Automatización de un invernadero con el PLC - Inicio

Transcripción

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE ZACATECAS
AUTOMATIZACIÓN DE UN INVERNADERO CON EL PLC S7-200
David Alejandro Carrillo Reveles
José Luis Vázquez Minjares
Tesis de Licenciatura
presentada a la Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica
de acuerdo a los requerimientos de la Universidad para obtener el título de
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
Directores de tesis:
Dr. en E. Rafael Villela Varela y M. en I. Aurelio Beltrán Télles
UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
Zacatecas, Zac., 21 de Noviembre de 2008
APROBACIÓN DE EXAMEN PROFESIONAL
Se aprueba por unanimidad el Examen Profesional de David Alejandro Carrillo
Reveles y José Luis Vázquez Minjares, presentado el 21 de Noviembre de 2008 para
obtener el título de:
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
Jurado:
Presidente: Dr. Rafael Villela Varela ______________________________
Primer vocal: M. en I. Aurelio Beltrán Télles ______________________________
Segundo vocal: M. en C. Miguel Eduardo González Elías ________________________
Tercer vocal: M. en I: Claudia Reyes Rivas ______________________________
Cuarto vocal: Ing. Alejandro Chacón Ruiz ______________________________
RESUMEN
El presente trabajo de tesis tiene como principio automatizar los sistemas de temperatura,
humedad relativa, riego y humedad del suelo de un invernadero. Para éste se diseñó un
prototipo a escala del invernadero que se encuentra en la Unidad Académica de Agronomía,
para realizar pruebas para el mejoramiento de los sistemas y del sensado de las diferentes
variables que los conforman.
Uno de los principales objetivos de este trabajo fue el dar una solución práctica a los
problemas que presentan los invernaderos semiautomatizados. Específicamente se centro en
los problemas que agravian el invernadero de agronomía, como el excesivo consumo de
energía eléctrica, el mal sensado de las principales variables así como el desperdicio de
agua.
En esta tesis se utilizó el PLC s7-200, ya que con este se puede tener el control de
todas las variables de manera simultánea, además de que tiene un fácil manejo. Con este
PLC se puede controlar de manera precisa los sistemas ya que al utilizar sensores estos
mandarán señales cuando se haya alterado alguna de las variables.
Se utilizaron sensores adecuados para la medición de cada variable para el mejor
desempeño del invernadero automatizado. Estos serán el medio por el cual el PLC tomará
las decisiones para activar los sistemas de acuerdo a las necesidades requeridas.
Para el control de temperatura y humedad relativa se utilizó la teoría del
Razonamiento Aproximado, la cual es una parte introductoria del control difuso. Esto
permite que estas dos variables interactúen en un solo control, ya que una está en función
de otra.
David Alejandro Carrillo Reveles
A mi familia, por todo el apoyo y motivación que he recibido y por ser base de mis
conocimientos.
A mi madre María del Rosario, por todas las motivaciones que me ha brindado para seguir
adelante en mi vida. En especial por el cariño que he recibido en los buenos y malos
momentos a lo largo de mi vida.
A mi padre Veremundo, por todas sus enseñanzas y conocimientos que me ha compartido
para formarme como persona.
A mi hermano y mejor amigo Veremundo, por haber compartido gran parte de nuestras
vidas.
A mis primos, a quienes los considero mis hermanos, por sus consejos y alegrías que hemos
compartido.
Amigos y compañeros, por pasar momentos inolvidables en diferentes épocas de mi vida y
ser parte fundamental de esta.
A LA VIDA
“Quiero gritar y bailar frente al hueco…”
VeCaT.
José Luis Vázquez Minjares
Gracias a mis padres por apoyarme a través de todos estos años, por brindarme los
consejos que me han formado a lo largo de mi vida, por estar a mi lado cuando más los
necesité y ser parte de mi felicidad.
A mi madre Rosa Evelia por ser una gran guía y
consejera.
A mi padre José Luis Vázquez por ayudarme e
instruirme.
Estaré eternamente agradecido con ustedes por todo lo que me han dado y por hacerme
feliz.
A mis Hermanos que han sido parte importante en mi vida, y por estar a mi lado, gracias
a ustedes que al igual que mis padres son mi fuente de inspiración.
Gracias a mis Amigos, Compañeros y a mi Novia por compartir esta gran etapa de mi
vida, por los momentos que pasamos juntos y el apoyo que me brindaron durante estos
años y por formar parte de mi gran familia.
"La vida es un instinto de desarrollo, de supervivencia, de acumulación de fuerzas,
de poder."
F. Nietzsche.
Agradecimientos
Agradecemos a la Universidad Autónoma de Zacatecas por habernos formado
como personas y profesionales, por habernos cobijado en sus instituciones y brindado el
apoyo requerido en el transcurso de nuestra formación.
A nuestros asesores Rafael Villela Varela y Aurelio Beltrán Télles por la valiosa
colaboración de sus conocimientos para el desarrollo de este trabajo.
Al Dr. Alfredo Lara y al Dr. Julián González por habernos instruido y enseñado
un mundo diferente ya que nos abrieron la mente en campos ajenos a nuestra carrera.
Por ser parte fundamental de este trabajo.
viii
Contenido General
Pág.
Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv
Lista de figuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
1
Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1
Descripción del Documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2
Antecedentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1
El primer invernadero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3
Justificación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4
Preguntas de investigación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.1
¿Es posible controlar el funcionamiento del invernadero con un sistema
de bajo costo y poco mantenimiento? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.2
¿Es posible controlar el riego con el PLC? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
1.4.3
¿Es posible controlar el clima con el PLC? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
1.4.4
¿Es posible controlar la temperatura y humedad con el PLC? . . . . . . .10
1.5
Hipótesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.6
Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5.1 Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5.2 Objetivos específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
ix
Pág.
2
Marco Teórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1
Tipos de Controladores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1.1 Controlador Lógico Programable PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2
2.3
2.1.2
Procesador Digital de señales DSP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.3
Microprocesadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.4
Microcontrolador PIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Tipos de Invernadero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1
Invernadero Plano o Tipo Parral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.2
Invernadero en Raspa y Amagado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.3
Invernadero Asimétrico o Inacral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.4
Invernadero de Capilla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.5
Invernadero de Doble Capilla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.6
Invernadero Túnel o Semicilíndrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.7
Invernaderos de Cristal o Tipo Venlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Descripción de los Sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.1 Riego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.2
Fertirrigación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.3 Hidroponia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.3.1 Sustrato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.4 Calefacción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.5 Humidificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.6
Iluminación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.7 CO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4
Investigaciones Previas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3 Características del Invernadero a Utilizar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
x
Pág.
3.1
Características Generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.1.1
Planos del invernadero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1.2 Características del último cultivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2
3.1.3
Parámetros de calidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.1.4
Sistemas de control del invernadero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Sistemas a controlar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.2.1 Riego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.2.2
Fertilización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.2.3
Sistema de control de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2.4 Humidificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.3
Prototipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.4
Controlador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4 Control del clima. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.1
Modelado climático y su historia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2.
¿Qué es control difuso? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2.1
Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.2.2
¿Por qué lógica difusa? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.2.3 Control difuso en sistemas con retroalimentación . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.2.4
Lógica difusa en el invernadero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2.4.1 Clasificación difusa o fuzzificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2.4.2 Diseñando reglas de control difuso (Defuzzificación) . . . . . 76
5 Circuitería del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.1
Activación del sistema de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.1.1
Sensor de temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
xi
Pág.
5.2
5.3
5.1.2
Etapa de enfriamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.1.3
Etapa de calefacción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Sistema de Humedad Relativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.2.1
Sensor de humedad relativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.2.2
Etapa de humidifación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Activación del sistema de riego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.3.1 Cultivo en suelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.3.1.1 Sensor de humedad del suelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.3.1.2 Calibración del sensor de humedad del suelo . . . . . . . . . . . . 88
5.3.1.3 Activación de la bomba para el riego . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.3.2 Hidroponia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.3.2.1 Activación de la bomba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6
Programación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.1
Diagramas de flujo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.1.1
Temperatura y HR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.1.2 Riego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.1.2.1 Riego en suelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.1.2.2 Riego en el sistema hidropónico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.2
Diagrama esquemático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.3
Programación en el PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.3.1
7
Programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Pruebas y Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.1
Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.1.1 Potencia utilizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Conclusiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
xii
Pág.
Trabajos a futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
Apéndices
Apéndice A: Hoja de Datos del PLC S7-200 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
Apéndice B: Hoja de datos del LM35 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Apéndice C: Hoja de Datos del Sensor de Humedad WATERMARK . . . . . . 132
Apéndice D: Hoja de datos del MAC15A8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Apéndice E: Hoja de datos del MOC3011 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
Apéndice F: Hoja de datos del TIP41C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
Apéndice G: Hoja de datos del LM324 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
xiii
Lista de figuras
Figura
Pag.
1.1
Grabado del jardín botánico de Papua, Italia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1
Invernadero tipo Plano o Parral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2
Invernadero del tipo Raspa y Amagado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3
Invernadero tipo Asimétrico o Inacral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4
Invernadero de Capilla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5
Invernadero tipo Doble Capilla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.6
Invernadero de Túnel o Semicilíndrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.7
Invernadero del tipo Cristal o Tipo Venlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1
Parte frontal del invernadero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2
Maqueta virtual del invernadero con una panorámica superior. . . . . . . . . . . . . . 46
3.3
Maqueta virtual con una panorámica frontal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46
3.4
Tomates producidos en el ciclo Agosto-Diciembre de 2007 . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.5
Cultivo de tomates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.6
Interior del invernadero después de la cosecha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
xiv
Figura
Pag.
3.7
Riego por goteo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.8
Gotero. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.9
Fertilización usada en el sistema de riego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.10 Etapa de calefacción por medio de calefactor de gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55
3.11 Etapa de enfriamiento por medio de extractores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.12 Etapa de enfriamiento por medio de extractores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.13 Pared húmeda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.14 Calefactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.15 Vista lateral del prototipo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59
3.16 Vista frontal del prototipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.17 PLC s7-200 Siemens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.18 Componentes para el PLC s7-200 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1
Sistema de invernadero. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2
Sistema de tanques acoplados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.3 a) Función de membresía para la temperatura optima. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72
4.3 b) Funciones de membresía para 40°C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.4
Funciones de membresía para la temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.5
Funciones de membresía para la Humedad Relativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.6
Funciones de membresía para la Humedad Relativa en un sólo eje. . . . . . . . . . . 74
4.7
Rangos de pertenencia para la temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
4.8
Rangos de pertenencia para la HR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.9
Sistema defuzzificado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
xv
Figura
Pag.
5.1
Sensor de temperatura acondicionado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2
Etapa de potencia para los extractores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.3 a) Etapa de potencia para el calefactor 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.3 b) Etapa de potencia para el calefactor 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.4
Circuito para la bomba de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5
Amplificador de voltaje para ventilador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.6
Sensor de humedad Watermark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.7
Circuito divisor de tensión para el sensor de humead del suelo . . . . . . . . . . . . . 88
5.8
Etapa de potencia para la bomba de riego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.9
Etapa de potencia de la bomba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90
6.1
Diagrama de flujo temperatura y HR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.2
Diagrama de flujo para el riego en el suelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94
6.3
Diagrama de flujo para el riego en hidroponia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.4
Diagrama esquemático del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
7.1
Lecturas de temperatura obtenidas el 30 de Julio de 2008. . . . . . . . . . . . . . . . .113
7.2
Lecturas de HR obtenidas el 30 de Julio de 2008. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113
7.3
Lecturas de temperatura del domingo 26 de octubre de 2008. . . . . . . . . . . . . . 114
7.4
Lecturas de temperatura del lunes 27 de octubre de 2008. . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7.5
Lecturas de temperatura del lunes 3 de noviembre de 2008. . . . . . . . . . . . . . . .115
7.6
Lecturas de temperatura del sabado 8 de noviembre de 2008. . . . . . . . . . . . . 116
7.7
Lecturas de temperatura del domingo 9 de noviembre de 2008. . . . . . . . . . . . 116
. .
85
xvi
Figura
Pag.
7.8
Lecturas de HR tomadas el domingo 26 de octubre de 2008 . . . . . . . . . . . . . .117
7.9
Lecturas de HR tomadas el lunes 27 de octubre de 2007 . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
7.10
Lecturas de HR tomadas el lunes 3 de noviembre de 2008 . . . . . . . . . . . . . . . .118
7.11
Lecturas de HR tomadas el sábado 8 de noviembre de 2008. . . . . . . . . . . . . . 119
7.12. Lecturas de HR tomadas el domingo 9 de noviembre de 2008. . . . . . . . . . . . .119
7.13
Lecturas de humedad del suelo obtenidas el domingo 26 de octubre de 2008..120
7.14
Lecturas de humedad del suelo obtenidas el lunes 27 de octubre de 2008 . . . .120
7.15
Lecturas de humedad del suelo obtenidas el lunes 3 de noviembre de 2008 . . 121
7.16
Lecturas de humedad del suelo obtenidas el sábado 8 de noviembre de 2008. . . .121
7.17
Lecturas de humedad del suelo obtenidas el domingo 9 de noviembre de 2008. . 122
1
Capítulo 1
Introducción
En la presente tesis se busca una solución práctica ante las grandes necesidades de
optimizar los recursos agrícolas en nuestro estado y país. Este tema es interesante ya que
se interactúa con las diferentes áreas de la ingeniería como son: comunicaciones y
electrónica, agronomía, hidráulica entre otras.
En este trabajo se pretende mejorar de una manera más eficiente los sistemas del
invernadero ya existentes, además de sugerirle al agricultor una mejor opción de cultivo,
ya que puede optimizar al máximo sus recursos.
“En las décadas siguientes, la agricultura deberá afrontar, por una parte, una
demanda creciente en alimentos y materias primas básicas, y a la necesidad de utilizar
los recursos sin causar degradación o agotamiento del ambiente. Las civilizaciones
generalmente han prosperado durante los periodos de clima benigno, incluso muchas
fueron incapaces de optimizar sus prácticas agrícolas para ayudar al control del sistema
natural; por ello la historia documenta la caída de los sistemas socioeconómicos que no
tuvieron capacidad para responder a los cambios del clima o en los recursos de agua y
suelo.” [1]
2
Un invernadero es toda aquella estructura cerrada cubierta por materiales
transparentes, dentro de la cual es posible obtener condiciones artificiales de
microclima, y con ello cultivar plantas fuera de estación en condiciones óptimas. Como
lo dice su etimología In-dentro y ver-primavera, que conjugado significa primavera
dentro.
“La característica distintiva del invernadero, si se compara con la producción a
campo abierto, es la presencia de una barrera entre el cultivo y el ambiente externo. Esta
barrera crea un microclima en el interior (temperatura, humedad relativa, CO2, cantidad
y calidad de luz, etcétera) que protege contra viento, lluvia, plagas, enfermedades y
animales; además permite aplicar efectivamente el control biológico para proteger el
cultivo. Todas estas características hacen que la producción en ambiente protegido tenga
rendimientos más altos que a campo abierto.” [2]
El cultivo bajo invernadero siempre ha permitido obtener producciones de
primera calidad y mayores rendimientos, en cualquier época del año, a la vez que
permiten alargar el ciclo de cultivo, permitiendo producir en las épocas del año más
difíciles y obteniéndose mejores precios. Este incremento del valor de los productos
permite que el agricultor pueda invertir tecnológicamente en su explotación mejorando
la estructura del invernadero, los sistemas de riego y fertilización, los sistemas de
gestión del clima, etc., que se reflejan posteriormente en una mejora de los rendimientos
y de la calidad del producto final.
El invernadero, su cultivo, y su administración forman un sistema. Un modelo es
una representación simplificada de estos sistemas. El conjunto de expresiones
matemáticas que describen el comportamiento del invernadero constituyen lo que se
llama un modelo climático. La utilidad de los modelos es múltiple en el diseño de
herramientas de ingeniería, permiten comprender cómo se produce el ambiente
protegido en función de las condiciones meteorológicas exteriores, sirven para
interpretar las observaciones del clima y del comportamiento de los cultivos, proveen
3
información para el diseño de invernaderos y sistemas de control automático. En este
trabajo se presenta el sistema de control automático del invernadero, que se basa en la
modelación climática en ambiente controlado, la transferencia de masa y energía por
conducción y radiación y el sistema de riego por goteo.
“Durante las últimas dos décadas, una gran cantidad de conocimiento científico
ha sido acumulado y expresado en modelos matemáticos para invernaderos. Estos
modelos que describen el proceso de producción se pueden usar para diseñar
herramientas de ingeniería en invernaderos (análisis y diseño de invernaderos, análisis y
diseño de nuevos algoritmos y métodos de control, etcétera).” [1]
“La formulación de modelos climáticos permite predecir el comportamiento de
las diferentes variables que integran el agrosistema del invernadero, para condiciones
climáticas específicas de cada región; y sus interacciones.” [3] Sin embargo, la
modelación matemática del ambiente físico en nuestro país es muy escasa, debido a que
la tecnología de producción en invernadero es relativamente nueva, por lo que hay una
gran necesidad de generarla.
Para el mejoramiento de los sistemas y una automatización más eficiente se
requiere de un buen controlador. En este caso se utilizará el controlador lógico
programable en sus cifras en inglés PLC que es un dispositivo electrónico diseñado
para controlar y automatizar procesos industriales, esto quiere decir que tiene una
aplicación más ruda que otros dispositivos. Este dispositivo satisface las necesidades
requeridas para la automatización del invernadero teniendo un control más preciso del
clima.
4
1.1 Descripción del documento
Este trabajo se desarrolló en varios capítulos los cuales describiremos a continuación:
Capítulo 1: Se refiere a la introducción al tema de los invernaderos y también se
plantean los objetivos a lograr, la justificación del tema y las preguntas de investigación
con su hipótesis. Dando unas reseñas históricas del inicio de los invernaderos y su
evolución, así como sus características. Además se da una breve explicación del
contenido de la tesis.
Capítulo 2: Se describen los diferentes tipos de invernaderos que existen, así
como las variables y los sistemas que conforman a estos. También se aborda brevemente
los diferentes controladores que se pueden usar en los invernaderos automatizados.
Capítulo 3: Se enfoca al invernadero que se utilizó, el historial de su última
cosecha, la descripción de los sistemas existentes, sus ventajas y desventajas así como el
planteamiento de mejoras que presenta este trabajo.
Capítulo 4: Se da una breve introducción a lo que se refiere al modelado
climático, y las diferentes formas de controlar el clima, se abordo el tema del control
difuso, y del como se implemento en esta tesis.
.
Capítulo 5: Se describen los diferentes circuitos implementados en el prototipo
con una breve explicación de su funcionamiento
Capítulo 6: Se describen los diagramas de flujo y esquemático, así como la
programación del PLC.
5
Capitulo 7: Se dan conocer los resultados que se obtuvieron de esta tesis. Así
como las conclusiones a las que condujo este trabajo.
1.2 Antecedentes
En referencias históricas del uso de plantas de interior, dos cosas son obvias: en primer
lugar la introducción de plantas en macetas y en segundo lugar de la colocación de estas
plantas en el interior. Mientras que las plantas nativas pueden crecer en macetas al aire
libre, las plantas exóticas tienen requisitos climáticos especiales y se deben cultivar
dentro.
Hacia finales del siglo IV A.C., las macetas eran ya una cosa normal y los
jardines de azotea no eran tomados ya como algo fuera de lo común. Los egipcios ya
sentían un gran amor por las plantas y las flores. No obstante las pruebas escritas que
demuestran la utilización de las plantas de interior data del siglo III A.C. Las plantas
estaban en recipientes de arcilla y fueron colocadas en los patios de los palacios con
propósitos ornamentales.
Las plantas de interior incluso existieron en Pompeya donde los resultados
arqueológicos de las ruinas demuestran que los romanos también han utilizados el
cultivo en maceta para uso de interior. Hay prueba que los atrios fueron adornados con
numerosas plantas en flor y cestas que colgaban. El emperador Tiberius construyó
invernaderos usando Lapis specularis (Piedras de espejo) que permitió dar una luz
tenue en vez del sol directo. El utilizó el calor del sol para calentar el abono que era
utilizado para abonar las plantas exóticas que Tiberius había recolectado en sus
campañas.
6
1.2.1 El primer invernadero
Muchas de las plantas exóticas que fueron llevadas a Gran Bretaña no habrían
sobrevivido a no ser por la existencia de los invernaderos. En 1545 se fundó el jardín
botánico de Padua en Italia con fines académicos, para facilitar el aprendizaje y el
conocimiento de las plantas medicinales (figura 1.1). Este sufrió modificaciones en su
estructura alrededor en 1550 para introducir algunas partes de cristal y poder adaptar así
las plantas más delicadas, aunque no fue hasta el siglo XVII que se utilizó ese material
como técnica común para el cultivo de invernadero. Este invernadero se empleó sólo
para el cultivo de plantas medicinales.
Figura 1.1 Grabado del jardín botánico de Padua, Italia
Estas son las bases fundamentales de los invernaderos modernos, siempre teniendo
como objetivo la producción de plantas de distintos tipos de clima.
7
1.3 Justificación
La agricultura es una actividad de gran importancia estratégica como base fundamental
para el desarrollo autosuficiente y riqueza de las naciones. Todas las actividades
económicas que abarca la agricultura, tienen su fundamento en la explotación del suelo
o de los recursos que este origina en forma natural o por la acción del hombre.
El clima terrestre es caótico y complejo. Se debe a una multiplicidad de factores
en los que el Hombre no tiene influencia sustancial alguna. Esto afecta de manera
directa a los diferentes tipos de cultivos.
“En las décadas siguientes, la agricultura deberá afrontar, por una parte, una
demanda creciente en alimentos y materias primas básicas, y a la necesidad de utilizar
los recursos sin causar degradación o agotamiento del ambiente. Las civilizaciones
generalmente han prosperado durante los periodos de clima benigno, incluso muchas
fueron incapaces de optimizar sus prácticas agrícolas para ayudar al control del sistema
natural; por ello la historia documenta la caída de los sistemas socioeconómicos que no
tuvieron capacidad para responder a los cambios del clima o en los recursos de agua y
suelo.” [1]
Se tiene muchas ventajas al tener cultivos bajo invernadero, esto evita los
cambios bruscos del clima como la variación de temperatura, la escasez o exceso de
humedad. También se puede producir cultivos en las épocas del año más difíciles
teniendo cosechas fuera de temporal, sustituyendo el clima de otras regiones y
alargando el ciclo del cultivo. Otra de las ventajas es el de obtener productos de mejor
calidad y una mayor producción en la cosecha, y así incrementar la economía.
Este incremento del valor de los productos permite que el agricultor pueda
invertir tecnológicamente en su explotación mejorando la estructura del invernadero.
8
Al optimizar los recursos al máximo con la ayuda de la ingeniería se tiene un
ahorro considerable de energía eléctrica y agua. Este último es un problema grave en
nuestro estado “el 78% del agua a nivel nacional es para uso agrícola con una eficiencia
de riego del 45%”. [4] Por eso es importante invertir en investigación y desarrollo de
tecnologías. Es por eso que para el desarrollo económico de este país la inversión de
invernaderos no es un lujo sino una necesidad.
1.4 Preguntas de investigación
1.4.1 ¿Es posible controlar el funcionamiento del invernadero con un
sistema de bajo costo y poco mantenimiento utilizando un PLC?
Como todo proyecto bien estructurado se requiere de una inversión inicial, que
relativamente es costoso, pero con un buen funcionamiento y una buena administración
se llega retribuir la inversión inicial en un lapso no muy extenso de tiempo.
Con la ayuda de las diferentes áreas de la ingeniería es posible controlar el clima
interno del invernadero, el cual es la base fundamental del funcionamiento de éste. Con
estas bases podemos llegar a la automatización, la cual nos permite tener una reducción
de mano de obra, y utilizar los recursos necesarios sin desperdiciarlos.
Para poder automatizar el invernadero se requiere tener un control preciso de las
variables que en este caso son: humedad relativa (HR), temperatura,
riego y
fertilización, observando el comportamiento de estas por medio de sensores o
estableciendo tiempos para el caso de riego y fertilización. Ya obtenido el sensado sólo
resta regular las variables a valores deseados o trayectorias definidas.
9
Para llegar a los valores deseados se cuenta con sistemas mecánicos y eléctricos
los cuales se pretenden manipular para obtener un clima estable y benéfico para la
planta.
1.4.2 ¿Es posible controlar el riego con el PLC?
El PLC puede controlar el riego de dos maneras: proporcionando tiempos
(temporizadores), con lo cual se pretende establecer períodos apropiados de riego para
el cultivo en hidroponía, con estrategias que proporcionará el agrónomo. O bien
sensando la humedad del suelo administrando solamente el agua que requiera el cultivo,
dado el caso que no se tenga hidroponía y se desarrolle el cultivo en el suelo.
1.4.3 ¿Es posible controlar el clima con el PLC?
Para el control del clima requerimos un monitoreo continuo de las variables y un
funcionamiento preciso de los sistemas mecánicos y eléctricos.
Con la ayuda del PLC se puede tener un mejor control del clima dentro del
invernadero, ya que éste tiene una reacción inmediata después de que una de las
variables de la climatización se vea alterada. Por tal motivo el invernadero siempre
tendrá una climatización con rangos seguros, incrementando la eficiencia para el
cultivo.
Con el monitoreo continuo y el control preciso del PLC, el sistema llegará a
tener un mayor ahorro de agua y electricidad. Esto porque al sobrepasar los valores de
los rangos seguros el PLC activará los sistemas para la climatización, y se apagarán al
llegar nuevamente al estado seguro. Así evitando el desperdicio desde estas fuentes.
10
1.4.4 ¿Es posible controlar la temperatura y humedad con el PLC?
El PLC es capaz de controlar estas variables estableciendo rangos seguros y flexibles
para los distintos tipos de cultivos, contando límites máximos y mínimos teniendo en
cuenta los rangos de calidad del ambiente.
1.5 Hipótesis
Las hipótesis en las que se basa esta investigación son:
¾ Es posible controlar y mejorar el funcionamiento de un invernadero teniendo un
sistema de bajo costo y poco mantenimiento con la ayuda del PLC, ya que los
controladores que actualmente se utilizan en los invernaderos son muy costosos
y foráneos, y su reparación necesita de especialistas extranjeros, además de que
estos están adecuados a las condiciones de clima y de desarrollo tecnológico de
los países de donde provienen y muchas veces no encajan con las exigencias de
los invernaderos mexicanos.
¾ Con la ayuda del PLC es posible tener un control de las variables del
invernadero (Temperatura, Humedad relativa, Humedad del suelo y Riego), ya
que éste con ayuda de los sensores adecuados tiene una rápida reacción y
además de que puede controlar grandes cargas debido a su aplicación industrial.
11
1.6 Objetivos
1.6.1 Objetivo General
Diseñar un sistema de control de las principales variables de un invernadero que en este
caso son: Temperatura, Humedad Relativa, Humedad del suelo y del riego.
Manteniendo los valores de estas variables en los rangos recomendados. Teniendo un
sistema de bajo costo y que requiera poco mantenimiento con la ayuda de un PLC.
Para lograr un menor costo se busca un mayor ahorro de agua y energía eléctrica.
Se conseguirá un mayor ahorro de agua al utilizar sensores para los sistemas de
humedad y de riego y tener bien definido el tiempo de este último. Todo esto lo
lograremos con la ayuda del PLC, además de que el de riego será por medio del sistema
por goteo, el cual proporciona a la planta el agua requerida y la humedad del suelo
constante sin llegar a desperdiciarla causando deficiencia de oxígeno y las
consecuencias nocivas que conlleva.
Un problema que tienen los invernaderos que no están automatizados es el
desperdicio de energía eléctrica, al no tener una estrategia de control de los rangos
superiores e inferiores de las variables. Este trabajo se encargará de establecer los
rangos para el encendido y el apagado de los sistemas.
1.6.2 Objetivos Específicos
En esta tesis se pretenden controlar las principales variables en un invernadero que son:
temperatura, humedad relativa y riego.
•
Diseñar el sistema de automatización por medio del PLC s7-200 siemens.
12
•
Construir el sistema de control con materiales de bajo costo.
•
Mejorar los sistemas existentes en el invernadero de la escuela de Agronomía.
•
Obtener un mejor control en los rangos de las variables para tener un
rendimiento óptimo.
•
Lograr un ahorro considerable de agua y electricidad.
13
Capítulo 2
Marco Teórico
Una perspectiva limitada del control se concibe como la verificación “a posteriori” de
los resultados conseguidos en el segmento de los objetivos planteados, mejorando el
desempeño dinámico y “regulando las variables a valores deseados o trayectorias
definidas realizando trabajos repetitivos.” [4]
La rama principal del control a utilizar es la automatización. Ésta es la tecnología
que trata de la aplicación de sistemas mecánicos y electrónicos y de bases
computacionales para operar y controlar la producción. Esto nos trae como beneficios el
incremento a la productividad, mayor seguridad para el obrero, y una mano de obra
escasa. Mejora la calidad del producto y la reducción del tiempo de producción.
14
2.1 Tipos de Controladores
Existen varios tipos de controladores, con los cuales se puede automatizar un sistema.
Algunos de los controladores son: Controlador lógico programable (PLC), Procesador
digital de señales (DSP), Microprocesador, Circuitos integrados programables (PIC),
etc.
2.1.1 Controlador Lógico Programable (PLC)
EL PLC es un aparato electrónico operado digitalmente que usa una memoria
programable para el almacenamiento interno de instrucciones, las cuales implementan
funciones específicas, tales como lógicas, secuenciales, temporización, conteo y
aritméticas, para controlar a través de módulos de entrada /salida digitales y analógicas,
varios tipos de máquinas o procesos. Una computadora digital que es usada para
ejecutar las funciones de un controlador programable, se puede considerar bajo este
rubro. Se excluyen los controles secuenciales mecánicos. De una manera general
podemos definir al controlador lógico programable a toda máquina electrónica, diseñada
para controlar en tiempo real y en medio industrial procesos secuenciales de control. Su
programación y manejo puede ser realizado por personal con conocimientos
electrónicos, sin previos conocimientos sobre informática.
También se le puede definir como una "caja negra" en la que existen unas
terminales de entrada a los que se conectarán pulsadores, finales de carrera, foto celdas,
detectores, etc... Unas terminales de salida a las que se les conectarán bobinas de
contactores, electro-válvulas, lámparas; de tal forma que la actuación de estos últimos
están en función de las señales de entrada que estén activadas en cada momento, según
el programa almacenado. Esto quiere decir que los relés de encallamiento,
temporizadores y contadores son internos. La tarea del usuario se reduce a realizar el
15
"programa” que no es mas que la relación entre las señales de entrada que se tienen que
cumplir para activar cada salida. [5]
2.1.2 Procesador Digital de Señales DSP
DSP es el acrónimo de Digital Signal Processor, que significa Procesador Digital de
Señal. Un DSP es un sistema basado en un procesador o microprocesador que posee un
juego de instrucciones, un hardware y un software optimizados para aplicaciones que
requieran operaciones numéricas a muy alta velocidad. Debido a esto es especialmente
útil para el procesado y representación de señales analógicas en tiempo real: en un
sistema que trabaje de esta forma (tiempo real) se reciben muestras (samples en inglés),
normalmente provenientes de un conversor analógico/digital (ADC). [6]
2.1.3 Microprocesadores
Un microprocesador es un circuito de alta escala de integración (chip programable),
compuesto por miles de circuitos más simples como: flip flops, contadores, registros,
decodificadores, comparadores, etc; todos ellos distribuidos internamente en varios
bloques funcionales. También es conocido como Unidad Central de Procesamiento o
CPU.
La programabilidad de un microprocesador se refiere a la capacidad que éste
tiene para que su función sea definida a través de un programa. El programa consta de
una serie de instrucciones relacionadas, ejecutadas secuencialmente (una a la vez) por el
microprocesador y que pueden implicar operaciones, por ejemplo: suministrar señales
para los demás elementos del sistema, buscar y traer datos desde la memoria, transferir
16
datos desde y hacia los dispositivos de entrada y salida, decodificar instrucciones,
realizar operaciones lógicas o aritméticas, etc. [7]
2.1.4 Microcontrolador PIC’s
Es un circuito integrado programable que contiene todos los componentes de una
computadora. Se emplea para controlar el funcionamiento de una tarea determinada y,
debido a su reducido tamaño, suele ir incorporado en el propio dispositivo que gobierna.
Esta última característica es la que le confiere la denominación de consola incrustada.
El microcontrolador es un computador dedicado. En su memoria sólo reside un
programa destinado a gobernar una aplicación determinada; sus líneas de entrada/salida
soportan la conexión de los sensores y actuadores de dispositivo a controlar y todos los
recursos complementarios disponibles tienen como única finalidad atender a sus
requerimientos. Una vez programado y configurado el microcontrolador solamente sirve
para gobernar la tarea asignada.
2.2 Tipos de Invernadero
Un invernadero es toda aquella estructura que protege al cultivo de las condiciones
climatológicas externas, permitiendo su crecimiento y la realización de las labores
culturales en el interior del mismo, durante todo su ciclo. Dentro de la cual es posible
obtener unas condiciones artificiales de microclima, y con ello cultivar plantas fuera de
estación en condiciones óptimas. [8]
En la construcción de un invernadero hay que tomar en consideración al menos
los siguientes factores:
17
•
Los materiales que configuran la estructura deben resistir los esfuerzos
mecánicos a los que van a ser sometidos y no deformarse con el paso del tiempo.
El peso de la propia estructura, el empuje del viento y la sobrecarga de nieve son
los efectos más importantes que hay que tener en cuenta a la hora de diseñar e
instalar un invernadero.
•
Los materiales de cobertura o recubrimiento han de ser resistentes a los factores
climáticos adversos (lluvia, viento, nieve y granizo) y permitir la mayor
transmisión posible de la radiación solar que reciben.
•
La superficie y el volumen del invernadero tienen que ser lo suficientemente
grandes como para permitir una mecanización que resulte utilizable rápida y
cómodamente.
•
La orientación y el diseño del invernadero han de reunir características tales que
le permitan recibir la mayor radiación solar posible y que se produzca una
renovación del aire satisfactoria, especialmente durante las épocas del año en
que estos aspectos son más necesarios: solar en invierno y ventilación en verano.
Los invernaderos se pueden clasificar de distintas formas, según se atienda a
determinadas características de sus elementos constructivos (por ejemplo: por su perfil
externo, según su fijación o movilidad, por el material de cubierta, según el material de
la estructura, etc.).
La elección de un tipo de invernadero está en función de una serie de factores o
aspectos técnicos:
•
Tipo de suelo. Se deben elegir suelos con buen drenaje y de alta calidad; aunque
con los sistemas modernos de fertirriego es posible utilizar suelos pobres con
buen drenaje o sustratos artificiales.
•
18
•
Topografía. Son preferibles lugares con pequeña pendiente orientados de norte a
sur.
•
•
Vientos. Se tomarán en cuenta la dirección, intensidad y velocidad de los vientos
dominantes.
•
•
Exigencias bioclimáticas de la especie en cultivo
•
Características climáticas de la zona o del área geográfica donde vaya a
construirse el invernadero
•
•
Disponibilidad de mano de obra (factor humano)
•
•
Imperativos económicos locales (mercado y comercialización).
2.2.1 Invernadero Plano o Tipo Parral
Este tipo de invernadero se utiliza en zonas poco lluviosas. La estructura de estos
invernaderos se encuentra constituida por dos partes claramente diferenciadas, una
estructura vertical y otra horizontal.
La estructura vertical está constituida por soportes rígidos que se pueden
diferenciar según sean perimetrales (soportes de cerco situados en las bandas y los
esquineros) o interiores (pies derechos). Los pies derechos intermedios suelen estar
separados unos 2.0 m en sentido longitudinal y 4.0 m en dirección transversal, aunque
también se presentan separaciones de 2.0 m x 2.0 m y 3.0 m x 4.0 m. Los soportes
perimetrales tienen una inclinación hacia el exterior de aproximadamente 30° con
19
respecto a la vertical y junto con los postes que sujetan su extremo superior sirven para
tensar las cordadas de alambre de la cubierta. Estos apoyos generalmente tienen una
separación de 2.0 m aunque en algunos casos se utilizan distancias de 1.5 m.
Tanto los apoyos exteriores como interiores pueden ser rollizos de pino o
eucalipto y tubos de acero galvanizado.
La estructura horizontal está constituida por dos mallas de alambre galvanizado
superpuestas, implantadas manualmente de forma simultánea a la construcción del
invernadero y que sirven para portar y sujetar la lámina de plástico.
Los invernaderos planos tienen una altura de cubierta que varía entre 2.15 m y
3.5 m y la altura de las bandas oscila entre 2.0 m y 2.7 m. Los soportes del invernadero
se apoyan en bloques troncopiramidales, prefabricados de hormigón, colocados sobre
pequeños pozos de cimentación. Este invernadero se muestra en la Figura 2.1.
Figura 2.1 Invernadero tipo Plano o Parral.
20
Sus principales ventajas son:
•
Su economía de construcción.
•
Su gran adaptabilidad a la geometría del terreno.
•
Mayor resistencia al viento.
•
Aprovecha el agua de lluvia en periodos secos.
•
Presenta una gran uniformidad luminosa.
Mientras que sus desventajas son:
•
Poco volumen de aire.
•
Mala ventilación.
•
La instalación de ventanas cenitales es bastante difícil.
•
Demasiada especialización en su construcción y conservación.
•
Rápido envejecimiento de la instalación.
•
Poco o nada aconsejable en los lugares lluviosos.
•
Peligro de hundimiento por las bolsas de agua de lluvia que se forman en la lámina
de plástico.
21
•
Peligro de destrucción del plástico y de la instalación por su vulnerabilidad al viento.
•
Difícil mecanización y dificultad en las labores de cultivo por el excesivo número de
postes, alambre de los vientos, piedras de anclaje, etc.
•
Poco estanco al goteo del agua de lluvia y al aire ya que es preciso hacer orificios en
el plástico para la unión de las dos mallas con alambre, lo que favorece la
proliferación de enfermedades fúngicas.
2.2.2 Invernadero en Raspa y Amagado
Su estructura es muy similar al tipo parral, pero varía la forma de la cubierta. Se
aumenta la altura máxima del invernadero en la cumbrera, que oscila entre 3.0 m y
4.2 m, formando lo que se conoce como “raspa”. En la parte más baja, conocida como
“amagado”, se unen las mallas de la cubierta al suelo mediante postes y horquillas de
hierro que permite colocar los canalones para el desagüe de las aguas pluviales. La
altura del amagado oscila de 2.0 m a 2.8 m, la de las bandas entre 2.0 m y 2. m.
La separación entre apoyos y los postes del amagado es de 2.0 m x 4.0 m y el
ángulo de la cubierta oscila entre 6° y 20°, siendo este último el valor óptimo. La
orientación recomendada es en dirección este-oeste. Este invernadero se ilustra en la
Figura 2.2.
•
Su economía.
•
Tiene mayor volumen unitario y por tanto una mayor inercia térmica que aumenta la
temperatura nocturna con respecto a los invernaderos planos.
22
•
Presenta buena estanqueidad a la lluvia y al aire, lo que disminuye la humedad
interior en periodos de lluvia.
•
Presenta una mayor superficie libre de obstáculos.
•
Permite la instalación de ventilación cenital situada a sotavento, junto a la arista de
la cumbrera.
Mientras sus principales desventajas son:
•
Diferencias de luminosidad entre la vertiente sur y la norte del invernadero.
•
No aprovecha las aguas pluviales.
•
Se dificulta el cambio del plástico de la cubierta.
•
Al tener mayor superficie desarrollada se aumentan las pérdidas de calor a través de
la cubierta.
Figura 2.2 Invernadero del tipo Raspa y Amagado
23
2.2.3 Invernadero Asimétrico o Inacral
Difiere de los tipo raspa y amagado en el aumento de la superficie en la cara expuesta al
sur, con objeto de aumentar su capacidad de captación de la radiación solar. Para ello el
invernadero se orienta en sentido este-oeste, paralelo al recorrido aparente del sol.
La inclinación de la cubierta debe ser aquella que permita que la radiación solar
incida perpendicularmente sobre la cubierta al mediodía solar durante el solsticio de
invierno, época en la que el sol alcanza su punto más bajo. Este ángulo deberá ser
próximo a 60°, pero ocasiona grandes inconvenientes por la inestabilidad de la
estructura a los fuertes vientos. Por ello se han tomado ángulo comprendidos entre los
8° y 11° en la cara sur y entre los 18° y 30° en la cara norte.
La altura máxima de la cumbrera varía entre 3.0 m y 5.0 m, y su altura mínima
de 2.3 m a 3.0 m. La altura de las bandas oscila entre 2.15 m y 3.0 m. La separación de
los apoyos interiores suele ser de 2.0 m x 4.0 m. En la Figura 2.3 se muestra una
ilustración de este invernadero.
Figura 2.3 Invernadero tipo Asimétrico o Inacral
24
•
Buen aprovechamiento de la luz en la época invernal.
•
Su economía.
•
Elevada inercia térmica debido a su gran volumen unitario.
•
Es estanco a la lluvia y al aire.
•
Buena ventilación debido a su elevada altura.
•
Permite la instalación de ventilación cenital a sotavento.
Y sus principales desventajas:
•
No aprovecha el agua de lluvia.
•
Se dificulta el cambio del plástico de la cubierta.
•
Tiene más pérdidas de calor a través de la cubierta debido a su mayor superficie
desarrollada en comparación con el tipo plano.
25
2.2.4 Invernadero de Capilla
Los invernaderos de capilla simple tienen la techumbre formando uno o dos planos
inclinados, según sea a una agua o a dos aguas. En la Figura 2.4 se muestra este tipo de
invernadero.
Figura 2.4 Invernadero de Capilla
•
Es de fácil construcción y de fácil conservación.
•
Es muy aceptable para la colocación de todo tipo de plástico en la cubierta.
•
La ventilación vertical en paredes es muy fácil y se puede hacer de grandes
superficies, con mecanización sencilla. También resulta fácil la instalación de
ventanas cenitales.
•
Tiene grandes facilidades para evacuar el agua de lluvia.
26
2.2.5 Invernadero de Doble Capilla
Los invernaderos de doble capilla están formados por dos naves yuxtapuestas. Su
ventilación es mejor que en otros tipos de invernadero, debido a la ventilación cenital
que tienen en cumbrera de los dos escalones que forma la yuxtaposición de las dos
naves; estas aberturas de ventilación suelen permanecer abiertas constantemente y suele
ponerse en ellas malla mosquitera. Además también poseen ventilación vertical en las
paredes frontales y laterales. En la Figura 2.5 se ilustra este tipo de invernaderos.
Figura 2.5 Invernadero tipo Doble Capilla
2.2.6 Invernadero Túnel o Semicilíndrico
Se caracteriza por la forma de su cubierta y por su estructura totalmente metálica. El
empleo de este tipo de invernadero se está extendiendo por su mayor capacidad para el
control de los factores climáticos, su gran resistencia a fuertes vientos y su rapidez de
instalación al ser estructuras prefabricadas. Los soportes son de tubos de hierro
galvanizado y tienen una separación interior de 5.0 m x 8.0 m ó 3.0 m x 5.0 m. La altura
máxima de este tipo de invernaderos oscila entre 3.5m y 5.0m. En las bandas laterales se
adoptan alturas de 2.5 m a 4.0 m.
27
El ancho de estas naves está comprendido entre 6.0 m y 9.0 m y permiten el
adosamiento de varias naves en batería. La ventilación es mediante ventanas cenitales
que se abren hacia el exterior del invernadero. En la Figura 2.6 se muestra una imagen
de este tipo de invernadero.
•
Estructuras con pocos obstáculos en su diseño.
•
Buena ventilación.
•
Buena estanqueidad a la lluvia y al aire.
•
Permite la instalación de ventilación cenital a sotavento y facilita su accionamiento
mecanizado.
•
Buen reparto de la luminosidad en el interior del invernadero.
•
Fácil instalación.
Mientras que sus principales desventajas son:
•
Elevado costo.
•
No aprovecha el agua de lluvia.
28
Figura 2.6 Invernadero de Túnel o Semicilíndrico
2.2.7 Invernaderos de Cristal o Tipo Venlo
Este tipo de invernadero, también llamado “Venlo”, es de estructura metálica
prefabricada con cubierta de vidrio y se emplean generalmente en el Norte de Europa.
El techo de este invernadero industrial está formado por paneles de vidrio que
descansan sobre los canales de recogida de pluviales y sobre un conjunto de barras
transversales. La anchura de cada módulo es de 3.2 m. Desde los canales hasta la
cumbrera hay un solo panel de vidrio de una longitud de 1.65 m, y anchura que varía
desde 0.75 m hasta 1.6 m. La separación entre columnas en la dirección paralela a las
canales es de 3.0 m.
En sentido transversal está separadas 3.2 m si hay una línea de columnas debajo de cada
canal, ó 6.4 m si se construye algún tipo de viga en celosía. En la Figura 2.7 se muestra
este tipo de invernadero.
Su principal ventaja es que tiene una buena estanqueidad lo que facilita una mejor
climatización de los invernaderos.
29
Sus inconvenientes son:
•
La abundancia de elementos estructurales implica una menor transmisión de luz.
•
Su elevado costo.
•
Naves muy pequeñas debido a la complejidad de su estructura.
Figura 2.7 Invernadero del tipo Cristal o Tipo Venlo
30
2.3 Descripción de los Sistemas
2.3.1 Riego
El agua en las plantas es necesaria, ya que los tres átomos que constituyen su molécula,
con la consiguiente polaridad de sus cargas eléctricas, facilitan mucho la disolución en
agua de otras sustancias, y con esta pueden producir la fotosíntesis la cual es un proceso
en el que la planta fabrica sustancias necesarias para su nutrición y desarrollo.
El riego consiste en aportar agua al suelo para que los vegetales tengan el
suministro que necesitan (alimento) favoreciendo así su crecimiento, mientras que el
fertilizante es una sustancia o mezcla química natural o sintética utilizada para
enriquecer el suelo y favorecer el crecimiento vegetal. Se busca tener un equilibrio en el
riego y la fertilización para que haya un ahorro de agua y la planta tenga un crecimiento
óptimo.
En la mayor parte de los cultivos hortícolas se utiliza el riego como técnica
habitual para conseguir la máxima producción. Existen varios sistemas de riego: el riego
tradicional por gravedad, ya sea por desbordamiento, por inundación (a manta) o por
surcos; el riego por aspersión, mediante sistemas fijos, semifijos y móviles, y el riego
localizado (por goteo).
Existen varios sistemas de riego, entre los cuales sobresalen:
•
Aspersión
•
Puente móvil
•
Goteo
31
2.3.2 Fertirrigación
El término fertirrigación se usa desde 1983, referido a la técnica de aplicar fertilizantes
con el agua del riego o, en concreto, el riego con soluciones nutritivas. Según algunos
autores, la fertirrigación es el método más racional de que disponen ciertos países para
realizar una fertilización automatizada respetando el medio ambiente. Su aplicación
destaca en los cultivos hortícolas.
Fertilizante es una sustancia o mezcla química natural o sintética utilizada para
nutrir el suelo y favorecer el crecimiento de la planta de forma natural.
2.3.3 Hidroponia
La palabra Hidroponia deriva del griego Hydro (agua) y Ponos (labor o trabajo) lo cual
significa literalmente trabajo en agua. La Hidroponia es una ciencia que estudia los
cultivos sin tierra.
2.3.3.1 Sustrato
Se denomina sustrato a un medio sólido inerte que cumple dos funciones esenciales:
•
Anclar y aferrar las raíces protegiéndolas de la luz y permitiéndoles respirar.
•
Contener el agua y los nutrientes que las plantas necesitan.
Los gránulos componentes del sustrato deben permitir la circulación del aire y de
la solución nutritiva. Se consideran buenos aquellos que permiten la presencia entre
15% y 35% de aire y entre 20% y 60% de agua en relación con el volumen total.
32
Muchas veces es útil mezclar sustratos buscando que unos aporten lo que les falta a
otros, teniendo en cuenta los aspectos siguientes:
•
Retención de humedad.
•
Alto porcentaje de aireación.
•
Físicamente estable.
•
Químicamente inerte.
•
Biológicamente inerte.
•
Excelente drenaje.
•
Poseer capilaridad.
•
Liviano.
•
De bajo costo.
•
Alta disponibilidad.
33
2.3.4 Calefacción
La temperatura es la principal variable a tener en cuenta en el manejo del ambiente
dentro de un invernadero, ya que es la que más influye en el crecimiento y desarrollo de
las plantas; por tal motivo se desea tener la temperatura en un rango óptimo.
Existen varios sistemas de calefacción según el método a utilizar:
•
Por agua caliente. Este sistema se basa en la transferencia de calor que se
produce al circular un caudal de agua caliente por una tubería que recorre el
interior del invernadero
•
Por vapor de agua. Es una variante del caso anterior; aquí el fluido que circula
por una gran parte del circuito de calefacción es vapor de agua a media presión.
Éste tiene peor uniformidad en la distribución del calor y humedece el ambiente.
•
Por aire caliente. En este sistema el fluido circulante es una masa de aire
previamente calentada en un generador de combustión directa o en un
intercambiador de calor. En la combustión directa el aire es arrastrado hacia el
interior del invernadero que contiene los gases de la combustión; éstos pueden
resultar tóxicos para el cultivo, en especial si son portadores de etileno y óxidos
de azufre o nitrógeno. Cuando se emplean combustibles libres de contaminantes,
como son el gas natural o el gas licuado de petróleo, las emanaciones que
resultan de la combustión, ricas en anhídrido carbónico y vapor de agua, pueden
utilizarse a modo de fertilización carbónica.
•
Mediante electricidad. La energía eléctrica puede utilizarse de distintas formas
para generar calor. La más simple (termoventilador) consiste en calentar
mediante resistencias eléctricas una masa refractaria que actúa como acumulador
34
de calor, mientras un ventilador se encarga de distribuir el aire caliente por el
interior del invernadero. Otra modalidad es la del cable radiante, que consiste en
extender sobre una capa de material aislante un conductor eléctrico que, debido a
su resistencia, transforma la energía eléctrica en energía calorífica.
•
Mediante instalación solar. Una serie de colectores planos u ondulados,
formados por dos laminas de cristal o de material plástico, por los que circula
agua o diversas soluciones; captan la energía solar y la transfieren mediante una
bomba de circulación o un acumulador de calor.
•
Otras fuentes de energía. Se pueden emplear la energía geotérmica y la eólica
para calentar invernaderos.
2.3.5 Humidificación
Humedad relativa (HR) es la cantidad de agua contenida en el aire, en relación con la
máxima que sería capaz de contener a la misma temperatura. Existe una relación inversa
de la temperatura con la humedad, por lo que a elevadas temperaturas aumenta la
capacidad de contener vapor de agua y disminuye la HR. Con temperaturas bajas la HR
aumenta. Cuando la HR es excesiva las plantas reducen la transpiración y disminuyen su
crecimiento, cuando la HR es mínima las plantas transpiran en exceso y se deshidratan.
Este sistema depende del lugar en el que se encuentra el invernadero, ya que en
muchos ambientes no se requiere proporcionarle vapor, para elevar la HR. Uno de los
sistemas más relevantes es el llamado “pared húmeda”, el cual se basa en una pared
formada por fibras de cera que se encargan de distribuir agua por las celdas en esta
pared. En el lado contrario de este dispositivo se ubica un extractor de aire, el cual
succionara el agua en forma de rocío, la cual se distribuirá dentro del invernadero.
35
2.3.6 Iluminación
A mayor luminosidad en el interior del invernadero se debe aumentar la temperatura, la
HR y el CO2, para que la fotosíntesis sea máxima; por el contrario, si hay poca luz
pueden descender las necesidades de otros factores. Para mejorar la luminosidad natural
se usan los siguientes medios:
•
Materiales de cubierta con buena transparencia.
•
Orientación adecuada del invernadero.
•
Materiales que reduzcan al mínimo las sombras interiores.
•
Aumento del ángulo de incidencia de las radiaciones sobre las
cubiertas.
•
Acolchado del suelo con plástico blanco.
Es interesante destacar el uso del blanqueo, el cual tiene la función de filtro para
evitar algunos tipos de rayos solares, tales como los rayos UV; ya que esta labor está en
función del desarrollo del cultivo y de las temperaturas, y tiene efectos contradictorios
que hay que conocer para hacer un correcto uso. Hay que saber que la planta sombreada
se ahíla y se producen abortos de flores en determinadas especies sensibles a la luz
(especialmente tomate, pimiento y berenjena), por lo que el manejo del riego y de la
solución nutritiva tiene que ir unida al efecto que produce el blanqueo. Los plásticos
sucios o envejecidos provocan el mismo efecto que el blanqueo.
36
2.3.7 CO2
El anhídrido carbónico de la atmósfera es la materia prima imprescindible de la función
clorofílica de las plantas. El enriquecimiento de la atmósfera del invernadero con CO2,
es muy interesante en muchos cultivos.
La concentración normal de CO2 en la atmósfera es del 0,03%. Este índice debe
aumentarse a límites de 0,1-0,2%, cuando los demás factores de la producción vegetal
sean óptimos, si se desea el aprovechamiento al máximo de la actividad fotosintética de
las plantas. Las concentraciones superiores al 0,3% resultan tóxicas para los cultivos.
En los invernaderos en los que no se aplica anhídrido carbónico, la
concentración de este gas es muy variable a lo largo del día. Alcanza el máximo de la
concentración al final de la noche y el mínimo a las horas de máxima luz que coinciden
con el mediodía. En un invernadero cerrado por la noche, antes de que se inicie la
ventilación por la mañana, la concentración de CO2 puede llegar a límites mínimos de
0,005-0,01%, que los vegetales no pueden tomarlo y la fotosíntesis es nula. En el caso
de que el invernadero esté cerrado durante todo el día, en épocas demasiado frías, esa
concentración mínima sigue disminuyendo y los vegetales se encuentran en situación de
extrema necesidad en CO2 para poder realizar la fotosíntesis.
Los niveles aconsejados de CO2 dependen de: la especie o variedad cultivada, la
radiación solar, la ventilación, la temperatura y de la humedad. El óptimo de asimilación
está entre los 18 y 23º C de temperatura, descendiendo por encima de los 23-24º C.
Respecto a la luminosidad y humedad, cada especie vegetal tiene un óptimo distinto.
El efecto que produce la fertilización con CO2 sobre los cultivos hortícolas, es el
de aumento de la precocidad de aproximadamente un 20% y aumento de los
rendimientos en un 25-30%; mejora la calidad del cultivo así como la de su cosecha.
37
Sin embargo, no se puede hablar de una buena actividad fotosintética sin una
óptima luminosidad. La luz es factor limitante, y así, la tasa de absorción de CO2 es
proporcional a la cantidad de luz recibida, además de depender también de la propia
concentración de CO2 disponible en la atmósfera de la planta. Se puede decir que el
periodo más importante para el enriquecimiento carbónico es el mediodía, ya que es la
parte del día en que se dan las máximas condiciones de luminosidad.
2.4 Investigaciones Previas
En el 2002 se realizó una tesis de Carrillo, Márquez y Zúñiga. La cual trata acerca del
control de un invernadero, además de su monitoreo en Internet. Esta tesis trata de los
sensores de humedad y temperatura, teniendo un control de la humedad del suelo, pero
de la temperatura nada más el monitoreo, sin tener el control. [9]
El monitoreo por Internet sí funcionó, mientras que el control por medio de éste
falló, debido a que les faltó un componente del software LabView. El sistema del
monitoreo del invernadero está hecho por medio del LabView.
Con esa tesis se pretendió tener un sistema controlado del invernadero, mientras
que con esta tesis automatizar el sistema y tener un mejor control de los factores
variables de éste.
También se encontró en el 2007 una tesis de Pacheco Pacheco, la cual trata
acerca del control de un sistema de riego por medio de un PLC. Este sistema se activa
por medio de sensores de humedad, el cual indicará cuándo el suelo esté o no húmedo.
Además de que el sistema de riego está controlado y automatizado respecto al tiempo.
[10]
38
Con esta tesis se pretendió contribuir de manera sobresaliente a mejorar la
calidad de los cultivos regados en forma eficiente. Además al implementar este sistema
se derivaran beneficios, dado que un gran porcentaje de agua es desperdiciada en las
áreas de riego, así como la energía en sistemas donde el riego utiliza la técnica de
bombeo.
En el mismo año se presentó la tesis de Camarena Rodríguez y la cual lleva por
título “Automatización del Fertirriego con VisSim y PDS TMS320LF2407”. Este
trabajo se basa en unificar el sistema de riego por goteo con el sistema de fertilización
haciendo el sistema de fertirriego.[11]
Esta tesis toma como ventajas del fertirriego que sólo se aplicarán los nutrientes
de forma exacta y uniforme. Además el fertirriego permite adecuar la cantidad y
concentración de los nutrientes de acuerdo a la demanda durante el ciclo de crecimiento
del cultivo.
Para esta tesis se utilizó un sensor de humedad Watermark del tipo granular
matricial, el cual ofrece un método indirecto de medición de humedad del suelo a partir
de la succión del agua en el terreno y cuantificada en centibares.
Por último los objetivos de esta tesis son:
•
Diseñar y calibrar un sistema automático para el control de aplicación de
fertirriegos, utilizando las herramientas de electrónica y programación.
•
Diseñar el sistema automático bajo el lenguaje de programación vissim, y el
Procesador Digital de Señales (PDS) TMS320L2407.
•
Construir el sistema de control utilizando material de la región.
39
•
Calibrar el sistema de control para detectar posibles fallas de funcionamiento.
Las conclusiones de esta tesis es que el fertirriego se puede utilizar tanto en
agricultura de invernadero como en agricultura sin ninguna protección, además de que
ayuda a mejorar el uso eficiente del agua.
Se encontró el libro Invernadero: Proyecto-Construcción. El cual habla de cómo
hacer una maqueta de un invernadero, además de que indica cómo controlar la
iluminación, temperatura, humedad y riego.
Este libro se basa en cómo hacer un invernadero para un proyecto de educación
media superior, utilizando material muy fácil de conseguir. Da una breve información
de lo bueno de las energías alternativas, explica componentes electrónicos. Da una
forma muy sencilla de automatizar el invernadero.
También tiene algunas deficiencias tales como la definición y los tipos de
invernaderos, poca información de los circuitos que están utilizando (hojas de datos)
y cómo tener un control más preciso de sus sistemas.
Los objetivos de este libro son:
•
Saber interpretar los croquis de piezas simples.
•
Manejar correctamente instrumentos de medida.
•
Manejo correcto de herramientas y máquinas elementales.
•
Conocimiento de materiales básicos.
•
Conocimiento de distintos elementos prefabricados disponibles en el mercado.
40
•
Conocimiento de circuitos básicos de electricidad y electrónica.
•
Adquisición de ideas elementales sobre biomasa.
•
Introducción en el campo de las energías alternativas.
•
Creación de puntos de conexión de distintas áreas.
41
Capítulo 3
Características del Invernadero a
Utilizar
3.1 Características Generales
Cabe mencionar que la mayoría de los sistemas se simularán en maqueta, tales como la
temperatura, humedad relativa riego en hidroponia y riego por medio de sensor.
El invernadero en el que se trabajará (Figura 3.1) pertenece a la Unidad
Académica de Agronomía de la Universidad Autónoma de Zacatecas. Su ubicación es
Carretera 54, Zacatecas - Villanueva km. 15.5. Coordenadas geográficas 102º 41º 10.4º
longitud oeste, y 22º 43º 28.4º latitud norte, a una altitud de 2234 m. Orientación
sureste-noroeste. Las características más importantes de este invernadero son: es de tipo
túnel, sus dimensiones son de una longitud de 30 m x 8.64 m de ancho, con una altura
que varía de 3.6m a 3.45m; También cuenta con los sistemas de calefacción,
enfriamiento, humidificación y fertirriego. Además que se emplea el método de
hidroponía.
42
Figura 3.1 Parte frontal del invernadero
3.1.1 Planos del invernadero
En las siguientes páginas se mostrarán los planos de cómo esta constituido el
invernadero de forma externa. La cual esta formada por sus caras frontal oeste, frontal
este, lateral sur y lateral norte. Así como una maqueta virtual de este, que se mostrarán
en las Figuras 3.2 y 3. 3.
43
44
45
46
Figura 3.2 Maqueta virtual del invernadero con una panorámica superior.
Figura 3.3 Maqueta virtual con una panorámica frontal.
47
3.1.2 Características del último cultivo
El ciclo del último cultivo fue del 22 de junio de 2007 al 28 de enero de 2008. En éste
se cultivó tomate con una cantidad de 198 plantas de las cuales 120 se les aplicó el
sistema fertirriego por goteo, mientras que las plantas restantes el fertirriego fue por
gravedad, mediante el flujo de la solución nutritiva a través de canales, con
recirculación manual de la solución. A cada planta se le aplicó aproximadamente de 3.2
a 3.5 litros de agua aunque varió dependiendo de la etapa de crecimiento de la planta.
Aproximadamente se utilizó la cantidad 615 litros de gas LP para el sistema de
calefacción aunque se tuvieron problemas en la última etapa del cultivo (del 12 al 28 de
enero) por la falta de gas produciendo una maduración dispareja.
Durante este ciclo se pretendió no utilizar plaguicidas sintéticos, sólo extractos
de orégano y de ajo, debido a que presentó un problema fuerte con una plaga de mosca
blanca (Bemisia tabasi) por la falta de malla en el muro húmedo por el cual se tuvo que
emplear un plaguicida químico Diazinon 25% CE.
En el sistema de fertirriego los sustratos utilizados fueron: tezontles, perlitas,
zeolitas, fibra de coco y lona de roca. Los fertilizantes usados se presentan en la tabla
3.1
48
Tabla 3.1 Fertilizantes utilizados
Nombre del sustrato
Cantidad
Acido fosfórico
16 lt
Nitrato de Calcio
48 kg
Sulfato de magnesio
27 kg
Fosfato monoamónico
5 kg
Nitrato de magnesio
5 kg
Acido sulfúrico
3 lt
Sulfato de potasio
12 kg
Nitrato de potasio
20 kg
También se emplearon los siguientes micronutrientes con un total de 12 kg:
•
Hierro
•
Manganeso
•
Cobre en forma de quelatos
•
Zinc
•
Boro – acido bórico
•
Bolideno –modilato de sodio
3.1.3 Parámetros de calidad
Se tuvo una calidad muy buena del producto, la cual se midió con los siguientes
parámetros de calidad del tomate: grados Brix (°Bx), consistencia y acidez titulable.
49
Los °Bx representan el contenido de sólidos totales disueltos, principalmente
azúcares y ácidos orgánicos. Comercialmente los tomates se encuentran entre 3°Bx y
5°Bx. Los tomates dentro de este invernadero resultaron entre 5°Bx y 8°Bx. Por lo cual
nos indica que tuvo una muy buena calidad.
La acidez titulable cuantifica la cantidad de ácidos orgánicos que contiene una
fruta, la cual es neutralizada por una base fuerte (hidróxido de sodio 0.01 normal) con
ésta se mide la acidez determinada por el equilibrio entre los componentes ácidos del
tomate. El rango más común es de 3.5 (comercialmente) y en esta cosecha resultó de 3.5
lo cual es un rango muy bueno ya que comercialmente se encuentra entre 2.5 y 3.5.
La consistencia del fruto se manifiesta por medio de la persistencia en el tiempo,
de la apariencia física externa e interna, la forma, la textura y la rigidez. Este parámetro
se determina con el penetrómetro, el cual mide la resistencia del fruto a la penetración,
para este caso no se tuvo el aparato para medir esta propiedad, por lo que se recurrió a
observar el tiempo de vida en el anaquel, que son los días que dura un fruto en el cual no
manifiesta cambios en su apariencia para que mantenga sus cualidades comerciales.
Normalmente los tomates empiezan a presentar síntomas de deshidratación y/o
descomposición a los 36 días mientras que los del invernadero duraron 2 meses. En las
Figuras 3.4 y 3.5 se muestran los tomates antes de ser cosechados y se muestra la
apariencia saludable que estos presentan.
50
Figura 3.4 Tomates producidos en el ciclo Agosto-Diciembre de 2007
Figura 3.5 Cultivo de tomates
51
3.1.4 Sistemas de control del invernadero
Actualmente el invernadero cuenta con un sistema de control simple y presenta fallas en
sus sistemas, tanto en los dispositivos de tiempo del riego como en el sistema de control
de temperatura, ya que este último se apaga y prende demasiado debido a que no tiene
una histéresis adecuada dentro de los rangos seguros de temperatura mientras que en el
riego se han tenido que cambiar dos veces los timers debido a que se han presentado
descomposturas. Debido al simple control de temperatura se tiene un desperdicio
considerable de energía eléctrica y gas mientras que por el del riego se tiene que operar
de una manera manual.
Este invernadero cuenta con los siguientes componentes:
•
2 extractores de aire que trabajan con 220 Vac., 60 Hz, 3 fases y 5.2 A.
•
Bomba centrifuga para agua, de 1 ½ HP que opera con 120 Vac. a 60 Hz, 3400
r/min. La cual es utilizada para el sistema de riego.
•
Sistema de riego por goteo con 240 goteros equivalente a 55 m. de longitud.
•
Bomba para agua que trabaja con 220 Vac. La cual se utiliza para humedecer la
pared húmeda.
•
Pared húmeda de 6 m x 1.5 m.
•
Calefactor automático de gas.
•
Sistema de fertirriego con tres salidas conectado a la línea por goteo.
52
Se propone un sistema control más seguro y eficiente que el ya utilizado, para
poder tener una mejor calidad en el cultivo y proporcionar un ahorro de energía eléctrica
y gas. Para esto explicaremos cada uno de los sistemas.
Para una mejor apreciación del invernadero se muestra la Figura 3.6 donde se
observa el interior del invernadero ya cosechado el cultivo.
Figura 3.6 Interior del invernadero después de la cosecha
53
3.2 Sistemas a controlar
3.2.1 Riego
Uno de los sistemas más utilizados en horticultura es el riego por goteo, en el que el
agua se distribuye a baja presión en zonas muy concretas del terreno (bulbo húmedo),
donde se desarrolla un sistema radicular del cultivo, con una frecuencia tal que en todo
momento quede garantizada una alta humedad en la zona que se riega. Resulta muy útil
cuando se tienen problemas de salinidad o fitosanitarios del suelo o alto contenido de
sales en el agua utilizada para el riego.
Lo que comúnmente se conoce como riego por goteo es, de hecho una
combinación de varios tipos de sistemas de distribución de agua de bajo volumen y alta
frecuencia. El término correcto para estos sistemas es microirrigación. Cada sistema de
microirrigación se distingue por un tipo diferente de emisor (la parte que descarga el
agua). Estos sistemas de microirrigación son los requeridos por los agricultores. Debido
a que su necesidad de conservar el agua es cada vez mayor.
Algunos de estos sistemas literalmente distribuyen el agua gota por gota. Lejos
de ser una tortura con agua, este tipo de sistema es la mejor forma de aprovechar el agua
para las plantas. Manteniendo húmedas las raíces de las plantas (pero no al punto de
saturación).
Se busca proporcionarle de 3 a 3.5 litros de agua cada 24 horas. Lo ideal para
este invernadero es que tenga riegos muy frecuentes por hora, como unos 3 riegos por
hora, entonces se tendrán riegos de 0.093 litros entre las 8:00 A.M.y las 8:00 P.M. (12
horas al día). Es así que se aplicaran sólo las cantidades requeridas de fertilizantes y
agua al cultivo, sin tener que desperdiciar estos elementos. En las figuras 3.7 y 3.8 se
pueden apreciar más detalladamente el uso de los goteros.
54
Figura 3.7 Parte del sistema de riego
Figura 3.8 Gotero
Figuras 3.7 y 3.8 Riego por goteo
3.2.2 Fertilización
Es el suministro de nutrimentos que se le proporcionará a la planta por medio del
sistema de riego diluyéndolo en el agua para una mejor distribución y no desperdiciando
fertilizante.
Para llevar acabo la fertilización se utiliza el fertirriego, el cual se basa en aplicar
fertilizante soluble en agua, y distribuyéndolo a la planta a través del sistema de riego.
En la Figura 3.9 se puede apreciar el sistema de inyección de fertilizantes disueltos en
soluciones para ser diluidos a la concentración que los requieren las plantas de tomate.
Figura 3.9 Sistema de inyección de soluciones con fertilizantes tipo ventari, al sistema
de riego.
55
3.2.3 Sistema de control de temperatura
El sistema cuenta con las etapas que son: de enfriamiento y calefacción. La calefacción
depende del tipo de invernaderos, en este caso de túnel, el cual cuenta con calefactores y
con ventiladores para dispersar el calor uniformemente en todo el invernadero.
Para el control de temperatura se cuenta con dos etapas, la primera de
calefacción la cual prende un calefactor de gas el cual funciona por medio de una bujía
la cual emite una chispa para que se lleve a cabo la combustión del gas y un ventilador
que se encarga de distribuir el calor cuando se tengan temperaturas bajas dentro del
invernadero, la cual se puede mostrar en la Figura 3.10.
La segunda etapa es de enfriamiento, en la cual se prenderán dos extractores los
cuales sacarán el calor excesivo del invernadero cuando en éste se presenten
temperaturas altas, tal como se muestra en las figuras 3.11 y 3.12.
Figura 3.10 Etapa de calefacción por medio de calefactor de gas.
56
Figura 3.11
Figura 3.12
Figuras 3.11 y 3.12 Etapa de enfriamiento por medio de extractores
El invernadero tendrá un rango seguro de 12 °C a 32 °C, dependiendo del tipo de
cultivo en este caso es el tomate. Para esto, cuando se presenten temperaturas más bajas
de 12 °C que es el límite inferior, se activará la etapa de calefacción que nos transferirá
el calor por medio de convección, a través del fluido que en este caso es el aire. La etapa
de enfriamiento se activará cuando la temperatura rebase el límite superior de 32 °C,
sustrayendo el calor excesivo.
La temperatura será censada utilizando el circuito integrado (CI) lm35, el cual es
un sensor de temperatura. Este le mandará una señal eléctrica equivalente a la
temperatura al PLC, el cual estará registrando la temperatura. El PLC encenderá el
sistema cuando se tengan medidas de que el rango seguro de temperatura está alterado.
57
3.2.4 Humidificación
Este sistema se implementará por medio de una pared húmeda y extractores, para el
caso de necesidad de humedad. El exceso de humedad en el aire de Zacatecas no se
presenta, aunque en las noches frías el calefactor permite reducir la HR. Esto será
debido a que la humedad relativa es proporcional a la temperatura, entre menor sea la
temperatura mayor humedad y mientras mayor temperatura habrá menor humedad.
Con este sistema se busca tener la humedad en un rango seguro para el cultivo, para esto
se medirá la humedad relativa con un comparador el cual entrega la diferencia entre dos
sensores de temperatura lm35, uno en estado seco y otro en estado de humedad máxima.
Este sistema también será controlado por medio del PLC s7-200. Al igual que el
sistema anterior se busca tener un rango seguro, que cuando éste se vea afectado
encienda. Será igual al sistema anterior pero con medidas de porcentaje de humedad
relativa (HR). En las Figuras 3.13 y 3.14 se muestra este sistema.
Figura 3.13 Pared húmeda
Figura 3.14 Calefactor
58
Es así, que lo que se busca es proporcionarle al invernadero una mejor optimización en
el control de las variables, ahorro de energía y agua.
3.3 Prototipo
Para hacer las pruebas de los sistemas de forma más práctica y rápida se llevó acabo la
construcción de una maqueta. Simulando todos los sistemas reales del invernadero de la
escuela de Agronomía. Aunque se realizaron algunas modificaciones debido a su
tamaño y por comodidad.
Su principal material es el policarbonato, el cual es un material que pertenece a
un grupo particular de termoplásticos, además de que pueden ser moldeados muy
fácilmente con calor y tienen amplia durabilidad. Entre sus características principales se
encuentran la resistencia a la temperatura, amorfo y transparente, presenta estabilidad en
el agua, los ácidos, no es biodegradable, y tiene una alta protección a los rayos UV. Por
consecuente se utilizó en el techo y en los lados frontales de la maqueta, pero también se
puede utilizar en invernaderos reales. Para una mejor apreciación del interior de la
maqueta se le instaló en las paredes laterales vidrio.
Se trato de asemejar lo más posible al invernadero real, se cuenta con dos
extractores de aire de 6.5 pl y 4.5 pl., los cuales operan a 12 Vcd. Para la etapa de
calefacción se recurrió a una resistencia de alambre de tuxteno que va ser el sustituto del
calefactor de gas. Se instaló un filtro de fibra el cual hará la función de la pared húmeda.
Se utiliza una bomba de agua para el sistema de humidificación de 120 Vca. de salida
92 litros por hora. Para los sistemas de riego se utilizaron dos bombas de aire con salidas
de 1500 m3 por minuto que opera a 120 Vca.
59
Según los datos obtenidos los tiempos de riego se definieron de 3 segundos cada
20 minutos durante 12 horas cada 24 horas. Estos cálculos fueron adquiridos mediante
mediciones que se realizaron en el mismo prototipo para dar una mayor aproximación al
invernadero real.
Para el caso del sensado de la humedad del suelo se tuvo que calibrar el sensor
watermark MR realizando pruebas de 100% húmedo y 0% húmedo, introduciéndolo en
agua y posteriormente dejándolo secar hasta su valor estable, este sensor se acondicionó
para que entregue como salida un voltaje dependiendo de la humedad existente. Este
sensor tiene una respuesta lineal, sin embargo, la humedad del suelo se representa de
forma logarítmica debido a que las moléculas más lejanas del agua son las más fáciles
de sustraer, en cambio las más cercanas a las moléculas de la tierra son las más difíciles
de extraer.
En las Figuras 3.15 y 3.16 se puede ver el prototipo hecho.
Figura 3.15 Vista lateral del prototipo.
60
Figura 3.16 Vista frontal del prototipo.
3.4 Controlador
El controlador utilizado para este trabajo es el PLC s7-200 trabajando con un CPU 224
de la marca Siemens. Este controlador es capaz de realizar diversas tareas, su diseño es
compacto,
tiene bajo costo y un amplio juego de operaciones. El software de
programación basado en Windows ofrece una flexibilidad necesaria para solucionar
tareas de automatización. En la Figura 3.17 se puede mostrar el PLC s7-200.
Figura 3.17 PLC s7-200 siemens.
61
Entre sus principales características sobresalen las siguientes:
•
14 entradas digitales.
•
10 salidas digitales.
•
2 salidas de impulsos a 20 kHz de frecuencia cada una.
•
2 potenciómetros analógicos con resolución de 8 bits.
•
256 temporizadores.
•
256 contadores.
La Figura 3.18 muestra los componentes básicos de un sistema PLC S7-200,
incluyendo una CPU S7-200, un PC, el software de programación STEP 7-Micro/WIN
32 (versión 3.1) y un cable de comunicación.
Figura 3.18 Componentes para el PLC s7-200.
62
Al trabajar con este PLC se podrán controlar todas sus variables, ya que cuenta
con las entradas necesarias para su sensado y las salidas suficientes para activar los
sistemas.
63
Capítulo 4
Control del clima
4.1 Modelado climático y su historia
Lo que se refiere en materia de investigación del modelado climático, es muy escasa en
México. Castañeda Miranda R. propuso los primeros modelos climáticos de un
invernadero en las condiciones climáticas de la región Centro de México. Esos modelos
simulan la dinámica del clima de un invernadero con cultivo de jitomate. Así, se
propusieron obtener herramientas de apoyo para el análisis de las condiciones
necesarias para la producción de hortalizas en la región Centro de México, que permiten
entender de una manera cuantitativa cómo se produce el clima del invernadero en
función de las condiciones meteorológicas exteriores, para generar conocimiento como
base para el diseño y desarrollo de herramientas de ingeniería en el área de invernaderos
en el país. Para la obtención de estos modelos fueron examinados los procesos
responsables de la transferencia de energía y masa.[12]
En la literatura varios modelos del clima han sido presentados. Este tipo de
modelos entregan una descripción detallada del clima en un invernadero con relación a
las condiciones externas, las propiedades físicas de sus materiales y su equipamiento,
64
por consiguiente, son de un alto orden, como por ejemplo los de Bot (1983) y de Zwart
(1996).
Bot (1983) estudió el clima en un invernadero como el conjunto de condiciones
ambientales y la manera en que afectan el crecimiento y desarrollo del cultivo. Tal
conjunto fue definido en términos de temperaturas y presiones de vapor. Además,
indicó los procesos físicos que contribuían en el invernadero: la ventilación natural a
través de las aperturas de las ventanas (la ventilación debida al efecto de la temperatura
y el viento), la interacción de la cubierta de un invernadero multicapa con la radiación
de onda corta directa y difusa, la interacción con la radiación de onda larga del cielo, así
como la mayoría de los procesos de intercambios por convección que afectan el clima
en su interior.
De Zwart (1996) propuso un nuevo modelo apoyándose en una base de tiempo
de un minuto que describe la dinámica del clima en un invernadero, los componentes
del sistema de calefacción y los controles. También incluye la actividad sintética del
follaje. La información se tomó con mediciones de un cultivo de rosas. Con tal modelo
se evaluaron nueve opciones posibles de ahorro de energía. El consumo de energía la
producción de biomasa fueron comparados contra mediciones realizadas en un
invernadero con producción de jitomate. [12]
Los modelos climáticos se pueden caracterizar como un conjunto de ecuaciones
basadas en leyes físicas que explican el proceso de transferencia de energía y masa
(propiedades termodinámicas). Debido a la complicidad de éstos, algunos modelados se
basan solo en comportamientos dirigidos por objetivos y se formulan en términos de
metas, sacando conclusiones a partir de los hechos observados, forzando a que las
variables de un sistema se comporten como trayectorias definidas a las necesidades
requeridas. Con este tipo de modelados es posible involucrar más de dos variables en un
sólo control, modelando funciones no lineales convirtiendo las entradas en salidas
acordes con los planteamientos lógicos.
65
Para un desempeño óptimo de los conjuntos que conforman el sistema del invernadero
(Figura 4.1) y para tener una mejor interacción entre las dos principales variables del
sistema se propuso desarrollar control basado en la lógica difusa, está nos permite tomar
decisiones dependiendo de las necesidades que se requiera al momento el mismo control
del clima, para poder tener ésta en condiciones optimas.
Figura 4.1 Sistema de invernadero.
4.2 ¿Qué es control difuso?
Un sistema difuso es una clase de objetos con una serie de grados de pertenencia o
membresía. Tal rango es caracterizado por una función de pertenencia (Característica) la
cual asigna a cada objeto un grado de pertenencia que se encuentra entre 0 y 1. Las
nociones de inclusión, unión, intersección, complemento, relación, convección, etc., se
amplían a cada nivel, y varias propiedades de estas nociones son establecidas en el
contexto del sistema difuso. En particular, un teorema de separación para los sistemas
difusos convexos es probado sin requerir que los sistemas difusos sean independientes.
66
4.2.1 Introducción
A menudo las clases de objetos encontrados en el mundo físico real no tienen definido
un criterio de pertenencia, por ejemplo, las clases de animales incluye claramente
perros, caballos, pájaros, etc., como sus miembros, y claramente son excluidos objetos
como rocas, fluidos, plantas, etc. Sin embargo, los objetos tales como estrella de mar,
las bacterias, etc., tiene un estado ambiguo respecto a la clase de animales. El mismo
tipo de ambigüedad se presenta en el caso del número 10 en relación a la clase de todos
los números reales que son más grandes que 1.
Claramente, la “clase de todos los números reales que son mayores que 1,” o
“las clases de mujeres bellas,” o “las clases de hombres altos,” no son clases
constituidas o sistemas establecidos en la matemática usual. Todavía, el factor sigue
siendo definido imprecisamente “clases”, tomando un importante rol en el pensamiento
humano, particularmente en el denominado reconocimiento de patrones, comunicación
de información y abstracción.
El propósito de esta nota es explorar de forma preliminar algunas de las
propiedades básicas y las implicaciones de un concepto que puede ser de utilidad en el
tratamiento de “clases” por citar por encima del tipo. El concepto en cuestión de un
sistema difuso, que es, una continuidad de grados de pertenencia. Al igual que puede
verse en el desenlace, la noción de un sistema difuso proporciona un punto conveniente
de partida para la construcción de un marco conceptual en el que son paralelos en
muchos aspectos, el marco utilizado en el caso de los sistemas ordinarios, pero es mas
general que este último y potencialmente puede resultar un enlace mucho más amplio de
aplicabilidad, particularmente en los campos de clasificación de patrones y
procesamiento de información. Esencialmente, por ejemplo, un marco proporciona una
forma natural de hacer frente a problemas en los que la fuente de imprecisión es la
ausencia de criterios definidos de la clase de pertenencia en lugar de la presencia de
variables aleatorias. [13]
67
4.2.2 ¿Por qué lógica difusa?
Normalmente en la lógica convencional tenemos un conjunto de enunciados que pueden
ser verdaderos o falsos, si o no, 0 o 1. En el contexto de la lógica difusa, el enunciado de
“la temperatura es 25 grados centígrados” puede ser verdadero o falso. Sin embargo, en
muchas situaciones la respuesta puede ser más de un simple “…este, no estoy seguro”,
“quizás”, “bueno, depende…” y algunas otras. Por ejemplo, en un día veraniego la frase
“la temperatura está muy alta” no es ni verdadera ni falsa, ya que es una idea cualitativa
que representa una opinión más que un hecho objetivo. Otro ejemplo es la frase “yo
requiero un día totalmente soleado en la playa para poder sentir calor “, pero existen
otras personas que pueden sentir calor en medio de una tormenta de nieve o en el clima
de una montaña. No existe certeza en estas situaciones, depende del contexto. [14]
Un bloque tradicional produce una salida basada en la lógica binaria. Una
afirmación positiva o negativa resulta como salida de un bloque típico de decisión. Sin
embargo, el inventor de la lógica difusa, el Dr. Lofti Zadeh encontró que en la manera
como los humanos toman decisiones existen algunas sombras de significado para las
cuales el SI/NO clásico puede ser remplazado por ejemplo con:
Definitivamente SI,
Probablemente SI,
Quizás,
Probablemente NO,
Definitivamente NO.
La lógica difusa copia este patrón usando niveles de posibilidad en un número de
categorías inciertas o difusas. Por ejemplo, piensa en el sistema de tanques acoplados.
El objeto a ajustar es el voltaje de entrada (u) hacia el motor de la bomba que se muestra
en la Figura 4.2. De tal modo que el nivel del tanque 2 se conserva en el estado
estable. La salida medida esta en el nivel del segundo tanque y se denota por la señal y2.
Normalmente se aplicaría un control PI a este sistema. Pero si el nivel exacto no es tan
68
importante entonces ¿Por qué no usar un controlador más simple? Digamos que un
controlador siguiendo nuestro sentido común podría conformarse con las siguientes
reglas difusas:
SI {nivel muy alto} entonces {reducir el voltaje de la bomba}
SI {nivel muy bajo} entonces {incrementar el voltaje de la bomba}
SI {nivel correcto} entonces {fijar el voltaje de la bomba en cero}.
Figura 4.2 Sistema de tanques acoplados.
4.2.3 Control difuso en sistemas con retroalimentación.
Las aplicaciones de control difuso más adecuadas son aquellas donde existen
requerimientos cualitativos para una acción de control satisfactoria y dichos
requerimientos pueden ser enunciados fácilmente como reglas difusas. Por esta razón,
los controladores con lógica difusa son usados para operar funciones automáticas en
lavadoras, sistemas de aire acondicionado, cámaras y productos similares. También es
posible encontrar lógica difusa en controladores de retroalimentación industriales que
han sido implementados normalmente por operadores humanos expertos que tiene el
control manual de procesos complejos. El procedimiento que se sigue es sintetizar
las habilidades humanas del operador en una base de reglas difusas y desarrollar así un
69
sistema de control difuso. El diseñador del sistema difuso copia las acciones heurísticas
del operador humano mientras controla el proceso y escribe las correspondientes reglas
difusas. Mediante observaciones detalladas de un operador habilidoso, es posible
obtener un conjunto completo de reglas difusas que puede reproducir el mejor
rendimiento del operador humano. Por esta razón hubo un gran entusiasmo en las
décadas de 1970 y 1980 por esta técnica, pero se ha encontrado que el operador
humano no puede ser fácilmente reemplazado y ahora esos sistemas difusos son usados
como “consejeros” del operador. La idea es mejorar la seguridad en lugar de reemplazar
al operador. [14]
4.2.4 Lógica difusa en el invernadero
En esta investigación se usará la llamada teoría del Razonamiento aproximado, la cual
es una parte básica de la introducción al control difuso. Esta teoría fue introducida por
Zadeh, la cual provee un potente mecanismo para razonar con información imprecisa o
incierta.
Para las variables del invernadero, que en este caso son la temperatura y la
humedad relativa y sabiendo que una está en función de la otra, la lógica difusa nos
facilita el modo en que estas deben de interactuar, no se requiere un control exacto de
estas, ya que como se sabe la temperatura es muy difícil de controlar debido a muchos
factores. Un ejemplo más concreto nos facilitará el comprender como ayuda la lógica
difusa en este tipo de situaciones:
Supongamos que tenemos una temperatura de 5°C, y una HR de 98%, si
tuviéramos independientes las dos variables con un controlador PI o PID, lo que
sucedería es que, encenderían al máximo los extractores para poder disminuir la HR
y los calefactores encenderían al máximo para poder elevar la temperatura, lo cual
es totalmente erróneo, porque nunca se estabilizaría ninguna variable, es ilógico que
tengan que estar encendidos calefactores y extractores al mismo tiempo, el sistema entra
70
en un tipo de círculo vicioso tratando de estabilizar las dos variables, mas sin embargo
con la lógica difusa se puede jugar con las variables involucradas, para este caso sólo se
tendría que encender el calefactor al máximo para elevar la temperatura a un rango más
seguro, teniendo está en un rango óptimo solo restaría estabilizar la HR que
prácticamente ya estaría en rangos óptimos. En este sistema se dan muchos casos
similares y no sólo con estas variables, sino con muchas otras que afectan el mismo
clima del invernadero, y seria aún mejor buscar como involucrar más variables en este
controlador.
4.2.4.1 Clasificación difusa o fuzzificación
Esté es el primer paso que consiste en convertir la señal x en un conjunto de variables
difusas. Se asignan valores a partir de un conjunto de funciones de pertenencia o
membresía. Los valores de cada función de pertenencia se etiquetan como Temp para el
caso de la temperatura y HR para el de la humedad relativa y son determinados por el
valor de cada señal. Un clasificador difuso divide los rangos posibles en los cuales
puede clasificarse el valor de la señal:
Para la temperatura
a) Temp Mínima letal
b) Temp Mínima biológica
c) Temp Óptima
d) Temp Máxima biológica
e) Temp Máxima letal
Para la humedad relativa
a) HR Baja
b) HR Regular
71
c) HR óptima
d) HR Regular alta
e) HR Alta
Las funciones de pertenencia de la temperatura se determina a través de la siguiente
formula teniendo en cuenta que el número 23 es el valor óptimo de la temperatura en
°C:
Temp/23 = rango de pertenencia
(4.1)
Cuando la temperatura tiene un valor por arriba de 23°C se determina a través de esta
formula:
2 - (Temp/23) = Rango de pertenencia
(4.2)
En el caso de la Humedad relativa es parecido a la de temperatura sólo que valor óptimo
de HR es el 56% como se muestra en la siguiente fórmula:
HR/56 = Rango de pertenencia
(4.3)
Cuando el porcentaje de humedad rebasa el 56% se obtiene por medio de esta fórmula:
2 – (HR/56) = Rango de pertenencia
(4.4)
El elemento “fuzzificador” tendrá una señal medida por medio de un sensor
como entrada y provee como salida los valores de pertenencia de las variables difusas.
La forma de las funciones de pertenencia en las Figuras 4.3 a) y b) se conoce como
triangular que es una de las muchas opciones para implementar dichas funciones de
pertenecía. Son ampliamente usadas y tienen una implementación simple y ofrecen
buenos resultados. En estas figuras se muestran 2 de los 5 niveles difusos y en la Figura
4.4 se muestran todas las fusiones de membresía para la temperatura en el mismo eje,
72
para el caso de la HR serian parecidas sólo cambian los limites del % de humedad, se
muestran en las Figuras 4.5 y 4.6.
Figura 4.3 a) Función de membresía para la temperatura óptima.
Figura 4.3 b) Funciones de membresía para 40°C
73
Figura 4.4 Funciones de membresía para la temperatura
Figura 4.5 Funciones de membresía para la Humedad Relativa
74
Figura 4.6 Funciones de membresía para la Humedad Relativa en un solo eje.
En las Figuras 4.7 y 4.8 se muestran las funciones de pertenencia de la HR y la
temperatura pero en un diagrama y el cómo se obtienen los niveles fuzzificados.
Figura 4.7 Rangos de pertenencia para la temperatura.
75
Figura 4.8 Rangos de pertenencia para la HR.
Función de pertenencia para la temperatura:
a) Mínima letal: 0.2173
b) Mínima biológica: 0.5217
c) Óptima: 1
d) Máxima biológica: 0.6086
e) Máxima letal: 0.3478
Función de pertenencia para la humedad relativa:
a) Baja: 0.5357
b) Regular baja: 0.8928
c) Óptima: 1
d) Regular alta: 0.91
e) Alta: 0.5535
76
En un controlador el clasificador difuso o “fuzzificador” se utiliza para determinar el
nivel de membresía conectando una señal obtenida del sistema a su entrada.
4.2.4.2 Diseñando reglas de control difuso (Deffuzzificación).
Muchos artículos de investigación acerca de cómo crear un conjunto de reglas difusas
han sido escritos. La mayoría de estos métodos son matemáticos y requieren
conocimiento analítico para entenderlos. Para muchos especialistas, este hecho derrota
el propósito de la lógica difusa. La principal motivación para utilizar lógica difusa es la
facilidad para escribir reglas del sentido común de tal manera que sea posible construir
una estrategia de control razonable, sin olvidar un conocimiento teórico profundo sobre
control. Esto quiere decir que no se tendrá conocimiento de las propiedades de
estabilidad del controlador. También el alcance de las aplicaciones no se restringe a
aplicaciones de control simple lo cual es bueno por que existen problemas de control
sencillos que solamente requieren una solución sencilla.
Un sistema de control difuso se construye a través de una base de reglas de la forma:
SI {situación} ENTONCES {acción}
El procedimiento empieza por escribir las reglas básicas y luego refinarlas
basadas en la experiencia. En la mayoría de los sistemas de control difuso, el conjunto
de acciones difusas es una lista simple de reglas en una secuencia simple de lazo abierto
o lazo cerrado.
El último paso en la construcción de un sistema de lógica difusa es convertir de
nuevo las variables difusas generadas por la base de reglas en valores con interpretación
real. El proceso se denomina “defuzzificación” porque combina las variables difusas
para generar el valor real de la señal, el cual puede ser usado posteriormente para
generar acciones de control.
77
Para construir las reglas del control difuso, éste utiliza equivalentes difusos de
los operadores lógicos AND, OR, y NOT. Esto ayuda a determinar las reglas del control
dependiendo de las funciones de pertenencia de las dos variables. A continuación se
muestra cómo se conjugan las dos variables por medio de operaciones AND y OR,
determinando la salida según las operaciones y los valores de membresía de cada
variable.
[Óptima T] AND [(Óptima HR) OR (Regular baja) OR (Regular alta)] = sistema
apagado.
[Mínima biológica] AND [(Baja) OR (Regular baja) OR (Óptima) OR (Regular alta)
OR (Alta)] = Calefactores a media potencia.
[Mínima letal] AND [(Baja) OR (Regular baja) OR (Óptima) OR (Regular alta) OR
(Alta)] = Calefactores a máxima potencia.
[Máxima biológica] AND [Baja] = Pared húmeda al máximo y extractores a media
potencia.
[Máxima biológica] AND [Regular baja] = Pared húmeda y extractores a media
potencia.
[Máxima biológica] AND [(Óptima) OR (Regular alta)] = Extractores a media potencia.
[Máxima biológica] AND [Alta] = Extractores al máximo.
[Máxima letal] AND [Baja] = Pared húmeda y extractores al máximo.
78
[Máxima letal] AND [Regular baja] = Pared húmeda a media potencia y extractores al
máximo.
[Máximo letal] AND [(Óptima) OR (Regular alta) OR (Alta)] = Extractores al máximo.
Para una mejor visualización de las sentencias se diseño un diagrama de estas
operaciones que se muestra en la Figura 4.9.
79
Figura 4.9 Sistema defuzzificado.
80
Capítulo 5
Circuitería del sistema
Una etapa importante en la automatización de los sistemas, es la circuitería, ya que ésta
es el vínculo entre el controlador y las diferentes herramientas para el control del clima.
La aplicación de los diferentes circuitos como etapas de potencia, etapas de
acoplamiento para los sensores, y las etapas de control, nos dará una mayor
optimización de los sistemas teniendo como resultado un mejor sensado y llegar a los
valores deseados.
Se pretendió dar una aproximación real al prototipo (maqueta), tomando en
cuenta las necesidades del invernadero real, utilizando las herramientas con las que este
trabaja: ventilador, extractores de aire, calefactores, pared húmeda y bombas de agua.
La función de los circuitos es activar estas cargas cuando el controlador lo mande según
las necesidades del sistema. A continuación se dará una explicación de cada uno de los
circuitos utilizados.
81
5.1 Activación del sistema de temperatura
5.1.1 Sensor de temperatura
Para este sistema se armó un sensor de temperatura con el circuito integrado de
precisión LM35. Las principales características de este se describen a continuación:
entrega un voltaje de salida lineal proporcional a los grados centígrados, opera desde los
-55° C hasta los 150° C, da lecturas de 0.01v por cada 1° C y opera de los 4Vcd a los
30 Vcd.
Para la etapa de acondicionamiento se buscó tener una amplificación de 10 veces
la señal de salida para que el PLC tenga una lectura más precisa. En la Figura 5.1 se
muestra el sensor de humedad ya acondicionado para su uso con el PLC.
señal
3
LM35
U1A
+
1
LM324
11
2
4
5VCC
entrada al PLC
0
R1
10k
R2
1k
0
Figura 5.1 Sensor de temperatura acondicionado
Para el sistema de temperatura se cuentan con dos etapas de salida, una para el
enfriamiento y otro para el calentamiento.
82
5.1.2 Etapa de enfriamiento
La etapa de enfriamiento se basa en la activación de dos extractores, los cuales
sacaran el aire caliente o húmedo dentro del invernadero regulando la temperatura a
valores deseados. En este caso el PLC nos entregara una señal que varia de 0 Vcd a 10
Vcd según sea la necesidad del controlador para llegar a los valores deseados. El
circuito nos amplificará 1.5 veces la señal de entrada, esto quiere decir que cuando el
controlador nos mande 10 Vcd el amplificador nos dará de salida 15 Vcd. El circuito se
compone de un amplificador operacional LM324, un TIP 41C, y juego de resistencias
para la amplificación adecuada, este circuito se muestra en la Figura 5.2
15 VCC
R1
3
+
1
TIP41C
1
LM324
3
11
2
U1A
2
Señal de entrada
4
1k
10k
1
R3
+
R2
20k
A
Extractor
2
-
Figura 5.2 Etapa de potencia para los extractores
83
5.1.3 Etapa de calefacción
En esta etapa se remplazó el calefactor de gas por dos calefactores eléctricos, en este
caso son unas resistencias térmicas de tuxteno que trabajan a 120 VCA. Con esto se
pretende que cuando los dos calefactores estén encendidos signifique que la etapa de
calefacción esta a su máximo y que cuando prenda sólo un calefactor este a media
potencia. Estas resistencias trabajan con alto voltaje y alterno, su etapa de potencia se
basa en un TRIAC MAC 15A8, y como protección para el PLC se le agregó un
optoacoplador MOC3011 los cuales se muestran en la Figura 5.3 a) y b).
R2
6
10k
Señal PLC
R1
1
10k
U1
MOC3011
X1
MAC15-8
V1
120Vac
2
4
C ALEFAC TOR 1
0
Figura 5.3 a) Etapa de potencia para el calefactor 1
R2
6
10k
R1
1
10k
U1
MOC3011
X1
MAC15-8
V1
120Vac
2
4
Señal PLC
C ALEFAC TOR 2
0
Figura 5.3 b) Etapa de potencia para el calefactor 2
84
5.2 Sistema de humedad relativa
5.2.1 sensor de humedad relativa
En este sistema se utilizará la técnica del bulbo húmedo la cual consiste en comparar
dos sensores de temperatura, uno en temperatura ambiente y el otro en estado 100%
húmedo que se colocará en un recipiente con un algodón húmedo. Teniendo así una
diferencia de temperatura, con la cual se calcula la HR con la siguiente fórmula:
HR= Pvs (húmedo)/ Pvs (seco)
(5.1)
Donde:
HR es la humedad relativa.
Pvs (húmedo) es la presión vapor de saturación del sensor húmedo.
Pvs (seco) es la presión de vapor de saturación del sensor seco.
La presión de vapor de saturación de ambos sensores se calcula con la siguiente
fórmula:
(5.2)
Donde:
T1 es la temperatura del bulbo seco
T2 es la temperatura del bulbo húmedo
Para el sensado del esta variable sólo basta tener dos sensores de temperatura como
los que se muestran en el tema del sensor de temperatura, la circuitería es la misma, la
85
pequeña diferencia es que el sensor húmedo tiene que estar sumergido en agua con
algodón y estar humedeciéndolo constantemente.
5.2.2 Etapa de humidificación
Esta etapa consiste en activar una bomba que tendrá la función de dispersar el agua a
través de la pared húmeda, originalmente en el invernadero real los extractores son los
que cumplen con la función de succionar el aire húmedo debido a su potencia, en el
caso del prototipo los extractores de aire no son suficientemente potentes para succionar
el aire, por lo que se tuvo que implementar un ventilador que empuje el aire húmedo.
La circuitería de ambos dispositivos no varía mucho de los otros circuitos. Para el
encendido de la bomba se uso un TRIAC MAC15A8 y un optoacoplador MOC 3011, y
se muestran en la Figura 5.4. El encendido del ventilador es igual al de los extractores se
basa sólo en un LM324 y un TIP 41C y se muestra en la Figura 5.5.
R2
6
10k
R1
1
10k
U1
MOC3011
X1
MAC15-8
V1
120Vac
2
MG1
4
Señal PLC
0
1
2
BOMBA AGUA
Figura 5.4 Circuito para la bomba de agua.
86
15 VCC
R1
3
+
1
TIP41C
1
LM324
3
11
2
U1A
2
Señal de entrada
4
1k
10k
1
R3
+
Ventilador
R2
20k
A
2
-
Figura 5.5 Amplificador de voltaje para ventilador.
5.3 Activación del sistema de riego
Para este sistema se contará con dos métodos: cultivo en el suelo utilizando sensores e
hidroponía por medio de timers.
5.3.1 Cultivo en suelo
Para este caso se utilizará tierra para maceta, éste está compuesto por materiales
orgánicos y minerales de diversas composiciones químicas. Esto permite aireación y
retención de la humedad, permitiendo tener un sensado optimo a diferencia del cultivo
en hidroponía.
87
5.3.1.1 Sensor de humedad del suelo
El sensor que se utilizará para medir la humedad de la tierra es el sensor de
humedad del suelo “Watermark
MR
”, está formado por dos electrodos concéntricos
incrustados en un conglomerado especial sujetado por una membrana sintética y
encapsulado en una funda de acero inoxidable. Incorpora un disco amortiguador para
reducir la influencia de la salinidad en las lecturas. Correctamente instalado responde
rápidamente a los cambios de la humedad del suelo. Este sensor se muestra en la Figura
5.6.
Figura 5.6 Sensor de humedad Watermark MR
El sensor “Watermark
MR
” (del tipo granular matricial), ofrece un método indirecto
de medición de la humedad del suelo, a partir de la medida de la succión del agua en el
terreno en centibares, con un rango aceptable lineal entre 0 y 200 [cb]. Cada valor de
resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de humedad de l suelo. Tiene
la ventaja de ser un sensor económico, robusto, de rápido tiempo de respuesta y de no
necesitar mantenimiento ni calibraciones, pero no es de tanta precisión como un sensor
tensiométrico y se degrada con el tiempo (vida útil de algunos años). Para el diseño del
circuito de acoplamiento del sensor se obtuvo la siguiente información por parte del
fabricante:
¾ La resistencia del sensor es inversamente proporcional a la temperatura del
suelo. Ajustar un 1% por grado Fahrenheit de variación tomando como
referencia inicial 75°F.
¾ No es recomendable aplicar al sensor una tensión continua, ya que los electrodos
se pueden dañar por efecto electrolítico.
88
¾ No debería dejarse el sensor continuamente excitado, ni la corriente a través del
mismo debería superar 1mA, esto es para que tenga una mayor vida útil.[11]
Para la medición de éste se requiere de un circuito divisor de tensiones, que
consta de un juego de resistencias él cual al aplicarle un voltaje conocido nos muestra el
voltaje en el sensor, este varia según la humedad en la en que se encuentre. El circuito
aplicado se muestra en la Figura 5.7.
Figura 5.7 Circuito divisor de tensión para el sensor de humead del suelo.
5.3.1.2 Calibración del sensor de humedad del suelo
Para poder determinar la humedad del suelo, se realizó un experimento que consta de
medir el voltaje que nos entrega el sensor, cuando se introduce en un recipiente con
tierra para cultivo y se le humedece con valores conocidos. A tres recipientes se les
tomo el peso de la tierra totalmente seca, después se calculó la cantidad de agua que
requerían para tener la humedad deseada, al introducir el sensor se media el voltaje y la
89
humedad que este representaba y por ultimo los valores adquiridos sólo se introdujeron
al PLC para poder determinar los rangos de humedad deseados.
5.3.1.3 Activación de la bomba para el riego
Una vez instalado el sensor, lo que resta es activar la bomba que se encargara de
humedecer la tierra. Esta trabaja a 120 Vca., tiene dos salidas de 1500 cm3. Para activar
esta carga se requiere de una etapa de potencia pero anteriormente se utilizará un
optoacoplador que se encargará de proteger al PLC de sobrecargas, en este caso el MOC
3011. En la Figura 5.8 se muestra la circuitería respectiva para esta etapa:
R2
6
10k
Señal PLC
R1
1
10k
U1
MOC3011
X1
MAC15-8
V1
120Vac
2
4
MG1
1
0
2
BOMBA DE AIRE 1
Figura 5.8 Etapa de potencia para la bomba de riego.
5.3.2 Hidroponia
En este caso no se requerirá de sensor, ya que los sustratos no nos permiten tener
mediciones correctas de la humedad debido a que presenta un estado de texturas
irregulares y la humedad no es uniforme. La estrategia que se utilizó es por medio de
90
temporizadores el cual será programado en el controlador según los tiempos indicados
por el agrónomo.
5.3.2.1 Activación de la bomba
Para activar la bomba de aire que empuja el agua para regar, sólo se necesitó un
optoacoplador MOC 3011 y un TRIAC MAC 15A8 y se muestra en la Figura 5.9
R2
6
10k
R1
1
10k
U1
MOC3011
X1
MAC15-8
V1
120Vac
2
MG1
4
Señal PLC
1
0
2
BOMBA DE AIRE 2
Figura 5.9 Etapa de potencia de la bomba
91
Capítulo 6
Programación
Este capítulo abarca lo que es la parte de la programación en el PLC s7-200 de siemens,
así como un análisis de la estructura de la activación de los sistemas. La programación
se realizará a partir del software STEP 7-Micro/WIN 32 versión 3.1, el cual nos ofrece
una programación más sencilla y la comodidad de trabajar en una PC.
Para la estructura de la activación de los sistemas se tomó como objetivo
principal las necesidades del cultivo y después las del invernadero teniendo en cuenta
las herramientas que se tiene para el control de los sistemas. Cabe destacar que los
sistemas simulados aún no se aproximan tanto a la realidad, pero la parte fundamental es
la programación con el PLC, y permite ser más objetivo en el control del clima. Para la
programación se tomó como referencia la información de la Figura 4.9.
A continuación se describirá el análisis previo de la programación por medio de
diagramas de flujo y esquemático:
92
6.1 Diagramas de flujo
6.1.1 Temperatura y HR
En este caso, como anteriormente se había mencionado se utilizó la parte básica del
control difuso, fuzzificación y defuzzificación así como las funciones de pertenencia de
cada rango. El diagrama de flujo correspondiente a este control se muestra en la Figura
6.1 en el cual se muestra de manera simplificada la estructura y orden del controlador.
Figura 6.1 Diagrama de flujo temperatura y HR.
93
6.1.2 Riego
Para este sistema se utilizaran 2 métodos, el primero se baso en el invernadero de la
escuela de Agronomía en donde se utiliza la técnica de cultivo en hidroponía, lo más
importante en esta técnica es que se debe de tener un riego preciso por el mismo riesgo
que se corre al tener que inyectarle directamente los nutrientes a la planta. La segunda
técnica se basará en el sensado de la humedad del suelo esta será medida por medio del
sensor de humedad watermark. Para este caso sólo bastará que el sensor nos indique la
cantidad de agua que se necesita para tener en un rango óptimo la humedad del suelo.
6.1.2.1 Riego en suelo
En la Figura 6.2 se muestran los pasos a seguir del sistema de riego en el suelo, teniendo
en cuenta las lecturas que nos da el sensor de humedad del suelo.
94
Figura 6.2 Diagrama de flujo para el riego en el suelo.
95
6.1.2.2 Riego en el sistema hidropónico
En la Figura 6.3 se muestra el diagrama de flujo de la activación de los timers para el
riego en hidroponía, en el PLC se programo que activara la bomba 3 segundos cada 20
minutos durante 12 horas y durante las siguientes 12 horas permanezca apagada.
Figura 6.3 Diagrama de flujo para el riego en hidroponia
96
6.2 Diagrama esquemático
A continuación en la Figura 6.4 se da una síntesis del vínculo entre los sistemas, el
controlador y etapas intermedias.
Figura 6.4 Diagrama esquemático del sistema
97
6.3 Programación en el PLC
Para la programación en el PLC S7-200, se usó el método llamado tipo Escalera, en el
cual se le dan las instrucciones requeridas para el funcionamiento adecuado de cada
sistema.
Los segmentos utilizados en la programación son los siguientes:
1. Inicio del programa.
2. Dar el retardo.
3. Tomar lectura de los sensores de temperatura y del bulbo húmedo.
4. Sacar el promedio de la temperatura
5. Calcular la presión de vapor saturado (PVS), de los sensores de temperatura.
6. Calcular la presión de vapor saturado (PVS), del bulbo húmedo.
7. Calcular la HR.
8. Calcular la pertenencia de la temperatura.
9. Calcular la pertenencia de la HR.
10. Calcular el porcentaje de pertenencia de la temperatura.
98
11. Calcular el porcentaje de pertenencia de la HR.
12. Determinar nivel de HR
13. Determinar nivel de temperatura
14. Suma de niveles de Temperatura y HR
15. al 19. Sentencias.
20. Fin de proceso
21. al 24. Tiempos para el riego con temporizadores.
26. Determinar riego por sensado.
26. Nivel de humedad del suelo.
27. Rangos de humedad para la activación del riego y fin del programa.
6.3.1 Programa
A continuación se mostrará el programa de forma simplificada.
112
Capítulo 7
Pruebas y resultados
En este capítulo se dan a conocer los resultados obtenidos de las pruebas realizadas, así
como las conclusiones que se obtuvieron a partir de estas.
7.1 Resultados
A continuación se dan a conocer los resultados obtenidas por el PLC mediante gráficas
hechas en MatLab. Las pruebas se realizaron en las instalaciones de la Unidad
Académica de Ingeniería Eléctrica de la UAZ. A partir de estas pruebas se obtuvieron
los resultados lo que permitió obtener las conclusiones de esta tesis.
Para dar inicio al comienzo de las pruebas, se obtuvieron datos del sistema sin
controlar ni automatizar. Dichos datos fueron obtenidos por medio de la tarjeta de
adquisición de datos NI ELVIS. Lo cual permitió obtener las siguientes gráficas. Cabe
destacar que para dicha pruebas sólo se tomó lecturas de temperatura y de HR sin contar
con el riego. Tales resultados se muestran en las Gráficas 7.1 y 7.2.
113
Gráfica 7.1 Lecturas de temperatura obtenidas el 30 de Julio de 2008.
Gráfica 7.2 Lecturas de HR obtenidas el 30 de Julio de 2008.
Las pruebas realizadas para el sistema sin controlar y automatizar, se realizaron
el 30 de Julio de 2008, en un día despejado. Iniciando las pruebas a las 13:00 hrs. y
terminando a las 13:20 hrs. Para un total de 20 minutos.
114
Los resultados de esta prueba indican que el comportamiento del sistema es de
mal desempeño, ya que se sobrepasa los valores del rango óptimo de la temperatura.
Mientras que el HR se mantiene en un rango aceptable.
Pasando a los resultados obtenidos con el sistema controlado y automatizado,
contando, para este caso, ya con los 2 tipos de aplicación de riego. Dichos resultados se
muestran en las siguientes gráficas. Estas pruebas se realizaron el 26 y 27 de octubre y
3, 8 y 9 de noviembre de 2008.
Las gráficas 7.3, 7.4, 7.5, 7.6 y 7.7 muestran el comportamiento de la
temperatura. Cabe destacar que las pruebas iniciaron a las 13:00 hrs. y terminaron a las
13:00hrs. Del día siguiente, es decir duraron 24 horas.
Gráfica 7.3 Lecturas de temperatura del domingo 26 de octubre de 2008.
115
Gráfica 7.4 Lecturas de temperatura del lunes 27 de octubre de 2008.
Gráfica 7.5 Lecturas de temperatura del lunes 3 de noviembre de 2008.
116
Gráfica 7.6 Lecturas de temperatura del sábado 8 de noviembre de 2008.
Gráfica 7.7 Lecturas de temperatura del domingo 9 de noviembre de 2008.
Como se puede observar el comportamiento de la temperatura se mantuvo en los
rangos establecidos, esto quiere decir que el sistema funciono adecuadamente. También
es de suma importancia mencionar que para el caso de la temperatura se utilizaron 2
sensores de temperatura ubicados en lugares distintos dentro del prototipo, de donde se
saca una temperatura promedio del interior.
117
A continuación se mostrará las muestras obtenidas de la HR, estas muestras
fueron obtenidas los mismos días que se realizaron las pruebas de temperatura. Estas
muestras están en las Gráficas 7.8, 79, 7.10, 7.11 y 7.12.
Gráfica 7.8 Lecturas de HR tomadas el domingo 26 de octubre de 2008.
118
Gráfica 7.9 Lecturas de HR tomadas el lunes 27 de octubre de 2007.
Gráfica 7.10 Lecturas de HR tomadas el lunes 3 de noviembre de 2008.
119
Gráfica 7.11 Lecturas de HR tomadas el sábado 8 de noviembre de 2008.
Gráfica 7.12 Lecturas de HR tomadas el domingo 9 de noviembre de 2008.
En estas gráficas se puede mostrar que en la mayoría de las muestras la HR se
mantiene en el rango óptimo, sin embargo a diferencia de la temperatura ésta se sale de
este rango, debido a que depende también a un tercer sensor de temperatura ubicado
afuera del prototipo, con el cual se hace una comparación con los otros sensores y se
calcula la HR dentro del invernadero.
120
Por último se dan a conocer las muestras obtenidas de la humedad del suelo, las
cuales dieron el comportamiento siguiente, como se muestra en las Gráficas 7.13,
7.14, 7.15, 7.16 y 7.17.
Gráfica 7.13 Lecturas de humedad del suelo obtenidas el domingo 26 de octubre de 2008
Gráfica 7.14 Lecturas de humedad del suelo obtenidas el lunes 27 de octubre de 2008
121
Gráfica 7.15 Lecturas de humedad del suelo obtenidas el lunes 3 de noviembre de 2008.
Gráfica 7.16 Lecturas de humedad del suelo obtenidas el sábado 8 de noviembre de 2008.
122
Gráfica 7.17 Lecturas de humedad del suelo obtenidas el sábado 8 de noviembre de 2008.
7.1.1 Potencia Utilizada
Una de las pruebas que se realizó a la par del funcionamiento del sistema, fue el
consumo de potencia utilizado. Esta prueba se pudo realizar por medio de un medidor
de potencia doméstico proporcionado por la Comisión Federal de Electricidad.
Los resultados que se obtuvieron fueron los siguientes:
•
Domingo 26 de octubre= 2 kWh aprox.
•
Lunes 27 de octubre= 1.8 kWh aprox.
•
Lunes 3 de noviembre= 2.1 kWh aprox.
Se puede decir que se obtuvo un promedio aproximado de 2 kWh, no es muy precisa
la medición ya que el medidor no tiene rangos intermedios entre los enteros.
123
Conclusiones
En la actualidad el ambiente se ha visto afectado por el cambio brusco de temperaturas
y del clima, por tal motivo es necesario enfocarnos a utilizar sistemas ya existentes y
mejorarlos como es el caso de los invernaderos.
Durante las investigaciones de campo que se realizaron en el presente trabajo, se
observó el gran problema que tienen los invernaderos de Zacatecas. Aunque
primordialmente se enfocó en los problemas del invernadero de la escuela de
Agronomía, sin embargo, no se hicieron a un lado los factores que afectan a los demás
invernaderos.
En este trabajo se demostró que sí es posible tener un funcionamiento adecuado
del sistema del invernadero por medio del PLC y con sensores accesibles. Además que
este sistema se puede implementar en el invernadero de la escuela de Agronomía, ya
que cumple con las especificaciones y rangos establecidos por éste mismo. Los
principales problemas que este último presentaba fueron resueltos mediante propuestas
basadas en la experiencia de los cultivos predecesores.
La automatización jugó un papel importante en el control del clima, ya que con
el sistema automático se llegó a tener un mejor desempeño al actuar de manera precisa e
inmediata cuando alguna de las variables se vio afectada.
124
Las gráficas obtenidas muestran el comportamiento de las variables y reflejan la
dificultad de controlar el clima en un espacio reducido. Como se sabe el clima es fácil
de controlar en espacios de mucho volumen a diferencia de los espacios pequeños, en
donde el clima presenta más alteraciones y menor estabilidad.
Como se mostró en las gráficas de temperatura y HR, éstas se mantuvieron en
los rangos establecidos con una forma oscilatoria dentro de éstos, por lo cual el sistema
funcionó correctamente. Cabe mencionar que la temperatura y la HR están dentro de un
rango óptimo por tal motivo nunca se buscó llegar a valores determinados como es en el
caso del control clásico. Una de las herramientas importantes en este trabajo fue la
aplicación de la Teoría del Razonamiento Aproximado, que es una breve introducción al
control difuso, ya que a partir de éste se obtuvieron buenos resultados al involucrar las 2
principales variables en un sólo control, basándose en estrategias capaces de resolver las
distintas alteraciones que se presentaban. Para este caso los sensores LM35 además de
ser económicos y sencillos dieron un buen desempeño mostrando resultados aceptables.
Las gráficas del riego muestran que se mantuvo sobre el rango óptimo aunque
se tuvieron algunas alteraciones, ya que el sensor no tiene una respuesta inmediata. La
calibración de este no fue óptima, debido a que se requiere de un estudio más profundo
de su funcionamiento y del comportamiento de la humedad del suelo.
Watermark
MR
El sensor
además de ser poco accesible y tener un elevado costo, su robusta y nada
práctica estructura obstaculiza su objetivo principal, que es proporcionar un sensado de
humedad inmediato y estable.
Por último una de las principales fallas que se obtuvo en este trabajo fue que se
presentó la misma plaga que se había presentado en el invernadero de la escuela de
Agronomía que es la llamada “mosca blanca”. Y esto sirve para que se tomen
precauciones en próximas investigaciones.
125
Trabajos a futuro
¾ Desarrollar el sistema con un control difuso más completo.
¾ Aplicar el sistema automatizado en condiciones reales (en el invernadero de la
Unidad Académica de Agronomía).
¾ Perfeccionar la calibración del sensor de humedad WatermarkMR.
¾ Implementar energías renovables a los sistemas (calentadores solares, energía
eólica, etc.).
¾ Llevar acabo investigaciones más profundas sobre las variables que influyen en
el crecimiento de las plantas.
¾ Implementar este control para otro tipo de cultivo.
¾ Realizar lecturas en el invernadero real para su verificación de ahorro de energía
y agua.
¾ Poner una malla en las ventilas y limitar el acceso de personas al invernadero
para impedir el ingreso de plagas y enfermedades de las plantas.
126
Apéndice A: Hoja de Datos del PLC S7-200
Introducción a los Micro-PLCs S7-200
127
128
129
130
131
Apéndice B: Hoja de datos del LM35
132
Apéndice C: Hoja de Datos del Sensor de
Humedad WATERMARK
133
134
135
Apéndice D: Hoja de datos del MAC15A8
136
Apéndice E: Hoja de datos del MOC3011
137
Apéndice F: Hoja de datos del TIP41C
138
Apéndice G: Hoja de datos del LM324
139
Referencias
[1]
Campos Daniel “Agroclimatología: Cuantitativa de Cultivos”. Editorial Trillas
Primera Edición. México (2005).
[2]
J. Bakker Greenhouse Climate Control: An Integrated Approach.
[3]
Castañeda Rodrigo, “Elementos de instrumentación y control para la simulación
del balance de energía en un invernadero”. Tesis de Maestría en Ciencias.
Universidad Autónoma de Querétaro. Querétaro, Qro., México (2002).
[4]
Apuntes de Ingeniería de control I. “Ingeniería de Control I (Notas)”. Impartido
por el M. en C. Miguel Eduardo González en la UAIE de la UAZ en el 6º semestre de
2006. Zacatecas, México.
[5]
http://html.rincondelvago.com/pcl.html, Fecha de consulta 16 de abril de 2008.
[6]
http://es.wikipedia.org/wiki/Procesador_digital_de_se%C3%B1al, Fecha de
consulta 16 de abril de 2008.
[7]
http://proton.ucting.udg.mx/temas/ava/taz/MICRO.htm, Fecha de consulta 16 de
abril de 2008.
[8]
http://www.infoagro.com/industria_auxiliar/tipo_invernaderos.htm, Fecha de
consulta 7 de abril de 2008.
[9]
Carrillo Víctor, Márquez Juan & Zúñiga Eduardo “Sistema de control y monitoreo
de un invernadero utilizando el PLC S7-200” Tesis para obtener el titulo de
ingeniero en Comunicaciones y Electrónica. UAZ (2002). Zacatecas, Zac.
140
[10] Pacheco Ernesto “Control de un sistema de riego con el PLC S7-200”, Tesis para
obtener el titulo de ingeniero en Comunicaciones y Electrónica. UAZ (2007).
Zacatecas, Zac., México.
[11] Camarena Javier “Automatización del fertiriego con VISSIM y PDS tesis
TMS320lf2407” Tesis para obtener el titulo de ingeniero en Comunicaciones y
Electrónica. UAZ (2007). Zacatecas, Zac., México.
[12] Castañeda Rodrigo, Lara Alfredo, Herrera Gilberto “Modelación del Clima en
Invernaderos”. UAQ, UAZ. México.
[13] Zadeh Lofti “Fuzzy sets” Departament of Electrical Engineering and Computer
Sciences University of California. Berkley, CA (1965).
[14] Pérez Marco, Vernon James “Sistemas de lógica difusa” División de Electrónica y
Computación, CUCEI. Universidad de Guadalajara, México.

Automatización de un invernadero con el PLC - Inicio

Transcripción

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