Revelaţia

Noua unitate BASF din Zhanjiang, China, îl ţine pe dr. Kai Krüning în priză. Compania investeşte acolo câteva miliarde de euro în ceea ce reprezintă cel mai mare proiect de investiţii al său de până acum. Complexul de producţie integrat din Zhanjiang va fi a treia cea mai mare unitate de tip „Verbund” a companiei chimice de talie mondială, după Ludwigshafen şi Anvers. „În acest moment punem în funcţiune una după alta noile instalaţii din cadrul complexului”, spune Krüning, care este coordonatorul de proiect al BASF pentru standardizarea sistemelor de control al proceselor. Înainte de aceasta, trebuie instalate toate componentele – senzori, actuatoare şi altele asemenea – urmate de testarea funcţionării şi a interoperabilităţii acestora. În calitate de unul dintre furnizorii proiectului, Endress+Hauser a contribuit cu mii de senzori. Dar nu doar amploarea proiectului îl face atât de special, ci şi gradul de digitalizare, care este unul fără precedent.

În Zhanjiang, BASF este lider în industria chimică în ceea ce priveşte adoptarea tehnologiei Ethernet-APL (Advanced Physical Layer – strat fizic avansat). O tehnologie dezvoltată special pentru cerinţele industriei de procesare, este un tip de Ethernet extrem de robust şi fiabil, care transportă atât date, cât şi energie electrică printr-un singur cablu ecranat şi torsadat. Acest lucru permite comunicaţii digitale de mare viteză, cu siguranţă intrinsecă, chiar şi în zone cu risc de explozie, până la senzori şi actuatoare de la nivel de teren. „Mulţi utilizatori sunt foarte entuziasmaţi de tehnologia Ethernet-APL în acest moment”, precizează Karl Büttner, responsabilul de marketing pentru Ethernet-APL la Endress+Hauser.

Şi de ce oare această tehnologie trezeşte aşteptări atât de mari? Întrebarea îl vizează pe Gerd Niedermayer, manager senior al diviziei de inginerie electrică şi automatizări, care lucrează la BASF de peste 35 de ani. Biroul său se află într-una dintre clădirile din vastul complex Verbund al BASF din Ludwigshafen. „Vrem să folosim datele provenite de la instrumentele inteligente de teren pentru activităţi precum gestionarea activelor, întreţinerea preventivă şi optimizarea proceselor”, explică el. „Însă, cu infrastructura noastră actuală de comunicaţii de proces, accesul la aceste date este adesea deficitar, dacă nu chiar imposibil. Tehnologia Ethernet-APL rezolvă această problemă.”

În industriile de procesare, nivelul de teren este adesea un punct mort pe tabloul de bord digital al unei companii – ceva de genul unei porţiuni de drum rural în mijlocul unei autostrăzii a datelor. Asta pentru că semnalele analogice sunt încă cele mai des folosite pentru controlul proceselor, nu în ultimul rând în fabricile chimice. Aici, chiar şi instrumentele de teren de ultimă generaţie folosesc încă tehnologia de încredere a buclei de curent de 4-20 mA pentru a-şi trimite semnalele de măsurare către sistemul de control. Şi, deşi multe implementări încorporează protocolul HART pentru a modula mesaje digitale de diagnosticare sau de stare peste semnalele analogice de măsurare, ratele de date sunt foarte scăzute. Sistemele Fieldbus care permit comunicarea digitală cu instrumentele de teren – de exemplu, PROFIBUS PA – există, desigur, de aproape 30 de ani. Dar acestea au limitări practice constând în lăţimea de bandă redusă, topologiile complexe şi interoperabilitatea uneori mai puţin fluidă a diferitelor componente. Toate acestea fac ca ingineria şi înlocuirea instrumentelor de teren să fie extrem de complicate.

APL înseamnă Advanced Physical Layer (strat fizic avansat). În reţele, termenul „strat fizic” se referă la tot ceea ce este tangibil şi prin care circulă semnalele electrice sau optice. Din punct de vedere tehnic, Ethernet-APL este o formă de Ethernet simplificată, dar special consolidată, care funcţionează în siguranţă chiar şi în zone cu risc de explozie.

Cu Ethernet-APL, instrumentele de teren transmit datele către un comutator APL – un dispozitiv care funcţionează într-un fel similar cu un router din reţeaua de domiciliu, conectând mai multe dispozitive între ele. De la comutator, datele îşi continuă drumul către sistemul de control sau către cloud – în mod direct, fără intermedierea gateway-urilor. Acest lucru are avantajul că toate datele de la instrumentele de teren sunt disponibile în timp real şi, prin urmare, pot fi utilizate de aplicaţii pentru întreţinerea preventivă sau analiza detaliată a proceselor. Cu alte cuvinte, Ethernet-APL reprezintă o trecere la comunicaţii industriale end-to-end moderne. Impactul său poate fi comparat cu tranziţia de la modemele cu cuplor acustic de odinioară la conexiunile cu fibră optică de astăzi. Este fundamentul digital pentru următoarea generaţie de automatizare a proceselor.

Noua abordare bazată pe tehnologia Ethernet-APL a început să apară în urmă cu aproximativ un deceniu. Gerd Niedermayer de la BASF îşi aminteşte bine momentul în care această nouă tehnologie a fost prezentată la un atelier organizat de NAMUR, o asociaţie internaţională a utilizatorilor de tehnologie de automatizare din industriile de procesare. „Ethernet-APL m-a impresionat instantaneu, deoarece oferă atât de multe avantaje.” Într-adevăr, este o tehnologie care combină robusteţea şi siguranţa intrinsecă cerute de multe aplicaţii din industria de procesare cu lăţimea de bandă superioară a Ethernet-ului. De asemenea, suportă lungimi de cablu de până la un kilometru. „Cu viteze de transmisie de până la 10 Mbit/s, Ethernet-APL este de 10.000 de ori mai rapidă decât HART şi de 300 de ori mai rapidă decât tehnologia Fieldbus clasică. Acest lucru permite transmiterea unor cantităţi mari de date în timp real.”

Gerd Niedermayer a ştiut întotdeauna că tehnologia fizică de transmisie era doar începutul. Proiectul necesita, de asemenea, un protocol de comunicaţie adecvat, precum şi interfeţe şi standarde pentru integrarea instrumentelor în sistemul de control şi pentru a permite accesul la datele instrumentelor. BASF a sintetizat toate cerinţele într-un plan de soluţionare. „Ne doream o soluţie de comunicaţii end-to-end de înaltă performanţă, capabilă să transfere date la viteză mare atât către sistemul de control, cât şi către sistemul de gestionare a activelor – şi care să facă acest lucru fără costuri suplimentare semnificative. Noua tehnologie trebuia, de asemenea, să ofere avantaje atât în ceea ce priveşte capitalul iniţial, cât şi costurile de exploatare pe durata ciclului de viaţă”, susţine Niedermayer. În modul acesta a gândit lucrurile compania chimică de talie mondială atunci când a decis să participe activ la modelarea şi impulsionarea dezvoltării tehnologiei Ethernet-APL. „Căutam o soluţie standardizată şi interoperabilă, aşa că am decis să colaborăm strâns cu furnizorii încă de la început.” A fost nevoie de transparenţă, curaj şi determinare. Dar a meritat efortul. Colaborând cu producători de instrumente de măsurare, comutatoare de teren şi sisteme de control, BASF a reuşit să dezvolte Ethernet-APL până la stadiul de lansare pe piaţă în doar cinci ani. „A fost un avânt cu adevărat deschizătoare de drumuri”, spune Niedermayer.

Printre partenerii de dezvoltare s-a numărat şi Endress+Hauser. Cele două companii au o relaţie strânsă şi de lungă durată. „Suntem furnizorul preferat de instrumentaţie al BASF de zeci de ani”, explică Udo Nalbach, inginer chimist şi manager de conturi strategice la Endress+Hauser. „BASF este foarte deschisă la noile dezvoltări, se implică din timp şi intens în inovaţii şi le implementează rapid dacă acestea dau rezultate.” Nalbach îşi aminteşte cum BASF şi Endress+Hauser şi-au pus împreună mintea la contribuţie la scurt timp după acel atelier NAMUR de la care a pornit totul. „Împreună, am analizat o serie de aspecte, inclusiv motivele pentru care reţelele Fieldbus nu au prins niciodată cu adevărat avânt. Concluziile noastre în aceste domenii au stat la baza eforturilor noastre de a dezvolta şi standardiza Ethernet-APL şi de a o transforma într-o tehnologie de succes.”

Pe lângă funcţionalitatea pură, inginerii şi tehnicienii din laborator au cercetat şi utilitatea practică. Instrumentele cu conectivitate Ethernet-APL trebuiau să fie uşor de utilizat şi să genereze economii. Cât de rapid şi simplu se instalează, se cablează şi se integrează? Cât de rapidă este verificarea buclei şi punerea în funcţiune? Cum vor funcţiona parametrizarea de la distanţă şi remedierea defecţiunilor? Cât de uşor pot fi înlocuite instrumentele în timp ce instalaţia este în funcţiune? Scalabilitatea sistemului poate fi uşor obţinută? Instrumentele pot fi utilizate în medii hibride – de exemplu, în combinaţie cu unităţi PROFIBUS PA? Şi, cel mai important dintre toate: care este situaţia la capitolul interoperabilitate? Instrumentele se vor integra fără probleme în mediile din industria de procesare care utilizează echipamente de la mai mulţi furnizori? Pe cât de multe întrebări, pe atât de multe aşteptări ridicate – şi totuşi, tehnologia Ethernet-APL şi-a demonstrat puterea într-o serie întreagă de teste sub sarcină.

Endress+Hauser a efectuat numeroase teste proprii sub sarcină, fiecare utilizând 240 de instrumente pentru fiecare sistem de control, în conformitate cu cerinţele definite de BASF. Adică 240 de componente de la diverşi producători. Şi toate au funcţionat împreună fără probleme pentru a forma un sistem fiabil şi robust bazat pe tehnologia Ethernet-APL. „Lumea de astăzi este atât de complexă încât niciun furnizor nu poate duce la bun sfârşit, pe cont propriu, o nouă tehnologie”, precizează Udo Nalbach. „Prin urmare, producătorii trebuie să colaboreze de la un capăt la celălalt, de la instrumentele de teren până la sistemul de control. Cheia este standardizarea riguroasă.” Aici intervine protocolul PROFINET, care reglementează comunicaţia dintre instrumentele de teren şi sistemul de control al proceselor. Profilurile standardizate ale dispozitivelor simplifică integrarea sistemului şi permit înlocuirea uşoară şi fără probleme a instrumentelor. Un model de driver leagă uniform dispozitivele de sistemele de gestionare a activelor. Iar datele senzorilor sunt structurate într-un format independent de furnizor.

BASF instalează în prezent primele sale instrumente de teren PROFINET-APL la diverse locaţii, inclusiv la două noi fabrici din Ludwigshafen. Compania chimică de talie mondială a dus acest lucru cu un pas mai departe în cazul majorităţii fabricilor de la noul său sediu Verbund din Zhanjiang, China – întregul complex este proiectat să fie compatibil cu APL. „Când am planificat multe dintre fabricile de aici, încă nu ştiam când vom avea acces la un portofoliu complet de instrumente PROFINET-APL”, explică Kai Krüning. Aşadar, au ales o cale de migrare pregătită pentru APL, în care totul, de la sistemul de control până la comutatorul de teren, utilizează tehnologia PROFINET. În prealabil, BASF a făcut o serie de teste cuprinzătoare asupra topologiei inelare a reţelei, în parteneriat cu Endress+Hauser. Această infrastructură suportă utilizarea în paralel a instrumentelor PROFIBUS PA şi PROFINET-APL, astfel încât BASF a avut flexibilitatea de a-şi echipa fabricile cu instrumente PROFIBUS PA încă de la început. „Privind în viitor, ori de câte ori va fi nevoie să înlocuim un instrument, îl putem înlocui cu unul APL”, afirmă Krüning. De fapt, două fabrici din Zhanjiang au fost deja echipate cu instrumente bazate pe tehnologia Ethernet-APL. „Tocmai am pus-o în funcţiune pe prima dintre acestea”, explică Krüning.

Kai Krüning s-a asigurat că toţi angajaţii implicaţi în exploatarea fabricii, în întreţinerea şi gestionarea activelor au beneficiat de instruire completă cu privire la noua tehnologie. Iar feedback-ul său cu privire la mega-proiectul din China este pozitiv: „Punerea în funcţiune şi verificarea buclelor sunt mai rapide cu Ethernet-APL decât cu PROFIBUS PA. Colegii mei de acolo îmi spun că tehnologia este mult mai uşor de utilizat şi că parametrizarea prin intermediul sistemului de gestionare a activelor este mai simplă.” Şi pentru Gerd Niedermayer, tehnologia s-a ridicat până acum la înălţimea aşteptărilor: „Reuşim să facem economii semnificative în ceea ce priveşte costurile cu hardware-ul, în special în ceea ce priveşte ingineria şi punerea în funcţiune.”

Va fi Ethernet-APL un factor al schimbării în industriile de procesare? Va fi un catalizator pentru digitalizare? „În proiectele de tip brownfield, încă mai sunt câteva obstacole de depăşit”, spune Karl Büttner, „dar în proiectele de tip greenfield, entuziasmul este justificat.” Colegul său, Udo Nalbach, este de acord: „Această tehnologie va avea o adoptare mult mai largă decât tehnologiile convenţionale Fieldbus. În prezent, nu mai există aproape niciun motiv pentru a construi o instalaţie de 4-20 mA.” Kai Krüning, care contribuie la modelarea viitorului BASF în Zhanjiang, este de acord: „În viziunea noastră, Ethernet-APL este platforma pentru următorii paşi în procesul de transformare digitală.” Iar pentru Gerd Niedermayer, care lucrează în industria de procesare de peste trei decenii, obiectivul este clar. „Am atins primele etape importante. Sarcina noastră acum este să mergem în continuare pe acest drum şi să facem din Ethernet-APL un standard al industriei.”