NIR Analizörleri PLC ve SCADA Sistemleriyle Nasıl Entegre Olur: Pratik Bir Genel Bakış

Analizörün otomasyon hiyerarşisindeki yeri

Hat içi bir NIR analizörü, ancak üzerine işlem yapan sistemlere ulaştığında kontrol için yararlı olan bileşim değerleri üretir. IEC 62264-1 (ISA-95) bu arayüzü seviyeler halinde tanımlar: Seviye 1 ila 3 üretim operasyonları ve kontrol alanını oluşturur, Seviye 3 üretim operasyonları yönetimidir ve Seviye 4 kurumsal alandır [1]. FDA'nın PAT kılavuzu, proses analizörlerinin tipik olarak büyük hacimde veri ürettiğini, bu verilere kolay ve güvenli erişimin gerçek zamanlı kontrol ve kalite güvencesi için önemli olduğunu ve ölçülen kalite özelliklerinin ileri besleme veya geri besleme kontrolünü sürebileceğini belirtir [2]. Bu durum kimya ve ilaç sektörlerinde ve ötesinde önemlidir; kapalı döngü PID dozlama ayrı bir rehberde ele alınmaktadır.

Protokoller: akım döngüsünden OPC UA'ya

En eski yol, IEC 60381-1'deki analog doğru akım sinyalidir [3]; ISA-50.00.01 sinyal aralığı olarak 4–20 mA'yı belirler [4]. Her PLC bunu kabul eder, ancak çok parametreli bir analizör her parametre için bir döngüye ihtiyaç duyar ve sinyal herhangi bir durum sözcüğü ya da zaman damgası taşımaz. Modbus, sunucusu ayrık girişler, bobinler (coils), giriş kayıtçıları ve tutma kayıtçıları sunan, kayıtçıları 16 bitlik sözcüklerden oluşan istek/yanıt tabanlı bir istemci/sunucu protokolüdür; TCP/IP üzerinde 502 numaralı portu kullanır [5]. Bu nedenle kayan noktalı bir sonuç birden fazla kayıtçıya yayılır ve şartname herhangi bir zaman damgası veya kalite alanı tanımlamadığından, durum bilgisinin entegratör tarafından ek kayıtçılara eşlenmesi gerekir [5].

EtherNet/IP ve PROFINET, IEC profil standartlarında İletişim Profili Ailesi 2'ye (CIP) ve Aile 3'e (PROFIBUS & PROFINET) ait döngüsel gerçek zamanlı Ethernet sistemleridir [6][7]; kontrolör taramasında bir G/Ç cihazı olarak görünmesi gereken bir analizöre uygundurlar. OPC UA (IEC 62541), sunucuları tipli düğümlerden oluşan bir adres alanı sunan, verilerin okunması, yazılması ve veri değişikliklerine, olaylara ve alarmlara abone olunması için servisler sağlayan, kimlik doğrulama ile mesaj bütünlüğü ve gizliliği yerleşik olan platformdan bağımsız bir standarttır [8]. SCADA, MES ve veri arşivleyicilere giden olağan yol budur.

Sonuç kaydı: değer, durum, zaman damgası

Bir sonuç, ancak üç şey taşıyorsa üzerine güvenle işlem yapılabilir. OPC UA bunları DataValue olarak biçimselleştirir: değer, önem derecesi Good, Uncertain veya Bad olan bir StatusCode ve kaynak tarafından belirlenip ara sunucular tarafından değiştirilmeden aktarılan bir SourceTimestamp [9]. Durum, PLC'nin sayıyı kullanıp kullanamayacağını; zaman damgası ise malzemenin ne zaman ölçüldüğünü söyler.

Cihaz sağlığı için NAMUR NE 107 standartlaştırılmış durum sinyallerini, bunların sembollerini ve önceliklendirilmesini tanımlar [10]: arıza, fonksiyon kontrolü, spesifikasyon dışı ve bakım gerekli [11]. Bunlar her değerin yanında bir durum sözcüğü olarak sunulmalıdır: Modbus'ta bu eşlemenin tasarlanması gerekir [5]; OPC UA'da StatusCode mevcuttur ancak onu analizör yazılımının ayarlaması gerekir [9].

Gecikme: ölçüm, örnekleme ve yayımlama

Gecikme; spektrum alımı, model hesaplaması ve iletişimin toplamıdır. OPC UA'da iletişim kısmı, sunucunun kaynağı kontrol ettiği örnekleme aralığı ve bildirimlerin iletildiği yayımlama aralığı tarafından belirlenir; şartname, kaynağın senkronize olmayan ve daha yavaş bir güncelleme döngüsünün ek gecikme yarattığını not eder [9]. Modbus'ta bunun karşılığı istemcinin sorgulama periyodudur [5]. Dolayısıyla analizör değerleri gecikmeli ve değişken aralıklarla gelir; Griesing-Scheiwe ve ark., sabit gecikme ve örnekleme süresi varsayan kestiricilerin bunlar değiştiğinde kararsız hale gelebileceğini gösterir [12]. Buradan üç uygulama noktası çıkar:

• Sorgulamayı veya yayımlamayı analizör döngüsüyle hizalayın. Analizörün sonuç üretmesinden daha hızlı okumak yalnızca aynı değeri yeniden okur; yeni bir ölçümü sorgu değil kaynak zaman damgası tanımlar [9].
• Durumu her değerle birlikte taşıyın. Durum Bad veya Uncertain olduğunda ya da cihaz arıza bildirdiğinde PLC son iyi değerini korumalı veya tanımlı bir moda geçmelidir [9][11].
• Ölçeklemeyi, birimleri ve veri tiplerini belgeleyin. Modbus kayıtçıları bunların hiçbirini taşımaz, bu yüzden arayüz şartnamesi taşımalıdır [5].

Alarmlar, veri arşivleyiciler ve siber güvenlik

IEC 62682, proses endüstrisi alarm sistemlerinin yönetimi için ilkeler ortaya koyar, alarm arşivleyiciyi ve performans metriklerini alarm sisteminin bir parçası sayar ve amacını operatörleri müdahale gerektiren anormal durumlardan haberdar etmek olarak tanımlar [13]. Bu nedenle analizörün bileşim limitleri tesisin diğer alarmlarıyla birlikte rasyonelleştirilmeli ve sonuçlar, ISA-95'in Seviye 3 fonksiyonları [1] ve PAT kılavuzunun parti kayıtlarına ilişkin hükümleriyle [2] uyumlu olarak, durum ve zaman damgasıyla birlikte tesisin veri arşivleyicisinde saklanmalıdır.

Ağ tarafında IEC 62443-3-3, sistem güvenlik gereksinimlerini ve güvenlik seviyelerini tanımlar; bunlar her varlık için bir hedef seviye belirlemek üzere sistemin bölgeleri (zones) ve kanalları (conduits) aracılığıyla uygulanır [14]. Kendi bölgesinde bulunan ve yalnızca üzerinde anlaşılmış etiketleri taşıyan bir kanala sahip bir analizör bu modeli izler; OPC UA bunu uygulama ve kullanıcı kimlik doğrulaması ile imzalı, şifreli mesajlarla destekler [8].

USTECH'in entegrasyon yaklaşımı

USTECH'in ProChem yazılımı, USTECH analizörlerini canlı panolar, alarmlar ve otomatik ayar noktası kontrolü için tesisin PLC ve SCADA sistemine bağlar ve PLC'lerle Ethernet tabanlı bir HTTP arayüzü üzerinden iletişim kurar; ölçümleri ProLine2550 ve ProLine17EC, kalibrasyon modellerini ise caliX sağlar. Belirli bir kontrol sistemi için doğru durum eşlemesi ve güncelleme aralığı, kendi numunelerinizle yürütülen bir fizibilite çalışmasında tesisin otomasyon mühendisleriyle birlikte belirlenir.