Reparación de controladores de automatización programable (PAC) E/S a nivel físico

07-10-2013 | Osciloscopios

Técnicas, consejos y herramientas para la solución de problemas en el nivel más bajo del modelo OSI

Figura 1. Una resolución de problemas eficaz puede demandar una comprobación del cableado, las conexiones y las características de la señal a lo largo de su recorrido por el sistema.

Las señales que provienen o se dirigen a sistemas automatizados de control de procesos deben transmitir la información de manera precisa y confiable. Ya sea una señal analógica antigua de 4 a 20 mA que comunica el nivel de fluido que hay en un tanque de almacenamiento o una señal Ethernet/IP™ que transmite instrucciones digitales a un sistema de transporte de una planta, la integridad de una señal eléctrica es la base sobre la que descansan la funcionalidad, la fiabilidad y la precisión de un controlador de automatización programable.

El calor, el polvo, las sustancias químicas corrosivas, la humedad y la vibración, habituales en muchos entornos de trabajo, pueden degradar el cableado y las conexiones, al igual que un entorno eléctrico difícil puede degradar la calidad de la señal. Por lo tanto, una resolución de problemas eficaz puede demandar una comprobación del cableado, las conexiones y las características de las señales a lo largo de su recorrido por el sistema (figura 1).

La caja de herramientas del responsable de la solución de problemas

Las herramientas para comprobar la integridad de señales eléctricas comprenden desde los multímetros digitales hasta dispositivos diseñados específicamente para comprobar las características eléctricas de circuitos analógicos y digitales. (Nota: en este artículo no se abordan las herramientas para analizar señales como datos). Los dispositivos que funcionan con batería pueden realizar mediciones "flotantes" en las que ningún punto del instrumento de medición se encuentra en potencial de tierra, lo que ayuda a asegurar la precisión de la medición y que el proceso de medición no degrade el rendimiento de la red.

  • A multímetro digital puede realizar mediciones eléctricas básicas (como la continuidad, la resistencia y la capacitancia) que son comprobaciones básicas y útiles de la integridad del cableado.
  • Los osciloscopios permiten que los responsables de la resolución de problemas inspeccionen las formas de onda de una señal, de modo que puedan observar características eléctricas dinámicas como el ruido, la distorsión y la amplitud de la señal. Los osciloscopios diseñados para la comprobación de redes eléctricas tienen la capacidad de los multímetros digitales y osciloscopios, además de algunas características adicionales específicas para la resolución de problemas en redes. Algunos osciloscopios específicos para redes no solo pueden medir las características de una señal; también pueden realizar un análisis de la forma de onda detallado (medir la velocidad en baudios, fluctuaciones, tiempos de elevación y caída), capturar las anomalías y las perturbaciones en la señal y comunicar al operador si los valores medidos se encuentran dentro de los rangos aceptables para redes industriales comunes.
  • Las herramientas de resolución de problemas analógicos incluyen una variedad de herramientas para la calibración y la documentación de procesos (de presión, temperatura y bucles de miliamperios, por ejemplo) sobre el terreno, y bombas para comprobar la presión y el vacío. Algunas de estas herramientas, como las pinzas amperimétricas de procesos para medición de miliamperios, tienen capacidades de medición exclusivas para comprobar señales analógicas E/S.

Empiece por lo básico

Comience por delimitar el campo de aplicación de la tarea de resolución de problemas dejando claro lo que funciona y lo que no, y cuáles son los síntomas exactos del problema.

Verifique el historial de reparaciones. ¿Se ha reparado o reconfigurado algo recientemente? ¿Se ha añadido o modificado algún componente antes de aparecer el problema? En ocasiones, los problemas en un sistema que se encontraba en buen estado vienen dados por modificaciones o reparaciones.

Busque incidentes relacionados. Investigue si las perturbaciones pueden estar relacionadas con incidentes o dispositivos específicos, como el arrancador de un motor o una luz que esté encendida.

Realice una inspección visual. Compruebe que el cableado sea correcto y esté intacto (que no esté roto, roído o con aislamiento defectuoso). Compruebe que las terminaciones estén ajustadas, sin corrosión y con la impedancia correcta (si es necesario). Verifique que la longitud del cableado cumple las especificaciones, que tenga el blindaje correcto y que se encuentre aislado de conductores de potencia (especialmente los variadores).

Realice mediciones eléctricas básicas. Si es necesario y posible, realice mediciones para verificar que tanto la señal como las conexiones de blindaje son sólidas y correctas. Las mediciones (de las más básicas a las avanzadas) incluyen:

  • Resistencia y continuidad en el cableado. Asegúrese de que exista una trayectoria de señal y que la resistencia cumpla con las especificaciones, a fin de evitar una atenuación excesiva de la señal (figura 2).
  • Resistencia entre cableado, blindajes y tierra. Asegúrese de que el cableado y los blindajes estén aislados, y de que estos últimos se hayan conectado a tierra correctamente.
  • Capacitancia entre conductores y blindajes. Los valores de capacitancia deberían ser consistentes con las especificaciones del fabricante para el tipo y la longitud del cable, y con el tipo de red.
  • Tensiones de alimentación. Compruebe que la potencia del equipo cumple con las especificaciones, especialmente si se detectan señales débiles o señales con una amplitud más baja de la prevista.

Documente sus resultados. Documente cuidadosamente cada medición, anotando lo que se ha medido, en dónde y bajo qué condiciones.

Figura 2. Verifique que el nivel y la calidad de la señal cumplan las especificaciones de red.

La solución de problemas digitales en la capa física mediante la inspección de formas de onda digitales

Las señales digitales suelen visualizarse y estudiarse en su forma ideal: formas de onda perfectas con una sincronización perfecta y otras características. La realidad, sobre todo en entornos industriales, puede ser muy distinta.

Para inspeccionar formas de onda digitales, conecte un osciloscopio a la conexión E/S e inspeccione las formas de onda.

  • Verifique que las formas de onda de la señal tengan la forma correcta, que no estén demasiado atenuadas y no tengan demasiado ruido.
  • Las transiciones que son demasiado lentas (tienen tiempos de elevación lentos) pueden ser un indicio de que un conductor es demasiado largo, el cable está dañado o no es del tipo correcto, o una terminación necesaria está rota o falta.
  • La oscilación de impulsos (un pulso excede el 100 % de la amplitud) también es indicativa de impedancias no conformes con las especificaciones en la red.
  • Aumente la persistencia de imagen del osciloscopio y ajuste el disparo para conseguir un "patrón visual" en la pantalla (figura 3). (Una herramienta para la inspección de señales en red puede contar con una configuración automática de patrón visual). Este modo de osciloscopio permite obtener una visión excelente de la actividad del bus y de la calidad general de la señal.
    Figura 3. La pantalla del osciloscopio muestra "patrones visuales" para señales digitales limpias y con ruido.
    Figura 4. Medir la corriente de un bucle de control de procesos de 4-20 miliamperios es parte de la resolución de problemas analógicos en la capa física.
    • Los límites de cambio lento no indican necesariamente un problema de red, aunque unas diferencias bruscas en la velocidad de transición requieren una investigación más exhaustiva.
    • Si solo se registra una curva ocasional con una forma de onda completamente diferente, existen posibilidades de que un único dispositivo tenga problemas de hardware o no se haya encendido correctamente.
    • Una amplia diferencia entre el nivel más alto y el más bajo de la señal puede indicar una atenuación en la línea.
    • Una distribución inconsistente de los niveles de señal puede indicar discontinuidad en la red o un dispositivo que emite una señal con una amplitud demasiado baja.

Los patrones visuales también permiten un análisis de los niveles de ruido de la red. El ruido puede interferir con la señal, llegando a distorsionar o detener las comunicaciones. Conexiones deficientes en el blindaje de los cables o blindajes desconectados suelen ser la causa de niveles perjudiciales de ruido.

La solución de problemas analógicos en la capa física

Aunque la tendencia es lo digital, los sistemas analógicos (particularmente los bucles de control de procesos de 4 a 20 mA) pueden encontrarse todavía en cualquier lugar, especialmente en áreas de producción farmacéutica, de refinería y otros procesos de fabricación (figura 4). El multímetro y el osciloscopio juegan un papel importante a la hora de medir y visualizar las características eléctricas de los sistemas analógicos, pero la norma es usar herramientas dedicadas que no se limiten a medir el nivel analógico y las señales de control, sino que puedan ofrecer información sobre su origen, simularlos y documentarlos.

La solución de problemas de los bucles de control de procesos de 4 a 20 miliamperios

Las señales de bucles de control de 4 a 20 mA representan una variable del proceso (como la presión o la posición de la válvula) con una corriente eléctrica análoga. Para solucionar problemas:

  1. Mida la señal de 4 a 20 mA. Si una corriente de bucle no es la prevista, compruebe tres posibles causas: un suministro deficiente de alimentación del bucle, cables rotos/desconectados/con cortocircuito o una instrumentación defectuosa.
  2. Mida el suministro de alimentación del bucle tanto del transmisor como de la fuente de alimentación. En el transmisor debería ser de 19 a 23 V. En la fuente de alimentación debería acercarse a los 24 V.
  3. Si las mediciones de la alimentación del bucle parecen sospechosas, realice una prueba de sustitución usando la alimentación de 24 V de la herramienta de comprobación.
  4. Verifique el cableado. Verifique las terminaciones para conexiones con una resistencia mayor de lo normal.
  5. 5. Compruebe la tarjeta E/S del PAC enviando una señal mA a la entrada del controlador y verificando que la indicación es correcta.
  6. Envíe una señal de mA al último elemento de control (un posicionador de válvula, por ejemplo). Si el elemento funciona como se le ha indicado, el problema se encuentra en el cableado o en la señal de salida del controlador. Si no es así, posiblemente el problema esté en el último elemento de control.

Fallas en los bucles

Si el problema no es que el bucle esté inactivo, sino que es impreciso, entre las posibles causas se incluyen que la tarjeta de E/S del PAC estén dañados, o que haya un elemento de control final fallando. Normalmente, es mejor comenzar realizando una comprobación de campo del transmisor, el indicador remoto o local, o el elemento de control final.

Para un elemento de control final, utilice una pinza amperimétrica de miliamperios para medir la corriente de bucle y comparar el valor con el indicador de posición local en la válvula u otro elemento de control final. Transmita esa información al operador para verificar los hallazgos.

En el caso de un lazo de medida, utilice una pinza amperimétrica para medir la corriente de lazo y luego hable con el operador para comprobar si el valor que se indica en el panel de control se ajusta a la corriente de lazo real. Esto le facilita una comprobación rápida de la tarjeta E/S del PAC que se encarga del bucle. También es posible enviar una señal conocida al centro de control; al igual que antes, compruebe el valor leído por el operador y la corriente real del bucle.

Comprobación de tarjetas E/S de PAC

Para solucionar problemas en las tarjetas de entrada de 4 a 20 mA, desconecte el bucle de proceso, conecte una corriente de señal conocida y compárela con el valor mostrado en la lectura. Compruebe igualmente las tarjetas de entrada de tensión, conectando una tensión de señal conocida.

Si el sistema de control no responde, verifique la resistencia de entrada de la tarjeta E/S. (El valor típico es de 250 ohmios) Si la lectura de la resistencia muestra un circuito abierto, la tarjeta E/S puede ser defectuosa o tener un fusible fundido.

Análisis de datos y extracción de conclusiones

En ocasiones, una sola medición revela el origen del problema. A veces, es necesario un análisis cuidadoso de un rango de mediciones y por ello es importante registrar los valores de medición al tiempo que avanza el proceso de solución de problemas. Otras veces, el análisis de las mediciones hace que surjan preguntas adicionales, que pueden ser la base para nuevas medidas, con lo que los técnicos de mantenimiento estarán más cerca de solucionar las averías y problemas del sistema.