Geschlossene Dosierregelung auf Basis von Analysatorergebnissen mit OPC UA

Warum den Regelkreis über ein Analysatorergebnis schließen

In der chemischen und pharmazeutischen Industrie, in der Milchwirtschaft und in der Futtermittelindustrie wird eine nur aus dem Labor bekannte Zusammensetzung spät und von Hand korrigiert. Die PAT-Leitlinie der FDA beschreibt dagegen die Steuerung der Herstellung durch zeitnahe Messungen während der Verarbeitung, mit Prozessregelungswerkzeugen, die den Zustand eines Prozesses überwachen und ihn aktiv beeinflussen [1]. Kourti argumentiert, dass ein Echtzeitanalysator seinen Wert erst dann entfaltet, wenn sein Ausgang in die Prozessregelung eingeht [2]; Simon et al. geben einen Überblick über industrielle Beispiele [3]. Dieser Leitfaden behandelt, was an der Schnittstelle und im Regler stimmen muss, wenn ein Dosierventil anhand einer Inline-NIR-Vorhersage angesteuert wird.

Was OPC UA an die Schnittstelle bringt

OPC Unified Architecture wird von der OPC Foundation herausgegeben und ist als Normenreihe IEC 62541 genormt, deren Teil 1 die Konzepte und eine Lesereihenfolge für die übrigen Teile vorstellt [4]. Teil 1 nennt Plattformunabhängigkeit, ein integriertes Sicherheitsmodell und erweiterbare Informationsmodelle als Entwurfsziele [5]. Für einen Analysator ist das Informationsmodell der nützliche Teil: Teil 8 (Data Access) definiert die Familie AnalogItemType, die einen EURange (den im Normalbetrieb erwarteten Bereich) und EngineeringUnits führt, und der Basistyp DataItemType ergänzt eine Zeichenkette Definition, die beschreibt, wie der Wert berechnet wird, sowie eine Eigenschaft ValuePrecision [6]. Ein auf diese Weise bereitgestellter vorhergesagter Fett- oder Feuchtewert trägt seine Einheit, seinen Bereich und seine Bedeutung mit sich.

Jeder Wert wird als DataValue übertragen: der Wert, ein StatusCode, ein sourceTimestamp, den die Datenquelle setzt und der danach nie mehr verändert wird, und ein serverTimestamp, den jeder weiterleitende Server setzt [7]. Für die Regelung zählt der Quellzeitstempel — er ist der Zeitpunkt des Spektrums hinter der Vorhersage —, während der Serverzeitstempel nur angibt, wann der Server den Wert zuletzt bestätigt hat [7].

Datenqualität und Gerätezustand

Ein PLC darf einen OPC-UA-Wert nicht als bloße Zahl behandeln. Der StatusCode ist ein 32-Bit-Feld, dessen Schweregrad-Bits den Wert als Good, Uncertain oder Bad einstufen; Teil 4 verlangt, dass jeder Client ihn vor der Verwendung eines Ergebnisses prüft, und legt fest, dass Ergebnisse mit schlechtem Status niemals verwendet werden dürfen [7]. Teil 8 ergänzt für Analysatoren relevante Untercodes wie Bad_SensorFailure, Uncertain_LastUsableValue, wenn die Quelle nicht mehr aktualisiert, Uncertain_EngineeringUnitsExceeded, wenn der Wert außerhalb seines definierten Bereichs liegt, und Good_LocalOverride, wenn ein manueller Wert erzwungen wurde, und weist darauf hin, dass die Aktualität anhand der Zeitstempel und nicht anhand des Codes zu beurteilen ist [6].

Der Gerätezustand wird getrennt modelliert. Teil 100 (Devices) definiert eine Schnittstelle DeviceHealth, deren Aufzählung — NORMAL, FAILURE, CHECK_FUNCTION, OFF_SPEC und MAINTENANCE_REQUIRED — ausdrücklich den Status gemäß NAMUR-Empfehlung NE 107 angibt [8], dem gemeinsamen Vokabular der Prozessindustrie für selbstüberwachende Feldgeräte, das 2017 um eine Priorisierung der Statussignale überarbeitet wurde [9]. Eine Referenzmessung (CHECK_FUNCTION) oder ein Spektrum außerhalb der Kalibrierpopulation (OFF_SPEC) wird so zu einem herstellerunabhängigen Grund, den Regelkreis anzuhalten [8][9]. Der Zugriff wird durch das Sicherheitsmodell aus Teil 2 geregelt — Authentifizierung, auf das für die Funktion Erforderliche beschränkte Autorisierung, Vertraulichkeit, Integrität und Nachvollziehbarkeit —, sodass der Schreibzugriff auf einen Sollwert oder einen Messauslöser entsprechend eingeschränkt wird [10].

Der PID-Regelkreis mit Analysatorrückführung

Ein von einem Analysator gespeister Regelkreis ist ein Totzeitproblem. Normey-Rico et al. zählen die Verarbeitungszeit von Sensoren zu den Ursachen von Totzeit und erläutern, dass ein einfacher Regelkreis, weil der Regler einen früher entstandenen Fehler korrigiert, entweder schwingt, wenn er auf kurze Ausregelzeit eingestellt ist, oder träge reagiert, wenn er so eingestellt ist, dass Schwingungen vermieden werden [11]. Bei einem Dosierventil ist die Totzeit der Transport von der Einspeisestelle zur Messstelle zuzüglich des Mess- und Vorhersageintervalls des Analysators. Ist sie im Verhältnis zur Prozesszeitkonstante groß, ist die übliche Abhilfe ein Totzeitkompensator: Der 1957 vorgeschlagene Smith-Prädiktor nutzt ein totzeitfreies Modell, sodass der Hauptregler ein äquivalentes System ohne oder mit kleinerer Totzeit sieht — eine Eigenschaft, die im Nominalfall gilt und bei Abweichungen zwischen Anlage und Modell nachlässt [11]. Der Hauptregler ist in der Regel ein PI- oder PID-Baustein in einem nach IEC 61131-3 programmierten PLC [11][12].

Das Abtastintervall folgt derselben Logik. In OPC UA ist das Abtastintervall eines Abonnements die schnellste Rate, mit der der Server seine Quelle abtastet, und Teil 4 merkt an, dass ein entkoppeltes zugrunde liegendes System sehr viel langsamer aktualisieren kann als diese Rate [7]. Ein Abonnement, das schneller ist als die Messung des Analysators, liefert wiederholte Werte, keine neue Information; der Regelkreis sollte beim Eintreffen eines neuen Quellzeitstempels ausgeführt werden und nicht im Takt des Abonnements [7].

Sicherheit, Verriegelungen und Zuständigkeit

Analysatorgesteuertes Dosieren gehört zur Basisprozessregelung. Schutzfunktionen — Grenzen gegen Überdosierung, Trockenlauf der Pumpe, hoher Füllstand des Reagenzes — gehören in ein sicherheitstechnisches System nach IEC 61511-1, das so ausgelegt ist, dass man sich darauf verlassen kann, dass es unabhängig von der Regelungsebene einen sicheren Zustand herbeiführt oder aufrechterhält [13]. Daraus folgen drei Punkte für die Praxis:

• Legen Sie die Haltestrategie vor dem Einstellen fest. Bei Qualität Bad, einem veralteten Quellzeitstempel, Gerätezustand FAILURE oder OFF_SPEC oder einer Ausreißermarkierung des chemometrischen Modells wird der PID-Ausgang gehalten oder auf einen sicheren Standardwert zurückgesetzt, mit stoßfreiem Wiederanlauf [6][7][8].
• Halten Sie die harten Grenzen des Ventils außerhalb des Regelkreises. Stellgeschwindigkeits- und Positionsgrenzen des Stellantriebs sowie jede Abschaltung bei der dosierten Menge liegen in der PLC-Logik oder im Sicherheitssystem, nicht in der Analysatorsoftware [12][13].
• Dokumentieren Sie die Semantik der Knoten. EngineeringUnits, EURange, Definition und jeder Status-Untercode werden zwischen Lieferant und Integrator vereinbart und im Informationsmodell eingefroren, sodass eine spätere Kalibrieränderung als Änderung der Semantik sichtbar wird [6].

Wie USTECH vorgeht

Die Inline-Analysatoren von USTECH, der Prozess-FT-NIR ProLine2550 für Flüssigkeiten, Suspensionen und einfache Feststoffströme und der ProLine17EC für die direkte Montage an Rohrleitungen und Behältern, arbeiten mit in caliX erstellten Kalibrierungen; ProChem liefert Vorhersagen und Status an das PLC der Anlage und lässt das PLC Produkt und Methode auswählen. Haltebedingungen, Totzeitkompensation und Verriegelungen werden mit den Automatisierungs- und Sicherheitsingenieuren der Anlage festgelegt. Ausgangspunkt ist eine Machbarkeitsstudie mit Ihren eigenen Proben unter Ihren eigenen Prozessbedingungen.