PROPUESTA DE AUTOMATIZACIÓN PARA
PROCESO PISCÍCOLA
Nestor Eduardo Polania Vargas email: [email protected]
Especialización en informática y automática industrial Facultad de Ingenieria
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Resumen - Este documento presenta una visión rápida a un problema relacionado con la actividad piscícola en el Huila, se muestran cómo afectan la producción de los pequeños y medianos productores de tilapia, a pesar de ser el mayor productor de esta. Las aplicaciones de procesos tradicionales han atrasado a los productores, causando pérdidas en la producción o ineficiencia en la crianza de los alevinos ya que no se tienen factores importantes en cuenta como la producción de oxígeno, temperatura y nivel, con esto se llevará a cabo la optimización del proceso a partir de las necesidades del mismo y de los productores.
ABSTRACT - This document presents a quick overview of a problem related to the farming activity in Huila; they show how they affect the production of small and medium producers of tilapia, despite being the producer mayors this. Applications of traditional processes have delayed producers, causing production losses or inefficiencies in raising fingerlings because they do not have important factors into account as the production of oxygen, temperature and level, this will be carried out optimization process based on the needs of the producers.
Índice de Términos—Control, Difuso, óxígeno disuelto, Ph, Temperatura.
I.INTRODUCCIÓN
El Huila es el primer productor de tilapia a nivel nacional con más del 29% de la producción nacional, esto se debe a gran crecimiento de industrias piscicultoras que han podido aprovechar el recurso hídrico del rio Magdalena para su producción, así como el aporte del gobierno nacional a proyector piscícolas encontrados en los embalses de Betania, a pesar del gran crecimiento de estas industrias aun así estas industrias poseen gran parte de cultivo tradicional limitando el uso de la tecnología, existen otras que han quedado
rezagadas con respecto a las demás debido a su corto presupuesto de inversión a sus empresas, esto se debe a los grandes costos de inversión para la adquisición de estos equipos lo cual causado problemas a la hora de competir con los grandes productores. La tecnología como herramienta en este proceso es de suma importancia, ya que, como todo proceso automatizado, aumenta la producción y ayuda al operario en sus labores.
II. JUSTIFICACIÓN
El cultivo piscícola está representado por la producción de tilapia y camarón rojo los cuales presentan un gran auge en los últimos años con una producción aproximada de 103.198 toneladas en el año 2015, siendo el Huila el eje principal en la actividad piscícola (44.46%).
La producción piscicola en el Huila se desarrolla en dos sistemas de produccion : 1) estanques en tierra en 31 municipios y 2) jaulas flotantes en la represa de Betania, en estos dos procesos se encuentran productores de peuqeña, media y gran escala. El sistema de estanque corresponde al 42.8% del total de la producción. Si hablamos de nuevas tecnologias en el sector picicola aun son muy recientes, sin embargo es importante resaultar la experiendcia practica de los empresarios tenieindo en cuenta la rentabilidad. (Baquero, s.f.).
fomenta a los campesinos de las diferentes regiones a desarrollar proyectos en esta área, proporcinando el capiptal necesario para esto.
Con el proceso de automatización se quiere optimizar el proceso ayudar al operario a la visualización de las variables de manera cuantitativa de modo que el pueda exactamente como intervenir en el proces, con esto no se quiere reemplazar al operario como erroneamente se hace ver con el proceso de automatización en un xaso especifico, la automatización en la dosificación de alimento a los alevinos, con la cual se logra proporcionar la cantidad de alimento porporcionado evitando desperdicio
III. FUNDAMENTOSTEÓRICOS
Figura 1 Cultivo piscícola
Fuente:http://proyectodeaprendizajepiscicola.blogspot.com.co /p/caracteristicas-del-proyecto.html
Aspectos químicos
a. Oxígeno: Es el aspecto de mayor importancia en la producción piscícola a que para realizar todos los procesos metabólicos el animal necesita del oxígeno. para poder llevar a cabo todas sus funciones de desarrollo, reproducción, engorde, supervivencia, etcétera. Sin oxígeno los peces y todos los organismos y micro organismos que habitan en el agua, mueren. La cantidad de oxígeno disuelto en el agua que requieren los peces de clima cálido para una producción
optima es de 5 ppm/litro de agua, rango muy favorable para los peces; si se posee de 1a 4ppm/litro de agua el pez puede sobrevivir, pero se retarda su crecimiento, de lógico entre mas poco oxígeno más se retarda, menos peces se podrán sembrar y más posibilidades de enfermar; en aguas con menos de 1ppm/litro de oxígeno disuelto, es letal para el pez.
Figura 2 Generación de oxígeno
Fuente:http://tramientojosabeth.blogspot.com.co/2015/05/oxi geno-disuelto.html
Bajo condiciones normales, el oxígeno disuelto en el agua, se presenta con una alta concentración durante el día y una disminución en las horas de la noche, sobre todo a la madrugada, es por ello que se debe de observar el estanque en estos momentos para poder determinar si el estanque puede mantener ese número de peces, esa cantidad de biomasa o si por el contrario se debe de sacar o disminuir la cantidad de peces. Una buena cantidad de oxígeno disuelto en el agua se logra con una buena maduración de las aguas, pues el fitoplancton favorece su producción, un número adecuado de peces, sobre todo por el tamaño, un recambio de agua ideal y por el movimiento las aguas.
a 11 el rendimiento es muy pobre. Cuando se tiene un pH muy acido (valores de 3 o menos) se corrige agregando cal viva, en valores de 4 a 6, se debe adicionar cal apagada o agrícola y con un pH básico se corrige con la aplicación de un fertilizante ácido, lo anterior en ausencia de peces, es decir al momento de la adecuación del estanque para la siembra.
Aspectos físicos
a. Temperatura- En las explotaciones piscícolas de clima cálido es fundamental contar con una temperatura óptima con el fin de que los peces crezcan más rápido y el ciclo productivo se reduzca.
La temperatura ideal para la engorda de peces esta entre los 26 y 29 grados centígrados, tanto para la tilapia como para la cachama. En niveles menores la cachama actúa muy mal, no crece y puede morir, la tilapia tolera niveles de hasta 20 grados centígrados pero su desarrollo es muy lento. Valores muy altos de temperatura producen bajos niveles de oxígeno que pueden llevar a la muerte del pez si hay exposición prolongada. Para disminuir la temperatura se debe de realizar un recambio de agua, hacer los estanques más profundos o mover el agua. Para aumentar la temperatura que llega al estanque se debe de tener un reservorio de agua, hacer el estanque menos profundo y que el recambio de agua no sea muy fuerte.
b. Nivel del agua- e importante mantener un nivel estable del agua en los lagos dada que esto influye directamente en el consumo de oxígeno y temperatura, este valor depende directamente de la capacidad de cada estanque, en este caso solo se activara la entrada al lago por medio de una esclusa o un sistema de bombeo.
IV. MATERIALES Y MÉTODOS
i. Oxígeno disuelto
Para la medición de oxígeno disuelto se plantea implementar el sistema con la instalación Sondas ópticas RDO® PRO utiliza tecnología de punta para medir el oxígeno disuelto (OD) en entornos exigentes.
La Sonda RDO PRO se integra fácilmente en una variedad de sistemas de manejo de acuicultura. Mediante el monitoreo y control continuo de los niveles de OD, los acuicultores pueden mejorar las tasas de conversión alimenticia, minimizar el estrés y reducir las enfermedades y la mortalidad de peces. Reduce las tareas de calibración, la sonda mantiene su calibración durante 12 meses después de la instalación. La tapa del sensor está pre-calibrada con coeficientes de calibración, lo que elimina errores de configuración. Elimina el reemplazo de las membranas y la solución de electrolitos. Insensible a interferencias comunes que degradan sensores basados en membranas.
Figura 3 Sonda de oxígeno disuelto
Fuente: https://in-situ.com/wp-content/uploads/2014/11/RDO-
PRO-Optical-Dissolved-Oxygen-Probe-for-Aquaculture_Specs-Spanish.pdf
Figura 4 Funcionamiento de sonda
Fuente: https://in-situ.com/wp-content/uploads/2014/11/RDO-
PRO-Optical-Dissolved-Oxygen-Probe-for-Aquaculture_Specs-Spanish.pdf
ii.
TemperaturaSe requiere hacer la medición de temperatura del sistema piscícola para esto se plantea utilizar una Pt100, este es un sensor de temperatura hecho con un alambre de platino que a 0 °C tiene 100 ohms y que al aumentar la temperatura aumenta su resistencia eléctrica. Un Pt100 es un tipo particular de RTD. (Dispositivo Termo Resistivo). Los Pt100 pueden fácilmente entregar precisiones de una décima de grado con la ventaja que la Pt100 no se descompone gradualmente entregando lecturas erróneas, si no que normalmente se abre, con lo cual el dispositivo medidor detecta inmediatamente la falla del sensor y da aviso.
Figura 5 Termoresistencia Pt100
Fuente: https://www.vistronica.com/sensores/temperatura/pt-100-industrial-wzp-230-con-sonda-de-33cm-detail.html
Siendo lévemente más costosos y mecánicamente no tán rígidas como las termocuplas, las superan especiálmente en aplicaciones de bajas temperaturas. (-100 a 200 °). Los Pt100 pueden fácilmente entregar precisiones de una décima de grado con la ventaja que la Pt100 no se descompone graduálmente entregando lecturas erroneas, si no que normálmente se abre con lo cual el dispositivo medidor detecta inmediátamente la falla del sensor y da aviso.
Además la Pt100 puede ser colocada a cierta distancia del medidor sin mayor problema (hasta unos 30 metros ) utilizando cable de cobre convencional para hacer la extensión.
iii. Ph
El electrodo de vidrio actualmente constituye la pieza fundamental en la medición electrométrica del pH. Junto con el electrodo de calomel, se encuentran ampliamente difundidos y a la fecha no existe otro sistema para la medición electrométrica que tenga la misma versatilidad y precisión. El principio bajo el cual trabaja el electrodo de vidrio fue descubierto, en forma accidental por McInnes y Dole, cuando observaron que el vidrio que empleaban en sus investigaciones mostraba cierta sensibilidad a las variaciones de pH. Una vez hecho su descubrimiento, procedieron a investigar una composición más adecuada de vidrio, que es la base de los electrodos empleados hoy día (Ruíz Ramírez, J.E. 2010)
Figura 6 Electrodo Ph
electrodo, se construye con este vidrio de formulación especial, conocido como "vidrio sensible al pH" (en realidad, es vidrio polarizable). El vidrio de pH es conductor de cargas eléctricas porque tiene óxido de litio dentro del cristal, además de óxido de sílice, de calcio y algunos otros. Según se puede observar en la figura. 20, la estructura del vidrio es tal que permite el intercambio de iones litio por iones de hidrógeno en solución acuosa, de modo que se forma una capa (fina) hidratada. Se crea así un potencial (del orden milivoltios) a través de la interface creada entre el vidrio (en el "seno" del vidrio) y la solución acuosa. El voltaje creado hacia el interior del bulbo es constante porque se mantiene su pH constante (mediante una solución buffer de pH 7) de modo que la diferencia de potencial depende sólo del pH del medio externo. La incorporación de un alambre (usualmente de Ag/AgCl) permite conducir este potencial hasta un amplificador (Ciganda, L.M., 2004).
iv. Nivel
Los controles de nivel magnéticos por líquidos están constituidos por un interruptor reed que se coloca dentro del eje y por un imán de accionamiento, alojado en el flotador, que fluye sobre la misma y que se mueve según el aumento o disminución del nivel del líquido de controlar. El principio de funcionamiento es idéntico al de los sensores magnéticos.
Están disponibles en tres modelos: uno en caja de plástico y dos de acero inoxidable AISI 316 para temperaturas respectivamente de +100°C y +150°C.
Figura 7 Sensor magnético de nivel.
Fuente:http://www.directindustry.es/prod/madison-company/product-11780-513238.html
Los interruptores detectan el nivel del líquido de depósitos en el punto donde son instalados, devolviendo un contacto ON/OFF en la salida.
Fijados en un punto del depósito, los interruptores
de nivel para líquidos, no son influenciados por ondas y vibraciones, y aseguran una mejor fiabilidad y repetibilidad en comparación con otros tipos de detectores de nivel más antiguos, como las boyas de nivel.
Estos son considerados sensores de baja potencia, ya que no se utilizan directamente para el accionamiento de bombas que tienen potencia y corrientes elevadas.
- Sistema de procesamiento control y actuadores
Para la implementación de adquisición de las variables y control de las mismas se utiliza un PLC PLC S7-1200 de SIEMENS, es un sistema de automatización universal, concebido para todos los sectores industriales. Constituye una solución óptima para aplicaciones en arquitecturas de control centralizadas y descentralizadas.
Figura 8 PLC S7-1200 de SIEMENS Fuente:http://www.ingenieriaparatodos.com/2016/10/s7-1200.html
alimentación integrada, así como circuitos de entrada y salida en una carcasa compacta, conformando así un potente PLC.
Figura 9 Entradas/Salidas
Una vez cargado el programa en la CPU, ésta contiene la lógica necesaria para vigilar y controlar los dispositivos de la aplicación. La CPU vigila las entradas y cambia el estado de las salidas según la lógica del programa de usuario, que puede incluir lógica booleana, instrucciones de contaje y temporización, funciones matemáticas complejas, así como comunicación con otros dispositivos inteligentes. Numerosas funciones de seguridad protegen el acceso tanto a la CPU como al programa de control:
● Toda CPU ofrece protección por contraseña que permite configurar el acceso a sus funciones. ● Es posible utilizar la "protección de know-how" para ocultar el código de un bloque específico. Encontrará más detalles en el capítulo "Principios básicos de programación" (Página 99). La CPU incorpora un puerto PROFINET para la comunicación en una red PROFINET. Los módulos de comunicación están disponibles para la comunicación en redes RS485 o RS232.
- Actuadores
i.Bomba de oxigenación de superficie
Figura 10 Sistema de oxigenación de superficie Fuente:http://www.euro-rain.es/es/imagenes/aireadores-y- fuentes-flotantes/aireadores-flotantes-serie-select/4- aireadores-flotantes-para-lagos-serie-select/detail/38-aireadores-para-lagos-daffodil.html? tmpl=component
Superficie de alto volumen para ajustarse a las necesidades de su estanque o lago. Estas unidades de calidad proveen valioso oxígeno y movimiento para favorecer un estanque o lago saludable. Estas unidades poseen una excepcional tasa de transferencia de oxígeno y bajos costos generales de operación. Estos aireadores están especialmente indicados para su uso en agua dulce. Son muy ligeros y fácilmente transportables por una sola persona. Disponen de motor sumergible con doble hélice de gran capacidad de flujo, lo que le confiere un excelente rendimiento energético en la aireación.
No crean turbulencias a nivel del fondo, afectando solo la superficie de los estanques, esta caracteristica es sumamente importante ya que al crear turbulencias en el fondo el amoniaco se sube del fondo del lago causando daños criticos en el proceso de crecimiento del pez.
Eficiencia y bajo consumo de energía: La más alta eficiencia diseñada para un bajo consumo de energía comparado con las unidades que compiten por las facturas eléctricas más bajas.
Resistente a la obstrucción: El diseño único de desviación de agua lo hace el modelo en el mercado más resistente a la obstrucción. Exitoso en aguas poco profundas.
un deflector externo para protección contra fugas. La parte superior es de larga duración y cuenta con balero en el fondo. Utiliza aceite de lubricación por inundación para una excelente disipación de calor.
Resistente a la corrosión: Confianza superior en agua salada u otros ambientes corrosivos. Todos los motores metálicos externos, flotadores y componentes de hardware son de acero inoxidable. i. Propuesta de implementación
Se realiza una propuesta de implementación del sistema teniendo elegidos ya los sensores se pasa al acondicionamiento de cada una de las señales, habiendo ya seleccionado los sensores para cada una de las variables del proceso poro enfocado mas en las variables de oxigeno disuelto y temperatura. En la figura 11 se observa un esquema generalizado del sistema
Figura 111 Diagrama de bloques del sistema Fuente: Autor
- Sensor de oxígeno disuelto
Para la conexión del sensor de oxígeno disuelto, se conecta directamente a través de la interfaz de comunicación RS485, proporcionando datos de proceso sencillos, confiables y que ahorran costos con capacidades de monitoreo remoto, calibración, configuración y diagnóstico. Esto se realiza mediante la conexión de modulo analógico en el cual se conecta el sensor a una de las entradas.
Figura 12 Modulo para entradas analogias al PLC Fuente:http://logicaycontrol.blogspot.com.co/2011/04/tratami ento-de-senales-analogicas-con_22.html
- Sensor de temperatura
- Sensor de Ph
Figura 14 Respuesta de electrodo
El voltaje en generado por el electrodo de pH está dado por la ecuación de Nernst y es proporcional a [H+]
Donde:
, es el potencial (en voltios) detectado a través de la membrana de vidrio.
, es el potencial del electrodo de referencia.
R = constante universal de los gases. T = temperatura absoluta en grados Kelvin. n = la carga del ión, que para el pH vale 1. F = constante de Faraday.
2,3 RT/NF = el factor de Nernst.
ii. Propuesta de control
Para el diseño de control del sistema se realiza un diseño de un controlador difuso utilizando la herramienta de MATLAB Fuzzy Logic Designer. Para este diseño se tienen dos entradas siendo oxígeno disuelto y temperatura las cuales dependiendo de las condiciones establecidas se activarán las bombas de oxigenación a partir del porcentaje que tenga la señal PWM. El planteamiento se hace de modo que la bomba no se encuentre consumiendo toda la potencia, sino que se suministre la potencia adecuado para así tener un ahorro de energía teniendo el proceso en los rangos adecuados.
Figura 15 Sistema difuso del sistema Fuente: Autor
Figura 16 Sistema de control entradas/salida
En ese orden de ideas se plantean las funciones de membresía para cada una de las variables.
M(BAJO)= trapmf (e, 2, 2, 4, 5.579) M(ESTABLE)=trimf(e, 5.389, 6 7) M(ALTO)=trapmf (e, 6.875, 7.625, 8, 8)
Figura 17 Variables lingüísticas oxigeno disuelto Fuente: Autor
de esta misma forma se tiene las variables lingüísticas de temperatura en el cual se establecen los rangos para temperaturas altas, bajas y estable.
M(BAJO)= trapmf (e, -0.159, -0.159, 9.84, 23.8) M(ESTABLE)=trimf (e 23.4, 25, 29.29)
M(ALTO)=trapmf (e, 25.48, 40, 60, 70)
Figura 18 Variables lingüísticas temperature
Con las variables lingüísticas ya definidas se plantea la salida del controlador el cual es la generación de un pulso PWM el cual irá de 0 a 1 siendo 1 el 100%, esto se realiza con el fin de un funcionamiento de la bomba constante entre un 40% y 70% el cual garantiza que la oxigenación siempre este encendido sin que trabaje a toda su capacidad para un ahorro del 30% de energía aproximadamente.
M(BAJO)= trimf (e, 0.0011, 0.101, 0.3419) M(MEDIO)=trimf (e 0.2684, 0.601, 0.683)
M(ALTO)=trapmf (e, 0.6399, 0.8939, 1.009, 1.329)
Figura 19 Variables lingüísticas de salidas Fuente: Autor
Planteadas las entradas y salida se realizan las reglas de control, el cual actuara en cada uno de estos casos.
Oxígeno disuelto
BAJO ESTABLE ALTO
BAJO MEDIO MEDIO BAJO
Temperatura ESTABLE ALTO BAJO BAJO
ALTO ALTO ALTO ALTO
Planteadas las reglas de control se selecciona un controlador tipo Mandani y se ingresan las reglas con operador OR el cual realiza la acción de control con cualquiera de las condiciones de oxigeno o temperatura establecidas.
Figura 20 Reglas con controlador Mandani Fuente: Autor
V. RESULTADOS Y ANALISIS
En la propuesta de diseño se debe tener en cuenta que este sistema es teórico con variaciones del mismo al momento de su implementación real, ya que no se tienen en cuenta factores como temperatura ambiente y factores externos que puedan afectar el comportamiento adecuado del sistema.
Con el controlador implementado se procede a observar los resultados del diseño con las dos variables de proceso el cual se observa que la oxigenación trabajando en condiciones críticas va trabajar con un máximo valor en su salida de 70% lo cual se planteó inicialmente.
Figura 21 Condiciones de Oxigeno bajo y temperatura alta Fuente: Autor
Con lo planteado anteriormente se garantiza que la bomba esté funcionando a un 50% de su capacidad y disminuyendo de forma que los valores de
oxigeno están por encima de 4ppm/litro y temperatura menor a 27 grados.
Figura 22 Condicines ideales Fuente: Autor
De los valores anteriores se observó los valores que toma la salida con respecto a la variación de la entrada con los antecedentes de las 9 reglas con los cuales se obtienen los consecuentes debido al método de defucificación de centroide, estos conjuntes se unen para obtener un conjunto resultante.
Figura 23 Superficie de control Fuente: Autor
VI. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Se desarrolló los controladores en lógica difusa para oxígeno disuelto y temperatura del proceso piscícola tradicional mostrando resultados eficientes, sin la necesidad de conocer el modelo matemático del proceso, pero teniendo en cuenta los parámetros de comportamiento del sistema a controlar mediante un autómata programable debido a su versatilidad e integración de módulos para trabajo específico.
i. Proceso piscícola
En el desarrollo de la propuesta se planteó utilizar elementos de bajo costo de fácil manipulación e instalación además de ser eficientes durante todo el proceso de crianza de peces.
En la selección de los sensores, se pretende utilizar una sonda medidora de oxígeno disuelto de salida analógica al igual que el sensor de temperatura que en este caso se selecciona una Pt100 con características eficientes en cuanto a precisión, exactitud y bajo costo siendo dispositivos de fácil adquisición para la implementación final del sistema.
Para el diseño del algoritmo difuso se trabajó bajo la plataforma de software Matlab con el Toolbox Fuzzy Logic, facilitando la comprensión del sistema, para su posterior implementación en un autómata programable (PLC) el cual se le acondicionarán módulos de entradas digitales para garantizar alto eficiencia durante el proceso.
Se desea implementar un sistema de medición de Ph el cual indicará el nivel de acides del agua, los peces pueden vivir y producir en un rango de 6 a 9 de pH. Valores de menos de 4 y mayores de 11, ya son aguas muy acidas o muy básicas, y causan lesiones graves en los peces y en exposición prolongada puede ser letal, para este fin se mostrará una alarma la cual el operario deberá agregar cierta cantidad de cal viva para corregir esto.
ii. Recomendaciones
Se recomienda implementar controladores difusos aplicando el método Takagui y Sugueno o demás diferentes al método de Mandani, como también el desarrollo de diferentes técnicas existentes de defusificación para realizar una comparación en cuanto la efectividad de la respuesta de los diferentes métodos que se encuentra en la actualidad en cuanto a los controladores difusos además de validación del sistema agregando mas funciones de pertenencia para limitar el rango de operación de los actuadores.
Un aspecto importante para tener en cuenta es la de realizar el monitoreo del amoniaco en el agua ya que este es un factor importante en problema contaminación por este motivo la ubicación de las bombas oxigenadoras es de suma importancia ya que, si se instalan en el fondo del lago, el amoniaco se esparce por toda el agua causando mortandad en los peces.
Debido al constante desarrollo de software móvil, se recomienda la implementación de una aplicación de monitoreo y control a través de esta tecnología, debido a su fácil adquisición para la visualización del comportamiento desde cualquier lugar, donde se tenga acceso a la red.
REFERENCIAS
[1] Gobernación del Huila, "Informe cadena piscícolas del Huila”, 2013. [2] Nicovita, "Manual de crianza Tilapia”, 2010.
[3] Maria Auxiliadora Saavedra Marinez, "Manejo de cultivo de tilapia”, 2006.
[4] Baquero, J. M. (s.f.). Sistema de información de gestión y desempeño de organizaciones de cadenas.
Nestor Eduardo Polania Vargas
