Pois pimeästä

BASF:n uusi toimipaikka Zhanjiangissa Kiinassa pitää Kai Krüningin varpaillaan. Yritys sijoittaa sinne useita miljardeja euroja tähän mennessä suurimpaan pääomahankkeeseensa. Zhanjiangin integroidusta tuotantokompleksista tulee maailmanlaajuisen kemianyhtiön kolmanneksi suurin yhdistetty Verbund-laitos Ludwigshafenin ja Antwerpenin jälkeen. "Tällä hetkellä käynnistetään yksi uusi toimipiste toisensa jälkeen", sanoo BASF:n prosessinohjausjärjestelmien standardoinnin projektipäällikkönä toimiva Krüning. Sitä ennen asennetaan kaikki komponentit – anturit, toimilaitteet ja vastaavat – ja tehdään niiden toiminta- ja yhteentoimivuustestit. Yhtenä projektin toimittajista Endress+Hauser on toimittanut tuhat anturia. Mutta pelkkä projektin koko ei tee siitä erityistä, vaan projektin ennennäkemätön digitalisaatioaste.

Zhanjiangissa BASF on johtava kemianteollisuuslaitos Ethernet-APL:n (Advanced Physical Layer) käyttöönotossa. Teknologia, joka on kehitetty erityisesti prosessiteollisuuden vaatimuksiin, on erittäin vankka ja luotettava Ethernet-tyyppi, joka kuljettaa sekä dataa että tehoa yhden suojatun kierretyn parikaapelin kautta. Tämä mahdollistaa luonnostaan ​​vaarattoman, nopean digitaalisen tiedonsiirron jopa räjähdysvaarallisilla alueilla aina kenttätason antureihin ja toimilaitteisiin asti. "Monet käyttäjät ovat todella innoissaan Ethernet-APL:stä juuri nyt", sanoo Endress+Hauserin Ethernet-APL:n markkinointijohtaja Karl Büttner.

Ja miksi juuri tämä teknologia herättää niin suuria odotuksia? Tämän kysymyksen esitämme Gerd Niedermayerille, vanhemmalle E + I-tekniikan johtajalle, joka on työskennellyt BASF:ssä yli 35 vuotta. Hänen toimistonsa sijaitsee yhdessä BASF:n suuren Ludwigshafenin Verbund-toimipisteen rakennuksista. "Haluamme käyttää älykkäiden kenttälaitteiden dataa esimerkiksi laitekannanhallintaan, ennaltaehkäisevään kunnossapitoon ja prosessien optimointiin", hän selittää. "Mutta nykyisellä prosessiviestintäinfrastruktuurillamme näihin tietoihin on usein hankalaa, ellei mahdoton. Ethernet-APL ratkaisee ongelman."

Prosessiteollisuudessa kenttätaso on usein sokea piste yrityksen digitaalisessa kojetaulussa – vähän kuin maalaistie puolivälissä tiedon supervaltatien varrella. Tämä johtuu siitä, että analogiset signaalit ovat edelleen normi prosessinohjauksessa, eikä vähiten kemiantehtaissa. Täällä jopa huippuluokan kenttälaitteet käyttävät edelleen luotettavaa 4–20 mA virtasilmukkateknologiaa mittaussignaalien lähettämiseen ohjausjärjestelmään. Ja vaikka monet toteutukset sisältävät HART-protokollan digitaalisten diagnoosi- tai tilaviestien moduloimiseksi analogisten mittaussignaalien päälle, tiedonsiirtonopeudet ovat erittäin hitaita. Kenttäväyläjärjestelmät, jotka mahdollistavat digitaalisen viestinnän kenttälaitteiden, esim. PROFIBUS PA:n kanssa, ja ovat luonnollisesti olleet olemassa jo lähes 30 vuotta. Mutta niillä on käytännön rajoituksia alhaisen kaistanleveyden, monimutkaisen topologian ja niiden eri komponenttien välillä vähemmän kuin sujuvan yhteentoimivuuden suhteen. Kaikki tämä mahdollistaa erittäin monimutkaisen suunnittelun ja kenttämittalaitteiden vaihdon.

Ethernet-APL on lyhenne sanoista Advanced Physical Layer. Verkottumisessa termi "fyysinen kerros" viittaa kaikkeen konkreettiseen, jonka läpi sähköiset tai optiset signaalit kulkevat. Teknisestä näkökulmasta Ethernet-APL on pienimuotoinen, mutta erityinen ja karkaistu Ethernetin muoto, joka toimii turvallisesti myös räjähdysvaarallisilla alueilla.

Ethernet-APL:n avulla kenttälaitteet lähettävät tietoja APL-kytkimelle – laitteeseen, joka toimii jossain määrin kuin kotiverkon reititin ja yhdistää useita laitteita. Kytkimestä data jatkaa matkaansa ohjausjärjestelmään tai pilveen – suoraan, ilman yhdyskäytävien välittämistä. Tämän etuna on, että kaikki kenttälaitteiden tiedot ovat saatavilla reaaliajassa ja siten käyttökelpoisia sovelluksissa, kuten ennaltaehkäisevässä kunnossapidossa tai yksityiskohtaisessa prosessianalyysissä. Toisin sanoen Ethernet-APL edustaa vaihdosta moderniin, päästä-päähän teolliseen viestintään. Sen vaikutusta voidaan verrata siirtymiseen entisistä akustisista kytkentämodeemeista nykypäivän kuituoptisiin yhteyksiin. Se on digitaalinen perusta seuraavan sukupolven prosessiautomaatiolle.

Uusi Ethernet-APL:ään perustuva lähestymistapa alkoi ilmaantua noin vuosikymmen sitten. BASF:n Gerd Niedermayer muistaa hyvin ajan, jolloin tämä uusi teknologia esiteltiin kansainvälisen prosessiteollisuuden automaatioteknologian käyttäjien yhdistyksen NAMURin järjestämässä työpajassa. "Ethernet-APL teki minuun heti vaikutuksen, koska se tarjoaa niin monia etuja." Se on todellakin teknologia, jossa yhdistyvät monien prosessiteollisuuden sovellusten vaatima kestävyys ja luontainen turvallisuus sekä Ethernetin ylivoimainen kaistanleveys. Se tukee myös jopa kokonaisen kilometrin pituisia kaapeleita.". Jopa 10 Mbit/s siirtonopeuksilla Ethernet-APL on 10 000 kertaa nopeampi kuin HART ja 300 kertaa nopeampi kuin perinteiset kenttäväylät. Tämä mahdollistaa suurten tietomäärien lähettämisen edestakaisin reaaliajassa."

Gerd Niedermayer tiesi aina, että fyysinen lähetysteknologia oli vasta asioiden alkua. Hanke vaatisi myös sopivaa viestintäprotokollaa sekä rajapintoja ja standardeja, jotta mittalaitteet voidaan integroida ohjausjärjestelmään ja päästää laitteen tietoihin. BASF kokosi kaikki vaatimukset ratkaisuehdotukseksi. "Halusimme tehokkaan päästä päähän -viestintäratkaisun, joka pystyy siirtämään tietoa suurella nopeudella sekä ohjausjärjestelmään että laitekannan hallintajärjestelmään – ja vieläpä ilman merkittäviä lisäkustannuksia. Uuden teknologian oli myös tarjottava etuja sekä alkuvaiheen pääomakustannusten että elinkaarikäyttökustannusten suhteen", Niedermayer sanoo. Näin ajatteli globaali kemianyhtiö, kun se päätti olla aktiivisesti mukana Ethernet-APL:n kehityksen muokkaamisessa ja ohjaamisessa. "Etsimme standardoitua ja yhteentoimivaa ratkaisua, joten päätimme tehdä tiivistä yhteistyötä toimittajien kanssa alusta alkaen." Tarvittiin läpinäkyvyyttä, sisua ja päättäväisyyttä. Mutta se kannatti. Yhteistyössä mittauslaitteiden, kenttäkytkinten ja ohjausjärjestelmien valmistajien kanssa BASF onnistui kehittämään Ethernet-APL:n markkinavalmiiksi viidessä vuodessa. "Se on todellinen uraauurtava saavutus", Niedermayer sanoo.

Kehityskumppaneiden joukossa oli Endress+Hauser. Yrityksillä on pitkäaikainen ja läheinen suhde. "Olemme olleet BASF:n ensisijainen mittalaitteiden toimittaja vuosikymmeniä", kertoo Endress+Hauserin strateginen asiakkuuspäällikkö kemianinsinööri Udo Nalbach. "BASF on erittäin avoin uudelle kehitykselle, sitoutuu varhaisessa vaiheessa ja intensiivisesti innovaatioihin ja ottaa ne nopeasti käyttöön niiden toteutuessa." Nalbach muistelee, kuinka BASF ja Endress+Hauser panivat päänsä yhteen pian tuon merkittävän NAMUR-työpajan jälkeen. "Yhdessä tutkimme monia asioita, mukaan lukien syitä, miksi kenttäväyläverkko ei oikein koskaan päässyt todella vauhtiin. Näillä alueilla tekemämme havainnot ohjasivat työtämme kehittää ja standardoida Ethernet-APL ja tehdä siitä menestyvä teknologia."

Puhtaan toiminnallisuuden lisäksi laboratorion insinöörit ja teknikot tutkivat myös käytettävyyttä käytännössä. Ethernet-APL-liitännällä varustettujen mittalaitteiden piti olla helppokäyttöisiä ja tuoda kustannussäästöjä. Kuinka nopeita ja yksinkertaisia ​​ne on asentaa, kytkeä ja integroida? Kuinka nopeasti silmukka voidaan tarkistaa ja miten nopeasti käyttöönotto käy? Miten etäparametritys ja viankorjaus toimivat? Miten helposti mittalaitteet voidaan vaihtaa laitoksen ollessa käynnissä? Onko järjestelmä helposti skaalautuva? Voidaanko mittalaitteita käyttää hybridiympäristöissä – esimerkiksi yhdessä PROFIBUS PA -yksiköiden kanssa? Ja mikä tärkeintä: entä yhteentoimivuus? Integroituvatko mittalaitteet sujuvasti prosessiteollisuuden ympäristöihin, joissa käytetään useiden valmistajien laitteita? Paljon kysymyksiä ja paljon suuria odotuksia – Ethernet-APL-teknologia osoitti silti vahvuutensa koko kuormitustestipatteristossa.

Endress+Hauser suoritti useita omia kuormitustestejä, joissa kussakin käytettiin 240 laitetta ohjausjärjestelmää kohden BASF:n määrittelemien vaatimusten mukaisesti. Tämä tarkoittaa 240 komponenttia eri valmistajilta. Ne kaikki toimivat saumattomasti yhdessä muodostaen luotettavan, vankan Ethernet-APL-pohjaisen järjestelmän. "Tämän päivän maailma on siinä määrin monimutkainen, ettei kukaan toimittaja voi toteuttaa uutta teknologiaa yksinään", Udo Nalbach sanoo. "Siksi valmistajien on tehtävä yhteistyötä päästä päähän, kenttälaitteesta aina ohjausjärjestelmään. Avain on tiukka standardointi." Tässä PROFINET-protokolla nousee esiin. Se ohjaa tiedonsiirtoa kenttälaitteiden ja prosessinohjausjärjestelmän välillä. Standardoidut laiteprofiilit yksinkertaistavat järjestelmän integrointia ja mahdollistavat helpon ja vaivattoman mittalaitteiden vaihdon. Ohjainmalli sitoo laitteet tasaisesti laitekannan hallintajärjestelmiin. Ja anturitiedot on jäsennelty toimittajaneutraalissa muodossa.

BASF asentaa parhaillaan ensimmäisiä PROFINET-APL-kenttämittalaitteita kohteisiin, mukaan lukien kahdelle uudelle Ludwigshafenin laitokselle. Maailmanlaajuinen kemianyhtiö on mennyt vielä pidemmälle, koska suurin osa laitoksista sijaitsee sen uudessa Verbund-laitoksessa Zhanjiangissa Kiinassa. Koko kompeksi on suunniteltu valmiiksi APL:ää varten. "Suunnitellessamme monia laitoksia tänne emme vielä tienneet, milloin saamme käyttöön täyden valikoiman PROFINET-APL-laitteita", Kai Krüning kertoo. Joten yritys valitsi APL-valmiin muuntoväylän, jossa kaikki ohjausjärjestelmästä kenttäkytkimeen käyttää PROFINET-teknologiaa. BASF oli aiemmin testannut verkon rengastopologiaa kattavasti yhteistyössä Endress+Hauserin kanssa. Tämä infrastruktuuri tukee sekä PROFIBUS PA- että PROFINET-APL -mittalaitteiden rinnakkaista käyttöä, joten BASF varusti laitoksensa joustavasti ensisijaisesti PROFIBUS PA -mittalaitteilla. "Tulevaisuuteen katsottaessa voimme vaihtaa sen APL-laitteeseen aina, kun joudumme vaihtamaan mittalaitteen", Krüning sanoo. Kaksi Zhanjiangin laitosta on itse asiassa jo varustettu Ethernet-APL-mittalaitteilla. "Olemme juuri tuoneet ensimmäisen näistä verkkoon", Krüning kertoo.

Kai Krüning varmisti, että kaikki tehtaan käyttöön, kunnossapitoon ja laitekannan hoitoon osallistuvat työntekijät olivat täysin koulutettuja uuteen teknologiaan. Ja hänen palautteensa Kiinan megaprojektista on positiivista: "Käyttöönotto ja silmukan tarkistus ovat nopeampia Ethernet-APL:llä kuin PROFIBUS PA:lla. Siellä olevat kollegani kertovat minulle, että teknologia on paljon helpompi käyttää ja että parametrointi omaisuudenhallintajärjestelmän kautta on helpompaa." Myös Gerd Niedermayerille teknologia on tähän saakka lunastanut lupauksensa: "Säästämme huomattavasti laitteistokustannuksissa, erityisesti suunnittelun ja käyttöönoton osalta."

Tuleeko Ethernet-APL:stä keskeinen muuttuja prosessiteollisuudessa? Tuleeko siitä digitalisaation katalysaattori? "Vanhan pohjalta toteutettavissa hankkeissa on vielä muutamia esteitä voitettavana", Karl Büttner sanoo, "mutta uusissa hankkeissa euforia on perusteltua." Hänen kollegansa Udo Nalbach on samaa mieltä: "Tällä teknologialla saavutetaan paljon laajempi käyttöönotto kuin perinteisillä kenttäväyläteknologioilla. Nykyään ei ole juuri mitään syytä rakentaa 4–20 mA laitosta." Kai Krüning, joka auttaa muokkaamaan BASF:n tulevaisuutta Zhanjiangissa, on samaa mieltä: "Näemme Ethernet-APL:n alustana digitaalisen muunnosprosessin seuraaville vaiheille." Ja Gerd Niedermayerille, joka on työskennellyt prosessiteollisuudessa yli kolme vuosikymmentä, tavoite on selvä. "Olemme saavuttaneet ensimmäiset virstanpylväät. Nyt tehtävänä on jatkaa polkuamme eteenpäin ja tehdä Ethernet-APL:stä alan standardi."