Licht ins Dunkel

Der neue Standort im chinesischen Zhanjiang hält Dr. Kai Krüning auf Trab. Mehrere Milliarden Euro investiert BASF hier; es ist das derzeit größte Investitionsvorhaben des Konzerns. Nach Ludwigshafen und Antwerpen wird Zhanjiang der drittgrößte Verbundstandort des Chemieunternehmens sein. „Gerade fahren wir eine Anlage nach der anderen an“, sagt Kai Krüning, bei BASF im Projekt verantwortlich für die Standardisierung von Prozessleitsystemen. Dafür müssen zuvor alle Komponenten wie Sensoren und Aktoren eingebaut und ihre Funktion und ihr Zusammenspiel getestet werden. Auch Endress+Hauser hat tausende Sensoren geliefert. Doch nicht nur die schiere Größe macht das Projekt besonders – es ist auch der neue Grad der Digitalisierung.

In Zhanjiang geht BASF als Vorreiter in der Chemieindustrie erste Schritte mit Ethernet-APL. Die drei Buchstaben stehen für den Advanced Physical Layer. Diese speziell für die Anforderungen der Prozessindustrie entwickelte Technologie bietet eine besonders robuste und sichere Ethernet-Verbindung über zwei Drähte, die angeschlossene Geräte zugleich mit Spannung versorgen. Sie ermöglicht schnelle digitale Kommunikation selbst in explosionsgefährdeten Bereichen und bis hinunter auf die Feldebene einer Anlage – dort, wo Sensoren und Aktoren sitzen. „Ethernet-APL versetzt gerade viele Anwender in Aufbruchstimmung“, sagt Karl Büttner, Marketingleiter für Ethernet-APL im Endress+Hauser Kompetenzzentrum für Durchflussmesstechnik.

Warum die Technologie so große Erwartungen weckt, kann Gerd Niedermayer erklären. Er ist Senior E+I Engineering Manager und arbeitet seit über 35 Jahren bei BASF. Sein Büro befindet sich in einem der Gebäude auf dem riesigen Gelände des Verbundstandorts in Ludwigshafen. „Wir möchten Daten aus intelligenten Feldgeräten nutzen – etwa fürs Asset Management, die vorbeugende Wartung und die Prozessoptimierung“, sagt er. „Mit der heutigen Prozesskommunikation können wir oft nicht oder nur unzureichend auf diese Daten zugreifen. Aber mit Ethernet-APL lässt sich diese Herausforderung lösen.“

Die Feldebene in der Prozessindustrie ist häufig ein blinder Fleck im digitalen Gesamtbild eines Unternehmens – quasi ein Stück Feldweg mitten auf der Datenautobahn. Auch in Chemieanlagen dominiert noch immer die analoge Signalübertragung die Prozesstechnik. Selbst modernste Messgeräte nutzen meist nur die 4…20-mA-Stromschleife, um das Leitsystem mit einem Messwert zu versorgen. Hier wird oft auch das HART-Protokoll eingesetzt, um digitale Diagnosedaten oder Statusmeldungen auf das analoge Signal aufzumodulieren. Doch die Übertragungsraten sind gering. Zwar sind seit knapp 30 Jahren Feldbussysteme wie PROFIBUS PA verfügbar, die eine digitale Kommunikation mit Feldgeräten ermöglichen. Aber in der Praxis stoßen Anwender damit an enge Grenzen: Die Bandbreite der Technik ist niedrig, ihre Topologie komplex, und das Zusammenspiel verschiedener Komponenten nicht immer reibungslos. Vor allem das Engineering und der Wechsel von Feldgeräten bereiten viel Aufwand.

APL ist die Abkürzung für Advanced Physical Layer. In der Netzwerktechnik spricht man von der „physikalischen Schicht“, wenn es um das geht, was tatsächlich durch die Kabel fließt – also die elektrischen Signale. Ethernet APL ist technisch gesehen eine abgespeckte, aber speziell gehärtete Form von Ethernet, die sogar in explosionsgefährdeten Bereichen sicher funktioniert.

Der Weg der Daten beginnt beim Feldgerät, das Informationen an einen sogenannten APLSwitch sendet. Dieser funktioniert ähnlich wie ein Router im Heimnetzwerk und verbindet mehrere Geräte miteinander. Vom Switch gelangen die Daten zum Leitsystem oder in die Cloud – direkt, ohne zwischengeschaltete Gateways. Der Vorteil: Die gesamte Informationstiefe der Geräte ist ohne Verzögerung verfügbar, beispielsweise für vorausschauende Wartung oder detaillierte Prozessanalysen. So ermöglicht Ethernet APL eine moderne, durchgängige Kommunikation – vergleichbar mit dem Umstieg vom alten Modem mit Akustikkoppler auf einen heutigen Glasfaseranschluss. Es ist die digitale Grundlage für die nächste Generation der Prozessautomatisierung.

Seit knapp zehn Jahren zeichnet sich mit Ethernet-APL allerdings ein Umbruch ab. Gerd Niedermayer erinnert sich, wie die neue Technologie in einem Workshop der NAMUR – eines internationalen Fachverbandes von Anwendern aus der chemischen Industrie, der sich mit den Schwerpunkthemen Automatisierung und Instrumentierung beschäftigt – vorgestellt wurde: „Ethernet-APL hat mich sofort angesprochen, da es viele Vorteile bietet.“ Die Technologie vereint die in vielen Anwendungen der Prozessindustrie notwendige Robustheit und Eigensicherheit der Zweidrahttechnik mit der Bandbreite von Ethernet. Außerdem überbrückt sie Entfernungen von bis zu einem Kilometer. „Mit 10 Mbit/s ist Ethernet-APL 10.000 Mal schneller als HART und 300 Mal schneller als klassische Feldbusse. Große Datenmengen lassen sich also in Echtzeit übertragen“, erläutert der Experte für zukünftige Automatisierungstechnologien im BASF-Anlagenbau.

Für Gerd Niedermayer war klar: Die reine Übertragungstechnik ist nicht alles. Es braucht ein geeignetes Kommunikationsprotokoll ebenso wie die notwendigen Schnittstellen und Standards zur Integration der Geräte in das Leitsystem oder zum Zugriff auf die Gerätedaten. BASF fasste die Anforderungen in einem Konzept zusammen. „Uns war es wichtig, eine durchgängige und hochperformante Kommunikation zu gewährleisten, die die Daten schnell zum Leitsystem, aber auch zum Asset-Management-System bringen kann – und das ohne großen Aufwand. Und natürlich sollte uns die neue Technologie Kostenvorteile in Bezug auf die Investitionsausgaben bringen, auch später im Betrieb“, sagt Gerd Niedermayer. Deshalb entschloss sich der Chemiekonzern, die Entwicklung von Ethernet-APL aktiv mitzugestalten und voranzutreiben: „Wir haben eine standardisierte und interoperable Lösung angestrebt und deshalb von Beginn an auf eine enge Zusammenarbeit mit Partnern gesetzt“, sagt der Experte. Offenheit und Hartnäckigkeit zahlten sich dabei aus: Gemeinsam mit Herstellern von Messtechnik, Field Switches und Leitsystemen brachte BASF Ethernet-APL innerhalb von knapp fünf Jahren zur Marktreife. „Das war echte Pionierarbeit“, sagt Gerd Niedermayer.

Einer dieser Partner ist Endress+Hauser. Beide Unternehmen verbindet eine lange und enge Zusammenarbeit. „Wir sind schon seit Jahrzehnten Standardlieferant bei der BASF für die Instrumentierung“, erklärt Udo Nalbach, Strategic Account Manager bei Endress+Hauser. „BASF ist sehr offen gegenüber neuen Entwicklungen, beschäftigt sich früh und intensiv mit Innovationen – und setzt sie, wenn sie sich bewähren, auch schnell um“, erklärt der Chemieingenieur. Er erinnert sich, wie sich BASF und Endress+Hauser bereits kurz nach der damaligen NAMUR-Hauptsitzung miteinander an einen Tisch setzten. „Zusammen sind wir beispielsweise der Frage nachgegangen, weshalb sich Feldbusse nie in der Breite durchgesetzt haben. Unsere Rückschlüsse haben wir in der Entwicklung und Standardisierung von Ethernet-APL berücksichtigt, um die Technologie zum Erfolg zu führen“, erklärt Udo Nalbach.

Neben der reinen Funktionalität untersuchten die Techniker und Ingenieure im Testlabor auch die praktische Handhabung. Die Ethernet-APL-Geräte sollten im Alltag leicht zu bedienen sein und Kosten einsparen: Wie schnell und einfach lassen sie sich montieren, verkabeln, integrieren? Wie sieht es mit Inbetriebnahme und Loopcheck aus? Wie funktionieren Parametrierung aus der Ferne und Fehlerbehebung? Wie gut lässt sich ein Gerät im laufenden Betrieb austauschen oder die Anlage erweitern? Ist ein Mischbetrieb möglich – zum Beispiel mit PROFIBUS-PA-Geräten? Und vor allem: Wie ist es um die Interoperabilität bestellt? Arbeiten die Geräte problemlos in den Installationen der Prozessindustrie zusammen, die Technik unterschiedlicher Hersteller einsetzen will? Viele Fragen, hohe Erwartungen – doch die Ethernet-APL-Technologie bestand ihre Feuerprobe in verschiedenen Lasttests.

Auch Endress+Hauser führte mehrere Lasttests durch. Entsprechend den Anforderungen von BASF waren 240 Geräte je Leitsystem im Einsatz – und dabei, wie sich herausstellte, im Einklang: Die Komponenten verschiedener Hersteller konnten in einem zuverlässigen und robusten System auf Ethernet-APL-Basis kombiniert werden. „Die Welt ist heute so komplex, dass kein Anbieter alleine eine neue Technologie zum Erfolg führen kann. Deshalb ist es nötig, dass Hersteller durchgängig vom Feldgerät bis zum Leitsystem zusammenarbeiten. Die konsequente Standardisierung ist entscheidend“, sagt Udo Nalbach. Als Standardprotokoll regelt PROFINET die Kommunikation zwischen Feldgerät und Prozessleitsystem. Standardisierte Geräteprofile vereinfachen die Integration und ermöglichen einen unkomplizierten Tausch. Ein Treibermodell bindet die Geräte einheitlich in Asset-Management-Systeme ein und die Sensordaten werden herstellerneutral strukturiert.

Derzeit installiert BASF erste PROFINET-APL-Feldgeräte, unter anderem in zwei neuen Anlagen in Ludwigshafen. In Zhanjiang geht der Chemiekonzern bei den meisten Anlagen einen Zwischenschritt: Der neue Verbundstandort in China wurde APL-ready konzipiert. „Viele Anlagen haben wir zu einem Zeitpunkt geplant, als noch nicht absehbar war, wann uns ein vollständiges Portfolio an PROFINET-APL-Geräten zur Verfügung steht“, sagt Kai Krüning. APL-ready heißt: Vom Leitsystem bis zum Fieldswitch wird PROFINET-Technologie verwendet. Die Ringarchitektur wurde zuvor auch in Zusammenarbeit mit Endress+Hauser umfassend getestet. Da PROFIBUS-PA-Geräte und PROFINET-APL-Geräte mit der Technologie parallel betrieben werden können, sind die Anlagen zunächst mit PROFIBUS-PA-Geräten instrumentiert. „Bei jedem notwendigen Gerätetausch in der Zukunft können wir diese durch APL-Geräte ersetzen“, sagt Kai Krüning. Zwei Anlagen in Zhanjiang sind bereits mit Ethernet-APL-Geräten ausgerüstet. „Die erste davon wurde gerade angefahren“, erklärt der Automatisierungsexperte.

Kai Krüning hat dafür gesorgt, dass Mitarbeitende, die mit Betrieb, Instandhaltung oder Asset Management zu tun haben, sorgfältig in der neuen Technologie geschult werden. Seine Erfahrungen beim Großprojekt in China sind positiv: „Die Inbetriebnahme und die Loopchecks mit Ethernet-APL sind schneller als bei PROFIBUS-PA. Meine Kollegen vor Ort berichten von einer deutlich leichteren Handhabung und einer einfachen Parametrierung über das Asset-Management-System.“ Auch für Gerd Niedermayer kann die Technologie bislang das halten, was sie verspricht: „Wir sparen erhebliche Kosten bei der Hardware und vor allem beim Engineering und der Inbetriebnahme“, lautet seine erste Bilanz.

Hat Ethernet-APL das Zeug zum Gamechanger in der Prozessindustrie – und bringt die Technologie dort die Digitalisierung voran? „Im Brownfield-Bereich gibt es noch Einstiegshürden“, sagt Karl Büttner, „aber im Greenfield-Bereich ist die Euphorie gerechtfertigt.“ Sein Kollege Udo Nalbach pflichtet ihm bei: „Die Technologie wird eine viel größere Verbreitung finden als herkömmliche Feldbusse. Es gibt fast keinen Grund mehr, eine 4…20-mA-Anlage zu bauen.“ Kai Krüning, der in Zhanjiang die Zukunft von BASF mitgestaltet, meint: „Wir sehen Ethernet-APL als Plattform für die nächsten Schritte in der digitalen Transformation.“ Und Gerd Niedermayer, der seit mehr als drei Jahrzehnten in der Prozessindustrie arbeitet, hat ein klares Ziel vor Augen: „Wir haben erste Meilensteine erreicht. Jetzt setzen wir unseren Weg fort, um Ethernet-APL als Standard zu etablieren.“