Entradas y salidas analógicas (4–20 mA / 0–10 V, 2/4 hilos, escala, calibración, I/P y posicionador)

 

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1. ¿Qué es una señal analógica en automatización?

Mientras la señal digital solo dice 0 o 1, la analógica representa un valor continuo:

• Temperatura (0–300 °C)

• Presión (0–10 bar)

• Nivel (0–5 m)

• Velocidad, caudal, etc.

Los formatos más usados:

• 4–20 mA (corriente)

• 0–10 V (tensión)

Ambos representan un rango físico, por ejemplo:

• 0 bar → 4 mA

• 10 bar → 20 mA

o

• 0 °C → 0 V

• 300 °C → 10 V

El PLC o el instrumento leen esa señal y la convierten a unidades de ingeniería.

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2. 4–20 mA vs 0–10 V: diferencias prácticas

2.1. 4–20 mA

Ventajas:

• Muy usado en industria.

• Inmune al ruido y a caídas de tensión en distancias largas.

• 4 mA ≠ 0 mA:

  • Si la línea se rompe → lectura 0 mA → el sistema sabe que hay fallo de señal.

• Muchos transmisores estándar vienen en 4–20 mA.

Típico en:

• Presión, nivel, caudal, temperatura de proceso.

• Señales críticas donde importa la confiabilidad.

2.2. 0–10 V

Ventajas:

• Fácil de entender y medir con multímetro.

• Común en HVAC, pequeños variadores, equipos compactos.

Desventajas:

• Más sensible al ruido y a caídas de tensión (sobre todo en tiradas largas).

• Si el cable se rompe, la lectura puede parecer un valor real, según el módulo.

Típico en:

• Referencias de velocidad para variadores pequeños.

• Señales de posición de actuadores compactos.

• Sistemas de control de clima, edificios, etc.

Regla de campo:

• Proceso / industria pesada → usa 4–20 mA casi siempre.

• Equipos ligeros / HVAC / equipos compactos → 0–10 V o 4–20 mA, según fabricante.

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3. Transmisores 2 hilos vs 4 hilos

3.1. Transmisor 2 hilos (alimentado por lazo)

Muy común en 4–20 mA.

• El transmisor se alimenta desde la misma corriente de lazo.

• Solo tiene dos cables:

  • • (alimentación y señal)

  • – (retorno)

Esquema básico:

Fuente 24 Vcc (+) → transmisor (+)
Transmisor (–) → entrada analógica del PLC (I+)
Retorno PLC (I–) → 0 V de la fuente

Ventajas:

• Menos cables.

• Ideal para instalaciones largas y limpias.

• Estándar en instrumentación de proceso.

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3.2. Transmisor 4 hilos

• Tiene alimentación independiente y salida de señal aparte.

• En total, 4 cables:

  • 2 para alimentar el equipo (ej. 230 Vca o 24 Vcc).

  • 2 para la señal (4–20 mA o 0–10 V).

Conviene cuando:

• El transmisor consume bastante potencia (no puede ser alimentado solo con la corriente de lazo).

• Es un equipo “inteligente” o grande (analizador, transmisor multicanal, etc.).

En el PLC, tú solo “ves” los dos hilos de señal, pero debes respetar la polaridad y el tipo de señal.

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4. Escala y calibración de señales analógicas

4.1. Escalado 4–20 mA a unidades físicas

Ejemplo:

Transmisor de presión:

• 0 bar → 4 mA

• 10 bar → 20 mA

La relación es lineal.

Fórmula general (en unidades de proceso):

$$\text{Valor\_proceso} = \text{Límite\_inferior} + \frac{(\text{Señal} - 4\ \text{mA})}{16\ \text{mA}} \times (\text{Rango})$$

En el ejemplo:

$$\text{Presión (bar)} = 0 + \frac{(I - 4)}{16} \times 10$$

Si el PLC entrega directamente la señal en ingenierías, ya lo hace internamente con una función tipo SCALE/FSCALE.
Si no, tú conviertes los cuentas del módulo.

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4.2. Escalado en el PLC (cuentas a ingeniería)

Supongamos que el módulo devuelve:

• 0 → 0 mA

• 27648 → 20 mA

Y tu transmisor es 0–10 bar.

1. Ajustas el mínimo y máximo de cuentas (ej. 5530 ≈ 4 mA, 27648 ≈ 20 mA).

2. Ajustas rango de proceso (0–10 bar).

La función de escalado del PLC te entrega el valor ya en bar.

Idea clave:

• Siempre define:

  • Valor mínimo de señal (mA o V).

  • Valor máximo de señal.

  • Unidades de ingeniería mínima y máxima.

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4.3. Calibración: cero y span

Un transmisor suele tener ajustes de:

• Zero (cero): cuánto marca en el valor mínimo.

• Span: cuánto marca en el valor máximo.

Pasos típicos de calibración de un transmisor 4–20 mA:

1. Aislar el instrumento del proceso (por seguridad).

2. Aplicar valor de proceso mínimo conocido (ej. 0 bar con manómetro patrón o columna de agua).

3. Ajustar para que el transmisor entregue 4.00 mA (o la cuenta correspondiente en el calibrador).

4. Aplicar valor máximo conocido (ej. 10 bar).

5. Ajustar para que entregue 20.00 mA.

6. Comprobar puntos intermedios (25 %, 50 %, 75 %) y verificar linealidad.

Lo ideal: usar un calibrador de lazo o un multímetro de buena calidad.
En el PLC, verificas que el valor escalado coincide con el instrumento patrón.

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5. Salidas analógicas: mandar señales 4–20 mA / 0–10 V

Las salidas analógicas del PLC o de un controlador se usan para:

• Mandar referencia de velocidad a un variador (0–10 V o 4–20 mA).

• Mandar señal de apertura a una válvula de control (4–20 mA).

• Controlar intensidad de luz, posición de actuadores especiales, etc.

5.1. Capacidad de carga

Muy importante revisar:

• Para 4–20 mA: carga máxima en ohmios (ej. 500 Ω).

• Para 0–10 V: corriente máxima que puede entregar (no es para alimentar cosas, solo señales).

Si conectas demasiados dispositivos en serie (4–20 mA) o cargas muy pesadas en 0–10 V:

• La señal se deforma.

• El valor no llega a su máximo.

• El equipo queda fuera de especificación.

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6. Cuándo usar un I/P (current to pressure)

Un I/P o I/P converter convierte:

• 4–20 mA → 3–15 psi (o 0.2–1 bar) neumáticos

Contexto:

• El PLC genera una señal eléctrica (4–20 mA).

• El actuador o la válvula final que quieres mover es neumática y se gobierna con presión.

Usos típicos:

• Válvulas de control neumáticas de proceso (vapor, agua, químicos).

• Donde la señal de mando estándar en el pasado era 3–15 psi y se quiere integrar con PLC.

Ejemplo:

• 4 mA → 3 psi → válvula 0 % abierta.

• 20 mA → 15 psi → válvula 100 % abierta.

El I/P es la “traducción” entre el mundo eléctrico del PLC y el mundo neumático de la válvula.

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7. Cuándo usar un posicionador de válvula

El posicionador es un dispositivo (mecánico-electrónico o electrónico puro) que:

• Recibe una señal de mando (4–20 mA).

• Recibe retroalimentación de la posición real del vástago de la válvula.

• Ajusta el aire al actuador para que la posición real coincida con la orden.

¿Por qué no mandar el I/P directamente al actuador y ya?

Porque en la realidad hay:

• Rozamiento (fricción) en el vástago.

• Histeresis.

• Cambios de presión de aire.

• Cargas variables sobre la válvula.

El posicionador:

• Corrige estas desviaciones.

• Asegura que cuando se le pide 50 %, la válvula realmente esté cerca del 50 %.

• Permite características especiales:

  • Lineal, igual porcentaje, abertura rápida.

  • Split range (un mismo lazo de 4–20 mA manda dos válvulas en tramos distintos).

Se usa cuando:

• Se requiere control fino (ej. lazo de presión, caudal, nivel crítico).

• La válvula es grande o el actuador tiene mucha fricción.

• Hay exigencia de precisión y repetibilidad.

En sistemas modernos, muchos posicionadores ya son inteligentes (smart) con HART/Fieldbus.

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8. Resumen práctico de campo

1. Si la señal tiene que viajar lejos y es de proceso crítico → 4–20 mA.

2. Si el equipo lo pide y está cercano → 0–10 V puede ser suficiente.

3. 2 hilos → transmisor alimentado por lazo, típico en 4–20 mA.

4. 4 hilos → equipos que requieren alimentación aparte y sacan la señal por otros 2 hilos.

5. Escalado → siempre pensar:

   • Señal mínima ↔ valor mínimo de proceso.

   • Señal máxima ↔ valor máximo de proceso.

   • Relación lineal.

6. Calibración → ajustar cero (4 mA) y span (20 mA) con valores reales y patrón.

7. I/P → cuando necesitas convertir 4–20 mA a presión neumática (3–15 psi).

8. Posicionador → cuando quieres que la válvula siga fielmente tu señal, con retroalimentación de posición.

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Si quieres, el siguiente paso puede ser armar ejemplos numéricos concretos de escalado para PLC (por ejemplo, módulo Siemens/Allen-Bradley con sus cuentas reales) y un caso completo: lazo de nivel con transmisor 4–20 mA, salida 4–20 mA desde el PLC a un posicionador con I/P para una válvula de entrada de agua, con fórmulas claras de configuración en el controlador.