Control de dosificación en lazo cerrado con resultados del analizador mediante OPC UA

Por qué cerrar el lazo sobre un resultado de analizador

En las industrias química y farmacéutica, láctea y de piensos, una composición conocida solo a través del laboratorio se corrige tarde y a mano. La guía PAT de la FDA describe, en cambio, el control de la fabricación mediante mediciones oportunas durante el procesado, con herramientas de control de procesos que supervisan el estado de un proceso y lo manipulan activamente [1]. Kourti sostiene que un analizador en tiempo real demuestra su valor cuando su salida entra en el control del proceso [2]; Simon et al. revisan ejemplos industriales [3]. Esta guía trata lo que debe estar bien resuelto en la interfaz y en el controlador cuando una válvula dosificadora se acciona a partir de una predicción NIR en línea.

Qué aporta OPC UA a la interfaz

OPC Unified Architecture es publicada por la OPC Foundation y está normalizada como la serie IEC 62541, cuya parte 1 presenta los conceptos y un orden de lectura para las demás partes [4]. La parte 1 cita la independencia de plataforma, un modelo de seguridad integrado y modelos de información extensibles entre sus objetivos de diseño [5]. Para un analizador, lo útil es el modelo de información: la parte 8 (Data Access) define la familia AnalogItemType, que incluye un EURange (el rango esperado en funcionamiento normal) y EngineeringUnits, y el tipo base DataItemType añade una cadena Definition que describe cómo se calcula el valor y una propiedad ValuePrecision [6]. Un valor predicho de grasa o de humedad expuesto de este modo lleva consigo su unidad, su rango y su significado.

Cada valor viaja como un DataValue: el valor, un StatusCode, un sourceTimestamp asignado por la fuente de datos y que nunca se modifica después, y un serverTimestamp que fija cada servidor que lo retransmite [7]. La marca de tiempo de origen es la que importa para el control — es el instante del espectro en que se basa la predicción —, mientras que la marca de tiempo del servidor solo indica cuándo confirmó el servidor el valor por última vez [7].

Calidad de los datos y estado del dispositivo

Un PLC no debe tratar un valor OPC UA como un simple número. El StatusCode es un campo de 32 bits cuyos bits de gravedad clasifican el valor como Good, Uncertain o Bad; la parte 4 exige que todo cliente lo compruebe antes de usar un resultado y establece que los resultados con estado malo no deben usarse nunca [7]. La parte 8 añade subcódigos relevantes para analizadores, como Bad_SensorFailure, Uncertain_LastUsableValue cuando la fuente ha dejado de actualizarse, Uncertain_EngineeringUnitsExceeded cuando el valor está fuera de su rango definido y Good_LocalOverride cuando se ha forzado un valor manual, y señala que la antigüedad del dato debe juzgarse a partir de las marcas de tiempo, no del código [6].

El estado del instrumento se modela por separado. La parte 100 (Devices) define una interfaz DeviceHealth cuya enumeración — NORMAL, FAILURE, CHECK_FUNCTION, OFF_SPEC y MAINTENANCE_REQUIRED — indica expresamente el estado tal como lo define la recomendación NAMUR NE 107 [8], el vocabulario común de la industria de procesos para dispositivos de campo con autodiagnóstico, revisada en 2017 con una priorización de las señales de estado [9]. Un barrido de referencia (CHECK_FUNCTION) o un espectro fuera de la población de calibración (OFF_SPEC) se convierte así en un motivo, independiente del fabricante, para retener el lazo [8][9]. El acceso se rige por el modelo de seguridad de la parte 2 — autenticación, autorización limitada a lo que requiere la función, confidencialidad, integridad y auditabilidad —, de modo que el acceso de escritura a una consigna o a un disparador de medición se restringe en consecuencia [10].

El lazo PID con realimentación del analizador

Un lazo alimentado por un analizador es un problema de tiempo muerto. Normey-Rico et al. incluyen el tiempo de procesamiento de los sensores entre las causas del tiempo muerto y explican que, como el controlador corrige un error que se originó antes, un lazo simple o bien oscila cuando se sintoniza para un tiempo de establecimiento corto, o bien responde con lentitud cuando se sintoniza para evitar la oscilación [11]. En una válvula dosificadora, el tiempo muerto es el transporte desde el punto de inyección hasta el punto de medición más el intervalo de medición y predicción del analizador. Cuando es grande en relación con la constante de tiempo del proceso, el remedio habitual es un compensador de tiempo muerto: el predictor de Smith, propuesto en 1957, utiliza un modelo sin retardo para que el controlador primario vea un sistema equivalente sin tiempo muerto, o con uno menor — una propiedad que se cumple en el caso nominal y se degrada con el desajuste entre planta y modelo [11]. El controlador primario es, en general, un bloque PI o PID en un PLC programado según IEC 61131-3 [11][12].

El intervalo de muestreo se deriva de la misma lógica. En OPC UA, el intervalo de muestreo de una suscripción es la velocidad máxima a la que el servidor muestrea su fuente, y la parte 4 señala que un sistema subyacente desacoplado puede actualizarse mucho más despacio que esa velocidad [7]. Suscribirse más deprisa de lo que mide el analizador produce valores repetidos, no información nueva; el lazo debe ejecutarse al llegar una nueva marca de tiempo de origen y no al ritmo del reloj de la suscripción [7].

Seguridad, enclavamientos y responsabilidades

La dosificación accionada por un analizador es control básico de proceso. Las funciones de protección — límites de sobredosificación, marcha en seco de la bomba, nivel alto de reactivo — corresponden a un sistema instrumentado de seguridad conforme a IEC 61511-1, diseñado para que pueda confiarse en que alcance o mantenga un estado seguro con independencia de la capa de control [13]. De ello se derivan tres puntos prácticos:

• Defina la estrategia de retención antes de sintonizar. Ante una calidad Bad, una marca de tiempo de origen obsoleta, un estado del dispositivo FAILURE u OFF_SPEC, o un indicador de valor atípico del modelo quimiométrico, la salida del PID se retiene o se devuelve a un valor seguro por defecto, con reanudación sin saltos [6][7][8].
• Mantenga los límites rígidos de la válvula fuera del lazo. Los límites de velocidad y de posición del actuador y cualquier disparo por cantidad dosificada residen en la lógica del PLC o en el sistema de seguridad, no en el software del analizador [12][13].
• Documente la semántica de los nodos. EngineeringUnits, EURange, Definition y cada subcódigo de estado se acuerdan entre el proveedor y el integrador y se congelan en el modelo de información, de modo que un cambio posterior de calibración sea visible como un cambio de semántica [6].

Cómo lo aborda USTECH

Los analizadores en línea de USTECH, el FT-NIR de proceso ProLine2550 para líquidos, suspensiones y flujos de sólidos sencillos y el ProLine17EC para montaje directo en tuberías y recipientes, ejecutan calibraciones construidas en caliX; ProChem entrega las predicciones y el estado al PLC de la planta y permite que el PLC seleccione el producto y el método. Las condiciones de retención, la compensación del tiempo muerto y los enclavamientos se acuerdan con los ingenieros de automatización y de seguridad de la planta. El punto de partida es un estudio de viabilidad con sus propias muestras en sus propias condiciones de proceso.