Control del clima de un invernadero

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1 Control del clima de un invernadero David Alejandro Carrillo Reveles José Luis Vázquez Minjares Rafael Villela Varela Aurelio Beltrán Telles Claudia Reyes Rivas Miguel Eduardo González Elías Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica Universidad Autónoma de Zacatecas Palabras clave: invernadero, control difuso, riego, humedad relativa, temperatura. Introducción El incremento poblacional en el país plantea el reto de disponer de mayores recursos alimenticios, para ello que es indispensable aumentar la producción agropecuaria. Con el fin de volver más eficiente a la actividad agrícola, en esta investigación se proponen mejorar los sistemas de invernadero ya existentes para que los agricultores puedan optimizar sus recursos productivos, reduciendo el consumo de agua y de energía eléctrica. Objetivo Lograr, por un bajo costo, un control automático de los sistemas de riego, de temperatura y de humedad del ambiente en un invernadero. Antecedentes y Justificación Puesto que la agricultura es una de las actividades económicas más importantes del estado de Zacatecas, es necesario que instituciones locales de educación superior, como la UAZ, apoyen a los agricultores con proyectos que contribuyan a mejorar la calidad y a aumentar la cantidad de las cosechas, tomando en cuenta que en el estado se dispone de poca agua para riego agrícola y el clima es extremoso, calor durante el día y frío intenso por la noche. 1

2 Ante estas circunstancias, los invernaderos se presentan como una buena alternativa para aprovechar el uso del agua y proteger los cultivos de los cambios bruscos de temperatura y de condiciones adversas como el viento, la lluvia, las plagas, los animales y la contaminación. En ellos se crean condiciones artificiales de microclima que permiten el cultivo en cualquier temporada y se crean niveles óptimos de radiación solar, de temperatura, de humedad de aire y de suelo, produciendo así cultivos con mayor rendimiento que con la agricultura tradicional. En Zacatecas ya existen invernaderos pero la mayoría de los sistemas de control de riego, de temperatura y de humedad relativa, operan de forma manual, o bien, dependen del ambiente, lo que disminuye su eficiencia y productividad. Otros, en cambio, cuentan con sistema automático para el control de riego, humedad relativa y temperatura, pero son de tipo encendido/apagado (on/off), susceptibles de ser perfeccionados. Si se automatizan los invernaderos a un bajo costo, será un gran paso para alcanzar la autosuficiencia alimenticia que México necesita y para elevar el nivel de calidad de vida de los campesinos. Metodología Para esta investigación se tomó como referencia el invernadero de la Unidad Académica de Agronomía de la UAZ, que cuenta con un sistema automático de tipo on/off para el control de temperatura (ventiladores para extraer aire y calefactor de gas) y de humedad relativa (pared húmeda). Carece de un sistema de control automático de riego, ya que los productos se cultivan en materiales inertes (sustratos) en vez de tierra, a través un sistema de riego por goteo que funciona de forma manual. Hay un sensor de temperatura que al detectar 12 C o menos activa un calentador de combustión de gas, que se apaga cuando la temperatura alcanza 25 C o más. Cada vez que se detecta una temperatura de 32 C o más, se activa un ventilador y una bomba que producen una cortina de agua o pared húmeda; un par de ventiladores o extractores de aire permiten circular el aire 2

3 desde el invernadero hacia el exterior, y se usa otro que hace ingresar el aire del exterior hacia el interior a través de la cortina de agua, permitiendo el ingreso de aire húmedo y frío. Ya que el aire caliente del exterior transfiere su calor al agua y ésta circula por medio de un intercambiador de calor para que vuelva a enfriarse y se envía otra vez a la cortina. Así, se logra reducir la temperatura del invernadero y se mantiene la humedad relativa en niveles aceptables. La desventaja es que los ventiladores y la bomba de la cortina de agua trabajan todo el tiempo a su máxima capacidad, generando un consumo innecesario de energía eléctrica. Y en el caso del riego se desperdicia agua, ya que no hay un sensor de humedad de los sustratos en que se cultiva, por ello la duración del riego depende del criterio del operador, lo que incrementa el consumo de agua y de energía eléctrica. Para dicho invernadero se propone un sistema automático de control Difuso para las variables temperatura y humedad relativa mediante la regulación de los dos extractores, del calefactor, de la bomba y del ventilador de la pared húmeda. También es posible automatizar el sistema on/off de riego por goteo, mediante uno de tiempos previamente establecidos según el tipo de cultivo y siempre que la lectura de humedad indique la necesidad de riego. El control será sencillo y estará supervisado por el encargado del invernadero, de esta manera se hará un uso eficiente del agua y del gas, y disminuirá el consumo de energía eléctrica en los motores de los ventiladores de enfriamiento y en el equipo de bombeo, tanto del sistema de control de humedad relativa, como del de riego. Para el control del invernadero se requiere de un Controlador Lógico Programable (PLC) que es un dispositivo de control de cargas eléctricas, y el PLC es una computadora que automatiza y controla la operación de cargas industriales. El sistema propuesto de control del invernadero consta de los siguientes componentes: Sensor de temperatura. Sensor de humedad relativa del ambiente. 3

4 Sensor de humedad del suelo. Se utilizará sólo en aquellas ocasiones en que se requiera tierra en lugar de sustrato para el cultivo. Etapas de acondicionamiento de la señal, para amplificar la salida de voltaje de cada sensor. Controlador Lógico Programable (PLC). Etapas de potencia para que las señales de salida digital del PLC puedan transformarse a voltaje de corriente alterna (c.a.) y aplicarse al ventilador, a las bombas y a la electroválvula del calefactor [1]. El control Difuso considera distintas categorías para cada una de las variables bajo control. Por ejemplo, para la temperatura se puede manejar: muy frío, frío, poco frío, poco caliente, caliente, muy caliente [2]; además, se indican las acciones a realizar según los valores alcanzados por las variables. En la tabla 1 se muestran las acciones a seguir en las cargas para diferentes valores de las variables temperatura y humedad relativa. También se creó un circuito que envía ocho niveles diferentes de voltaje a los motores de los ventiladores, de la bomba de pared húmeda, y a una electroválvula, para que regule el flujo de gas hacia el calefactor. Al inicio se planeó diseñar un Control Proporcional Integral y Derivativo (PID) para la humedad relativa y la temperatura [3], pero se optó por el control Difuso para facilitar la programación del PLC. 4

5 El sistema de control de la humedad relativa funciona de modo similar al descrito. El PLC interpreta la lectura de humedad relativa, y la rutina de control Difuso determina el porcentaje de voltaje que se aplicará a la bomba y al ventilador para que sólo circule la cantidad de agua necesaria. El sensor de humedad relativa es un arreglo con dos sensores de temperatura LM35; el de referencia está en contacto permanente con un algodón húmedo y el otro con el aire del invernadero [5]. El rango recomendado de humedad relativa es de 30 a 80%. Debido a que el cultivo se realiza en una sustancia inerte a las plantas, denominada sustrato, se dificulta usar un sensor de humedad, debido a ello el riego por goteo será controlado por el sistema on/off. Se propone que la duración del riego no sea a criterio de la persona responsable del invernadero, sino que el PLC lo controle con base al tipo de cultivo, es decir, se establecerá un tiempo predeterminado para riego de acuerdo a los requerimientos de humedad de la planta. Y si se cultiva con tierra, se puede usar un sensor de humedad del suelo y mezclar el fertilizante con el agua de riego para así proporcionar los nutrientes necesarios al cultivo [6]. Las pruebas preliminares se llevaron a cabo en una maqueta que contó con: ventiladores, calefactor eléctrico, bomba de riego y bomba de pared húmeda. Después de conectarse los circuitos de las etapas de 5

6 acondicionamiento y de potencia, así como los sensores, los ventiladores y las bombas, se elaboró un programa en lenguaje KOP, o diagrama escalera, para el PLC [7]. La planta cultivada fue tomate, ya que se ha demostrado que tiene un buen desarrollo en invernaderos. Resultados Se observó que los ventiladores, el calefactor y la bomba de la pared húmeda sólo funcionaban en la proporción de su capacidad que era requerida de acuerdo al nivel deseado de enfriamiento y de humedad relativa. No hubo problemas con el sistema on/off de la bomba de riego. También se verificó que la duración del riego correspondiera al tiempo programado. En general, todos los sistemas funcionaron acorde a lo planeado. Con un watthorímetro se midió en la maqueta el consumo de energía eléctrica con el sistema de control actual y con el sistema de control difuso, obteniéndose durante una semana un consumo de 1 KWH y de 0.7 KWH, respectivamente. Conclusiones Se logró el control difuso de la humedad relativa y de la temperatura. Se logró un eficiente control on/off para el riego. El sistema de control es de bajo costo y sencillo de manejar, por lo que se recomienda su empleo en otros invernaderos. Se ahorró un 30% de energía eléctrica, ya que los motores de los ventiladores y de la bomba de la cortina de agua funcionan a la velocidad necesaria para lograr el nivel deseado de enfriamiento y de humedad relativa. Además, la bomba de riego no se activa de manera permanente sino sólo durante el tiempo necesario. 6

7 Trabajo futuro Instalar los sistemas en el invernadero de la Unidad Académica de Agronomía y hacer pruebas durante un periodo largo hasta obtener el comportamiento satisfactorio logrado en la maqueta. Es conveniente monitorear el funcionamiento del sistema durante todo el proceso de cultivo, desde la siembra hasta la cosecha, para realizar los ajustes que sean pertinentes. Utilizar más sensores de temperatura y de humedad relativa para así obtener un valor promedio para cada una de esas variables y volver más eficaz el sistema de control del invernadero. Investigar si existen en el mercado sensores de temperatura y de humedad relativa más exactos que los usados en el proyecto para obtener lecturas más cercanas a los valores reales de esas variables. Investigar sobre algún sensor de humedad que sea capaz de detectar y medir la humedad en el sustrato de cultivo, y así diseñar un control de riego que disminuya el consumo de agua. Hacer pruebas con otros cultivos. Instalar un medidor de gasto volumétrico de agua para corroborar si el sistema logra ahorrarla en el riego. Diseñar un control PID de temperatura [8], humedad relativa y riego para verificar si es más eficiente que el control Difuso. 7

8 Bibliografía [1] National Semiconductor Corporation, en [2] KUO Benjamín, Sistemas de control automático, Prentice Hall. México (2001). [3] OGATA Katzuhiko, Ingeniería de Control Moderna, Prentice Hall. México (1998). [4] Datasheet Catalog, en [5] SÁNCHEZ Belmontes Víctor Hugo, Medidor de humedad relativa del suelo. México: Tesis de licenciatura en Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica (1998). [6] CAMARENA Rodríguez, Javier. Automatización del fertiriego con VISSIM y PDS TMS320LF2407. México: Tesis de licenciatura en Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica (2007). [7] Manual del PLC S7 200 Programmable Controller de SIEMENS, (2000). [8] DELGADO López Julio C., Montoya Becerra Jacobo y Sandoval Rodríguez Oscar A. Control de Temperatura con el PLC S7 200, Tesis de licenciatura en Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica (2007). 8

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