Wie NIR-Analysatoren in SPS- und SCADA-Systeme integriert werden: ein praktischer Überblick

Wo der Analysator in der Automatisierungshierarchie sitzt

Ein Inline-NIR-Analysator liefert Zusammensetzungswerte, die für die Regelung nur dann nützlich sind, wenn sie die Systeme erreichen, die auf sie reagieren. IEC 62264-1 (ISA-95) beschreibt diese Schnittstelle in Ebenen: Die Ebenen 1 bis 3 bilden die Domäne der Fertigungsprozesse und ihrer Steuerung, Ebene 3 ist das Fertigungsmanagement und Ebene 4 die Unternehmensdomäne [1]. Der PAT-Leitfaden der FDA hält fest, dass Prozessanalysatoren typischerweise große Datenmengen erzeugen, dass ein einfacher und sicherer Zugriff darauf für Echtzeitregelung und Qualitätssicherung wichtig ist und dass gemessene Qualitätsmerkmale eine Störgrößenaufschaltung oder Rückführungsregelung speisen können [2]. Dies ist in der Chemie- und Pharmaindustrie und darüber hinaus relevant; die geschlossene PID-Dosierung wird in einem eigenen Leitfaden behandelt.

Protokolle: von der Stromschleife bis OPC UA

Der älteste Weg ist das analoge Gleichstromsignal nach IEC 60381-1 [3], wobei ISA-50.00.01 den Signalbereich 4–20 mA festlegt [4]. Jede SPS akzeptiert es, doch ein Mehrparameter-Analysator benötigt eine Schleife pro Parameter, und das Signal trägt weder Statuswort noch Zeitstempel. Modbus ist ein Client/Server-Protokoll nach dem Anfrage-Antwort-Prinzip, dessen Server diskrete Eingänge, Spulen (Coils), Eingangsregister und Halteregister bereitstellt, wobei die Register 16-Bit-Wörter sind; über TCP/IP nutzt es Port 502 [5]. Ein Gleitkommaergebnis belegt daher mehr als ein Register, und da die Spezifikation kein Zeitstempel- oder Qualitätsfeld definiert, muss der Integrator den Status in weitere Register abbilden [5].

EtherNet/IP und PROFINET sind zyklische Echtzeit-Ethernet-Systeme, die in den IEC-Profilnormen zur Kommunikationsprofilfamilie 2 (CIP) bzw. Familie 3 (PROFIBUS & PROFINET) gehören [6][7]; sie eignen sich für einen Analysator, der im Steuerungszyklus als E/A-Gerät erscheinen muss. OPC UA (IEC 62541) ist ein plattformunabhängiger Standard, dessen Server einen Adressraum typisierter Knoten bereitstellen, mit Diensten zum Lesen, Schreiben und Abonnieren von Datenänderungen, Ereignissen und Alarmen sowie mit integrierter Authentifizierung, Nachrichtenintegrität und Vertraulichkeit [8]. Er ist der übliche Weg zu SCADA, MES und Historians.

Der Ergebnisdatensatz: Wert, Status, Zeitstempel

Auf ein Ergebnis darf man nur dann sicher reagieren, wenn es drei Dinge mitführt. OPC UA formalisiert sie als DataValue: den Wert, einen StatusCode mit dem Schweregrad Good, Uncertain oder Bad und einen SourceTimestamp, den die Ursprungsquelle setzt und den zwischengeschaltete Server unverändert weiterreichen [9]. Der Status sagt, ob die SPS die Zahl verwenden darf; der Zeitstempel sagt, wann das Material gemessen wurde.

Für den Gerätezustand beschreibt NAMUR NE 107 standardisierte Statussignale, ihre Symbole und ihre Priorisierung [10]: Ausfall, Funktionskontrolle, außerhalb der Spezifikation und Wartungsbedarf [11]. Diese Signale müssen als Statuswort neben jedem Wert bereitgestellt werden: Bei Modbus muss diese Abbildung konzipiert werden [5]; bei OPC UA existiert der StatusCode, doch die Analysatorsoftware muss ihn setzen [9].

Latenz: Messung, Abtastung und Veröffentlichung

Die Latenz ist die Summe aus Spektrenaufnahme, Modellauswertung und Kommunikation. Bei OPC UA wird der Kommunikationsanteil durch das Abtastintervall bestimmt, in dem der Server die Quelle abfragt, und durch das Veröffentlichungsintervall, in dem Benachrichtigungen ausgeliefert werden; die Spezifikation weist darauf hin, dass ein nicht synchronisierter, langsamerer Aktualisierungszyklus der Quelle weitere Verzögerung hinzufügt [9]. Bei Modbus entspricht dem die Abfrageperiode des Clients [5]. Analysatorwerte treffen also verspätet und in variablen Abständen ein; Griesing-Scheiwe et al. zeigen, dass Schätzer, die konstante Verzögerung und Abtastzeit voraussetzen, instabil werden können, wenn diese schwanken [12]. Daraus ergeben sich drei Praxishinweise:

• Abfrage oder Veröffentlichung auf den Analysatorzyklus abstimmen. Schnelleres Lesen, als der Analysator Ergebnisse liefert, liest nur denselben Wert erneut; eine neue Messung erkennt man am Quellzeitstempel, nicht an der Abfrage [9].
• Mit jedem Wert den Status übertragen. Die SPS sollte ihren letzten gültigen Wert halten oder in einen definierten Modus wechseln, wenn der Status Bad oder Uncertain ist oder das Gerät einen Ausfall meldet [9][11].
• Skalierung, Einheiten und Datentypen dokumentieren. Modbus-Register enthalten nichts davon, also muss es die Schnittstellenspezifikation tun [5].

Alarme, Historians und Cybersicherheit

IEC 62682 legt Grundsätze für das Management von Alarmsystemen in der Prozessindustrie fest, zählt den Alarm-Historian und Leistungskennzahlen zum Alarmsystem und definiert dessen Zweck darin, Bediener über anomale Zustände zu informieren, die eine Reaktion erfordern [13]. Grenzwerte für die Zusammensetzung aus dem Analysator sollten daher zusammen mit den übrigen Alarmen der Anlage rationalisiert werden, und Ergebnisse sollten mit Status und Zeitstempel im Anlagen-Historian gespeichert werden, im Einklang mit den Funktionen der Ebene 3 nach ISA-95 [1] und dem PAT-Leitfaden zu Chargenprotokollen [2].

Im Netzwerk definiert IEC 62443-3-3 Systemsicherheitsanforderungen und Sicherheitsstufen, die über die Zonen und Conduits des Systems angewandt werden, um für jedes Asset eine Zielstufe festzulegen [14]. Ein Analysator in einer eigenen Zone, mit einem Conduit, der nur die vereinbarten Tags überträgt, folgt diesem Modell; OPC UA unterstützt es durch Anwendungs- und Benutzerauthentifizierung sowie signierte, verschlüsselte Nachrichten [8].

Wie USTECH die Integration angeht

Die Software ProChem von USTECH verbindet USTECH-Analysatoren mit SPS und SCADA der Anlage für Live-Dashboards, Alarme und automatische Sollwertregelung und kommuniziert mit SPSen über eine Ethernet-basierte HTTP-Schnittstelle; ProLine2550 und ProLine17EC liefern die Messwerte, caliX die Kalibriermodelle. Die passende Statusabbildung und das richtige Aktualisierungsintervall für ein bestimmtes Leitsystem werden gemeinsam mit den Automatisierungsingenieuren der Anlage in einer Machbarkeitsstudie mit Ihren eigenen Proben festgelegt.