Instrumentación y regulación PID

Una máquina de cadena de montaje trabaja con señales de sí o no: está la pieza o no está. Pero en cuanto hay que mantener una temperatura, una presión, un nivel o un caudal, entran en juego la instrumentación (medir bien) y la regulación (corregir solo). Es el terreno de los transmisores, las señales de 4–20 mA y los reguladores PID, y en la puesta en marcha es donde más tiempo se pierde si no se entiende.

Sensor, transmisor e instrumento

El sensor es lo que nota la magnitud: una membrana que se deforma con la presión, una resistencia que cambia con la temperatura. El transmisor convierte esa medida en una señal estándar que entiende el PLC, normalmente 4–20 mA. Muchos transmisores llevan además una pantalla y se configuran por botones o por HART.

• 4–20 mA: la señal más usada. 4 mA es el 0 % y 20 mA el 100 %; 0 mA indica una avería. Lo explica la guía qué es 4–20 mA.
• HART: una señal digital que viaja superpuesta a los 4–20 mA sin alterarlos. Sirve para configurar el transmisor y leer diagnósticos con el mismo par de hilos.
• 0–10 V: sencilla, pero sensible a la longitud del cable y al ruido. Se usa en distancias cortas.
• Buses e IO-Link: el valor llega ya en digital, con más información (unidades, alarmas, estado).

Lo que se mide

• Temperatura con Pt100: una resistencia de platino de 100 Ω a 0 °C que sube unos 0,385 Ω por grado. Se conecta a 2, 3 o 4 hilos: a 3 hilos se compensa la resistencia del cable, y a 2 hilos el cable suma error.
• Temperatura con termopar: dos metales distintos unidos generan una tensión muy pequeña (un tipo K da unos 41 µV por grado). Aguanta temperaturas muy altas, pero necesita cable de compensación y medir la temperatura de la unión fría.
• Presión: relativa (respecto a la atmósfera, la de los manómetros) o absoluta (respecto al vacío). No confundirlas es la mitad del trabajo.
• Nivel: por presión en el fondo del depósito (1 m de agua son unos 98 mbar), por ultrasonidos, por radar o con interruptores de nivel para alarmas.
• Caudal: electromagnéticos para líquidos conductores, Coriolis cuando importa la masa, vórtex para vapor y gases.

Las etiquetas de los esquemas (P&ID)

En los esquemas de proceso cada instrumento lleva una etiqueta según la norma ISA-5.1. La primera letra es la magnitud y las siguientes, la función:

Calibrar y comprobar un transmisor

Un transmisor se define por su cero (el valor que da 4 mA) y su span o rango (la diferencia entre el valor de 20 mA y el de 4 mA). Para comprobarlo se le aplica un valor conocido (con un calibrador de presión, un baño de temperatura o un simulador de Pt100) en varios puntos, por ejemplo al 0, 25, 50, 75 y 100 %, y se mira que la corriente sea la que toca. El error se expresa en tanto por ciento del span.

El lazo de regulación

Un lazo cerrado tiene cuatro piezas: el proceso (el horno, el depósito), el transmisor que mide la variable (PV), el regulador que la compara con la consigna (SP) y el actuador (una válvula, una resistencia, un variador) que recibe la salida del regulador (CV). La diferencia entre consigna y medida es el error.

• Todo o nada con histéresis: la regulación más simple. Enciende por debajo de un valor y apaga por encima de otro. Basta para muchas cosas (un termostato), pero la variable siempre oscila entre los dos límites.
• PID: calcula una salida proporcional y continua para que la variable se quede en la consigna sin oscilar.

Las tres acciones del PID

• P (proporcional): corrige en proporción al error. Sola, deja casi siempre un error permanente: para dar salida necesita que haya error. Mucha P hace que el lazo oscile.
• I (integral): va acumulando el error a lo largo del tiempo y lo elimina. Demasiada integral (un tiempo de integración demasiado corto) hace el lazo lento de asentar y oscilante.
• D (derivativa): reacciona a la velocidad con la que cambia el error y frena antes de pasarse. Es útil en procesos lentos, como hornos, pero amplifica el ruido de la medida: en caudal y presión casi no se usa.

Puedes ver cada acción por separado en el simulador de regulación PID, con un horno y un depósito.

Cómo se ajusta

1. Comprobar el sentido de la acción. En una calefacción, si la temperatura baja, la salida tiene que subir (acción inversa). En una refrigeración es al revés (acción directa). Con el sentido mal, el regulador empuja la variable en la dirección equivocada.
2. Hacer una prueba en lazo abierto. Con el regulador en manual, se da un escalón a la salida y se registra cómo responde el proceso: cuánto cambia (ganancia), cuánto tarda en empezar (tiempo muerto) y cuánto en llegar (constante de tiempo).
3. Calcular unos valores de partida con una regla conocida (Ziegler-Nichols, SIMC u otras) o con la autosintonía del regulador, como la que traen PID_Compact en TIA Portal y muchos reguladores de panel.
4. Afinar en automático, con cambios pequeños de consigna, hasta que la respuesta sea rápida y con poca sobreoscilación.

En un PLC, el PID se llama siempre a intervalos fijos: en Siemens, desde una alarma cíclica (OB 30 y siguientes), nunca desde el ciclo libre del OB 1, cuya duración cambia.

La válvula de control

En procesos con fluidos, el actuador suele ser una válvula de control con un posicionador que la lleva a la apertura que pide la señal de 4–20 mA. Hay que saber qué hace si se pierde el aire o la señal: normalmente cerrada en fallo (por ejemplo, el vapor de un intercambiador) o normalmente abierta en fallo (por ejemplo, el agua de refrigeración). Es una decisión de seguridad del diseño del proceso.

Errores típicos

• Configurar la acción del regulador al revés y ver cómo la variable se va al extremo.
• Escalar en el PLC un rango distinto del configurado en el transmisor.
• Poner derivativa en un lazo de caudal o de presión con una medida ruidosa.
• Confundir el tiempo integral en segundos con el de minutos al copiar parámetros de otro equipo.
• Llamar al PID desde el OB 1 en vez de desde una alarma cíclica.
• Subir la ganancia para «hacerlo más rápido» hasta que el lazo oscila.

Resumen

• El transmisor convierte la medida en 4–20 mA; 0 mA es una avería.
• Pt100 a 3 hilos para compensar el cable; presión relativa o absoluta, sin confundirlas.
• Etiquetas ISA: primera letra la magnitud, las siguientes la función (PT, TT, FIC, LSH…).
• P deja error permanente, I lo elimina, D frena pero amplifica el ruido.
• Antes de ajustar: el sentido de la acción y una prueba en lazo abierto.
• El PID, a intervalos fijos y con anti-windup.