Vi fordriver mørket

BASF's nye anlæg i Zhanjiang i Kina holder Dr. Kai Krüning på tæerne. Virksomheden investerer flere milliarder euro i området i det, der er dens hidtil største investeringsprojekt. Produktionskomplekset i Zhanjiang bliver den globale kemikoncerns tredjestørste Verbund-anlæg efter Ludwigshafen og Antwerpen. "Lige nu tager vi det ene nye anlæg efter det andet i brug", siger Krüning, der er BASF's projektleder for standardisering af processtyringssystemer. Først skal alle komponenterne installeres – sensorer, aktuatorer og lignende – hvorefter der foretages test af deres funktion og samspil. Som en af projektets leverandører har Endress+Hauser leveret tusindvis af sensorer. Men det er ikke kun projektets enorme omfang, der gør det så særligt – der er også tale om en digitalisering i et hidtil uset omfang.

I Zhanjiang går BASF forrest i den kemiske industri, når det gælder indførelsen af Ethernet-APL (Advanced Physical Layer). Denne teknologi er udviklet specielt til procesindustriens behov og er en særdeles robust og pålidelig form for Ethernet, der overfører både data og strøm via et enkelt, afskærmet parsnoet kabel. Dette muliggør egensikker, digital højhastighedskommunikation selv i eksplosionsfarlige områder helt ned til sensorerne og aktuatorerne i felten. "Mange brugere er virkelig begejstrede for Ethernet-APL i øjeblikket", siger Karl Büttner, marketingchef for Ethernet-APL hos Endress+Hauser.

Og hvorfor er der egentlig så store forventninger til denne teknologi? Det er et spørgsmål, man må stille Gerd Niedermayer, en ledende ingeniør inden for el og instrumentering, der har været ansat hos BASF i over 35 år. Hans kontor ligger i en af bygningerne på BASF's store Verbund-anlæg i Ludwigshafen. "Vi vil bruge data fra intelligente feltinstrumenter til formål som f.eks. asset management, forebyggende vedligeholdelse og procesoptimering", forklarer han. "Men med vores nuværende infrastruktur til proceskommunikation er adgangen til disse data ofte dårlig, hvis ikke umulig. Det problem løses med Ethernet-APL".

I procesindustrien udgør feltniveauet ofte en blind vinkel på virksomhedens digitale kontrolpanel – lidt ligesom en landevejsstrækning midt på en datamotorvej. Det skyldes, at analoge signaler stadig er standarden inden for processtyring, ikke mindst på kemiske anlæg. Selv de mest avancerede feltinstrumenter benytter her stadig den velkendte 4-20 mA-strømsløjfeteknologi til at sende deres målesignaler til styresystemet. Og selvom mange løsninger anvender HART-protokollen til at modulere digitale diagnose- eller statusmeddelelser oven på de analoge målesignaler, er datahastighederne meget lave. Feltbussystemer, der muliggør digital kommunikation med feltinstrumenter – f.eks. PROFIBUS PA – har naturligvis eksisteret i næsten 30 år. Men de har praktiske begrænsninger i form af lav båndbredde, komplekse topologier og en til tider ikke helt problemfri interoperabilitet mellem de forskellige komponenter. Alt dette medfører meget komplicerede tekniske løsninger og udskiftning af feltinstrumenter.

APL står for Advanced Physical Layer. I netværkssammenhæng henviser udtrykket "Physical Layer" (det fysiske lag) til alt det håndgribelige, som de elektriske eller optiske signaler passerer igennem. Set ud fra et teknisk synspunkt er Ethernet-APL en forenklet, men særligt robust variant af Ethernet, der fungerer sikkert, selv i eksplosionsfarlige områder.

Med Ethernet-APL sender feltinstrumenter data til en APL-switch – en enhed, der fungerer lidt som en router i et hjemmenetværk og forbinder flere enheder med hinanden. Fra switchen fortsætter dataene videre til styresystemet eller ud i skyen – direkte, uden mellemled i form af gateways. Dette har den fordel, at alle data fra feltinstrumenterne er tilgængelige i realtid og dermed kan anvendes i forbindelse med forebyggende vedligeholdelse eller detaljeret procesanalyse. Med andre ord markerer Ethernet-APL et skift mod moderne, integreret industriel kommunikation. Dens betydning kan sammenlignes med overgangen fra datidens akustiske koblingsmodemmer til nutidens fiberoptiske forbindelser. Det er det digitale fundament for den næste generation af procesautomatisering.

Den nye tilgang baseret på Ethernet-APL begyndte at dukke op for omkring ti år siden. Gerd Niedermayer fra BASF husker tydeligt den gang, hvor denne nye teknologi blev præsenteret på et workshop arrangeret af NAMUR, en international sammenslutning af brugere af automatiseringsteknologi i procesindustrien. "Ethernet-APL fangede straks min interesse, fordi det giver så mange fordele". Det er nemlig en teknologi, der forener den robusthed og indbyggede sikkerhed, som mange anvendelser inden for procesindustrien kræver, med Ethernet-teknologiens overlegne båndbredde. Den understøtter desuden kabellængder på op til en kilometer. "Med overførselshastigheder på op til 10 Mbit/s er Ethernet-APL 10.000 gange hurtigere end HART og 300 gange hurtigere end klassiske feltbusser. Dette gør det muligt at sende store mængder data frem og tilbage i realtid".

Gerd Niedermayer har altid vidst, at den fysiske transmissionsteknologi kun var begyndelsen. Projektet vil desuden kræve en passende kommunikationsprotokol samt grænseflader og standarder, der gør det muligt at integrere instrumenterne i styresystemet og give adgang til instrumentdataene. BASF har samlet alle kravene i et løsningsoplæg. "Vi ønskede en højtydende kommunikationsløsning, der kunne overføre data med høj hastighed til både styresystemet og anlægsstyringssystemet – og det uden væsentlige ekstra omkostninger". Den nye teknologi skulle også give fordele både med hensyn til startinvesteringer og driftsomkostninger i hele levetiden", siger Niedermayer. Det var denne tankegang, der lå til grund for det globale kemikalieselskabs beslutning om at tage aktiv del i at forme og fremme udviklingen af Ethernet-APL. "Vi var på udkig efter en standardiseret og kompatibel løsning, så vi besluttede os for at indgå et tæt samarbejde med leverandørerne helt fra starten". Der var brug for åbenhed, mod og beslutsomhed. Men det gav pote. I samarbejde med producenter af måleinstrumenter, feltkontakter og styresystemer lykkedes det BASF at udvikle og klargøre Ethernet-APL til lancering på blot fem år. "Det var en sand pionerpræstation", siger Niedermayer.

En af udviklingspartnerne var Endress+Hauser. De to virksomheder har et langvarigt og tæt samarbejde. "Vi har været en af BASF’s foretrukne leverandører af måleudstyr i årtier", forklarer Udo Nalbach, der er kemitekniker og strategisk kundechef hos Endress+Hauser. "BASF er meget åben over for nye udviklinger, går tidligt og intensivt ind i innovationer og er hurtig til at implementere dem, hvis de viser sig at være en succes" Nalbach husker, hvordan BASF og Endress+Hauser satte sig sammen kort efter den banebrydende NAMUR-workshop. "Sammen undersøgte vi en række spørgsmål, herunder årsagerne til, at feltbus-netværk aldrig rigtig er slået igennem. Vores erfaringer på disse områder har været afgørende for vores arbejde med at udvikle og standardisere Ethernet-APL og gøre det til en vellykket teknologi".

Ud over den rene funktionalitet undersøgte ingeniørerne og teknikerne på laboratoriet også den praktiske anvendelighed. Instrumenterne med Ethernet-APL-tilslutning skulle være brugervenlige og medføre besparelser. Hvor hurtigt og nemt er det at installere, tilslutte og integrere dem? Hvor hurtigt foregår kontrol og idriftsættelse af sløjfen? Hvordan fungerer fjernparametrisering og fejlretning? Hvor nemt kan instrumenter udskiftes, mens anlægget er i drift? Er systemet let at skalere? Kan instrumenterne anvendes i hybridmiljøer – for eksempel sammen med PROFIBUS PA-enheder? Og vigtigst af alt: Hvad med interoperabilitet? Vil instrumenterne kunne integreres problemfrit i procesindustriens miljøer, hvor der anvendes udstyr fra flere forskellige leverandører? Så mange spørgsmål, så store forventninger – og alligevel viste Ethernet-APL-teknologien sin styrke i en lang række belastningstest.

Endress+Hauser gennemførte selv en række belastningstest, hvor der i hver test blev anvendt 240 instrumenter pr. styresystem i overensstemmelse med de krav, som BASF havde fastsat. Det er 240 komponenter fra forskellige producenter. Og de fungerede alle sammen problemfrit og dannede et pålideligt, robust Ethernet-APL-baseret system. "Verden er i dag så kompleks, at en enkelt leverandør ikke kan realisere en ny teknologi på egen hånd", siger Udo Nalbach. "Derfor er det nødvendigt, at producenterne samarbejder på tværs af hele kæden, lige fra feltinstrumenter til styresystemer. Nøglen er en konsekvent standardisering". Det er her, PROFINET-protokollen kommer ind i billedet for at styre kommunikationen mellem feltinstrumenter og processtyringssystemet. Standardiserede enhedsprofiler forenkler systemintegrationen og gør det nemt og problemfrit at udskifte instrumenter. En drivermodel integrerer enheder ensartet i asset management-systemer. Og sensordataene struktureres i et leverandøruafhængigt format.

BASF er i øjeblikket i gang med at installere sine første PROFINET-APL-feltinstrumenter på en række anlæg, herunder to nye fabrikker i Ludwigshafen. Det globale kemikalieselskab har taget dette et skridt videre med de fleste anlæg på sit nye Verbund-anlæg i Zhanjiang, Kina – hele komplekset er fra starten designet til at være APL-kompatibelt. "Mens vi planlagde mange af anlæggene her, vidste vi endnu ikke, hvornår vi ville få adgang til et komplet sortiment af PROFINET-APL-instrumenter", forklarer Kai Krüning. De valgte derfor en APL-kompatibel migrationsløsning, hvor alt fra styresystemet til feltkontakterne anvender PROFINET-teknologi. BASF havde tidligere gennemført omfattende test af netværkets ringtopologi i samarbejde med Endress+Hauser. Denne infrastruktur understøtter parallel brug af både PROFIBUS PA- og PROFINET-APL-instrumenter, hvilket gav BASF mulighed for i første omgang at udstyre sine anlæg med PROFIBUS PA-instrumenter. "Fremover kan vi, når vi skal udskifte et instrument, erstatte det med et fra APL", siger Krüning. To anlæg i Zhanjiang er faktisk allerede blevet udstyret med Ethernet-APL-instrumenter. "Vi har netop taget det første af disse i drift", forklarer Krüning.

Kai Krüning sørgede for, at alle medarbejdere, der var involveret i driften, vedligeholdelsen og forvaltningen af anlægget, blev grundigt oplært i den nye teknologi. Og hans tilbagemelding fra megaprojektet i Kina er positiv: "Idriftsættelse og kredsløbsstyring går hurtigere med Ethernet-APL end med PROFIBUS PA. Mine kolleger derovre fortæller mig, at teknologien er meget nemmere at bruge, og at parametriseringen via asset management-systemet er enklere". Også for Gerd Niedermayer har teknologien indtil videre indfriet sine løfter: "Vi opnår store besparelser på hardwareomkostningerne, især hvad angår konstruktion og idriftsættelse".

Vil Ethernet-APL blive en gamechanger i procesindustrien? Vil det blive en drivkraft for digitaliseringen? "I forbindelse med brownfield-projekter er der stadig nogle forhindringer, der skal overvindes", siger Karl Büttner, "men når det gælder greenfield-projekter, er begejstringen berettiget". Hans kollega Udo Nalbach er enig: "Denne teknologi vil vinde langt større udbredelse end konventionelle feltbusteknologier". I dag er der næsten ingen grund til at opføre et 4-20 mA-anlæg. Kai Krüning, der er med til at forme BASF's fremtid i Zhanjiang, er enig: "Vi ser Ethernet-APL som platformen for de næste skridt i den digitale transformationsproces". Og for Gerd Niedermayer, der har arbejdet i procesindustrien i over tre årtier, er målet klart. "Vi har nået de første milepæle. Opgaven er nu at fortsætte ad den slagne vej og etablere Ethernet-APL som branchestandard".