Automatización del llenado de un depósito: lazo de control, lógica y protecciones
Una bodega de Toro automatiza el llenado de un depósito de 3000 L con un autómata programable. El depósito dispone de un flotador de nivel bajo (B1), otro de nivel alto (B2) y un flotador independiente de rebose (B3), todos de contacto. La bomba de llenado es trifásica de 5,5 kW a 400 V, con cos φ = 0,85 y rendimiento 0,88, y se manda con contactor y relé térmico. El autómata tiene un selector Automático/Manual y un pulsador de marcha en manual; su salida es de 24 V y 0,5 A. Además, una sonda PT100 con transmisor 4-20 mA (0-50 °C) gobierna una válvula de frío que debe abrirse a 22 °C y cerrarse a 21 °C. La entrada analógica del PLC es de 0-10 V y 12 bits (0-4095), y el transmisor se conecta con una resistencia de 250 Ω. El jefe de planta pide que el autómata lo haga todo, incluido el rebose.
1. Dibuje la cadena de medida de temperatura y calcule el valor digital y la resolución en °C para 22 °C. Indique si la histéresis de 1 °C es detectable. Clasifique los dos lazos (nivel y temperatura) como abiertos o cerrados y justifique.
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Cadena de medida: PT100 → transmisor 4-20 mA → resistencia de 250 Ω → 1-5 V → entrada 0-10 V del PLC (12 bits).
- Intensidad a 22 °C: I = 4 + 16·(22/50) = 11,04 mA
- Tensión: V = 11,04 mA · 250 Ω = 2,76 V
- Valor digital: N = 2,76/10 · 4095 = 1130 cuentas
Resolución: 10 V/4095 = 2,44 mV por cuenta. Sensibilidad: 16 mA/50 °C = 0,32 mA/°C → 0,08 V/°C. Cuentas por °C = 0,08/0,00244 = 32,8 cuentas/°C, es decir, 0,0305 °C por cuenta. La histéresis de 1 °C equivale a unas 33 cuentas, muy por encima del ruido de cuantización, así que es perfectamente detectable y se puede programar sin problemas.
Tipo de lazo: ambos son de lazo cerrado. En temperatura hay sensor (PT100), comparación con la consigna, controlador (PLC con histéresis) y actuador (válvula), con realimentación del proceso. En nivel, los flotadores B1 y B2 informan del estado real y el autómata decide la parada y la marcha: también hay realimentación. Un llenado por temporizador, sin sensores de nivel, sería un lazo abierto y fallaría en cuanto cambiara el caudal de la bomba; esa es precisamente la razón de usar flotadores.
2. Escriba las ecuaciones booleanas y describa el esquema de contactos para el mando de la bomba y de la válvula de frío. El rebose B3 debe parar la bomba en cualquier modo, incluso en manual, y debe exigir rearme.
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Definición de variables: AUTO (selector), MAN = AUTO', M (pulsador de marcha), B1 (nivel bajo, 1 = hay agua), B2 (nivel alto, 1 = alcanzado), B3 (rebose, 1 = activo), P (bomba), V (válvula de frío), T (temperatura).
Bomba: la seguridad debe quedar fuera del selector, para que el rebose pare la bomba también en manual, y B1 debe impedir el funcionamiento en seco en ambos modos:
P = B1 · B3' · (AUTO · B2' + MAN · M)
Para que el rebose exija rearme se usa un biestable RS de paro prioritario: la bobina P se activa por la condición anterior y se desactiva por B3; una vez que B3 ha actuado, P queda enclavado a 0 hasta que se pulse rearme y B3 haya desaparecido. El pulsador M debe ser de flanco (detectado con una marca), no de nivel, para que no arranque solo al soltarlo.
Válvula de frío: control todo-nada con histéresis mediante biestable RS: S = (T ≥ 22 °C), R = (T ≤ 21 °C), de modo que V = S + V·R'. Así se evita el ciclado continuo de la válvula cuando la temperatura oscila alrededor de la consigna.
Esquema de contactos: en la rama de la bobina P, un contacto cerrado de B3 en serie con todo el conjunto; después, un contacto de B1 y, en paralelo, dos ramas: AUTO en serie con B2 cerrado, y MAN en serie con M. La bobina del contactor de la bomba se manda desde la salida del PLC a través de un relé intermedio, ya que la salida de 0,5 A no puede excitar directamente un contactor de 5,5 kW.
3. Calcule la intensidad a plena carga del motor y especifique relé térmico y contactor. Critique la propuesta de que el autómata gestione también el rebose B3 y proponga la solución de seguridad que usted adoptaría.
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Intensidad a plena carga: P = √3·U·I·cos φ·η → I = 5500/(1,732 · 400 · 0,85 · 0,88) = 5500/518,2 = 10,6 A.
Relé térmico: rango que contenga 10,6 A, por ejemplo 9-13 A, ajustado a 10,6-11 A (In del motor, o 1,05·In si se quiere compensar la temperatura ambiente). Debe tener clase de disparo adecuada al arranque (clase 10). Contactor: categoría AC-3 para 5,5 kW a 400 V, es decir, In ≥ 12 A; conviene elegir el calibre inmediato superior y comprobar la potencia asignada en AC-3 del catálogo, no solo la intensidad térmica.
Crítica a la gestión del rebose por el PLC: un flotador de rebose es un dispositivo de seguridad, no de regulación. Si su señal entra solo en el programa, un fallo del autómata, un ciclo de scan bloqueado o una salida pegada pueden dejar la bomba funcionando con el depósito desbordando; además, el propio PLC ya está gestionando el nivel alto, con lo que se pierde independencia. La práctica correcta es: (1) contactos de B3 cableados en serie con la bobina del contactor, fuera del PLC, de modo que abran físicamente el circuito de mando; (2) entrada de B3 al PLC solo para señalizar y registrar la alarma; (3) pulsador de seta de emergencia en la misma cadena; (4) Rearme manual obligatorio tras el disparo. Como mejora adicional, sustituir los flotadores de contacto por una sonda de nivel 4-20 mA o un sensor ultrasónico, que no se atascan ni rebotan, y añadir un temporizador de 0,5 s para filtrar el rebote de los contactos.