Diagnóstico de un lazo de presión 4-20 mA con lectura desviada y ruido del variador
Un lazo de control de presión descarga un tanque a la línea de proceso. El transmisor es de dos hilos, rango 0-16 bar, salida 4-20 mA, alimentado desde la misma tarjeta de entrada analógica del PLC (24 VDC). La tarjeta es de 12 bits y el bloque de escalamiento del programa convierte la cuenta cruda (0-4095) a 0-16 bar. El operador reporta que, con un manómetro patrón conectado en el mismo punto que indica 5.0 bar, el PLC muestra 7.2 bar de forma estable. Además, cuando el variador del ventilador de tiro inducido cercano opera a 45 Hz, la lectura oscila ±0.4 bar y se escucha un zumbido en la señal; con el variador detenido la lectura es estable. El cable del transmisor corre en la misma charola que los cables del motor del ventilador, la pantalla está conectada a tierra en ambos extremos y la entrada del PLC es referida a tierra (single-ended). El lazo se alimenta de una fuente de 24 V que comparte el neutro de tierra del tablero de fuerza.
1. Explica por qué el PLC indica 7.2 bar cuando el manómetro marca 5.0 bar y propone la corrección.
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1. Corriente esperada a 5.0 bar.
I = 4 + 16 × (5.0/16) = 9.0 mA
2. Verificación del desvío supuesto. Si la tarjeta está configurada en 0-20 mA (no en 4-20 mA), 9.0 mA ocupa 9/20 del fondo de escala:
cuenta = (9.0/20) × 4095 = 1843 lectura = (1843/4095) × 16 = 7.20 bar ✔
El valor coincide exactamente con lo reportado: el problema no es el transmisor ni el manómetro, es que la tarjeta se declara en 0-20 mA mientras el programa escala como si fuera 4-20 mA. El error no es constante: es proporcional a la lectura (offset + ganancia), por eso en 0 bar el PLC leería valores negativos.
3. Corrección. Cambiar el rango del canal en la configuración del módulo a 4-20 mA. Si el hardware no lo permite, corregir el escalamiento: 4 mA = 819 cuentas y 20 mA = 4095 cuentas, de modo que
P = (cuenta − 819)/(4095 − 819) × 16
Al verificar con el manómetro patrón a 5 bar debe leerse 5.0 ± resolución. Resolución con 4-20 mA y 12 bits: 16 mA/3276 cuentas ≈ 4.9 µA por cuenta ≈ 4.9 mbar, más que suficiente para el lazo.
2. Diagnostica la oscilación de ±0.4 bar cuando opera el variador y propone la corrección, justificando por qué no es ruido inducido directamente en el lazo de corriente.
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1. Magnitud del error. ±0.4 bar equivale a 0.4 × (16 mA/16 bar) = 0.4 mA, es decir ±82 cuentas (1 cuenta = 20 mA/4095 ≈ 4.9 µA). Inducir 400 µA sobre un lazo de corriente de baja impedancia exigiría un acoplamiento enorme: el lazo de corriente es intrínsecamente inmune porque la señal es de corriente, no de tensión.
2. Causa real. El error no se induce en el lazo, se convierte en la entrada. La pantalla aterrizada en ambos extremos crea un lazo de tierra; la corriente de modo común que circula por la charola compartida con el cable del motor PWM se convierte en tensión diferencial en la impedancia del trayecto de retorno, y la entrada single-ended no tiene rechazo de modo común. Por eso aparece solo a 45 Hz, es decir, con el variador modulando.
3. Correcciones, en orden de costo/efecto.
- Aterrizar la pantalla en un solo extremo (lado PLC) y dejar el otro aislado.
- Separar físicamente el cable de señal de los cables del motor; cruzar a 90° cuando sea inevitable.
- Configurar la entrada como diferencial o instalar un aislador de señal 4-20 mA en el tablero.
- Verificar que la fuente de 24 V del lazo no comparta el retorno de fuerza: usar fuente dedicada con retorno propio.
4. Cierre. Documentar la medición de mV de modo común antes y después, y repetir la prueba a 30, 45 y 60 Hz. No se debe corregir con filtros de software un problema de instalación: el filtro solo enmascara y agrega retardo al control.
3. Después de corregir el cableado, un ensayo escalón arroja ganancia de proceso 1.8 bar por % de apertura, constante de tiempo 20 s y tiempo muerto 6 s. Calcula ajustes iniciales de PID con regla IMC (λ = θ) y explica qué verificar antes de culpar a la sintonía.
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1. Modelo FOPDT. G(s) = 1.8·e^(−6s)/(20s + 1), con Kp = 1.8 bar/%, τ = 20 s, θ = 6 s.
2. Reglas IMC para PI (λ = θ = 6 s).
Kc = τ/[Kp(λ + θ)] = 20/[1.8 × 12] = 0.93 %/bar Ti = τ = 20 s (o τ + θ/2 = 23 s en la variante PI de IMC) Td ≈ 0; el tiempo muerto es pequeño frente a τ (θ/τ = 0.3), así que el derivativo aporta poco y amplifica ruido.
3. Unidades. Si el controlador trabaja en %/%, hay que normalizar por los rangos del transmisor y de la válvula: Kc[%/%] = Kc[%/bar] × span del PV en bar / span de salida en %. Omitir esto es una causa clásica de lazos que parecen «mal sintonizados» sin estarlo.
4. Verificar antes de sintonizar.
- Que la válvula no tenga fricción estática (stiction): produce ciclos límite de amplitud constante que ninguna sintonía elimina; se detecta por escalones de 1 % y por la histéresis en el posicionador.
- Que el transmisor esté calibrado y el rango del canal sea 4-20 mA.
- Que el tiempo de muestreo del PLC sea al menos 5 a 10 veces menor que θ (aquí ≤ 1 s).
5. Criterio. Aplicar los ajustes, dar un escalón de 2 % en el setpoint y medir sobreimpulso y tiempo de establecimiento; ajustar λ (más conservador con λ mayor) según la criticidad del lazo. Ningún cálculo de sintonía sustituye la revisión del elemento final de control.