Chasser la pénombre

Avec le nouveau site de BASF à Zhanjiang, en Chine, Dr Kai Krüning reste sur le qui-vive. L'entreprise investit plusieurs milliards d'euros dans ce qui constitue son plus grand projet d'investissement à ce jour. Le complexe de production intégré à Zhanjiang sera le troisième plus grand site Verbund de l'entreprise chimique internationale, après Ludwigshafen et Anvers. « Actuellement, nous commençons une nouvelle installation sur site après l'autre », déclare Krüning, responsable du projet BASF pour la standardisation des systèmes de contrôle-commande. Au préalable, il y a tous les composants à installer (capteurs, actionneurs, etc.) suivis des tests de fonctionnement et d'interopérabilité. Endress+Hauser, l'un des fournisseurs du projet, a fourni des milliers de capteurs. Mais ce n'est pas seulement la taille du projet qui le rend si spécial ; c'est aussi le degré sans précédent de digitalisation.

À Zhanjiang, BASF révolutionne l'industrie chimique en adoptant Ethernet-APL (Advanced Physical Layer). Technologie développée spécifiquement pour les exigences de l'industrie de process, il s'agit d'un type Ethernet hautement robuste et fiable, qui transmet à la fois les données et l'alimentation via une seule paire de câbles torsadés blindés. Cela permet une communication numérique à sécurité intrinsèque et à grande vitesse, même en zone explosible, jusqu'aux capteurs et actionneurs au niveau du terrain. « De nombreux utilisateurs sont actuellement séduits par Ethernet-APL », déclare Karl Büttner, responsable marketing pour Ethernet-APL chez Endress+Hauser.

Et pourquoi cette technologie suscite-t-elle des attentes aussi élevées ? Une question pour Gerd Niedermayer, responsable ingénierie E&I senior, depuis plus de 35 ans chez BASF. Son bureau est situé dans l'un des bâtiments du vaste site Verbund de BASF à Ludwigshafen. « Nous souhaitons utiliser les données des instruments de terrain intelligents par exemple pour la gestion des actifs, la maintenance préventive et l'optimisation des process », explique-t-il. « Mais avec notre infrastructure de communication de process actuelle, l'accès à ces données est souvent insuffisant, voire impossible. Ethernet-APL résout le problème. »

Dans les industries de process, les données de terrain représentent souvent une zone d'ombre sur le tableau de bord numérique d'une entreprise - un peu comme une étendue de voies rurales au milieu d'un autoroute de données. C'est parce que les signaux analogiques sont toujours la norme pour le contrôle des process, et notamment dans les usines chimiques. Ici, même les instruments de terrain les plus modernes utilisent encore la technologie de la boucle de courant 4–20 mA pour envoyer leurs signaux de mesure au système de commande. Et bien que de nombreuses implémentations intègrent le protocole HART pour moduler les messages numériques de diagnostic ou d'état en plus des signaux de mesure analogiques, les taux de données sont très faibles. Les systèmes de bus de terrain permettant la communication numérique avec des instruments de terrain - par ex. PROFIBUS PA - sont bien sûr utilisés depuis près de 30 ans. Mais ils ont des limites pratiques en termes de largeur de bande, de topologies complexes et d'interopérabilité de leurs différents composants. Tout cela rend les opérations d'ingénierie et le remplacement des instruments sur le terrain extrêmement complexes.

APL est l'abréviation de Advanced Physical Layer (couche physique avancée). Dans la mise en réseau, le terme « couche physique » désigne tout matériel permettant la circulation des signaux électriques ou optiques. D'un point de vue technique, Ethernet-APL est une forme épurée mais spécialement renforcée d'Ethernet, qui fonctionne de manière sûre, même en zones explosibles.

Avec Ethernet-APL, les instruments de terrain envoient des données à un commutateur APL - un appareil qui fonctionne un peu comme un routeur domestique, connectant plusieurs appareils ensemble. Depuis le commutateur, les données continuent leur chemin vers le système de commande ou vers le cloud - directement, sans l'intermédiaire de passerelles. Cela présente l'avantage que toutes les données des instruments de terrain sont disponibles en temps réel et donc utilisables par des applications telles que la maintenance préventive ou l'analyse détaillée du process. En d'autres termes, Ethernet-APL marque le passage à une communication industrielle moderne et de bout en bout. Son impact peut être comparé au passage de ces modems de coupleur acoustique d'antan aux connexions à fibre optique d'aujourd'hui. C'est le fondement numérique de la prochaine génération d'automatisation des process.

La nouvelle approche basée sur Ethernet-APL a fait son apparition il y a une dizaine d'années. Gerd Niedermayer de BASF se souvient bien de l'époque où cette nouvelle technologie a été présentée dans un atelier organisé par la NAMUR, l'association internationale des utilisateurs de technologies d'automatisation dans les industries de process. « Ethernet-APL m'a immédiatement convaincu par les nombreux avantages offerts ». En effet, c'est une technologie qui combine la robustesse et la sécurité intrinsèque exigées par de nombreuses applications industrielles avec la largeur de bande supérieure d'Ethernet. Des longueurs de câble allant jusqu'à un kilomètre sont également supportées. « Avec des taux de transmission jusqu'à 10 Mbit/s, Ethernet-APL est 10 000 fois plus rapide que HART et 300 fois plus rapides que les bus de terrain classiques. Cela permet la circulation en temps réel de grandes quantités de données. »

Gerd Niedermayer a toujours su que la technologie de la transmission physique n'était que le point de départ. Le projet exigeait également un protocole de communication approprié ainsi que des interfaces et des normes pour intégrer les instruments dans le système de commande et donner accès aux données des instruments. BASF a compilé toutes les exigences pour tracer une solution. « Nous voulions une solution de communication de bout en bout performante, capable de transférer des données à grande vitesse à la fois au système de contrôle et au système de gestion des actifs - et le faire sans frais supplémentaires importants. La nouvelle technologie devait également fournir des avantages en termes d'investissement de départ et de coûts d'exploitation tout au long du cycle de vie », explique Niedermayer. Tel était l'état d'esprit de l'entreprise chimique internationale lorsqu'elle a décidé de participer activement au développement d'Ethernet-APL. « Nous recherchions une solution standardisée et interopérable, et nous avons alors décidé de travailler en étroite collaboration avec les fournisseurs dès le départ. » Transparence, courage et détermination étaient exigés. Mais cela a payé. En travaillant avec les fabricants d'instruments de mesure, de commutateurs de terrain et de systèmes de commande, BASF a réussi à développer Ethernet-APL pour la commercialisation en l'espace de seulement cinq ans. « C'était un véritable exploit d'avant-garde », déclare Niedermayer.

Endress+Hauser faisait partie des partenaires de développement. Les deux sociétés entretiennent une étroite relation de longue date. « Nous sommes un des fournisseurs d'instrumentation de prédilection de BASF depuis des décennies », explique Udo Nalbach, ingénieur chimique et gestionnaire de comptes stratégiques chez Endress+Hauser. « BASF est très ouvert aux nouveaux développements, s'engage tôt et de manière intensive dans les innovations, et est rapide à les mettre en œuvre si elles s'avèrent efficaces ». Nalbach rappelle comment BASF et Endress+Hauser ont uni leurs efforts peu après cet atelier NAMUR fondateur. « Ensemble, nous avons étudié un ensemble de problèmes, y compris les raisons pour lesquelles la mise en réseau de bus de terrain n'a jamais vraiment décollé. Nos résultats dans ces domaines ont contribué à notre travail de développement et de normalisation de l'Ethernet-APL et à en faire une technologie réussie ».

En plus de la fonctionnalité en tant que telle, les ingénieurs et les techniciens du laboratoire ont également étudié la convivialité. Les instruments avec connectivité Ethernet-APL devaient être faciles à utiliser et réaliser des économies de coûts. À quel point leur installation, leur câblage et leur intégration sont-ils simples et rapides ? Quelle est la rapidité de la vérification et de la mise en service du circuit ? Comment fonctionne le paramétrage à distance et la correction des défauts ? Comment remplacer facilement les instruments pendant le fonctionnement de l'installation ? Le système est-il facilement évolutif ? Les instruments peuvent-ils être utilisés dans des environnements hybrides, par exemple en combinaison avec des unités PROFIBUS PA ? Et surtout : qu'en est-il de l'interopérabilité ? Les instruments s'intègrent-ils facilement dans des environnements industriels qui utilisent des équipements provenant de multiples fournisseurs ? Tant de questions et de grandes attentes - mais la technologie Ethernet-APL a montré sa force dans toute une série d'essais de charge.

Endress+Hauser a effectué de multiples essais de charge, chacun utilisant 240 instruments par système de commande conformément aux exigences définies par BASF. Il s'agit de 240 composants de divers fabricants. Et ils ont tous fonctionné ensemble pour former un système Ethernet-APL fiable et robuste. « Le monde d'aujourd'hui est si complexe qu'aucun fabricant ne peut mettre au point seul une nouvelle technologie », déclare Udo Nalbach. « Par conséquent, les fabricants doivent coopérer de bout en bout, de l'instrument de terrain au système de commande. Une standardisation rigoureuse est la clé ». C'est là que le protocole PROFINET entre en jeu, en gérant la communication entre les instruments de terrain et le système numérique de contrôle commande. Les profils d'appareil standardisés facilitent l'intégration du système et permettent le remplacement simple et sans problème des instruments. Un modèle de pilote lie uniformément les dispositifs aux systèmes de gestion des actifs. Les données du capteur sont structurées dans un format indépendant du fournisseur.

BASF installe actuellement ses premiers instruments de terrain PROFINET-APL sur des sites, dont deux nouvelles usines à Ludwigshafen. La société chimique internationale est allée encore plus loin avec la plupart des usines de son nouveau site Verbund à Zhanjiang, en Chine – tout le complexe est prêt pour APL. « Lors de la planification de nombreuses installations ici, nous ne savions pas encore quand nous aurions accès à un portefeuille complet d'instruments PROFINET-APL », explique Kai Krüning. Ils ont donc choisi une solution évolutive prête pour APL, dans laquelle tout, du système de commande au contacteur de terrain, utilise la technologie PROFINET. BASF avait précédemment soumis la topologie en anneaux du réseau à des tests complets en partenariat avec Endress+Hauser. Cette infrastructure permet l'utilisation parallèle des instruments PROFIBUS PA et PROFINET-APL ; BASF avait ainsi la possibilité d'équiper dans un premier temps ses installations avec des instruments PROFIBUS PA. « À l'avenir, chaque fois que nous devrons échanger un instrument, nous pourrons le remplacer par un instrument APL », déclare Krüning. Deux usines de Zhanjiang ont en effet déjà été équipées d'instruments Ethernet-APL. « Nous venons tout juste de mettre les premières en service », explique Krüning.

Kai Krüning a fait en sorte que tous les employés impliqués dans le fonctionnement de l'installation, dans la maintenance et dans la gestion des actifs soient totalement formés à la nouvelle technologie. Et son retour sur le méga-projet en Chine est positif : « La mise en service et le contrôle des boucles sont plus rapides avec Ethernet-APL qu'avec PROFIBUS PA. Mes collègues me font part que la technologie est beaucoup plus facile à utiliser et que le paramétrage via le système de gestion des actifs est plus simple ». Pour Gerd Niedermayer, la technologie a déjà tenu sa promesse : « Nous faisons des économies substantielles en matière d'équipement, en particulier en termes d'ingénierie et de mise en service ».

Ethernet-APL va-t-il révolutionner les industries de process ? Va-t-il favoriser la digitalisation ? « Pour les projets brownfield, il y a encore quelques obstacles à surmonter », déclare Karl Büttner, « mais pour les projets greenfield, l'euphorie est justifiée ». Son collègue, Udo Nalbach, le rejoint : « Cette technologie connaîtra une adoption bien plus généralisées que les technologies classiques de bus de terrain. Aujourd'hui, il n'y a presqu'aucune raison de mettre en place une installation 4–20 mA ». Kai Krüning, qui contribue à façonner l'avenir de BASF à Zhanjiang, est d'accord : « Nous voyons Ethernet-APL comme la plate-forme des prochaines étapes du processus de transformation digitale ». Et pour Gerd Niedermayer, qui travaille dans l'industrie des process depuis plus de trente ans, l'objectif est clair. « Nous avons franchi les premières étapes essentielles. La tâche consiste maintenant à poursuivre notre chemin et à établir Ethernet-APL comme standard de l'industrie ».