Het donker verdrijven

De nieuwe locatie van BASF in het Chinese Zhanjiang houdt Dr Kai Krüning in spanning. Het bedrijf investeert hier enkele miljarden euro's in wat de grootste kapitaalinjectie tot nu toe voor het bedrijf is. Het geïntegreerde productiecomplex in Zhanjiang wordt na Ludwigshafen en Antwerpen de grootste Verbund-site van de chemiereus. “Momenteel zijn we bezig met het opstarten van de ene nieuwe on-site fabriek na de andere”, zegt Krüning, die projectleider voor standaardisering van procescontrolesystemen bij BASF is. Vooraf zijn er de componenten die moeten worden geïnstalleerd – sensoren, actuators en dergelijke – waarna wordt getest of ze correct werken en interopereren. Als een van de leveranciers van het project heeft Endress+Hauser bijgedragen met duizenden sensoren. Maar het is niet slechts de volledige omvang van het project dat het zo bijzonder maakt; er is ook de ongekende digitaliseringsgraad.

In Zhanjiang gaat BASF vóór binnen de chemische industrie met de acceptatie van Ethernet-APL (Advanced Physical Layer). Een technologie die bedoeld is voor de procesindustrie en een uiterst stabiel en betrouwbaar type ethernet is, dat gegevens- en stroomtransmissie in één enkele afgeschermde kabel met getwiste aderparen combineert. Dit maakt een intrinsiek veilige digitale communicatie met hoge snelheid mogelijk, zelfs in explosiegevaarlijke omgevingen, tot aan de sensoren en actuators op veldniveau. “Veel gebruikers zijn nu zeer enthousiast over Ethernet-APL”, zegt Karl Büttner, de marketingleider voor Ethernet-APL bij Endress+Hauser.

En waarom schept deze technologie zulke hoge verwachtingen? Dat is een vraag voor Gerd Niedermayer, een senior E&I engineering manager die al meer dan 35 jaar bij BASF in dienst is. Zijn kantoor bevindt zich in één van de gebouwen van BASF’s uitgestrekte Verbund-site in Ludwigshafen. “Wij willen gegevens van intelligente procesinstrumenten gebruiken voor dingen als asset-management, preventief onderhoud en procesoptimalisatie”, licht hij toe. “Maar met onze huidige procescommunicatie-infrastructuur is de toegang tot deze gegevens vaak slecht zo niet onmogelijk. Ethernet-APL is de oplossing voor het probleem.”

In de procesindustrie is het veldniveau vaak een blinde vlek op het digitale dashboard van een bedrijf – zoiets als een stuk provinciale weg in een supersnelweg voor gegevens. Dat komt doordat analoge signalen nog steeds de norm bij procesregeling zijn - al zeker in chemische installaties. Hier wordt zelfs door state-of-the-art procesinstrumenten nog steeds de vertrouwde 4–20 mA stroomlus-technologie gebruikt voor het versturen van meetsignalen naar het besturingssysteem. En hoewel bij veel implementaties het HART-protocol wordt gebruikt voor het moduleren van digitale diagnose- of statusmeldingen als aanvulling op de analoge meetsignalen, zijn de overdrachtssnelheden erg laag. Veldbussystemen die digitale communicatie met procesinstrumenten mogelijk maken – bv. PROFIBUS PA – bestaan natuurlijk al bijna 30 jaar. Maar er zijn praktische beperkingen wat betreft geringe bandbreedte, complexe topologieën en de soms haperende interoperabiliteit van de diverse componenten. Dit allemaal zorgt voor uiterst gecompliceerde techniek en vervanging van procesinstrumenten.

APL staat voor Advanced Physical Layer. Bij netwerken verwijst de term ‘fysieke laag’ naar iets tastbaars waarlangs de elektrische of optische signalen lopen. Vanuit technisch oogpunt is Ethernet-APL een uitgeklede maar speciaal geharde vorm van ethernet die veilig werkt, zelfs in explosiegevaarlijke omgevingen.

Met Ethernet-APL sturen procesinstrumenten gegevens naar een APL-schakelaar – een instrument dat ongeveer werkt als een thuisnetwerkrouter, waarbij meerdere instrumenten met elkaar zijn verbonden. Van de schakelaar vervolgen de gegevens hun weg naar het besturingssysteem of in de cloud – rechtstreeks, zonder tussenkomst van gateways. Dit heeft het voordeel dat alle gegevens van procesinstrumenten beschikbaar in realtime zijn en dus gebruikt kunnen worden door applicaties zoals voorspellend onderhoud of gedetailleerde procesanalyse. Met andere woorden, Ethernet-APL staat voor een verschuiving richting moderne, end-to-end industriële communicatie. De impact hiervan kan worden vergeleken met de transitie van de akoestische inbelmodems van vroeger naar de glasvezelverbindingen van nu. Het is het digitale fundament voor de volgende generatie procesautomatisering.

De nieuwe methode op basis van Ethernet-APL ontstond ongeveer tien jaar geleden. Gerd Niedermayer van BASF herinnert zich de tijd nog goed dat deze nieuwe technologie werd voorgesteld tijdens een workshop bij NAMUR, een internationale vereniging van automatiseringstechnologie-gebruikers in de procesindustrie. “Ethernet-APL sloeg meteen bij me aan, omdat het zo veel voordelen biedt.” Het is beslist een technologie die de stabiliteit en intrinsieke veiligheid combineert die is gevraagd bij veel procesindustrietoepassingen met de superieure bandbreedte van ethernet. Het ondersteunt ook kabellengten tot wel één kilometer. “Met transmissiesnelheden van wel 10 Mbit/s is Ethernet-APL 10.000 sneller dan HART en 300 keer sneller dan klassieke veldbussen. Hierdoor kunnen grote hoeveelheden gegevens in real time heen en weer worden gestuurd.”

Gerd Niedermayer wist altijd al dat de fysieke overdrachtstechnologie slechts het begin was. Het project vroeg ook om een geschikt communicatieprotocol alsmede interfaces en standaarden voor het integreren van instrumenten in het besturingssysteem en het creëren van toegang tot de instrumentgegevens. BASF stelde van alle eisen een oplossingskader samen. “We wilden een krachtige end-to-end communicatie-oplossing waarmee gegevens op hoge snelheid naar zowel het besturingssysteem als het asset-managementsysteem konden worden verzonden – en zonder veel meer extra overhead. De nieuwe technologie moest ook voordelen bieden wat betreft initiële investeringen en levenscycluskosten”, zegt Niedermayer. Dit waren de overwegingen bij de chemiereus toen werd besloten om een actieve rol te spelen bij het vormgeven en stimuleren van de ontwikkeling van Ethernet-APL. “We zochten een gestandaardiseerde en interoperabele oplossing, dus besloten we om vanaf het begin nauw samen te werken met de leveranciers.” Transparantie, durf en vastberadenheid die we nodig hadden. Maar het was de moeite waard. Door samen te werken met de makers van meetinstrumenten, veldschakelaars en besturingssystemen kon BASF Ethernet-APL in slechts vijf jaar marktrijp ontwikkelen. “Het was echt pionierswerk”, zegt Niedermayer.

Een van de ontwikkelingspartners was Endress+Hauser. De twee bedrijven onderhouden een langdurige en nauwe relatie. “We zijn al tientallen vaste leverancier van instrumenten voor BASF”, verklaart Udo Nalbach, een chemicus en strategic accountmanager bij Endress+Hauser. “BASF staat zeer positief tegenover nieuwe ontwikkelingen, neemt vroeg en intensief deel aan innovaties en is snel met implementeren hiervan als ze succesvol zijn.” Nalbach herinnert zich, hoe BASF en Endress+Hauser vlak na de die gedenkwaardige NAMUR-workshop gingen samenwerken. “Samen hebben we een aantal thema's besproken, waaronder de redenen waarom veldbus-netwerken nooit een echt succes is geworden. Onze bevindingen op dit gebied was de basis voor het ontwikkelen en standaardiseren van Ethernet-APL tot een succesvolle technologie.”

Behalve pure functionaliteit onderzochten de engineers en technici in het laboratorium de praktische bruikbaarheid. De instrumenten met Ethernet-APL connectiviteit moesten gebruiksvriendelijk en kostenbesparend zijn. Hoe snel en eenvoudig kunnen ze worden geïnstalleerd, aangesloten en geïntegreerd? Hoe snel is de echocontrole en inbedrijfstelling? Hoe zal parametrering en foutcorrectie op afstand werken? Hoe gemakkelijk kunnen instrumenten worden vervangen terwijl de installatie in werking is? Is het systeem schaalbaar? Kunnen de instrumenten in hybride omgevingen worden gebruikt – bijvoorbeeld in combinatie met PROFIBUS PA-eenheden? En de belangrijkste vraag van allemaal: hoe zit het met de interoperabiliteit? Kunnen de instrumenten vloeiend worden geïntegreerd in procesindustrie-omgevingen waar apparatuur van meerdere fabricaten wordt gebruikt? Zo veel vragen, zo veel hoge verwachtingen – maar de Ethernet-APL technologie heeft zich bewezen in een groot aantal belastingstests.

Endress+Hauser voerde zelf meerdere belastingstests uit, waarbij telkens 240 instrumenten per besturingssysteem werden gebruikt volgens de eisen van BASF. Oftewel 240 componenten van diverse fabrikanten. En ze werkten allemaal naadloos samen en vormden een betrouwbaar, stabiel systeem op Ethernet-APL-basis. “De wereld van nu is dusdanig complex, dat geen enkele producent een nieuwe technologie alleen kan realiseren”, zegt Udo Nalbach. “Daarom moeten fabrikanten end-to-end samenwerken, van procesinstrument tot aan het besturingssysteem. De sleutel is rigoreuze standaardisering.” Hier doet het PROFINET-protocol zijn intrede, die de communicatie tussen procesinstrumenten en het procesregelsysteem regelt. Gestandaardiseerde instrumentprofielen vereenvoudigen de systeemintegratie en maken een makkelijke, probleemloze vervanging van een instrument mogelijk. Een drivermodel integreert instrumenten uniform in asset-managementsystemen. En de sensorgegevens worden in een leveranciersneutraal format gestructureerd.

BASF installeert momenteel zijn eerste PROFINET-APL procesinstrumenten op locaties, waaronder twee nieuwe installaties in Ludwigshafen. The mondiale chemiebedrijf is nog een stap verder gegaan met de meeste installaties op zijn nieuwe Verbund-site in het Chinese Zhanjiang – het hele complex is APL-ready uitgevoerd. “Bij het plannen van veel van de installaties hier wisten we nog niet wanneer we toegang zouden hebben tot een volledige productreeks van PROFINET-APL-instrumenten”, verklaart Kai Krüning. Dus koos men voor een APL-ready migratieroute waarbij alles van besturingssysteem tot veldschakelaar PROFINET-technologie wordt gebruikt. BASF had eerder de ringtopologie van het netwerk onderworpen aan uitgebreide tests in samenwerking met Endress+Hauser. Deze infrastructuur ondersteunt parallel gebruik van zowel PROFIBUS PA- als PROFINET-APL-instrumenten, waardoor BASF de flexibiliteit had om zijn installaties in eerste instantie uit te rusten met PROFIBUS PA-instrumenten. “Wanneer we een instrument moeten vervangen, kunnen we hiervoor een APL gebruiken”, zegt Krüning. Twee installaties in Zhanjiang zijn in feite al uitgerust met -APL-instrumenten. “We hebben net de eerste online gezet”, verklaart Krüning.

Kai Krüning zorgde ervoor dat alle medewerkers die betrokken zijn bij de bediening van de installatie, het onderhoud en asset-management optimaal vertrouwd werden gemaakt met de nieuwe technologie. En zijn feedback van het mega-project in China is positief: “Inbedrijfstelling en echocontrole gaan sneller met Ethernet-APL dan met PROFIBUS PA. Mijn collega's daar zeggen dat de technologie veel makkelijker te gebruiken is en dat parametrering via het asset-managementsysteem eenvoudiger is.” Ook voor Gerd Niedermayer heeft de technologie tot nu toe aan de verwachtingen voldaan: “We hebben te maken met grote besparingen bij de hardwarekosten, met name wat betreft engineering en inbedrijfstelling.”

Gaat Ethernet-APL voor grote veranderingen in de procesindustrie zorgen? Wordt het een katalysator voor de digitalisering? “In brownfield-projecten zijn er nog enkele obstakels die moeten worden overwonnen”, zegt Karl Büttner, “maar bij greenfield-projecten is de euforie gegarandeerd.” Zijn collega Udo Nalbach vult aan: “Deze technologie zal een veel grotere acceptatie bereiken dan conventionele veldbus-technologieën. Tegenwoordig is er bijna geen reden om een 4–20 mA-installatie te bouwen.” Kai Krüning, die helpt bij het vormgeven van BASF’s toekomst in Zhanjiang, is het hier mee eens: “Wij zien Ethernet-APL als het platform voor de volgende stappen in het digitale transformatieproces.” En voor Gerd Niedermayer, die al ruim 30 jaar in de procesindustrie werkt, is het doel duidelijk. “We hebben de eerste mijlpalen bereikt. We moeten ons pad nu verder vervolgen en Ethernet-APL tot industriestandaard maken.”