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Controladores y su fuente de corriente de 4-20mA: como se manejan lo elementos finales de control?

26 Enero 2011

 

La forma mas simple donde encontramos señales de 4-20 mA es cuando las usamos para enviar señales de salida por un controlador, enviando esta señal hacia el elemento final de control. Aqui, el controlador provee energia y señal con información hacia el elemento final de control, el cual actúa como una carga electrica. Para ilutrar esto, consideremos el ejemplo siguiente en donde el controlador envia un siñal de 4-20mA a un convertirdor de señal I/P (corriente-presión), el cual entonces maneja la valvula de control matemáticamente.

 

 

 

Este controlador en particular tiene dos displays digitales, uno para la variable de proceso (PV) y otro para el setpoint (SP), con un bargraph (grafico de barra) para mostrar el valor de la señal de salida (OUT). Un pulsador provee al operador la manera para que pueda cambiar entre modo Automatico y Manual (A/M), mientras los dos otros botones proveen un decremento e incremento del valor de setpoint (en modo Automatico) o el valor de salida (in modo Manual).

 

Dentro del controlador, una fuente de corriente provee los 4-20mA DC para el convertidor I/P. Como todas los fuentes de corriente, su proposito es mantener la corriente en el "lazo" sin tener en cuenta la resistencia del circuito y cualquier fuente de voltaje externa. A diferencia de una fuente de corriente constante, una fuente de corriente "dependiente" (representada por una forma de un rombo en lugar de un circulo) varia el valor de corriente de acuerdo a algun estimulo externo. En este caso, el calculo matematico del controlador (en modo Automático) o un valor fijado por el operador (modo Manual) le dice a la fuente de corriente cuanto corriente DC debe mantener en el circuito.

 

Por ejemplo, si el operador cambia a modo Manual y fija el valor a 50%, la cantidad adecuada para este valor en porcentaje seria 12 mA (exactamente la mitad entre 4mA y 20mA). Si todo trabaja adecuadamente, la corriente en el "lazo" hacia el convertidor I/P deberia ser exactamente 12mA sin importar algun pequeño cambio en la resistencia del cable, de la bobina del I/P, o cualquier otra perturbacion: la fuente de corriente dentro del controlador "luchará" tanto como pueda para mantener la corriente en un valor fijo sin variaciones. Esta corriente, crea en la bobina dentro del convertidor I/P un campo magnetico para actuar sobre un mecanismo neumatico y producir 9 PSI de presion de salida hacia la valvula de control (9PSI es exactamente la mitad entre 3 PSI y 15 PSI de presion). De modo que esto debería mover la valvula de control en un 50% de apertura o posición.

 

Los detalles de la fuente de corriente interna del controlador no suelen ser muy "complicadas". Usualmente, toman la forma de un circuito con amplificadores operacionales.

 

Nuestro escenario seria igual si es que reemplazamos el convertidor I/P y la válvula de control con un variador de velocidad y un motor. Desde la perspectiva del controlador, la unica diferencia seria que ya no se tendria una carga inductiva sino una carga resistiva. La resistencia de entrada del variador de velocidad convierte la señál de 4-20mA en una señal de voltaje (tipicamente 1-5v, pero no siempre). Este señal de voltaje entonces contituye un comando para decirle al modulador de potencia "cuanta" energia electrica debe dar al motor para llegar a una determinada velocidad.

 

 

En este caso, el variador de velocidad tiene un circuito de potencia que tiene una toma trifasica AC y la convierte a potencia DC a un rango de voltaje variable (ese nivel de voltaje es controlado por la señal 4-20 mA que bota el controlador). Otro estilo de variador de velocidad es uno que tiene una toma AC y tiene una salida trifasica AC a un voltaje y frecuencia variable para potencia en un motor AC de induccion. Este tipo de variadores de velocidad son usualmente llamados "variador de frecuencia" o VFD.

 

 

José Carlos Villajulca

Soy un apasionado ingeniero especializado en Control, Automatizacion e Instrumentación Industrial. Con mas 9 años de experiencia desarrollando proyectos y manteniendo sistemas de control en diversas plantas industriales. Soy director y webmaster de InstrumentacionyControl.NET y de MyAutomationClass.com. Cualquier consulta o comentario lo puedes hacer en la parte de abajo y escribiendo nuestro foro: http://instrumentacionycontrol.net/foros/.

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