Acabar com a escuridão

A nova unidade da BASF em Zhanjiang, China, tem mantido o Dr. Kai Krüning bastante ocupado. A empresa está investindo bilhões de euros nessa região, no que é seu maior projeto de investimento até o momento. O complexo de produção integrado de Zhanjiang será a terceira maior unidade integrada dessa indústria química global, depois de Ludwigshafen e Antuérpia. “No momento, estamos inaugurando uma nova instalação após a outra”, afirma Krüning, líder de projeto da BASF para a padronização de sistemas de controle de processos. Primeiro, há todos os componentes a serem instalados – sensores, atuadores, etc – e, em seguida, os testes de funcionamento e interoperabilidade. Como um dos fornecedores do projeto, a Endress+Hauser contribuiu com milhares de sensores. Mas não é apenas a magnitude do projeto que o torna tão especial; há também o grau sem precedentes de digitalização.

Em Zhanjiang, a BASF está liderando a indústria química na adoção da Ethernet-APL (Advanced Physical Layer - Camada Física Avançada). Tecnologia desenvolvida especificamente para os requisitos da indústria de processos, ela é um tipo de Ethernet altamente robusto e confiável que transmite dados e energia por meio de um único cabo de par trançado blindado. Isso permite uma comunicação digital de alta velocidade e intrinsecamente segura, mesmo em áreas classificadas, com uma abrangência que chega até os sensores e atuadores a nível de campo. “Muitos usuários estão realmente entusiasmados com a Ethernet-APL neste momento”, afirma Karl Büttner, responsável de marketing para Ethernet-APL na Endress+Hauser.

E por que exatamente essa tecnologia está gerando tantas expectativas? Essa é uma pergunta para Gerd Niedermayer, gerente sênior de engenharia de E&I que trabalha na BASF há mais de 35 anos. Seu escritório fica em um dos prédios do vasto complexo industrial da BASF em Ludwigshafen, Alemanha. “Queremos utilizar os dados de instrumentos de campo inteligentes para atividades como gestão de ativos, manutenção preventiva e otimização de processos”, explica ele. “Mas, com nossa infraestrutura atual de comunicação em processos, o acesso a esses dados costuma ser precário, quando não impossível. A Ethernet-APL resolve esse problema ."

Nas indústrias de processo, o nível de campo costuma ser um ponto cego no painel de controle digital da empresa – algo como um trecho de estrada rural no meio da super-rodovia de informações. Isso porque os sinais analógicos ainda são a norma no controle de processos, sobretudo em indústrias químicas. Nesse contexto, mesmo os instrumentos de campo de última geração ainda utilizam a confiável tecnologia de circuito de corrente de 4–20 mA para enviar seus sinais de medição ao sistema de controle. E embora muitas implementações incorporem o protocolo HART para modular mensagens digitais de diagnóstico ou de status sobre os sinais de medição analógicos, as taxas de transmissão de dados são muito baixas. Os sistemas Fieldbus que permitem a comunicação digital com instrumentos de campo – por ex., o PROFIBUS PA – têm evidentemente sido usados há quase 30 anos. Mas eles apresentam limitações práticas em termos de baixa largura de banda, topologias complexas e, por vezes, uma interoperabilidade pouco fluida entre seus diversos componentes. Tudo isso torna a engenharia e a substituição de instrumentos em campo extremamente complicadas.

APL é a sigla de "Advanced Physical Layer", que significa camada física avançada. Em redes de computadores, o termo “camada física” refere-se a tudo o que é tangível e através do qual os sinais elétricos ou ópticos fluem. Do ponto de vista técnico, a Ethernet-APL é uma versão simplificada mas especialmente reforçada da Ethernet, que funciona com segurança mesmo em áreas classificadas.

Com a Ethernet-APL, os instrumentos de campo enviam dados para um switch APL – um equipamento que funciona de maneira semelhante a um roteador de rede doméstica, conectando vários equipamentos uns aos outros. A partir do switch, os dados seguem seu caminho até o sistema de controle ou para a nuvem – diretamente, sem a intermediação de gateways. A vantagem é que todos os dados dos instrumentos de campo ficam disponíveis em tempo real e, portanto, podem ser utilizados em aplicações como manutenção preventiva ou análise detalhada do processo. Em outras palavras, a Ethernet-APL representa uma transição para uma comunicação industrial moderna e de ponta a ponta. Seu impacto pode ser comparado à transição daqueles antigos modems com acoplador acústico para as conexões de fibra óptica atuais. Ela é a base digital para a próxima geração da automação de processos.

A nova abordagem baseada na Ethernet-APL começou a surgir há cerca de uma década. Gerd Niedermayer, da BASF, lembra-se bem da época em que essa nova tecnologia foi apresentada em um workshop organizado pela NAMUR, uma associação internacional de usuários de tecnologia de automação nas indústrias de processos. “A Ethernet-APL me chamou a atenção imediatamente, porque oferece muitas vantagens.” De fato, trata-se de uma tecnologia que combina a robustez e a segurança intrínseca exigidas por muitas aplicações da indústria de processos com a largura de banda superior da Ethernet. Ela também suporta comprimentos de cabo de até um quilômetro. “Com taxas de transmissão de até 10 Mbit/s, a Ethernet-APL é 10.000 vezes mais rápida que o HART e 300 vezes mais rápida que os barramentos de campo clássicos. Isso permite que grandes quantidades de dados sejam enviadas e recebidas em tempo real.”

Gerd Niedermayer sempre soube que a tecnologia de transmissão física era apenas o começo. O projeto também exigiria um protocolo de comunicação adequado, bem como interfaces e normas para integrar os instrumentos ao sistema de controle e possibilitar o acesso aos dados dos instrumentos. A BASF reuniu todos os requisitos em um projeto de solução. “Nós desejávamos uma solução de comunicação de ponta a ponta de alto desempenho que pudesse transferir dados em alta velocidade tanto para o sistema de controle quanto para o sistema de gestão de ativos – e que fizesse isso sem custos adicionais significativos. A nova tecnologia também precisava oferecer vantagens tanto em termos de investimento inicial quanto de custos operacionais ao longo do ciclo de vida”, afirma Niedermayer. Essa foi a lógica da BASF ao decidir participar ativamente na construção e aceleração do desenvolvimento da Ethernet-APL. “Estávamos buscando uma solução padronizada e interoperável, por isso decidimos estabelecer uma parceria estreita com os fornecedores desde o princípio.” Era preciso transparência, coragem e determinação. Mas valeu a pena. Em colaboração com fabricantes de instrumentos de medição, switches de campo e sistemas de controle, a BASF conseguiu desenvolver a Ethernet-APL até a fase de lançamento no mercado em apenas cinco anos. “Foi um feito verdadeiramente pioneiro”, afirma Niedermayer.

Entre os parceiros de desenvolvimento estava a Endress+Hauser. As duas empresas têm uma relação muito próxima de longa data. “Somos o principal fornecedor de instrumentação da BASF há décadas”, explica Udo Nalbach, engenheiro químico e gerente de contas estratégicas da Endress+Hauser. “A BASF está muito aberta a novos desenvolvimentos, envolve-se desde o início e de forma intensa com inovações e não hesita em implementá-las caso se revelem promissoras.” Nalbach relembra como a BASF e a Endress+Hauser uniram forças logo após aquele importante workshop da NAMUR. “Juntos, investigamos uma série de questões, incluindo as razões pelas quais as redes de fieldbus nunca chegaram a se popularizar. Nossas descobertas nessas áreas serviram de base para o nosso trabalho de desenvolvimento e padronização da Ethernet-APL, tornando-a uma tecnologia de sucesso.”

Além da funcionalidade em si, os engenheiros e técnicos do laboratório analisaram a usabilidade prática da tecnologia. Os instrumentos com conectividade Ethernet-APL precisavam ser fáceis de usar e proporcionar economia de custos. Quão rápida e simples é a instalação, a ligação elétrica e a integração desses equipamentos? Quão rápido é o processo de verificação do circuito e o comissionamento? Como a parametrização remota e a correção de falhas irão funcionar? Quão facilmente os instrumentos podem ser substituídos enquanto a fábrica está em operação? O sistema pode ser facilmente ampliado? Os instrumentos podem ser utilizados em ambientes híbridos – por exemplo, em combinação com unidades PROFIBUS PA? E o mais importante: e quanto à interoperabilidade? Será possível integrar os instrumentos sem problemas em ambientes da indústria de processos que utilizam equipamentos de diversos fornecedores? Tantas perguntas, tantas expectativas tão altas – e, no entanto, a tecnologia Ethernet-APL demonstrou sua força em toda uma série de testes de carga.

A Endress+Hauser conduziu inúmeros de seus próprios testes de carga, cada um deles utilizando 240 instrumentos por sistema de controle, de acordo com os requisitos definidos pela BASF. Isso significa 240 componentes de diversos fabricantes. E todos trabalharam juntos de forma integrada para formar um sistema confiável e robusto baseado na Ethernet-APL. “O mundo atual é tão complexo que nenhum fornecedor consegue, sozinho, levar uma nova tecnologia à prática”, afirma Udo Nalbach. “Por isso, os fabricantes precisam colaborar em todas as etapas, desde os instrumentos de campo até o sistema de controle. O segredo está na padronização rigorosa.” É aqui que entra o protocolo PROFINET, que controla a comunicação entre os instrumentos de campo e o sistema de controle de processos. Os perfis padronizados dos equipamentos simplificam a integração do sistema e permitem a substituição fácil e sem complicações dos equipamentos. Um modelo de driver integra os equipamentos de maneira uniforme aos sistemas de gestão de ativos. E os dados do sensor são estruturados em um formato independente do fabricante.

A BASF está atualmente instalando seus primeiros instrumentos de campo PROFINET-APL em instalações que incluem duas novas unidades em Ludwigshafen. A empresa, uma indústria química global, foi além com a maioria das instalações em sua nova unidade da Verbund em Zhanjiang, na China – todo o complexo foi projetado para estar pronto para a APL. “Ao planejar muitas das instalações aqui, ainda não sabíamos quando teríamos acesso a um portfólio completo de instrumentos PROFINET-APL”, explica Kai Krüning. Então, eles optaram por um caminho de migração compatível com a APL, no qual tudo, desde o sistema de controle até os switches de campo, utiliza a tecnologia PROFINET. A BASF já havia submetido a topologia em anel da rede a testes exaustivos em parceria com a Endress+Hauser. Essa infraestrutura permite o uso paralelo tanto de instrumentos PROFIBUS PA quanto PROFINET-APL, de modo que a BASF teve a flexibilidade de equipar suas instalações com instrumentos PROFIBUS PA em uma primeira fase. “Tendo o futuro em mente, sempre que precisarmos trocar um instrumento, poderemos substituí-lo por um com APL”, afirma Krüning. De fato, duas unidades em Zhanjiang já foram equipadas com instrumentos Ethernet-APL. “Acabamos de colocar o primeiro deles online”, explica Krüning.

Kai Krüning fez questão de que todos os funcionários envolvidos na operação, manutenção e gestão de ativos da fábrica recebessem um treinamento completo sobre a nova tecnologia. E o feedback proveniente do megaprojeto na China é positivo: “O comissionamento e a verificação de circuitos são mais rápidos com a Ethernet-APL do que com o PROFIBUS PA. Meus colegas de lá me dizem que a tecnologia é muito mais fácil de usar e que a parametrização por meio do sistema de gestão de ativos é mais simples.” Para Gerd Niedermayer, a tecnologia também tem cumprido o que prometeu: “Estamos obtendo uma economia significativa nos custos de hardware, especialmente no que diz respeito à engenharia e ao comissionamento.”

Será que a Ethernet-APL vai revolucionar as indústrias de processos? Será ela um catalisador para a digitalização? ”Em projetos brownfield, ainda há alguns obstáculos a superar”, afirma Karl Büttner, “mas em projetos greenfield, a euforia é justificada.” Seu colega Udo Nalbach concorda: “Essa tecnologia terá uma aceitação muito mais ampla do que as tecnologias convencionais de fieldbus. Hoje em dia, não há praticamente nenhum motivo para construir uma instalação industrial com 4–20 mA." Kai Krüning, que está ajudando a moldar o futuro da BASF em Zhanjiang, concorda: “Consideramos a Ethernet-APL a plataforma-chave para os próximos passos no processo de transformação digital.” E para Gerd Niedermayer, que trabalha na indústria de processos há mais de três décadas, o objetivo é claro. “Alcançamos os primeiros marcos. A tarefa agora é continuar avançando e estabelecer a Ethernet-APL como padrão da indústria ."