Cómo se integran los analizadores NIR con los sistemas PLC y SCADA: una visión práctica

Dónde se sitúa el analizador en la jerarquía de automatización

Un analizador NIR en línea produce valores de composición que solo son útiles para el control si llegan a los sistemas que actúan sobre ellos. IEC 62264-1 (ISA-95) describe esta interfaz por niveles: los niveles 1 a 3 forman el dominio de operaciones y control de fabricación, el nivel 3 es la gestión de operaciones de fabricación y el nivel 4 es el dominio de la empresa [1]. La guía PAT de la FDA señala que los analizadores de proceso suelen generar grandes volúmenes de datos, que un acceso fácil y seguro a ellos es importante para el control en tiempo real y el aseguramiento de la calidad, y que los atributos de calidad medidos pueden alimentar un control por prealimentación o por realimentación [2]. Esto es relevante en las industrias química y farmacéutica y más allá; la dosificación PID en lazo cerrado se trata en una guía aparte.

Protocolos: del lazo de corriente a OPC UA

La vía más antigua es la señal analógica de corriente continua de IEC 60381-1 [3], con 4–20 mA especificado como rango de señal por ISA-50.00.01 [4]. Todos los PLC la aceptan, pero un analizador multiparamétrico necesita un lazo por parámetro, y la señal no transporta palabra de estado ni sello de tiempo. Modbus es un protocolo cliente/servidor de petición/respuesta cuyo servidor expone entradas discretas, bobinas (coils), registros de entrada y registros de retención, siendo los registros palabras de 16 bits; sobre TCP/IP utiliza el puerto 502 [5]. Por tanto, un resultado en coma flotante ocupa más de un registro y, como la especificación no define ningún campo de sello de tiempo ni de calidad, el integrador debe asignar el estado a registros adicionales [5].

EtherNet/IP y PROFINET son sistemas Ethernet cíclicos en tiempo real que, en las normas de perfiles IEC, pertenecen a la Familia de Perfiles de Comunicación 2 (CIP) y a la Familia 3 (PROFIBUS & PROFINET) [6][7]; son adecuados para un analizador que deba aparecer como dispositivo de E/S en el ciclo del controlador. OPC UA (IEC 62541) es un estándar independiente de la plataforma cuyos servidores exponen un espacio de direcciones de nodos tipados, con servicios para leer, escribir y suscribirse a cambios de datos, eventos y alarmas, y con autenticación, integridad y confidencialidad de los mensajes integradas [8]. Es la vía habitual hacia SCADA, MES e históricos.

El registro de resultado: valor, estado y sello de tiempo

Solo es seguro actuar sobre un resultado si este lleva tres elementos. OPC UA los formaliza como DataValue: el valor, un StatusCode de gravedad Good, Uncertain o Bad, y un SourceTimestamp fijado por la fuente de origen y transmitido sin cambios por los servidores intermedios [9]. El estado indica si el PLC puede usar el número; el sello de tiempo indica cuándo se midió el material.

Para el estado del dispositivo, NAMUR NE 107 describe señales de estado normalizadas, sus símbolos y su priorización [10]: fallo, comprobación de funcionamiento, fuera de especificación y mantenimiento necesario [11]. Deben exponerse como una palabra de estado junto a cada valor: con Modbus esa asignación debe diseñarse [5]; con OPC UA el StatusCode existe, pero el software del analizador debe fijarlo [9].

Latencia: medida, muestreo y publicación

La latencia es la suma de la adquisición espectral, la evaluación del modelo y la comunicación. En OPC UA, la parte de comunicación la determinan el intervalo de muestreo con el que el servidor consulta la fuente y el intervalo de publicación con el que se entregan las notificaciones; la especificación señala que un ciclo de actualización de la fuente no sincronizado y más lento añade un retardo adicional [9]. En Modbus el equivalente es el periodo de sondeo del cliente [5]. Así, los valores del analizador llegan con retraso y a intervalos variables; Griesing-Scheiwe et al. muestran que los estimadores que suponen un retardo y un tiempo de muestreo constantes pueden volverse inestables cuando estos varían [12]. De ello se derivan tres recomendaciones prácticas:

• Alinear el sondeo o la publicación con el ciclo del analizador. Leer más rápido de lo que el analizador produce resultados solo vuelve a leer el mismo valor; es el sello de tiempo de la fuente, y no el sondeo, lo que identifica una nueva medida [9].
• Transmitir el estado con cada valor. El PLC debe mantener su último valor bueno o pasar a un modo definido cuando el estado sea Bad o Uncertain, o cuando el dispositivo indique un fallo [9][11].
• Documentar escalado, unidades y tipos de datos. Los registros Modbus no contienen nada de esto, de modo que debe hacerlo la especificación de la interfaz [5].

Alarmas, históricos y ciberseguridad

IEC 62682 establece principios para la gestión de los sistemas de alarma en la industria de procesos, incluye el histórico de alarmas y las métricas de rendimiento como parte del sistema de alarmas y define su finalidad como notificar a los operadores las condiciones anómalas que requieren una respuesta [13]. Por tanto, los límites de composición del analizador deben racionalizarse junto con las demás alarmas de la planta, y los resultados deben almacenarse con estado y sello de tiempo en el histórico de la planta, de forma coherente con las funciones de nivel 3 de ISA-95 [1] y con la guía PAT sobre registros de lote [2].

En la red, IEC 62443-3-3 define requisitos de seguridad del sistema y niveles de seguridad, aplicados a través de las zonas y conductos del sistema para fijar un nivel objetivo para cada activo [14]. Un analizador en su propia zona, con un conducto que solo transporta las etiquetas acordadas, sigue ese modelo; OPC UA lo respalda con autenticación de aplicaciones y usuarios y con mensajes firmados y cifrados [8].

Cómo aborda USTECH la integración

El software ProChem de USTECH conecta los analizadores USTECH con el PLC y el SCADA de la planta para paneles en directo, alarmas y control automático de consignas, y se comunica con los PLC a través de una interfaz HTTP basada en Ethernet; el ProLine2550 y el ProLine17EC aportan las medidas y caliX los modelos de calibración. La asignación de estados y el intervalo de actualización adecuados para un sistema de control concreto se acuerdan con los ingenieros de automatización de la planta en un estudio de viabilidad con sus propias muestras.