Oscilación sostenida y sobreimpulso en un lazo de temperatura
Un lazo de temperatura calienta 12 m³/h de agua de proceso en un intercambiador de placas con vapor saturado. La medición es una RTD en termopozo y la actuación es una válvula neumática de 2 pulgadas, de característica nominal igual porcentaje, instalada en la línea de vapor. El transmisor tiene span de 0-150 °C. El PID del PLC está configurado con Kc = 8, Ti = 20 s y Td = 0. Con el lazo en automático, la temperatura oscila de forma sostenida entre 62 y 74 °C con un periodo de 4 minutos, mientras la válvula salta de 5 % a 70 % de apertura en cada ciclo; casi nunca opera entre 20 % y 60 %. En el arranque tras una parada, la salida se queda saturada en 100 % durante 9 minutos y luego aparece un sobreimpulso de 15 °C. Una prueba de escalón dio ganancia del proceso 0.8 °C/%, τ ≈ 90 s y θ ≈ 25 s.
1. Diagnostique la causa probable de la oscilación y explique por qué el lazo es inestable con la sintonía actual.
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Hay dos causas que se suman.
1. Válvula sobredimensionada. Para 12 m³/h de agua, una válvula de 2 pulgadas abre apenas unos grados: el salto de 5 % a 70 % indica que el caudal requerido se alcanza en una franja mínima de carrera. Con tan poca resolución, el juego mecánico y la banda muerta del posicionador producen un ciclo límite: la válvula no puede mantener un caudal intermedio estable. El síntoma típico es oscilación de amplitud constante y periodo dominado por el tiempo muerto, no por la dinámica térmica.
2. Sintonía demasiado agresiva. Ganancia de lazo = Kc × Kp = 8 × 0.8 = 6.4. Incluso Ziegler-Nichols en lazo abierto daría Kc = 1.2τ/(Kp·θ) = 1.2 × 90/(0.8 × 25) ≈ 5.4, Ti = 2θ = 50 s y Td = 0.5θ = 12.5 s. La configuración actual (Kc = 8, Ti = 20 s) es más agresiva que ZN en ambas direcciones: integral cuatro veces más rápida y ganancia 48 % mayor. Con θ/τ = 0.28, el margen de fase es escaso.
3. Retardo de medición. El termopozo añade 10-20 s de retardo adicional, de modo que el θ efectivo es mayor que el medido con la RTD desnuda y el margen real es aún menor.
Conclusión: primero se corrige el elemento final (trim o válvula menor), después se sintoniza. Sintonizar sin corregir la válvula deja el ciclo límite.
2. Proponga valores de sintonía con criterio y explique cómo verificarlos.
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Con un modelo FOPDT identificado (Kp = 0.8 °C/%, τ = 90 s, θ = 25 s) se aplica sintonía lambda para obtener respuesta sobreamortiguada, adecuada en temperatura:
- λ = θ = 25 s (compromiso entre rapidez y robustez).
- Kc = τ/(Kp·(λ + θ)) = 90/(0.8 × 50) = 2.25 %/°C.
- Ti = τ = 90 s.
- Td = 0 (el ruido de la RTD y el retardo no justifican derivativa; si se usa, Td ≈ θ/3).
Con λ = 40 s se obtendría Kc = 1.38, aún más conservador si el lazo debe convivir con cambios de carga frecuentes.
Verificación: escalón de 5 °C en el punto de consigna, registrar PV, salida y apertura; criterios de aceptación: sin oscilación sostenida, sobreimpulso < 10 %, tiempo de asentamiento del orden de 3-4 λ, y salida sin saturación. Si la válvula se corrige antes, la ganancia del proceso cambia (una válvula menor entrega más °C por % de carrera), por lo que Kp debe re-identificarse y Kc recalcularse; usar los valores actuales sin re-identificar llevaría otra vez a un lazo inestable.
No usar Ziegler-Nichols como valor final: es un punto de partida que en este lazo produce sobreimpulso excesivo.
3. Explique el sobreimpulso de 15 °C tras el arranque y proponga la corrección.
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El fenómeno es windup de la acción integral. Durante los 9 minutos de arranque la PV está lejos del punto de consigna y la salida permanece saturada en 100 %; el integrador sigue acumulando error aunque la válvula ya no puede abrir más. Cuando la temperatura se acerca al valor deseado, ese término acumulado mantiene la válvula abierta y produce el sobreimpulso, que luego obliga a una corrección brusca y alimenta el ciclo.
Correcciones:
- Limitación del integrador (clamp) o mejor realimentación externa (back-calculation): el integrador se calcula a partir de la salida real, no de la calculada.
- Transferencia sin salto y arranque en manual con rampa de consigna hasta la temperatura de proceso.
- Setpoint ramp o perfil de arranque proporcional a la inercia térmica del circuito.
- Feedforward desde caudal de agua o presión de vapor para anticipar perturbaciones de carga.
- Si el problema persiste, dividir el rango con una válvula pequeña de arranque (split range).
Además, el tiempo de 9 minutos sugiere que el caudal de arranque es inferior al nominal; conviene verificar que la bomba de agua esté en servicio antes de abrir vapor, y registrar el evento para distinguir entre problema de control y secuencia de operación.