Automatización de un invernadero e implementación de un sistema automático de riego

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA

CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

“AUTOMATIZACIÓN DE UN INVERNADERO, E

IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA AUTOMÁTICO DE

RIEGO”

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERÍO EN MECATRÓNICA

DARÍO EFRAÍN COBA ORTUÑO

DIRECTOR: ING. ROGER PEÑAHERRERA

© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2014

DECLARACION

Yo, Darío Efraín Coba Ortuño, declaro que el trabajo aquí escrito es de mi

autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.

La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.

_____________________

Darío Efraín Coba Ortuño

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo que lleva por título “AUTOMATIZACIÓN DE UN INVERNADERO, E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA AUTOMÁTICO DE RIEGO”, que, para aspirar al título de Ingeniero Mecatrónico fue desarrollado por Darío Efraín Coba Ortuño, bajo mi

dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.

_____________________________

ING. ROGER PEÑAHERRERA

DIRECTOR DEL TRABAJO

DEDICATORIA

A mis queridos Padres: Hugo y Germania, que me apoyaron incondicionalmente en todo momento y de todas las formas, con todo su amor, confianza y apoyo incondicional, que han sido inspiración para lograr mis metas planteadas, a mi Hermano Gabriel, por solidaridad y apoyo conmigo, el cual a su manera supo brindar su empujón para seguir adelante.

AGRADECIMIENTO

Mis más sinceros agradecimientos a la Universidad Tecnológica Equinoccial, a la Facultad de Ingeniería, y la Escuela de Ingeniería Mecatrónica por todos los conocimientos brindados durante mi formación académica.

Agradezco a mis padres: Hugo Coba y Germania Ortuño que gracias a su amor, apoyo y ayuda incondicional, soy quien soy, y hoy puedo alcanzar mí ambicionada profesión.

A mi familia la cual siempre está presente en cada situación y pendientes para brindarme su apoyo.

A mi abuelito Alberto el cual siempre me acompaña desde el cielo siendo un ángel en vida, el cual me enseño que todo es posible cuando uno quiere y no hay obstáculo que lo impida.

A mis amigos y compañeros con los cuales compartí muchos momentos inolvidables los cuales nos enseñan a trabajar en equipo.

Al cuerpo de docentes de la facultad los cuales compartieron sus conocimientos, vivencias y amistad, los cuales de una u otra manera nos ayudan en el transcurso diario de actividades, un agradecimiento especial al Ing. Roger Peñaherrera, Ing. Luis Hidalgo, Ing. Vladimir Bonilla, Ing. Marcelo Arévalo, Ing. Raúl Loor, Ing. Daniel Mideros, Ing. Fausto Freire, y a todo el cuerpo docente de la universidad por compartir sus conocimientos y experiencias.

i

INDICE GENERAL

PÁGINA

RESUMEN viii

ABSTRACT ix

1. INTRODUCCIÓN 1

1.2 OBJETIVOS 3

1.2.1 Objetivo general 3

1.2.2 Objetivo Específico 3

2. MARCO TEÓRICO 5

2.1.1 Características generales de un invernadero 5

2.1.2 Características generales del SIMATIC S7-300 8

2.1.3 características generales del touch panel TP177B 10

2.1.4 Características generales de los sensores 11

2.1.4.1 Sensor de temperatura LM35 11

2.1.4.2 Sensor de humedad HIH4030 13

2.1.5 Amplificador Operacional 14

2.1.6 Ventiladores industriales Axiales 15

2.1.7 Electroválvulas 16

2.1.8 Contactor/Relétérmico 17

2.1.9 TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) 18

3. METODOLOGÍA 21

3.1 Metodología Mecatrónica 21

ii

PÁGINA

3.2.1 Diseño 24

3.2.2 Implementación 24

3.2.3 Pruebas del prototipo 24

3.3 Análisis de variables a controlar en el proyecto 25

3.3.1Acondicionamiento de la adquisición de datos 25

3.3.2 Desarrollo del software de control 36

3.3.2.1 Software de control del PLC S7-300, 37

4. ANÁLISIS DE RESULTADOS 66

4.1 Manual de Operación 67

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 72

5.1 Conclusiones 72

5.2 Recomendaciones 74

GLOSARIO 76

BIBLIOGRAFIA 78

iii

ÍNDICE DE TABLAS

PÁGINA

Tabla 1. Valores de temperatura y humedad adecuados para la 6

germinación de la semilla de palmito.

iv

ÍNDICE DE FIGURAS

PÁGINA Figura 1. Diagrama espina de pescado, falta de implementación 2

tecnológica en el país

Figura 2. Foto de invernadero enciclopedia Salvat 5

Figura 3. PLC S7-300 9

Figura 4. Pantalla Touch TP177B 10

Figura 5. Sensor de temperatura LM35 12

Figura 6. Sensor de humedad HIH4030 13

Figura 7. Amplificador operacional LM 358 14 Figura 8. Ventiladores Axiales y sus características 16

Figura 9. Electroválvula 16

Figura 10. Contactor 17

Figura 11. Software TIA Portal V12 18

v

PÁGINA Figura 24. Diseño de la placa de acondicionamiento en Ares (Proteus) 33 Figura 25. Fotografía armando sensores y extensores de señal 34 Figura 26. Fotografía ensamblando placa de acondicionamiento 34 Figura 27. Fotografía placa de acondicionamiento terminada 35 Figura 28. Fotografía sensores acoplados a la placa. 35 Figura 29. Fotografía prueba de funcionamiento de acondicionamiento 36 Figura 30. Fotografía caja de control central del proyecto 39 Figura 31. Fotografía caja de control central del proyecto 39 Figura 32.1 Diagrama del proceso de temperatura y humedad del 40

invernadero.

Figura 32.2 Continuación diagrama del proceso de temperatura y 41

humedad del invernadero.

Figura 32.3 Continuación diagrama del proceso de temperatura y 42

humedad del invernadero.

vi

PÁGINA Figura 44. Simulación del programa en PLCSIM V12 59 Figura 45. Simulación modo automático-manual en PLCSIM V12 60 Figura 46. Simulación modo manual individual en PLCSIM V12 60 Figura 47. Armando PLC en la caja de control principal 62 Figura 48. Realizando conexiones de alimentación y señal 62

Figura 49. Conexión del cable MPI-PLC 63

Figura 50. Verificando conexión PC-PLC 63

Figura 51. Compilando programa para cargarlo 64 Figura 52. Programa cargado correctamente 64

Figura 53. Conexión PC-Pantalla TP177B 65

Figura 54. Entorno de la pantalla 65

Figura 55. Fuente Sitop PS307 formato S7-300 68 Figura 56. Ingreso de valores set point e histéresis 69 Figura 57. Entorno de la pantalla con datos 69 Figura 58. Pruebas de funcionamiento con focos en remplazo de 70

electroválvulas.

vii

ÍNDICE DE ANEXOS

PAGINA

ANEXO #1 82

Resumen del proyecto en TIA Portal

ANEXO #2 105

Datasheet sensor temperatura LM35

ANEXO #3 114

viii

RESUMEN

En nuestro país la falta de implementación tecnológica en el sector agrícola se debe a varios factores, como los principales tenemos el alto costo en la investigación e inversión inicial, así como el poco interés que se tiene por la generación de microclimas en un sistema controlado, esto último debido a las grandes ventajas climáticas que posee nuestro país, esto ha tomado un giro radical en los últimos años esto debido a los grandes cambios climáticos los cuales están afectando a nivel mundial y nuestro país no es la excepción.

En esta tesis se plantea una solución tecnológica para monitorear y controlar las principales variables en un invernadero siendo estas temperatura y humedad, las mismas que se las controla mediante la ventilación y el riego.

Una vez realizadas las investigaciones con los expertos agrícolas, y teniendo ya los parámetros de temperatura y humedad en los cuales la germinación de la semilla del palmito en un invernadero el cual se ubica en el cantón Pedro Vicente Maldonado Km12.5 en la vía Calacalí-La Independencia al noroccidente de Pichincha, procedemos a diseñar nuestro sistema de control y la implementación de nuestro sistema automático para el control del microclima dentro del invernadero, para mantener el microclima se ha considerado las siguientes etapas: evacuación del exceso de calor e incremento de humedad gracias al riego por aspersión.

ix

ABSTRACT

In our country, the lack of technology implementation in the agricultural sector due to several factors such as the high cost have major research and initial investment, and the scant interest is the generation of microclimates in a controlled system, the latter because of the great weather our country has advantages, it has taken a radical turn in recent years because of this great climatic changes which are affecting the world and our country is no exception.

This thesis proposes a technological solution for monitoring and controlling the major variables in a greenhouse being these temperature and humidity, the same as those controlled by ventilation and irrigation.

After making inquiries with agricultural experts, and taking as parameters of temperature and humidity in which the seed germination of palm in a greenhouse which is located in the canton Pedro Vicente Maldonado Km12.5 in Calacalí- via Independence in northwestern Pichincha, proceed to our control system design and implementation of our automatic system to control the microclimate inside the greenhouse to maintain the microclimate has been considered the following steps: removal of excess heat and moisture increase through the sprinkler.

1 En nuestro país los avances tecnológicos, no progresan con la misma celeridad que los países desarrollados, la industria nacional no ha observado los grandes cambios y avances que se realizan en la tecnología y no se aplican en muchos campos, para lo consiguiente en esta tesis se plantea una solución tecnológica para la zona agrícola. Desde principios de los años 70 se comienza a investigar en la mejora y automatización de cultivos en invernaderos, en otros países que se ven severamente afectados por los factores climáticos como en los países Europeos principalmente.

Cabe recalcar que en nuestro país no se interviene, desarrolla ni aplica este tipo de tecnología pues poseemos factores climáticos privilegiados, sin embargo cabe recalcar que la tecnología de apoyo al ser humano siempre ha existido para ayuda a su producción y control.

Tradicionalmente la industria agrícola no ha implementado estos sistemas de automatización pero en países que ya han aplicado esta tecnología se demuestra que se recupera la inversión inicial gracias a su efectividad y compensación así como mejoras en la producción y en la calidad de su producto.

En nuestro país existen invernaderos para muchas clases de cultivos, siendo los más conocidos son los invernaderos ubicados en las florícolas.

Desde hace algunos años se ha comenzado a plantear la implementación de tecnología en varias áreas, gracias al apoyo por parte del gobierno tanto en el área de capacitaciones como en el área financiera otorgando créditos al pequeño y mediano productor debido a que nuestro país necesita impulsar el crecimiento tecnológico así como impulsar el emprendimiento.

2

Figura 1. Diagrama espina de pescado falta de implementación

tecnológica en el país

Debido al cambio climático que afecta a los cultivos a nivel mundial por este motivo la agricultura se ve afectada y como consecuencia de esto la migración campo ciudad se ve en aumento ya que los pequeños y medianos productores dejan sus cultivos debido a que no poseen los recursos necesarios para la implementación de invernaderos para poder tener las condiciones climáticas adecuadas, por falta de apoyo del gobierno así como de la empresa privada.

En nuestro medio se pueden encontrar invernaderos, pero la mayoría de estos son completamente de operación manual lo que genera una dependencia completamente de una o varias personas las cuales con las cuales se podría optimizar la producción.

FALTA DE IMPLEMENTACION

TECNOLOGICA AGRICOLA EN EL PAIS

INVESTIGACION

ELECTRICO-ELECTRONICO

AUTOMATIZACIÓN

3

1.2 OBJETIVOS

1.2.1 Objetivo General

Automatizar el sistema de control de temperatura y humedad de un invernadero.

1.2.2 Objetivos Específicos

 Investigar y levantar las variables a controlar en el invernadero.  Diseñar del sistema de control en base a los requerimientos del

proyecto.

 Implementar el sistema de control usando un PLC S7-300 y una HMI TP170B.

Gracias a esta investigación y luego del proceso de implementación podemos lograr lo siguiente:

Mejorar la efectividad y la producción en cuanto a calidad del producto.

Promover la investigación en el área de automatización agrícola, para así poder promover el avance científico-tecnológico en nuestro país.

Con este trabajo se realizara una amplia investigación en el campo de automatización y control, específicamente en el control de temperaturas y humedad para el área de agronomía.

5 En este capítulo encontraremos los elementos principales que ocupamos en el desarrollo de esta tesis, los elementos conforman el hardware, software, y elementos de control e interface, no existen antecedentes de investigación.

2.1 Características generales de un invernadero

Definición de Invernadero: “lugar cubierto y abrigado artificialmente para preservar las plantas de la acción del frío. Los invernaderos deben emplazarse en sitios soleados (orientados según la dirección del sol) y seco. Se construyen con armaduras de madera o hierro y cubierta de vidrio o plástico. En este último las paredes deben ser dobles, para evitar la irradiación del calor. En los climas mediterráneos es frecuente cubrir el techo con una tela de cuadricula ancha, para conseguir un semi sombreado y evitar la acción perjudicial de una insolación prolongada e intensa. Aparte estos tipos de invernaderos fijos, tienen aplicación en ciertos casos los llamados invernaderos de burbuja, que consisten en, simplemente, en una tela de plástico más o menos larga y ancha (puede cubrir una hectárea o más) que se fija al suelo por todo su contorno y que se mantiene levantada y tensa inyectando aire en el interior de la cámara así formada”. De acuerdo al Diccionario Enciclopédico Salvat.

Figura 2. Ilustración invernadero

6 Las principales funciones de un invernadero son mantener la temperatura y la humedad constantes, o dentro de los rangos apropiados según las necesidades del producto o cultivo, por este motivo se monitorea constantemente estas variables para mantener condiciones óptimas y un mayor rendimiento y una mejor calidad del producto.

En nuestro caso el invernadero maneja un semillero de palmito, en el cual se debe monitorear las variables ya descritas para poder mantener las condiciones ideales de germinación de la semilla de palmito, como lo indica la tabla 1.

Tabla 1. Valores de temperatura y humedad adecuados para la germinación

de la semilla de palmito.

Valor Mínimo Valor Ideal Valor Máximo

Temperatura 30ºC 35 °C 40ºC

Humedad 20% 25% 30%

Para poder entender los valores descritos anteriormente en la tabla 1, debemos tener claros las definiciones de temperatura y humedad para la aplicación en nuestro proyecto.

Definición de temperatura: la temperatura es una magnitud física, que refleja la cantidad de calor, ya sea de un cuerpo, de un objeto o del ambiente. Dicha magnitud está vinculada a la noción de frio (menor temperatura) y caliente (mayor temperatura).

7

Tabla 2. Temperaturas de fusión y ebullición del agua a 1 atm de presión

atmosférica

Escala Fusión Ebullición

Kelvin 273,15 K 371,15K

Celsius 0 ºC 100 ºC

Fahrenheit 32 ºF 212 ºF

Definición de humedad: con origen en el vocablo latino humidĭtas, permite resaltar la condición de húmedo (es decir, que forma parte de la naturaleza del agua o que demuestra estar impregnado de ella u otro líquido). La humedad, por lo tanto, puede hacer mención al agua que se ha pegado a un objeto o que esta vaporizada y combinada en el aire.

La humedad ambiental, según la misma expresión permite suponerlo, está asociada al nivel de vapor de agua que está presente en el aire.

Cabe resaltar que es posible expresar esta cantidad como humedad absoluta o humedad relativa. Este segundo caso indica que porcentaje de vapor de agua hay en el aire bajo condiciones actuales. Si se dice que la humedad ambiental relativa en el aire es del 90%, se está haciendo referencia a que, del total de vapor de agua que podría llegar a encontrarse a la temperatura actual es del 90%.

8 Según la conformación estructural, los invernaderos se pueden clasificar en: planos o tipo parral, tipo raspa y amagado, asimétricos, capilla(a dos aguas, a una agua), doble capilla, tipo túnel o semicilíndrico, de cristal o tipo venlo.”. De acuerdo a la publicación digital de Infoagro.

Para obtener un microclima adecuado dentro de un invernadero utilizamos todo lo que se encuentre a nuestro alcance, siendo los principales los controles de temperatura y humedad como ya lo hemos mencionado anteriormente. Como por ejemplo tomaremos una florícola, la cual se encuentra en un clima frio.

Para poder generar el microclima adecuado en el cultivo de rosas se debe tener en cuenta que por las tardes y las noches debemos proceder a calentar e iluminar el cultivo para poder mantener su crecimiento por tal motivo se opta por utilizar lámparas halógenas con las cuales se mantiene constante la luz así como se mantiene la temperatura debido al descenso de la misma en las noches, así mismo se mantiene la humedad en el cultivo mediante los sistemas de riego ya sea este por surcos, por aspersión o por un sistema de riego localizado, siendo este último el más utilizado en los invernaderos ya que gracias a este se mantiene el control total del mismo.

2.1.2.1 Características generales del SIMATIC S7-300

9

Figura 3. PLC Siemens S7-300

(SIEMENS, 2013)

Este equipo viene con CPU’s Safety con nivel de seguridad Sil 3 de acuerdo a IEC61508 o Categoría 4 de acuerdo a EN 954-1 para aplicaciones con requerimientos de seguridad de personas, entorno o maquinaria, posee diagnostico integrado de todos los componentes, gracias a esto los mensajes de diagnóstico de hardware se muestran en las HMI sin ningún tipo de programación adicional permitiendo ubicar fácilmente los puntos de falla.

Nos presta una gran versatilidad en configuraciones como RTU para sistemas SCADA de altas prestaciones SINAUT, funciones de tele servicio, etc.

La configuración típica consta de: Fuente, riel de montaje, CPU, Micro Memory card, y módulos de I/O (entrada/ salida), o módulos especializados en configuraciones centralizadas o distribuidas, además de la herramienta de programación.

10 punto de hasta 15km, aplicaciones de seguridad certificadas TUV Sil 3 con mayor base instalada y mayor cantidad de equipos desarrollados en el mundo.

Viene con Profinet el estándar de Industrial Ethernet como funciones adicionales optimizadas para los requerimientos en automatización, como tiempo real asocrono con determinismo de tiempos menores de 1 ms sin importar la ocupación de la red por paquetes estándar.

El software de programación para los controladores Simatic S7-300 es el software Simatic STEP7. Para aplicaciones S7-300 Stand-alone está disponible para descarga gratuita el software Simatic STEP7 Lite.

2.1.3 Características generales del touch panel TP177B (Interface HMI)

Figura 4. Pantalla touch TP177B

(SIEMENS, 2013)

11 o textos para realizar tareas de manejo y visualización simples o medianas en máquinas o instalaciones.

El montaje vertical de la TP 177ª y el búfer de aviso no volátil del TP177B, ofrecen campos de aplicación adicionales. Además, dependiendo de la versión el TP 177B y el OP 177B disponen de puertos de conexión a redes PROFIBUS Y PROFINET.

Los nuevos paneles son de gran versatilidad para almacenar los datos ya que no solo es apto para MMC, sino también para las tarjetas SD y los sticks de memoria USB.

El OP 177B se caracteriza por una propiedad adicional ya que este panel no solo puede manejar con el teclado de membrana, sino también con la pantalla táctil estándar. Es posible que las teclas de función conmuten a teclas del sistema específicas.

Estos paneles de operador se caracterizan por su breve tiempo de puesta en marcha, el gran tamaño de su memoria de trabajo y su elevado rendimiento, habiéndose optimizado para proyectos basados en WinCC flexible.

2.1.4 Características generales de los Sensores

2.1.4.1 Sensor de temperatura LM35

12

Figura 5. Sensor de temperatura LM35

Este sensor posee una gran ventaja sobre el resto de sensores lineales calibrados en grados Kelvin, ya que el usuario no necesita una gran salida constante de voltaje para obtener una adecuada escala de temperatura en grados centígrados.

Este sensor no necesita de una calibración externa pues posee una calibración interna de ±1/4ºC a temperatura ambiente o ± ¾ºC sobre un rango de temperatura desde -55ºC hasta 150ºC.

Características básicas:

Calibrado directamente en grados centígrados.

La escala de factor es lineal +10.0 mV por ºC.

Garantizados 0.5ºC de precisión a 25ºC

Funcionamiento en temperaturas de -55ºC hasta 150ºC.

Adecuado para aplicaciones remotas.

Opera con un voltaje entre 4 y 30 voltios.

Menos de 60µA de caída de tensión.

Baja de auto-calentamiento con el aire en calma.

13

2.1.4.2 Sensor de humedad HIH 4030

Figura 6. Sensor de humedad HIH4030

El sensor de humedad de Honeywell HIH-4030, nos provee una lectura de humedad relativa (%RH) y este entrega un voltaje de salida en modo analógico. Este se puede conectar directamente a un microcontrolador y gracias a la salida de tensión lineal cerca del sensor estos datos se los puede procesar fácilmente.

El rango de alimentación de este sensor normalmente se encuentra entre los 4.5-8VDC, trabajando de forma óptima en los 5VDC y con un consumo de alrededor de 200μA.

El sensor viene ya con una tarjeta de arranque, los pines del conector se encuentran separados por 0,1”.a continuación se detallan las principales características:

Cerca lineal, salida analógica

Tensión eléctrica 4-5.8VDC

Todos los pines estallado a una de paso de 0,1 “

Laser recorta intercambiabilidad

Diseño de baja potencia, el consumo de corriente típico de sólo 200μA

14

Rápido tiempo de respuesta

El rendimiento baja deriva Estable

2.1.5 Amplificador operacional LM358

El amplificador operacional (A.O), se trata de un componente electrónico el cual se presenta generalmente como un circuito integrado el cual posee dos entradas y una salida. Cuyo valor de salida difiere mucho del valor de sus entradas. En el amplificador operacional el valor de su tensión de salida es la diferencia de sus dos entradas multiplicadas por un factor G (ganancia),

Figura 7. Amplificador operacional LM 358

(Texas Instruments, 2014)

“Originalmente los amplificadores operacionales se implementaban para operaciones matemáticas (suma, resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc.) en calculadoras analógicas. De ahí su nombre.

15 de entrada es infinita también se dice que las corrientes de entrada son cero.”

2.1.6 Ventiladores industriales axiales

En los ventiladores axiales el aire fluye a través del ventilador en dirección axial. Estos ventiladores transportan grandes cantidades de aire (caudales) con pequeños aumentos de presión.

Estos ventiladores son adecuados para la extracción de aire en general, gases y vapores, o para la inyección de aire en recintos tales como salas de cine, tiendas, almacenes, establos, gallineros, invernaderos, etc.

También se emplean para disipar el calor producidos por equipos que requieran constante refrigeración, como motores y transformadores de potencia.

Para su montaje debe mantenerse en cuenta si se requiere realizar la extracción o inyección de aire ya que debe circular en dirección de las aspas hacia el motor, para lo cual el sentido de giro del motor debe ser hacia la derecha. Un cambio en el sentido de rotación reduce en un 35% el caudal nominal de aire. (Siemens Industry Ecuador, 2013)

Con motores monofásicos se los puede encontrar con diámetros desde los 250mm hasta los 500mm, con caudales desde 0.38 hasta 2.93 m3/s, con voltaje de operación de 110VAC a 60 Hz y a una velocidad de 1800rpm.

16

Figura 8. Especificaciones de los ventiladores axiales.

(SIEMENS, 2013)

2.1.7 Electroválvulas

Figura 9. Electroválvula

17 Existen varios tipos de electroválvulas. En algunas el solenoide actúa directamente sobre la válvula proporcionando toda la energía necesaria para su movimiento. Es corriente que la válvula se mantenga cerrada por la acción de un muelle y que el solenoide la abra venciendo la fuerza de un muelle. Esto quiere decir que el selenoide debe estar activado y consumiendo energía mientras deba estar abierta. (Carvallo Juan Pablo, st al., 2003).

Las electroválvulas pueden ser de dos tipos: normalmente abiertas (NA) y normalmente cerradas (NC), las electroválvulas NA son aquellas que siempre se encuentran abiertas al flujo, es decir cuando no poseen alimentación eléctrica permanecen abiertas y al momento de energizarlas estas se cierran, de la misma forma las NC son aquellas válvulas que cuando no poseen alimentación eléctrica se encuentran cerradas, al momento de energizarlas estas se abren permitiendo el flujo.

2.1.8 Contactor/ Relétérmico

Figura 10. Contactor siemens

18 Es un mecanismo cuya misión es la de cerrar unos contactos, para permitir el paso de la corriente a través de ellos. Esto ocurre cuando la bobina del Contactor recibe corriente eléctrica, comportándose como un electroimán y atrayendo dichos contactos.

El relétérmico es un mecanismo o elemento de protección que se ubica en el circuito de potencia, en nuestro caso para la seguridad de nuestro sistema electrico. Su principal misión consiste en desconectar el circuito cuando la intensidad consumida por los ventiladores, sobrepase la intensidad permitida, evitando así que los ventiladores se quemen. Esto sucede gracias a que consta de tres laminas bimetálicas con sus bobinas calefactoras correspondientes, las cuales al ser recorridas por una intensidad determinada, provocan el calentamiento del bimetal y la apertura del relé.

2.1.9 Totally Integrated Automation Portal

Figura 11.Software TIA Portal V12

19

TIA Portal es la clave para liberar todo el potencial de Totally Integrated Automation. El software optimiza todos sus procedimientos de procesamiento, operación de máquinas y planificación. Con su intuitiva interfaz de usuario, la sencillez de sus funciones y la completa transparencia de datos es increíblemente fácil de utilizar. Los datos y proyectos preexistentes pueden integrarse sin ningún esfuerzo, lo cual asegura su inversión a largo plazo.

El TIA Portal nos sirve para gestionar todos los dispositivos de automatización sean controladores, HMIs y accionamientos de manera rápida, eficiente y amigable, por lo tanto los usuarios nuevos como los expertos trabaja de forma intuitiva y efectiva.

Gracias al desarrollo del TIA Portal podemos dentro del mismo software realizar simulaciones, diagnostico en línea, configurar los componentes de red, una innovación del software es que posee editores eficientes de programación simbólica completa, detección de hardware, carga de software, ampliación de bloques durante el funcionamiento.

En nuestro caso hemos utilizado TIA Portal V12 SP1 UPD4 para la elaboración de nuestro programa de control.

20

Figura 12. TIA Portal ejemplo de sus herramientas y alcances

21 Este capítulo hace referencia a la metodología la cual hemos aplicado para el desarrollo de esta tesis, además encontraremos todo lo referente al diseño, tanto del programa de control como de la interface HMI para el usuario.

3.1. Metodología Mecatrónica

“Un ingeniero japonés invento el término mecatrónica en 1969, que surge de la combinación de “meca”, mecanismo y de “trónica”, de electrónica. Hoy día, la palabra tiene un significado más amplio, que se utiliza para describir una filosofía en la tecnología de ingeniería en la que se da un desarrollo coordinado y simultáneo, la integración de la ingeniería mecánica con la electrónica y el control inteligente por computadora en el diseño y manufactura de productos y procesos. Como resultado, los productos mecatrónicos tienen varias funciones mecánicas que se sustituyen con las electrónicas. Esto da como resultado una mayor flexibilidad, rediseño y reprogramación sencillos, y la capacidad de recopilar datos automatizados e informar.” (w. Bolton, 2010)

Un sistema mecatrónico no es solo la unión de los sistemas electrónico y mecánico y es más que solo un sistema de control; es una integración completa de todos ellos en la cual existe un enfoque concurrente al diseño. En el diseño de autos, robots, maquinas-herramientas, lavadoras, cámaras y muchas otras máquinas, se adopta cada vez más dicho enfoque integrado e interdisciplinario para el diseño de la ingeniería.

22

Figura 13. Los elementos básicos del sistema mecatrónico

(W. Bolton, 2008)

Dentro de un desarrollo mecatrónico incorporamos varios aspectos como ya lo hemos visualizado en la figura 13, así mismo podemos en la figura 14 a continuación visualizar nuestro sistema mecatrónico con sus actuadores, sensores, etc.

Variables a controlar

Figura 14. Diagrama sistema mecatrónico del proyecto

Actuadores Digitales Actuadores Análogos Sistemas Mecánicos Sensores Digitales Sensores Análogos Sistema microprocesador para el control

Interface HMI

Pantalla TP 177B

Sistema de control

PLC S7-300 Actuadores Salidas digitales Sist. Mecánicos Ventiladores, Electroválvulas INVERNADERO

Valores de referencia

23 Un sistema de interface HMI sirve para facilitar la interacción de la tecnología aplicada en diversas situaciones.

El sistema HMI en nuestro caso posee: un sistema de análisis, diseño, desarrollo y aplicación de dispositivos inteligentes. En este proyecto se realizara la investigación de las variables, para proseguir con el diseño del sistema de control y adquisición de datos, continuaremos con el desarrollo del sistema de control e interface HMI para facilitar la integración hombre maquina junto con las variables a controlar.

3.2 Requerimientos del proyecto

Esta etapa está orientada al análisis del proyecto para determinar sus necesidades, estas necesidades pueden ser establecidas por el cliente o por un análisis y estudio del proceso. Ya teniendo identificadas las necesidades del proyecto se procede a dar una posible solución o posibles soluciones, esta es una etapa fundamental ya que se especificara las características para poder realizar el diseño, esto nos ayudara para poder realizar un detalle adecuado de los requerimientos del proyecto, para no perder tiempo ni recursos al momento del diseño.

Por ello es que debido al análisis de las necesidades del proyecto, problema y posibles soluciones al mismo se plantea que el mismo cumpla con las siguientes características:

 Realizar un monitoreo de temperatura y humedad de forma permanente.

 Eliminación de personal para el monitoreo.

 Mantener la temperatura y humedad en las condiciones requeridas.

 Realizar los procesos de ventilación y riego de manera automática.

24

3.2.1 Diseño

En esta etapa nos concentraremos en las soluciones planteadas para cumplir con las especificaciones del proyecto, en las cuales se detallara las acciones a tomar para satisfacer los requerimientos, así mismo se detallara los elementos a utilizarse tales como: elementos de control, accionadores, receptores, etc. Es decir todo lo involucrado en la solución del mismo.

Una solución que satisface los requerimientos del sistema, es la automatización de las tareas realizadas por el humano, es decir eliminar el factor humano de forma presencial para dichas tareas, para esto usaremos sensores de temperatura y humedad, un PLC S7-300, contactores, releys térmicos, brackers, ventiladores y electroválvulas.

3.2.2 Implementación

En esta fase procedemos a integrar todos los elementos tanto mecánicos, electrónicos, software, hardware, para así tener como resultado el prototipo físico con los requerimientos planteados para la solución del problema presentado en el proyecto.

3.2.3 Pruebas del prototipo

Esta etapa es estrictamente para la realización de las pruebas del prototipo y determinar su adecuado funcionamiento en el ambiente en el laboratorio así como en el cual se lo va a desarrollar.

25 Para garantizar un adecuado funcionamiento del equipo se realizara una comparación de las mediciones para garantizar el adecuado funcionamiento de los sensores.

3.3. Análisis de variables a controlar del proyecto

En esta sección describimos las características de las variables a controlar y desarrollar el proyecto deben cumplir con las siguientes características:

 Acondicionamiento de la señal de entrada de los sensores de temperatura y humedad.

 Arquitecturas de control (circuitos lógicos, algoritmos de control). El sistema de control a utilizar en el proyecto será un PLC S7-300 (controlador lógico programable) y una interfaz HMI TP 177B (pantalla de visualización touch).

3.3.1 Acondicionamiento de la adquisición de datos

Los sensores que utilizamos trabajan en un rango optimo de 5V por lo cual debemos realizar un acondicionamiento de la entrada que se encuentra a 24V a 5V para el funcionamiento de los sensores así como demás elementos de la placa de acondicionamiento de las señales incluidas en la placa.

Para ello utilizamos un U1 y U2.

U1: regulador de voltaje 7812

U2: regulador de voltaje 7805

26 sensores y amplificadores operacionales, como lo observamos en la figura 15 a continuación.

Figura 15. Circuito de reducción de voltaje de 24V DC a 5V DC.

Los sensores que usamos son sensores que nos generan un voltaje muy bajo para la lectura directa a un PLC, por este motivo se desarrolla un circuito el cual nos acondicionara los datos obtenidos tanto por los sensores de temperatura y humedad en el rango de 0-10V para poder realizar las tareas de proceso mediante el PLC. Para esto se utilizara amplificadores operacionales.

Para la utilización del amplificador operacional se realizó los siguientes cálculos:

Figura 16. Circuito del amplificador operacional

27 Se realizó un divisor de voltaje para obtener el 0,8 necesario para un

restador en el circuito.

𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑅2

𝑅1 + 𝑅2∗ 𝑉𝑖𝑛

[3.3.1]

Figura 17. Valores del restador de voltaje

Una vez obtenido el valor del restador de voltaje a utilizar realizamos los cálculos para el sensor de temperatura, para ello necesitamos obtener un valor en escala de 0-10VDC, ya que los valores que el sensor nos entrega se encuentran en mili voltios y estos valores son muy pequeños para que el PLC S7-300 pueda procesarlos, por este motivo procedemos a amplificarlos dos veces ya que con un solo amplificador solo obtendremos una señal en un rango aun pequeño de 0-3 VDC, con lo cual aún es muy difícil escalarlo.

Después de amplificarlo por segunda vez se obtiene un valor en el rango deseado de 0-10VDC con una ganancia de 3,33 como se lo muestra en la figura 18, a continuación.

DIVISOR DE VOLTAJE PARA OBTENER 0,8

VOUT R2 R1 VIN

0,80536913 1,92 10 5

R1 R2 R2

28

Figura 18. Datos de amplificación del sensor de temperatura.

Una vez realizado los cálculos con el sensor de temperatura LM35 procedemos a realizar los mismos cálculos con el sensor de humedad HIH 4030 ya que al igual que el sensor de temperatura los valores que este sensor nos entrega son muy bajos para que el PLC pueda receptarlos y procesarlos de manera adecuada. Para ello realizamos una prueba a 25ºC lo cual nos da una salida de 3,9V, para este sensor utilizaremos el restador calculado anteriormente de 0,8V para poder obtener un dato correcto en la medición, ya que después de amplificar la señal tenemos una pequeña medida fuera del rango en los límites propuestos, recordemos que nuestro rango de valores debe encontrarse en 0-10VDC.

A continuación el ejemplo a 25ºC con sus cálculos en la figura 19.

Figura 19. Cálculos de amplificación del sensor de humedad

LM35

PRIMERA AMPLIFICACION G 2 IN 0-150mV

R2 R1 Vin Vout

1 1 0,22 0,44 OUT 0-3 V

SEGUNDA AMPLIFICACION G 3,3255814 IN 0-3 V

R2 R1 Vin Vout

10 4,3 0,44 1,4632558 OUT

Valor requerido V Ultimo valor V

Para determinar la ganancia 10 3

3,33333333

HUMEDAD HIH 40-30

Humedad Voltaje IN Salida

Salida en voltaje ingresando la humedad RH: 100 5 3,9

Min Max

Con 5 Voltios de entrada a 25ºC la salida de voltaje 0,8 3,9

RESTADOR IN OUT

0,8-3,9 V 0-3,1 V

Min Max

RESTADOR DE 0,8 OUT 0 3,1

R1 R2 RF V2 V1 OUT

29 A continuación se encuentran los circuitos de amplificación tanto para el sensor de temperatura LM35 en la figura 20, y para el sensor de humedad HIH 40-30 en la figura 21respectivamente.

30

31 Una vez realizado todos los cálculos, y el diseño de los amplificadores operacionales los cuales vamos a utilizar, procedemos a realizar una simulación del funcionamiento del restador para verificar su funcionamiento antes de llevarlo a la práctica, la simulación de este y otros circuitos las realizaremos en el programa PROTEUS.

A continuación en la figura 22 tenemos la simulación de un restador de voltaje.

Figura 22. Simulación del restador de voltaje en PROTEUS.

32

Figura 23. Simulación del sensor de temperatura a 24ºC en Proteus

Una vez con resultados satisfactorios de la simulación tanto del restador como del sensor de temperatura así como del análisis de los cálculos procedemos al diseño de nuestra placa de acondicionamiento de señal utilizando Ares del programa Proteus el cual nos sirve como ya lo hemos dicho para realizar los diseños de placas de circuitos con sus líneas de conexión, en la cual solo se montara los elementos posteriormente como se muestra en la figura 24, en la placa encontraran resistencias y amplificadores los cuales se detalla a continuación:

U1: 7812

U2: 7805

U3, U4, U5, U6: Lm358

R1, R2, R3, R5, R12:10K

R4: 4k

33 R7: 120Ω

R13: 200 Ω

R14: 4k

Figura 24. Diseño de la placa de acondicionamiento de señales.

34

Figura 25. Armando sensores con sus extensores de señal.

35 Una vez obtenida la placa de acondicionamiento de señal terminada ya con todos sus componentes procedemos a colocar los cables de transmisión de la señal de los sensores, una revisión de continuidad entre los elementos de la placa y las líneas de conductividad, posteriormente realizamos una prueba de su funcionamiento.

Figura 27. Placa de acondicionamiento de señales terminada.

36

Figura 29. Pruebas de funcionamiento de la placa de acondicionamiento de

señal.

3.3.2 Desarrollo del software de control

37

3.3.2.1 Software de control del PLC S7-300 (CPU 315F-2PN/DP)

El software de control lo desarrollaremos en TIA PORTAL V12 SP1 UPD4 esta es una herramienta de Simatic step 7, aparte de la programación del PLC también realizaremos la programación de la pantalla touch la cual será nuestro medio de enlace y visualización para el operario o usuario.

El PLC estará en conexión con la pantalla touch TP 177B por un enlace entre los puertos Ethernet de cada equipo.

El sistema de control se encuentra comandado por un PLC S7-300, el cual recepta la información emitida por los sensores y después de procesarla emite la orden de encender/apagar los distintos elementos que comanda como son: electroválvulas y ventiladores, así como comanda la visualización en la pantalla touch y a su vez el PLC recibe y procesa la información que el usuario ingrese en la pantalla, esto debido a que el usuario puede modificar los parámetros de acuerdo a sus necesidades. Además de esto el circuito cuenta con una protección principal en caso de existir variaciones o consumo excesivo de voltaje.

Para determinar los valores de protección se realizara los siguientes cálculos tomando en cuenta que el sistema de ventilación, alimentación del PLC y demás elementos trabajan a 110V AC.

Elementos

Potencia=2 blowers (ventiladores)= ½ hp=375w

Voltaje= 110V AC

Calculo del consumo de Amperios= A

𝑃 = 𝑉 ∗ 𝐼

38

𝐼 = 3,4 A

Este valor obtenido lo multiplicamos por un factor de protección por seguridad en este caso nuestro factor de protección será 3.

𝐼 =10,2 A

Una vez obtenidos los cálculos determinamos que el breaker de protección para el proyecto sea de 10A y un contactor de 12A y bobina de 110V ya que estos son los que encontramos en el mercado.

Una vez definidos los elementos de protección para el sistema así como el valor del contactor para la activación de los blowers, nuestra caja de control del proyecto queda conformada de la siguiente forma:

1breaker de 10A

1contactor de 12A

Tarjeta de acondicionamiento de señales

El PLC S7-300 (formado por fuente de alimentación, CPU, módulo de entradas analógicas y módulo de salidas digitales).

Pantalla touch TP 177B

39

Figura 30 y 31. Caja de control y comando del proyecto.

De la caja de comando principal se extiende todo el cableado para el control de los elementos antes mencionados.

Como lo mencionamos anteriormente la programación del PLC se lo realizo en Step 7 TIA Portal V12, en la programación se utilizaron varias funciones como son: el escalamiento de la señal analógica de ingreso de temperatura así como de humedad, un control de temperatura y humedad cada uno por separado, además de la utilización de bloques de programación los cuales los explicaremos más adelante.

40

Figura32.1 Diagrama de proceso de temperatura y humedad PROCESO DE DATOS

EMITIDOS POR EL SENSOR DE TEMPERATURA

PROCESO DE DATOS EMITIDOS POR EL

SENSOR DE HUMEDAD

Adquisición de temperatura, acondicionamient

o de señal, escalamiento de señal, visualización en la HMI

B

o de señal, escalamiento de

señal, visualización en

la HMI

41

Figura 32.2. Continuación diagrama del proceso de temperatura y humedad

del invernadero.

Activar el sistema de ventilación, hasta que la temperatura se encuentre dentro de los rangos programados

Sin acción

Apagar el sistema de ventilación

NO

42

Figura 32.3. Continuación Diagrama del proceso temperatura y humedad del

invernadero.

NO

Activar electroválvulas para abrir el sistema de riego, ventilación, hasta que la humedad se encuentre dentro de los rangos programados

Sin acción

Apagar las electroválvulas

43 Una vez que tenemos claro cuál será el proceso al cual someteremos las señales obtenidas por los sensores tanto de temperatura como de humedad, iniciamos a diseñar el programa de control en TIA Portal, para ello antes de diseñar el programa, es necesario definir los equipos a utilizar como son el PLC, módulo de entradas analógicas, módulo de salidas digitales y la pantalla HMI.

Equipo:

PLC: siemens S7-300 CPU 315F-2PN/DP

Módulo de entradas/salidas análogas SM334

Módulo de entradas/salidas digitales SM323

HMI: TP177B

Ya teniendo estos datos procedemos a programar en TIA Portal, procedemos con la declaración de las variables, las cuales nos servirán para poder indicar que deben hacer los bloques de programación.

Cabe recalcar que toda la programación se encuentran dentro de un bloque principal el cual lo llamamos Main [OB1] a continuación veremos la programación del sistema, con sus bloques de programación, declaración de variables y tablas de contenido.

Programa Main [OB1]

Dentro del bloque Main se encuentran todos los bloques de programación, escalamiento de la señal de temperatura, humedad relativa, control de temperatura y humedad.

44

Tabla 3. Declaración de variables del bloque principal de programación

Main_OB1.

Una vez creado el bloque principal con sus variables, ya asignado sus valores y declarado para que sirve cada una procedemos al bloque de escalamiento de temperatura 0-100ºC.

45

Figura 33. Bloque escalamiento señal analógica de temperatura 0-100ºC

Dentro de este bloque tenemos las siguientes variables principales visualizadas en la tabla 4, a continuación.

Tabla 4. Escalamiento de la señal analógica de temperatura.

46

Figura 34. Bloque escalamiento señal analógica de humedad 0-100%

Al igual que en el bloque de escalamiento de temperatura, dentro del bloque de escalamiento de humedad tenemos las siguientes variables.

Tabla 5. Escalamiento de la señal analógica de humedad.

Una vez realizado el escalamiento de la señal de temperatura y humedad continuamos con los bloques de control de temperatura y humedad cada uno independientemente.

47

Figura 35. Bloque de control de temperatura

48

Tabla 6. Variables control de temperatura.

Una vez realizado el control de temperatura continuamos con el control de humedad para el cual el proceso y variables, es similar al de temperatura como observaremos a continuación en la figura 36 y las variables involucradas en la tabla.

49

Tabla 7. Variables control de humedad.

A continuación en la tabla 8, tenemos las variables utilizadas en el proceso de entrada analógica [FC1].

Tabla 8. PROC_ENTRADA_ANALOGICA

50

Tabla 9. Variables del control [FB1]

Ahora tenemos las variables de control DB dentro de las cuales tenemos el control de temperatura así como el control de humedad.

51

Tabla 11. Variables CONTROL_HUM_DB [DB2]

Dentro de los bloques de programación, poseemos bloques del sistema los cuales llaman a las funciones, en nuestro caso necesitamos los bloques de sistema FC22 (LIMIT) y FC105 (SCALE) cuyas variables se encuentran en la tabla 12 y tabla 13 respectivamente.

52

Taba 13. Variables de la función SCALE [FC105]

En la tabla 14, que tenemos a continuación observaremos las variables que

visualizaremos en la pantalla o interface HMI, así como las más representativas dentro de todo el proceso de programación, ya que gracias a estas variables se comanda todo nuestro proceso desde la interface HMI sea en el modo manual o automático.

Debemos recalcar que la comunicación entre el PLC y nuestra interface HMI se la realiza por un puerto Ethernet\IP protocol los cuales poseen una dirección asignada para su comunicación, en caso de variar la dirección la comunicación entre el PLC y la Pantalla fallaran.

IP address PLC: 192.168.0.1

53

Tabla 14. Declaración de variables del programa y accionadores.

De la misma manera en TIA Portal nos sirve para general el entorno HMI, para ello primero debemos seleccionar el modelo de la pantalla con la cual vamos a trabajar, para esto no es necesario crear un nuevo proyecto pues dentro del proyecto donde hemos creado el programa para el PLC añadiremos la pantalla, dando click en añadir dispositivos, procedemos a seleccionar la pantalla, dentro de la misma diseñaremos la apariencia que tendrá nuestra pantalla con los botones para los mandos, luces indicadoras de activación de salidas, y los campos de visualización del proceso, y campos para ingreso de parámetros de control.

54

Figura 37. Creación de la interfaz HMI

Para diseñar los títulos o elementos de apariencia los cuales no variaran en nuestra pantalla utilizaremos el objeto campo de texto, gracias a esta herramienta podemos personalizar el color de la letra, color del fondo, tamaño de la letra y en si su apariencia.

55 De la misma forma para diseñar las ventanas en donde se visualizaran los valores del proceso, así como en los cuales ingresaremos los parámetros de control del programa utilizamos el elemento campo E/S, este campo al igual que el campo texto nos permite personalizarlo a nuestro gusto, además de ello en este campo como se mencionó anteriormente procedemos a enlazar cada campo con la variable y el evento al cual llamara para poder tomar los valores ingresados, o en su defecto visualizar los valores del proceso según sea el caso del campo, como se lo visualiza en la figura 39.

Figura 39. Diseño de la interfaz con el campo E/S

56

Figura 40. Diseño de la interfaz con el objeto rectángulo

57

Figura 41. Diseño de la interfaz con el objeto botón

Figura 42. Diseño de la interfaz en modo manual

58

Figura 43. Conexión PLC-Pantalla vía Ethernet

Una vez que tenemos listo el programa procedemos a compilarlo para ver si este nos genera errores, si no genera errores se guarda el programa. Gracias a la versión que hemos utilizado podemos realizar la simulación del funcionamiento tanto de la pantalla HMI como del PLC y el ingreso de voltaje al mismo, utilizando el programa PLCSIM V12 de Siemens como se observa en la figura 44, respectivamente.

59

Figura 44. Simulación del programa en PLCSIM V12

De la misma manera procedemos a simular el cambio de modos de accionamiento automático-manual tanto de los ventiladores como de las electroválvulas, en la figura 45, visualizamos que se puede mantener independiente los sistemas de humedad como de temperatura para ello en la parte del control de temperatura lo dejamos en modo automático, y la parte del control de humedad lo colocamos en modo manual, en el modo manual.

60

Figura 45. Simulación modo automático-manual en PLCSIM.

61 Una vez que tenemos listo el programa, lo hemos compilado y a su vez simulado y probado su funcionamiento, procedemos a realizar el ensamblaje del mismo.

Para ello seguiremos los siguientes pasos:

1. Armar el PLC (CPU, fuente, entradas analógicas y salidas digitales). 2. Realizar las conexiones de alimentación del PLC y energizar sus

módulos.

3. Conectar la señal de voltaje de los sensores la cual la obtenemos de la placa de acondicionamiento de señal como lo detallamos anteriormente.

4. Identificar y a su vez conectar las salidas digitales las cuales accionaran el contactor y permitirán el accionamiento de los diferentes elementos.

5. Conectar nuestra interface HMI con el PLC mediante un cable de red. 6. Conectar el cable MPI al puerto USB del computador y el otro extremo

al puerto MPI del PLC, para proceder a revisar, compilar y cargar el programa en nuestro PLC.

7. Una vez cargado el programa en el PLC, procedemos a conectar el cable de red a nuestro puerto Ethernet en la PC y el otro extremo en la pantalla touch para cargar el entorno de la pantalla en el mismo. 8. Una vez que terminamos de cargar el programa en la pantalla,

desconectamos el cable de nuestro puerto de la PC, y lo conectamos al puerto del PLC.

9. Energizamos todo el sistema, y procedemos a verificar su adecuado funcionamiento y enlaces.

10. Realizaremos una prueba de control del funcionamiento con focos y ventiladores de 24 VDC, antes de implementar el sistema en el sitio.

62

Figura 47. Armando el PLC en la caja de control.

63

Figura 49. Conectando el cable MPI para realizar la carga del programa.

64

Figura 51. Compilando programa para la carga

65

Figura 53. Conexión PC – PANTALLA

66 Los análisis que realizamos fueron en función de tiempo y dinero, debido a que antes de la implementación del sistema se necesitaba del control humano permanentemente y de forma artesanal. Es decir la medición de la temperatura se la realizaba con un termómetro digital y se accionaba manualmente los sistemas de ventilación, de la misma manera la apreciación de la humedad se la realizaba en base a la apreciación del trabajador es decir esto varía dependiendo del trabajador el cual se encuentre de turno.

Como lo mencionamos al inicio de nuestro trabajo en la tabla 1, se necesita que se encuentre el cultivo en una temperatura y humedad óptima para obtener así una mayor germinación de la semilla de palmito, razón por la cual el realizar el proceso de forma artesanal genera pérdidas, debido a que no siempre se dispone de un trabajador que se encuentre constantemente monitoreando el proceso, al mismo tiempo el tener una persona estática solo para realizar esta acción genera un costo y una perdida productiva para la empresa, debido a que este recurso humano se lo puede emplear en otras tareas gracias a la automatización del proceso.

Al proceso de automatización se lo implementa en una sola ala de invernadero, siendo esto un proceso altamente costoso para una sola ala de invernadero, si este fuese un propósito aislado, pero se lo realiza de esta manera ya que es una prueba demostrativa del funcionamiento para una implementación a futuro a una escala mayor.

67 Este tipo de sistemas se lo utiliza en plantas automatizadas como ejemplo en nuestro país tenemos la ARCA CONTINENTAL (Coca-Cola), la cual emplea este sistema de interfaces HMI, en los cuales con una sola pantalla nos sirve para monitorear varios tanques con sus respectivos sensores.

Al ser este un proyecto de automatización para el sector agrícola de nuestro país, la interface y su uso debe ser de simple comprensión, por tal motivo el sistema para su funcionamiento no es complicado.

El sistema trabaja con una tensión de voltaje de 110 VAC de alimentación para la fuente del PLC, la cual transforma el voltaje AC en 24 VDC lo cual es el corazón de todo nuestro proyecto pues tanto el PLC( CPU, módulo de entrada analógica, módulo de salida digital), interface HMI (pantalla TP177B) y nuestra placa de acondicionamiento de los sensores trabajan a 24 VDC, es decir sin los 24 VDC seguiría siendo un trabajo completamente manual pues nuestro sistema de automatización y procesos no funcionaria.

Como parte del análisis de los resultados en este trabajo se presenta el manual de operación.

4.1 Manual de Operación

Dentro del manual de funcionamiento se presenta los pasos a seguir para la activación completa del sistema, así como varias fotografías del funcionamiento del prototipo con ventiladores y focos, estos últimos simulando ser las electroválvulas.

A continuación tenemos los pasos a seguir para poder utilizar nuestro sistema automático de control de temperatura y humedad. Cabe recalcar que no se debe ensamblar nada pues los pasos a seguir son operación mas no de ensamblaje pues el proyecto queda completamente instalado listo para su operación.

68 2. Encender la fuente de alimentación del PLC activándolo como se

muestra en la figura 55.

Figura 55. Fuente SITOP PS307 formato S7-300

3. Una vez encendida la fuente del PLC, se encenderá nuestro CPU, así como nuestra pantalla táctil o interface HMI.

69

Figura 56. Ingreso de valores Set ponit e histéresis.

5. Una vez con los valores completos e ingresados en la pantalla, los mismos se visualizaran en la pantalla, de esta manera ya con los parámetros listos en la misma, tenemos el entorno HMI, listo para en un siguiente paso proceder a cambiar el modo Stop del PLC y colocarlo en modo Run para que el programa entre en funcionamiento.

70 6. Una vez colocado en modo Run el PLC comenzara a procesar los valores que se reciben de los sensores, y a su vez este activara las salidas que crea conveniente sean estas las que activan los ventiladores, o a su vez las electroválvulas, así lo visualizamos en la figura 53, en la cual se realizó una simulación con focos simulando las electroválvulas y ventiladores a 24VDC.

Figura 58. Realizando pruebas de funcionamiento con focos en lugar de las

electroválvulas

71 7. El sistema ha quedado listo para su funcionamiento, en caso de necesitar variar los valores de temperatura o humedad no es necesario apagar el sistema se lo puede modificar mientras se encuentra en funcionamiento.

72

5.1CONCLUSIONES

 Los objetivos han sido cumplidos, después del análisis realizado, se concluyó que al automatizar el sistema de control de temperatura y humedad de un invernadero, en el cual se germina la semilla de palmito para su posterior utilización en la resiembra, es un beneficio para el propietario pues gracias a la implementación de este proceso ya no se necesita un trabajador de forma permanente controlando el invernadero, esto nos genera una optimización de recursos, humanos y materiales, gracias a esto disminuyendo pérdidas de tiempo así como monetarias.

 Después de la investigación llevada a cabo con los expertos siendo estos Ingenieros Agrónomos, se concluyó que las variables más importantes a controlar dentro de un invernadero es la temperatura y la humedad, siendo estas las variables más significativas en el desarrollo del cultivo al cual hemos aplicado nuestra investigación.

 Nuestro sistema de control se lo diseño de manera compacta y fácil de instalación, para facilitar su instalación y puesta en operación en pocas horas, de manera que se cumple con los requerimientos del proyecto.

73

 Se cumple con implementar un sistema de control proceso de temperatura y humedad en un invernadero, mediante un PLC SIMENS S7-300 y una pantalla táctil SIEMENS TP177B, con esto se generó una interface amigable y de fácil comprensión para el operador.

74

5.2 RECOMENDACIONES

 Antes de poner en funcionamiento al sistema se recomienda al operador, verificar las conexiones tanto de ingreso al panel de control, como las conexiones existentes con los actuadores (ventiladores y electroválvulas).

 Investigar los requerimientos de temperatura y humedad que necesita el cultivo que se encuentra en el invernadero, pues no todos los cultivos poseen los mismos parámetros.

 Montar el tablero de control en un lugar adecuado, cubierto de las inclemencias climáticas, así como con una buena ventilación para evitar un calentamiento, o que los equipos se mojen.

 Leer el manual de operación descrito en el capítulo análisis de resultados para poner en marcha el proceso.

75

 Para un invernadero muy extenso incrementar la cantidad de sensores y zonificar el invernadero de esta manera se puede mantener un mejor control sobre la temperatura y humedad en el mismo.

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GLOSARIO

PLC Control lógico programable HMI Interface hombre maquina

s/cm Siemens por centímetro, unidad de conductividad

V Voltio

mV Mili voltio

A Amperio

mA mili amperio DC Corriente continúa AC Corriente Alterna

GB Gigabytes

MB Megabytes

True Verdadero False Falso

OB1 Programa principal Block Bloque de programación

77

Real Variable de tipo real

Bool Variable booleano de tipo binaria Word Conjunto de 16 bits

Dword Conjunto de 32 bits Date Fecha

Time Tiempo

78

BIBLIOGRAFIA

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79

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 Universidad de VIGO (departamento de Ingeniería de sistemas y Automática), “Programación de Autómatas”, España.