Lazo de presión en estación de bombeo: oscilación y lectura errática
Una estación de bombeo de agua potable tiene tres bombas centrífugas de 75 kW accionadas por variadores de frecuencia, un PLC y un lazo de control de presión en la descarga. El transmisor de presión es de 4-20 mA, dos hilos, alimentado a 24 V dc, y la señal llega al módulo de entrada analógica del PLC con una resistencia de 250 Ω. El cable es de 2 × 0,75 mm² sin apantallar, tendido en la misma bandeja que los cables de fuerza de los variadores a lo largo de 250 m. La presión oscila de forma sostenida ±0,6 bar con un periodo aproximado de 2 s; el operador, para «hacerla más rápida», subió la ganancia proporcional y la integral. Además, la lectura del transmisor salta ±0,3 bar cada vez que arranca un variador, y el registro histórico muestra que la bomba líder trabaja casi siempre entre 28 y 32 Hz. El jefe de planta pide que se «afine el PID» y no entiende por qué se propone cambiar cables y revisar la instalación.
1. Verifique eléctricamente el lazo de 4-20 mA: calcule la resistencia total, la tensión disponible en el transmisor y descarte o confirme que el problema sea de alimentación.
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Resistencia del lazo
- Resistencia del hilo (ida y vuelta), ρ = 0,0175 Ω·mm²/m: Rh = 2 · 0,0175 · 250 / 0,75 = 11,7 Ω.
- Resistencia de medida: 250 Ω (se supone incluida la impedancia de entrada del módulo).
- R total = 250 + 11,7 = 261,7 Ω.
Tensión disponible en el transmisor
- A 20 mA: Vcaída = 0,020 · 261,7 = 5,23 V.
- V en bornes del transmisor = 24 − 5,23 = 18,77 V.
- Un transmisor 4-20 mA de dos hilos típico necesita entre 12 y 18 V para funcionar; el margen es de unos 6,8 V, suficiente incluso si la fuente baja a 22 V (quedaría 16,8 V).
Conclusión El lazo no está limitado por caída resistiva: la longitud de 250 m con 0,75 mm² es eléctricamente aceptable para corriente continua. Por tanto:
- El salto de ±0,3 bar al arrancar un variador no es un problema de alimentación ni de resistencia de carga.
- Es un problema de inmunidad electromagnética: el par sin apantallar tendido junto a los cables de salida del variador recoge el modo común de alta dv/dt, que se convierte en tensión de modo serie en la entrada analógica. A esto se suma una posible malla de tierra con varios puntos.
Verificación práctica: medir con multímetro en bornes del PLC y comparar con el indicador local del transmisor; si el indicador está estable y la lectura del PLC salta, el ruido entra por el cable. Revisar también que la pantalla (si se instala) se conecte en un solo extremo y que el variador tenga su tierra de fuerza separada de la de señal.
2. Distinga si la oscilación de ±0,6 bar con periodo de 2 s es un problema de sintonía del PID, del proceso o de la señal, y proponga el procedimiento de diagnóstico.
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Análisis del periodo Un lazo de presión en una descarga con tres bombas y volumen de tubería considerable tiene constantes de tiempo del orden de segundos a decenas de segundos. Un ciclo sostenido de 2 s es demasiado rápido para ser dinámica del proceso: es la firma típica de (a) un lazo con ganancia excesiva, o (b) ruido de medida amplificado por la acción proporcional/derivativa. El operador agravó el problema al subir Kp y Ki «para hacerlo más rápido»: más ganancia sobre una señal ruidosa produce exactamente esa oscilación.
Procedimiento de diagnóstico (en orden)
- Confirmar la realidad física: comparar la lectura del PLC con un manómetro patrón en la descarga. Si la aguja no oscila, la oscilación es de señal → actuar sobre cableado y filtrado, no sobre el PID.
- Pasar el lazo a manual y fijar la salida. Si la presión se estabiliza, el problema es del controlador; si sigue oscilando, es del proceso (cavitación, bomba ciclando, aire en la línea, válvula de retención golpeando).
- Prueba de escalón en manual (por ejemplo, 40 % → 50 % de salida) registrando la presión: de ahí salen ganancia, constante de tiempo y retardo aparente del proceso, base para un ajuste por IMC/lambda.
- Revisar límites del actuador: la bomba líder vive entre 28 y 32 Hz, es decir, pegada al mínimo. Con el variador en el límite inferior, el lazo pierde autoridad y el integrador se satura (windup); eso también produce ciclos.
Correcciones de control
- Volver a PI (eliminar la derivativa, que solo amplifica ruido) o dejar D muy filtrada.
- Filtrar la variable de proceso (τ ≈ 0,5–1 s) y añadir anti-windup.
- Reajustar con lambda: Kp moderada, Ti del orden de la constante de tiempo dominante.
- Fijar mínimo de frecuencia en 30–35 Hz y usar función sleep o arranque/parada de bombas por etapas, en lugar de forzar el variador al límite.
3. Formule el plan de puesta en marcha que demuestre, con registros, que el lazo quedó estable y que la señal es confiable.
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1. Intervención física (antes de tocar el PID)
- Sustituir el par por cable apantallado y trenzado para señal; pantalla conectada en el extremo del PLC (o en ambos con bonding equipotencial), nunca dejada flotante en los dos extremos.
- Separar la bandeja de señal de la de fuerza al menos 30 cm, o usar bandeja metálica con separador; cruces a 90°.
- Verificar tierra única de señal, tierra de fuerza del variador y pantalla del cable de motor con abrazadera de 360°.
- Añadir filtro RC o ferrita en la entrada analógica si persiste el ruido de alta frecuencia; activar el filtro digital de la entrada del PLC (0,2–0,5 s).
2. Identificación del proceso
- Con el lazo en manual, ejecutar 3 escalones (subida y bajada) del 10 % de salida, con registro de tendencia a 1 s.
- Obtener K, τ y θ; documentarlos. Sin estos datos, cualquier ajuste es adivinanza.
3. Sintonía y verificación
- Calcular PI por lambda/IMC con τ de lazo cerrado 3–5 veces θ.
- Aplicar y registrar: prueba de cambio de consigna (escalón de 0,2 bar) y perturbación (arranque/parada de una bomba).
- Criterios de aceptación: error en régimen permanente ≈ 0; sobreimpulso < 10 %; tiempo de establecimiento < 30 s; oscilación residual < 0,1 bar; ninguna acción del integrador saturada.
4. Registro y cierre
- Guardar tendencias de 72 h con las tres bombas en servicio, incluyendo al menos un arranque de variador y una parada de bomba.
- Documentar el ajuste final (Kp, Ti, filtros, límites de frecuencia, anti-windup) y dejarlo bloqueado con contraseña.
- Incluir en el plan de mantenimiento: verificación anual del lazo de corriente (inyectar 4, 12 y 20 mA y comprobar lectura) y revisión de la pantalla del cable de señal.