Allt kommer fram i ljuset

BASF har en ny anläggning i Zhanjiang, Kina, som håller Kai Krüning på alerten. Företaget investerar flera miljarder euro där, i vad som är dess dyraste projekt hittills. Den integrerade produktionsanläggningen i Zhanjiang blir det globala kemiföretagets tredje största Verbund-anläggning, efter Ludwigshafen och Antwerpen. ”Just nu etablerar vi den ena anläggningen efter den andra”, säger Krüning, som är projektchef för standardisering av processtyrsystem hos BASF. Först ska alla komponenter installeras – sensorer, ställdon och liknande – därefter ska deras funktion och kompatibilitet testat. Som en av projektets leverantörer har Endress+Hauser tillhandahållit tusentals sensorer. Men det är inte bara projektets storlek som gör det så speciellt; det innehåller dessutom en oöverträffad grad av digitalisering.

I Zhanjiang tar BASF täten för kemiindustrins införande av Ethernet-APL (Advanced Physical Layer). Tekniken har utvecklats specifikt för processindustrins krav och är en mycket robust och tillförlitlig typ av Ethernet som överför både data och ström via en enda, skärmad partvinnad kabel. Detta möjliggör egensäker och snabb digital kommunikation, även i explosionsfarliga områden, hela vägen ner till sensorer och ställdon på fältnivå. ”Många användare är väldigt entusiastiska över Ethernet-APL just nu”, säger Karl Büttner, marknadschef för Ethernet-APL hos Endress+Hauser.

Varför har då folk så höga förväntningar på denna teknik? Det är en fråga för Gerd Niedermayer, senior chef för el- och instrumentteknik, som har arbetat för BASF i mer än 35 år. Hans kontor ligger i en av byggnaderna vid BASF:s stora Verbund-anläggning i Ludwigshafen. ”Vi vill använda data från intelligenta fältinstrument till saker som förvaltning av tillgångar, preventivt underhåll och processoptimering”, förklarar han. ”Med vår nuvarande infrastruktur för processkommunikation är åtkomsten till dessa data dock ofta dålig, om inte omöjlig. Ethernet-APL löser det problemet.”

Inom processindustrin utgör fältnivån ofta en blind fläck på företagets digitala instrumentpanel – lite som en sträcka med landsväg mitt på datamotorvägen. Det är för att analoga signaler fortfarande är normen för processtyrning, inte minst i kemiska anläggningar. Här använder till och med de mest moderna och avancerade fältinstrumenten fortfarande beprövad 4–20 mA strömslingeteknik för att skicka mätsignaler till styrsystemet. Och även om många implementeringar använder HART-protokollet för att modulera digitala diagnos- eller statusmeddelanden ovanpå de analoga mätsignalerna, är datahastigheterna mycket låga. Fältbussystem som möjliggör digital kommunikation med fältinstrument – t.ex. PROFIBUS PA – har såklart funnits i nästan 30 år. De har dock praktiska begränsningar vad gäller låg bandvidd, komplexa topologier och den ibland bristande kompatibiliteten hos diverse komponenter. Allt detta gör det mycket komplicerat att vidta tekniska åtgärder och byta ut komponenter.

APL står för Advanced Physical Layer (Avancerat fysiskt lager). Inom nätverk avser termen ”fysiskt lager” allt konkret genom vilket de elektriska eller optiska signalerna flödar. Ur teknisk synpunkt är Ethernet-APL en avskalad men särskilt härdad form av Ethernet som fungerar säkert, även i explosionsfarliga områden.

Med Ethernet-APL skickar fältinstrument data till en APL-switch – en enhet som fungerar lite som en router i ett hemnätverk och som förbinder flera enheter med varandra. Från switchen skickas data vidare till styrsystemet eller molnet – direkt, utan några gateways. Fördelen med detta är att alla data från fältinstrument blir tillgängliga i realtid och därmed kan användas av applikationer för preventivt underhåll eller detaljerad processanalys. Med andra ord representerar Ethernet-APL ett skifte mot modern, heltäckande industrikommunikation. Dess inverkan kan jämföras med övergången från dåtidens akustiska modem till dagens fiberoptiska anslutningar. Det är den digitala grunden för nästa generations processautomation.

Den nya metoden baserad på Ethernet-APL började dyka upp för ungefär ett decennium sedan. BASF:s Gerd Niedermayer kommer väl ihåg när denna teknik presenterades under en workshop som hölls av NAMUR, en internationell organisation med användare av automationsteknik inom processindustrin. ”Ethernet-APL tilltalade mig direkt eftersom det erbjuder så många fördelar.” Det är verkligen en teknik som kombinerar den robusthet och egensäkerhet som krävs av många applikationer inom processindustrin, med den överlägsna bandbredden hos Ethernet. Den stöder även kabellängder på upp till en kilometer. ”Med en överföringshastighet på upp till 10 Mbit/s är Ethernet-APL 10 000 gånger snabbare än HART och 300 gånger snabbare än traditionella fältbussar. Detta gör det möjligt att skicka stora mängder data fram och tillbaka i realtid.”

Gerd Niedermayer visste alltid att den fysiska överföringstekniken bara var början. Projektet skulle också kräva ett lämpligt kommunikationsprotokoll, liksom gränssnitt och standarder, för att integrera instrument i styrsystemet och ge åtkomst till instrumentdata. BASF sammanställde alla krav i en lösningsskiss. ”Vi ville skapa en högpresterande och heltäckande kommunikationslösning som kan överföra data i hög hastighet till både styrsystemet och Asset Management-systemet – och utan en massa extra omkostnader. Den nya tekniken behövde också ge fördelar vad gäller initiala kapitalkostnader och driftskostnader under livscykeln”, säger Niedermayer. Det var så tankarna gick på det globala kemiföretaget när man beslöt att ta en aktiv roll i utformningen och utvecklingen av Ethernet-APL. ”Vi var ute efter en standardiserad och kompatibel lösning och bestämde oss därför för att ha ett nära samarbete med partners från allra första början.” Detta krävde transparens, hårt arbete och beslutsamhet. Men det lönade sig. Genom att samarbeta med tillverkare av mätinstrumentering, switchar och styrsystem för fältmontage lyckades BASF göra Ethernet-APL redo för marknaden på bara fem år. ”Det var en rejäl bedrift”, säger Niedermayer.

Endress+Hauser var en av dessa samarbetspartners. De två företagen har en nära relation som går långt tillbaka. ”Vi har varit BASF:s primära leverantör av instrumentering i årtionden”, förklarar Udo Nalbach, en kemiingenjör och strategisk account manager hos Endress+Hauser. ”BASF är väldigt öppna för ny teknik, testar nya innovationer tidigt och med stort engagemang, och är dessutom snabba med att implementera dem om de visar sig fungera.” Nalbach erinrar sig hur BASF och Endress+Hauser slog sina kloka huvuden ihop strax efter den där betydelsefulla workshopen som hölls av NAMUR. ”Tillsammans undersökte vi en mängd olika problem, inklusive anledningen till att fältbussnätverk aldrig riktigt har slagit igenom brett. Våra fynd på dessa områden låg till grund för arbetet med att utveckla och standardisera Ethernet-APL till en framgångsrik teknik.”

Utöver funktionen undersökte ingenjörerna och teknikerna i laboratoriet den praktiska användbarheten. Instrumenten med Ethernet-APL-anslutning behövde vara enkla att använda och leda till kostnadsbesparingar. Hur snabbt och enkelt kan de installeras, kopplas in och integreras? Hur snabbt kan man kontrollera och driftsätta mätkretsen? Hur fungerar parameterinställning och felåtgärdande på distans? Hur enkelt kan instrument bytas medan anläggningen är i drift? Är systemet skalbart? Kan instrumenten användas i hybridmiljöer – t.ex. i kombination med PROFIBUS PA-enheter? Och viktigast av allt: Hur är det med kompatibiliteten? Kommer instrumenten att integreras smidigt i processindustrimiljöer som använder utrustning från flera olika leverantörer? Så många frågor och så höga förväntningar – Ethernet-APL-tekniken har trots allt visat sina styrkor i en mängd olika belastningstester.

Endress+Hauser har genomfört flera belastningstester i egen regi, där vart och ett använde 240 instrument per styrsystem enligt kraven som fastställts av BASF. Det är 240 komponenter från olika tillverkare. De arbetade sömlöst tillsammans för att skapa ett tillförlitligt och robust Ethernet-APL-baserat system. ”Världen i dag är komplex till den grad att ingen leverantör kan ta fram ny teknik helt på egen hand”, säger Udo Nalbach. ”Av den anledningen behöver tillverkare samarbeta övergripande, med alltifrån fältinstrument till styrsystem. Nyckeln är rigorös standardisering.” Det är här PROFINET-protokollet kommer in i bilden och styr kommunikationen mellan fältinstrument och processtyrsystemet. Standardiserade enhetsprofiler förenklar systemintegreringen och gör det möjligt att byta instrument enkelt och smidigt. En drivrutinsmodell förbinder enheter enhetligt till Asset Management-system. Sensordata struktureras i ett leverantörsneutralt format.

BASF håller just nu på att installera sina första PROFINET-APL-fältinstrument på sina anläggningar, inklusive två nya anläggningar i Ludwigshafen. Det globala kemiföretaget har tagit detta ett steg längre med de flesta anläggningarna vid Verbund-anläggningen i Zhanjiang, Kina – hela komplexet är förberett för APL från början. ”När vi planerade många av anläggningarna här visste vi ännu inte när vi skulle ha tillgång till ett fullt sortiment av PROFINET-APL-instrument”, förklarar Kai Krüning. Därför valde de en migreringsväg som var förberedd för APL, där alltifrån styrsystem till switchar för fältmontage använder sig av PROFINET-teknik. BASF hade tidigare testat nätverkets ringtopologi noga tillsammans med Endress+Hauser. Denna infrastruktur stöder parallell användning av både PROFIBUS PA- och PROFINET-APL-instrument, så BASF hade flexibiliteten att utrusta sina anläggningar med PROFIBUS PA-instrument till en början. ”Framöver, när vi behöver byta ett instrument, kan vi byta ut det mot ett APL-instrument”, säger Krüning. Två anläggningar i Zhanjiang har i själva verket redan utrustats med Ethernet-APL-instrument. ”Vi har just tagit de första i drift”, förklarar Krüning.

Kai Krüning såg till att alla medarbetare som är involverade i anläggningens drift, underhåll och förvaltning av tillgångar fick utförlig utbildning i den nya tekniken. Och denna feedback från megaprojektet i Kina är positiv: ”Driftsättning och kontroll av mätkretsen går snabbare med Ethernet-APL än med PROFIBUS PA. Mina kollegor där berättar att tekniken är mycket lättare att använda och att parameterinställningen via Asset Management-systemet är enklare.” Även för Gerd Niedermayer har tekniken hittills hållit vad den lovar: ”Vi har sparat in massor av maskinvarukostnader, särskilt inom engineering och driftsättning.”

Kommer Ethernet-APL att förvandla processindustrin? Kommer den att få fart på digitaliseringen? ”I projekt i befintligt miljö finns det fortfarande några hinder att övervinna”, säger Karl Büttner, ”men i projekt som görs från grunden är euforin berättigad.” Hans kollega Udo Nalbach stämmer in: ”Denna teknik kommer att spridas mycket mer än traditionella fältbusstekniker. I dag finns det knappt någon anledning att bygga en anläggning för 4–20 mA.” Kai Krüning, som hjälper till att forma BASF:s framtid i Zhanjiang, håller med: ”Vi ser Ethernet-APL som plattformen för nästa steg inom det digitala skiftet.” För Gerd Niedermayer, som har arbetat inom processindustrin i mer än tre decennier, är målet tydligt. ”Vi har nått de första milstolparna. Nu är uppgiften att fortsätta på samma bana och etablera Ethernet-APL som industristandard.”