Desde que comencé a trabajar, he tenido la oportunidad de presenciar numerosas instalaciones y lazos de 4-20 mA, tanto en lazos de corriente activos como pasivos. Además, he colaborado con una amplia gama de profesionales, desde novatos hasta expertos con una gran trayectoria. Un tema que siempre ha generado interés y debate es la distancia máxima que se puede alcanzar al transmitir una señal en el rango de 4-20 mA.
Para contextualizar, normalmente trabajamos con PLCs o DCS en algunas situaciones nos encontramos con instrumentos que se ubican a distancias considerables, como más de 500 metros, 800 metros o incluso 1000 metros o mas. Esta distancia considerable plantea la pregunta: «José Carlos, ¿es posible que una señal de 4-20 mA alcance esa distancia, o es necesario considerar otro método de transmisión para llevar la señal hasta el PLC o DCS?»
En este artículo, mi objetivo es explorar tanto los aspectos teóricos como los prácticos para ayudarte a resolver esta interrogante. También quiero compartir contigo mi punto de vista y abordar los aspectos económicos que están involucrados en esta cuestión. Aunque no me adentraré en cálculos exhaustivos de la parte teórica, proporcionaré una descripción que te ayudará a entender los factores que debes tener en mente. Para cálculos detallados, puedes encontrar referencias adicionales en línea o consultar algunos enlaces que te proporcionaré.
La teoria, siempre la teoria….
A nivel teorico, principalmente lo que determinará la distancia teórica que una señal de 4-20 mA puede transmitir, o qué distancia de cable podemos utilizar como máximo, es definitivamente que los niveles de voltaje se mantengan adecuados en todo ese circuito y sean los óptimos para alimentar a nuestro transmisor o instrumento. Normalmente, siempre nos preocupamos por la caída de voltaje en el cable pero esto es un error. Sin embargo, si revisamos las hojas técnicas de los cables que se utilizan para la transmisión de 4-20 mA, estamos hablando de una pérdida o impedancia aproximada entre 30 ohmios y 15 ohmios por cada kilómetro. Aunque es necesario revisar la hoja técnica para obtener detalles precisos, esta es la tendencia. En resumen, estamos hablando de una pérdida de 30 ohmios por cada kilómetro.
Para visualizarlo mejor, realicemos un cálculo sencillo. Supongamos que tienes una fuente de voltaje de 24 voltios en corriente continua (VDC) y estás transmitiendo 20mA para 1 kilómetro de cableado (30 ohm para este ejemplo). Haciendo esta simple operación (0.02mA * 30 ohm = ? V), se vuelve evidente que la caída de voltaje por cada kilómetro de cableado instalado será mínima. En realidad, posiblemente solo empieces a notar un impacto real o preocupante después de recorrer varios kilómetros de distancia.
Un segundo aspecto a considerar, y mas importante, es la resistencia que tiene la tarjeta de entrada analógica (AI) o la tarjeta de salida analógica (AO), así como en el propio instrumento. Aquí, es fundamental dirigir la atención hacia la tarjeta analógica. Esta tarjeta podría presentar una resistencia de 250 ohmios como valor normal, pero incluso podría alcanzar hasta 500 ohmios, nuevamente revisar la hoja tecnica para tener mejor exactitud pero es un aproximado. Es importante destacar que esta resistencia inherente en las tarjetas es mucho más considerable que la resistencia propia del cable a lo largo de una distancia determinada y por tanto caera mayor voltaje alli (realiza el mismo calculo anterior).
Aquí, para que no tengas problemas con este tema teorico, te proporcionaré una calculadora a través de este enlace: https://www.divize.com/techinfo/loop-voltage-calculator.html. En esta herramienta, podrás ingresar los datos de interés y obtener con claridad cuál sería el voltaje que estaría llegando a tu equipo o instrumento al finalizar todo el recorrido. Como es costumbre, deberás ingresar los datos siendo pesimista o considerando el peor de los casos.
Por ejemplo, en cuanto a la corriente, si bien es cierto que la máxima que transmitirás es de 20 mA, podrías considerar 24 o 25 mA. En cuanto al calibre del cable, opta por al menos 18 AWG hacia arriba. Para la fuente de alimentación, en lugar de utilizar 24V, puedes optar por 22V, dado que sabemos que las fuentes no son perfectas. Respecto a la resistencia para el receptor (es decir, la tarjeta o módulo de tu PLC o DCS), puedes utilizar 500 ohmios, que sería el peor de los casos. Con estos datos, obtendrás el voltaje que llega al «Loop Tester» (ver grafico abajo), es decir, verás la indicación del voltaje que alimentará tu instrumento.
El voltaje mínimo con el que normalmente puedes alimentar un instrumento es entre 12 o 11 voltios. Esto, por supuesto, deberás verificarlo en la hoja técnica del instrumento o transmisor que vas a utilizar. Sin embargo, con tus cálculos, es fundamental asegurar un voltaje mínimo a nivel práctico. Por ejemplo, si tu instrumento requiere un mínimo de 12 voltios de alimentación eléctrica, deberías asegurarte de que llegue al menos a 14 voltios (esto en mi humilde opinion y recomendacion). Esto se hace con el fin de que, en caso de alguna perturbación adicional o resistencia adicional, los voltajes puedan caer un poco más sin afectar el funcionamiento de tu lazo o señal.
Aquí también entra un punto importante: el concepto de disponibilidad. Dependiendo de si deseas que este instrumento esté disponible en todo momento o si es un sistema de monitoreo que podría tolerar algunas intermitencias ocasionales, puedes tomar decisiones distintas. En función de ese criterio y necesidad, podrías considerar ir un poco más allá en términos de distancia, arriesgarte un poco más y no ser tan restrictivo al realizar tu pequeño cálculo. Podrías optar por un enfoque un poco más flexible, en el cual puedas hacer algunas suposiciones con mayor libertad.
Seguramente a nivel teórico hay algunas aristas más, pero lo anterior es lo fundamental. En conclusion a nivel teorico, podrias llegar a varios kilometros siempre y cuando llegue un voltaje minimo necesario a tu instrumento y pueda funcionar (sigue leyendo, si te quedas con esto, probablemente tendras muchos problemas en adelante).
Ahora nos vamos a la Practica
Bueno, eso es en relación a la teoría. Ahora, como siempre, me gusta llevar esto a la práctica, a cómo se ve en la realidad (o como es en la cancha). Aquí hay muchas cosas que podemos abordar, asi vamos paso a paso:
Recomendacion Practica mas Usual:
Por ejemplo, una recomendación que encontrarás en todos lados es que no sobrepases los 500 metros en este tipo de transmisión. En otras palabras, si estás empezando o si simplemente deseas determinar rápidamente la distancia máxima que puedes manejar con corriente de 4-20 mA, la sugerencia es evitar superar los 500 metros, punto. Siguiendo esta recomendación, definitivamente obtendrás buenos resultados.
Que calibre de cable usar?
Otro punto importante que afecta la distancia en estas transmisiones es, evidentemente, el calibre del cable. Cuanto más grueso sea el calibre del cable, más cobre tendrás disponible para transmitir mayor corriente con una menor caída de voltaje. Sin embargo, esto no siempre es una regla fija. Por ejemplo, si utilizas un cable de 20 o 18 AWG, experimentarás una caída de voltaje mayor que si empleas cables de 14 o 12 AWG. Por supuesto, a medida que el calibre o grosor aumenta cae menos voltaje (menor resistencia), pero así también los costos y la instalación es más cara. Esta es una consideración que debes evaluar y sopesar en función de tu situación.
Recorrido del Cableado, un pesadilla:
Otro aspecto relevante es la ruta por donde pasará el cable. Esto es realmente importante. No es lo mismo instalar un cable en línea recta a lo largo de una tubería de 500 o 1000 metros que llevarlo por una ruta que incluye ascensos, descensos, pasajes por buzones subterráneos, dobleces y curvas complejas. Además, es crucial considerar qué otros equipos cercanos podrían interferir con la transmisión de la señal. Todo esto debe ser asegurado para garantizar la transmisión adecuada de la señal. Considera también que mientras mas compleja es la ruta, es posible que la resistencia aumente.
¿Y el clima y condiciones de la ruta o ambiente?
Otra cosa a tener en cuenta desde una perspectiva práctica es que no es lo mismo instalar cableados de más de 500 metros, en un clima muy estable, con temperaturas entre 10 a 20 grados y niveles de humedad normales, en un entorno bastante tranquilo, y otra cosa es instalar más de 500 metros de cableado para 4-20mA en climas extremadamente fríos o calurosos, muy alta o muy baja humedad, por ejemplo las chaquetas de los cables pueden degradarse más rápidamente.
Por ejemplo, tender el cable para un clima con lluvia es diferente a hacerlo en condiciones secas. Incluso factores como el entorno, como la selva, pueden presentar desafíos adicionales, como animales que puedan dañar el cable (ha pasado y seguira pasando 😀) . Estos factores deben ser tenidos en cuenta al evaluar la viabilidad de la instalación. En algunos casos, puede ser más sensato considerar otros métodos de transmisión en lugar de enfrentar estas dificultades.
Conviene por impacto Economico o de Inversión?
Entonces, el aspecto económico es algo que también debemos evaluar. Por ejemplo, si buscamos robustez y no confiamos en las opciones inalámbricas, o si las condiciones no son adecuadas para ello, en muchas ocasiones, debido a cuestiones de costos, proyección y optimización de recursos, puede ser más sensato optar por una solución diferente en lugar de simplemente instalar un cable de 4-20 mA. Podríamos considerar, por ejemplo, el uso de una fibra óptica monomodo.
En este caso, en el extremo opuesto, podríamos colocar un gateway o un pequeño PLC para recibir la señal de 4 a 20 miliamperios y transmitirla a través de Ethernet, utilizando la conversión a fibra óptica. Este enfoque no solo brindaría una conexión robusta y permanente mediante fibra óptica en un área muy distante, sino que también permitiría la expansión de la infraestructura para alojar más instrumentos y dispositivos, facilitando su integración en el sistema de control sin complicaciones.
¿Mi recomendacion?
En mi experiencia de casi de 16 años trabajando en automatización, generalmente se recomienda utilizar la transmisión de 4 a 20 miliamperios para distancias de hasta 500 metros, y en la mayoría de los casos incluso menos distancia. Sin embargo, es crucial recordar que esta es una recomendación general y cada situación debe ser evaluada individualmente. Factores como la distancia, los costos, las posibles interferencias y las condiciones del entorno deben ser considerados en conjunto. En situaciones en las que la distancia es considerable y los desafíos mencionados previamente se vuelven más prominentes, podría ser prudente considerar alternativas, como la instalación de fibra óptica. De hecho, la elección de una conexión inalámbrica o una conexión de fibra óptica podría ser más beneficiosa en términos de disponibilidad y rendimiento.
En última instancia, la decisión depende de la visión y las necesidades específicas de tu proyecto. ¿Qué otros componentes podrían incorporarse en el futuro? ¿Cómo afectarán las condiciones del entorno y las interferencias a la señal? ¿Qué es lo más eficiente en cuanto a costos y rendimiento a largo plazo? Estas preguntas deben abordarse cuidadosamente para determinar, si es factible ese tendido de cientos de metros en 4-20mA o si una conexión inalámbrica es ideal y cumple con la necesidad o si vale la pena invertir en una solución de fibra óptica más robusta.
Conclusion:
Bien, en conclusión, teóricamente, una señal de 4-20 mA puede soportar mucho más que 500 metros, incluso alcanzar un kilómetro o más, dependiendo de la caída de voltaje que permita alimentar correctamente al instrumento transmisor o al actuador, como un posicionador, que deseemos conectar a nuestro PLC o DCS. Sin embargo, existen numerosos aspectos prácticos que deben considerarse y evaluarse, no deberiamos seguir seguir al pie de la letra las recomendaciones teóricas de cableado para distancias superiores a 500 metros, o incluso inferiores. Como hemos mencionado, factores económicos, consideraciones prácticas y la propia disponibilidad en la planta son elementos que están entrelazados y que influirán en la toma de decisiones. Por último, la decisión recae en la persona que tiene el poder de decisión en el proyecto.
Espero que este artículo haya sido de tu agrado. Finalmente, me gustaría invitarte a compartir tus comentarios: ¿Estás de acuerdo con las ideas presentadas? ¿Hay algún aspecto con el que no estés de acuerdo? ¿Has tenido alguna experiencia personal con tendidos de cableado de 4-20 mA a largas distancias? ¿Funcionaron de manera eficiente o resultaron problemáticos? Por favor, comparte tus opiniones en los comentarios.
