Adquisición y transmisión de datos sobre redes de potencia

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(1)UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. PROYECTO DE GRADO. Adquisición Y Transmisión de Datos Sobre Redes de Potencia. Por: Agustín F. Calderón M.. Asesor: Mauricio Duque.. Segundo Semestre de 2002. Página 1 de 41.

(2) Tabla de Contenido 1.. Introducción ____________________________________________________________________ 4. 2.. Definición del Problema___________________________________________________________ 5. 3.. 2.1.. Qué se tiene _______________________________________________________________________ 5. 2.2.. Qué se quiere ______________________________________________________________________ 6. Marco Teórico___________________________________________________________________ 8 3.1. 3.1.1.. ¿Cuándo Regar? _________________________________________________________________________ 10. 3.1.2.. ¿Cuánto Regar? _________________________________________________________________________ 11. 3.1.3.. Tiempo de Difusión ______________________________________________________________________ 11. 3.2.. 4.. El Entorno de Medición o Conceptos Básicos de Humedad y Física del Suelo. ________________ 8. Algunas soluciones comunes a la programación del riego. ________________________________ 12. 3.2.1.. Reloj Programado ________________________________________________________________________ 12. 3.2.2.. Cableado en Anillo con Coaxial _____________________________________________________________ 12. 3.2.3.. Sistema Xylema®________________________________________________________________________ 13. 3.2.4.. Power Line Carrier (PLC) _________________________________________________________________ 13. 3.2.4.1.. LonWorks ___________________________________________________________________________ 13. 3.2.4.2.. CEBus ______________________________________________________________________________ 13. 3.2.4.3.. PLC-1_______________________________________________________________________________ 14. 3.2.4.4.. X10 ________________________________________________________________________________ 14. Como Medir y Los Protocolos de Comunicación ______________________________________ 15 4.1.. X10 Powerline Carrier (PLC) _______________________________________________________ 15. 4.1.1.. Diferentes Tipos de Dispositivos ____________________________________________________________ 18. 4.1.1.1.. Transmisores _________________________________________________________________________ 19. 4.1.1.2.. Receptores ___________________________________________________________________________ 19. 4.1.1.3.. Bidireccionales _______________________________________________________________________ 19. 4.1.1.4.. Inalámbricos _________________________________________________________________________ 19. Página 2 de 41.

(3) 4.2.. Serial RS232 _____________________________________________________________________ 19. 5.. Diagrama de hardware ___________________________________________________________ 21. 6.. Diagrama de software____________________________________________________________ 24. 7.. Implementación ________________________________________________________________ 26 7.1.. Distancia de Transmisión___________________________________________________________ 26. 7.2.. Control de Error __________________________________________________________________ 27. 7.3.. Status del dispositivo ______________________________________________________________ 27. 7.4.. Control de Flujo __________________________________________________________________ 27. 8.. Costos ________________________________________________________________________ 29. 9.. Conclusiones ___________________________________________________________________ 39 9.1.. Del protocolo X10. ________________________________________________________________ 39. 9.2.. Del sistema de Riego _______________________________________________________________ 39. 9.3.. Del desarrollo a seguir._____________________________________________________________ 40. 10.. Bibliografía __________________________________________________________________ 41. Página 3 de 41.

(4) 1. Introducción. La tecnología PLC (Power Line Carrier), representa hoy por hoy una posibilidad más en el mundo de las comunicaciones. Un buen manejo de este tema (PLC) puede verse reflejado en el ahorro que se produce al no tener que tender una nueva red para crear una red de datos. Adquisición y Transmisión de Datos sobre Redes de Potencia, en adelante El Proyecto, soportado sobre tecnología PLC (Power Line Carrier), presenta una utilización de esta tecnología para la solución de un problema de control, específicamente de un problema de control de Riego por Demanda, montado sobre la red de potencia, evitándonos el tendido de cables nuevos, costosos algunas veces. La red de potencia, a través del protocolo X10 provee el transporte, y un computador provee el sistema de control.. Estamos hablando de que si tenemos un sistema de adquisición y transmisión de datos, entendido como una lectura de campo y su transmisión hasta un computador, podemos tener una relación importante costo/beneficio al utilizar la red existente de potencia para la operación del sistema.. Veremos como X10, un protocolo que utiliza esta tecnología PLC, aplicado a un proceso de control resulta en una buena y factible solución para controlar una bomba y una válvula creando, en conjunto, un sistema de riego por demanda.. Al final tendremos un desarrollo que nos permitirá tener un sistema de Riego por Demanda, en un laboratorio, como el punto de inicio para una posterior implementación en campo.. Página 4 de 41.

(5) 2. Definición del Problema. Cuando hablemos durante este proyecto de Riego por Demanda en Campo nos estaremos refiriendo a un sistema de riego que está controlando una bomba, una válvula y un lector de humedad. Funciona así: el lector de humedad censa la humedad, entrega ésta lectura a un sistema de control que decide si es necesario el riego. Si así es, dispara el riego, disparando una bomba y la respectiva válvula del sensor. Por cada válvula hay un sensor; cada válvula permite el riego sobre un área del cultivo; para todo el cultivo solo hay una bomba.. Cuando hablemos durante este proyecto de Riego por Demanda en Laboratorio nos estaremos refiriendo a un sistema de riego que está controlando una bomba y un lector de humedad. Funciona así: el lector de humedad censa la humedad, entrega ésta lectura a un sistema de control que decide si es necesario el riego. Si así es, dispara el riego, disparando una bomba. Nótese que en este caso solo tenemos una bomba y un sensor, pues el tamaño en el Laboratorio es menor y no se necesita la válvula.. 2.1. Qué se tiene. Para el siguiente proyecto utilizaremos un invernadero en un laboratorio, Dr. Calderón Laboratorio Ltda., en adelante el Laboratorio, donde se producirán varias medidas, mediante la utilización de aparatos electrónicos de medida de humedad (sensores); y transmitiremos los datos a un computador, disparando después de su análisis la bomba de riego a través de la red eléctrica del Laboratorio. Se hará por ahora en un laboratorio pues necesitamos analizar ésta tecnología y compararla con la utilización de relojes de programación fija, antes de proceder a una implementación en campo. Página 5 de 41.

(6) En el Laboratorio contamos con un cultivo de hidropónico de tomate, que llamaremos en adelante el Cultivo, que tiene instalados varios medidores de humedad a lo largo de las camas que se leen manualmente diariamente, y una bomba que controla el riego de ellas, que es accionada por un reloj programado regando varias veces al día: 2 a.m., 6 a.m., 8 a.m., 10 a.m., 12 p.m., 2 p.m., 4 p.m., 8 p.m. No existe ninguna relación actual entre la lectura de humedad y el riego.. Los dispositivos de humedad que tiene el cultivo son tecnología desarrollada internamente en el laboratorio, y entregan al proyecto una señal DC de 0 a 5 v, como se esbozará más adelante. La lectura se hará entonces, suponiendo que el dato es el correcto y no entrando en detalle sobre la medición.. 2.2. Qué se quiere. Para leer los datos se utilizará la interfase serial (RS232) de un computador, y se analizarán en un programa, respondiendo con la programación de los riegos. Dicha programación corresponde al accionar de la bomba a través de un dispositivo x10, que envía la señal on/off por la red de potencia del laboratorio.. La implementación del computador-x10, permitirá censar la humedad con más regularidad, generando curvas de comportamiento, y determinando la necesidad de riego de acuerdo a los resultados; utilizar más adecuadamente los recursos de riego (solución nutritiva y bomba de riego); y plantear, junto con expertos en el tema de riego, una teoría de riego basada en la necesidad por parte de la planta más que por la programación “descontrolada” de un reloj.. Página 6 de 41.

(7) Al final del proyecto se tendrá una evaluación con respecto a esta tecnología y a sus potenciales usos, además del desarrollo de habilidades para la implementación y uso de esta tecnología, así como también un plan de desarrollo para la adecuada implementación y un plan de negocio inicial, para la comercialización.. Página 7 de 41.

(8) 3. Marco Teórico. Los dispositivos actuales de lectura de la humedad dan como resultado una señal entre 0 y 5 V. Estos dispositivos están siendo desarrollados por Dr. Calderón Asistencia Técnica Agrícola Ltda. Para efectos prácticos, nos concentraremos en la adquisición desde un computador de una señal DC entre 0 y 5 V y en la transmisión de una señal on/off utilizando un dispositivo X10, para el accionar de una bomba de riego de 110V.. 3.1. El Entorno de Medición o Conceptos Básicos de Humedad y Física del Suelo.. La programación del riego es un conjunto de procedimientos técnicos desarrollados para predecir cuánto y cuándo regar. Los métodos de programación del riego se basan en:. • Medida del contenido de agua en el suelo1.. Tensiometro de Humedad. 1. Sensor de Humedad (Dr Calderón Labs). Entenderemos desde aquí y para todo el proyecto, que el contenido de agua del suelo y la humedad son equivalentes.. Página 8 de 41.

(9) • Medida del estado hídrico de la planta2.. Diámetro del fruto. Diámetro del Tallo. • Medida de parámetros climáticos.3. Medición de Radiación Solar. Medición de Temperatura. 2. Mª D. Fernández, F. Orgaz, E. Fereres, J. C. López, A. Céspedes, J. Pérez, S. Bonachela, M. Gallardo. Programación del riego de cultivos hotícolas bajo invernadero en el sudeste español. Cajamar, Barcelona España. 2002. 3 Mª D. Fernández, F. Orgaz, E. Fereres, J. C. López, A. Céspedes, J. Pérez, S. Bonachela, M. Gallardo. Programación del riego de cultivos hotícolas bajo invernadero en el sudeste español. Cajamar, Barcelona España. 2002.. Página 9 de 41.

(10) Los sensores desarrollados por el laboratorio y utilizados en este proyecto corresponden a los de Medida del contenido de agua en el suelo, que se consideran los que mejor se aproximan a una medición de humedad.. Caja de Medición (Sensor Dr. Calderón Labs.). Detalle Caja de Medición. El principio de funcionamiento de estos sensores es el siguiente: Al introducir una pequeña corriente A.C. a través de un suelo o sustrato mediante una diferencia de potencial entre dos electrodos se presenta una impedancia opuesta al paso de la corriente. Esta impedancia es inversamente proporcional a la humedad del medio y la corriente eléctrica que pasa, It, es directamente proporcional al contenido volumétrico de humedad del sustrato o suelo4. Al cambiar de sustrato, se debe calibrar el sensor para que se ajuste a las nuevas necesidades.. 3.1.1. ¿Cuándo Regar? Para responder la pregunta “¿Cuando regar?”, necesitamos analizar una variable física relacionada con la humedad, que nos determina el momento en el que debemos disparar el. 4. Dr. Calderón Laboratorios Ltda., Sensores de Humedad por Impedancia para Medir la Humedad en Suelos y en Sustratos. www.drcalderonlabs.com, Bogotá, Colombia. 2002.. Página 10 de 41.

(11) riego. Definimos entonces Umbral Inferior de Humedad como el punto en el cual se considera se debe regar el cultivo. Para efectos prácticos, es una medición límite. En la determinación de este punto entra en juego la experiencia del agrónomo a cargo, que en últimas mide la “felicidad de la planta”. En este “criterio” están inmersas variables como el tipo de cultivo, el tipo de sustrato, el tipo de riego, los recursos disponibles, entre otros.. 3.1.2. ¿Cuánto Regar? Para responder la pregunta “¿Cuanto regar?”, necesitamos analizar una variable de tiempo que es la duración del riego. Esta variable está relacionada con la Profundidad de Humectación que se define como la profundidad máxima que se alcanza mediante un evento de riego. Depende de la porosidad y de su distribución por tamaño lográndose mayor profundidad de humectación para sustratos con poros grandes. En otras palabras, es hasta donde baja el agua gravitacional de flujo rápido5.. 3.1.3. Tiempo de Difusión Existe un segunda variable de tiempo, que es el Tiempo de Difusión, que se define como el tiempo que le toma al sustrato difundir la humedad desde el punto de riego hasta un área determinada, generalmente el área radicular. Para los efectos de medición se considera que el sensor esta en algún lugar del área radicular y que toma una muestra representativa del valor de humedad en ésta.. 5. Agua gravitacional. No está retenida en el suelo. Se habla de agua gravitacional de flujo lento y agua gravitacional de flujo rápido en función de su velocidad de circulación. De flujo rápido. La que circula por poros mayores de 30 micras. Es un agua que no queda retenida en el suelo y es eliminada al subsuelo, pudiendo alcanzar el nivel freático. Es un agua inútil, ya que cuando está presente en el suelo los poros se encuentran totalmente saturados de agua, el medio es asfixiante y las raíces de las plantas no la pueden tomar. De flujo lento. La que circula por poros comprendidos entre 8 y 30 micras de diámetro, se admite que está retenida a un pF que varia desde 3 a un valor que varia entre 1,8 y 2,5. Tarda de 10 a 30 días en atravesar el suelo y en esos días es utilizable por las plantas.. Página 11 de 41.

(12) 3.2. Algunas soluciones comunes a la programación del riego.. 3.2.1. Reloj Programado Consiste en un reloj que controla la bomba de riego y la dispara de acuerdo a una programación previamente realizada. Para efectos de utilización en campo, después de disparar la bomba de riego se debe abrir la válvula, manualmente en la mayoría de los casos, de cada área que se desea regar. En el laboratorio, esta programación dispara la bomba que riega el cultivo.. Relojes de Riego (Dr. Calderón Labs.). Detalle Reloj de Riego. 3.2.2. Cableado en Anillo con Coaxial. Consiste en una red de topología de Anillo que permite controlar las válvulas del cultivo. La bomba se dispara según una programación definida, y las válvulas, en lugar de abrirlas manualmente, se operan desde un a cabina de control. Presenta múltiples inconvenientes. Página 12 de 41.

(13) dada la topología de Anillo6 y el costo del cable coaxial para llevar las señales hasta las válvulas.. 3.2.3. Sistema Xylema®. Sistema de control de Riego de origen español. Controla entre otros las mezclas de solución nutritiva en la línea de riego, el control de conductividad y pH en la línea de riego, el control de la bomba o bombas de riego, el control de las válvulas y en invernaderos modernos, el control de temperatura y de persianas de refrigeración.. 3.2.4. Power Line Carrier (PLC)7. Tecnología para la utilización de la red de potencia para la transmisión de datos. Presenta interesante relación de costo / beneficio a la hora de la implementación pues no hay que tender una nueva red de cableado.. 3.2.4.1. LonWorks8 Marca Registrada de Echelon Corporatios. Es una Red de dispositivos que hablan con el protocolo Lon Talk EIA 709.1 que transmite sobre varios tipos de cable y de cableado: AC o DC. Mucho más costoso, incluso que la solución tradicional y muy difícil de conseguir.. 3.2.4.2. CEBus9 6. Problema Típico: desconexión de un punto lo que implica la desconexión de los siguientes puntos. Browning, L. Choudhary , P. Davis, J. Johnson, D. Miwa, L. The Future of Home Controls. Illinois Institute of Technology, Illinois U.S.A. Mayo de 2000 8 Ídem 7. Página 13 de 41.

(14) Estándar no aplicado ANSI/EIA serie 600, EIA 600.81 Common Application Language (CAL), de cómo un sistema puede ser construido. Sin embargo las implementaciones de CEBus no son muy difundidas.. 3.2.4.3. PLC-110 Marca Registrada de Metricom. No hay gama de productos y tampoco son económicos porque es un chip propietario.. 3.2.4.4. X1011 Simple como un interruptor, económico y disponible de muchas fuentes y en muchas gamas. Está siendo introducido recientemente en la industria para el control de procesos.. 9. Ídem Ídem 11 Ídem 10. Página 14 de 41.

(15) 4. Como Medir y Los Protocolos de Comunicación. 4.1. X10 Powerline Carrier (PLC) X10 comunica un transmisor y un receptor que comparten el par fase-neutro, enviando y recibiendo señales sobre la red de potencia AC de 110V o de 220V. Esta señal se basa en la transmisión de ráfagas de pulsos de RF (120 KHz) que representan información digital. La transmisión X10 está sincronizada con el cruce por cero de la señal AC de la red de potencia (60 Hz o 50Hz). Ver Figura 1.. Fig. 1. La transmisión X10 está sincronizada con el cruce por cero de al red de potencia. Para que trabaje en las tres fases, cada bit es enviado tres veces, cada uno correspondiente a los. La meta es transmitir tan cerca como sea posible del cruce por cero, no más allá de 200 microsegundos del punto de cruce. Con la presencia de un pulso en un semiciclo, representado por una ráfaga de 1 milisegundo de 120 KHz y amplitud por lo menos de 100 milivoltios en el cruce por cero, y la ausencia del mismo en el semiciclo siguiente se representa un '1' lógico y un '0' lógico. Cada comando involucra 11 ciclos de red (220 ms). Los primeros dos ciclos representan el Código de Arranque. Los siguientes cuatro ciclos representan el Código de Casa y los últimos cinco representan el Código de Número o el Código de Función. Este bloque completo de ciclos se transmite siempre en grupos de dos con tres ciclos de red entre cada grupo. Las funciones atenuar Página 15 de 41.

(16) y alumbrar son la excepción, debiéndose transmitir continuamente sin silencio entre la repetición. De esta manera la comunicación es eficaz, y se minimiza la posibilidad de interferencia por ruido en la red. Ver Figura 2.. Fig. 2. (a) Código transmitido cuando el Código de Número esta presente.. Además, dentro de cada bloque de datos, se transmite el complemento de cada bit, por ejemplo, si una ráfaga de un milisegundo es transmitida en un semiciclo (1 binario) entonces no debe haber señal en el semiciclo siguiente (0 binario) Ver Figura 3. El Código de Arranque siempre es 1110 el cual es único y es el único que no sigue la regla de complementariedad en los semiciclos.. Fig. 3. Regla de Complementariedad para el Código de Casa A y el Código de Número 2.. La regla de complementariedad sirve al protocolo X10 para hacer detección de errores. Como se puede ver de un análisis de los códigos, no es posible obtener 111 o 000 por la regla de complementariedad. Es por esto que el Código de Arranque es único e indica el inicio de un Página 16 de 41.

(17) comando X10. Los códigos con excepción, Código Extendido y Datos Extendidos, pueden llevar 111 o 000 pero no llevan silencio entre los datos, por lo que se resuelve el error también.. Cualquier fuente que me produzca una señal de 120Khz o armónicos, en la línea, es considerada una fuente de ruido por frecuencia. El dispositivo vería solo 1, seguido de 1 y al final desecharía el comando. Entre las posibles fuentes de ruido por frecuencia se encuentran motores eléctricos, lámparas fluorescentes, lámparas halógenas dimmers (de otro tipo diferente a los X10), fuentes de PC, monitores de PC, etc.. Por otro lado, fuentes que atenúan la amplitud de la ráfaga por debajo de 100 milivoltios, son consideradas fuentes de ruido por amplitud. Entre las posibles fuentes de ruido por amplitud se encuentran capacitores u otros filtros de alta frecuencia, equipos de audio y video, supresores de picos, UPS, fuentes de PC, etc.. Para compensar el ruido, existen en el mercado dispositivos que se encargan de “limpiar la línea” y permitir así la transmisión.. Para el control de flujo están a disposición del diseñador las instrucciones “Petición Hail” y “Recibo Hail”, que se muestran en la Tabla I.. Página 17 de 41.

(18) TABLA I CÓDIGOS X10. Códigos binarios que se deben transmitir para cada Código de Casa, para cada Código de Número y para cada Código de Función. [1] Petición Hail es transmitida para ver si hay otro transmisor X10 en el rango de silencio. Esto permite a los dispositivos asignar otro Código de Casa si un Recibo Hail llega. [2] En la instrucción Pre-Set Opacar, el bit D8 representa el mas significativo del nivel y H1, H2, H4, y H8 representan los menos significativos. [3] El código Datos Entendidos es seguido por 8 bits los cuales pueden representar un dato análogo (después de una conversión). No debe haber silencio entre el Código de Datos Extendidos y los bytes de datos. El primer byte puede usarse para informar cuantos bytes de datos siguen. Si hay un silencio este código será recibido causando una operación errónea. [4] Código Extendido es similar a Datos Extendidos: el 1 byte que sigue a Código Extendido (sin silencio) puede representar códigos adicionales. Esto permite al diseñador expandir más de 256 códigos.. 4.1.1. Diferentes Tipos de Dispositivos. Appliance Module. TW523 Two Way Interface Página 18 de 41.

(19) 4.1.1.1.Transmisores Estos transmisores envían una señal especialmente codificada de bajo voltaje que es superpuesta sobre el voltaje del cableado. Un transmisor es capaz de enviar información hasta 256 dispositivos sobre la red eléctrica. Múltiples transmisores pueden enviar señales al mismo módulo. 4.1.1.2.Receptores Como los receptores y transmisores, pueden comunicarse con 256 direcciones distintas. Cuando se usan con algunos controladores de computadoras, estos dispositivos pueden reportar su estado. 4.1.1.3.Bidireccionales Estos dispositivos toman la seña enviada por los dispositivos transmisores. Una vez que la señal es recibida el dispositivo responde encendiéndose (ON) o apagándose (OFF). Los receptores generalmente tienen un código establecido por el usuario para indicar la dirección del dispositivo. Múltiples dispositivos con el mismo código pueden co-existir y responder al mismo tiempo dentro de una misma casa. 4.1.1.4.Inalámbricos Una unidad que permite conectarse a través de una antena y enviar señales de radio desde una unidad inalámbrica e inyectar la seña X10 en el cableado eléctrico. Estas unidades no están habilitadas para controlar directamente a un receptor X10, debe utilizarse un módulo transceptor.. 4.2. Serial RS232 Conocido también como EIA232, de su sigla en inglés, Electronic Industries Association 232. Es una interfase estándar desde 1960 para comunicación de datos entre equipos. Desde entonces se Página 19 de 41.

(20) han hecho varias modificaciones siendo la última en 1991. Se considera hoy por hoy un modo “bien conocido” de transmisión de señales entre equipos electrónicos. Para información y detalle se recomienda la documentación de www.eia.org.. Página 20 de 41.

(21) 5. Diagrama de hardware. El sensor de humedad entrega una señal 0 a 5 Vdc al conversor A/D. El conversor A/D tiene una resolución de 8 bits y una salida paralela que se entrega al Serializador. El Serializador toma los datos paralelos y los convierte en una señal serial que se entrega al manejador de Voltaje RS232. Hay que recordar que los voltajes típicos para RS232 están entre -3 a -25 para un 1 lógico y entre 3 a 25 para un cero lógico. La señal de salida del manejador de voltaje se conecta al puerto serial del PC.. Fig. 4. Diagrama de Hardware para la lectura de un sensor de humedad y el accionar de una bomba de riego utilizando RS232 y X10.. Por otro lado (otro puerto serial), tenemos un dispositivo X10, que recibe señales ASCII desde el puerto serial del computador, las convierte en señales X10 y las escribe en la red de potencia. Por la red de potencia viajan y llegan a un dispositivo X10, que lee la señal de la red de potencia, verifica que sea su dirección y si resulta positiva la prueba, procede a ejecutar la instrucción enviada, que para Página 21 de 41.

(22) el caso es encender el dispositivo, encendiendo a su vez la bomba de riego del cultivo. Toda la transmisión pc-x10-red-x10 es bidireccional pudiendo censar el estado de un dispositivo en cualquier momento.. En detalle, el sensor de humedad consta de tres partes: •. El sensor, que está enterrado en la tierra y que es el dispositivo de medición.. •. La caja de excitación, que entrega una señal de excitación al sensor para su funcionamiento, y que por ahora, en pruebas, se utiliza una caja alimentada con 110v tomados de la red de potencia, y la señal de excitación, salida de la caja, se reparte entre todos los sensores instalados.. •. Y una caja de medición, donde se puede visualizar la medida de los sensores. También utilizada. en pruebas. Sensor de Humedad. Caja de Excitación. Caja de Medición. Suelo o Sustrato. Sensor. Fig. 5. Diagrama del Sensor de Humedad y sus partes.. En resumen, el Sensor está cableado desde la caja de excitación y de allí se envía la señal a la caja de medición y luego al computador. Esto es porque se está probando el sensor. Al finalizar la etapa de pruebas, y cuando se continué la implementación en campo, se hará con un sensor que contará con su. Página 22 de 41.

(23) propia excitación y no llevará dispositivo de lectura o Caja de Medición , sino un dispositivo X10 para la transmisión al computador.. La implementación en campo, entonces, será diferente de la del laboratorio, necesitándose para esto solo un sensor y un dispositivo X10, para la lectura –estado de humedad- del sensor y para la escritura –encendido- en el dispositivo de control de la válvula. Se puede concluir de lo anterior que se necesitará un sensor por cada válvula de riego. Lo anterior está en concordancia con el hecho de que típicamente una válvula es la división más pequeña y controlable en una finca con riego por goteo.. Página 23 de 41.

(24) 6. Diagrama de software. El siguiente diagrama muestra el esquemático del software para control de la bomba con lectura de la humedad. Se involucran en el las variables físicas del suelo y los tiempos específicos para el riego definidos en la sección Entorno de Medición.. El programa inicia con una medición de la humedad. Compara esta con el Umbral de Humedad definido por el usuario, tomando así la decisión de riego. Si no hay que regar, se sigue leyendo la humedad hasta que se deba regar. Cuando hay que regar, el programa dispara la bomba de riego a través de X10, y empieza un contador de tiempo. Se riega mientras no se alcance el tiempo de Riego. Cuando la duración de riego se ha alcanzado, el programa apaga la bomba por el dispositivo X10.. Aquí, aunque parecido a un dispositivo PLC, que controlaría el sistema de riego, vemos que la ventaja es la utilización de la red de potencia a través de X10, para el accionar la de bomba, y, cuando el Sensor sea de tipo independiente12, la señal de este también irá por la red de potencia. Esto representa una ventaja estructural por no necesitarse un cableado extra para el funcionamiento del sistema, además de poder enviar señales a mayor distancia y a menor precio en la implementación y tendido de una red de control independiente.. Sigue ahora una espera en el programa, que responde al Tiempo de Difusión, que es el tiempo que se necesita para que se humecte el área radicular donde está el sensor. Una vez se a cumplido la espera, se toma otra muestra del sensor de humedad, y se sigue así en adelante.. 12. Cuando el sensor de humedad sea independiente en cuanto a generación de sus señal de excitación. Para más detalle, ver Sección Diagrama de Hardware.. Página 24 de 41.

(25) Fig. 6. Diagrama de software de control con lectura del sensor de humedad y el accionar de una bomba de riego teniendo en cuenta las variables físicas de humedad.. Página 25 de 41.

(26) 7. Implementación. La implementación tanto del hardware como del software se lleva a cabo en el laboratorio, leyendo la humedad de los sensores del cultivo y disparando la bomba de riego correspondiente a través de un dispositivo X10 comercial TW523 con interfaz Lynx-10 para escritura tico ASCII desde el computador.. El proyecto se encuentra en etapa de pruebas de laboratorio antes de salir a producción para implementación en campo.. Para el correcto funcionamiento y para conocer más en detalle la implementación de esta nueva tecnología se realizan varias pruebas en el laboratorio.. Entre las pruebas están:. 7.1. Distancia de Transmisión En una línea de 100 metros. La prueba resulto exitosa después de 30 intentos a diferentes horas y con diferentes dispositivos conectados en el mismo par fase-neutro.. Página 26 de 41.

(27) Prueba de Distancia. Cultivo de Tomate en el Laboratorio. 7.2. Control de Error El control de error se verificó enviando señales no X. 10 con un programa al dispositivo.. Previamente se había encendido un piloto con el programa. La prueba resulto exitosa pues el dispositivo descartó todos los comandos que no estaban dentro de las instrucciones o que no llevaban el encabezado pertinente.. 7.3. Status del dispositivo Para identificar el status del dispositivo se encendió un piloto con el programa, se cerró el programa, se apagó el computador, se esperó una hora y luego se encendió el computador y se pidió que se verificara el status del dispositivo. La identificación del status del dispositivo fue exitosa. Si repitió el proceso 5 veces con diferentes dispositivos y con resultados satisfactorios para todos ellos.. 7.4. Control de Flujo. Página 27 de 41.

(28) Para el control de flujo se conectaron dos dispositivos transmisores que enviaban señales a un solo receptor con un Código de Casa y un Código de Número. El dispositivo encendió un piloto enviando señal desde cualquiera de los dos dispositivos, haciendo detección de las colisiones y retransmitiendo la señal si había colisión. También se probó con dos receptores de Código de Casa y Código de Número iguales y un solo transmisor. Los dos dispositivos respondieron a las señales sin detectarse colisiones.. Después de realizar pruebas, se considera éste un sistema estable y de buen grado de respuesta para la aplicación que se está usando. Sin embargo, la falta de un mecanismo redundante para el riego hace que la implementación esté acompañada de cierto temor por parte del Laboratorio.. El Hardware. El Software. Página 28 de 41.

(29) 8. Costos. Datos Bloque Bloques Largo Bloque Ancho Bloque Área Bloque Naves por bloque Camas por nave Riego por cama día Riego por bloque día. Cantidad. Datos Generales Meses de Amortización Caudal Bomba Caudal Bomba Bloques atendidos por bomba Fincas de Flores en la Sabana Hectáreas de Flores en la Sabana Área promedio finca Longitud promedio finca Ancho promedio finca. Cantidad. Datos Laborales Días del mes Días de la semana Días laborales Días útiles mes Horas laborales Eficiencia Horas útiles por día por hombre. Datos Equivalentes Galón americano Mts3. 1 100 64 6400 30 5 144 21600. 12 200 757.06 12 300 5000 16.66666667 400 400. Cantidad 30 7 6 25.7 8 75% 6. Cantidad 3.7853 10000. Unidades bloque mts mts mts2 naves camas lts lts. Unidades meses Gpm lts/min bloques fincas Has Has mts mts. Unidades días días días días horas horas. Unidades lts lts. Página 29 de 41.

(30) Datos de Costos Costo Bombeo de Agua Costo Agua CAR Agua Nutriente Manguera de Riego a cacho Manguera de Riego por goteo Válvula de paso Válvula "Saunders" Cable No. 16 Reloj Programador y Programa Secuenciador Computador Dispositivos remotos X10 Dispositivo central X10 Instalación Eléctrica Adicional Caja sensor Sensor Software de control. Cantidad. Datos Riego a cacho Manguera de riego por bloque Duración manguera Válvulas de paso por bloque Duración válvulas. Cantidad. Datos Riego por goteo Manguera de emisor Duración manguera Mangueras por cama Válvulas "Saunders" Duración válvulas Distancia Emisores Caudal Emisores Emisores por manguera Caudal por manguera Caudal por cama Tiempo de Riego cama/día Naves por válvula Caudal por válvula Caudal por válvula Válvulas al tiempo Tiempo de Riego por bloque Bloques que riega un hombre. Cantidad. 1 1 1 1 1 30 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1. Unidades mt3 mt3 mt3 mt3 mt mt válvula válvula mt reloj secuenciador computador dispositivo dispositivo instalación caja sensor licencia. 50 12 3 36. Unidades mts meses válvulas meses. 30 48 3 5 72 0.2 0.8 150 120 360 0.4 6 10800 180 4.205888889 0.475523737 12.61766667. Valor $ 63 $ 17 $ 80 $ 1,500 $ 2,000 $ 8,000 $ 60,000 $ 300,000 $ 400 $ 4,200,000 $ 800,000 $ 3,000,000 $ 58,200 $ 276,450 $ 1,000,000 $ 60,000 $ 10,000 $ 2,000,000. Unidades mts meses mangueras válvulas meses mts lts/hr emisores lts/hr lts/hr hrs lts/hr lts/min válvulas abiertas al tiempo hrs bloques. Página 30 de 41.

(31) Datos Riego Reloj Longitud media de cable por bloque Distancia media bloque-control Válvulas "Saunders" Cableadas por bloque Cantidad de Cable Duración Cable Válvulas atendidas por reloj Duración Reloj Válvulas atendidas por secuenciador Duración Secuenciador. Cantidad 265 400 5 2265 12 250 72 250 72. Unidades mts mts válvulas mts meses bloques meses bloques meses. Datos Riego Sensor-X10 Sensores por bloque Duración Sensores Válvulas "Saunders" Cableadas por bloque Cable por sensor (del sensor a la válvula) Longitud cable por sensor por bloque Longitud cable central bloque Longitud cable por bloque Distancia media bloque-control Cantidad de Cable Duración Cable Dispositivos X10 por bloque (válvula y sensor) Dispositivo central X10 (computador a la red) Duración Dispositivos X10 Válvulas atendidas por X10 Sensores atendidos por X10 Duración computador. Cantidad. Unidades sensores meses válvulas mts mts mts mts mts mts meses. Datos Inversión Inicial Bomba de Riego Tubería Magistral Finca Tubería de 3" para bloque. Cantidad. 5 48 5 15 75 50 125 400 525 12 5. dispositivos. 1 12 128 128 48. dispositivos meses válvulas sensores meses. 1 1 1. Unidades bomba tubería tubería. Las tablas básicas. Página 31 de 41. Valor $ $ $. -.

(32) •. Datos Bloque: presenta los datos generales típicos de un bloque de una finca de la sabana de Bogotá.. •. Datos Generales: datos generales, a manera de memorias de cálculo.. •. Datos Laborales: datos laborales típicos para una finca de flores.. •. Datos de Costos: costos de los insumos y materias primas usadas en un cultivo típico y para los efectos de este proyecto.. •. Datos equivalentes: equivalencias de algunas unidades.. •. Datos Riego a Cacho: “Riego a Cacho”, es como se le llama al riego que se hace con un trabajador o regador y una manguera en forma de cacho – tubo de PVC-, desplazándose por los espacios entre cama y cama del cultivo. Es el tipo de riego más manual que hay. El control en este tipo de riego se hace calculando el tiempo que dura un riego manual a manguera, conociendo el caudal de salida de la manguera. Generalmente, se hace hasta que la cama se llene de agua.. •. Datos Riego por Goteo: Riego por Goteo, es el riego más típico para implementaciones en cultivos tecnificados. Consiste en una bomba que riega el cultivo a través de un gotero una o varias veces al día. El control sobre este tipo de riego es manual, calculando el tiempo que dura un riego abriendo y cerrando unas válvulas para el control de cada sección de riego.. •. Datos Riego por Reloj: Es un riego por goteo pero el control del riego se hace mediante un reloj de riego y un secuenciador que abre y cierra las válvulas de acuerdo a una programación.. •. Datos Riego por Sensor – X10: Es un riego más tecnificado donde la lectura de humedad del suelo se hace con un sensor y a partir de allí se toma la decisión de riego. El protocolo X10 se utiliza para el transporte de las señales de prendido y apagado de las válvulas de cada sección de riego y para el envío de la señal del sensor.. •. Datos Inversión Inicial: Presenta las inversiones que en cualquiera de los tipos de riego presentados es obligatorio hacer. Los precios no se colocan para recalcar el hecho de que es. Página 32 de 41.

(33) necesario hacer ésta inversión en todos los tipos de riego. Por esto es posible descartarlos del análisis.. Tablas de costos por mes por bloque por tipos de riego.. Costos mes por bloque Riego a Cacho Mano de Obra Regador Supervisor Bombero Subtotal Desperdicios Agua Nutriente Subtotal Mantenimiento Mangueras Válvulas Subtotal Otros Imprevistos Dotación, Transporte, etc. Subtotal. Cantidad. Unidades. Valor Unitario. Valor Total. 1 0.25 0.083333333. mes mes mes. $ $ $. $ $ $ $. 560,000 180,000 60,000 800,000. $ $ $. 8,887 166,629 175,515. $ $ $. 8,333 5,000 13,333. $ $ $. 98,885 49,442 148,327. 20% 20%. 4.166666667 0.083333333. 560,000 720,000 720,000. del riego por bloque día del riego por bloque día. mts válvula. $ $. 2,000 60,000. 10% 5%. Total Inversión Inicial Manguera de Riego Válvulas de paso. $ 1,285,503 Cantidad 150 3. Unidades mts válvulas. Total. Costos Mensuales Amortización Inversión 12 meses Total Mensual. Valor unitario $ 2,000 $ 60,000. Valor Total $ 300,000 $ 180,000 $. Valor $ 1,285,503 $ 40,000 $ 1,325,503. Página 33 de 41. 480,000.

(34) Costos mes por bloque Riego por Goteo Mano de Obra Regador Supervisor Bombero Subtotal Desperdicios Agua Nutriente Subtotal Mantenimiento Mangueras Válvulas Subtotal Otros Imprevistos Dotación, Transporte, etc. Subtotal. Cantidad. Unidades. Valor Unitario. Valor Total. mes mes mes. $ $ $. $ $ $ $. 46,667 90,000 60,000 196,667. $ $ $. 2,222 41,657 43,879. $ $ $. 75,000 20,833 95,833. 10%. $. 33,638. 5%. $ $. 16,819 50,457. $. 437,293. 0.083333333 0.125 0.083333333. 5% 5%. 281.25 0.069444444. 560,000 720,000 720,000. del riego por bloque día del riego por bloque día. mts válvula. $ $. 267 300,000. Total Inversión Inicial Manguera de Riego por goteo Válvulas "Saunders". Cantidad 450 5. Unidades. Valor unitario. Valor Total. mts válvulas. $ $. $ 3,600,000 $ 1,500,000. Total. Costos Mensuales Amortización Inversión 12 meses Total Mensual. 8,000 300,000. $ 5,100,000 Valor $ 437,293 $ $. 425,000 862,293. Página 34 de 41.

(35) Costos mes por bloque Riego por Reloj Mano de Obra Regador Supervisor Bombero Subtotal Desperdicios Agua Nutriente Subtotal Mantenimiento Mangueras Válvulas Reloj y Secuenciador Cableado Subtotal Otros Imprevistos Dotación, Transporte, etc. Subtotal. Cantidad. Unidades. Valor Unitario. Valor Total. mes mes mes. $ $ $. $ $ $ $. 15,556 45,000 60,000 120,556. $ $ $. 889 16,663 17,552. $ $ $ $ $. 75,000 20,833 69,444 7,550 172,828. 10%. $. 31,093. 5%. $ $. 15,547 46,640. $. 404,215. 0.027777778 0.0625 0.083333333. 2% 2%. 281.25 0.069444444 0.013888889 18.875. 560,000 720,000 720,000. del riego por bloque día del riego por bloque día. mts válvula reloj mts. $ $ $ $. 267 300,000 5,000,000 400. Total Inversión Inicial Manguera de Riego por goteo Válvulas "Saunders" Reloj Secuenciador Cable Total. Costos Mensuales Amortización Inversión 12 meses Total Mensual. Cantidad 450 5 1 1 2265. Unidades. Valor unitario. Valor Total. mts válvulas reloj secuenciador mts. $ $ $ $ $. $ 3,600,000 $ 1,500,000 $ 4,200,000 $ 800,000 $ 906,000 $ 11,006,000. Valor $ 404,215 $ 917,167 $ 1,321,382. Página 35 de 41. 8,000 300,000 4,200,000 800,000 400.

(36) Costos mes por bloque Riego con Sensor X10 Mano de Obra Regador Supervisor Bombero Subtotal Desperdicios Agua Nutriente Subtotal Mantenimiento Mangueras Válvulas Cableado Sensores X10 Computador Subtotal Otros Imprevistos Dotación, Transporte, etc. Subtotal. Cantidad. Unidades. Valor Unitario. Valor Total. mes mes mes. $ $ $. $ $ $ $. 15,556 45,000 60,000 120,556. $ $ $. 889 16,663 17,552. $ $ $ $ $ $ $. 75,000 20,833 1,750 6,250 24,250 1,042 129,125. 10%. $. 26,723. 5%. $ $. 13,362 40,085. $. 347,402. 0.027777778 0.0625 0.083333333. 2% 2%. 281.25 0.069444444 4.375 0.104166667 0.416666667 0.020833333. 560,000 720,000 720,000. del riego por bloque día del riego por bloque día. mts válvula mts sensor Dispositivo Computador. $ $ $ $ $ $. 267 300,000 400 60,000 58,200 50,000. Total Inversión Inicial Manguera de Riego por goteo Válvulas "Saunders" Computador Software Dispositivo Central Dispositivos X10 Caja Sensor Sensores Cable Total. Costos Mensuales Amortización Inversión 12 meses Total Mensual. Cantidad 450 5 1 1 1 5 1 5 525. Unidades. Valor unitario. Valor Total. mts válvulas computador licencia dispositivo dispositivo Caja sensores mts. $ $ $ $ $ $ $ $ $. $ 3,600,000 $ 1,500,000 $ 3,000,000 $ 2,000,000 $ 276,450 $ 291,000 $ 60,000 $ 50,000 $ 210,000 $ 10,987,450. Valor $ 347,402 $ 915,621 $ 1,263,023. Página 36 de 41. 8,000 300,000 3,000,000 2,000,000 276,450 58,200 60,000 10,000 400.

(37) En las anteriores tablas se ha hecho un análisis de costos para cada tipo de riego utilizando como base de comparación el costo mensual por bloque. Como se ve en la siguiente gráfica resumen se pueden sacar varias conclusiones. •. El riego a cacho es el más económico en cuanto a inversión, pero presenta un elevado costo mensual fijo, haciéndolo a la larga muy costoso.. •. La pequeña diferencia que existe entre el Riego por Reloj y el Riego Sensor –X10 hace deseable el hecho de implementar el último pues los valores agregados –historial de riego, riego por demanda, teoría de riego, etc.- son de valor estratégico y crean capacidades y generan conocimiento, ayudando a la formación del recurso humano, al interior del cultivo o finca.. Costos Comparativos Sistemas de Riego. Pesos. $ 1,400,000 $ 1,200,000 $ 1,000,000 $ $ $ $. Cacho Goteo. 800,000 600,000 400,000 200,000 $-. Reloj Sensor - X10. Costos Mensuales. Amortización Inversión 12 meses. Total Mensual. Valores. Fig. 7. Comparativo de costos entre sistemas de riego.. Como se muestra en las anteriores tablas, el valor de una inversión en un sistema X10 para el control de Riego, presenta un retorno de la inversión en menos de un año, además de tener un valor agregado porque Página 37 de 41.

(38) se está generando una estadística de riego que permitirá plantear una teoría o un comportamiento del riego por demanda en unas condiciones determinadas. Esto redundaría en la generación de conocimiento a la finca y en un uso más eficiente de los recursos.13. 13. Se utilizaron las siguientes fuentes para el levantamiento de la información de costos: Entrevista con agrónomos de fincas de la sabana, entrevista con gerentes de cultivo de fincas de la sabana, entrevista con Dr Calderón Laboratorios, cotizaciones de productos y servicios.. Página 38 de 41.

(39) 9. Conclusiones. 9.1. Del protocolo X10. Este protocolo, que hasta ahora se está utilizando en el hogar para control de tareas de bajo impacto (tareas que no afectan procesos industriales), presenta características de estabilidad interesantes para la utilización en la industria. Sin embargo, su implementación se recomienda vaya acompañada de un sistema redundante, de alarma y de emergencia para atender el proceso en caso de falla del sistema X10.. El tiempo de respuesta de los dispositivos no es inmediato, tardando algunas veces hasta un segundo en responder un dispositivo, por lo que no se recomienda para aplicaciones de respuesta rápida. El proyecto ha considerado que el control de humedad y el disparo de una bomba de riego es un proceso de respuesta lento, pues le toma a la planta o al suelo más de 3 horas asimilar toda la humedad que se implanta con una acción de riego típica.. El análisis de costos que arroja la utilización de esta tecnología es significativamente mejor comparándolo con sistemas controlados por reloj, pues hay un valor agregado –estadístico, generación de conocimiento, utilización de recursos de forma eficiente - , que en el otro caso muchas veces es desordenado o no existe.. 9.2. Del sistema de Riego. Página 39 de 41.

(40) Un sistema de riego por demanda absorbería muchos de los costos que se presentan actualmente en la parte de riego, pues se tendría una utilización más adecuada de los recursos (bomba, nutriente, agua).. El valor estadístico que se puede generar con el sistema permite tomar decisiones con base en mediciones de campo más que en la “felicidad de la planta” o experiencia del agrónomo, obteniendo curvas de comportamiento o de necesidad según el conjunto sustrato-cultivo.. 9.3. Del desarrollo a seguir.. Se debe hacer especial énfasis en el sistema redundante, de alarma y de emergencia a la hora de implementar en campo, pues los usuarios son temerosos a la hora de implementación de tecnología nueva. Actualmente y para efectos de costos, se ha dejado en términos de mano de obra flotante que se puede utilizar en caso de emergencia cuando el sistema falle.. El sistema se seguirá desarrollando con miras a lograr otros objetivos en el área de control remoto de procesos: control vía web, control autónomo (con un controlador y sin computador) y control de otras variable como preparación de soluciones, cuarto de válvulas y control de temperatura.. Página 40 de 41.

(41) 10. Bibliografía. [1] Website SmartHome, 1995-2002, http://www.smarthome.com. [2] Website X10.com, 1997-2002, http://www.x10.com. [3] Website X10.org, 1997-2002, http://www.x10.org. [4] Website. Dr.. Calderón. Labs,. 2000-2002,. http://www.drcalderonlabs.com/Aparatos/Sensores_de_Humedad.htm. [5] Website Crevier Scott, 1997-2002, http://www.x10.crevier.org/webinterface/ [6] Website Technocopia, 1999-2002, http://www.technocopia.com/ha-19991213-whatisx10.html. [7] Website CasaInteligente.Com, 2001-2001, http://casainteligente.com/x10/x10.htm. [8] K. Ogata, “Modern Control Engineering”. Prentice-Hall, New Jersey, 1997. [9] E. Rios R., “Transmisión de datos por línea de potencia”. Universidad Antonio Nariño, 1998. [10]. B. Brey. “Los microprocesadores Intel”. Prentice-Hall, México, 1994.. [11]. The. RS232. Standard.. http://www.camiresearch.com(Data_Com_Basic/RS232_standard.html; www.eia.org [12]. Mª D. Fernández, F. Orgaz, E. Fereres, J. C. López, A. Céspedes, J. Pérez, S. Bonachela,. M. Gallardo. Programación del riego de cultivos hotícolas bajo invernadero en el sudeste español. Cajamar, Barcelona España. 2002 [13]. Browning, L. Choudhary , P. Davis, J. Johnson, D. Miwa, L. The Future of Home. Controls. Illinois Institute of Technology, Illinois U.S.A. Mayo de 2000 [14]. Instituto Geográfico Agustín Codazzi. Física de Suelos. Instituto Geográfico Agustín. Codazzi. Año no reportado. [15]. Peacock’s,. Craig.. Interfacing. the. http://www.senet.com.au/~cpeacock. Enero de 1998. Página 41 de 41. Serial. RS232. Port. V.. 5..

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