Analog Devices, Inc.
Avtorica: MeghanKaiserman, direktorica strateškega trženja
Da bi dosegli cilje glede neto nič CO2 emisij, mora gradbeni sektor posodobiti svojo komunikacijsko infrastrukturo. Ta članek prikazuje, kako Ethernet po eni parici, natančneje 10BASE-T1L, omogoča enostavno posodobitev stavb, ki uporabljajo starejše povezave, kot je RS-485, da se izboljša digitalizacija, omogoči avtomatizacija, izboljša varnost in znatno zmanjša poraba energije za doseganje večje trajnosti.
Več kot 90 držav dejavno razvija politike za odpravo podnebnih sprememb in trajnostnega razvoja, ki predvidevajo nič neto CO2 emisije. Na kratko, neto ničelna vrednost je dosežena, ko se CO2 emisije, ki jih povzroča človek, zmanjšajo in izravnajo z drugimi dejavnostmi.
Temeljni dejavnik pri doseganju ničelne neto vrednosti je zmanjšanje CO2 emisij v vseh panogah. Vendar po podatkih Mednarodnega združenja za energijo (IEA) gradbeni sektor ni na dobri poti, da bi dosegel globalne cilje glede neto ničelnih emisij CO2 do leta 2050. Natančneje, cilji za leto 2030 predvidevajo 35 % manjšo porabo energije na kvadratni meter v primerjavi z letom 2021 [1]. Ker stavbe danes predstavljajo 30 % svetovne porabe energije, obstaja skrb, da cilji glede emisij ne bodo doseženi, če industrija ne bo sprejela posebnih ukrepov za digitalizacijo sistemov in uvedbo avtomatizacije. Izziv dodatno otežuje dejstvo, da je za izvajanje učinkovite avtomatizacije potreben večji zajem podatkov v realnem času na ravni, ki presega sedanjo prepustnost in odzivnost starejše infrastrukture na osnovi RS-485. Poleg tega povezovanje naprav in sistemov v stavbi z omrežjem izpostavlja te sisteme kibernetskim napadom, kar zahteva napredno varnost, ki presega trenutne zmogljivosti teh starejših omrežij.
V tem članku je predstavljeno, kako lahko Ethernet po eni parici pomaga gradbeništvu pri doseganju ciljev neto ničelne vrednosti, hkrati pa podpira avtomatizacijo na podlagi umetne inteligence na varen in stroškovno učinkovit način. Ethernet po eni parici omogoča povezljivost z dolgim dosegom do roba tako pri novih kot pri naknadnih namestitvah, zato je ključno orodje za nemoten prenos podatkov med področji IT in OT.
Prihranki energije z digitalizacijo
Načrt IEA Net Zero 2030 [3] zahteva ~15-odstotno zmanjšanje emisij z zmanjšanjem povpraševanja s pomočjo tehnik, kot so spremembe vedenja in digitalizacija. Učenje ljudi, kako varčevati z energijo, je lahko učinkovito, vendar študije IEA [4] primerov kažejo, da ima največji potencial za zmanjšanje porabe energije avtomatizacija in ne sprememba vedenja.
Vse večja digitalizacija poslovnih stavb bo upravljavcem omogočila ne le merjenje izboljšav v poslovanju, temveč tudi vzpostavitev temeljev za avtomatizacijo poslovanja. Z dostopom do ustreznih podatkov iz senzorjev in nadzornih zmogljivosti je mogoče optimizirati delovanje stavb, da se zmanjša poraba energije in hkrati kar najbolje služi ljudem v njih.
Potreba po izboljšanju kakovosti zraka v zaprtih prostorih na primer postavlja dodatne zahteve za delovanje stavb. Novi predpisi, kot je ANSI/ASHRAE 62.1, zahtevajo vnos večje količine zunanjega zraka, za zagotavljanje najboljših praks, na področju zdravja in higiene pa so lahko potrebne dodatne količine [2]. Zaradi teh standardov za prezračevanje se bo povečala poraba energije, kar pomeni, da bo treba potrebe po energiji še dodatno zmanjšati. Za doseganje optimalnega delovanja morajo številni HVAC sistemi v stavbi sodelovati, da ne bi prišlo do navzkrižnega delovanja sistemov.
Za združitev delovanja različnih HVAC sistemov, razsvetljave, požarnih sistemov in sistemov za nadzor dostopa, je potreben dostop do pravih podatkov in nadzora. Ti omogočajo optimizacijo z umetno inteligenco in strojnim učenjem (ML), da se določi idealna uporaba svetlobe, ogrevanja ali hlajenja na podlagi trenutnih in načrtovanih dejavnosti ljudi. Omogočajo tudi nadzor pretoka zraka, ki pomaga zagotoviti ustrezno kakovost zraka v prostorih in hkrati uravnotežiti porabo energije.
Vendar pa je težko združiti podatke iz več sistemov, saj različni ponudniki vzdržujejo ločene podatkovne zbirke, kar vodi do podatkovnih silosov. Po mnenju IEA skupine, ki pripravlja smernice za izmenjavo podatkov [5] za stavbe in HVAC sisteme, je torej izziv združiti različne vire podatkov na en sam zaslon, tako da je mogoče primerjati trende in uporabiti analitiko ter pridobiti nova spoznanja, kot je prikazano na sliki 1.
Posodobitev komunikacijske infrastrukture
Ključnega pomena za združevanje številnih različnih virov podatkov v stavbi je uporabljena merilna in povezovalna infrastruktura. Tradicionalno so bili senzorji in krmilniki v poslovnih stavbah povezani prek žičnih zaporednih komunikacijskih povezav z RS-485 oddajniki in protokoli, kot so BACnet™, Modbus in LonWorks. [6]
Vendar je RS-485 starejši vmesnik, ki je omejen tako glede prepustnosti kot varnosti. Na primer, največja prenosna hitrost za BACnet MS/TP, običajen protokol za avtomatizacijo stavb, ki deluje na fizičnem sloju RS-485, je 115,2 kb/s [10]. Poleg tega so bili starejši komunikacijski protokoli, kot sta BACnet in Modbus, zasnovani za zaprta omrežja in niso imeli vgrajenih možnosti šifriranja in avtentikacije. To predstavlja veliko grožnjo za kibernetsko varnost, saj so te naprave povezane z internetom prek prehodov v IT-infrastrukturo.
Ethernet po eni parici, natančneje 10BASE-T1L, je vznemirljiva nova komunikacijska metoda, ki je bila ratificirana novembra 2019, IEEE 802.3cg, in se zdaj uvaja v stavbah [9]. Žični serijski kabel, ki se uporablja za RS-485, se lahko ponovno uporabi s podatki 10BASE-T1L Ethernet, ki tečejo po njem. Tako je mogoče obstoječo infrastrukturo prilagoditi Ethernetu po eni parici. To ima številne prednosti:
- Vozlišča lahko zdaj podpirajo večje pasovne širine do 10 Mb/s.
- Vozlišča je mogoče nasloviti prek IP protokola, kar poenostavlja upravljanje naprav.
- Doseg se poveča na 1 km, kar zadostuje za največje dolžine obstoječih RS-485 kablov. To je občutno izboljšanje v primerjavi z omejitvijo standardnega 10 Mb/s/100 Mb/s Etherneta, ki znaša le 100 m [11].
- IEEE 802.3cg določa Class 15 in omogoča pošiljanje do 52 W moči po eni parici skupaj s podatki 10BASE-T1L. Z nedavno izdanim LTC4296-1 krmilnikom za napajanje prek Etherneta (PoE) lahko sistemi zagotavljajo napajanje širokemu naboru končnih naprav. Upoštevajte, da je zaradi razlik v kakovosti kablov zagotavljanje napajanja priporočljivo le za nove namestitve.
Kot prvi korak na poti digitalizacije so bili nameščeni krmilniki stavb, ki uporabljajo standardni 10 Mb/s/100 Mb/s Ethernet in komunicirajo z Ethernet različicami teh starejših protokolov, imenovanih BACnet/IP in Modbus TCP/IP [6].BACnet/IP naprave uporabljajo enake podatkovne objekte kot starejše BACnet MS/TP naprave, zato je enostavno izvesti sistem z obema vrstama naprav. Vedno več je namestitev, povezanih z Ethernetom, s protokoli na IP osnovi, kot sta BACnet/IP in Modbus TCP/IP, ki podpirajo sodobne ukrepe kibernetske varnosti [12]. BACnet ima približno 60-odstotni tržni delež [7] po vsem svetu, približno 80 % novih namestitev pa uporablja žične serijske komunikacije na osnovi RS-485. Po ocenah združenja BSRIA (BuildingServicesResearchandInformationAssociation) bo leta 2019 že 5 % HVAC senzorjev brezžičnih, pri čemer manjša zanesljivost povezave in potreba po baterijah omejujeta področja, kjer je to mogoče sprejeti [8].
Izboljšane komunikacije
Ogrevalni in hladilni sistemi imajo več sestavnih delov, ki si morajo izmenjevati informacije za doseganje nastavljene temperature, vključno s termostati, krmilniki, enotami za obdelavo zraka in enotami s spremenljivim volumnom zraka. Pospešitev frekvence komunikacije z običajnih zaporednih hitrosti 9,6 kb/s do 115,2 kb/s na pasovno širino omrežja Ethernet 10 Mb/s pomeni znatno povečanje podatkovne prepustnosti sistema. S tako hitrimi komunikacijami na podlagi IP protokola je povezanih več pomembnih prednosti.
Analitika, ne vzorci: zaradi nizke hitrosti prenosa podatkov pri starejši komunikaciji so morali upravitelji stavb prednostno razvrstiti podatke, ki so jih zbirali, in vzorčiti podatke, ki so jih zbirali. Z Ethernetom po eni parici lahko upravniki prenehajo skrbeti za hitrost vzorčenja serijske komunikacije in se osredotočijo na razvoj širokega nabora naprednih analiz, ki jih lahko zdaj izvajajo z dodatnimi podatki, ki jih je mogoče zbrati iz sistema [14].
Varčevanje z energijo: dodatni podatki omogočajo večje prihranke energije s hitrejšimi krmilnimi zankami ali računsko intenzivnimi energetskimi optimizacijami z uporabo modelov in senzorskih vhodov v realnem času.
Združeni podatki/odprava podatkovnih silosov: za pretvorbo podatkov iz naprav na robu v pakete, ki temeljijo na Ethernetu, preden se pošljejo v oblak, je potreben prehod. Nadgradnja žičnih serijskih komunikacijskih povezav z Ethernetom po eni parici 10BASE-T1L omogoča odpravo teh prehodov in ponovno uporabo obstoječih kablov. S tem se izognemo podatkovnim silosom, zmanjšamo število točk odpovedi, odpravimo stroške prehodov in zmanjšamo skupno zakasnitev.
Odzivnost v realnem času: komunikacijski protokoli in programska oprema, ki deluje na prehodih, upočasnijo odzivni čas do nekaj sekund, medtem ko aplikacije za avtomatizacijo stavb, kot je spremljanje vhodnih in izhodnih naprav, lahko zahtevajo zakasnitev 100 milisekund ali manj [13]. Večja prepustnost Etherneta po eni parici skupaj z odpravo prehodov pomeni večjo prepustnost, zato se sistemi lahko odzivajo v realnem času.
Varna komunikacija
Memoori[12], vodilno podjetje na področju raziskav pametnih stavb, navaja, da pomanjkanje učinkovitega kibernetskega kritja hitro postaja glavna ovira za nadaljnjo uporabo pametnih stavb.
Eden največjih izzivov pri digitalizaciji gradnje je zbliževanje IT in OT področij. Varnost je mogoče naknadno vgraditi v starejša OT omrežja, ki temeljijo na RS-485, z nadgradnjo na protokole, kot je BACnet/SC, vendar je to drago, dolgotrajno in zlahka spregleda ranljivosti v obstoječem sistemu. Učinkovita varnost je ključnega pomena, saj so sistemi za avtomatizacijo stavb med vsemi industrijskimi nadzornimi sistemi prejeli največ kibernetskih napadov, več kot sistemi za nafto in plin, energetiko in avtomobilska proizvodnja v študiji podjetja Kaspersky iz leta 2020 [15].
Za varno komunikacijo je bil starejši žični serijski komunikacijski protokol BACnet prilagojen protokolu BACnet/SC12, ki podpira varno komunikacijo na žični serijski povezavi in omogoča šifriranje. Vendar je treba vse BACnet naprave v omrežju hkrati nadgraditi, da bi lahko v celoti izkoristile te nove zmogljivosti. Obstoječo opremo, ki uporablja starejši BACnet sistem, bo treba preoblikovati in servisirati, da se dodajo dodatne kriptografske funkcije, ki jih zahteva BACnet/SC sistem. Ethernet po eni parici, zlasti 10BASE-T1L, omogoča, da se robno vozlišče, ki je bilo povezano z žično, nezavarovano serijsko komunikacijo, kot je BACnet, nadgradi in poveže s protokolom BACnet/IP z varnostjo na podlagi Etherneta. Pomembno je, da se ta nova in izboljšana varnostna drža doseže brez napeljave novih, dragih ethernetnih kablov po obstoječih signalnih poteh. Z nadgradnjo naprav v OT omrežjih z varnimi protokoli, ki temeljijo na Ethernetu, je mogoče zmanjšati večino tveganja, povezanega s kibernetskimi napadi. Ethernet po eni parici, 10BASE-T1L, obljublja, da bo omogočil prehod z nezanesljivih starejših komunikacij na varne komunikacije na osnovi Etherneta z eno generacijo nadgradenj strojne opreme ob ponovni uporabi obstoječe ožičene infrastrukture.
Ethernet po eni parici, 10BASE-T1L, je pomembna tehnologija, ki prinaša povezljivost IP na rob, izboljšuje varnost, ponovno uporablja ožičenje, združuje IT in OT omrežja ter celo zagotavlja napajanje. Z bistveno večjo prepustnostjo, odpravo prehodov in napredno varnostjo bo Ethernet po eni parici pomagal gradbeni industriji doseči cilj IEA Net Zero 2030 za zmanjšanje emisij za 15 %. Posodobitev komunikacijske infrastrukture v stavbah bo omogočila dostop do ogromne količine podatkov v realnem času v stavbi, hkrati pa bo odpravila podatkovne silose in omogočila pristop k upravljanju z zaslonom. Poleg tega, da bo omogočeno hitrejše zapiranje krmilne zanke za konvencionalne krmilne sheme ter podpora umetni inteligenci in ML optimizacijam, bodo upravitelji lahko ustvarili uporabne vpoglede, ki bodo omogočili znatne prihranke energije.
Analog Devices ima ekipo, ki se osredotoča na trg trajnostnih stavb in je vodilna na področju tehnologij, ki omogočajo digitalno preobrazbo, kot so Ethernet po eni parici (10BASE-T1L), varnost in inteligentni IO ter izolacija in žični oddajniki RS-485 za starejše sisteme. Podjetje Analog Devices je predstavilo več izdelkov za Ethernet po eni parici, ki omogočajo arhitekture točka-točka (ADIN1100, ADIN1110) ter linije in obroč (ADIN2111) [16]. Za napajanje prek Ethernetparice si oglejte LTC4296-1 na strani virov napajanja in LTC9111 na strani naprav.
Reference in viri:
1“Buildings.”InternationalEnergyAssociation.
2“NewVentilationDesignCriteriaforEnergySustainabilityandIndoorAirQualityin a Post COVID-19 Scenario.” RenewableandSustainableEnergyReviews, Vol.182,2023.
3NetZeroby2050—ARoadmapfortheGlobalEnergySector.InternationalEnergyAssociation,2021.
4EnergyEfficiency2021.InternationalEnergyAssociation,2021.
5IEAAnnex81ActivityA1—ADataSharingGuidelineforBuildingsandHVACSystems. InternationalEnergyAssociation,2023.
6TheUltimateGuidetoBuildingAutomationProtocols.SmartBuildingsAcademy,2020.
7“ResearchStudyIndicatesBACnetGlobalMarketShareover60%.”BACnetInternational,2018.
8“ANewDetailedUSFieldDeviceStudyIsReleased.”BSRIA,2020.
9“SinglePairEthernetonItsWayintotheSmartBuilding.”SmartBuildingsTechnology,2020.
10ImprovingBACnet®.BACnet,2020.
11“HowtoCost-EffectivelyNetworkSensorsforBuildingManagementSystems.”DigiKey,2023.
12“CyberSecurityinSmartCommercialBuildings2022to2027.”Memoori,2022.
13“Industry4.0forEnergyProductivity.”RACEfor2030,2021.
14“HowIPControlsAreChangingBuildingAutomationControls.”ControlTrends, February 2022.
15“ThreatLandscapeforIndustrialAutomationSystems.”Kaspersky,March2021.
16“BuildingAutomationControllersandNetworks.”AnalogDevices,Inc.
O avtorju
MeghanKaiserman je direktorica strateškega trženja za trajnostne zgradbe pri podjetju Analog Devices in se osredotoča na tehnologije digitalizacije, vključno z inteligentnimi IO, Ethernetom po eni parici in varnostjo. Meghan ima več kot 18 let delovne dobe pri podjetju Analog Devices, pred tem pa je opravljala naloge na področju aplikacij in sistemskega inženiringa. Razvijala je izdelke za industrijski trg, od natančnih analognih do merjenja energije in industrijskega Etherneta. Meghan je diplomirala na Cooper Union fortheAdvancementof Science andArt v New Yorku.
