Riego automatizado en invernadero: histéresis, sensor y seguridad del PLC
Un invernadero de 800 m² en Sa Pobla riega por goteo con una bomba de 1,5 kW. El autómata programable recibe una señal de 4-20 mA de un sensor de humedad de suelo enterrado a 5 cm, junto a un gotero, y la convierte a 0-10 V mediante una resistencia de 250 Ω. El programa arranca la bomba cuando la humedad baja del 8 % y la para cuando supera el 12 %. En la última semana la bomba arranca y para cada 40 s; la humedad medida oscila entre 7 % y 13 %, y el contador de arranques del contactor ha superado 900 en un día. El operario ha dejado el selector en modo manual durante una tormenta y el suelo se ha saturado. El fabricante del sensor indica una deriva máxima de ±2 % del fondo de escala y un tiempo de respuesta de 30 s.
1. Identifica el tipo de sistema de control y sus elementos. Calcula la tensión que llega al PLC al 8 % y al 12 % de humedad, y explica si la histéresis es adecuada.
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Es un sistema en lazo cerrado: la variable controlada es la humedad del suelo; el sensor de 4-20 mA es el elemento de medida; el PLC compara con el punto de consigna y aplica la ley de control; el actuador es el contactor y la bomba; el proceso es el suelo y el cultivo; la realimentación llega por el mismo sensor. La lluvia, la evaporación y el riego son perturbaciones.
Señal: I = 4 + 16×(humedad/100). Al 8 %: I = 4 + 1,28 = 5,28 mA; V = 5,28×0,250 = 1,32 V. Al 12 %: I = 4 + 1,92 = 5,92 mA; V = 1,48 V. La diferencia es solo 0,16 V.
Con una resolución típica de 10 bits en 0-10 V (9,8 mV), 0,16 V son unas 16 cuentas, pero la deriva del sensor es ±2 % del fondo, es decir, ±0,32 mA, equivalente a ±2 % de humedad y ±0,08 V. La histéresis de 4 % es del mismo orden que la incertidumbre y el tiempo de respuesta de 30 s. El sensor está junto al gotero: al arrancar, ve agua local antes de que el bulbo húmedo real cambie, alcanza el 12 % y para; luego el agua se redistribuye y vuelve a bajar al 8 %. La histéresis no es adecuada en ese emplazamiento.
2. Propón tres medidas para eliminar el ciclado y explica cómo las implementarías en el PLC.
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- Reubicar el sensor: colocarlo en la zona radical representativa, a 15-20 cm de profundidad y separado al menos 30 cm del gotero; mejor aún, usar dos o tres sensores y promediar. Así la medida no responde a un frente local de agua.
- Aumentar la banda muerta: fijar arranque al 8 % y parada al 14 %, o usar histéresis de 6 puntos. Con 6 puntos, la diferencia de corriente sería 0,96 mA y 0,24 V, muy por encima de la deriva. También puede añadirse un filtro de media móvil de 5-10 muestras para atenuar el ruido.
- Añadir temporizadores: tiempo mínimo de bomba encendida de 5 min y tiempo mínimo apagada de 10 min, además de un retardo de confirmación de 60 s antes de arrancar. En el PLC se programa un enclavamiento con temporizador TON y un biestable RS: set cuando la humedad < 8 % durante 60 s y reset cuando > 14 % o al vencer el tiempo mínimo.
Con 40 s de ciclo, el contactor supera 900 arranques/día; los tiempos mínimos reducen el desgaste y evitan que la bomba trabaje en régimen de arranque frecuente.
3. Diseña las protecciones y la lógica de seguridad para evitar que el modo manual deje el riego abierto.
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Protecciones:
- Sonda de nivel o flotador en el depósito: si falta agua, el PLC no permite arrancar.
- Presostato o sensor de flujo: si la bomba está en marcha y no hay caudal en 10 s, se para y se señaliza «marcha en seco».
- Temporizador de máxima duración: si la bomba lleva más de 30 min seguidos, se para y se activa alarma.
- Sensor de lluvia: inhibe el riego cuando hay precipitación, con prioridad sobre el modo manual.
- Selector manual con retorno por tiempo: si se selecciona manual, un temporizador lo devuelve a automático a los 15 min y solo permite una activación.
Lógica: una bobina de seguridad S alimentada si no hay fallo de nivel, no hay marcha en seco, no hay alarma de tiempo máximo y no llueve. La salida de bomba Q0.0 = S AND (auto AND demanda OR manual con temporizador). Si el sensor de humedad da una lectura inferior a 3,6 mA o superior a 21 mA, se trata como fallo de sensor y la bomba pasa a paro seguro, no a riego continuo. El modo manual debe ser un pulsador con enclavamiento temporal, no un selector permanente.