驱散黑暗，洞见全局

BASF中国湛江新生产基地，让Kai Krüning博士时刻保持忙碌并全力以赴。公司为此项目投入了数十亿欧元，这也是迄今为止最大的投资项目。湛江一体化生产基地将成为该全球化工企业继Ludwigshafen和Antwerp之后第三大综合生产中心。“目前，我们正陆续设立新生产基地。”BASF过程控制系统标准化项目负责人Krüning表示。在此之前，工厂需要安装传感器、执行器等各类所需部件，随后进行功能测试和互操作性测试。作为项目供应商之一，Endress+Hauser已经提供了成千上万台传感器。但该项目的特殊之处不仅在于其庞大规模，还在于其前所未有的数字化程度。

在湛江，BASF采用Ethernet-APL（高级物理层），引领化工行业的未来。这项技术专为满足过程工业应用要求而开发，是一种高度稳健可靠的以太网类型，可通过单根屏蔽双绞线电缆同时传输数据和电力。支持本安型高速数字式通信，适用于防爆危险区，可直达现场层传感器和执行器。“现在，Ethernet-APL技术的使用让众多客户兴奋不已。”Endress+Hauser Ethernet-APL业务的营销负责人Karl Büttner表示。

为什么这项技术承载如此厚望？这个问题应该问问Gerd Niedermayer，他在BASF担任资深电气与仪表工程经理已超过35年。他的办公室位于BASF Ludwigshafen生产中心的一座大楼内。“我们希望使用智能现场仪表数据进行资产管理、预防性维护和过程优化。”他解释道。“但是基于我们现有过程通信基础设施，这些数据往往难以获取，甚至根本无法获取。而Ethernet-APL可以解决此问题。”

在过程工业领域的企业数字化全景图中，现场层往往是一个盲区，这有点像数据高速公路上的一段乡间小路。这是因为模拟信号在过程控制中仍占据主流地位，化工厂中尤其如此。即使是最先进的现场仪表，也依然使用可靠的4...20 mA电流回路技术将测量信号传输至控制系统。尽管许多方案通过HART协议在模拟测量信号上叠加数字诊断或状态信息，但其数据速率却很低。支持与现场仪表进行数字式通信的现场总线系统，例如PROFIBUS PA，至今已有近30年历史。但在低带宽、复杂拓扑结构以及不同部件间时而存在兼容性不畅等方面，这些协议在实际使用中还是具有局限性。上述因素都使得工程设计和现场仪表更换非常困难。

APL表示高级物理层。在网络中，“物理层”一词指一切供电或光信号通过的实体。从技术角度而言，Ethernet-APL是一种精简但经过特殊强化的以太网形式，即使在防爆危险区域也能安全运行。

通过Ethernet-APL，现场仪表将数据发送到APL交换机，这款设备与家庭网络路由器相似，可同时连接多台设备。数据从交换机出发，直接继续传输至控制系统或云端，而无需网关。其优势在于，现场仪表所有数据均可实时获取，同时用于预防性维护或详细过程分析等应用。总之，Ethernet-APL标志着向端到端现代化工业通信的转型。此技术带来的影响，不亚于当年从声耦合器调制解调器向当今光纤连接的转变。这奠定了新一代过程自动化的数字基础。

新方案基于Ethernet-APL技术，开始在约10年前暂露头角。BASF的Gerd Niedermayer还记得当时这项新技术是在NAMUR（国际过程工业自动化用户协会）举办的研讨会上首次亮相。“Ethernet-APL有诸多优势，立即引发了我的关注。” 它是一种将可靠性和本安型特征与以太网带宽优势相结合的技术，满足众多过程工业应用要求。还支持长达一公里的电缆长度。“传输速度高达10 Mbit/s，Ethernet-APL比HART快10,000倍，比传统现场总线快300倍。因此，它可以实时传输海量数据。”

Gerd Niedermayer深知，物理传输技术不过是万里长征的第一步。此项目还需要合适的通信协议以及接口和标准，以将仪表集成至控制系统中，并实现对仪表数据的访问。BASF将所有需求整合为切实可行的方案。“我们需要高性能的端到端通信解决方案，可以将数据高速传输至控制系统和资产管理系统，而无需显著增加额外开销。这项新技术还必须在初期投资和全生命周期运营成本方面都具有优势。”Niedermayer表示。正是基于此思考，这家全球化工公司决定积极参与塑造和推动Ethernet-APL发展。“我们正在寻找可互操作性的标准化解决方案，因此我们决定一开始就与供应商密切协作。”这需要透明度、勇气和决心。好在，我们终获回报。BASF与测量仪表、现场交换机和控制系统制造商密切合作，仅用五年时间，就成功将Ethernet-APL开发至可上市水平。“这确实是一项开创性壮举，”Niedermayer表示。

Endress+Hauser便是其中一家开发合作伙伴。两家公司有着长期且密切的合作关系。“数年来，我们都是BASF首选合作仪表供应商。”Endress+Hauser化学工程师兼战略客户经理Udo Nalbach解释道。“BASF对新技术始终秉持开放态度，早期便深度参与创新，并在其成功验证后果断应用。”Nalbach回忆道，在那次具有开创意义的NAMUR研讨会结束后不久，BASF和Endress+Hauser便开始通力合作。“我们共同探讨了一些问题，包括现场总线网络从未真正普及的原因。我们在这些领域的研究成果，为我们开发、实现Ethernet-APL标准化并使其成为一项成功技术奠定了基础。”

实验室工程师和技术人员不仅关注产品的功能性，还研究了实际可用性。Ethernet-APL型仪表必须使用便捷，还要节省成本。安装、布线和集成有多快速和简单？回路检查和调试有多快？远程参数设置和故障修正将如何实现？在工厂运行期间，仪表更换的便捷性如何？系统是否随时可扩展？仪表能否在混合环境中使用，例如，与PROFIBUS PA设备组合使用？最重要的是，互可操作性怎么样？仪表能否在使用多厂商设备的过程工业环境中顺利集成？尽管面临诸多疑问和高度期待，Ethernet-APL技术仍在一系列负载测试中证明了其强大实力。

Endress+Hauser进行了多项负载测试，在每次测试中，每个控制系统均配备240台仪表，符合BASF规定要求。这240个部件来自不同的制造商。它们无缝协作，形成了可靠、稳健的、基于Ethernet-APL的系统。“当今世界日趋复杂，没有任何一家供应商能单凭一己之力将一项新技术付诸实践。”Udo Nalbach表示。“因此，制造商需要从现场仪表到控制系统进行端到端协作。其关键在于严格执行标准化。”这就是PROFINET协议发挥作用的地方，它负责管理现场仪表与过程控制系统之间的通信。标准化设备可以简化系统集成，实现简单、无忧的仪表更换。驱动模型将设备统一集成到资产管理系统中。传感器参数采用统一格式，不受供应商限制。

目前，BASF正在生产基地（包括位于Ludwigshafen的两个新工厂）安装首批PROFINET-APL现场仪表。这家全球化工企业在上述基础上不断进步，在其位于中国湛江的新一体化基地中，大部分工厂在设计之初就已支持APL技术。“在设计这里的众多工厂时，我们并不清楚何时能够访问全部PROFINET-APL仪表组合。”Kai Krüning解释道。因此，他们选择了支持APL的迁移路径，其中从控制系统到现场交换机的所有设备均采用PROFINET技术。BASF此前曾与Endress+Hauser合作，对此网络的环形拓扑结构进行了全面测试。此基础设施支持并行使用PROFIBUS PA和PROFINET-APL仪表，因此，BASF起初就能灵活地为其工厂配备PROFIBUS PA仪表。“展望未来，无论何时需要更换仪表，我们都能将其替换为APL解决方案。”Krüning表示。湛江两座工厂已配备Ethernet-APL仪表。“我们刚刚将其中第一台投入使用。”Krüning解释道。

Kai Krüning确保所有参与工厂运营、维护和资产管理的员工都接受了全面的新技术培训。他对在中国的这一大型项目的反馈非常积极：“与PROFIBUS PA相比，Ethernet-APL的调试和回路检查速度更快。那里的同事告诉我，这项技术使用更简单，而且通过资产管理系统进行参数设置也更轻松。”对Gerd Niedermayer而言，这项技术至今也未辜负其承诺：“我们在工程设计和调试方面节省了大量硬件成本。”

Ethernet-APL是否会改变过程工业的局势？它是否能推动数字化的实现？“在现有工厂改造项目中，我们仍需要克服一些障碍。”Karl Büttner表示，“而在新建项目中，所有期待都实至名归。”他的同事Udo Nalbach说道：“同传统现场总线技术相比，这一技术将得到更广泛的采用。如今，建立采用4...20 mA协议的工厂，已成过去。”正在参与塑造BASF湛江基地未来的Kai Krüning对此表示赞同：“我们认为，Ethernet-APL是数字化转型迈向新阶段的平台。”在过程工业领域工作了三十余载的Gerd Niedermayer，心中早已有了明确目标。“我们已达成首个里程碑。我们现在的任务是继续前行，推动Ethernet-APL成为行业标准。”