Título: Automatización de Sistema de Inmersión Temporal para el
cultivo de vitroplantas basado en Autómata Programable
Autor: Hermes Jesús Gil Ruiz
Tutor: Dr. C. Eduardo Izaguirre Castellanos
, Mes y Año
Departamento de Automática y Sistemas
Computacionales
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PENSAMIENTO
“La mejor forma de predecir el futuro es crearlo” Abraham Lincoln
DEDICATORIA
A mi mamá y mi papá, y mis abuelos, que tanto apoyo y ayuda siempre me han dado y me seguirán dando, a quienes les debo todo lo que soy y sin ellos la vida no es igual, ya que siempre están ahí en las buenas y en las malas.
AGRADECIMIENTOS
A toda mi familia que de alguna forma u otra han contribuido a la realización de este trabajo, especialmente a mis padres por todo el sacrificio realizado en tantos años de
estudio.
A mi Dianet, esa persona tan especial que nunca se cansa de mí y siempre está ahí cuando la necesito.
A mis compañeros de cinco años de grandes batallas bajo viento y marea siempre unidos, en especial a los de mi cuarto y a Shey.
A mis amistades que siempre se preocuparon y me apoyaron en todo momento, en especial a Imeno y a Yasmany, que siempre me ayudaron a vencer muchos obstáculos desde el
IPVCE.
A mi tutor Izaguirre que siempre me apoyó y estuvo cuando lo necesité, y me dio libertad para programar y desempeñarme a mi forma.
A todos los profesores que me encaminaron en la vida y me ayudaron a desarrollar mi talento, muchas gracias sé que siempre cuento con ustedes.
RESUMEN
Actualmente en el mundo es ampliamente utilizada la micropropagación in vitro como técnica de cultivo para la reproducción de tejidos en grandes cantidades, a alta velocidad y elevada calidad de reproducción, gracias al uso de los Sistemas de Inmersión Temporal automatizados. Este trabajo está encaminado a la mejora e implementación de un SIT instalado en el área de la Biofábrica de la Estación Territorial de Investigación la Caña de Azúcar centro Villa Clara (ETICA-VC), con el fin de diseñar un sistema automatizado basado en Autómata Programable Master-K120S para el control en tiempo real del SIT dedicado al cultivo de vitroplantas de dicha entidad. Este sistema, a través de una interfaz gráfica de usuario, permite al operador variar los tiempos de las diferentes etapas del proceso así como poder visualizarlos en tiempo real, además, garantiza poder alternar entre un modo manual o automático de operación, así como realizar operaciones de mantenimiento. Su implementación demuestra la factibilidad de su empleo en aplicaciones de esta índole, amortizando considerablemente su inversión y evitando la contaminación del medio ambiente y logrando una alta flexibilidad y seguridad en el proceso productivo.
TABLA DE CONTENIDOS PENSAMIENTO ... i DEDICATORIA ... ii AGRADECIMIENTOS ... iii RESUMEN ... iv INTRODUCCIÓN ... 1
Organización del informe ... 5
CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS DE LA AUTOMATIZACIÓN DE SISTEMAS DE INMERSIÓN TEMPORAL ... 6
Introducción al capítulo ... 6
1.1 Consideraciones sobre el proceso de micropropagación in vitro. ... 7
1.1.1 La micropropagación in vitro basada en Biorreactores. ... 7
1.2 Generalidades de los Sistemas de Inmersión Temporal ... 9
1.2.1 Aportes de los Sistemas de Inmersión Temporal ... 9
1.3 Variantes de Sistemas de Inmersión Temporal ... 10
1.3.1 Descripción del Biorreactor SETIS ... 15
1.4 Automatización en los Sistemas de Inmersión Temporal ... 17
CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN DEL SETISTM Y ELEMENTOS PARA LA AUTOMATIZACIÓN ... 23
2.1 Descripción general de la planta ... 23
2.1.1 Equipamiento básico y ciclo de operación. ... 24
2.2 Autómata Programable Master-K120S ... 27
2.3 Panel XGT ... 29
2.3.1 Conexión entre el panel XGT y la PC ... 31
2.3.2 Conexión entre el panel XGT y el autómata. ... 31
2.4 Software de programación KGL_WIN ... 32
2.4.1 Configuración de hardware ... 32
2.5 Software Panel Editor ... 34
2.5.1 Inicialización del proyecto ... 35
CAPÍTULO 3. PROPUESTA DE SOLUCIÓN PARA LA AUTOMATIZACION DEL SETISTM 37 3.1 Programa del autómata y modos de operación ... 37
3.2 Programa del panel XGT ... 39
3.3 Arquitectura de hardware y conexiones del autómata programable ... 42
3.4 Análisis económico y medioambiental ... 44
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 47
Conclusiones ... 47
Recomendaciones ... 48
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 49
ANEXOS ... 52
Anexo I Programa del autómata en lenguaje de contactos ... 52
Anexo II Algoritmo del sistema de control ... 58
INTRODUCCIÓN
La micropropagación de plantas constituye el sector del mercado más llamativo para los laboratorios productivos que están vinculados a las tecnologías de cultivo in vitro. Ésta requiere que el cultivo esté en constante transferencia hacia un medio fresco debido al agotamiento y/o variación de nutrientes, así como el desarrollo o propagación continuado del tejido (Domínguez González, 2009).
El cultivo de tejidos o micropropagación in vitro, una de las técnicas más usadas en la actualidad para la reproducción de tejidos en grandes cantidades, implica el cultivo de la masa de plantas en un ambiente estéril como es el caso de contenedores, usando nutrientes que no requieren de suelo, ya sea en forma de gel o líquido. Los medios líquidos son ideales en la micropropagación para la reducción del costo de producción de las plantas y para la automatización (Debergh, 1988, Aitken-Christie, 1991).
Los sistemas de cultivo en líquido proveen mucho más condiciones uniformes de cultivo, el medio puede ser renovado fácilmente sin tener que cambiar el contenedor, la esterilización es posible a través de microfiltración y la limpieza del contenedor después de un periodo de cultivo es mucho más fácil (Etienne and Berthouly, 2002). Esta técnica posee un gran potencial comercial debido a la velocidad de multiplicación, la alta calidad de plantas que se obtienen por lo que ha permitido propagar miles de ejemplares sin necesidad de tener que disponer de semillas o de depender de un limitado número de brotes para la propagación vegetativa. Además el cultivo in vitro ofrece otro tipo de mejorías: el crecimiento ocurre en cuartos supervisados, por lo que es continuo durante todo el año sin importar en que estación climática se realiza, y se requiere de menor área y sustentación para la propagación que en los métodos habituales (Muñíz, 2018).
Las ventajas del cultivo in vitro en un medio líquido son frecuentemente contrarrestadas por problemas técnicos como asfixia, hiperhidricidad, fuerzas de corte y la necesidad de equipamiento complejo (Etienne and Berthouly, 2002). Para evitar tales problemas se han desarrollados varios procedimientos que dan soporte al cultivo, siendo los Sistemas de Inmersión Temporal (SIT) uno de los métodos más implementados y el objeto de estudio de esta investigación.
Con la automatización de los SIT se garantiza una mayor uniformidad de las plantas desarrolladas y la posibilidad de controlar en tiempo real las condiciones de cultivo y modificarlas de acuerdo a las necesidades específicas de cada fase de la propagación in vitro y del ensayo que se desee llevar a cabo. La monitorización en tiempo real de las variables relevantes para dicho proceso hace que se eviten posibles incidentes negativos y con ello la obtención de cultivos deficientes (Orellano et al., 2016).
Por otra parte, se ha destacado que la Inmersión Temporal ayuda a resolver algunos de los problemas que se presentan en los cultivos de inmersión permanente con un medio de cultivo líquido estacionado, como: la poca estabilidad y la mala calidad de los explantes, disminuye la vitrificación, renueva los gases dentro del recipiente de cultivo permitiendo un intercambio bidireccional de las plantas con el medioambiente y beneficiando el crecimiento y el desarrollo de los cultivos (Muñíz, 2018).
Situación del problema
La ETICA-VC se encuentra inmersa en un proceso de perfeccionamiento en la automatización del SIT para el cultivo de vitroplantas en el área de la Biofábrica, donde el sistema actualmente existente no cumple con los requerimientos necesarios para el control del cultivo de micropropagación in vitro, ello conlleva a afectaciones en la calidad de la producción, escaso aprovechamiento de los nutrientes, bajas tazas de multiplicación, contaminación de las muestras, muerte de las vitroplantas, imposibilidad de realizar experimentos, etc.
Problema Científico
En la Biofábrica de la ETICA-VC no se cuenta con un SIT que permita controlar en tiempo real las condiciones de cultivo y ajustarlas de acuerdo a las necesidades particulares que exige cada etapa de propagación in vitro, no existiendo además flexibilidad en la programación de los tiempos de inmersión, reposo y aireación de los explantes.
Objeto de estudio
Automatización de los Sistemas de Inmersión Temporal para el cultivo de vitroplantas.
Campo de acción de la investigación
Automatización basada en Autómata Programable Master-K120S de Sistemas de Inmersión Temporal para el cultivo de vitroplantas.
Objetivo General
Diseñar un sistema automatizado basado en Autómata Programable Master-K120S para el control en tiempo real del Sistema de Inmersión Temporal dedicado al cultivo de vitroplantas perteneciente a la Biofábrica de la ETICA-VC.
Objetivos específicos
Dominar los fundamentos teóricos acerca de los sistemas de inmersión temporal y su automatización.
Analizar los elementos conceptuales relacionados con el funcionamiento, modo de operación, características y automatización de los sistemas de inmersión temporal para el cultivo de plantas in vitro.
Programar en lenguaje de contactos el dispositivo de control y la correspondiente interfaz gráfica de usuario.
Simular el sistema diseñado.
Implementar el sistema con vistas a su explotación. Evaluar los resultados obtenidos.
Hipótesis
Es posible diseñar un sistema automatizado basado en Autómata Programable Master-K120S para el control del Sistema de Inmersión Temporal para el cultivo de vitroplantas perteneciente a la Biofábrica del ETICA-VC, que permita el manejo efectivo de los tiempos de ciclos exigidos para cada cultivo, de manera flexible y robusta.
Interrogante Científica
Si se realiza el diseño del sistema automatizado basado en Autómata Programable Master-K120S para el control en tiempo real del Sistema de Inmersión Temporal perteneciente a la Biofábrica de la ETICA-VC, entonces permitirá a los investigadores y laboratoristas de la institución disponer de un sistema automatizado que facilite la programación de los tiempos de ciclos de cultivo, en correspondencia con las exigencias y características de las diferentes etapas del proceso de micropropagación.
Novedad Científica
Se aplica por vez primera un sistema para el control en tiempo real de las variables asociadas al cultivo in vitro en la Biofábrica de la ETICA-VC, lo cual posibilita la eficiencia y flexibilidad del Sistema de Inmersión Temporal puesto en marcha en dicha institución.
Aportes de la investigación
Con la implementación de los resultados científicos derivados del presente trabajo se logra la puesta en funcionamiento de un SIT automatizado basado en la novedosa tecnología de los autómatas programables que además dispone de una interfaz gráfica de usuario diseñada para posibilitar la flexibilidad en la programación de los tiempos de las diferentes etapas del proceso de micropropagación. El sistema garantiza el control en tiempo real de los parámetros que son vitales para el crecimiento de los cultivos así como reducción de los costos de producción.
Impactos
Gracias a esta investigación aumenta la calidad del proceso productivo e icrementa la eficiencia del sistema y se explotan más racionalmente los medios técnicos de la Biofábrica, lo cual representa un gran impacto económico. Se mejoran las condiciones de explotación y
manejo del Sistema de Inmersión Temporal, lo cual redunda en mejores condiciones de trabajo para operadores y directivos.
Organización del informe
En el capítulo uno se aborda los fundamentos y conceptos generales vinculados a los SIT para conocer los aspectos a tener en cuenta para su automatización. Además se muestran aplicaciones donde se hace uso de los SIT para el cultivo de vitroplantas.
En el capítulo dos se abordan las características más relevantes de la planta y el proceso que se deben tener en cuenta para realizar la automatización requerida. Se exponen además, las especificaciones técnicas del autómata e interface de usuario empleados, así como, las particularidades de los software de programación que se van a utilizar.
En el capítulo tres se hace una descripción detallada del funcionamiento del programa y la arquitectura de hardware concebidos, así como, de cada de una de las pantallas de la interface para el operador. Además, se concluye con el correspondiente análisis económico y medioambiental.
Por último, se arriba a las conclusiones del trabajo y se hacen las recomendaciones pertinentes.
CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS DE LA AUTOMATIZACIÓN DE
SISTEMAS DE INMERSIÓN TEMPORAL
Introducción al capítulo
Es sumamente importante conocer los aspectos que caracterizan a los SIT automatizados y entender el proceso de micropropagación in vitro para llegar al punto de por qué es esencial el empleo de dichos sistemas en este proceso, así como la automatización de los mismos. A través de la automatización de los SIT se puede controlar en tiempo real las variables que son vitales para el crecimiento y desarrollo de las plantas propagadas y reducir los costos por mano de obra y medio de cultivo empleado, así como los problemas que se presentan utilizando los métodos tradicionales de cultivo como son la asfixia, hiperhidricidad, fuerzas de corte, etc. A continuación se aborda la importancia de la micropropagación in vitro, aspectos fundamentales de los SIT y la evolución de la automatización de los mismos. También se brinda una referencia bibliográfica de los resultados investigativos que se han obtenido con el empleo de diferentes SIT automatizados para arribar a la importancia y novedad del proyecto. Este trabajo abre las puertas a futuras investigaciones en este campo del conocimiento, teniendo presente que es la primera vez que se automatiza un SIT con un autómata programable para el control en tiempo real de las variables del proceso de micropropagación in vitro en la ETICA-VC, entidad productiva y de investigación, que a partir de los resultados logrados, contará con la capacidad de operar de manera más eficaz el proceso de propagación in vitro con la flexibilidad de variar los ciclos en dependencia del tipo de cultivo.
1.1 Consideraciones sobre el proceso de micropropagación in vitro.
La micropropagación considera el conjunto de técnicas y métodos de cultivo de tejidos utilizados para multiplicar plantas en forma rápida, eficiente y en grandes cantidades. A partir de una planta seleccionada, denominada explante, se obtiene una descendencia uniforme, con plantas genéticamente idénticas, conocidas como clones. El término in vitro se refiere a la introducción de los explantes en un frasco o recipiente sellado donde se sumerge en un medio de cultivo estéril (Castillo, 2004).
Existen varias etapas para el cultivo de tejidos in vitro: la iniciación del cultivo en condiciones in vitro, la multiplicación activa de las estructuras capaces de desarrollarse como especímenes idénticos a la planta inicial y el paso de la heterotrofía a la autotrofía, con la posterior adaptación de los propágulos obtenidos a las condiciones de cultivo in vivo. Pero es en la etapa de multiplicación donde es necesario poner atención para poder concebir alternativas que favorezcan la eficiencia de todo el proceso (Ashloowalia et al., 2002). El cultivo de plantas in vitro es una práctica que exige un control preciso del entorno del cultivo, desde el punto de vista físico o químico puesto que las plantas constantemente reaccionan a una serie de estímulos externos e internos que modifican su fisiología y morfología (Muñíz, 2018).
Entre los factores a tomar en cuenta se encuentran: la velocidad de agitación, temperatura, oxígeno disuelto y concentraciones de dióxido de carbono (CO2), régimen de iluminación, pH, composición del ambiente gaseoso y el nivel del medio líquido (Georgiev et al., 2014).
1.1.1 La micropropagación in vitro basada en Biorreactores.
A pesar de sus provechosas ventajas la micropropagación in vitro posee algunas limitaciones como son: es más costosa que las técnicas convencionales de producción de plantas, demanda un personal competente e infraestructuras especiales y las sustancias para los medios de cultivo y otras materias primas son difíciles de adquirir en países en vías de desarrollo. La posibilidad de poder contar con otro tipo de sistemas que garanticen una mayor eficiencia para la propagación de plantas in vitro y que superen los resultados obtenidos con los sistemas de cultivo en suelo ha generado la necesidad de implementar otro tipo de tecnologías con vistas a incrementar la eficiencia y la reproducibilidad en los resultados y a su vez disminuir
los costos (Muñíz, 2018), donde el empleo de los Biorreactores para el cultivo de tejidos vegetales ha sido uno de los resultados más significativos en ese sentido.
Un Biorreactor (ver Figura 1.1) es un sistema de cultivo comúnmente automatizado cuyo objetivo fundamental es brindarle al cultivo un ambiente controlado con el fin de establecer las condiciones recomendables para el crecimiento celular y para la obtención de subproductos derivados del cultivo con fines comerciales (Muñíz, 2018).
Figura 1.1 Biorreactor de dos recipientes.
En el caso del cultivo in vitro estos dispositivos presentan algunas limitaciones como la afectación por hiperhidricidad, conocida también como vitrificación, este es un fenómeno degenerativo que perjudica a los explantes por asfixia, estrechamente vinculado con el contacto, por tiempo prolongado, del material a propagar con el medio de cultivo; otros dos inconvenientes habituales son la diversificación en el tamaño de las plántulas y la pérdida de material vegetal por contaminación (Steingroewer et al., 2013).
Debido a estas desventajas se han venido utilizando desde la década de los 70 los Sistemas de Inmersión Temporal (una variante de Biorreactores) como una alternativa al sistema de propagación convencional (Debnath, 2011).
1.2 Generalidades de los Sistemas de Inmersión Temporal
Los SIT son sistemas simples automatizados, diseñados para proveer un ambiente óptimo, nutrientes perfeccionados y transferencias de gas, y bajo estrés mecánico para reducir desórdenes fisiológicos, y para conservar la integridad morfológica de la planta con el crecimiento rápido diferenciad. Proveen el ambiente más natural para el cultivo in vitro de tejidos de las plantas y órganos, dónde los propágulos cultivados son periódicamente sumergidos en un medio líquido y expuestos a un ambiente gaseoso (Georgiev et al., 2014). Los SIT son más ventajosos que otro tipo de Biorreactores ya que incorporan una serie de peculiaridades como el corregir la inmersión continua de los explantes en el medio de cultivo, garantizar la transferencia de oxígeno necesaria, proveer los cambios secuenciales y automatizados del medio de cultivo, disminuir la contaminación microbiana y tener un precio menor al de otros reactores convencionales (Etienne and Berthouly, 2002).
Además se afirma que en este tipo de sistema de cultivo se garantiza una mejor relación entre la fotosíntesis y la transpiración en los explantes debido a las condiciones de renovación periódica de la atmósfera interna del recipiente de cultivo, lo cual permite un mejor aprovechamiento de nutrientes del medio de cultivo para su desarrollo (Muñíz, 2018). Usualmente, el período de inmersión es más corto (unos pocos minutos), mientras que el período de exposición al aire es prolongado (varias horas). El ajuste preciso de las duraciones de la inmersión y los períodos de exposición puede reducir significativamente la hiperhidricidad del tejido de la planta cultivada al crear condiciones para una humedad óptima y un suplemento de los nutrientes con el menor contacto con el líquido (Albarran et al., 2005). Los recipientes están usualmente construidos con vidrio transparente o vasijas plásticas, así la luz de fuentes externas puede usarse para iluminar las plantas cultivadas.
1.2.1 Aportes de los Sistemas de Inmersión Temporal
La micropropagación en medio semisólido de nutrientes es un proceso costoso, desde que la tecnología está basa en un manejo manual de un número grande de envases sencillos (Afreen, 2008, Mordocco et al., 2009). La labor cuenta para el 40–60 % del costo final de plantas propagadas, y la tecnología no está sujeta a la automatización (Afreen, 2008). Para vencer esas negativas, han sido desarrollados los SIT automatizados para el componente relativo a la labor requerida e intensificar el cultivo usando un medio líquido de nutrientes en la
propagación de la planta. Estudios demuestran que las plantas de arándano (Vaccinium
corymbosum L.), multiplicadas en SIT del tipo BIT®, tienen una adaptabilidad superior que
las cultivadas convencionalmente (Arencibia et al., 2013). Se ha reportado que el número regenerado de plantas Leucojum aestivum L. desde embriones somáticos es dos veces más alto cuando el SIT tipo RITA® es usado (Ptak et al., 2013). La información más detallada concerniendo la aplicación práctica de estos sistemas en la micropropagación de plantas podría ser encontrada en (Afreen, 2008, Etienne and Berthouly, 2002, Watt, 2012, Lyam et al., 2012).
1.3 Variantes de Sistemas de Inmersión Temporal
Los sistemas difieren con respecto al tamaño del contenedor, tipo de soporte para el cultivo, existencia de un control computarizado de la inmersión o un simple temporizador, uso tanto de bombas peristálticas, de aire o un movimiento mecánico del contenedor para desplazar el líquido. Otras diferencias incluyen reciclado o no del medio, y la separación o incorporación del tanque del medio con el contenedor del cultivo. Las características comunes encierran que los contenedores son más grandes que los recipientes convencionales de cultivo, transparentes y autoclavables. Los SIT son más fáciles de usar que los biorreactores convencionales, y con la mayoría de estos son posibles de lograr mayores períodos de subcultivo; además, permiten la programación de un contacto parcial o total del explante con el medio (Etienne and Berthouly, 2002). Existen cuatro diseños clásicos, los cuales se explican a continuación:
Sistemas con máquinas de balancín o inclinación.
Dos máquinas de este tipo son descritas por (Harris and Mason, 1983), basadas en la inclinación o balanceo de los contenedores durante un período de tiempo y no incluyen reabastecimiento del medio líquido de cultivo.
Estas máquinas fueron desarrolladas con el objetivo de alternar en los explantes las etapas de exposición e inmersión, lo cual resultó más ventajoso que el cultivo convencional en medios semisólidos en la década de los años 80, pero presentan la inconveniencia de tener una pobre automatización, basada en un motor conectado a un brazo mecánico encargado de mecer o
inclinar los recipientes en un ángulo ajustable, pero sin la capacidad de cambiar los períodos de cada etapa así como las condiciones de cultivo.
Sistemas con inmersión completa y mecanismo de renovación del medio líquido.
Una cámara elevada de cultivo fue desarrollada por (Tisserat and Vandercook, 1985), drenada periódicamente y luego recargada con medio fresco en un ambiente estéril, se compone por tubos de silicona, dos bombas impulsoras, dos botellas de vidrio para depositar el medio, una válvula de acero inoxidable de tres vías, una cámara para el cultivo, y un módulo de interfaz que contiene las placas de relés (ver Figura 1.1) (Etienne and Berthouly, 2002). Posee la ventaja que provee un método de larga duración para el cultivo in vitro pero resulta costoso por el uso de los implementos antes mencionados y presenta una automatización carente de flexibilidad y robustez a base de relés.
Sistemas con inmersión parcial y mecanismo de renovación del medio líquido.
En estos sistemas el explante siempre es colocado en un soporte de cultivo (agar, rollos de celulosa, cortina de propileno). El medio líquido de cultivo es aplicado frecuentemente, luego es retirado hacia un contenedor para terminar de drenar, para humedecer el soporte, estabilizar la composición del medio de cultivo y extender la duración de los subcultivos, mientras evita o pospone la necesidad de cambiar el medio. Solamente la base del explante es parcialmente sumergida (Etienne and Berthouly, 2002). Han sido publicados dos modelos: Se desarrolló un proceso semiautomático (ver Figura 1.2) en contenedores de policarbonato de gran tamaño (250 × 390 × 120 mm) por (Aitken-Christie and Jones, 1987, Aitken-Christie and Davies, 1988). En este sistema, crecieron semillas de Pinus spp. en un medio de agar, con suplemento y retirada del líquido de cultivo a través de bombas peristálticas con períodos básicos. El líquido proveniente del recipiente del medio fresco hace contacto con los explantes en un tiempo de cuatro a seis horas, usando un sistema de succión en vacío, y luego va hacia el contenedor de drenaje.
Desarrollado por (Simonton et al., 1991), presenta una bomba controlada por computadora que aplica el medio líquido intermitentemente a plantas cultivadas en recipientes de siete litros (ver Figura 1.3). Los explantes reposan en una pantalla perforada de polipropileno que es colocada en el interior del recipiente. Las capacidades de automatización incluyen introducción del medio y regulación de la profundidad dentro de cada uno de los cuatro recipientes de cultivo, introducción del medio cíclicamente en un programa asignado, y ajuste del programa durante el período de cultivo y el reemplazo del medio.
Figura 1.3. Esquema del manejo de fluido en el sistema de micropropagación.
Sistemas con inmersión completa por manejo de transferencia neumática y sin mecanismo de renovación del medio líquido.
Múltiples sistemas han sido desarrollados desde (Alvard et al., 1993), e incluyen los SIT más recientes. Son relativamente simples y fáciles de usar, permitiendo el contacto entre todas las partes del explante y el medio líquido, además de una completa renovación de la atmósfera del cultivo por ventilación forzada, la cual impulsa el líquido hacia el explante. Incluyen transferencia neumática del medio desde un tanque hacia el contenedor donde se encuentra
la planta. Para evitar exceso de tubería, preferiblemente los dos volúmenes son parte del mismo recipiente. Una presión excesiva es aplicada por una válvula solenoide o un compresor conectado a una toma programable. Esta aplicación determina el momento y la duración de las inmersiones. Como estos sistemas no incluyen un tanque con medio fresco, el medio de cultivo tiene que ser cambiado en intervalos de cuatro a seis semanas. Sin embargo el reemplazo es rápido y no hay necesidad de transferir el explante (Etienne and Berthouly, 2002). Dos variantes han sido desarrolladas y se encuentran actualmente en el mercado: el sistema Recipiente para la Inmersión Temporal Automatizada (RITA®) y el sistema Frascos Gemelos (BIT®).
El RITA® (ver Figura 1.4) es descrito por (Teisson and Alvard, 1995). El recipiente de un litro consta de dos compartimentos, uno superior con las plantas y uno inferior con el medio. La excesiva presión aplicada en compartimento inferior empuja al medio hacia el compartimento superior. El grado de inmersión de las plantas dependes del grado de la presión aplicada. Durante el periodo de inmersión, las burbujas de aire atraviesan el medio, agitando suavemente los tejidos y renovando la atmósfera del espacio del cabezal dentro del recipiente de cultivo, con la presión escapando a través de la válvula de escape en la cima del recipiente.
El BIT® (ver Figura 1.5) es descrito por (Escalona et al., 1998). El RITA® fue concebido para propagaciones en masa por embriogénesis somáticas. Para organogénesis, el tamaño del propágulo puede requerir recipientes más económicos y de mayor volumen. La manera más fácil para llevar a cabo la inmersión temporal neumática es conectando dos frascos de cristal o de plástico – de 250 mL a 10 L– a través de una tubería y aplicando una presión alternativa para empujar el medio hacia el otro recipiente. El recipiente RITA® puede ser fácilmente adaptado a esta configuración.
Figura 1.5. Ilustración del proceso de micropropagación usando el sistema BIT®.
1.3.1 Descripción del Biorreactor SETIS
El Biorreactor SETIS™ (ver Figura 1.6) descrito por (B.V., 2017) constituye una variante actual del BIT®. Este sistema constituye una versión optimizada del anterior en cuanto a diseño y tecnología. SETIS™ es un sistema estándar que permite la micropropagación a larga escala, basado en una elevada automatización a base de autómatas programables.
Este biorreactor incluye elementos que pueden ser colocados entre ambos recipientes para garantizar un perfecto posicionamiento del recipiente de cultivo encima del recipiente donde se encuentra el medio, y para evitar su desplazamiento durante la operación. Dos asas son posicionadas a ambos lados del recipiente del medio para cargar fácilmente el biorreactor ensamblado. Está compuesto solamente de tres materiales, policarbonato (recipientes), polipropileno (las tapas de cierre y los filtros de aire) y silicona (empaquetaduras y tuberías). Todos esos materiales soportan esterilización en autoclave y radiación gamma. El diseño de estos biorreactores, que presentan elevada transparencia, la máxima incidencia de la luz sobre las plantas.
Figura 1.6. Ilustración del proceso de micropropagación con el Biorreactor SETIS™. Este biorreactor ha sido usado satisfactoriamente en el cultivo de muchas especies de plantas como caña de azúcar, plátano, papa, paulownia y orquídeas. Con su adecuado volumen de cultivo, óptima entrada de luz, drenaje completo y ventilación mejorada, este es un sistema ideal para evitar los problemas de vitrificación e incrementar la calidad de las plantas. SETIS™ ha desarrollado su propio software para el control, basado en la programación de autómatas programables y la alta calidad de componentes neumáticos.
Las características del software incluyen:
• Control de las fases de inmersión y ventilación. • Control de luz integrado.
• Número ilimitado de puntos de control.
• Cálculo automático de las frecuencias de tiempo. • Optimización y reducción del consumo de aire. • Posibilidad de crear programas propios.
• Instalación flexible y dinámica. • Posibilidad de copias de seguridad. • Puntos de control y alarmas.
• Posibilidad de controlar el laboratorio desde cualquier parte a través del acceso a la web. • Interface fácil amigable para el usuario.
1.4 Automatización en los Sistemas de Inmersión Temporal
Los SIT son usualmente acomodados en estantes de gran capacidad con fuentes de luz integradas alojados en cuartos de crecimiento con aire acondicionado. Los estantes deben estar dispuestos en una forma apropiada para obtener acceso fácil para la operación y manejo de cada recipiente, y para acomodar tantos como sea posible, lo cual mejorará el costo de producción por espacio de la unidad en el cuarto de crecimiento. Cada SIT independiente es usualmente conectado a un sistema automatizado central común para controlar el trabajo simultáneo de todos los sistemas. Si la operación de todos implica un ciclo con duraciones idénticas de períodos de inmersión y de exposición al aire, un sistema semiautomatizado controlado por un simple temporizador sería suficiente. Sin embargo, si diferentes sistemas requieren ser accionados en diferentes períodos de inmersión o de exposición, o el cultivo precisa de un suministro de dióxido de carbono forzado, entonces deberá ser usado un sistema automatizado e informatizado más complejo (Kana et al., 2010).
Existen muchas aplicaciones que pueden ser citadas para demostrar la implementación de estos sistemas ya sea de forma automatizada o semiautomatizada, algunos de estos ejemplos se muestran a continuación:
En el laboratorio BIOTROP de Montpellier se diseñó un sistema simple, basado en el principio de funcionamiento del sistema RITA®, para llevar a cabo el cultivo de tejidos a través de la inmersión temporal. El control de la frecuencia y la duración de la presión excesiva para trasladar el medio de cultivo de un recipiente a otro se realiza con un interruptor de temporizador, el cual puede gobernar cualquier tipo de bomba de aire pequeña o válvula de solenoide de laboratorio, conectadas a un suplemento de aire comprimido proveniente de un compresor, para ejercer acción neumática sobre el medio de cultivo (Teisson et al., 1996). El uso de temporizadores resulta provechoso para la flexibilidad en cuanto a la programación de los tiempos de las diferentes etapas, pero presenta limitaciones en relación con la cantidad de elementos sobre los que se ejecuta la acción de mando y con respecto a expandir la automatización hacia otras variables de interés en el proceso, como por ejemplo la intensidad de la luz.
En la Universidad Central de Las Villas se diseñó un SIT para la producción de microtubérculos de papas, utilizando como controlador un temporizador programable para el cierre y apertura de electroválvulas de solenoide. La frecuencia de inmersión y la duración de esta son reguladas por el temporizador, conectado a electroválvulas solenoides de tres vías (ver Figura 1.7). Con la apertura de una electroválvula u otra, el medio fluye del reservorio del medio hacia el reservorio de cultivo o en la vía opuesta, en este caso no se aplica el principio del retorno por gravedad (Jiménez et al., 1999).
En la Universidad de Malaya se reporta el diseño una Biocámara para la micropropagación
in vitro controlada por un autómata programable. El objetivo principal de la cámara es
promover el crecimiento de las plantas en un ambiente controlado. Permite al usuario simular la condición diurna o nocturna (control manual), controlar la cantidad de nutriente suministrado a los explantes y el tiempo de nutrición. Una vez iniciado, el usuario selecciona un modo de operación (Plant growth, Hardening Process, Research y Sterilization). El autómata envía señales para abrir o cerrar las válvulas apropiadas con vistas a bombear medio de cultivo y agua a los explantes a través de las boquillas de la cámara en dependencia del modo seleccionado. El autómata envía o recibe señales hacia/desde los siguientes componentes: bombas, válvulas de control, sensores de nivel y los LED que indican las condiciones de funcionamientos del sistema (Buniyamin et al., 2001). Las ventajas de este sistema radican en su corto tiempo de producción, la alta tasa de supervivencia de los tejidos de cultivo y la notada reducción de la mano de obra; constituyendo un sistema complejo y robusto con elevada flexibilidad en la automatización.
En un estudio realizado por (Robert et al., 2006) se describe una variante de SIT llamado BioMINT (ver Figura 1.8a) que incorpora un grupo de características específicamente diseñadas para simplificar la operación y los costos. El sistema está basado en dos recipientes, uno con el medio de cultivo y otro con los explantes; ambos se comunican mediante una pieza adaptada y el fluido es transportado mediante gravedad gracias a un sistema utilizado para realizar el movimiento, el cual consiste en plataformas potenciadas por un motor eléctrico asociado a un panel de control programable para cambiar la posición de los recipientes. El sistema completo es controlado automáticamente a través del panel programable que regula el tiempo y la velocidad a la que cada plataforma cambia de posición. El sistema (ver Figura 1.8b) cuenta con cuatro plataformas y 36 unidades de BioMINT lo que es equivalente a un biorreactor de 45 litros. Este sistema puede resultar eficiente y reducir considerablemente el costo por mano de obra requerida pero hay que tener en cuenta la cantidad de dispositivos a emplear en dependencia del resultado que se quiera obtener, lo que puede resultar costos a gran escala.
Figura 1.8. a) Dos fases de inmersión con el BioMINT; b) Diagrama del soporte de plataformas del sistema.
En un estudio realizado por (Welander et al., 2014) se utilizan biorreactores de inmersión temporal del tipo Plantform. Los biorreactores son implementados con un sistema de bombeo neumático controlado por un temporizador para regular la aireación y el suplemento de medio de cultivo a los explantes, según se muestra en la Figura 1.9. En la parte izquierda de la figura, se observa el contenedor interior (A), la canasta (B), las patas de la canasta (c) y las entradas/salidas para el intercambio de gases (D–F); mientras que en la parte derecha se ilustran los biorreactores conectados a las bombas de aire y la unidad de control.
En (Oliva et al., 2014) se utiliza un autómata programable de la firma Altechcorp® para la automatización de un SIT tipo RITA® variando las frecuencias de inmersión con tratamientos similares de sólidos y líquidos al mismo tiempo con propósitos comparativos. El biorreactor autoclavable está equipado con dos tomas de ventilación y una malla, con un volumen de 1 L. El autómata se encarga de controlar el tiempo de inmersión que es de un minuto cada dos horas usando aire comprimido, esterilizado con dos filtros de policarbonato, aplicado directamente por una bomba de aire, para obtener el máximo número posible de plantas multiplicadas.
En un laboratorio de la Universidad Nacional de Quilmes se desarrolló un Sistema de Inmersión Temporal y un sistema SCADA (Control Supervisorio y Adquisición de Datos, por sus siglas en inglés), ambos realizados con herramientas de software libre y hardware abierto. El diseño cuenta con BIT® integrados a un estante aislado lumínicamente del ambiente dentro del cual es posible el control del fotoperíodo (ver Figura 1.10). Además, cuenta con un sistema neumático capaz de suministrar aire a las distintas secciones del estante. El sistema SCADA se compone de un servidor web conectado a un microcontrolador Arduino Mega 2560 el cual se encarga del sensado y la actuación del sistema (Orellano et al., 2016). El control de las variables con este tipo de microcontrolador resulta eficiente ya que se considera una herramienta de control potente para este tipo de aplicación aunque no presenta la robustez y fiabilidad de un autómata programable.
En la Universidad Nacional de Trujillo se diseñó e implementó la automatización del Sistema de Biorreactores de Inmersión Temporal neumática (ver Figura 1.11) mediante un circuito temporizador cuyos parámetros de diseño fueron: duración del proceso de propagación, el cual depende del periodo de multiplicación del cultivo y es una variable abierta, lo que quiere decir que el operario decide cuándo apagar el sistema; la duración de cada inmersión, la cual por motivos de complejidad del algoritmo se estandarizó como un minuto; frecuencia de inmersión y duración de la aireación; así como el encendido o no de luces fluorescentes que influyen en el desarrollo de los explantes (Solórzano Acosta, 2016).
Figura 1.11. Sistema de biorreactores de Inmersión temporal neumática ensamblado y en funcionamiento.
Consideraciones Finales del Capítulo
El uso de los SIT automatizados para la micropropagación in vitro de diferentes especies de plantas es una técnica que posee un elevado auge a nivel mundial, por lo que se considera fundamental su implementación en nuestro país, como es el caso de la ETICA-VC, con vistas a lograr incremento y eficiencia en la producción de diversas especies vegetales. El uso de los autómatas programables en este sentido brinda a la automatización del proceso de micropropagación mayor flexibilidad y robustez que otros dispositivos de control como temporizadores o microcontroladores. En este sentido, la automatización se realiza con tecnología basada en autómata programable y se aplica al SIT SETISTM actualmente instalado en la Biofábrica, sistema que goza de numerosos beneficios antes mencionados.
CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN DEL SETIS
TMY ELEMENTOS PARA
LA AUTOMATIZACIÓN
En este capítulo se abordan las características más relevantes de la planta y el proceso que se deben tener en cuenta para realizar la automatización requerida. Se exponen además, las especificaciones técnicas del autómata e interface de usuario empleados, así como, las particularidades de los software de programación que se van a utilizar.
2.1 Descripción general de la planta
El Sistema de Inmersión Temporal instalado en la Biofábrica de la ETICA-VC se encuentra montado sobre la tecnología que ofrece SETIS™. A continuación, se muestran varias de las características del mismo.
Compuesto por varios subsistemas o biorreactores de dos recipientes (ver Figura 2.1): - El recipiente de cultivo de 5.6 Litros con 80 mm en la abertura del cuello.
- El recipiente del medio de 4 Litros con 50 mm en la abertura del cuello.
El recipiente de cultivo es situado encima del recipiente del medio, haciendo el sistema muy compacto y fácil de usar (ver Figura 2.1). Los recipientes contienen dos conectores externos para mangueras como parte de su cuerpo sin presencia alguna de componentes en su interior. Estos son cerrados a través de tapas de rosca, usando una junta de silicona para lograr un sellado perfecto. El recipiente de cultivo tiene un fondo plano con un área de 432 cm2, lo que se traduce en una gran eficiencia y una óptima distribución de los explantes.
Figura 2.1. Recipientes del biorreactor SETISTM.
El biorreactor requiere un posicionamiento totalmente horizontal para lograr un drenaje óptimo y la inclinación del recipiente de cultivo permite el autodrenaje a través de la gravedad. Un máximo de 3 Litros de medio de cultivo es drenado completamente en aproximadamente cinco minutos.
Otro dato importante a la hora de montar el sistema es la presión soportada por el biorreactor, la cual se encuentra entre 0.1 y 0.3 bar. Además, la capacidad de este depende del tipo de planta a micropropagar, rondando desde 300 hasta 1200 plantas por biorreactor y todos sus componentes (abertura del recipiente, conectores y filtros de aire) se encuentran situados en la parte frontal del biorreactor, simplificando el acceso una vez posicionados en los estantes.
2.1.1 Equipamiento básico y ciclo de operación.
En la Biofábrica se dispone de varios estantes donde se encuentran ubicados los biorreactores. Cada estante cuenta con cuatro electroválvulas solenoides normalmente cerradas (NC) de acción on/off, que constituyen los elementos actuadores que se encargan de suministrar el aire en un sentido u otro para garantizar el ciclo de suministro de nutrientes o aire al cultivo según corresponda (ver Figura 2.2).
El medio de cultivo circula de un frasco a otro en dependencia de la apertura o cierre de las electroválvulas, cuya secuencia se establece según el programa que se ejecuta en el autómata el cual está diseñado para regular la frecuencia y la duración de la inmersión.
Figura 2.2. Diagrama del flujo de aire utilizando las electroválvulas solenoides. Todos los biorreactores están conectados en serie a las válvulas solenoides, a través de mangueras de silicona para garantizar que el ciclo descrito anteriormente ocurra simultáneamente en todos los sistemas de cada estante.
A la entrada de los frascos se colocan filtros para garantizar la esterilidad del aire. El sistema de suministro de aire comprimido tiene la capacidad de operar de forma automática mediante un presostato que fija la presión nominal de la línea de suministro de aire, donde un tanque de aire comprimido garantiza la capacidad necesaria en función del número de biorreactores que se utilicen; todo esto es supervisado por los operadores, encargados de ajustar los parámetros acorde a las necesidades del proceso. Es válido aclarar que la propuesta de automatización no incluye el sistema de suministro de aire comprimido.
El ciclo de cultivo responde a las etapas de inmersión, reposo y aireación las cuales hay que respetar, no solo en secuencia, sino también en el tiempo de cada una de ellas. En este sentido se debe seguir la siguiente secuencia cíclica de operación (B.V., 2017):
Paso 1: Al ponerse en funcionamiento el sistema, debe permanecer inyectando las sustancias nutritivas del recipiente reservorio (abajo) al recipiente con las vitroplantas (arriba), un tiempo especificado por el usuario (Tiny).
Paso 2: Efectuar parada para que el líquido nutritivo retorne (por gravedad) del recipiente de las vitroplantas al reservorio (Tp).
Paso 3: Finalizar con inyección de aire al recipiente con las vitroplantas, para la aireación (Tar).
En la Figura 2.3 se muestra un diagrama con tiempos genéricos para cada una de las etapas del proceso, en aras de ejemplificar lo antes mencionado.
Figura 2.3. Diagrama con los tiempos de las etapas del proceso.
La posibilidad de variar cada uno de los tiempos es de vital importancia para el proceso de producción e investigación de la institución, para la multiplicación de diversas especies de plantas así como el incremento de la eficiencia y calidad de los resultados que se puedan obtener con este sistema, de ahí que el uso del panel XGT resulta muy provechoso a la hora de implementar una programación flexible.
Se requiere programar el autómata y el panel XGT para controlar en tiempo real las variables asociadas a las fases de inmersión, reposo y aireación (ver Tabla 2.1), a partir del cierre y apertura de las electroválvulas en una secuencia específica, ya que al abrir una válvula se requiere la apertura de otra válvula para que funcione como vía de escape al aire y así evitar que sean dañados los recipientes por sobrepresión en las paredes de los mismos; ya sea en la etapa de inmersión o en la de aireación. Además el sistema debe mantener en memoria la programación deseada por los operadores aunque ocurra un fallo en la alimentación eléctrica, y estos deben poder supervisar los tiempos durante el transcurso de cada etapa, así como poder modificarlos aunque el proceso esté en marcha; además deben poder encender o apagar manualmente cada válvula y alternar entre el modo de operación manual o cíclico.
Tabla 2.1. Descripción de las variables del proceso de micropropagación in vitro.
2.2 Autómata Programable Master-K120S
Este es el dispositivo de control (ver Figura 2.4) del que dispone la ETICA-VC para implementar el sistema de automatizado en tiempo real del proceso de micropropagación in vitro, es un autómata extremadamente compacto que posee una amplia gama de aplicaciones y funciones integradas.
Figura 2.4. Autómata Programable Master-K120S.
No. Variable Naturaleza Rango Unidad Ubicación Descripción
1 Tiempo de
Inmersión Digital 1 - 999 Minutos Autómata
Tiempo de suministro del medio de cultivo
2 Tiempo de
Reposo Digital 1 – 999 Minutos Autómata
Tiempo de retorno del medio de cultivo por
gravedad 3 Tiempo de
Aireación Digital 1 – 999 Minutos Autómata
Tiempo de aireación de los explantes
4 Hora del
Sistema Digital 0 - 24 Horas Panel XGT
Para garantizar el funcionamiento en
tiempo real 5 Período del
ciclo Digital 1-999 Horas Autómata
Para la repetición de los ciclos de cultivo
Características técnicas
El autómata Master-K120S modelo K7M-DR30U presenta las siguientes características (LG, 2008b):
Tipo compacto.
Alta velocidad de procesamiento (0,1-0,9 μs/paso).
Varias funciones built-in (PID, interrupción externa, entre otras).
Permite la conexión con otros dispositivos externos, como PCs o equipos de supervisión y control, a través de los puertos RS-232C o RS-485.
Número de E/S: 30 (18 entradas de 24 VDC y 12 salidas de relay) Voltaje nominal: 85 ~ 264 VAC.
Frecuencia nominal: 50 / 60 Hz (47 Hz ~ 63 Hz). Corriente nominal: 0.6A (110VAC)/0.3A (220VAC). Fallo de energía momentáneo permisible: 10 ms.
2.2.1 Conexión entre el autómata y la PC
La conexión entre el autómata y la computadora (ver Figura 2.5), para realizar la programación, se realiza a través del puerto serie utilizando el estándar de comunicación RS-232C, configurando el cable con los conectores como se muestra en la Tabla 2.2.
Tabla 2.2. Configuración de los pines del conector DB-9 para la conexión entre el autómata y la PC. MASTERK-120S PC Pin 3 (Rx) Pin 3 (Tx) Pin 5 (Gnd) Pin 5 (Gnd) Pin 2 (Tx) Pin 2 (Rx) 2.3 Panel XGT
Con este dispositivo los laboratoristas y operadores de la Biofábrica pueden supervisar y programar las diferentes etapas del proceso de micropropagación, lo que lo hace una herramienta muy potente para el control y supervisión en tiempo real. En la Tabla 2.3 se muestra la descripción de las diferentes partes del mismo según (LG, 2010), representadas en la Figura 2.6.
Tabla 2.3. Descripción de las partes esenciales del panel XGT.
No. Nombre Descripción Observación
1 Conector de alimentación
Para alimentar el panel XGT 24 VDC
2 Interruptor de descarga O/S
Para descargar el Sistema Operativo. Debe estar en la posición “RUN” Por defecto en “RUN” 3 Potenciómetro para ajustar el brillo
Ajusta el brillo de la pantalla del panel XGT
4 Conector RS-422/485
Conecta con otros dispositivos vía RS-422/485
5 Conector RS-232C
Conecta con otros dispositivos vía RS-232C 5 VDC
Otras características del panel XGT
A continuación se muestran las características principales del panel (LG, 2010):
Diseño que incrementa la flexibilidad en las aplicaciones a partir de una ancha pantalla gráfica LCD de 192x64 puntos.
Soporta dos canales de comunicación independientes. Contiene 512 Kb de Memoria Flash.
Provee dos tipos de alimentación eléctrica:
24 VDC a través del terminal dedicado.
5 VDC a través de la comunicación RS-232C con el autómata.
Soporta una velocidad de conexión elevada (máximo de 115,200 bps, comunicación HEX).
Provee teclas de función definidas por el usuario.
2.3.1 Conexión entre el panel XGT y la PC
La conexión entre el panel y la PC se realiza a través de puerto serie RS-232C con el objetivo de programar el terminal para el control y monitoreo del proceso. Se utiliza un cable con los conectores configurados como se muestra en la Figura 2.7.
Figura 2.7. Diagrama de pines del conector DB-9 para la conexión panel-PC.
2.3.2 Conexión entre el panel XGT y el autómata.
La conexión entre estos dispositivos se realiza utilizando el par de cables trenzados bajo el estándar de comunicación RS-485, cuya configuración de los conectores se muestra en la Figura 2.8.
2.4 Software de programación KGL_WIN
KGL for Windows v3.66 es una herramienta de programación y depuración para las serie
Master-K de la firma LS. Según (LG, 2008a) entre sus características principales se encuentran:
1) Configuración del sistema del autómata en estructura de proyecto. Esta aplicación maneja el programa (Program) definido por el usuario como un Proyecto (Project) incluyendo el acápite de parámetros (Parameter) y de variables/comentarios (Variable/Comment). Además el usuario puede guardar un Program (*.PRG),
Parameter (*.PMT), Variable (*.VAR) o Comment (*.CNT) respectivamente y cada
archivo almacenado puede ser usado por otros archivos de Proyecto.
2) Compatibilidad del Program entre los diferentes autómatas de la serie Master-K. El usuario puede usar el Program (*.PGM) creado en cualquier dispositivo de la serie. Además, el Program, Parameter o Variable/Comment craedo en KGL-DOS or
GSIKGL también pueden ser usados en KGL for Windows.
3) Interface de Usuario amigable. Interface fácil y útil para crear, editar y monitorear. 4) Edición durante el funcionamiento. Una edición en tiempo real está disponible en el
modo Online. El Program editado en el modo Online puede ser descargado automáticamente sin tener que parar el hardware del autómata.
5) Monitoreo de la información del autómata. El usuario puede fácilmente monitorear el estado del autómata, ya sea si existe error, la información de red o el estado del sistema.
El procedimiento básico a seguir para el uso del software KGL_WE es el siguiente: Elaboración de la secuencia de operación de sistema a automatizar.
Creación de un nuevo proyecto. Configuración del hardware. Desarrollo del programa.
2.4.1 Configuración de hardware
La configuración del hardware se refiere al establecimiento de los parámetros de comunicación entre el autómata y otros dispositivos, como la PC, a la hora de cargarle el programa, donde resulta importante la configuración de diversos parámetros del puerto serie
RS-232C, en el software, como se muestra en la Figura 2.9, y en la configuración del puerto en la PC, como se muestra en la Figura 2.10, y el caso del panel XGT, a través del puerto RS-485, como se muestra en la Figura 2.11.
Figura 2.9. Configuración de los parámetros de comunicación RS-232C en el KGL_WIN.
Figura 2.11.Configuración de los parámetros de comunicación RS-485 en el KGL_WIN.
2.5 Software Panel Editor
Con Panel Editor v1.21 es posible diseñar y programar una o varias pantallas desde la(s) que se puede interactuar directamente con el autómata. Según (LG, 2010) entre sus principales características se encuentran:
1) Posibilidad de editar varias pantallas al mismo tiempo.
2) Presenta varias etiquetas y herramientas de edición, y estas pueden ser separadas y puestas juntas en nuevos arreglos.
3) Uso de contraseñas: Cuando es seleccionada, el panel XGT no muestra la pantalla correspondiente hasta que se introduzca la contraseña correcta.
4) Posibilidad de agregar imágenes a la librería de un tamaño máximo de 192x64 puntos. 5) Posibilidad de graficar datos.
6) Interface amigable para el usuario.
7) Brinda un excelente tutorial en dependencia del tipo de conexión que se va a establecer entre el panel y otros dispositivos como un autómata o la PC.
2.5.1 Inicialización del proyecto
A la hora de iniciar el proyecto y escoger la ubicación para salvarlo, es importante el aspecto de selección de los parámetros de comunicación entre el panel XGT y la PC, así como con diferentes tipos de autómatas de la firma LG, como se muestra en las Figuras 2.11 y 2.12.
Figura 2.11. Selección del autómata y configuración de los parámetros de comunicación con la PC en el Panel Editor.
Figura 2.12. Configuración de la comunicación RS-485 entre el panel XGT y el autómata en el Panel Editor.
Consideraciones finales del capítulo
El capítulo se dedica al estudio de los elementos de hardware y software necesarios para la implementación del SIT automatizado, la comunicación que se implementa entre los diferentes dispositivos, las características del autómata MasterK-120S y el panel XGT para la interface de usuario, así como sus respectivos software de programación. De acuerdo a las condiciones con que cuenta la ETICA-VC se dispone de:
HARDWARE: Autómata Programable MasterK-120S K7M-DR30U, Panel XGT. SOFTWARE: KGL_WIN v3.66, Panel Editor v1.21.
CAPÍTULO 3. PROPUESTA
DE
SOLUCIÓN
PARA
LA
AUTOMATIZACION DEL SETIS
TMEn el presente capítulo se hace una descripción detallada del funcionamiento del programa y la arquitectura de hardware concebidos, así como, de cada de una de las pantallas de la interface para el operador.
Por último, se concluye con el correspondiente análisis económico y medioambiental.
3.1 Programa del autómata y modos de operación
El autómata es el encargado de recibir la señal proveniente del panel XGT, operado por el usuario, y ejecutar el programa que tiene cargado, el cual se encuentra desarrollado en lenguaje de contactos (ver Anexo I).
Se programa el autómata en modo manual o automático en dependencia del valor del registro K0000, K0001 o K0002 correspondiente a cada uno de los estantes donde se encuentran los biorreactores. En el caso del modo manual el usuario da inicio al proceso desde el panel XGT, luego de fijar los tiempos Tiny, Tp y Tar; en el programa se ejecutan una secuencia de temporizadores mediante el registro T, los cuales , desactivan o activan, las salidas digitales de 24 volts DC correspondientes a cada una de las válvulas. Los tiempos introducidos en minutos en el panel son almacenados en registros K, luego de ser multiplicados por 600, ya que los temporizadores utilizados requiere dicha conversión.
En el caso del modo automático la programación es la misma, la novedad se encuentra en la comparación que se realiza, a través de los bloques de comparación CMP, entre la hora del sistema, tomada del panel XGT, y la hora de repetición, almacenada en un registro K, con vistas a dar inicio a un nuevo ciclo cada una determinada cantidad de horas, fijadas por el operador en el panel. Además, se activan o desactivan las salidas correspondientes a cada electroválvula en
dependencia de la modificación de los registros M de memoria interna, que se puede realizar a través del panel XGT de forma manual.
Cabe destacar, que se almacenan los valores de las variables en registros internos en el área K de la memoria del autómata, para aprovechar la posibilidad del dispositivo de conservarlos en caso de que exista una falla en la alimentación eléctrica. El tratamiento de errores con respecto a la introducción de valores incorrectos se realiza con el bloque CMP y la encuesta al registro F0122, que se activa o desactiva, si los valores comparados son iguales o no; este mismo procedimiento es efectuado a la hora de repetir el ciclo de cultivo.
Modos de operación
Run: En este modo el autómata funciona como está establecido, atendiendo a la programación efectuada.
Pause: En este modo se pausan las acciones sobre las válvulas, o sea, se apagan, y se pausan los temporizadores correspondientes a la etapa que esté transcurriendo. Stop: En este modo también se apagan las válvulas pero la diferencia está en que se
reinicia el proceso, o sea, se aconseja entrar a este modo si se desea iniciar un nuevo ciclo, pero antes de hacer esto, es necesario pasar el estante deseado a modo manual, para borrar la hora de repetición del ciclo anteriormente programado. Además, es recomendable encender el autómata en el mismo, para asegurarse de que todos los parámetros (Modo de Operación, Tiempos, Hora de Repetición) están en orden, ya que se quedan guardados en memoria los fijados en el último ciclo efectuado.
El funcionamiento general del programa se encuentra simplificado a través de un diagrama secuencial (ver Anexo II), el cual ayuda a entenderlo mejor. En la Figura 3.1 se muestra un ejemplo, donde se observa la secuencia de activación y desactivación de las válvulas según la secuencia de etapas (ver Tabla 2.1), para un tiempo dado.
Tabla 3.1. Secuencia de funcionamiento de las válvulas según las etapas.
Válvulas Descripción Duración
S1 S2 S3 S4
on off on off Suministro de nutrientes. Fig. 3.1 (a) 3 min off off off off Reposo (Retorno por gravedad). 2 min off on off on Inyección de aire. Fig. 3.1 (b) 2 min
Figura 3.1. Ilustración del proceso de inmersión y de aireación.
3.2 Programa del panel XGT
El panel XGT es programado para garantizar al operador un ambiente amigable y fácil de comprender a la hora de controlar el proceso de micropropagación. El diseño se compone por siete pantallas distribuidas de la siguiente manera: Principal, Control, Parámetros E-1, Parámetros E-2, Parámetros E-3, Supervisión y Control de Válvulas. A continuación se hace una descripción detallada de la operación en cada una de estas:
Pantalla Principal
En esta el usuario puede visualizar la fecha y hora del sistema así como el nombre del programa y se puede hacer uso de las siguientes teclas, representadas en la Figura 3.1:
1. Accede a la lista de pantallas (Válido desde cualquier pantalla). 2. Desplazamiento hacia arriba dentro de la lista de pantallas. 3. Desplazamiento hacia arriba dentro de la lista de pantallas. 4. Desplazamiento a la izquierda (Válido desde cualquier pantalla).
5. Desplazamiento a la derecha (Válido desde cualquier pantalla).
6. Seleccionar una pantalla una vez que el usuario se encuentra en la lista.
Figura 4.1. Representación de la pantalla Principal. Pantalla Control
En esta el usuario tiene la posibilidad de alternar entre un control manual o automático mediante las siguientes teclas, representadas en la Figura 3.2:
1. Desplazarse entre cada uno de los estantes.
2. Alternar entre modo Manual (círculo vacío) o Automático (círculo relleno).
Figura 3.2. Representación de la pantalla Control. Pantallas Parámetros
El modo de operación en cada una de estas es idéntico por lo que se explica de forma general. En estas pantallas el usuario tiene la posibilidad de establecer los tiempos de las diferentes etapas del proceso así como el período de cada ciclo en caso de que se trabaje en el modo automático. Es importante mencionar que si todos los parámetros fijados no son correctos (Todos los tiempos deben ser distintos de cero), se le advierte al usuario que los introduzca, para esto debe salir de la pantalla y volver a ingresar. En las mismas se puede utilizar las siguientes teclas, representadas en la Figura 3.3:
1. Desplazarse entre cada uno de los parámetros. 2. Fijar cada uno de los tiempos.
3. Iniciar la etapa de inmersión y por consiguiente el proceso.
Figura 3.3. Representación de la pantalla Parámetros del Estante 1. Pantalla Supervisión
En esta el usuario puede: observar la hora del sistema, conocer la hora a la que se repetirá el ciclo de cultivo y observar el tiempo transcurrido en cada una de las etapas. Las teclas que se pueden usar en esta pantalla (ver Figura 3.4) son las de uso general, antes mencionadas en la pantalla Principal.
Figura 3.4. Representación de la pantalla Supervisión. Pantalla Control de Válvulas
Esta pantalla es importante para garantizar la flexibilidad en el diagnóstico de posibles averías y operación de los elementos de accionamiento del sistema, ya que permite abrir o cerrar manualmente cada válvula, posibilitando efectuar pruebas de mantenimiento, reparaciones en tiempo real, manejo independiente de cada estante, etc. Cabe señalar que mientras que el proceso esté en marcha se deben tomar precauciones antes de accionar una válvula porque se puede entrar en un conflicto con otra válvula accionada por el programa
en el autómata. Las teclas que se pueden utilizar en esta, representadas en la Figura 3.5, se explican a continuación:
1. Desplazarse por cada de una de las válvulas (de inmersión o aireación) en cada estante.
2. Encender o apagar las válvulas seleccionadas.
Figura 3.5. Representación de la pantalla Control de Válvulas.
3.3 Arquitectura de hardware y conexiones del autómata programable
En el sistema implementado no se utilizan las entradas del autómata debido a que solo se procesan los tiempos de las diferentes etapas, mediante el reloj de tiempo real del panel de interface de usuario y la CPU del autómata. Las salidas digitales (ver Tabla 3.1) se programan para activar los elementos de acción final del proceso (electroválvulas solenoides) por vía de relés de 24 VDC.
Tabla 3.1. Relación de las salidas digitales del autómata.
No. Salida Comentario Acción Relés
1 P0041 Nutrientes Estante 1 Activa: Válvulas. 1 y 3 (E1) Relé R1 2 P0042 Nutrientes Estante 2 Activa: Válvulas. 1 y 3 (E2) Relé R3 3 P0045 Nutrientes Estante 3 Activa: Válvulas. 1 y 3 (E3) Relé R5 4 P0040 Inyección de Aire E1 Activa: Válvulas. 2 y 4 (E1) Relé R2 5 P0043 Inyección de Aire E2 Activa: Válvulas. 2 y 4 (E2) Relé R4 6 P0044 Inyección de Aire E3 Activa: Válvulas. 2 y 4 (E3) Relé R6
En la Figura 3.6 se observa el esquema de conexión general de las salidas digitales del autómata con los elementos de campo antes mencionados. En el Anexo III se pueden observar esquemas más detallados, con respecto a los estantes 1 y 2, donde se utilizan electroválvulas solenoides de 24 VDC, y el estante 3, donde se utilizan electroválvulas de 220 VAC.
Figura 3.6. Esquema de conexiones de las salidas digitales del autómata.
Luego de realizar varias pruebas de simulación, se comprueba el correcto funcionamiento del sistema, y la adecuada activación de los canales de salida del autómata según los tiempos programados, empleando las interfaces diseñadas en el panel XGT. Durante las pruebas el programa diseñado no presentó problemas en su ejecución, incluso ante pruebas de fallos en la alimentación eléctrica.
Como resultado se procedió a implementar el sistema automatizado en la Biofábrica de la ETICA. En la Figura 3.7 se observa una imagen del hardware debidamente instalado.
Figura 3.7. Imagen del sistema con el hardware de control y acción de campo debidamente instalados.
3.4 Valoración económica y medioambiental
La automatización de cualquier proceso de producción tiene altos costos iniciales, pero su implementación conlleva a incrementos sustanciales productivos a mediano plazo, lo cual amortiza los precios de la inversión. En este caso, tiene un fuerte impacto en la disminución de las pérdidas por contaminación, la mano de obra, el gasto de medio de cultivo y además incrementar los coeficientes de multiplicación de 1 en 4 hasta 1 en 50 como promedio, con el consiguiente incremento de la capacidad productiva y la disminución de los costos de producción.
Con el listado de los diferentes equipamientos y recursos empleados en la automatización del sistema y sus precios, se reafirma la factibilidad del uso del SIT en el proceso de micropropagación in vitro, al tener una noción de lo que implica la inversión realizada con respecto al volumen producción, como se muestra en la Tabla 3.2:
