Рассеивая тьму

Новое предприятие BASF в Чжаньцзяне (Китай) заставляет доктора Кая Крюнинга держать ухо востро. Компания инвестирует несколько миллиардов евро в крупнейший на сегодняшний день капитальный проект. Интегрированный производственный комплекс в Чжаньцзяне станет третьим по величине предприятием Verbund после Людвигсхафена и Антверпена. «Сейчас на объекте вводятся в эксплуатацию один новый объект за другим», – говорит Крюнинг, который является руководителем проекта BASF по стандартизации систем управления технологическими процессами. Предварительно необходимо установить все компоненты – датчики, исполнительные механизмы и т.п., – а затем проверить их функционирование и совместимость. Как один из поставщиков проекта, компания Endress+Hauser поставила тысячи датчиков. Но не только масштаб проекта делает его таким особенным, но так же и беспрецедентная степень его цифровизации.

Компания BASF в Чжаньцзяне лидирует в химической промышленности по внедрению Ethernet-APL (Advanced Physical Layer). Технология, разработанная специально для нужд перерабатывающей промышленности, представляет собой высокопрочный и надежный тип Ethernet, который передает данные и питание по одному экранированному кабелю типа «витая пара». Благодаря этому обеспечивается искробезопасная высокоскоростная цифровая связь даже во взрывоопасных зонах, вплоть до датчиков и исполнительных механизмов на месте эксплуатации. «Многие пользователи сейчас очень заинтересованы в Ethernet-APL», — говорит Карл Бюттнер, руководитель отдела маркетинга Ethernet-APL компании Endress+Hauser.

И почему эта технология вызывает такие большие надежды? Этим вопросом задается Герд Нидермайер, старший инженерно-технический менеджер по вопросам E&I, проработавший в BASF более 35 лет. Его офис расположен в одном из зданий на территории огромного предприятия BASF Verbund в Людвигсхафене. «Мы хотим использовать данные от интеллектуальных полевых приборов для управления активами, профилактического обслуживания и оптимизации процессов», — объясняет он. «Однако при нынешней инфраструктуре технологических коммуникаций доступ к этим данным зачастую ограничен, а то и вовсе невозможен. Технология Ethernet-APL решает эту проблему».

В перерабатывающих отраслях промышленности полевой уровень часто является слепым пятном на цифровой приборной панели компании. Это похоже на участок проселочной дороги на полпути к супермагистрали данных. Это связано с тем, что аналоговые сигналы по-прежнему являются стандартом для управления технологическими процессами, не в последнюю очередь на химических предприятиях. При этом даже самые современные полевые приборы по-прежнему используют для передачи измерительных сигналов в систему управления надежную технологию токовой петли 4-20 мА. И хотя во многих решениях используется протокол HART для модуляции цифровых диагностических или статусных сообщений поверх аналоговых измерительных сигналов, скорость передачи данных при этом остается весьма низкой. Системы полевых шин, обеспечивающие цифровую связь с полевыми приборами (например, PROFIBUS PA), существуют уже почти 30 лет. Однако они обладают рядом ограничений с практической точки зрения, таких как низкая пропускная способность, сложные топологии и иногда не слишком хорошая совместимость различных компонентов. Все вышеперечисленное усложняет процесс проектирования и замену приборов в полевых условиях.

APL расшифровывается как Advanced Physical Layer. В сетевых технологиях термин «физический уровень» относится ко всему материальному имуществу, через которое проходят электрические или оптические сигналы. С технической точки зрения, Ethernet-APL — это упрощенная, но специально усиленная форма Ethernet, которая работает безопасно даже во взрывоопасных зонах.

Используя Ethernet-APL, полевые приборы отправляют данные на APL-коммутатор — устройство, которое функционирует подобно маршрутизатору для домашней сети, соединяя несколько устройств вместе. От коммутатора данные продолжают поступать непосредственно в систему управления или в облако без использования шлюзов. Преимущество такого подхода заключается в том, что все данные от полевых приборов доступны в режиме реального времени и, следовательно, могут использоваться в таких приложениях, как профилактическое обслуживание или детальный анализ процесса. Другими словами, Ethernet-APL — это переход к современным, сквозным промышленным каналам связи. Влияние этого эффекта можно сравнить с переходом от модемов с акустической муфтой прошлых лет к современным оптоволоконным соединениям. Это цифровая основа для следующего поколения автоматизации процессов.

Новый подход, основанный на Ethernet-APL, впервые появился около десяти лет назад. Герд Нидермайер из компании BASF хорошо помнит времена, когда эту новую технологию представили на семинаре, организованном NAMUR — международной ассоциацией пользователей технологий автоматизации в обрабатывающей промышленности. «Ethernet-APL сразу же пришелся мне по душе, ведь он предлагает так много преимуществ». Действительно, эта технология сочетает в себе надежность и искробезопасность, которые требуются во многих технологических приложениях, с превосходной пропускной способностью Ethernet. Кроме того, она поддерживает длину кабеля до одного километра. «При скорости передачи данных до 10 Мбит/с Ethernet-APL в 10 000 раз быстрее HART и в 300 раз быстрее классических полевых шин. Таким образом, большие объемы данных могут передаваться по каналам связи в режиме реального времени».

Герд Нидермайер всегда знал, что технология физической передачи данных — это только начало пути. В рамках проекта необходимо разработать подходящий протокол связи, а также интерфейсы и стандарты для интеграции приборов в систему управления и обеспечения доступа к данным приборов. BASF скомпоновал все требования в виде схемы решения. «Нам требовалось высокопроизводительное комплексное коммуникационное решение, которое могло бы передавать данные на высокой скорости как в систему управления, так и в систему контроля за активами — и делать это без значительных дополнительных накладных расходов. Новая технология также должна была обеспечить преимущества с точки зрения как первоначальных капитальных затрат, так и эксплуатационных расходов на протяжении всего жизненного цикла», — говорит Нидермайер. Именно так подумали в международной химической компании, решив принять активное участие в формировании и стимулировании развития Ethernet-APL. «Мы стремились к стандартизированному и совместимому решению, поэтому с самого начала решили тесно сотрудничать с поставщиками». Требовались прозрачность, смелость и решительность. Но результат оправдал себя. Работая с производителями измерительных приборов, полевых переключателей и систем управления, компании BASF всего за пять лет удалось развить Ethernet-APL до рыночной готовности. «Это был настоящий новаторский шаг», — говорит Нидермайер.

Среди партнеров по разработке была и компания Endress+Hauser. Обе эти компании связывают давние и тесные отношения. «Мы являемся приоритетным поставщиком приборов BASF на протяжении десятилетий», — объясняет Удо Нальбах, инженер-химик и менеджер по работе со стратегическими клиентами компании Endress+Hauser. «Компания BASF весьма открыта для новых разработок, активно и на ранних этапах занимается внедрением инновационных разработок и быстро реализует их, если они оправдывают себя». Нальбах вспоминает, как BASF и Endress+Hauser объединили свои усилия вскоре после того знаменательного семинара в NAMUR. «Вместе мы изучили целый ряд вопросов, в том числе причины, по которым сетевое взаимодействие на основе полевых шин так и не стало по-настоящему популярным. Результаты, полученные в этих областях, легли в основу разработки и стандартизации Ethernet-APL и превращения ее в успешную технологию».

Помимо чисто функциональных возможностей, инженеры и техники лаборатории исследовали практическое удобство использования технологии. Приборы с возможностью подключения по Ethernet-APL должны были быть простыми в использовании и обеспечивать экономию средств. Насколько быстро и просто они устанавливаются, подключаются и интегрируются? Как быстро выполняется проверка и ввод в эксплуатацию контура? Как будет осуществляться удаленная параметризация и устранение неисправностей? Насколько легко можно заменить инструменты во время работы установки? Можно ли легко масштабировать систему? Можно ли использовать приборы в гибридных средах — например, в сочетании с устройствами PROFIBUS PA? И что самое важное: как насчет совместимости? Будут ли приборы легко интегрироваться в производственные среды, в которых используется оборудование нескольких поставщиков? Так много вопросов, так много больших ожиданий – и все же технология Ethernet-APL показала свою силу в целой серии испытаний под нагрузкой.

Компания Endress+Hauser провела несколько собственных испытаний под нагрузкой, в каждом из которых использовалось 240 приборов на систему управления в соответствии с требованиями, определенными BASF. Это 240 компонентов от разных производителей. И все они работали вместе, образуя надежную и прочную систему на базе Ethernet-APL. «Современный мир настолько сложен, что ни один поставщик не может самостоятельно довести до ума новую технологию», — говорит Удо Нальбах. «Таким образом, производители должны сотрудничать на всех этапах — от полевого инструмента до системы управления. Ключевым моментом является строгая стандартизация». Именно здесь на помощь приходит протокол PROFINET, который регулирует обмен данными между полевыми приборами и системой управления процессом. Использование стандартизированных профилей устройств упрощает интеграцию системы и позволяет легко и без проблем производить замену приборов. Модель драйвера единообразно связывает устройства с системами управления активами. Данные датчиков структурированы в формате, не зависящем от производителя.

В настоящее время компания BASF устанавливает первые полевые приборы PROFINET-APL на объектах, включая два новых завода в Людвигсхафене. Глобальная химическая компания сделала еще один шаг вперед, построив большинство заводов на новом предприятии Verbund в Чжаньцзяне, Китай — весь комплекс уже разработан с учетом требований APL. «При проектировании многих заводов мы еще не знали, когда получим доступ к полному портфелю приборов PROFINET-APL», — объясняет Кай Крюнинг. Поэтому они выбрали готовый к APL путь миграции, в котором все — от системы управления до полевого коммутатора — использует технологию PROFINET. Ранее компания BASF совместно с Endress+Hauser подвергла кольцевую топологию сети всестороннему тестированию. Эта инфраструктура поддерживает параллельное использование приборов как PROFIBUS PA, так и PROFINET-APL, поэтому компания BASF смогла гибко оснастить свои заводы приборами PROFIBUS PA в первую очередь. «В будущем, когда нам придется заменить какой-либо инструмент, его можно будет заменить на инструмент APL», — говорит Крюнинг. Два завода в Чжаньцзяне уже оснащены приборами Ethernet-APL. «Недавно был введен в эксплуатацию первый из них», — объясняет Крюнинг.

Кай Крюнинг позаботился о том, чтобы все сотрудники, занимающиеся эксплуатацией, техническим обслуживанием и управлением активами, прошли полное обучение в области новой технологии. Отзывы о мегапроекте в Китае положительные: «Ввод в эксплуатацию и проверка контуров с помощью Ethernet-APL осуществляются быстрее, чем с использованием PROFIBUS PA. Мои коллеги говорят, что технология намного проще в использовании, а параметризация через систему управления активами стала проще». По мнению Герда Нидермайера, технология уже оправдала возложенные на нее надежды: «Мы добиваемся значительной экономической эффективности аппаратного обеспечения, особенно в вопросах проектирования и ввода в эксплуатацию».

Сможет ли Ethernet-APL изменить ситуацию в обрабатывающей промышленности? Станет ли он катализатором цифровизации? «В проектах, реализуемых по системе brownfield, еще есть несколько препятствий, которые необходимо преодолеть, — говорит Карл Бюттнер, — но в проектах, реализуемых на неосвоенной территории, царящее в воздухе предвкушение вполне оправдано». Его коллега Удо Нальбах согласен с этим мнением: «Эта технология получит гораздо более широкое распространение, чем традиционные технологии полевых шин, поэтому сегодня практически нет причин для строительства предприятий на 4-20 мА». Кай Крюнинг, который помогает в формировании будущего концерна BASF в Чжаньцзяне, согласен с этим мнением: «Мы рассматриваем Ethernet-APL как платформу для следующих шагов в процессе цифровой трансформации». Для Герда Нидермайера, который работает в технологической отрасли уже более трех десятилетий, цель предельно ясна. «Мы достигли первых рубежей, и теперь задача состоит в том, чтобы продолжить наш путь и утвердить Ethernet-APL в качестве промышленного стандарта».