a cura di Giorgia Andrei | tratto dall’articolo “Lo standard Ethernet single-pair aiuta a raggiungere le zero emissioni nette di CO2”, di Meghan Kaiserman, di Analog Devices
Secondo l’Agenzia Internazionale dell’Energia (Iea) il settore edilizio ha ancora molto lavoro da fare per raggiungere gli obiettivi globali di zero emissioni nette di anidride carbonica. In particolare, occorre accelerare nella digitalizzazione e automazione dei sistemi. Le cose non sono però semplici: innanzitutto, per implementare un’automazione efficace, è necessaria l’acquisizione di dati in tempo reale a un livello che supera l’attuale capacità di throughput e la reattività delle infrastrutture tradizionali, basate su RS-485, in secondo luogo, il collegamento dei dispositivi e dei sistemi dell’edificio alla rete li espone agli attacchi informatici, richiedendo una sicurezza avanzata che va oltre le capacità attuali delle reti esistenti. Come affrontare, allora, la sfida? Ci suggerisce una strada percorribile il team che in Analog Devices si occupa del mercato degli edifici sostenibili: adottare il protocollo Ethernet 10BASE-T1L, un metodo di comunicazione ratificato nel novembre 2019, IEEE 802.3cg. Questa tecnologia supporta l’automazione degli edifici in modo sicuro ed economico e si sta rivelando un elemento chiave nel settore Smart Building, aiutandolo a raggiungere l’obiettivo IEA Net Zero 2030, che prevede una riduzione delle emissioni del 15%.
Adattare l’infrastruttura allo standard 10BASE-T1L
Per ridurre il consumo energetico degli edifici e migliorarne la vivibilità sono determinanti il corretto accesso ai dati dei sensori e le capacità di controllo degli stessi. Pensiamo, ad esempio, alla qualità dell’aria negli ambienti chiusi: nuove normative, come la ANSI/ASHRAE 62.1, richiedono l’immissione di una maggiore quantità di aria esterna, ma il rispetto di questi nuovi standard di ventilazione comporta un aumento del consumo energetico. Di conseguenza, si dovrà ridurre il fabbisogno energetico complessivo e fare in modo che i diversi sistemi HVAC, ma anche i sistemi di illuminazione, antincendio e controllo accessi, all’interno dell’edificio lavorino insieme in modo efficiente. Per farlo è necessario un accesso corretto ai dati, cosa non banale, perché far convergere i dati provenienti da più sistemi è difficile: i diversi fornitori mantengono database separati, con la conseguenza di creare dei silos di dati. La chiave per unire le diverse fonti di dati all’interno di un edificio è l’infrastruttura di misurazione e connettività utilizzata. Fino a oggi, i sensori e i controlli negli edifici sono stati collegati attraverso cablaggi che utilizzano transceiver RS-485 e protocolli come BACnet, Modbus e LonWorks. L’RS-485, tuttavia, è un’interfaccia tradizionale limitata sia in termini di velocità che di sicurezza, mentre i protocolli di comunicazione come BACnet e Modbus sono stati progettati per reti chiuse e non dispongono di funzionalità di crittografia e autenticazione integrate, con una conseguente minaccia alla cybersecurity. Il collegamento seriale via cavo, utilizzato per i percorsi RS-485, può però essere riutilizzato con il transito dei dati Ethernet 10BASE-T1L. In questo modo, l’infrastruttura esistente può essere riadattata all’Ethernet a coppia singola, ottenendo diversi vantaggi. I nodi possono supportare larghezze di banda più elevate, fino a 10 Mbps, e sono indirizzabili via IP, semplificando la gestione dei dispositivi; la portata aumenta fino a 1 km, sufficiente a supportare le lunghezze massime utilizzate per i cablaggi RS-485 esistenti e decisamente superiore rispetto al limite dei 100 m dello standard Ethernet 10 Mbps/100 Mbps.
Analizzare più dati per risparmiare energia
I sistemi di riscaldamento e raffreddamento hanno diversi componenti che devono scambiarsi informazioni per raggiungere la temperatura impostata, tra cui termostati, regolatori, unità di trattamento dell’aria e unità a volume d’aria variabile. L’accelerazione della frequenza di comunicazione, dai comuni baud rate seriali di 9,6 kbps e 115,2 kbps a una larghezza di banda Ethernet di 10 Mbps, significa che la velocità di trasmissione dei dati del sistema è aumentata in modo sostanziale, portando diversi vantaggi interessanti. Mentre la bassa velocità di trasmissione dei dati delle comunicazioni tradizionali costringeva i gestori degli edifici a dare la priorità alla raccolta di alcuni dati e a campionarli, con Ethernet a coppia singola, i gestori non devono più preoccuparsi delle velocità di campionamento delle comunicazioni seriali e possono concentrarsi sullo sviluppo dell’ampia gamma di analisi avanzate che adesso, grazie ai dati aggiuntivi raccolti dal sistema, possono eseguire.
I dati aggiuntivi consentono così di ottenere maggiori risparmi energetici, grazie a cicli di controllo più rapidi o a ottimizzazioni energetiche ad alta intensità di calcolo, che utilizzano modelli e input dei sensori in tempo reale.
Mentre le linee seriali cablate tradizionali richiedono un gateway per convertire i dati provenienti dai dispositivi edge in pacchetti basati su Ethernet, prima di passarli al cloud, le linee cablate di comunicazione seriale aggiornate a Ethernet a coppia singola 10BASE-T1L, consentono di eliminare i gateway riutilizzando il cablaggio esistente: si evitano così i silos di dati, si riducono i punti di guasto, si elimina il costo dei gateway e si riduce la latenza complessiva. La maggiore velocità di Ethernet a coppia singola, combinata con l’eliminazione dei gateway, si traduce infine in un throughput più elevato, che consente ai sistemi di rispondere in tempo reale. Infatti, mentre i protocolli di comunicazione e il software in esecuzione sui gateway rallentano i tempi di risposta con ritardi dell’ordine di secondi, le applicazioni di automazione degli edifici, come il monitoraggio dell’IO, possono richiedere una latenza di cento millisecondi o inferiore.
IT e OT possono convergere
Una delle maggiori sfide che si presentano con la digitalizzazione degli edifici è la convergenza dei domini IT e OT. È possibile integrare la sicurezza nelle reti OT basate su field bus RS-485 aggiornandole a protocolli come BACnet/SC, ma è costoso, richiede molto tempo e si rischia di trascurare le vulnerabilità del sistema esistente. Una sicurezza efficace è fondamentale, poiché, tra tutti i sistemi di controllo industriale, secondo uno studio di Kaspersky del 2020 i sistemi di automazione degli edifici hanno ricevuto il maggior numero di cyberattacchi, più di quelli subiti da petrolio e gas, energia e produttori automotive.
Per proteggere le comunicazioni, il protocollo preesistente di comunicazione seriale cablata BACnet è stato adattato a BACnet/SC12, che supporta comunicazioni sicure su un collegamento seriale cablato che consente la crittografia. Tuttavia, per poter sfruttare appieno queste nuove funzionalità, tutti i dispositivi BACnet della rete devono essere aggiornati simultaneamente. Le apparecchiature esistenti che utilizzano il protocollo BACnet dovranno essere riprogettate e sottoposte a manutenzione, per aggiungere le funzioni di crittografia aggiuntive richieste da BACnet/SC. L’Ethernet a coppia singola, in particolare 10BASE-T1L, consente invece di aggiornare un nodo edge collegato in precedenza con comunicazioni seriali cablate non sicure, come BACnet, e di collegarlo utilizzando il protocollo BACnet/IP con sicurezza basata su Ethernet. Questa nuova e migliore situazione di sicurezza si ottiene senza dover posare nuovi, costosi cavi Ethernet lungo i percorsi di segnale esistenti. Aggiornando i dispositivi delle reti OT in modo che eseguano protocolli sicuri basati su Ethernet, è possibile quindi mitigare gran parte dei rischi associati ai cyberattacchi. L’Ethernet a coppia singola, 10BASE-T1L, promette di consentire la transizione da comunicazioni tradizionali insicure a comunicazioni sicure basate su Ethernet con una sola generazione di aggiornamenti hardware, riutilizzando l’infrastruttura di cablaggio esistente.
Come concludono gli esperti di Analog Devices: “La modernizzazione dell’infrastruttura di comunicazione degli edifici consentirà di accedere a un’enorme quantità di dati in tempo reale all’interno del fabbricato, eliminando i silos di dati e consentendo un approccio alla gestione basato su un unico pannello di controllo. Oltre a consentire una chiusura più rapida del loop di controllo per gli schemi di gestione convenzionali e a supportare l’intelligenza artificiale e le ottimizzazioni ML, i gestori saranno in grado così di generare dati fruibili, che si tradurranno in sostanziali risparmi energetici”.
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