利用單對以太網(wǎng)最大限度地減少 CO2 排放

作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-07-31

二氧化碳 (CO 2 ) 凈零排放的全球目標(biāo)會影響到所有行業(yè)領(lǐng)域。鑒于各種建筑不僅數(shù)量龐大，而且能效低下，因此就建筑物而言，這一目標(biāo)極具挑戰(zhàn)性。對于許多已安裝的控制和通信系統(tǒng)來說，其監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理能力有限，而且通常缺乏先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析和控制功能來優(yōu)化能效。

要實(shí)現(xiàn) CO2 凈零排放，就需要使用基于人工智能 (AI) 分析和控制的自動(dòng)化系統(tǒng)。這一改進(jìn)的關(guān)鍵在于能夠按照 10BASE-T1L 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，使用長距離、高數(shù)據(jù)速率單對以太網(wǎng) (SPE)，在整個(gè)建筑物內(nèi)輕松部署傳感器。更高的數(shù)據(jù)傳輸速率會最大限度地減少延遲，實(shí)現(xiàn)對建筑系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。

本文簡要介紹 CO2 凈零排放建筑對連接的要求。然后，以 [Analog Devices]的 10BASE-T1L 器件為例，展示 SPE 如何支持在通信和控制方面的改進(jìn)，同時(shí)加強(qiáng)可持續(xù)性。

傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)的局限性

傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)采用建筑管理系統(tǒng) (BMS) 來進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)控制，而建筑子系統(tǒng)通常是孤立運(yùn)行的。通信交互性和可用電源方面的限制使建筑無法達(dá)到最高能效，從而造成損失，最終影響環(huán)境?？紤]標(biāo)準(zhǔn)建筑的分級結(jié)構(gòu)（圖 1）。

圖 1：傳統(tǒng)的建筑系統(tǒng)是分級的，但也可以按功能來劃分。（圖片來源：Analog Devices Inc.）

圖 1 中 BMS 金字塔底部的現(xiàn)場/設(shè)備級包含了各種不同系統(tǒng)的本地傳感器、致動(dòng)器。建筑和房間的控制器級會整合來自現(xiàn)場和設(shè)備的數(shù)據(jù)，并控制設(shè)備。企業(yè)級監(jiān)控整棟建筑，并通過 BMS 協(xié)調(diào)控制器的運(yùn)行。

傳統(tǒng)的建筑系統(tǒng)，如供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng) (HVAC) 等具有垂直控制級，但與占用探測等系統(tǒng)隔離運(yùn)行。這就意味著，無論占用率如何，各個(gè)樓層的 HVAC 系統(tǒng)運(yùn)行仍需消耗能源。

之所以采用這種垂直隔離結(jié)構(gòu)，是因?yàn)楝F(xiàn)有數(shù)據(jù)接口的性能有限。較低級的模擬接口、4 mA 至 20 mA 電流回路接口和 RS485 串行接口，以及如總線可尋址遠(yuǎn)程傳感器 (HART) 和 Fieldbus 等較高級別的接口，速度相對較慢，具體為 1200 b/s 至 31.25 Kb/s。這就限制了一定時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸量。

10BASE-T1L (IEEE 802.3cg) 以太網(wǎng)接口標(biāo)準(zhǔn)于 2019 年推出，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，相比 SPE 提高到 10 Mb/s。該標(biāo)準(zhǔn)還能通過相同的數(shù)據(jù)傳輸線路提供更高的功率，從使用 HART 的 4-20 mA 電流回路的 36 mW 到 500 mW（非隔離）或最大 60 W（表 1）。

| | 協(xié)議 | 最大電纜長度 | 比特率 | 電源傳輸能力 | 導(dǎo)線數(shù)量 | 更高級別的以太網(wǎng)連接 |
| ------------------------ | ------------------------ | ------------------ | -------------------------------- | -------------------- | -------------------------------- |
| 4 mA 至 20 mA，帶 HART | <1,500 m | 1,200 b/s | 有 (36 mW) | 2 | 通過網(wǎng)關(guān) |
| Fieldbus | 1,900 m | 31.25 Kb/s | 有（受限） | 2 | 通過網(wǎng)關(guān) |
| 10BASE-T1L | 1,000 m | 10 Mb/s | 有（500 mW 非隔離，最大 60 W） | 2 | 直接 |

表 1：一些常見的建筑數(shù)據(jù)接口網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)。（表格來源：Art Pini，使用 Analog Devices, Inc. 的數(shù)據(jù)）

較慢的數(shù)據(jù)接口也限制了對現(xiàn)場級傳感器和致動(dòng)器的訪問，這意味著這些設(shè)備只能在現(xiàn)場重新配置。10BASE-T1L 兼容所有現(xiàn)有的以太網(wǎng)實(shí)施方案，可與所有 BASE-T 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)裝置（包括 10/100/1000/2.5G/5G/10G BASE-T 變體）實(shí)現(xiàn)無縫通信，而無需網(wǎng)關(guān)。

10BASE-T1L 的作用

10BASE-T1L 是更大的以太網(wǎng) 802.3 標(biāo)準(zhǔn)的一部分。這個(gè)名稱概括了其特點(diǎn)?！?0”表示傳輸速率為 10 Mb/s，“BASE”表示基帶信號，即通過介質(zhì)只能發(fā)送以太網(wǎng)信號?！癟”表示介質(zhì)為雙絞線，“1”表示傳輸距離為 1 km，“L”表示長度。

10BASE-T1L 的介質(zhì)規(guī)格并未指明特定的雙絞線電纜。相反，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了布線的回波損耗和插入損耗。這樣就可以重復(fù)使用現(xiàn)有的已安裝線路，如 Fieldbus A 型電纜。

10BASE-T1L 支持使用兩種振幅模式進(jìn)行全雙工通信：2.4 V P-P （峰峰值 ），傳輸距離 1000 m；1.0 V P-P ，傳輸距離縮短至 200m，適用于危險(xiǎn)環(huán)境。

以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，通過用于數(shù)據(jù)通信的雙絞線電纜供電。在 10BASE-T1L 標(biāo)準(zhǔn)中，根據(jù)環(huán)境特點(diǎn)來控制功率。500 mW 適用于那些必須限制火花放電功率的本安型（即危險(xiǎn)）區(qū)域。安全區(qū)域的功率上限為 60 W。

10BASE-T1L 的優(yōu)勢

除 1 km 的傳輸距離外，10BASE-T1L 最大優(yōu)勢是能夠兼容各種以太網(wǎng) BASE-T 網(wǎng)絡(luò)。這樣就無需在不同的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)之間建立轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。該標(biāo)準(zhǔn)打通了從現(xiàn)場到企業(yè)和云級的通道，降低了成本、復(fù)雜性和功耗要求。

由于 10BASE-T1L 的傳輸速度高達(dá) 10 Mb/s，因此可以向傳感器和執(zhí)行器傳輸基本的測量過程值以及其他配置參數(shù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)，甚至進(jìn)行軟件或固件更新?？赏ㄟ^ IP 地址遠(yuǎn)程訪傳感器和致動(dòng)器。由于兼容 10BASE-T1L 的設(shè)備無需網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)換器，因此設(shè)備配置更加簡單。額外的數(shù)據(jù)處理能力有助于進(jìn)行更全面的日常系統(tǒng)診斷和故障排除。

更高的數(shù)據(jù)傳輸速率所帶來的更多數(shù)據(jù)容量還可用于連接建筑系統(tǒng)，以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換?；谌斯ぶ悄艿姆治龊涂刂瓶蓪?shí)現(xiàn)互補(bǔ)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)最高效的聯(lián)合運(yùn)行。想象一下這在配備 10BASE-T1L 的建筑中是什么情況（圖 2）。

圖 2：所示為從邊緣傳感器到云端增加的 10BASE-T1L 互操作性。（圖片來源：Analog Devices Inc.）

10BASE-T1L 的 SPE 允許將邊緣層的多個(gè)傳感器和致動(dòng)器與房間控制器連接。通過傳統(tǒng)接口連接的現(xiàn)有設(shè)備仍可使用，或者轉(zhuǎn)換為能夠兼容以太網(wǎng)的設(shè)備。系統(tǒng)通過相應(yīng)版本的以太網(wǎng)在多個(gè)層級上連接在一起，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。

通過 10BASE-T1L 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

多個(gè)設(shè)備能夠以環(huán)形或直列式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與 SPE 網(wǎng)絡(luò)連接（圖 3）。

圖 3：10BASE-T1L 與其他以太網(wǎng)變體一樣，支持環(huán)形和直列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可連接多臺設(shè)備。（圖片來源：Analog Devices Inc.）

與其他星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都能減小電纜長度。環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還能在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)提供冗余路徑。每臺設(shè)備都需要兩個(gè)以太網(wǎng)端口，以便在任一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，設(shè)計(jì)人員可以使用 Analog Devices 的 [ADIN2111CCPZ-R7]低功耗、雙端口 10BASE-T1L 收發(fā)器。該設(shè)備集成了一個(gè)交換機(jī)、兩個(gè)以太網(wǎng)物理層 (PHY) 內(nèi)核和一個(gè)媒體訪問控制 (MAC) 接口，以及包括內(nèi)部緩沖隊(duì)列在內(nèi)的所有相關(guān)電路。該設(shè)備可通過串行外設(shè)接口 (SPI) 直接控制。SPI 可兼容許多控制器，因此可輕松選擇性能、功耗和價(jià)格最優(yōu)的控制器。該交換機(jī)通過雙以太網(wǎng)和 SPI 端口支持多種路由配置，可實(shí)現(xiàn)直列式或環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?0BASE-T1L 交換機(jī)包含一個(gè) MAC 接口，這意味著控制器無需具有 MAC 接口，從而增加了潛在控制器選擇數(shù)量。圖 3 顯示了使用 ADIN2111CCPZ-R7 作為雙端口交換機(jī)的環(huán)形和直列式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

環(huán)形配置使用雙交換機(jī)連接所有設(shè)備。直列式配置不需要雙交換機(jī)，因?yàn)樽詈笠粋€(gè)設(shè)備只需要單個(gè) MAC-PHY 收發(fā)器（如 [ADIN1110CCPZ]）。與交換機(jī)一樣，這款以太網(wǎng)收發(fā)器也包含一個(gè) MAC，因此支持更廣泛的匹配控制器。這樣，就能為許多低功耗、低成本控制器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離以太網(wǎng)連接。如果要將 10BASE-T1L 改裝到現(xiàn)有的 BMS 中，則內(nèi)置 MAC 還允許使用現(xiàn)有的控制器。每個(gè)傳感器或致動(dòng)器都有各自的控制器，并可通過收發(fā)器接入以太網(wǎng)，從而獲得一個(gè) IP 地址。

從圖 3 中環(huán)形和直列式網(wǎng)絡(luò)臂的控制器端來看，[ADIN1100CCPZ-R7] 以太網(wǎng)收發(fā)器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。該收發(fā)器不包括 MAC，只有以太網(wǎng) PHY。ADIN1100CCPZ-R7 可與包含 MAC 功能的控制器配合使用，如圖所示控制面板中使用的控制器。該收發(fā)器通過數(shù)據(jù)輸入/輸出 (MDIO) 管理接口與遠(yuǎn)程控制處理器連接。MDIO 接口是一種雙線串行接口，用于主機(jī)處理器中 MAC 與 ADIN1100CCPZ-R7 之間的通信。

所有 ADIN1100 系列設(shè)備的額定工作電纜長度可達(dá) 1700 m，超過了 10BASE-T1L 規(guī)格。該系列的額定工作溫度為 -40°C 至 +85°C。所列型號 (CCPZ) 的擴(kuò)展溫度范圍為 -40°C 至 +105°C。

通過 SPE 供電

為遠(yuǎn)程現(xiàn)場級設(shè)備供電可能存在問題，在改造現(xiàn)有系統(tǒng)時(shí)尤其如此。10BASE-T1L 規(guī)范支持單對以太網(wǎng)供電 (SPoE)，通過單根雙絞線提供標(biāo)準(zhǔn)化電源和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)。為此，設(shè)計(jì)人員可以使用 [LTC4296AUK-1-PBF]五端口電源設(shè)備 (PSE) 控制器 （圖 4）。該設(shè)備專為與使用 24 V 或 54 V 系統(tǒng)的 802.3cg 供電設(shè)備 (PD) 實(shí)現(xiàn)互操作而設(shè)計(jì)，可輕松集成到 ADIN 系列 10BASE-T1L 產(chǎn)品中。

圖 4：所示為用作五端口 PSE 控制器的 LTC4296AUK-1。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

如在本應(yīng)用中所示，LTC4296AUK-1 通過變壓器/電容器電源耦合網(wǎng)絡(luò)為 ADIN1100 以太網(wǎng)收發(fā)器的五個(gè)實(shí)例供電。ADIN1100 設(shè)備各由一個(gè) MAC 媒體無關(guān)接口 (MII) 驅(qū)動(dòng)。每個(gè) PSE 均由高壓側(cè)自動(dòng)限流器 (ACL) 提供保護(hù)，以控制浪涌和短路保護(hù)。LTC4296AUK-1 的工作溫度范圍為 -40°C至 +125°C。

結(jié)語

建筑的進(jìn)一步數(shù)字化將使得管理系統(tǒng)能夠訪問所有傳感器數(shù)據(jù)和控制功能，建筑系統(tǒng)的交叉鏈接將為運(yùn)行自動(dòng)化奠定基礎(chǔ)。為此，通過 SPE 供電的 10BASE-T1L 可將 10 Mb/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率、長達(dá) 1 km 的傳輸距離以及標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng) IP 連接遍及建筑物的每個(gè)角落。建筑控制器現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)從云端到幾乎無限數(shù)量的邊緣設(shè)備的更遠(yuǎn)距離傳輸。這樣就能優(yōu)化建筑的整體運(yùn)行，在減少 CO2 排放的同時(shí)為住戶提供最佳服務(wù)。

審核編輯 黃宇