電。

數位化轉型之旅的第一步，應在部署採用標準10 Mbps/100 Mbps乙太網路的建築控制器的情況下，透過這些傳統協定基於乙太網路的版本（稱為BACnet/IP和Modbus TCP/IP）進行通訊。6BACnet/IP裝置使用與BACnet MS/TP傳統裝置相同的資料物件，因此很容易實現具有這兩種裝置的系統。採用BACnet/IP和Modbus TCP/IP等支援現代網路安全措施的基於IP協定的乙太網路連接設施日益增加。12 BACnet在全球擁有約60%的市場份額7 ，約80%的新設施使用基於RS-485的有線串列通訊。據建築服務研究和資訊協會(BSRIA)估計，2019年5%的HVAC感測器是無線感測器，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範圍。8

改善通訊

暖氣和冷卻系統有多個元件（包括恆溫器、控制器、空氣處理裝置和可變風量裝置）需要交換資訊以達到溫度設定點。將通摸頻率從常見的串列傳輸速率9.6 kbps至115.2 kbps提升到乙太網路頻寬10 Mbps，表示系統的資料輸送量會大幅增加。此種基於IP的高速通訊有幾大優勢。

分析，而不是採樣：傳統通訊的資料傳輸速率較慢，因此建築管理者必須對收集的資料進行優先排序，然後對收集的資料進行採樣。借助單對乙太網路，管理者不必擔心串列通訊取樣速率， 現在可專注於開發各種進階分析功能，利用從系統收集的更多資料來執行這些分析。14

節約能源：利用這些額外資料，可以透過更快的控制迴路或借助模型和即時感測器輸入資訊實現計算密集型能源優化，進而提升節能效率。

融合資料/消除資料孤島：傳統的有線串列通訊需要閘道器將來自邊緣裝置的資料轉換為基於乙太網路的資料封包，然後將這些資料封包傳輸到雲端。如果將有線串列通訊鏈路升級為單對乙太網路 10BASE-T1L，則可以重用現有佈線，同時消除這些閘道。這可避免出現資料孤島、減少故障點、消除閘道成本並縮短總體延遲時間。

即時回應能力：在閘道器上運行的通訊協定和軟體會將回應時間減慢到幾秒級，而建築自動化應用（如IO監控）可能需要100毫秒或更短的延遲時間。13單對乙太網路具有更高輸送量，同時無需閘道，吞吐速度會更快，因此系統可以即時做出回應。

安全通訊

智慧建築研究領域的領導者Memoori12指出，缺乏有效的網路覆蓋正在迅速成為智慧建築應用向前發展的主要障礙。

實現數位化轉型面臨的最大挑戰之一是IT和OT領域的融合。透過升級到BACnet/SC等協議，可以對基於RS-485的傳統現場匯流排OT網路進行安全改造，但如此做法成本高昂、耗時很長，並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，建築自動化系統受到的網路攻擊最多，超過石油和天然氣、能源和汽車製造產業，因此有效的安全防護十分重要。15

為了確保通訊安全，傳統的有線串列通訊協定BACnet已改為 BACnet/SC12，後者透過有線串列鏈路實現安全通訊並允許加密。然而，網路上的所有BACnet設備必須同時升級才能充分利用這些新功能。為了增加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的現有裝置。透過單對乙太網路（特別是10BASE-T1L），可以使用BACnet/IP協定（可實現基於乙太網路的安全性）升級和連接借助於不安全的有線串列通訊（如BACnet）進行連接的邊緣節點。重要的是，無需在現有訊號路徑上佈設昂貴的新電纜即可實現如此經過改進的新型安全狀態。

透過升級OT網路上的裝置以運行基於乙太網路的安全協定，可以減輕許多與網路攻擊相關聯的風險。單對乙太網路10BASE-T1L可望透過一代硬體升級，從不安全的傳統通訊轉換到基於乙太網路的安全通訊，同時重用現有的佈線基礎設施。

單對乙太網路10BASE-T1L是一項重要技術，可將IP連接擴展到邊緣、提高安全性、重用佈線、融合IT和OT網路，甚至可以供電。單對乙太網路具有明顯更高的輸送量、無需閘道器且具有進階安全功能，將有助於建築業實現IEA的2030年淨零碳排目標，即減少15%的排放量。透過實現建築通訊基礎設施現代化，可以提供對建築內大量即時資料的存取，同時消除資料孤島並支援單一控制台管理模式。除了為傳統控制方案提供更快的控制迴路閉合並支援人工智慧和ML優化外，管理人員並將能夠產生可行性見解，進而節約大量能源。

ADI擁有一支 永續建築 專業團隊，作為市場先行者不斷在該技術領域持續創新，並專注於支援數位化轉型的技術（如單對乙太網路(10BASE-T1L)、安全和智慧IO，以及用於傳統系統的隔離和有線RS-485收發器）。同時，ADI也已發表多款支援點對點的單對乙太網路產品 (ADIN1100、ADIN1110) ，以及支援線環架構的單對乙太網路產品 (ADIN2111)。16關於單對乙太網路供電產品請參考LTC4296-1（電源端），以及LTC9111（裝置端）。

參考資料

1 “Buildings.” International Energy Association.

2 “New Ventilation Design Criteria for Energy Sustainability and Indoor Air Quality in a Post COVID-19 Scenario.” Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 182, 2023.

3 Net Zero by 2050—A Roadmap for the Global Energy Sector. International Energy Association, 2021.

4 Energy Efficiency 2021. International Energy Association, 2021.

5 IEA Annex 81 Activity A1—A Data Sharing Guideline for Buildings and HVAC Systems. International Energy Association, 2023.

6 The Ultimate Guide to Building Automation Protocols. Smart Buildings Academy, 2020.

7 “Research Study Indicates BACnet Global Market Share over 60%.” BACnet International, 2018.

8 “A New Detailed US Field Device Study Is Released.” BSRIA, 2020.

9 “Single Pair Ethernet on Its Way into the Smart Building.” Smart Buildings Technology, 2020.

10 Improving BACnet®. BACnet, 2020.

11 “How to Cost-Effectively Network Sensors for Building Management Systems.” DigiKey, 2023.

12 “Cyber Security in Smart Commercial Buildings 2022 to 2027.” Memoori, 2022.

13 “Industry 4.0 for Energy Productivity.” RACE for 2030, 2021.

14 “How IP Controls Are Changing Building Automation Controls.” ControlTrends, February 2022.

15 “Threat Landscape for Industrial Automation Systems.” Kaspersky, March 2021.

16 “Building Automation Controllers and Networks.” Analog Devices, Inc.