Światło w tunelu

Pracując dla nowego zakładu BASF w chińskim Zhanjiang, dr. Kai Krüning nie ma ani chwili wytchnienia. W ten największy jak dotąd projekt, zainwestowano już kilka miliardów euro. Po Ludwigshafen i Antwerpii, zintegrowany kompleks produkcyjny w Zhanjiang będzie trzecim co do wielkości zakładem globalnego koncernu chemicznego, zaprojektowanym zgodnie z koncepcją Verbund. "W tej chwili uruchamiamy na obiekcie kolejne nowe instalacje" – mówi Krüning, kierownik projektu BASF ds. standaryzacji systemów sterowania procesami. Najpierw należy zainstalować wszystkie komponenty – czujniki, siłowniki i tym podobne – a następnie sprawdzić, jak działają i jak ze sobą współpracują. Będąc jednym z podwykonawców projektu, firma Endress+Hauser dostarczyła tysiące czujników. Jednak nie tylko sama skala przedsięwzięcia sprawia, że ​​jest ono tak wyjątkowe. Mamy tu również niespotykany, jak dotąd, stopień cyfryzacji.

W Zhanjiang firma BASF jest liderem branży chemicznej w zakresie wdrażania technologii Ethernet-APL (Advanced Physical Layer). Jest to technologia opracowana specjalnie z myślą o wymaganiach przemysłu procesowego. Opiera się ona na wykorzystaniu niezwykle wytrzymałej i niezawodnej sieci Ethernet, która umożliwia przesyłanie zarówno danych, jak i zasilania za pomocą pojedynczego, ekranowanego kabla skrętkowego. Pozwala to na iskrobezpieczną, szybką komunikację cyfrową nawet w obszarach zagrożonych wybuchem, obejmującą czujniki i siłowniki na obiekcie. "Wielu użytkowników bardzo się teraz ekscytuje rozwiązaniem Ethernet-APL" – mówi Karl Büttner, szef marketingu ds. Ethernet-APL w Endress+Hauser.

Ale dlaczego ta technologia budzi tak duże nadzieje? To pytanie należy skierować do Gerda Niedermayera, starszego specjalisty ds. elektrotechniki i pomiarów, który pracuje w firmie BASF od ponad 35 lat, a jego biuro mieści się w jednym z budynków wielkiego zakładu BASF Verbund w Ludwigshafen. "Chcemy wykorzystywać dane z inteligentnych przyrządów pomiarowych na obiekcie do zarządzania urządzeniami, konserwacji zapobiegawczej i optymalizacji procesów" – wyjaśnia Niedermayer. "Jednak przy obecnej infrastrukturze komunikacji procesowej, dostęp do tych danych jest często utrudniony lub wręcz niemożliwy. Ethernet-APL rozwiązuje ten problem"

W przemyśle przetwórczym, poziom urządzeń obiektowych jest często "martwym punktem" na panelu sterowania firmy – to trochę jak kawałek polnej drogi w superszybkiej autostradzie danych. Dzieje się tak, ponieważ sygnały analogowe nadal są normą w sterowaniu procesami, zwłaszcza w zakładach chemicznych. Nawet najnowocześniejsza obiektowa aparatura kontrolno-pomiarowa nadal używa sprawdzonej technologii pętli prądowej 4–20 mA, przesyłając w ten sposób sygnały do systemu sterowania. I chociaż w wielu rozwiązaniach zastosowano protokół HART do modulacji cyfrowych komunikatów statusu lub diagnostyki na podstawie analogowych sygnałów pomiarowych, to prędkość transmisji danych jest wciąż bardzo niska. Systemy sieci obiektowej, które umożliwiają cyfrową komunikację z obiektowymi przyrządami pomiarowymi – np. PROFIBUS PA – istnieją już od prawie 30 lat. Lecz mają ograniczenia praktyczne w postaci niskiej przepustowości, złożonych topologii i czasem niezbyt płynnej współpracy różnych podzespołów. Wszystko to sprawia, że obsługa i wymiana przyrządów obiektowych są niezwykle skomplikowane.

APL (ang. Advanced Physical Layer) oznacza zaawansowaną warstwę fizyczną. W przypadku sieci, pojęcie "warstwy fizycznej" odnosi się do wszystkiego, co jest "materialne", przez co przepływają sygnały elektryczne lub optyczne. Z technicznego punktu widzenia, Ethernet-APL to uproszczona, ale specjalnie "wzmocniona" forma Ethernetu, która może działać bezpiecznie nawet w strefach zagrożonych wybuchem.

Dzięki Ethernet-APL, przyrządy obiektowe wysyłają dane przez switch APL, który działa podobnie jak router sieci domowej, łącząc ze sobą wiele urządzeń. Następnie, dane są przesyłane do systemu sterowania lub do chmury – bezpośrednio, z pominięciem bramek. Ma to tę zaletę, że wszystkie dane z przyrządów obiektowych są dostępne w czasie rzeczywistym i można je wykorzystać np. do konserwacji zapobiegawczej, czy szczegółowej analizy procesów. Jednym słowem, Ethernet-APL oznacza przejście na nowoczesną i kompleksową komunikację przemysłową, a jej znaczenie można porównać do przejścia od dawnych modemów akustycznych do dzisiejszych połączeń światłowodowych. Jest to cyfrowy "fundament" automatyki przemysłowej nowej generacji.

Nowe podejście oparte na technologii Ethernet-APL zaczęło się pojawiać mniej więcej dekadę temu. Gerd Niedermayer z BASF dobrze pamięta ten moment, gdy nowa technologia została zaprezentowana na warsztatach NAMUR, międzynarodowego stowarzyszenia użytkowników technologii automatyki procesów przemysłowych. "Ethernet-APL spodobała mi się od razu, ponieważ oferuje wiele korzyści." Można śmiało stwierdzić, że jest to technologia, która oferuje zarówno solidność i bezpieczeństwo wewnętrzne, wymagane w wielu procesach przemysłowych, jak większą przepustowość sieci Ethernet. Poza tym obsługuje kable o długości do nawet jednego kilometra. "Dzięki prędkości transmisji, sięgającej 10 Mbit/s, Ethernet-APL jest 10 tysięcy razy szybsza niż HART i 300 razy szybsza niż klasyczne sieci obiektowe. To pozwala na przesyłanie dużych ilości danych w czasie rzeczywistym."

Gerd Niedermayer zawsze wiedział, że technologia fizycznej transmisji danych to dopiero początek. Projekt będzie wymagał również odpowiedniego protokołu komunikacyjnego oraz interfejsów i standardów umożliwiających integrację przyrządów pomiarowych z systemem sterowania oraz dostęp do danych pomiarowych. Wszystkie te wymagania BASF uwzględnił we wstępnym projekcie rozwiązania. "Chcieliśmy uzyskać wydajne i kompleksowe rozwiązanie komunikacyjne, które umożliwiałoby przesyłanie danych z dużą prędkością, zarówno do systemu sterowania, jak i systemu zarządzania urządzeniami – i to bez znacznych dodatkowych kosztów ogólnych. Nowa technologia musiała nam również zapewniać korzyści, zarówno pod względem początkowego kapitału, jak i kosztów operacyjnych w całym cyklu użytkowania" – mówi Niedermayer. To właśnie stało się myślą przewodnią globalnej firmy chemicznej, która zdecydowała się aktywnie uczestniczyć w kształtowaniu i napędzaniu rozwoju Ethernet-APL. "Szukaliśmy rozwiązania, które zapewniłoby standaryzację i doskonałe współdziałanie urządzeń, i dlatego od samego początku zdecydowaliśmy się na ścisłą współpracę z dostawcami." Potrzebna była przejrzystość, determinacja i odwaga. Ale się opłaciło. Współpracując z producentami przyrządów pomiarowych, switchy obiektowych i systemów sterowania, w ciągu zaledwie pięciu lat BASF zdołał przygotować takie rozwiązanie Ethernet-APL, które zapewniło gotowość do wprowadzenia na rynek. "To było prawdziwie pionierskie osiągnięcie" – mówi Niedermayer.

Wśród partnerów projektu znalazł się Endress+Hauser. Obie firmy łączą długotrwałe i bliskie relacje. "Od dziesięcioleci jesteśmy preferowanym dostawcą przyrządów pomiarowych dla BASF" – wyjaśnia Udo Nalbach, inżynier chemik i dyrektor ds. strategicznych klientów w Endress+Hauser. "BASF jest firmą bardzo otwartą na nowe rozwiązania. Wcześnie i intensywnie angażuje się w innowacje i szybko je wdraża, jeśli okażą się skuteczne" Nalbach wspomina, jak BASF i Endress+Hauser nawiązały współpracę wkrótce po przełomowych warsztatach NAMUR. "Wspólnie zbadaliśmy szereg kwestii, w tym powody, dla których sieci obiektowe nigdy tak naprawdę się nie rozwinęły. Nasze ustalenia w tym zakresie posłużyły do opracowania i standaryzacji technologii Ethernet-APL. I to przesądziło o jej sukcesie."

Inżynierowie i technicy sprawdzili w laboratorium nie tylko, jak działają podstawowe funkcje projektowanego rozwiązania, ale i to, jak się ono sprawdzi w praktyce. Przyrządy z łącznością Ethernet-APL musiały być łatwe w obsłudze i ekonomiczne. Jak szybko i łatwo będzie je można zamontować, podłączyć i zintegrować? Ile potrwa sprawdzanie i uruchamianie pętli? Jak będzie działać zdalna parametryzacja i korekta błędów? Czy przyrządy będzie można łatwo wymienić bez przerywania pracy instalacji? Czy system będzie łatwo skalowalny? Czy przyrządy da się zastosować w środowiskach hybrydowych – na przykład w połączeniu z urządzeniami PROFIBUS PA? I najważniejsze pytanie: jak to wszystko razem zadziała? Czy aparatura kontrolno-pomiarowa bezproblemowo zintegruje się z procesem przemysłowym, w którym pracują urządzenia od wielu dostawców? Tak dużo pytań, tak dużo wielkich oczekiwań – a jednak technologia Ethernet-APL pokazała swoją siłę w całej serii testów obciążeniowych.

W Endress+Hauser przeprowadzono też wiele własnych testów obciążeniowych, gdzie w każdym systemie sterowania zastosowano 240 przyrządów, zgodnie z wymaganiami określonymi przez BASF. To było 240 komponentów od różnych producentów. Wszystkie one współpracowały ze sobą bezproblemowo, tworząc niezawodny i solidny system oparty na technologii Ethernet-APL. "Dzisiejszy świat jest tak skomplikowany, że żaden dostawca nie jest w stanie samodzielnie wprowadzić na rynek nowej technologii" – mówi Udo Nalbach. Dlatego też producenci muszą współpracować na wszystkich etapach, od przyrządów obiektowych po systemy sterowania. Kluczem jest rygorystyczne podejście do standaryzacji." I tutaj właśnie pojawia się protokół PROFINET, który zarządza komunikacją pomiędzy przyrządami obiektowymi a systemem sterowania procesami. Standaryzowane profile przyrządów upraszczają integrację systemu, umożliwiając łatwą i bezproblemową wymianę aparatury kontrolno-pomiarowej. Model sterownika jednolicie łączy przyrządy z systemami zarządzania urządzeniami. Dane z czujników są ustrukturyzowane w formacie niezależnym od dostawcy.

Obecnie BASF montuje swoje pierwsze przyrządy obiektowe PROFINET-APL w zakładach obejmujących m.in. dwie nowe instalacje w Ludwigshafen. Jednak ten globalny koncern chemiczny idzie o krok dalej, jeśli chodzi o większość instalacji w nowym obiekcie Verbund, znajdującym się w chińskim Zhanjiang – cały kompleks został przygotowany do zastosowania technologii APL. "Planując tu nasze instalacje, nie wiedzieliśmy jeszcze, kiedy będziemy mieli dostęp do pełnego portfolio przyrządów PROFINET-APL" – tłumaczy Kai Krüning. Wybrali więc ścieżkę migracji zgodną z APL, w której wszystko, od systemu sterowania po switche obiektowe, działa w oparciu o technologię PROFINET. We współpracy z Endress+Hauser, BASF poddał wcześniej kompleksowym testom topologię pierścieniową sieci. Taka infrastruktura obsługuje równoległe wykorzystanie przyrządów PROFIBUS PA i PROFINET-APL, dzięki czemu BASF mogła wyposażyć swoje instalacje w aparaturę kontrolno-pomiarową z komunikacją PROFIBUS PA już na samym początku. "Jeśli kiedykolwiek w przyszłości zajdzie potrzeba wymiany jakiegoś przyrządu, będziemy go mogli zastąpić przyrządem APL” – mówi Krüning. Dwie instalacje w Zhanjiang są już faktycznie wyposażone w przyrządy Ethernet-APL. "Właśnie uruchomiliśmy pierwszą z nich" – mówi Krüning.

Kai Krüning zadbał, by wszyscy pracownicy zatrudnieni przy obsłudze instalacji, pracach konserwacyjnych i zarządzaniu zasobami zostali dokładnie przeszkoleni w zakresie nowej technologii. Jego opinia na temat megaprojektu w Chinach jest bardzo pozytywna: "Uruchomienie i kontrola pętli są szybsze z Ethernet-APL niż z PROFIBUS PA. Moi chińscy koledzy mówią, że ta technologia jest znacznie łatwiejsza w obsłudze, a parametryzacja za pomocą systemu zarządzania urządzeniami jest prostsza." Również Gerd Niedermayer uważa, że ​​technologia spełniła pokładane w niej nadzieje: "Osiągnęliśmy znaczące oszczędności na kosztach sprzętu, zwłaszcza w zakresie projektowania i uruchomienia."

Czy Ethernet-APL zmieni zasady gry w procesach przemysłowych? Czy stanie się katalizatorem cyfryzacji? "Jeśli chodzi o inwestycje brownfield, wciąż trzeba pokonać kilka przeszkód" – mówi Karl Büttner – "ale w przypadku projektów greenfield euforia jest jak najbardziej uzasadniona." Zgadza się z nim kolega, Udo Nalbach i dodaje: "Ta technologia będzie miała znacznie szersze zastosowanie niż konwencjonalne technologie sieci obiektowych. Dziś nie ma już prawie żadnego powodu, aby budować instalacje 4–20 mA." Kai Krüning, który pomaga kształtować przyszłość BASF w Zhanjiang, potwierdza: "Uważamy, że Ethernet-APL to podstawa do kolejnych kroków w procesie transformacji cyfrowej." A dla Gerda Niedermayera, który od ponad trzech dekad pracuje w przemyśle przetwórczym, cel jest jasny. "Osiągnęliśmy pierwsze kamienie milowe. Teraz naszym zadaniem jest kontynuowanie obranej drogi i przyjęcie Ethernet-APL jako standardu w całym przemyśle."