A nettó nulla CO2-kibocsátás elérése egyérpáras Ethernet segítségével
A nettó nulla CO2-kibocsátási célok elérése érdekében az építőiparnak korszerűsítenie kell kommunikációs infrastruktúráját. Ez a cikk bemutatja, hogy az egyérpáras Ethernet (SPE), különösen a 10BASE-T1L hogyan teszi lehetővé az olyan elavult kapcsolatokat, mint az RS-485-öt használó épületek egyszerű utólagos felszerelését a digitalizálás javítása, az automatizálás lehetővé tétele, a biztonság javítása, a nagyobb fenntarthatóság elérése, és az energiafogyasztás jelentős csökkentése érdekében.
Az éghajlatváltozás és a fenntarthatóság kezelése érdekében több mint 90 ország aktívan dolgozik a nettó nulla CO2-kibocsátású politikák kialakításán. Röviden, a nettó nulla értéket akkor érjük el, ha az emberi eredetű CO2-kibocsátást csökkentjük és más tevékenységekkel ellensúlyozzuk.
A nettó zéró elérésének alapvető tényezője a CO2-kibocsátás csökkentése minden iparágban. A Nemzetközi Energiaügyi Szövetség (IEA – International Energy Association) szerint azonban az építőipari ágazat nem tart a 2050-re kitűzött globális nettó nulla CO2-kibocsátási célok eléréséhez vezető úton. Konkrétan a 2030-as célok a 2021-eshez képest 35%-kal kevesebb négyzetméterenkénti energiafogyasztást céloznak meg. Mivel az épületek ma a globális energiafogyasztás 30%-át teszik ki, aggodalomra ad okot, hogy a kibocsátási célok nem teljesülnek, hacsak az ágazat nem tesz konkrét lépéseket a rendszerek digitalizálása és az automatizálás megvalósítása érdekében. Tovább bonyolítja a kihívást, hogy a hatékony automatizálás megvalósításához több valós idejű adatgyűjtésre van szükség, olyan szinten, amely meghaladja a hagyományos RS-485-alapú infrastruktúra jelenlegi átviteli kapacitását és reagálóképességét. Ezenkívül az eszközök és az épületrendszerek hálózathoz való csatlakoztatása kibertámadásoknak ad lehetőséget, ami ezért az ilyen hagyományos hálózatok jelenlegi képességeit meghaladó fejlett biztonságot igényel.
Ez a cikk azt vizsgálja, hogy az egyérpáras Ethernet hogyan segíthet az építőiparnak elérni a Net Zero célokat, miközben biztonságos és költséghatékony módon támogatja a mesterségesintelligencia-alapú automatizálást. Az egyérpáras Ethernet lehetővé teszi a nagy hatótávolságú csatlakozást a szélső pontokig mind a zöldmezős, mind az utólagos telepítések esetében, így kritikus eszközzé válik az IT és az OT tartományok közötti zökkenőmentes adatátvitelhez.
Energiatakarékosság a digitalizáció révén
Az IEA 2030-as Net Zero terve a kibocsátások ~15%-os csökkentését írja elő a kereslet olyan technikák révén történő csökkentésével, mint a viselkedésbeli változások és a digitalizáció. Bár az emberek oktatása/tanítása az energiatakarékosságra hatékony lehet, az IEA esettanulmányai inkább az automatizálás, mint a viselkedésváltoztatás tekintetében mutatnak rá a legnagyobb energiacsökkentési potenciálra.
A kereskedelmi épületek fokozódó digitalizálása lehetővé teszi az üzemeltetők számára, hogy ne csak az üzemeltetési javulást mérjék, hanem megalapozzák az üzemeltetés automatizálását is. A megfelelő érzékelőadatokhoz és vezérlési képességekhez való hozzáféréssel optimalizálni lehet az épületek működését az energiafogyasztás csökkentése érdekében, miközben a lehető legjobban kiszolgálják a bennük tartózkodó embereket.
Például a beltéri levegőminőség javításának igénye további követelményeket támaszt az épületek üzemeltetésével szemben. Az új előírások, mint például az ANSI/ASHRAE 62.1, több kültéri levegő bevitelét írják elő, és további mennyiségekre lehet szükség a legjobb egészségügyi és higiéniai gyakorlatok biztosításához. Ezek a szellőzési előírások megnövekedett energiafogyasztást eredményeznek, ami azt jelenti, hogy az energiaigényt tovább kell csökkenteni. Az optimális működés érdekében az épületben lévő számos HVAC-rendszernek (Heating, Ventillation, Air-Conditioning – fűtés, szellőzés és légkondicionálás) képesnek kell lennie az együttműködésre, hogy elkerülhető legyen a rendszerek egymás ellenében történő működése.
Az eltérő HVAC-, világítási, tűzvédelmi és beléptető rendszerek működésének összehangolásához a megfelelő adatokhoz és vezérlésekhez való hozzáférés szükséges. Ezek lehetővé teszik a mesterséges intelligencia és a gépi tanulás (ML) optimalizálását, hogy az emberek aktuális és tervezett tevékenysége alapján meghatározzák a világítás, a fűtés vagy a hűtés ideális használatát. Lehetővé teszik továbbá a légáramlás szabályozását, hogy segítsenek a megfelelő beltéri levegőminőség megteremtésében, miközben kiegyensúlyozzák az energiafogyasztást.
A több rendszerből származó adatokat azonban nehéz konvergálni, mivel a különböző gyártók külön adatbázisokat tartanak fenn, ami adatsilókhoz vezet. Az épületekre és a HVAC-rendszerekre vonatkozó adatmegosztási iránymutatásokon dolgozó IEA-csoport szerint a kihívás tehát az, hogy a különböző adatforrásokat egyetlen felületen hozzák össze, hogy a trendek összehasonlítása és az elemzések alkalmazása új felismerésekhez vezessen, amint azt az 1. ábra mutatja.
1. ábra. A konvergens rendszerek lehetővé teszik az adatok egyetlen felületen keresztül történő megjelenítését, ami az automatizálással és az AI/ML-lel együtt alkalmazva energiamegtakarítást tesz lehetővé
A kommunikációs infrastruktúra korszerűsítése
Az épületen belüli számos különböző adatforrás egyesítésének kulcsa a használt mérési és csatlakozási infrastruktúra. Hagyományosan a kereskedelmi épületekben az érzékelők és a vezérlők vezetékes soros kommunikációs összeköttetéseken keresztül kapcsolódtak egymáshoz RS-485 adó-vevő és olyan protokollok segítségével, mint a BACnet™, a Modbus és a LonWorks.
Az RS-485 azonban egy elavult interfész, amely mind az átviteli teljesítmény, mind a biztonság szempontjából korlátozott. Például az RS-485 fizikai rétegen futó BACnet MS/TP, egy elterjedt épületautomatizálási protokoll, maximális adatátviteli sebessége 115,2 kbps. Emellett az olyan hagyományos kommunikációs protokollokat, mint a BACnet és a Modbus, zárt hálózatokra tervezték, és nem rendelkeztek beépített titkosítási és hitelesítési képességekkel. Ez komoly kiberbiztonsági fenyegetést jelent, mivel ezek az eszközök az informatikai infrastruktúrához kapcsolódó átjárókon keresztül kapcsolódnak az internethez.
Az egyérpáras Ethernet, konkrétan a 10BASE-T1L egy izgalmas új kommunikációs módszer – 2019 novemberében ratifikált IEEE 802.3cg szabvány –, amelyet mostanában alkalmaznak az épületekben. Az RS-485 rendszereken használt vezetékes soros összeköttetést biztosító kábel újrafelhasználható a rajta futó 10BASE-T1L Ethernet-adatokkal, így a meglévő infrastruktúra egyérpáras Ethernethez igazítható.
Ennek számos előnye van:
- A csomópontok most már nagyobb, akár 10 Mbps sávszélességet is támogathatnak.
- A csomópontok IP-címezhetőek, ami egyszerűsíti az eszközök kezelését.
- A hatótávolság 1 km-re nő, ami elegendő a meglévő RS-485 kábelezés maximális hosszának támogatásához. Ez jelentős előrelépés a szabványos 10 Mbps/100 Mbps Ethernet mindössze 100 m-es határához képest.
- Az IEEE 802.3cg a 15. osztályt írja elő, és lehetővé teszi, hogy a 10BASE-T1L adatátvitel mellett akár 52 W teljesítményt is küldhessenek egyetlen sodrott páros kábelen keresztül. A nemrégiben megjelent LTC4296-1 Power over Ethernet (PoE) vezérlővel a rendszerek a végberendezések széles skáláját láthatják el energiával. Figyelembe kell azonban venni, hogy a kábelminőség eltérései miatt a tápellátás csak új telepítésekhez ajánlott.
A digitalizációs út első lépéseként a szabványos 10 Mbps/100 Mbps Ethernetet használó épületvezérlők kerültek bevezetésre, amelyek ezen örökölt protokollok Ethernet-alapú változataival, a BACnet/IP és a Modbus TCP/IP protokollokkal kommunikálnak. A BACnet/IP eszközök ugyanazokat az adatobjektumokat használják, mint a BACnet MS/TP örökölt eszközök, így mindkét eszköztípussal könnyen megvalósítható egy rendszer. A modern kiberbiztonsági intézkedéseket támogató IP-alapú protokollokkal, például a BACnet/IP és a Modbus TCP/IP protokollal, valamint Ethernet-kapcsolattal rendelkező telepítések száma egyre nő. A BACnet piaci részesedése világszerte mintegy 60%, és az új telepítések mintegy 80%-a vezetékes RS-485-alapú soros kommunikációt használ.
Továbbfejlesztett kommunikáció
A fűtési és hűtési rendszerekben több komponensnek kell információt cserélnie a beállított hőmérséklet eléréséhez, beleértve a termosztátokat, a szabályozókat, a légkezelő egységeket és a változó légmennyiségű egységeket. A kommunikáció gyakoriságának felgyorsítása a szokásos 9,6 kbps-os soros baud-sebességről 115,2 kbps-ra, illetve a 10 Mbps-os Ethernet-sávszélességre azt jelenti, hogy a rendszer adatátviteli sebessége jelentősen megnőtt. Számos fontos előnye van az ilyen nagy sebességű IP-alapú kommunikációnak.
Analitika: a hagyományos kommunikáció lassú adatátviteli sebessége miatt az épületüzemeltetőknek prioritást kellett adniuk az összegyűjtött adatoknak, és mintát kellett venniük az összegyűjtött adatokból. Az egyérpáras Ethernet segítségével a vezetők nem aggódhatnak a soros kommunikációs mintavételi sebességek miatt, hanem a fejlett elemzések széles körének fejlesztésére összpontosíthatnak, amelyeket a rendszerből gyűjthető további adatokkal végezhetnek el.
Energiatakarékosság: a további adatok nagyobb energiamegtakarítást tesznek lehetővé a gyorsabb szabályozási körök vagy a modellek és a valós idejű érzékelő bemenetek felhasználásával végzett számításigényes energiaoptimalizálás révén.
Összevont adatok/adatsilók megszüntetése: a hagyományos vezetékes soros kommunikációhoz átjáróra van szükség, amely a peremeszközökből származó adatokat Ethernet-alapú csomagokká alakítja, mielőtt továbbítja azokat a felhőbe. A vezetékes soros kommunikációs kapcsolatok egyérpáras Ethernetre, 10BASE-T1L-re történő frissítése lehetővé teszi ezen átjárók kiiktatását, miközben a meglévő kábelezés újrafelhasználható. Elkerülhetők ezáltal az adatsilók, csökkenthetők a hibapontok, megszűnnek az átjárók költségei, és csökken a teljes késleltetés.
Valós idejű válaszkészség: az átjárókon futó kommunikációs protokollok és szoftverek másodpercekre lassítják a válaszidőt, míg az épületautomatizálási alkalmazások, például az IO-felügyelet 100 milliszekundumos vagy annál alacsonyabb késleltetést igényelhetnek. Az egyérpáras Ethernet nagyobb átviteli képessége az átjárók kiiktatásával együtt gyorsabb átviteli sebességet jelent, így a rendszerek valós időben tudnak reagálni.
Biztonságos kommunikáció
A Memoori Research AB, egy független, teljes mértékben az intelligens építőiparra összpontosító elemző cég szerint a hatékony kibervédelem hiánya hamarosan az intelligens épületek bevezetésének vezető akadályává válik.
Az épületek digitalizálásával kapcsolatos egyik legnagyobb kihívás az IT és OT területek konvergenciája. Lehetőség van a biztonság utólagos beépítésére a régebbi RS-485-alapú terepi buszos OT-hálózatokba az olyan protokollokra való frissítéssel, mint a BACnet/SC, de ez költséges, időigényes, és könnyen elkerülhetik a figyelmet a meglévő rendszer sebezhetőségi pontjai. A hatékony biztonság kritikus fontosságú, mivel a Kaspersky 2020-as tanulmánya szerint az épületautomatizálási rendszerek kapták a legtöbb kibertámadást az összes ipari vezérlőrendszer közül, többet, mint az olaj- és gázipar, az energiaipar és az autógyártás.
A kommunikáció biztonsága érdekében a BACnet hagyományos vezetékes soros kommunikációs protokollt a BACnet/SC12 protokollhoz igazították, amely támogatja a titkosítást lehetővé tevő, biztonságos kommunikációt a vezetékes soros kapcsolaton. A hálózaton lévő összes BACnet eszközt azonban egyszerre kell frissíteni ahhoz, hogy teljes mértékben ki lehessen használni ezeket az új képességeket. Az örökölt BACnetet használó meglévő berendezéseket át kell tervezni és szervizelni kell a BACnet/SC-hez szükséges további titkosítási funkciók hozzáadásához. Az egyérpáras Ethernet, különösen a 10BASE-T1L lehetővé teszi, hogy a korábban a BACnet-hez hasonló vezetékes, nem biztonságos soros kommunikációval csatlakoztatott szélső csomópontot korszerűsítsék és az Ethernet-alapú biztonságot futtató BACnet/IP protokollt használva csatlakoztassák. Fontos, hogy ez az új és jobb biztonsági helyzet anélkül érhető el, hogy új, költséges Ethernet-kábeleket kellene fektetni a meglévő jelútvonalakon.
Az OT-hálózatok eszközeinek biztonságos Ethernet-alapú protokollok futtatására történő korszerűsítésével a kibertámadásokkal kapcsolatos kockázatok nagy része csökkenthető. Az egyérpáras Ethernet, a 10BASE-T1L ígéretesen lehetővé teszi az átmenetet a nem biztonságos, régi kommunikációról a biztonságos Ethernet-alapú kommunikációra egy generációs hardverfrissítéssel, a meglévő kábelezési infrastruktúra újrafelhasználása mellett.
Az egyérpáras Ethernet, a 10BASE-T1L fontos technológia, amely az IP-kapcsolatot a peremekre viszi, javítja a biztonságot, újrahasznosítja a vezetékeket, konvergálja az IT- és OT-hálózatokat, és még áramot is szolgáltat. A lényegesen nagyobb átviteli sebességgel, az átjárók kiküszöbölésével és a fejlett biztonsággal az egyérpáras Ethernet segít az építőiparnak elérni az IEA Net Zero 2030-as célját, azaz a kibocsátás 15%-os csökkentését. Az épületek kommunikációs infrastruktúrájának korszerűsítése óriási mennyiségű valós idejű adathoz biztosít hozzáférést az épületen belül, miközben megszünteti az adatsilókat és lehetővé teszi az egyablakos megközelítést az irányításban. Amellett, hogy a hagyományos szabályozási rendszerek esetében gyorsabb szabályozási hurokzárást tesznek lehetővé, és támogatják a mesterséges intelligencia és a gépi tanulás optimalizációját, a vezetők képesek lesznek olyan használható felismeréseket generálni, amelyek jelentős energiamegtakarítást eredményeznek.
Az Analog Devices a fenntartható épületek piacára összpontosító csapattal rendelkezik, és vezető szerepet tölt be a digitális átalakulást lehetővé tevő technológiák terén, mint az egyérpáras Ethernet (10BASE-T1L), a biztonság és az intelligens IO-k, ezenkívül szakértője a korábbi technológiáknak is, mint a szigetelés és a vezetékes RS-485 adó-vevők a régi rendszerekhez. Az Analog Devices több olyan egyérpáras Ethernet-termékkel rendelkezik, amelyek pont-pont (ADIN1100, ADIN1110), valamint vonal- és gyűrűs architektúrákat (ADIN2111) tesznek lehetővé. Az egyérpáras Ethernet-en keresztüli tápellátáshoz lásd az LTC4296-1-et a tápellátás oldalán és az LTC9111-et az eszközoldalon.
Szerző: Meghan Kaiserman – stratégiai marketing igazgató, Analog Devices
|
A szerzőről
|
További műszaki és kereskedelmi információkat az Analog Devices hivatalos hazai forgalmazójától, az Arrow Electronics Hungary-től kaphatnak.
Arrow Electronics Hungary
1138 Budapest, Váci út 140.
Bihari Tamás,
Senior Field Application Engineer
E-mail:
Tel.: +36 30 748 0457
www.arrow.com
