Automatización de un sistema de riego Automation of an irrigation system

Automatización de un sistema de riego Automation of an irrigation system Rafael Villela Varela Claudia Reyes Rivas Remberto Sandoval Aréchiga Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica Universidad Autónoma de Zacatecas e mail: wrwrmx@yahoo.com.mx Resumen Actualmente en la industria se ha generalizado el uso de los Controladores Lógicos Programables (PLC s) para el control y automatización de procesos de fabricación. En el presente trabajo se propone una aplicación no típica del PLC, el objetivo principal es alcanzar y mantener el nivel deseado de humedad en el suelo. La medición de la humedad se logra con el uso de dos sensores de temperatura LM35, cada uno proporciona un voltaje analógico entre 0 y 10 volts que es leído por el PLC para que, mediante el programa adecuado, se determine el nivel de humedad y si se requiere o no el riego. El riego se controla por periodos de un día, cada hora se reduce el tiempo posible de riego y la utilización de ese tiempo dependerá de la humedad existente en el suelo, la cual es detectada por los sensores: si la humedad no alcanza el nivel deseado se riega durante el tiempo correspondiente, por el contrario, si se consigue la humedad requerida no se realiza el riego. El proceso se repite cada hora hasta completar un ciclo de 24 y después inicia otro. Se tiene un sistema de control de humedad del suelo bastante eficiente que es capaz de alcanzar y mantener el nivel deseado de humedad, una alternativa de bajo costo para automatizar sistemas de riego agrícola, ya que un mismo PLC puede controlar el riego de varias parcelas simultáneamente. Las ventajas del sistema son: diseño sencillo y bajo costo. 1

Palabras clave: riego, medición, humedad, control, sensor. Abstract Nowadays in industry is very common the use of programmable logic controllers (PLC s) for control and automation of manufacturing processes. In this research it is proposed an atypical application of PLC. The main goal is to achieve and maintain the desired level of ground humidity. The humidity measurement is accomplished with the use of two temperature sensors LM35, each one provides analogical voltage between 0 and 10 volts which is read by the PLC so, with the appropriate program, is determined the level of humidity and if it is necessary or not to irrigate. The irrigation is controlled for periods that last one day. Each hour is reduced the possible irrigation time and the use of that time will depend on the existing ground humidity which is detected by the sensors: if humidity isn t still at the desired level the ground will be irrigated for the necessary time, and if the desired humidity has been accomplished the irrigation will not take place. This process repeats each hour for a cycle of 24 hours and then another cycle begins. It has been accomplished a ground humidity system control very efficient, since it is capable to reach and maintain the desired humidity level; this is a low cost alternative to automate the irrigation systems, since only one PLC can control the irrigation of several plots of land simultaneously. The advantages of this system are simple design and low cost. Keywords: irrigation, measurement, humidity, control, sensor. 2

Introducción Los sistemas de riego agrícola, que generalmente se utilizan en el campo mexicano, son de control manual lo que puede provocar desperdicio de agua y energía eléctrica, sin mencionar que el riego inadecuado no alcanza el nivel óptimo de humedad. El uso eficiente del agua para el riego agrícola se puede dar con la automatización de los sistemas de irrigación, y una de las alternativas para lograrlo es el manejo de un PLC, otras consisten en el empleo de sistemas con microprocesador o microcontrolador, pero requieren más circuitería que un sistema con PLC. El nivel adecuado de humedad varía para cada cultivo, y si la cantidad de agua regada produce una humedad mayor o menor a ese nivel, la planta no puede desarrollarse de forma óptima y el cultivo se pierde. El ahorro del agua es una de las prioridades sociales actuales, ya que ha disminuido drásticamente la cantidad disponible para la población. Por tanto, es necesario que al realizar actividades de riego agrícola, se utilice sólo la cantidad necesaria para evitar su desperdicio. El objetivo principal de la investigación es diseñar y construir un sistema de control de riego que alcance y mantenga el nivel deseado de humedad, sin consumir más agua de la necesaria. El sistema debe ser sencillo, de bajo costo, con una construcción sólida que resista la exposición a las condiciones a que estará sometido durante su operación, deberá ser de fácil operación y no necesitar mucho mantenimiento. Los medidores de humedad disponibles en el mercado no son convenientes, ya que tienen desventajas como: un alto costo, una corta vida útil, o baja sensibilidad por la acumulación de óxido. Ante ello se 3

establece un objetivo secundario que consiste en construir un sistema de medición eficiente de la humedad del suelo. El sistema de medición de humedad construido se basa en la diferencia de las lecturas de dos sensores de temperatura, con lo que la presencia de óxido no influye en su medición, se mide la humedad en forma indirecta a partir de la temperatura. La agricultura es una de las actividades productivas más importantes para el Estado de Zacatecas, por ello es necesario buscar alternativas que ayuden a mejorar la eficiencia del riego en los cultivos, de ahí la importancia de este trabajo. Materiales y métodos El uso eficiente del agua para el riego agrícola se obtiene con la automatización de los sistemas de irrigación, una de las alternativas para lograr esa automatización es el uso de un PLC. Se manipuló al PLC S7-200 de Siemens y a un módulo analógico de entradas para leer las señales provenientes de los sensores de temperatura. Debido a las condiciones a las que están sometidos los sensores LM35, se diseña una pequeña cubierta que los protege de posibles golpes y cortos circuitos en sus terminales, pero que no los aísla térmicamente. Cada sensor es cubierto con dos placas de aluminio de 3 por 4 centímetros, entre las que se coloca un relleno de silicón para aislarlo del agua y evitar cortocircuitar sus terminales (Figura 1). Los sensores son sumergidos en la tierra a una profundidad de 12 centímetros, uno de ellos se mantiene húmedo envolviéndolo en un pedazo de estopa mojada para que detecte permanentemente la humedad alta, este mismo es referencia para el otro sensor, denominado seco, el cual está en contacto con la tierra y detecta la temperatura correspondiente a la humedad del suelo. La diferencia entre los voltajes entregados por los dos sensores es proporcional a la humedad relativa del suelo. 4

Figura 1. Cubierta de protección para cada sensor LM35. En las pruebas iniciales se detecta que los cambios en la temperatura ambiente afectan más al sensor seco, y para reducir tal efecto se sitúa un regulador de voltaje LM7805 en la superficie de la cubierta del sensor (Figura 2). El regulador entrega calor al sensor y lo hace menos sensible a las variaciones de la temperatura ambiental. Al regulador se le aplican 9 volts de señal de entrada para que modere a 5 volts, también se le conecta una resistencia de 100 ohms como carga para disipar el calentamiento equivalente a una potencia de 0.25 watts. Se dispone un recipiente cilíndrico con radio de 23 centímetros y altura de 1 metro, y se deposita tierra en su interior (Figura 3). Los sensores están a una profundidad de 12 centímetros, el porcentaje de humedad se calcula con la ecuación 1: H x = 100 V + x... (1) 5

De la que x es el volumen de agua en metros cúbicos, V el volumen de tierra en metros cúbicos y H la humedad relativa en %. Figura 2. Regulador acondicionado a la cubierta del sensor para transferirle calor. La tierra manejada en el experimento es de tipo franco arenoso, consiste en tierra mezclada con algo de arena y existe en muchas áreas de cultivo del estado de Zacatecas. El diagrama del circuito de los sensores se muestra en la Figura 4. La salida de voltaje de cada sensor corresponde a 10 milivolts por cada grado centígrado de temperatura aplicada, ese voltaje es aumentado 10 veces con el amplificador operacional LM324 para obtener un volt por cada 10 grados centígrados, y así adecuar la señal al rango de las entradas analógicas del PLC que es de 0 a 10 volts de corriente directa. 23 cm. 6

12 cm. Sensores 100 cm. Figura 3. Recipiente usado para las pruebas. Se usa una bomba para la irrigación, se alimenta con 12 volts de corriente directa y su encendido apagado es controlado por el PLC. La bomba se puede activar cada hora durante el tiempo de riego calculado por el programa, pero sólo en caso de que las lecturas de los sensores indiquen un nivel de humedad por debajo del requerido. El diagrama del sistema de control se muestra en la Figura 5. Los sensores inmersos en el terreno de cultivo, detectan la temperatura del medio que les rodea y generan un voltaje analógico que es leído por el PLC en su módulo de entradas analógicas y digitalizado a 12 bits. Se realiza una lectura de los sensores cada hora y el programa introducido al PLC calcula la humedad relativa del terreno, que corresponde a la diferencia de los voltajes de los sensores; a la vez se decide si se debe o no regar, en caso de que lo necesite se envía una señal de activación desde una salida digital del PLC hacia un relevador encargado de encender la bomba durante el tiempo indicado por el programa. 7

Sensor LM35 +5 V 3 1 2 3 4 + 1 2 +12 V 11 Amplificador LM324 Ganancia 10 Señal de voltaje analógico hacia el PLC R1 100k R2 10k Figura 4. Conexión de un sensor de temperatura LM35. Al principio de la investigación se tiene planeado el empleo de un controlador Proporcional Integrador Derivativo (PID) para el control del riego, pero este tipo de controlador es de respuesta rápida, mientras que la humedad del suelo aumenta de forma lenta con el riego. El agua impregna poco a poco a la tierra produciendo un incremento de la humedad en un tiempo relativamente grande, respecto a la velocidad de respuesta del controlador PID, lo que provoca un riego casi continuo y un exceso de humedad en el suelo. Por lo anterior se elige un sistema de apagado encendido de la bomba de riego, disminuyendo de manera gradual el tiempo de riego. ENTRADAS ANALÓGICAS DEL PLC SALIDAS DIGITALES DEL PLC 8

CPU DEL PLC RELEVADOR AMPLIFICADORES BOMBA PARA RIEGO SENSORES Figura 5. Diagrama del sistema de control de riego. Se hacen varias pruebas, cada una de un día completo, para leer las salidas de voltaje analógico de los sensores seco y húmedo, de la resta de ambas lecturas se obtiene una medición de la diferencia de temperaturas entre los sensores. Una lectura de voltaje se puede convertir a una de temperatura conociendo que el LM35 proporciona 10 milivolts/ ºC. En la primera hora se riega durante dos minutos, tiempo que disminuye 5 segundos cada hora, tiempo utilizado sólo si se requiere aumentar la humedad. 9

El PLC al leer una señal analógica en el rango de 0 a 10 volts entrega un número decimal entero entre 0 y 32000. Si se sabe el volumen de agua, que es regado en metros cúbicos, también conocido de tierra (en el experimento son 0.01994 metros cúbicos), se puede calcular la humedad relativa con la ecuación 1, y con el PLC se puede leer el valor digitalizado para el voltaje analógico correspondiente. De tal forma que se consigue una serie de datos de lectura en el PLC de la diferencia de temperaturas en los sensores seco y húmedo, con su valor correspondiente de humedad relativa, por ejemplo para una humedad del 30% corresponde una diferencia en las lecturas de los sensores de 3486 en el PLC. En la Figura 6 se muestran las diferentes conversiones de variables que se realizan para poder conocer la humedad del suelo. HUMEDAD RELATIVA REAL DEL SUELO DIFERENCIA DE TEMPERATURAS DE LOS SENSORES LECTURA DE DIFERENCIA DE VOLTAJES VALOR ESTIMADO DE HUMEDAD RELATIVA VALOR ESTIMADO DE TEMPERATURA Figura 6. Conversiones de variables. En el programa se elabora un lenguaje llamado Diagrama Escalera (Figura 7); que utiliza símbolos eléctricos para formar las instrucciones del programa. 10

Figura 7. Muestra del programa en Diagrama Escalera. El programa del PLC para controlar al sistema se efectúa con la estructura mostrada en la Figura 8. 11

INICIO Leer sensores Calcular humedad relativa Si Humedad deseada? No Calcular tiempo de riego Realizar riego 12

Figura 8. Diagrama de flujo del programa. Resultados Al usar la regresión polinomial con mínimos cuadrados se encuentra el modelo de la ecuación 2 para calcular el porcentaje de humedad, en función de la diferencia de temperaturas de los sensores: H T T T 2 3 = 373.67619 68.867841 + 4.2088303 0.08173584... (2) siendo H la humedad relativa en % y T la diferencia de temperaturas de los sensores. El coeficiente de determinación r 2 del modelo es mayor a 99.99 %, lo que indica que casi todas las variaciones en el valor de la humedad relativa se pueden explicar por la diferencia de temperaturas. En las pruebas de control de humedad al 30 % y al 50 % se obtiene el comportamiento mostrado en las Figuras 9 y 10, respectivamente. 50 Humedad (%) 40 30 20 10 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 Tiempo (horas) Figura 9. Curva de estabilización al 30 % de humedad. 13

Humedad (%) 60 50 40 30 20 10 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 Tiempo (horas) Figura 10. Curva de estabilización al 50 % de humedad. Al realizar la prueba para alcanzar y mantener un nivel de humedad del 30 %, se alcanza el nivel hasta después de 12 horas (Figura 9) y luego se registran pocas variaciones hasta que se consigue una buena estabilización de la humedad. Los mejores resultados para la prueba son los de 50% de humedad (Figura 10), ya que este nivel se logra rápidamente después de ocho horas y se mantiene constante durante el resto de la prueba. Es importante indicar que las condiciones iniciales son las mismas en las pruebas del 30% y 50% de humedad. Discusión de resultados Los resultados de las pruebas realizadas muestran que el sistema tiene una buena capacidad de estabilizar el nivel deseado de humedad, pero es relativamente lento para alcanzar ese nivel porque tarda varias horas en lograrlo. Las conclusiones de la investigación son válidas con relación a las condiciones en que se realizaron las pruebas en la irrigación de un pequeño volumen de tierra. Con los ajustes necesarios (uso de un mayor número de 14

sensores y mayor longitud de cableado) el sistema puede usarse en el riego de áreas más extensas. Costo En total el costo del equipo usado para las pruebas del sistema de control de riego es de $8000, este precio no se considera excesivo, lo que facilitaría su manejo en las actividades agrícolas. El costo incluye al PLC, un bloque medidor de humedad, circuitería y cableado. Para el control de riego en una hectárea de terreno se usarían cuatro bloques medidores de humedad, se estima una inversión de $ 10,000 aunque dicha cantidad puede variar dependiendo de las características de la parcela y el alejamiento de la bomba. En los presupuestos anteriores sólo se contempla el costo del sistema de control, sin incluir otros aspectos del sistema de riego como la tubería, la canalización y la bomba. Conclusiones Se diseñó y construyó un sistema de control de riego que alcanzó y mantuvo el nivel deseado de humedad. El sistema de control de riego fue capaz de medir la humedad, además es sencillo, barato, soporta las condiciones de trabajo, es de fácil operación y requiere poco mantenimiento. El PLC S7-200 resultó ser un equipo adecuado para la medición y control del nivel de humedad del suelo. Trabajo a futuro Para que el sistema mejore se deben realizar las siguientes acciones: Probar otro tipo de sensores de humedad que permitan facilitar las lecturas. 15

Hacer pruebas durante periodos más largos. Controlar el riego en una parcela real. Diseñar un sistema de visualización del valor de las lecturas de humedad relativa. 16

Bibliografía [1] Víctor Hugo Sánchez Belmontes, Medidor de humedad relativa del suelo, Tesis de licenciatura en Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, México, Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Zacatecas, 1998. [2] Jay L Devore, Probabilidad y Estadística para ingeniería y ciencias, quinta edición, México, Thomson Learning, 2001. [3] I.R. Millar, J. E. Freund, y R. Jonson, Probabilidad y estadística para ingenieros, cuarta Edición, México, Prentice Hall, 1992. [4] C. M. Aguilera. y E. R Martínez, Relación agua suelo planta atmósfera, México, Universidad Autónoma de Chapingo, 1986. [5] Simatic S7-200, Programmable Controller. System Manual, Alemania, Siemens, 2000. [6] R. P. Canales. y S. C. Chapra, Métodos numéricos para ingenieros, tercera edición, México, McGraw-Hill, 1997. [7] National Semiconductor Corporation, página electrónica consultada en http://www.national.com. Fecha de acceso: 21 de abril de 2006. 17