ESPE Control Integral de un Invernadero Monocultivo Ingeniería Mecatrónica Mecatrónica
Proyecto Primer Parcial
Redes Industriales
Profesor:
Ing. Alex Chacón.
Integrantes:
Esteban Andrade. Jaime Benalcázar. Santiago Guerra.
Periodo:
Mar – Jul. 2011
ESPE – Redes Industriales
CONTROL INTEGRAL DE UN INVERNADERO MONOCULTIVO Contenido
1.
PROYECTO .........................................................................................................................................
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2.
OBJETIVOS .........................................................................................................................................
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INTRODUCCION ..............................................................................................................................
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MARCO TEORICO ............................................................................................................................
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5.
DESCRIPCION DE LOS PROCESOS ..............................................................................................
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COMPONENTES DEL SISTEMA DE CONTROL ........................................................................
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6.1.
Control climático del Invernadero...........................................................................................
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6.2.
Control de riego y drenaje del Invernadero. ..........................................................................
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VARIABLES DE LOS PROCESOS. ..................................................................................................
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7.
7.1.
Control climático del Invernadero...........................................................................................
8
7.2.
Control de riego y drenaje del Invernadero. ..........................................................................
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8.
HMI DEL PROCESO .......................................................................................................................
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10.
CONCLUSIONES ........................................................................................................................
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11.
BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................................
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Índice de tablas. Tabla 1.Sensores Control Climático………………………………………………………………9 Tabla 2. Actuadores Control Climático………………………………………………………......9 Tabla 3.Sensores Control de riego y drenaje……………………………………………………..10 Tabla 4. Actuadores Control de riego y drenaje…………………………………………………10
Índice de ilustraciones.
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1. PROYECTO Control de variables presentes en las labores requeridas en un invernadero moderno.
2. OBJETIVOS
Realizar el diseño del sistema utilizando las herramientas del software Wonderware Intouch. Plantear una solución al presente problema, basándose en la descripción de los procesos que realiza un invernadero monocultivo. Hacer énfasis en la presentación de la interfaz gráfica, así como animaciones y gráficos. Simular a través del software Intouch la automatización y control del proceso.
3. INTRODUCCION Las labores requeridas en un invernadero moderno deben incluir el control de la temperatura, humedad, concentración de CO2, nivel de radiación lumínica y fotoperiodo y control de fertirrigación y drenaje. A lo largo de esta práctica se plantea la programación, simulación mediante el software Wonderware Intouch y por ende la supervisión mediante esta interfaz gráfica. Para una mayor simplicidad del sistema se considera un invernadero monocultivo en el que no se distinguen diferentes áreas y en el que cada una de las plantas cultivadas requieren los mismos tratamientos tanto a nivel de alimentación como medioambientales. Entre las tareas anteriores se distinguen de forma clara aquellas operaciones relacionadas con el control climático (temperatura, humedad, concentración de CO2 y radiación) de aquellas operaciones que componen los sistemas de riego, fertirrigación y drenaje. Estos dos subsistemas serán tratados de forma totalmente independiente debido a la diferente naturaleza de sus procesos.
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4. MARCO TEORICO Automatización de Invernaderos
Los invernaderos de nivel tecnológico bajo se caracterizan porque en sus instalaciones la mayoría de actividades, que implican el manejo de las estructuras y los cultivos, se realizan en forma manual. En general, son instalaciones que sólo cuentan con herramientas manuales y, en ocasiones, con algunos dispositivos mecánicos como bombas de combustión interna o eléctrica para riego, por lo general con manguera manual. Carecen de calentadores o equipos para el control de la temperatura, y la apertura y cierre de ventilas se realiza manualmente, en ocasiones sin la ayuda de malacates. Dentro de los invernaderos de nivel tecnológico medio se agrupan todas aquellas unidades con dispositivos mecánicos y eléctricos, como bombas para los sistemas de riego, calentadores de gas que encienden manual o automáticamente, la apertura y cierre de ventilas se realiza con malacates manuales y con motores. Cuentan con sistemas de fertirrigación rústicos. Existen dispositivos que necesariamente requieren de operadores humanos para ponerlos en funcionamiento y apagarlos. En los invernaderos automatizados de nivel tecnológico alto se incluyen instalaciones con dispositivos automatizados con sensores y actuadores para controlar el riego. Un ejemplo son los temporizadores o timers, que se propagan para encender y apagar bombas, así como fotoceldas para apagar y encender luces, o sensores para operar calentadores y otros dispositivos similares. Cuentan con algunas actividades por computadora. Los sistemas automáticos proporcionan cierta independencia en el manejo de los cultivos ya que se tiene el control de aspectos vitales, sin la dependencia de los operadores, que están en función de las variaciones ambientales y su efecto sobre las condiciones internas. Los invernaderos computarizados de nivel tecnológico más altos son aquellos con ambientes controlados, en función de datos internos y externos. La mayor parte de los procesos se controlan por computadoras, las cuales se encargan de operar los equipos de riego, mantener estable la temperatura y realizar o inyectar las soluciones nutritivas, así como abrir y cerrar ventanas automáticamente. Cuentan con una serie de sensores que detectan las variaciones ambientales y envían señales a las computadoras para operar los dispositivos que se encargan de compensar o corregir las variaciones. 4
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En este tipo de instalaciones existe un control automatizado completo del ambiente y la nutrición de los cultivos, con sistemas de fertirrigación y el uso de pantallas térmicas y mallas de sombreo. Son instalaciones herméticas y usan los insumos y equipo de aplicación más modernos, como aplicación de CO2, uso de acolchados blancos dentro del invernadero para el manejo de la luz, hormonas y abejorros para la polinización.
El sistema que se implementa entra en la última clasificación como sistema computarizado de nivel tecnológico más alto. Se va a controlar todos los procesos mencionados, tanto los climáticos como los de fertirrigación. Se hace referencia al proyecto “AUTOMATIZACIÓN DE INVERNADEROS MEDIANTE SISTEMAS DE CONTROL DISTRIBUIDOS INDUSTRIALES” que se presenta en los anexos, en el cual se realiza un trabajo de control utilizando un sencillo entorno HMI para controlar principalmente los lazos de humedad, temperatura y riego, adicionalmente el control de temperatura de sustrato de cultivo y aireación del agua de riego etc. Este proyecto añade una opción interesante que es la conexión a Internet, de manera tal que el usuario puede acceder al controlador desde cualquier lugar del mundo con solo instalar la aplicación. Brinda la ventaja de gestionar las alarmas de mejor manera, puede enviar mensajes de texto a teléfonos en caso de anomalía y enviar correos diarios con información sobre el estado del sistema.
5. DESCRIPCION DE LOS PROCESOS 5.1. Proceso de Control Climático. En este proceso se controla todas las variables de microclima que se presenta a continuación. 5.1.1. Control de concentración de gases (CO2). Uno de los procesos más importantes en el control de un invernadero. Se utilizara un sensor analógico para medir el nivel y luego poder regular la falta del mismo con un actuador enriquecedor. El exceso se controla abriendo los ventanales y activando los ventiladores. 5.1.2. Control de Temperatura. 5
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Igualmente con un sensor analógico se mide la temperatura. El operador puede configurar una temperatura deseada para que permanezca el invernadero. En el caso de necesitar subir la temperatura se usa un sistema de calefacción por vapor de agua instalado por el suelo del invernadero. Si se necesita bajar la temperatura si abre los mismos ventanales y se prende la ventilación. La ventilación y ventanales dan prioridad a este proceso sobre el de regulación de CO2. 5.1.3. Control de Humedad. Se dispone de un sensor analógico de humedad, el operario debe poder configurar el nivel de humedad en el ambiente. Se regulará el exceso con un deshumidificador y la falta con un humidificador por nebulizadores. 5.1.4. Control de radiación lumínica y fotoperiodo. Contamos con 2 sensores para controlar un rango de nivel de luz, si el rango sobrepasa el máximo se cierran unas persianas dispuestas en las ventanas. Si el nivel de luz es muy bajo se encienden los fluorescentes. El operario puede determinar el # de horas que el invernadero debe estar iluminado. 5.1.5. Alarmas. Las alarmas se activan cuando los niveles de CO2, temperatura o humedad están por encima o por debajo del nivel establecido por más de 20 segundos. Se tiene que pulsar un botón de acuse de alarma que pondrá en modo intermitente las lámparas hasta que se regule el problema. Cuando se active la alarma los subsistemas del control climático pasaran a modo manual. 5.1.6. Funcionamiento manual En este modo se podrán controlar todas las variables sin influencia del sistema. Todos los subsistemas pasaran a mando manual simultáneamente. Se pueden controlar todos los actuadores desde un panel de control.
5.2. Proceso de Control de Fertirrigación y Drenaje. Controla las variables del medio donde está sembrada la planta. La humedad de la tierra y los nutrientes que se debe suministrar. 5.2.1. Funcionamiento automático. 6
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Se mide la humedad de la tierra en 3 estados, alto, medio y bajo. El estado medio es permite no realizar un intercambio constante entre la irrigación y el drenaje. Si esta alto el nivel si inicia el proceso de drenaje por medio de tuberías y una bomba que succiona el líquido. Si el nivel se presenta como bajo se inicia el proceso de irrigación, el cual consta de 2 tanques con nutrientes y uno para realizar la mezcla con agua. Se mide el nivel de los tanques en 19, 25, 50 y 90% para facilitar la proporción de mezcla y la alarma cuando el nivel este bajo en los depósitos. 5.2.2. Funcionamiento manual. El operador puede pasar a manual en cualquier momento. Ahora se deja de realizar el control y se puede accionar las válvulas para mezclar y repartir los nutrientes. El sistema simplemente cuidará que los depósitos no se desborden y que la bomba no se prenda en vacío añadiendo una condición de que solo se pueda prender cuando el depósito tenga 25% de nutriente. 5.2.3. Lavado de depósitos. Como prerrequisito que el sistema este en modo manual, la limpieza será activada por el operador siempre y cuando los depósitos estén vacíos y las válvulas cerradas. Se llena el depósito al máximo, se activa el motor para revolver el agua por 5 seg, se desecha toda el agua. Es un proceso ininterrumpido e independiente del resto. Consideración especial:
Es importante conocer que dependiendo del cultivo que se va a producir, los parámetros de control van a cambiar, es decir, para cada especie hay otro valor ideal de concentración de CO2, de luz, temperatura, humedad, nutrientes, etc. Por esa razón el SetPoint de las principales variables son ingresadas por el operador. De todas maneras es una consideración importante al momento de realizar el diseño incluso de la forma física del invernadero.
6. COMPONENTES DEL SISTEMA DE CONTROL Los componentes básicos del sistema de control son los siguientes:
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6.1.Control climático del Invernadero.
Estructura de invernadero (Asimétrico) con ventanas, donde se instalara todo el sistema. Sensor analógico de CO2 (0 – 10 v) – (0 – 2000 ppm). Actuador enriquecedor de CO2 para compensar los niveles del mismo. Sensor analógico de temperatura (0 – 10v) – (0 – 50 ºC). Sistema de calefacción por vapor de agua para controlar la temperatura. Sensor de humedad relativa (0 – 10 v) – (0 – 100 %). Humidificadores por nebulizadores. Deshumidificador. 2 Sensores digitales sensibles a la luz para medir nivel inferior y superior al deseado. Fluorescentes para iluminar el invernadero. Persianas para controlar el paso de luz. Motores para abrir y cerrar ventanas y persianas. Lámparas para alarmas. Mandos manuales.
6.2.Control de riego y drenaje del Invernadero.
3 Sensores digitales encargados de medir el nivel de humedad de la tierra (mínimo, medio, máximo). Bomba y tuberías que conforman el sistema de drenaje. 2 Depósitos de nutrientes y 1 de mezcla que conforman el sistema de fertirrigación. Mandos manuales.
7. VARIABLES DE LOS PROCESOS. 7.1. Control climático del Invernadero.
SENSORES ID
Tipo
Descripción 8
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Analógico Analógico Analógico Binario Binario Binario Binario Binario Binario
Sensor de temperatura. Sensor de CO2. Sensor de humedad. Sensor de radiación máxima. Sensor de radiación mínima. Sensor de persianas de sombra abiertas. Sensor de persianas de sombra cerradas. Sensor de ventanas abiertas. Sensor de ventanas cerradas. Tabla 1.Sensores Control Climático.
ID
Tipo ON/OFF ON/OFF ON/OFF ON/OFF ON/OFF ON/OFF ON/OFF ON/OFF ON/OFF ON/OFF
ACTUADORES Descripción Motor del ventilador. Motor de apertura de las ventanas de sombra. Motor de cierre de las persianas de sombra. Motor de apertura de las ventanas laterales. Motor de cierre de las ventanas laterales. Interruptor On/Off de la iluminación. Interruptor On/Off del humidificador. Interruptor On/Off del deshumidificador. Interruptor On/Off de la calefacción. Interruptor On/Off del emisor de CO2 Tabla 2. Actuadores Control Climático.
7.2. Control de riego y drenaje del Invernadero.
SENSORES ID
Tipo Binario
Descripción Sensor de nivel máximo del depósito de nutriente A. 9
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Binario Binario Binario Binario Binario Binario Binario Binario Binario Binario
Sensor de nivel mínimo del depósito de nutriente B. Sensor de nivel máximo del depósito de nutriente A. Sensor de nivel mínimo del depósito de nutriente B. Sensor de nivel del líquido del depósito de mezcla al 10%. Sensor de nivel del líquido del depósito de mezcla al 25%. Sensor de nivel del líquido del depósito de mezcla al 50%. Sensor de nivel del líquido del depósito de mezcla al 90%. Sensor de mínimo nivel de humedad en tierra admisible. Sensor de medio nivel de humedad en tierra admisible. Sensor de máximo nivel de humedad en tierra admisible. Tabla 3.Sensores Control de riego y drenaje.
ACTUADORES ID
Tipo ON/OFF ON/OFF ON/OFF ON/OFF ON/OFF Abierto/Cerrado Abierto/Cerrado Abierto/Cerrado Abierto/Cerrado Abierto/Cerrado Abierto/Cerrado Abierto/Cerrado Abierto/Cerrado
Descripción Bomba de riego. Bomba de drenaje. Motor del sistema de limpieza del depósito de nutriente A. Motor del sistema de limpieza del depósito de nutriente B. Motor de mezclado del depósito de mezcla. Válvula de apertura del nutriente A hacia el depósito de mezcla. Válvula de entrada de agua al depósito de nutriente A. Válvula de desagüe de agua al depósito de nutriente A. Válvula de apertura del nutriente B hacia el depósito de mezcla. Válvula de entrada de agua al depósito de nutriente B. Válvula de desagüe de agua al depósito de nutriente B. Válvula de entrada de agua al depósito de mezcla. Válvula de desagüe del depósito de mexcla.
Tabla 4. Actuadores Control de riego y drenaje.
8. HMI DEL PROCESO
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9. SCRIPTS DEL HMI
10. CONCLUSIONES o
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El invernadero cumple con todo lo necesario para ser un sistema inteligente de mantenimiento de plantas, gracias a esto ahorra energía y tiempo y aumenta el nivel de producción en un rango considerable. La ventajas del sistema de invernaderos automatizados es la mayor productividad por metro cuadrado, la garantía de tener una producción de calidad, el control eficiente de plagas y enfermedades del cultivo, un mayor control de los factores ambientales, poder producir fuera de época, tener las condiciones ambientales para obtener cultivos inocuos, tener más oportunidad de comercializar cultivos de alta calidad en un mercado competitivo. En la actualidad son numerosos los sistemas de automatización que existen el mercado para controlar los parámetros climáticos de los invernaderos. Estos sistemas se basan en el empleo de un ordenador central al que se conectan un conjunto de sensores, que recogen las variaciones de los distintos parámetros respecto a unos valores programados inicialmente. Se trata de una pequeña estación meteorológica que registra valores de temperatura exterior e interior, humedad relativa, velocidad del viento, la iluminación, etc. Estos sistemas a su vez pueden estar conectados a los sistemas de fertirriego y de regulación climática. Los sensores o automatismos se distribuyen en diferentes sectores, pudiendo funcionar cada uno de forma autónoma. En el controlador central se recoge la información captada por los sensores, se coordinan las actuaciones, y se envían las órdenes a los distintos sectores. 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 11
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vegetal sean óptimos, si se desea el aprovechamiento al máximo de la actividad fotosintética de las plantas. Los niveles aconsejados de CO2 dependen de la especie o variedad cultivada, de la radiación solar, de la ventilación, de 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. El uso de herramientas de programación específicas para la automatización, reduce los tiempos de desarrollo y aumenta la fiabilidad de las aplicaciones desarrolladas.
11. BIBLIOGRAFIA - [1] Vilche, Nicolas (9 de Junio 2008). <>. (en español), Consultado el 20 de Abril 2011. - [2] Instituto Politécnico Nacional, Invernadero Inteligente (Mayo 2010).
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<> (en español), Consultado el 20 de Abril del 2011. [3] Matallana González, Antonio, INVERNADEROS : DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y CLIMATIZACIÓN, Mundi-Prensa, 1995 ISBN: 8471144980
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[4] Escuela Politécnica Nacional, Monitoreo y control de temperatura ambiental y humedad del suelo en un invernadero de tomate riñón, utilizando comunicación inalámbrica, <> (en español), Consultado el 23 de Abril del 2011. [5] De La Garza, Lizette, Genera cátedra de Mecatrónica proyecto de invernadero inteligente. <> (en español), Consultado el 23 de Abril del 2011. [6] Puche López, José Francisco, Automatización de control climático en invernaderos. <> (en español), Consultado el 24 de Abril del 2011. Pérez, Moises, ETI, Curso Intouch. <> (en español) consultado el 25 de Abril 2011.
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12. ANEXOS
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