Zahánění temnoty

Nový provoz společnosti BASF v čínském Čan-ťiangu plně zaměstnává Dr. Kaie Krüninga. Společnost tam investuje několik miliard eur do svého dosud největšího investičního projektu. Integrovaný výrobní komplex Čan-ťiang bude třetím největším provozem globální chemické společnosti po Ludwigshafenu a Antverpách, které také stojí na konceptu „Verbund“. „Právě teď spouštíme jeden nový on-site provoz za druhým,“ říká Krüning, který je vedoucím projektu BASF pro standardizaci systémů řízení procesů. Předtím je třeba nainstalovat všechny komponenty – senzory, pohony a podobně – a následně provést testy jejich funkčnosti a vzájemné součinnosti. Společnost Endress+Hauser, jako jeden z dodavatelů projektu, přispěla tisíci senzory. Není to ale jen samotná velikost projektu, co ho činí tak výjimečným; je tu také bezprecedentní stupeň digitalizace.

V provincii Čan-ťiang je společnost BASF lídrem v chemickém průmyslu v zavádění Ethernet-APL (Advanced Physical Layer). Technologie vyvinutá speciálně pro požadavky zpracovatelského průmyslu, jedná se o vysoce robustní a spolehlivý typ Ethernetu, který přenáší data i napájení po jediném stíněném krouceném páru. To umožňuje jiskrově bezpečnou, vysokorychlostní digitální komunikaci, dokonce i v prostředí s nebezpečím výbuchu, a to až k senzorům a pohonům na provozní úrovni. „Mnoho uživatelů je v současné době z Ethernet-APL opravdu nadšených,“ říká Karl Büttner, vedoucí marketingu pro Ethernet-APL ve společnosti Endress+Hauser.

A proč tato technologie vzbuzuje tak vysoká očekávání? To je otázka pro Gerda Niedermayera, vedoucího inženýra E&I, který ve společnosti BASF pracuje již více než 35 let. Jeho kancelář se nachází v jedné z budov rozsáhlého areálu společnosti BASF v Ludwigshafenu. „Chceme data z inteligentních polních přístrojů využívat pro věci, jako je správa aktiv, preventivní údržba a optimalizace procesů,“ vysvětluje. „Ale s naší současnou infrastrukturou pro procesní komunikaci je přístup k těmto datům často obtížný, ne-li nemožný. Ethernet-APL tento problém řeší.“

V procesním průmyslu je provozní úroveň často slepým místem na digitálním dashboardu společnosti – trochu jako úsek venkovské silnice uprostřed datové superdálnice. Je to proto, že analogové signály jsou stále normou pro řízení procesů, a to i v chemických závodech. Zde i nejmodernější polní přístroje stále používají spolehlivou technologii proudové smyčky 4–20 mA k odesílání měřicích signálů do řídicího systému. Ačkoli mnoho implementací zahrnuje protokol HART k modulaci digitálních diagnostických nebo stavových zpráv nad rámec analogových měřicích signálů, jsou datové rychlosti velmi nízké. Systémy polních sběrnic, které umožňují digitální komunikaci s polními přístroji – např. PROFIBUS PA – existují samozřejmě již téměř 30 let. Mají však praktická omezení, jako je nízká šířka pásma, složité topologie a někdy méně plynulá interoperabilita jejich různých komponent. To vše vede k velmi složitým projekčním činnostem a výměně přístrojů v terénu.

APL je zkratka pro Advanced Physical Layer (Pokročilá fyzická vrstva). V síťování se termín „fyzická vrstva“ vztahuje ke všemu hmotnému, skrze co protékají elektrické nebo optické signály. Z technického hlediska je Ethernet-APL zjednodušenou, ale speciálně zesílenou formou Ethernetu, která funguje bezpečně i v prostředí s nebezpečím výbuchu.

S Ethernet-APL odesílají polní přístroje data do přepínače APL – přístroj, který funguje podobně jako domácí síťový router a propojuje několik přístrojů dohromady. Z přepínače pokračují data na cestě do řídicího systému nebo do cloudu – přímo, bez zprostředkování branami. To má výhodu v tom, že všechna data z polních přístrojů jsou k dispozici v reálném čase, a proto jsou použitelná v aplikacích, jako je preventivní údržba nebo podrobná analýza procesů. Jinými slovy, Ethernet-APL představuje posun k moderní průmyslové komunikaci typu end-to-end. Jeho dopad lze přirovnat k přechodu od akustických couplerových modemů z minulosti k dnešním optickým vláknům. Je to digitální základ pro automatizaci procesů nové generace.

Nový přístup založený na Ethernet-APL se začal objevovat zhruba před deseti lety. Gerd Niedermayer ze společnosti BASF si dobře pamatuje dobu, kdy byla tato nová technologie prezentována na workshopu pořádaném NAMUR, mezinárodní asociací uživatelů automatizačních technologií v procesním průmyslu. „Ethernet-APL mě okamžitě zaujal, protože nabízí tolik výhod.“ Vskutku, jde o technologii, která kombinuje robustnost a jiskrovou bezpečnost vyžadovanou mnoha aplikacemi v procesním průmyslu s vynikající šířkou pásma Ethernetu. Podporuje také kabely o délce až jednoho kilometru. „S přenosovými rychlostmi až 10 Mbit/s je Ethernet-APL 10 000krát rychlejší než HART a 300krát rychlejší než klasické fieldbus sběrnice. To umožňuje odesílání velkého množství dat tam a zpět v reálném čase.“

Gerd Niedermayer vždy věděl, že technologie fyzického přenosu je jen začátkem. Projekt by také vyžadoval vhodný komunikační protokol, rozhraní a standardy pro integraci přístrojů do řídicího systému a zpřístupnění dat z přístrojů. Společnost BASF shromáždila všechny požadavky do návrhu řešení. „Chtěli jsme vysoce výkonné komplexní komunikační řešení, které by dokázalo přenášet data vysokou rychlostí jak do řídicího systému, tak do systému správy aktiv – a to bez výrazných dodatečných režijních nákladů.“ „Nová technologie musela také přinést výhody jak z hlediska počátečních investičních nákladů, tak i provozních nákladů po celou dobu životního cyklu,“ říká Niedermayer. Takto uvažovala globální chemická společnost, která se rozhodla aktivně se podílet na formování a řízení vývoje Ethernet-APL. „Hledali jsme standardizované a interoperabilní řešení, a proto jsme se od samého začátku rozhodli úzce spolupracovat s dodavateli.“ Byla potřeba transparentnost, houževnatost a odhodlání. Ale vyplatilo se to. Ve spolupráci s výrobci měřicích přístrojů, polních přepínačů a řídicích systémů se společnosti BASF podařilo vyvinout Ethernet-APL do stavu připraveného pro uvedení na trh během pouhých pěti let. „Byl to skutečný průkopnický počin,“ říká Niedermayer.

Mezi vývojovými partnery byla i společnost Endress+Hauser. Obě společnosti mají dlouhodobý a blízký vztah. „Jsme preferovaným dodavatelem přístrojové techniky pro společnost BASF již po celá desetiletí,“ vysvětluje Udo Nalbach, chemický inženýr a strategický manažer pro vztahy s klienty ve společnosti Endress+Hauser. „Společnost BASF je velmi otevřená novým trendům, včas a intenzivně se zapojuje do inovací a pokud se osvědčí, rychle je implementuje.“ Nalbach vzpomíná, jak se společnosti BASF a Endress+Hauser krátce po onom zásadním workshopu NAMUR dohodly. „Společně jsme zkoumali řadu problémů, včetně důvodů, proč se síťové propojení sběrnic nikdy skutečně nerozšířilo. Naše zjištění v těchto oblastech ovlivnila naši práci na vývoji a standardizaci Ethernet-APL a na tom, aby se z něj stala úspěšná technologie.“

Kromě čisté funkčnosti zkoumali inženýři a technici v laboratoři i praktickou použitelnost. Přístroje s ethernetovým připojením APL musely být snadno použitelné a přinášet úspory nákladů. Jak rychle a jednoduše se instalují, zapojují a integrují? Jak rychlé je ověřování smyčky a uvedení do provozu? Jak bude fungovat vzdálená parametrizace a oprava chyb? Jak snadno lze vyměnit přístroje během provozu? Je systém snadno škálovatelný? Lze přístroje použít v hybridním prostředí – například v kombinaci s jednotkami PROFIBUS PA? A co je nejdůležitější ze všeho: A co interoperabilita? Budou se přístroje hladce integrovat do prostředí procesního průmyslu, které používá vybavení od více dodavatelů? Tolik otázek, tolik vysokých očekávání – a přesto technologie Ethernet-APL ukázala svou sílu v celé řadě zátěžových testů.

Společnost Endress+Hauser provedla několik vlastních zátěžových testů, přičemž každý z nich využil 240 přístrojů na řídicí systém v souladu s požadavky definovanými společností BASF. To je 240 komponentů od různých výrobců. A všechny bezproblémově spolupracovaly na vytvoření spolehlivého a robustního systému založeného na Ethernetu a APL. „Dnešní svět je natolik složitý, že žádný dodavatel nedokáže sám o sobě uvést na trh novou technologii,“ říká Udo Nalbach. „Výrobci proto musí spolupracovat napříč celým procesem, od polních přístrojů až po řídicí systémy. Klíčem je přísná standardizace.“ Zde přichází na řadu protokol PROFINET, který řídí komunikaci mezi polními přístroji a systémem řízení procesů. Standardizované profily přístroje zjednodušují integraci systému a umožňují snadnou a bezproblémovou výměnu přístrojů. Model ovladače jednotně propojuje přístroje se systémy správy aktiv. A data ze senzorů jsou strukturována ve formátu neutrálním pro daného dodavatele.

Společnost BASF v současné době instaluje své první polní přístroje PROFINET-APL na různých místech, včetně dvou nových závodů v Ludwigshafenu. Globální chemická společnost šla ještě o krok dál a většina nových provozů v čínském Čan-ťiangu je navržena tak, aby vyhovovala technologii APL. „Při plánování mnoha zdejších provozů jsme ještě nevěděli, kdy budeme mít přístup ke kompletnímu portfoliu přístrojů PROFINET-APL,“ vysvětluje Kai Krüning. Zvolili tedy migrační cestu připravenou na APL, v níž vše od řídicího systému až po polní přepínač využívá technologii PROFINET. Společnost BASF dříve ve spolupráci se společností Endress+Hauser podrobila kruhovou topologii sítě komplexnímu testování. Tato infrastruktura podporuje paralelní použití přístrojů PROFIBUS PA i PROFINET-APL, takže společnost BASF měla flexibilitu vybavit své provozy přístroji PROFIBUS PA hned od začátku. „Do budoucna, kdykoli budeme potřebovat vyměnit přístroj, můžeme ho nahradit nástrojem APL,“ říká Krüning. Dva provozy v Čan-ťiangu již byly vybaveny přístroji Ethernet-APL. „Právě jsme spustili první z nich online,“ vysvětluje Krüning.

Kai Krüning zajistil, aby všichni zaměstnanci zapojení do provozu, údržby a správy aktiv provozu byli plně proškoleni v nové technologii. A jeho zpětná vazba z megaprojektu v Číně je pozitivní: „Uvedení do provozu a kontrola smyčky jsou s Ethernet-APL rychlejší než s PROFIBUS PA. Moji kolegové mi říkají, že technologie se mnohem snadněji používá a že parametrizace prostřednictvím systému správy aktiv je jednodušší.“ I pro Gerda Niedermayera tato technologie zatím splnila svůj slib: „Dosahujeme značných úspor nákladů na hardware, zejména pokud jde o inženýrství a uvedení do provozu.“

Bude Ethernet-APL průlomem v procesním průmyslu? Bude to katalyzátor digitalizace? „U brownfieldových projektů je stále třeba překonat několik překážek,“ říká Karl Büttner, „ale u greenfieldových projektů je euforie oprávněná.“ Jeho kolega Udo Nalbach souhlasí: „Tato technologie dosáhne mnohem širšího rozšíření než konvenční technologie sběrnic. Dnes téměř neexistuje důvod stavět elektrárnu s analogovým rozhraním 4–20 mA.“ Kai Krüning, který pomáhá utvářet budoucnost společnosti BASF v Čan-ťiangu, s tím souhlasí: „Ethernet-APL vnímáme jako platformu pro další kroky v procesu digitální transformace.“ A pro Gerda Niedermayera, který pracuje ve zpracovatelském průmyslu již více než tři desetiletí, je cíl jasný. „Dosáhli jsme prvních milníků. Úkolem je nyní pokračovat v naší cestě a etablovat Ethernet-APL jako průmyslový standard.“