Depósito pulmón: escalado 4–20 mA, ciclo de bomba e detección de funcionamento en seco
Un depósito pulmón de auga dunha planta de bebidas en Verín ten unha sección constante de 3,5 m² e unha altura útil de 2,5 m. O nivel mídese cun transmisor de presión de 4–20 mA con campo de medida 0–2,5 m, conectado a unha entrada analóxica de 12 bits (contas 0–4095) configurada para 4–20 mA. A auga entra no depósito cun caudal practicamente constante de 5 m³/h e extráese cunha bomba de 8 m³/h que alimenta a liña de envasado. O autómata actual arranca a bomba a 1,80 m e párase a 2,00 m; unha saída de 24 V DC excita, mediante un relé, a bobina da electroválvula de alimentación. O operario de quenda indica que «a bomba arranca e para demasiadas veces» e que nunha ocasión a bomba traballou en seco sen que o autómata detectase nada.
1. Calcula as contas e o valor en mA que entrega o transmisor para un nivel de 1,40 m e explica como se escala no programa, sinalando a diferenza entre resolución e exactitude.
Read the worked answer
Fracción do campo. 1,40 m / 2,50 m = 0,56.
Corrente. I = 4 + 16·0,56 = 12,96 mA (o offset de 4 mA é obrigatorio: se o módulo se escalase como 0–20 mA, a lectura sería un 20 % alta).
Contas. 0,56 · 4095 = 2293.
Escalado no programa. Nivel (m) = (Contas/4095)·2,5; inversamente Contas = (Nivel/2,5)·4095. O módulo entrega un enteiro de 0 a 4095 proporcional á corrente entre 4 e 20 mA.
Resolución fronte a exactitude. Unha conta equivale a 2,5 m/4096 ≈ 0,61 mm, pero iso é só a resolución do conversor. A exactitude vén dada polo transmisor e pola súa instalación: unha clase de 0,5 % do alcance son 12,5 mm, aos que se engaden a deriva térmica, o erro de cero e o montaxe do sensor (tomade presión, burbullas, columna de auga). Non ten sentido axustar alarmas con precisión de milímetros: o razoable é traballar con marxes de centímetros e usar a resolución só para observar tendencias.
Comprobación práctica. Co depósito baleiro deben lerse 4,00 mA (contas próximas a 0) e co depósito a 2,5 m, 20,00 mA (contas próximas a 4095). Se non coincide, calibración ou offset de montaxe.
2. Analiza o ciclo arranque-parada coa histerese actual e propón un axuste que reduza o número de manobras, xustificando os números e o compromiso que se asume.
Read the worked answer
Ciclo actual. Banda entre 1,80 e 2,00 m: altura 0,20 m → volume 0,20 · 3,5 = 0,70 m³.
- Enchido coa bomba parada: caudal neto 5 m³/h → t = 0,70/5 = 0,14 h = 8,4 min.
- Baleirado coa bomba en marcha: caudal neto 8 − 5 = 3 m³/h → t = 0,70/3 = 0,233 h = 14 min.
- Ciclo total 22,4 min → 2,7 arranques/hora, case 65 ao día. Cada arranque supón un pico de 6·I_n, desgaste de contactor e golpe de ariete.
Axuste proposto. Ampliar a banda a 1,70–2,20 m (0,50 m): volume 1,75 m³ → enchido 21 min, baleirado 35 min, ciclo 56 min → 1,07 arranques/hora, un 60 % menos.
Compromiso. Ao baixar o nivel de arranque a 1,70 m redúcese a reserva de auga ante unha punta de demanda, e ao subir a parada a 2,20 m quedan só 0,30 m ata o nivel alto (2,50 m). Hai que verificar que ese marxe cobre o tempo de reacción e o volume morto, e manter o flotador de seguridade como protección independente. O límite de arranques debe compararse co admisible do fabricante do motor e coa vida eléctrica do contactor.
Alternativa superior. Un variador co control PID do nivel aconséguense presión constante na liña de envasado e elimina o ciclado, pero require que a bomba poida traballar a velocidade reducida (aquí, con entrada de 5 m³/h, o réxime de equilibrio sería o 62 % do caudal nominal).
3. Que fallo explica o funcionamento en seco e como se detecta e se corrixe no programa e no circuíto?
Read the worked answer
Causa probable. Nunha entrada de 4–20 mA, un circuíto aberto, un transmisor sen alimentación ou unha derivación a masa entregan 0 mA, non 4 mA. O módulo le 0 contas e o programa interprétao como nivel 0 m, é dicir, «depósito baleiro»; o automatismo, coherente coa súa lóxica, arranca a bomba. O sistema non distingue «nivel cero real» de «sinal perdido» porque 0 mA está por debaixo do rango pero o programa non o valida.
Detección. Configurar o módulo para que sinale infra-escala cando a corrente baixa de 3,6 mA (ou supra-escala por riba de 20,5 mA) e xerar unha variable de fallo que o programa debe tratar como non válida, non como valor 0. Engadir diagnóstico HART se o transmisor o admite.
Corrección.
- Lóxica de fallo seguro: se hai fallo analóxico, parar a bomba, pechar a electroválvula, acender alarma e bloquear o ciclo automático ata o rearme manual. Nunca continuar ca valor por defecto.
- Interlock físico independente: un flotador de nivel mínimo en serie coa bobina do contactor da bomba. É a protección de última instancia e non depende do PLC nin do transmisor.
- Protección do motor: relé térmico e/ou sensor de intensidade para detectar a marcha en seco pola baixa corrente, e electroválvula de pé de asento se a instalación o permite.
- Validación de coherencia: comparar o nivel medido coa evolución esperada (se a bomba leva 3 min en marcha e o nivel non baixa, algo falla).