È ora di fare luce

Il nuovo impianto di BASF a Zhanjiang, in Cina, è un grande impegno per il Dr Kai Krüning. In quell'area, l'azienda sta investendo diversi miliardi di euro in quello che, a oggi, rappresenta il suo più grande progetto industriale. L'impianto di produzione integrato di Zhanjiang sarà, dopo Ludwigshafen e Anversa, il terzo complesso Verbund (in ordine di grandezza) dell'azienda chimica globale. "In questo momento stiamo avviando una nuova struttura dopo l'altra", dice Krüning, responsabile del progetto BASF per la standardizzazione dei sistemi di controllo del processo. Prima di tutto, è necessario installare tutti i componenti – sensori, attuatori, ecc. – e poi procedere ai test di funzionamento e interoperabilità. Essendo una delle aziende coinvolte nel progetto, Endress+Hauser ha fornito migliaia di sensori. Questo progetto è così speciale non solo per la sua vastità ma anche per il grado di digitalizzazione, praticamente senza precedenti.

A Zhanjiang, BASF sta guidando l'industria chimica verso l'adozione di Ethernet-APL (Advanced Physical Layer). Sviluppata specificamente per le esigenze dell'industria di processo, questa tecnologia Ethernet estremamente robusta e affidabile trasporta dati e alimentazione su un singolo cavo a doppino intrecciato e schermato. Ciò consente una comunicazione digitale intrinsecamente sicura e ad alta velocità che si estende fino ai sensori e agli attuatori a livello di campo, anche in aree a rischio di esplosione. "In questo momento, Ethernet-APL sta riscuotendo grande successo tra gli operatori del settore", afferma Karl Büttner, responsabile marketing per Ethernet-APL presso Endress+Hauser.

Ma perché questa tecnologia sta creando aspettative così elevate? Questa è una domanda per Gerd Niedermayer, un responsabile senior dell'ingegneria E&I che lavora in BASF da oltre 35 anni. Il suo ufficio si trova in uno degli edifici di BASF nel grande complesso Verbund di Ludwigshafen. "Vogliamo utilizzare i dati provenienti dagli strumenti da campo intelligenti per attività come la gestione degli asset, la manutenzione preventiva e l'ottimizzazione dei processi", spiega. "Ma con l'attuale infrastruttura di comunicazione dei processi, l'accesso a questi dati è spesso difficoltoso, se non addirittura impossibile. Ethernet-APL risolve il problema."

Nell'industria di processo, il livello di campo è spesso un punto cieco nella dashboard digitale di un'azienda - un po' come un sentiero di campagna nel bel mezzo di un'autostrada. Questo perché i segnali analogici sono ancora la norma per il controllo dei processi, soprattutto negli impianti chimici. Qui, persino gli strumenti da campo più all'avanguardia utilizzano ancora l'affidabile tecnologia a loop di corrente 4-20 mA per inviare i segnali di misura al sistema di controllo. E anche se molte applicazioni integrano il protocollo HART per sovrapporre messaggi digitali, diagnostici o di stato, ai segnali di misura analogici, le velocità di trasmissione dei dati restano molto basse. I sistemi basati su bus di campo che consentono la comunicazione digitale con gli strumenti da campo - ad es. PROFIBUS PA - naturalmente esistono da quasi 30 anni. Ma hanno limitazioni pratiche a causa della ridotta larghezza di banda, delle topologie complesse e di un'interoperabilità a volte non del tutto fluida dei loro vari componenti. Tutto questo rende estremamente laboriose le attività di sviluppo e le operazioni di sostituzione degli strumenti da campo.

APL è l'acronimo di Advanced Physical Layer. Nel networking, il termine "livello fisico" si riferisce all'insieme dei materiali attraverso cui fluiscono i segnali elettrici o ottici. Dal punto di vista tecnico, Ethernet-APL è una forma di Ethernet semplificata ma particolarmente robusta, in grado di funzionare in sicurezza anche in aree a rischio di esplosione.

Con Ethernet-APL, gli strumenti da campo inviano dati a uno switch APL - un dispositivo che funziona in modo simile a un router di rete domestica, collegando tra loro più dispositivi. Dallo switch, i dati continuano il loro percorso verso il sistema di controllo o il cloud - direttamente, senza la mediazione di gateway. Il vantaggio di questo è che tutti i dati provenienti dagli strumenti da campo sono disponibili in tempo reale e quindi utilizzabili da applicazioni come la manutenzione preventiva o l'analisi dettagliata dei processi. In altre parole, Ethernet-APL rappresenta un passaggio alla moderna comunicazione industriale end-to-end. Il suo impatto si può paragonare al passaggio dai modem ad accoppiamento acustico di un tempo alle connessioni in fibra ottica di oggi. Rappresenta il fondamento digitale dei sistemi di automazione dei processi della prossima generazione.

Il nuovo approccio basato su Ethernet-APL ha iniziato a emergere circa dieci anni fa. Gerd Niedermayer di BASF ricorda bene il momento in cui questa nuova tecnologia è stata presentata in un laboratorio gestito da NAMUR, un'associazione internazionale degli utenti della tecnologia dell'automazione nelle industrie di processo. "Ethernet-APL mi ha subito colpito perché offre moltissimi vantaggi." Si tratta infatti di una tecnologia che combina la robustezza e la sicurezza intrinseca richieste da molte applicazioni dell'industria di processo con la superiore larghezza di banda di Ethernet. Inoltre, supporta cavi che possono arrivare a un chilometro di lunghezza. "Con velocità di trasmissione fino a 10 Mbit/s, Ethernet-APL è 10.000 volte più veloce di HART e 300 volte più veloce dei classici bus di campo. Ciò consente di inviare e ricevere grandi quantità di dati in tempo reale."

Gerd Niedermayer ha sempre saputo che la tecnologia di trasmissione fisica era solo l'inizio. Il progetto avrebbe richiesto anche un protocollo di comunicazione adeguato, nonché interfacce e standard per integrare gli strumenti nel sistema di controllo e consentire l'accesso ai dati degli strumenti. BASF ha raccolto tutti i requisiti in una bozza di soluzione. "Volevamo una soluzione di comunicazione end-to-end ad alte prestazioni, in grado di trasferire dati ad alta velocità sia al sistema di controllo che al sistema di gestione degli asset - e di farlo senza troppe spese aggiuntive. La nuova tecnologia doveva inoltre offrire vantaggi sia in termini di capitale iniziale che di costi di esercizio", dice Niedermayer. Questo era il ragionamento dell'azienda chimica globale quando ha deciso di diventare parte attiva nella definizione e nella promozione dello sviluppo di Ethernet-APL. "Eravamo alla ricerca di una soluzione standardizzata e interoperabile, quindi abbiamo deciso di collaborare strettamente con i fornitori fin dall'inizio." Era necessario agire con trasparenza, grinta e determinazione. Ma l'impegno è stato ripagato. Lavorando a stretto contatto con i produttori di strumenti di misura, switch di campo e sistemi di controllo, BASF è riuscita a sviluppare Ethernet-APL e a mettere a disposizione del mercato questa tecnologia in soli cinque anni. "È stata un'impresa davvero pionieristica", dice Niedermayer.

Tra i partner che hanno collaborato allo sviluppo c'era Endress+Hauser. Le due aziende hanno una stretta relazione di lunga data. "Da decenni siamo tra i principali fornitori di strumentazione di BASF", spiega Udo Nalbach, ingegnere chimico e responsabile degli account strategici di Endress+Hauser. "BASF è molto aperta ai nuovi sviluppi, impegnata a perseguire le innovazioni e veloce a implementarle se si rivelano efficaci." Nalbach ricorda in che modo BASF ed Endress+Hauser hanno iniziato a collaborare subito dopo quel fondamentale workshop della NAMUR. "Insieme, abbiamo analizzato una serie di questioni, tra cui i motivi per cui le reti basate su bus di campo non hanno mai davvero preso piede. I risultati ottenuti hanno guidato il nostro lavoro di sviluppo e standardizzazione di Ethernet-APL, contribuendo a renderla una tecnologia di successo."

Oltre che la pura funzionalità, ingegneri e tecnici di laboratorio hanno studiato la fruibilità pratica. Gli strumenti con connettività Ethernet-APL dovevano essere facili da usare e garantire un risparmio sui costi. Quanto sono facili e veloci da installare, cablare e integrare? Quanto tempo occorre per la verifica e la messa in servizio del loop? Come funzioneranno le operazioni di configurazione e correzione dei guasti a distanza? Con quanta facilità è possibile sostituire gli strumenti mentre l'impianto è in funzione? Il sistema è facilmente scalabile? È possibile utilizzare gli strumenti in ambienti ibridi - ad esempio in combinazione con unità PROFIBUS PA? E soprattutto ... qual è il grado di interoperabilità? Gli strumenti si integreranno senza problemi negli ambienti dell'industria di processo che utilizzano apparecchiature di diversi fornitori? Tanti interrogativi, molte grandi aspettative - ma la tecnologia Ethernet-APL ha dimostrato la sua forza in un'intera serie di test di carico.

Endress+Hauser ha condotto numerosi test di carico propri, ognuno dei quali prevedeva l'uso di 240 strumenti per sistema di controllo, nel rispetto dei requisiti definiti da BASF. Si trattava di 240 componenti di vari produttori. E tutti hanno funzionato insieme in modo impeccabile, formando un sistema affidabile e robusto basato su Ethernet-APL. "Oggi, il mondo è così complesso che nessun singolo fornitore è in grado di portare a compimento una nuova tecnologia da solo", dice Udo Nalbach. "I produttori devono quindi collaborare end-to-end, dallo strumento da campo al sistema di controllo. La chiave è una standardizzazione rigorosa." È qui che entra in gioco il protocollo PROFINET che regola la comunicazione tra gli strumenti da campo e il sistema di controllo del processo. I profili standardizzati dei dispositivi semplificano l'integrazione del sistema e consentono la sostituzione semplice e senza problemi degli strumenti. Un unico modello di driver permette di integrare uniformemente i dispositivi ai sistemi di gestione degli asset. I dati dei sensori sono strutturati in un formato indipendente dal fornitore.

BASF sta attualmente installando i suoi primi strumenti da campo PROFINET-APL in una serie di siti, tra cui due nuovi impianti a Ludwigshafen. L'azienda chimica globale ha fatto un ulteriore passo avanti prevedendo l'uso di questa tecnologia nella maggior parte degli impianti del suo nuovo complesso Verbund di Zhanjiang, in Cina - già predisposto ad accogliere APL. "In fase di progettazione di molti degli impianti qui presenti, non sapevamo ancora quando avremmo avuto accesso a una gamma completa di strumenti PROFINET-APL", spiega Kai Krüning. Questo è il motivo per cui, alla fine, è stato scelto un percorso di migrazione compatibile con APL in cui tutto, dal sistema di controllo all'interruttore di campo, utilizza la tecnologia PROFINET. BASF, in collaborazione con Endress+Hauser, aveva già sottoposto la topologia ad anello della rete a test completi. Questa infrastruttura supporta l'utilizzo parallelo degli strumenti PROFIBUS PA e di PROFINET-APL, offrendo a BASF la possibilità di dotare i propri impianti, fin da subito, di strumenti PROFIBUS PA. "In futuro, ogni volta che avremo bisogno di sostituire uno strumento, potremo sostituirlo con uno APL", dice Krüning. Due impianti a Zhanjiang sono già dotati di strumenti Ethernet-APL. "Il primo di questi impianti è già operativo", spiega Krüning.

Kai Krüning si è assicurato che tutti i collaboratori coinvolti nel funzionamento, nella manutenzione e nella gestione degli asset dell'impianto fossero pienamente formati sulla nuova tecnologia. E il suo feedback dal megaprogetto in Cina è positivo: "La messa in servizio e il controllo dei loop sono più veloci con Ethernet-APL piuttosto che con PROFIBUS PA. I miei colleghi sul posto mi dicono che la tecnologia è molto più facile da usare e che la configurazione tramite il sistema di gestione degli asset è più semplice." Anche per Gerd Niedermayer, la tecnologia ha mantenuto le sue promesse: "Stiamo risparmiando notevolmente sui costi dell'hardware, soprattutto nelle fasi di sviluppo e messa in servizio"

Ethernet-APL rivoluzionerà l'industria di processo? Sarà un catalizzatore per la digitalizzazione? "Nei progetti brownfield, ci sono ancora alcuni ostacoli da superare", dice Karl Büttner, "ma per i progetti greenfield, l'euforia è ampiamente giustificata." Il suo collega Udo Nalbach aggiunge: "Questa tecnologia raggiungerà una diffusione molto più ampia rispetto alle tecnologie basate sui tradizionali bus di campo. Oggi, non c'è praticamente motivo di costruire un impianto basato sui segnali 4-20 mA." Kai Krüning sta contribuendo a plasmare il futuro del BASF a Zhanjiang e anche lui è d'accordo: "Consideriamo Ethernet-APL la piattaforma più adatta per le prossime fasi del processo di trasformazione digitale." Per Gerd Niedermayer che lavora nell'industria di processo da oltre trent'anni, l'obiettivo è chiaro. "Abbiamo raggiunto i primi traguardi. Ora, il compito è quello di proseguire sulla nostra strada e affermare Ethernet-APL come standard di settore."