Boucler la régulation du dosage sur les résultats d'analyseur avec OPC UA

Pourquoi fermer la boucle sur un résultat d'analyseur

Dans les industries chimique, pharmaceutique, laitière et de l'alimentation animale, une composition connue uniquement par le laboratoire est corrigée tardivement et à la main. Le guide PAT de la FDA décrit au contraire la maîtrise de la fabrication par des mesures effectuées en temps utile pendant le procédé, avec des outils de contrôle qui surveillent l'état d'un procédé et agissent activement sur lui [1]. Kourti soutient qu'un analyseur en temps réel ne prend toute sa valeur que lorsque sa sortie entre dans la conduite du procédé [2] ; Simon et al. passent en revue des exemples industriels [3]. Ce guide traite de ce qui doit être correct dans l'interface et dans le régulateur lorsqu'une vanne de dosage est pilotée par une prédiction NIR en ligne.

Ce qu'OPC UA apporte à l'interface

OPC Unified Architecture est publiée par l'OPC Foundation et normalisée sous la série IEC 62541, dont la partie 1 présente les concepts et un ordre de lecture des autres parties [4]. La partie 1 cite parmi ses objectifs de conception l'indépendance vis-à-vis des plateformes, un modèle de sécurité intégré et des modèles d'information extensibles [5]. Pour un analyseur, c'est le modèle d'information qui est utile : la partie 8 (Data Access) définit la famille AnalogItemType, qui porte une EURange (la plage attendue en fonctionnement normal) et des EngineeringUnits, et le type de base DataItemType ajoute une chaîne Definition décrivant la manière dont la valeur est calculée ainsi qu'une propriété ValuePrecision [6]. Une valeur prédite de matière grasse ou d'humidité exposée de cette façon emporte avec elle son unité, sa plage et sa signification.

Chaque valeur circule sous forme de DataValue : la valeur, un StatusCode, un sourceTimestamp appliqué par la source de données et jamais modifié ensuite, et un serverTimestamp fixé par chaque serveur relais [7]. C'est l'horodatage de la source qui compte pour la régulation — il correspond à l'instant du spectre à l'origine de la prédiction — tandis que l'horodatage du serveur indique seulement quand le serveur a confirmé la valeur pour la dernière fois [7].

Qualité des données et état de l'appareil

Un PLC ne doit pas traiter une valeur OPC UA comme un simple nombre. Le StatusCode est un champ de 32 bits dont les bits de sévérité classent la valeur comme Good, Uncertain ou Bad ; la partie 4 impose à chaque client de le vérifier avant d'utiliser un résultat et précise que les résultats à l'état mauvais ne doivent jamais être utilisés [7]. La partie 8 ajoute des sous-codes pertinents pour un analyseur, tels que Bad_SensorFailure, Uncertain_LastUsableValue lorsque la source a cessé de se mettre à jour, Uncertain_EngineeringUnitsExceeded lorsque la valeur sort de sa plage définie et Good_LocalOverride lorsqu'une valeur manuelle a été forcée, et précise que l'obsolescence s'apprécie d'après les horodatages et non d'après le code [6].

L'état de l'instrument est modélisé séparément. La partie 100 (Devices) définit une interface DeviceHealth dont l'énumération — NORMAL, FAILURE, CHECK_FUNCTION, OFF_SPEC et MAINTENANCE_REQUIRED — est déclarée indiquer l'état tel que défini par la recommandation NAMUR NE 107 [8], vocabulaire commun de l'industrie de procédé pour les appareils de terrain à autosurveillance, révisé en 2017 avec une hiérarchisation des signaux d'état [9]. Un balayage de référence (CHECK_FUNCTION) ou un spectre situé hors de la population d'étalonnage (OFF_SPEC) devient ainsi un motif, indépendant du fournisseur, de geler la boucle [8][9]. L'accès est régi par le modèle de sécurité de la partie 2 — authentification, autorisation limitée à ce que la fonction exige, confidentialité, intégrité et auditabilité — si bien que l'accès en écriture à une consigne ou à un déclenchement de mesure est restreint en conséquence [10].

La boucle PID avec retour d'analyseur

Une boucle alimentée par un analyseur est un problème de temps mort. Normey-Rico et al. comptent le temps de traitement des capteurs parmi les causes du temps mort et expliquent que, le régulateur corrigeant une erreur apparue plus tôt, une boucle simple soit oscille lorsqu'elle est réglée pour un temps d'établissement court, soit réagit mollement lorsqu'elle est réglée pour éviter les oscillations [11]. Pour une vanne de dosage, le temps mort correspond au transport du point d'injection au point de mesure, augmenté de l'intervalle de mesure et de prédiction de l'analyseur. Lorsqu'il est grand par rapport à la constante de temps du procédé, le remède habituel est un compensateur de temps mort : le prédicteur de Smith, proposé en 1957, utilise un modèle sans retard de sorte que le régulateur principal voit un système équivalent sans temps mort, ou avec un temps mort réduit — propriété valable dans le cas nominal et qui se dégrade en cas d'écart entre procédé et modèle [11]. Le régulateur principal est en général un bloc PI ou PID dans un PLC programmé selon l'IEC 61131-3 [11][12].

L'intervalle d'échantillonnage découle de la même logique. Dans OPC UA, l'intervalle d'échantillonnage d'un abonnement est la cadence la plus rapide à laquelle le serveur échantillonne sa source, et la partie 4 note qu'un système sous-jacent découplé peut se mettre à jour bien plus lentement que cette cadence [7]. S'abonner plus vite que l'analyseur ne mesure produit des valeurs répétées, pas de nouvelles informations ; la boucle doit s'exécuter à l'arrivée d'un nouvel horodatage de source plutôt que sur l'horloge de l'abonnement [7].

Sécurité, verrouillages et responsabilités

Le dosage piloté par analyseur relève de la conduite de base du procédé. Les fonctions de protection — limites de surdosage, marche à sec de la pompe, niveau haut de réactif — relèvent d'un système instrumenté de sécurité au sens de l'IEC 61511-1, conçu pour que l'on puisse compter sur lui pour atteindre ou maintenir un état sûr indépendamment de la couche de régulation [13]. Trois points pratiques en découlent :

• Définissez la stratégie de maintien avant le réglage. En cas de qualité Bad, d'horodatage de source périmé, d'état d'appareil FAILURE ou OFF_SPEC, ou d'un signal de valeur aberrante émis par le modèle chimiométrique, la sortie du PID est figée ou ramenée à une valeur sûre par défaut, avec une reprise sans à-coup [6][7][8].
• Gardez les limites absolues de la vanne hors de la boucle. Les limites de vitesse et de position de l'actionneur et tout déclenchement sur la quantité dosée résident dans la logique du PLC ou dans le système de sécurité, et non dans le logiciel de l'analyseur [12][13].
• Documentez la sémantique des nœuds. EngineeringUnits, EURange, Definition et chaque sous-code d'état sont convenus entre fournisseur et intégrateur et figés dans le modèle d'information, de sorte qu'un changement ultérieur d'étalonnage apparaisse comme un changement de sémantique [6].

L'approche d'USTECH

Les analyseurs en ligne d'USTECH, le FT-NIR de procédé ProLine2550 pour les liquides, les suspensions et les flux de solides simples et le ProLine17EC pour le montage direct sur conduite ou sur cuve, exécutent des étalonnages construits dans caliX ; ProChem transmet les prédictions et les états au PLC de l'usine et permet au PLC de sélectionner le produit et la méthode. Les conditions de maintien, la compensation du temps mort et les verrouillages sont définis avec les ingénieurs automatisme et sécurité de l'usine. Le point de départ est une étude de faisabilité réalisée avec vos propres échantillons, dans vos propres conditions de procédé.