Å fordrive mørket

BASFs nye anlegg i Zhanjiang i Kina holder dr. Kai Krüning på tå hev. Selskapet investerer flere milliarder euro der, i det som er selskapets hittil største investeringsprosjekt. Det integrerte produksjonsanlegget i Zhanjiang blir det globale kjemiselskapets tredje største Verbund-lokasjon, etter Ludwigshafen og Antwerpen. "Akkurat nå setter vi i gang det ene nye anlegget etter det andre", sier Krüning, som er BASFs prosjektleder for standardisering av prosesstyringssystemer. Først må alle komponentene installeres – sensorer, aktuatorer og lignende – etterfulgt av tester av funksjon og samspill. Som en av prosjektets leverandører har Endress+Hauser levert tusenvis av sensorer. Men det er ikke bare prosjektets enorme omfang som gjør det så spesielt, det er også den enestående graden av digitalisering.

I Zhanjiang går BASF i spissen for kjemisk industri når det gjelder innføring av Ethernet-APL (Advanced Physical Layer). Dette er en teknologi som er utviklet spesielt for prosessindustriens behov, og er en svært robust og pålitelig type Ethernet som overfører både data og strøm via en enkelt, skjermet tvunnet par-kabel. Dette muliggjør intrinsisk sikker, digital kommunikasjon med høy hastighet, selv i eksplosjonsfarlige områder, helt ned til sensorene og aktuatorene på feltnivå. "Mange brukere er veldig begeistret for Ethernet-APL akkurat nå", sier Karl Büttner, markedsføringsansvarlig for Ethernet-APL hos Endress+Hauser.

Og hvorfor ledsages akkurat denne teknologien av så store forventninger? Det er et spørsmål til Gerd Niedermayer, senior ingeniørleder innen elektro- og instrumenteringsteknikk som har jobbet i BASF i over 35 år. Kontoret hans ligger i en av bygningene på BASFs enorme Verbund-lokasjon i Ludwigshafen. "Vi ønsker å bruke data fra intelligente feltinstrumenter til blant annet ressursstyring, forebyggende vedlikehold og prosessoptimalisering", forklarer han. "Men med vår nåværende infrastruktur for prosesskommunikasjon er tilgangen til disse dataene ofte dårlig, om ikke umulig. Ethernet-APL løser problemet."

I prosessindustrien er feltnivået ofte en blindsone på bedriftens digitale oversiktspanel – litt som en strekning med grusvei midt på datamotorveien. Det skyldes at analoge signaler fremdeles er standarden innen prosesstyring, ikke minst i kjemiske anlegg. Selv de mest moderne feltinstrumentene bruker fortsatt den velprøvde 4–20 mA-strømsløyfe-teknologien for å overføre målesignalene til styringssystemet. Og selv om mange implementeringer benytter HART-protokollen til å modulere digitale diagnose- eller statusmeldinger på toppen av de analoge målesignalene, er dataoverføringshastighetene svært lave. Feltbussystemer som muliggjør digital kommunikasjon med feltinstrumenter – f.eks. PROFIBUS PA – har selvfølgelig eksistert i nesten 30 år. Men de har praktiske begrensninger i form av lav båndbredde, komplekse topologier og en interoperabilitet mellom de ulike komponentene som ikke alltid er helt problemfri. Alt dette medfører svært kompliserte tekniske løsninger og utskiftninger av feltinstrumenter.

APL står for Advanced Physical Layer. Innen nettverksteknikk refererer begrepet "det fysiske laget" til alt det konkrete som de elektriske eller optiske signalene strømmer gjennom. Fra et teknisk synspunkt er Ethernet-APL en forenklet, men spesielt robust variant av Ethernet som fungerer sikkert, selv i eksplosjonsfarlige områder.

Med Ethernet-APL sender feltinstrumenter data til en APL-svitsj – en enhet som fungerer omtrent som en ruter i et hjemmenettverk, og som kobler flere enheter sammen. Fra svitsjen fortsetter dataene videre til styringssystemet eller til skyen – direkte, uten mellomledd i form av gateway. Dette har den fordelen at alle dataene fra feltinstrumentene er tilgjengelige i sanntid og dermed kan brukes i anvendelser som forebyggende vedlikehold eller detaljert prosessanalyse. Med andre ord markerer Ethernet-APL et skifte mot moderne, helhetlig industriell kommunikasjon. Virkningen kan sammenlignes med overgangen fra de gamle akustiske koblingsmodemene til dagens fiberoptiske tilkoblinger. Det er det digitale grunnlaget for neste generasjon prosessautomasjon.

Den nye tilnærmingen basert på Ethernet-APL begynte å vokse frem for rundt ti år siden. Gerd Niedermayer fra BASF husker godt da denne nye teknologien ble presentert på et seminar arrangert av NAMUR, en internasjonal sammenslutning av brukere av automatiseringsteknologi i prosessindustrien. "Jeg likte Ethernet-APL med en gang, fordi det gir så mange fordeler." Dette er faktisk en teknologi som kombinerer den robustheten og intrinsiske sikkerheten som kreves i mange anvendelser innen prosessindustrien, med den overlegne båndbredden til Ethernet. Den støtter også kabellengder på opptil én kilometer. "Med overføringshastigheter på opptil 10 Mbit/s er Ethernet-APL 10 000 ganger raskere enn HART og 300 ganger raskere enn klassiske feltbusser. Dette gjør det mulig å overføre store datamengder frem og tilbake i sanntid."

Gerd Niedermayer visste alltid at den fysiske overføringsteknologien bare var begynnelsen. Prosjektet ville også kreve en egnet kommunikasjonsprotokoll samt grensesnitt og standarder for å integrere instrumentene i styringssystemet og gi tilgang til instrumentdataene. BASF samlet alle kravene i en løsningsskisse. "Vi ønsket en høyytelses kommunikasjonsløsning som dekket hele kjeden, og som kunne overføre data med høy hastighet til både styringssystemet og ressursstyringsystemet – uten at det medførte nevneverdige ekstra kostnader. Den nye teknologien måtte også gi fordeler både for startinvesteringer og driftskostnader gjennom hele levetiden", sier Niedermayer. Dette var tankegangen hos det globale kjemikonsernet da de bestemte seg for å ta aktivt del i å forme og fremme utviklingen av Ethernet-APL. "Vi var på jakt etter en standardisert og kompatibel løsning, så vi bestemte oss for å inngå et tett samarbeid med leverandørene helt fra starten av." Det krevde åpenhet, pågangsmot og besluttsomhet, men det lønnet seg. I samarbeid med produsenter av måleinstrumenter, feltbrytere og styringssystemer klarte BASF å utvikle Ethernet-APL til markedsklarhet på bare fem år. "Det var ekte nybrottsarbeid", sier Niedermayer.

Blant utviklingspartnerne var Endress+Hauser. De to selskapene har et langvarig og nært samarbeid. "Vi har vært en av BASFs foretrukne leverandører av måleinstrumenter i flere tiår", forklarer Udo Nalbach, kjemisk ingeniør og strategisk kundeansvarlig hos Endress+Hauser. "BASF er svært åpen for nyutviklinger, engasjerer seg tidlig og intensivt i innovasjoner og tar dem raskt i bruk hvis de viser seg å være vellykkede." Nalbach husker hvordan BASF og Endress+Hauser slo hodene sammen kort tid etter den banebrytende NAMUR-workshopen. "Sammen undersøkte vi en rekke spørsmål, blant annet hvorfor feltbussnettverk aldri virkelig har slått gjennom. Våre funn på disse områdene har vært avgjørende for vårt arbeid med å utvikle og standardisere Ethernet-APL og gjøre det til en vellykket teknologi."

I tillegg til ren funksjonalitet undersøkte ingeniørene og teknikerne ved laboratoriet også den praktiske brukervennligheten. Instrumentene med Ethernet-APL-tilkobling måtte være enkle å bruke og gi kostnadsbesparelser. Hvor raskt og enkelt er det å installere, koble til og integrere dem? Hvor raskt går det å gjennomføre sløyfesjekk og idriftsetting? Hvordan vil ekstern parameterinnstilling og feilretting fungere? Hvor enkelt er det å skifte ut instrumenter mens anlegget er i drift? Er systemet lett å skalere? Kan instrumentene brukes i hybridmiljøer – for eksempel sammen med PROFIBUS PA-enheter? Og viktigst av alt: Hva med interoperabilitet? Vil instrumentene kunne integreres problemfritt i prosessindustrimiljøer som bruker utstyr fra flere leverandører? Så mange spørsmål, så høye forventninger – likevel viste Ethernet-APL-teknologien sin styrke i en hel rekke belastningstester.

Endress+Hauser gjennomførte flere egne belastningstester, hvor hver test omfattet 240 instrumenter per styringssystem i samsvar med kravene fastsatt av BASF. Det vil si 240 komponenter fra ulike produsenter. Og de fungerte alle sammen sømløst for å danne et pålitelig og robust Ethernet-APL-basert system. "Dagens verden er så kompleks at ingen leverandør kan realisere en ny teknologi på egen hånd", sier Udo Nalbach. "Derfor må produsentene samarbeide gjennom hele kjeden, fra feltinstrumenter til styringssystemer. Nøkkelen er streng standardisering." Det er her PROFINET-protokollen kommer inn i bildet, ved å styre kommunikasjonen mellom feltinstrumenter og prosesstyringssystemet. Standardiserte enhetsprofiler forenkler systemintegrasjonen og gjør det enkelt å bytte ut instrumenter uten problemer. En drivermodell integrerer enheter på en enhetlig måte i ressursstyringssystemer. Og sensordataene er strukturert i et leverandørnøytralt format.

BASF er for tiden i ferd med å installere sine første PROFINET-APL-feltinstrumenter på flere lokasjoner, blant annet to nye anlegg i Ludwigshafen. Det globale kjemikonsernet har tatt dette et skritt videre ved de fleste anleggene på sin nye Verbund-lokasjon i Zhanjiang i Kina – hele komplekset er fra grunnen av utformet for å være APL-klart. "Da vi planla mange av anleggene her, visste vi ennå ikke når vi ville få tilgang til et komplett utvalg av PROFINET-APL-instrumenter", forklarer Kai Krüning. De valgte derfor en APL-klar migreringsløsning der alt fra styringssystemet til feltbryterne bruker PROFINET-teknologi. BASF hadde tidligere gjennomført omfattende testing av nettverkets ringtopologi i samarbeid med Endress+Hauser. Denne infrastrukturen støtter parallell bruk av både PROFIBUS PA- og PROFINET-APL-instrumenter, slik at BASF hadde fleksibilitet til å utstyre anleggene sine med PROFIBUS PA-instrumenter i første omgang. "Fremover kan vi bytte ut et instrument med et APL-instrument når det måtte være nødvendig", sier Krüning. To anlegg i Zhanjiang er faktisk allerede utstyrt med Ethernet-APL-instrumenter. "Vi har nettopp hatt oppstart av det første av disse", forklarer Krüning.

Kai Krüning sørget for at alle ansatte som var involvert i driften, vedlikeholdet og ressursstyringen av anlegget, fikk grundig opplæring i den nye teknologien. Og tilbakemeldingene han får fra megaprosjektet i Kina er positive: "Idriftsetting og sløyfesjekk går raskere med Ethernet-APL enn med PROFIBUS PA. Kollegaene mine der forteller meg at teknologien er mye enklere å bruke, og at parameterinnstillingen via ressursstyringssystemet er enklere." Også for Gerd Niedermayer har teknologien hittil innfridd forventningene: "Vi oppnår store besparelser på utstyrskostnadene, særlig når det gjelder prosjektering og idriftsetting."

Vil Ethernet-APL bli en banebrytende teknologi i prosessindustrien? Vil det fungere som en katalysator for digitaliseringen? "Når det gjelder ombyggingsprosjekter, er det fortsatt noen hindringer å overvinne", sier Karl Büttner, "men når det gjelder nybyggprosjekter, er entusiasmen berettiget." Hans kollega Udo Nalbach er enig: "Denne teknologien vil få en langt større utbredelse enn konvensjonelle feltbussteknologier. I dag er det nesten ingen grunn til å bygge et 4–20 mA-anlegg." Kai Krüning, som er med på å forme BASFs fremtid i Zhanjiang, er enig: "Vi ser på Ethernet-APL som plattformen for de neste trinnene i den digitale transformasjonsprosessen." Og for Gerd Niedermayer, som har jobbet i prosessindustrien i over tre tiår, er målet klart. "Vi har nådd de første milepælene. Oppgaven vår nå er å fortsette på denne veien og etablere Ethernet-APL som bransjestandard."