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Este trabajo de grado expone el desarrollo de una aplicación para dosificación automáticade fertilizantes sobre un cultivo, la cual se ajusta a una densidad de siembra en un terreno. Walter Amaya Diaz 44042027 Nelson Mauricio Arias Olaya 44041057
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DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN PROTOTIPO DE SISTEMA DE DOSIFICACIÓN,
PARA UN VEHÍCULO DE DISTRIBUCIÓN INTELIGENTE DE FERTILIZANTES
QUÍMICOS
WALTER AMAYA DIAZ
NELSON MAURICIO ARIAS OLAYA
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERIA DISEÑO Y AUTOMATIZACIÓN ELECTRONICA
BOGOTA D.C.
2012
DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN PROTOTIPO DE SISTEMA DE DOSIFICACIÓN,
PARA UN VEHÍCULO DE DISTRIBUCIÓN INTELIGENTE DE FERTILIZANTES
QUÍMICOS
WALTER AMAYA DIAZ
NELSON MAURICIO ARIAS
DIRECTOR PROYECTO DE GRADO
INGENIERO PEDRO FERNANDO MARTIN
Trabajo de grado presentado al título de
Ingeniero de Diseño y Automatización Electrónica
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERIA DISEÑO Y AUTOMATIZACIÓN ELECTRONICA
BOGOTA D.C.
2012
3
Nota de Aceptación
_________________________
_________________________
_________________________
_________________________
_________________________
______________________________________
Firma del Asesor de Trabajo de grado
______________________________________
Firma del Jurado
______________________________________
Firma del Jurado
Bogotá D.C. 06 de Noviembre de 2012
AGRADECIMIENTOS
DEDICATORIA
A Dios por ser el guía incondicional en todos los momentos de la vida y ser la fuerza para
finalizar esta etapa de mi vida.
A mi madre por la vida que me regalo y desde del cielo, me dio un impulso para terminar
mis tesis y graduarme, ojala pueda ser un orgullo tuyo en los caminos que pueda seguir.
A mi padre por apoyarme tanto económicamente como moralmente, y por acompañarme en
estos años de estudio
Al ingeniero Pedro Martin por ser nuestro director en la tesis y ser el guía en la consecución
de este gran logro.
Walter Amaya Diaz.
TABLA DE CONTENIDO
Pag
INTRODUCCION ................................................................................................................15
1 SISTEMA DE DOSIFICACIÓN, PARA UN VEHÍCULO DE DISTRIBUCIÓN
INTELIGENTE DE FERTILIZANTES QUÍMICOS ..........................................................17
1.1 RESUMEN ............................................................................................................ 17
1.1.1 ABSTRACT: .................................................................................................. 18
1.2 ESTADO DEL ARTE ........................................................................................... 19
1.2.1 Sistemas de inyección directa ........................................................................ 19
1.3 OBJETIVOS .......................................................................................................... 22
1.3.1 OBJETIVO GENERAL ................................................................................. 22
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ......................................................................... 22
2 CRITERIOS DE DISEÑO .............................................................................................23
2.1 Selección del cultivo: ............................................................................................ 23
2.2 Características de dosificación .............................................................................. 25
2.3 Selección del tipo de fertilizante: .......................................................................... 26
3 ESPECIFICACIONES DEL SISTEMA DE DOSIFICACION ....................................29
3.1 Subsistema Mecánico: ........................................................................................... 29
3.1.1 Bomba hidráulica: .......................................................................................... 30
3.1.2 Mangueras: ..................................................................................................... 30
3.1.3 Boquillas: ....................................................................................................... 31
3.1.4 Tanques: ......................................................................................................... 31
3.2 Subsistema electrónico: ......................................................................................... 32
3.2.1 Controlador: ................................................................................................... 32
3.2.2 Sensores de nivel: ........................................................................................... 32
3.2.3 Electroválvulas: .............................................................................................. 33
3.2.4 Motores: ......................................................................................................... 33
3.3 Subsistema de comunicación: ............................................................................... 33
3.3.1 Bluetooth: ....................................................................................................... 34
3.3.2 Wireless: ......................................................................................................... 34
3.3.3 XBEE: ............................................................................................................ 34
3.4 Requerimientos del sistema de dosificación: ........................................................ 35
4 DISEÑO DEL SISTEMA MECÁNICO .......................................................................36
4.1 Selección de la bomba. .......................................................................................... 36
4.1.1 Naturaleza del líquido a bombear: ................................................................. 36
4.1.2 Tipos de bomba: ............................................................................................. 36
4.1.3 Capacidad de la Bomba:................................................................................. 37
4.1.3.1 Requerimiento de nutrientes para la región de Cundinamarca y Boyacá: .. 37
4.1.3.2 Cálculo de dosis: ........................................................................................ 38
4.1.4 Requisitos para la succión: ............................................................................. 39
4.2 DISEÑO DE LA RED ........................................................................................... 46
4.2.1 Diseño Agronómico: ...................................................................................... 46
4.3 DISEÑO DE LOS TANQUES ............................................................................. 49
4.3.1 Consideraciones de diseño: ............................................................................ 49
4.3.1.1 Dimensionamiento tanques de dosificación: .............................................. 49
4.3.1.2 Volumen máximo del tanque rectangular: ................................................. 49
4.3.4 Características del material de construcción: ................................................... 50
4.3.5. Análisis de ingeniería (CAE) del tanque por medio del sotfware solid Works: . 51
4.4 SISTEMA DE ACOPLE PARA RECARGA DE TANQUES ............................. 53
4.5 SISTEMA DE MEZCLA ...................................................................................... 54
5 DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL DE DOSIFICACION ................................55
5.1 Modelado de sistemas hidráulicos: ........................................................................ 55
5.2 Modelo tanque ....................................................................................................... 56
5.3 Modelo de la bomba peristáltica: ......................................................................... 57
5.4 Modelo del sensor de flujo: ................................................................................... 60
5.5 Control de flujo del sistema: ................................................................................. 61
5.6 Método de sintonización de Ziegler Nichols por lazo cerrado. ............................. 62
5.7 Sistema de control completo ................................................................................. 62
5.8 METODOLOGIA DE TRABAJO EN EL CULTIVO ......................................... 64
5.8.1 Especificación de tiempos de dosificación: ................................................... 64
5.8.1.1 Aplicación en matlab para determinar tiempos de dosificación: ................ 67
5.9 MONTAJE DE LOS DISPOSITIVOS EN LOS TANQUES ............................... 67
6 DISEÑO DEL SOFTWARE .........................................................................................70
6.1 Análisis de Requerimientos: .................................................................................. 70
6.2 Diagramas de casos de uso: ................................................................................... 70
6.3 Documentación de los actores y casos de uso ....................................................... 73
6.4 Diseño de la base de datos: .................................................................................... 76
7 SISTEMAS ALTERNATIVOS DE DOSIFICACIÓN .................................................78
7.1 Aplicación desarrollada para un microcontrolador pic: ........................................ 78
7.2 Funcionamiento de la aplicación: .......................................................................... 78
7.3 Aplicación para un Compact Rio: ......................................................................... 80
8 ANALISIS DE RESULTADOS ....................................................................................85
8.1 Pruebas de dosificación con la bomba peristáltica: ............................................... 86
9 CONCLUSIONES .........................................................................................................89
BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................................91
LISTA DE TABLAS
Pag
Tabla 1.Designacion de nutrientes .................................................................................... 26
Tabla 2. Fertilizantes agrosuma ......................................................................................... 28
Tabla 3. Micro aspersor para riego ...................................................................................... 31
Tabla 4. Dosis de fertilizante para 1 hectárea .................................................................. 37
Tabla 5. Nutrientes requeridos por hectárea ..................................................................... 38
Tabla 6. Nutrientes en litros por hectárea ......................................................................... 39
Tabla 7. Propiedades Físicas del agua .............................................................................. 42
Tabla 8 Datos para ingresar al programa epanet .................................................................. 47
Tabla 9. Dimensionamiento de los tanques ...................................................................... 49
Tabla 10. Propiedades del acero AISI 304 ....................................................................... 50
Tabla 11. Datos de la bomba peristáltica funcionando en paralelo con otra ................. 58
Tabla 12 Rangos de funcionamiento del sensor ABB FXL5000(miniflow) .................. 60
Tabla 13 Ecuaciones para ajuste de controladores ............................................................... 62
Tabla 14 Actor usuario ......................................................................................................... 73
Tabla 15 Actor base de datos fertilizantes ........................................................................... 74
Tabla 16 Actor punto de dosificación .................................................................................. 74
Tabla 17 Caso de uso validar usuario .................................................................................. 74
Tabla 18 Caso de uso seleccionar fertilizantes .................................................................... 75
Tabla 19 Caso de uso ejecutar aplicación ............................................................................ 75
Tabla 20 Caso de uso definir dosis ...................................................................................... 75
Tabla 21 Comparación entre un micro controlador y un Compact Rio .......................... 86
Tabla 22 Pruebas de dosificación en el compact Rio ...................................................... 87
Tabla 23 Comparación de sistemas de fertilización ......................................................... 94
Tabla 24. Relación volumen vs tiempo ............................................................................. 99
Tabla 25. Dimensionamiento del agitador ...................................................................... 109
Tabla 26. Especificaciones técnicas del motor ............................................................... 112
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1.Esquema y componentes........................................................................................ 20
Figura 2 Esquema general de dosificación........................................................................... 29
Figura 3.Detalles de la línea de succión de la bomba .......................................................... 40
Figura 4. Calculo de caudales por medio del programa epanet ........................................... 48
Figura 5. Análisis de ingeniería mediante el software Solid Works .................................... 51
Figura 6. Elementos acoplados al tanque ............................................................................. 52
Figura 7. Conexión del acople rápido con el tanque ............................................................ 53
Figura 8. Modelo tanque-válvula-bomba ............................................................................. 55
Figura 9 Dibujo del proceso en simulink ............................................................................. 57
Figura 10 Bloque salida de flujo respecto al cambio de altura ............................................ 57
Figura 11. Comportamiento de dos bombas peristálticas en paralelo .................................. 59
Figura 12 Dibujo del bloque bomba en simulink ................................................................. 59
Figura 13 Dibujo del bloque del sensor de flujo en simulink .............................................. 61
Figura 14 Controlador PID con accesorios .......................................................................... 61
Figura 15 Sistema de control en simulink de todo el proceso............................................. 63
Figura 16 Respuesta del sistema a un controlador proporcional.......................................... 63
Figura 17 Diagrama de flujo de pre procesamiento de datos ............................................... 65
Figura 18 Montaje de dispositivos en los tanques ............................................................... 67
Figura 19 Diagrama de flujo para el dispositivo de control ................................................. 69
Figura 20 Delimitación del sistema de dosificación ............................................................ 71
Figura 21 Casos de uso definir dosis.................................................................................... 72
Figura 22 Caso de uso ejecutar aplicación ........................................................................... 72
Figura 23 Casos de usos completos para el sistema de dosificación ................................... 73
Figura 24 Secuencia conexión base de datos ok .................................................................. 76
Figura 25 Secuencia conexión base de datos en falla .......................................................... 77
Figura 26. Interfaz para la aplicación con el microcontrolador pic .................................... 78
Figura 27. Interfaz en proteus .............................................................................................. 80
Figura 28. Dispositivo Compact Rio .................................................................................... 81
Figura 29. Interfaz de Labview para la aplicación del Compact Rio ................................... 83
Figura 30 Volumen dosificado por las electroválvulas ........................................................ 88
Figura 31 Configuración de los rodillos de la bomba peristáltica ....................................... 97
Figura 32 Ficha técnica de la bomba peristáltica ................................................................ 98
Figura 33 Grafica del comportamiento de la bomba peristáltica ....................................... 100
Figura 34. Instrumentos de medida .................................................................................... 101
Figura 35. Sensor Siemens capacitivo ............................................................................... 103
Figura 36. Diagrama del circuito del sensor de nivel ......................................................... 104
Figura 37 Electroválvula Danfoss ...................................................................................... 105
Figura 38 Plano tanque con sus componentes de conexión ............................................... 106
Figura 39 Acoples rápidos: macho y hembra ..................................................................... 107
Figura 40. Sistema de agitación en el tanque ..................................................................... 108
Figura 41 Número de Reynolds en función del número de potencia ................................. 111
Figura 42 Especificaciones técnicas del motor .................................................................. 113
Figura 43 Tabla de la base de datos ................................................................................... 114
Figura 44.Registro en las tablas ......................................................................................... 114
Figura 45 Conector OBDC de MySQL .............................................................................. 115
Figura 46. Conector java para instalar ............................................................................... 115
Figura 47 Archivo classpath............................................................................................... 116
Figura 48 Aplicación de Windows para acoplamiento de drivers ..................................... 116
Figura 49. Entorno para enlazar los drivers ....................................................................... 117
Figura 50.Seleccion del driver OBDC ............................................................................... 117
Figura 51. Verificación de la conexión de la base de datos ............................................... 118
Figura 52 Toolbox de matlab de Visual query builder ...................................................... 118
Figura 53 Interfaz de entrada para especificar tiempos ..................................................... 119
Figura 54 Segundo menú para insertar la recomendación de dosis ................................... 120
Figura 55. Menú para calcular volúmenes a partir de las concentraciones ........................ 121
Figura 56.Calculo de tiempos de accionamientos de las electroválvulas .......................... 122
Figura 57. Menú para ingresar datos de fertilizantes comerciales a la base de datos ........ 123
Figura 58 Valor de la relación ............................................................................................ 125
Figura 59 Diagrama de clases ............................................................................................ 125
Figura 60 .Programa para simular un puerto serial. ........................................................... 126
Figura 61.Interfaz en matlab para cargar el programa en el micro controlador ................. 126
Figura 62. Interfaz gráfica en proteus ................................................................................ 133
Figura 63. Seleccionar el dispositivo de control ................................................................ 137
Figura 64. Detectar el Compact Rio ................................................................................... 137
Figura 65. Selección del modo de Programación............................................................... 138
Figura 66 Proyecto que se creó en Labview ...................................................................... 138
Figura 67.Formas de programar el Compact Rio ............................................................... 139
Figura 68. Programa en el VI de la FPGA ......................................................................... 140
Figura 69. Selección de los módulos digitales ................................................................... 140
Figura 70. Ruta a seguir para configurar la fpga ................................................................ 141
Figura 71.Selección del VI de la fpga ................................................................................ 141
Figura 72. Selección de los slots habilitados ..................................................................... 142
Figura 73.Confirmacion del punto de llegada al sitio de dosificación ............................... 142
Figura 74. Secuencia para verificar el estado de los sensores de nivel .............................. 143
Figura 75.Señal para ir al sitio de recarga .......................................................................... 143
Figura 76. Tipo de nutriente a dosificar ............................................................................. 144
Figura 77.Ejecucion del tiempo de accionamiento de las electroválvulas ......................... 144
Figura 78. Vínculos a través de windows con MySQL ..................................................... 145
Figura 79.Seleccion del origen de datos para establecer la conexión ................................ 145
Figura 80.Prueba de conexión con la base de datos ........................................................... 146
Figura 81. Ingresar dosis para los puntos de dosificación ................................................. 146
Figura 82. Selección de dosis a través de la base de datos. ............................................... 147
Figura 83 Histórico de tiempos ......................................................................................... 148
Figura 84 Conexiones externas al compact rio de las entradas digitales ........................... 149
Figura 85 Conexiones externas al compact Rio de las salidas digitales ............................ 150
Figura 86 .Ejecutar aplicativo ............................................................................................ 155
Figura 87.Control de acceso ............................................................................................... 155
Figura 88.Datos de acceso erróneos ................................................................................... 155
Figura 89 .Control principal ............................................................................................... 156
Figura 90.Verificación de señales ...................................................................................... 156
Figura 91. Cantidad de puntos a recorrer ........................................................................... 157
Figura 92. Conexión con la base de datos .......................................................................... 157
Figura 93. Tipo de macronutriente ..................................................................................... 158
Figura 94. Volúmenes de macronutrientes......................................................................... 158
Figura 95 Interfaz de simulación ....................................................................................... 159
LISTA DE ANEXOS
Pág.
ANEXO A ........................................................................................................................... 94
ANEXO B ............................................................................................................................ 97
ANEXO C ......................................................................................................................... 101
ANEXO D ......................................................................................................................... 105
ANEXO E .......................................................................................................................... 106
ANEXO F .......................................................................................................................... 108
ANEXO G ......................................................................................................................... 114
ANEXO H ......................................................................................................................... 124
ANEXO I ........................................................................................................................... 126
ANEXO J .......................................................................................................................... 134
ANEXO K ......................................................................................................................... 149
ANEXO L .......................................................................................................................... 151
15
INTRODUCCION
Un conocimiento adecuado de las variables que influyen en el manejo de los cultivos
permite comprender las variaciones que se pueden ocasionar si un determinado elemento en
el proceso de siembra no se manipula correctamente. Los problemas generados en el
producto serían irreversibles, y en el suelo provocaría degradación por mala utilización de
los nutrientes. La agricultura de precisión se encarga de ofrecer herramientas que generen
soluciones integradas al uso indicado de cada variable del suelo. Si se modifica el aporte de
agroquímicos, utilizando dosis precisas en la aplicación, se incrementan beneficios en las
cosechas. Es por eso que parte del buen uso de los recursos disponibles está en evaluar la
susceptibilidad del suelo a la degradación por pérdida de nutrientes a partir de la extracción
del elemento por hectárea sembrada y una estimación de la disponibilidad del elemento,
contribuiría en la recuperación para evitar el empobrecimiento del suelo. El uso de
herramientas tecnológicas, permite integrar un sistema eficiente con el uso apropiado de
insumos y como parte esencial, es recurrir al fraccionamiento adecuado en la aplicación de
agroquímicos, de manera que los productos finales en la producción sean de buena calidad,
con mínimo impacto ambiental en los suelos y altamente rentable en el uso de fertilizantes.
El estudio de la variabilidad espacial es fundamental y hace parte del proceso activo para
identificar las propiedades en un suelo específico. Con base en esta premisa es
indispensable seleccionar un cultivo, para establecer fuentes de información para conocer
las necesidades, requerimientos, variables climáticas y demás características que hacen
parte del buen desarrollo de las cosechas y producciones que satisfagan al productor. En ese
sentido como parte de la investigación es importante especificar un tipo de cultivo y
establecer las condiciones necesarias para determinar un sistema de dosificación eficiente,
donde se determinen los criterios de diseño de todos los subsistemas que se llevan a cabo;
de manera que se optimice la aplicación de insumos en el terreno que se desea cultivar.
Para diseñar un sistema de dosificación en la aplicación de fertilizantes químicos se debe
identificar requerimientos tales como: tipos de nutrientes o fertilizantes, características
técnicas del cultivo, elementos mecánicos involucrados, estructura de robot móvil, entre
otros; y se pueden hacer aplicaciones basadas en mapas de fertilización, sistemas de
16
información geográfica o medición de elementos en tiempo real, que son opciones que
sirven para establecer dosis correctas en cultivos; pero debido a que el proyecto está
enfocado a dar soluciones para medianos y pequeños productores se debe realizar la
aplicación que se requiera con la cantidad adecuada de recursos y a partir de información
de las instituciones gubernamentales que manejan el desarrollo agrícola en Colombia, con
el objeto de establecer las tasas de dosificación tanto dosis variables como fijas; con lo cual
se tiene un punto de partida para todo el análisis correspondiente de los elementos a utilizar
y así desarrollar un primer sistema de información para un cultivo piloto.
Sabiendo que gran parte del territorio nacional es asequible para la siembra, este trabajo
proporcionará elementos de juicio para utilizar herramientas que permitan obtener
mayores beneficios en cuanto al aumento de producción en las cosechas, minimizar costos,
maximizar el potencial de suelos; lo cual representa un mínimo impacto ambiental, de
manera que se pueda ajustar a los avances en el mundo y lo más importante, para un
desarrollo agroindustrial que se vea reflejado en el producto final; para garantizar la más
alta calidad. Este sistema de dosificación hace parte de un proyecto macro que permite la
autonomía en la aplicación de fertilizantes, basados en punto específico; es decir, manejar
tasa variable en las dosis, basados en datos previamente procesados, dependiendo de la
densidad de siembra del cultivo que en últimas, significa encontrar las deficiencias
nutricionales de manera que se puedan solventar, mediante los fertilizantes; para
proporcionar el buen desempeño del cultivo.
Este trabajo en su contenido global, del sistema de dosificación, presenta en una primera
etapa: la identificación del cultivo y la selección de los fertilizantes. Con los anteriores
parámetros, se determina el subsistema mecánico que incluye: la determinación de un tipo
de bomba, especificación de los elementos hidráulicos involucrados dentro del sistema. En
una segunda etapa, se desarrolla de manera general, los modelos matemáticos, que permitan
entender los fenómenos físicos que ocurren en los subsistemas. En una tercera etapa, se
comparan dos dispositivos, para ejecutar las acciones de control en la dosificación del
fertilizante, para luego determinar las ventajas y desventajas de estos elementos.
17
1 SISTEMA DE DOSIFICACIÓN, PARA UN VEHÍCULO DE DISTRIBUCIÓN
INTELIGENTE DE FERTILIZANTES QUÍMICOS
1.1 RESUMEN
Este trabajo de grado expone el desarrollo de una aplicación para dosificación automática
de fertilizantes sobre un cultivo, la cual se ajusta a una densidad de siembra en un terreno.
El sistema de dosificación, es parte de una estructura autónoma de un vehículo robotizado,
para la aplicación agrícola en la Región Central de Colombia y forma parte del proyecto de
investigación en Agricultura de Precisión o Agricultura Inteligente. Como punto de partida
de la aplicación, se recopiló información acerca de los cultivos y con base en los datos
característicos encontrados, se determinaron las propiedades que fueran primordiales para
el desarrollo del sistema. De lo anterior, se encontró que un aspecto importante es
seleccionar el cultivo debido a que de él dependen las especificaciones de nutrientes y sus
características operativas, para definir el dimensionamiento del robot móvil el cual contará
con una plataforma de dosificación; con base en las propiedades del cultivo.
Para un fraccionamiento de dosis es importante conocer la materia prima y establecer el
tipo de fertilizante adecuado para el sistema. Con base en lo anterior, se establecieron los
tipos de fertilizantes y sus cantidades, las dimensiones de los tanques, se definieron los
sensores de nivel, se hizo la distribución de la tubería en cuanto a los requerimientos del
cultivo y así mismo, se desarrolló el sistema de control, teniendo en cuenta que solamente
se requería saber los niveles de los tanques en su máximo y mínimo nivel. La aplicación no
debía ser continua en el tiempo debido a la gran cantidad de puntos a recorrer, y los
requerimientos puntuales de dosis se asignan con base en un estudio previo del cultivo y los
datos se almacenan en un sistema de información central. Para un sitio especifico de
dosificación se necesita simplemente accionar una bomba dosificadora y una electroválvula
en cada punto de dosificación, con un control simple (ON-OFF), obteniendo un porcentaje
de error en la dosificación muy pequeño lo que significaba aportes adecuados de nutrientes
al cultivo, ya que las cantidades dosificadas son mínimas en cada punto.
18
1.1.1 ABSTRACT:
This paper describes the development grade of an application for automatic dosing of
fertilizers on a crop, which is adjusted to a density in an area. The dosing system is part of
an autonomous structure of a robotic vehicle for agricultural application in the Central
Region of Colombia and is part of the research project on Precision Agriculture or Smart
Agriculture. As a starting point of the application is compiled information about crops and
based on the data found characteristic properties were determined to be central to the
development of the system. From the above, it was found that one important aspect is to
select the crop because it depends nutrient specification and its operational characteristics,
to define the dimensioning of the mobile robot which will have a dispensing platform,
based on the properties of crops.
For a dose fractionation is important to know the material and set the type of fertilizer
suitable for the system. Based on the foregoing, settled fertilizer types and their amounts,
the dimensions of the tanks, defined by the level sensors, the distribution became pipe
regarding crop requirements and likewise, was developed control system, considering know
that only required levels tanks at its maximum and minimum level. The application must
not be continuous in time due to the large number of points to be covered, and the precise
dosage requirements are allocated based on a previous study of the crop and the data is
stored in a central information system. For a site-specific dosage needed simply actuating a
metering pump and a solenoid valve in each dispensing point, with a simple control (ON-
OFF), obtaining an error rate in the very small dosage which meant adequate nutrient inputs
to culture, as measured quantities at each point are minimal.
19
1.2 ESTADO DEL ARTE
1.2.1 Sistemas de inyección directa
Obtener máximos beneficios con mínimos recursos es una tendencia que marca el estilo y
propone el mundo hoy por hoy en cualquier área de investigación, pero una en especial ha
tenido gran avance los últimos años: es la agricultura de precisión. Se define como la
aplicación práctica de una serie de técnicas y conocimientos que permiten la realización del
denominado manejo sitio específico1
que permite obtener en un determinado terreno el
máximo potencial por una pequeña área de terreno lo que significa un ahorro en insumos,
evita la erosión del suelo, rendimientos óptimos en las cosechas, y muchos otros beneficios.
La tecnología actual suministra herramientas muy útiles en agricultura, una de ellas que ha
tenido gran acogida es el sistema de posicionamiento global (GPS) 2,3,4
ya que permite
variar puntualmente la aplicación de insumos.
Una aplicación basada en GPS consiste en ubicar un punto geo referenciado, para así
obtener información del estado del terreno por medio de sistemas de información
geográfica (SIG)5, con base en muestras tomadas en puntos específicos del terreno antes de
la siembra, de manera tal que se pueda establecer la homogeneidad o heterogeneidad de la
parcela, estos datos obtenidos definen la dosis para ingresarlos a los sistemas de
información. Esta variabilidad espacial del suelo en cuanto a la distribución de los
compuestos fertilizantes dependerá de muchos factores: entre ellos se encuentran el relieve
del terreno, su forma espacial, es por eso que hoy en día utilizan modelos digitales del
terreno (MDT)6, utilizando estas técnicas combinadas con análisis estadísticos del suelo,
que permiten obtener óptimos resultados en la aplicación del fertilizante sobre un suelo
determinado.
1 Institución Nacional de Tecnologia Agropecuaria.(2011).Agricultura de precisión.
http://www.inta.gov.ar/Villegas/info/PDF/Jornadas/Agrofutura09/09_Cid_agricultura_de_precision.pdf 2 Garcia Pérez, L. et.al. An agent of behavior architecture for unmanned control of a farming vehicle. Computers and Electronics in
Agriculture.Science Direct. No. 60. 2008.p. 39-48 3Gan-Mor, Samuel et.al. Implement lateral position accuracy under RTK-GPS tractor guidance. Computers and
Electronics in Agriculture.Science Direct. No. 59. 2007.p. 31-38.
4 De Bruin, S. et.al. Propagation of positional measurement errors to agricultural field boundaries and associated costs.
Computers and Electronics in Agriculture. Science Direct. No. 63. 2008.p. 245-256. 5 Santé-Rivera, Inés. Et.al. GIS-based planning support system for rural land-use allocation. Computers and Electronics in
Agriculture. Science Direct. No. 63. 2008.p. 257-273. 6 Kumhála, František. et.al. Development and evaluation of forage yield measure sensors in a moving-conditioning
machine. Computers and Electronics in Agriculture. Science Direct. No. 58. 2007.p. 154-163
20
Una empresa que se destaca por el desarrollo de sistemas de aplicación de fertilizantes es
Teejet7, que ha consolidado muchos productos para uso comercial en el campo de la
agricultura. Uno de estos son los sistemas de inyección directa que disponen de un conjunto
de componentes como lo son: consolas de agitación, bombas peristálticas, depósitos y
válvulas entre otros; este sistema es ampliamente utilizado para labores agroindustriales en
todo el mundo y su esquema se visualiza en la figura 1.
Figura 1.Esquema y componentes
Fuente Tomada de http://www.teejet.com
La Figura 1 permite ver el flujo de información y conexión de dispositivos, donde se
adaptan a una sola consola de mando y mantienen el formato de la norma internacional
ISO11783 que usualmente la llaman isobus adoptadas por los fabricantes de maquinaria
agrícola en el año 2001. Esta aplicación establece la dosis para los tres macronutrientes
esenciales para el suelo, los cuales son: Nitrógeno, Fósforo, Potasio; utilizan tres tanques y
7 Teejet tecnologías.(2011).Componentes del sistema de inyección directa. http://www.teejet.com
21
tres bombas peristálticas, para el almacenamiento y posterior dosificación, el control de
dosificación está sujeto a la consola de mando, y variar la velocidad del motor de la bomba.
Otra manera de medir la falta de nutrientes es por medio de un sensor remoto desarrollado
por la universidad de Oklahoma de EE.UU, para definir la dosis, se debe establecer el
estado nutricional del cultivo respecto al Nitrógeno(N), de tal manera que se pueda
cuantificar a partir del contenido de clorofila, el cual se determina midiendo la reflactancia
del follaje. El aumento de la concentración de clorofila debido a un mejor nivel de N
incrementa el área foliar y la actividad fotosintética, por lo que la correlación entre el índice
espectral y la acumulación de biomasa de los cultivos permite predecir el estado nutricional
y, consecuentemente, la recomendación de fertilización. La lectura de reflexión interna es
calculada por un microprocesador, que permite obtener el Indice de vegetación de
diferencia normalizada (NDVI), que se transmite a un computador portátil adaptado al
sensor8 . De los anteriores sistemas mencionados, la aplicación que se puede adaptar mejor
al proyecto, es el sistema de inyección directa porque, utiliza dispositivos que son de fácil
acceso como los son: los tanques y la bombas peristálticas; permite la manipulación
diferencial de los fertilizantes, lo que conlleva al control especifico de cada nutriente en el
suelo. Por esta razón, gran parte del proyecto está enfocado hacia la estructura de esta
aplicación; sin dejar de lado las otras aplicaciones mencionadas, como el sistema basado
en GPS, que sirve para ubicar una coordenada especifica dentro del cultivo, de manera que
se pueda establecer un nivel de dosificación para punto en particular. Para establecer los
nutrientes requeridos, se realiza, según los ingenieros agrónomos de dos formas: la primera
y más recomendable es hacer un análisis de suelos previo del terreno lo que permite estar
plenamente seguro de los requerimientos exigidos por el suelo; la segunda forma se puede
determinar estableciendo dosis de acuerdo a estudios hechos con anterioridad en una
región en particular, que permita determinar información acerca de la composición del
suelo y la dosificación aparente que se necesite, que posteriormente se pueda ingresar a una
base de datos central.
8 Buscagro.(2011).Experiencia con el sensor remoto terrestre greenseeker. http://www.buscagro.com
22
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 OBJETIVO GENERAL
Diseñar y simular un prototipo de sistema de dosificación para un vehículo de
distribución inteligente de fertilizantes químicos.
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1. Diseñar una base de datos que suministre la información de porcentajes de
dosificación de los elementos a aplicar
2. Diseñar y simular el sistema mecánico de dosificación el cual va acoplado al
vehículo
3. Diseñar y simular el sistema de mezcla de los fertilizantes a aplicar
4. Diseñar y simular el sistema de control de dosificación el cual dará el balance
adecuado de macro nutrientes en el cultivo
5. Diseñar y simular el sistema de riego de los fertilizantes y agua.
6. Diseñar y simular el sistema de acople y llenado de los fertilizantes y agua del
vehículo.
7. Diseñar y simular el sistema de control de nivel para el almacenamiento de macro
nutrientes y de agua del sistema.
8. Diseñar y simular los tanques de almacenamiento necesarios para el sistema de
dosificación.
9. Diseñar y simular la tubería requerida para el sistema de riego dentro del vehículo.
10. Diseñar e implementar una interfaz de comunicación humano-máquina con el
usuario del sistema.
23
2 CRITERIOS DE DISEÑO
2.1 Selección del cultivo:
La selección se hizo a partir de la información recolectada acerca de los diferentes
tipos de cultivos que son desarrollados en mayor escala en el país, lo cual permitió
establecer características de cada uno9.
La Jartropha, es un arbusto muy grande que implicaría un prototipo más robusto y
por lo tanto, costoso y es un cultivo que casi no requiere irrigación de nutrientes que
es el propósito principal del proyecto. Incluso, se usa como fuente de abono y
fijación de nitrógeno entre otros. En Colombia, es un cultivo de reciente estudio por
el interés en aceites y combustibles y no se tienen referencias de cultivos
relativamente grandes que lo justifiquen.
La Soya, es el cultivo que más se presta por sus condiciones de siembra, irrigación,
crecimiento y características del cultivo a gran escala. Es un tipo de cultivo de un
buen crecimiento en Colombia en los últimos años. Tiene un gran rendimiento en
condiciones de automatización del cultivo (2,5 a 3 Ton/ha) y gran demanda (820000
Ton/año). Pero es un cultivo que fundamentalmente se está desarrollando en la
región de la Orinoquía en Colombia, que lo hace demasiado lejano para pruebas de
campo y de menor accesibilidad que otros.
El Arroz, es un cultivo que se encuentra en una región no tan lejana (Tolima), tiene
buenos requerimientos de aplicación de nutrientes durante todo el período de
desarrollo (3 a 4 veces); es de gran producción en Colombia por su consumo diario,
pero presenta inconvenientes por el periodo de inundación que influyen en la
asimilación y pérdida de nutrientes por una parte, y en la complejidad requerida por
el vehículo para su posible uso en este periodo de inundación. Por el contrario, si se
prescindiera del vehículo durante la inundación, podría ser muy costoso.
9Martin.Pedro.F Definicão de tipo cultura ou plantacão.Relatorio para qualifacão de Doutorado.Distribuicão inteligente de
adubos químicos via Gps,2011.
24
El Trigo, es un cultivo que ha venido decayendo extremadamente rápido en los
últimos años en Colombia ya que después de ser de gran producción, pasó a ser de
gran importación, por los costos de producción, frente a los productos procesados
importados, que lo hacen muy desfavorable. Los cultivos más grandes se encuentran
en el sur del país (departamento de Nariño) que lo hacen inconveniente por lo lejano
y los más cercanos (departamento de Boyacá), son relativamente pequeños para
nuestros fines (menor de 0,5 ha).
La papa, es una planta de tamaño relativamente pequeño (aprox. 30 cm), con
cultivos de 1m entre surcos y 40 cm entre plantas, de disponibilidad casi
permanente en la sabana de Bogotá, con cultivos grandes en el departamento de
Boyacá (a 1,5 horas de Bogotá), su producto de interés es el tubérculo, siendo
menos delicado el cuidado de la planta, con aplicación frecuente de nutrientes y con
cosechas abundantes en gran escala (15 a 25 ton/ha). Las variedades comerciales
son de consumo diario, lo cual hace fácil encontrar los cultivos disponibles y solo es
muy sensible a las heladas, que se presentan ocasionalmente, cuando hay cambios
bruscos de clima por temporada; lo cual no ocurre frecuentemente. A esto se suma
la facilidad de encontrar cultivos para pruebas de campo incluso en la calera, hacia
las afueras de la ciudad de Bogotá
De las anteriores características presentadas, se determinó, que el cultivo de papa presenta
las siguientes ventajas:
Ubicación geográfica de siembra: Según finagro10
, aproximadamente el 65% de la
producción comercial de la papa se concentra en el departamento de Cundinamarca con un
índice del 30% , y en Boyacá alrededor del 35%,lo cual facilita un desplazamiento cercano
desde Bogotá hacia un cultivo sembrado en cualquier punto de Cundinamarca, para realizar
pruebas de campo. Mientras los otros cultivos evaluados se siembran en zonas alejadas del
casco urbano de Bogotá.
10 Finagro.(2012).Información sectorial(papa). www.finagro.com.co
25
Tamaño de la planta: En comparación con los demás cultivos, la papa presenta crecimiento
vegetativo no mayor a 30 cm, lo que significa, un desarrollo de un prototipo a una escala
adecuada, de manera tal que no implique costos muy elevados en la fabricación.
Cantidad de semilla sembrada por hectárea: Las distancias más corrientes entre surcos
están entre 70 a 100 cm y 30 a 40cm entre plantas, lo que implica un aporte nutricional
bastante alto, es decir aplicación de fertilizantes frecuentemente.
Temporadas de siembra en Colombia: Debido a condiciones climáticas, durante enero y
marzo se realiza la siembra grande alrededor de 50% del área sembrada, y la siguiente se
realiza entre junio y agosto que representa el 30% del área sembrada, y el resto del año se
hacen siembras escalonadas.
2.2 Características de dosificación
Luego de verificar las características técnicas seleccionadas del cultivo, se procedió a
definir las características, en cuanto al manejo adecuado de nutrientes en la dosificación; de
acuerdo, con algunos estudios técnicos (FONADE, et al 2002) manifiestan que la nutrición
del cultivo de papa se realiza con aplicaciones de fertilizantes macronutrientes, ricos en
Nitrógeno Fósforo y Potasio, y algunos micronutrientes, como lo son Calcio, Magnesio y
Azufre. En cuanto a la cantidad de aplicación lo más recomendable técnicamente, es
realizar un análisis de suelo al lote que se quiere utilizar, para determinar dosis adecuadas
sobre el terreno, pero también existen recomendaciones de dosis, que fueron orientadas
para diferentes regiones del país, permitiendo que productores, los cuales no tienen recursos
suficientes para realizar los estudios pertinentes en el suelo, también puedan aplicar
fertilizantes, de acuerdo con requerimientos específicos de cada región. Más adelante en el
documento se especifica en una tabla el requerimiento específico para la región de
Cundinamarca y Boyacá.
26
2.3 Selección del tipo de fertilizante:
En la investigación correspondiente con el cultivo se encontró que el uso inadecuado de los
insumos hace que los precios de producción puedan aumentar, además que el producto final
no sea de óptimas condiciones. Por esta razón, se debe implementar una estructura que
permita el correcto uso de los fertilizantes que se deben aplicar al cultivo. En ese orden de
ideas también es importante definir qué clase de agroquímico se debe aplicar a la papa de
manera tal que permita óptimos rendimientos en las cosechas con el requerimiento
específico de la siembra.
Los fertilizantes son materiales de tipo orgánico e inorgánico que se suministran a las
plantas para complementar las necesidades nutricionales de su crecimiento y desarrollo. En
los fertilizantes se debe distinguir: La unidad del fertilizante y la concentración.
La unidad fertilizante es la forma que se utiliza para designar al nutriente.
Internacionalmente se establece la siguiente caracterización11
:
Tabla 1.Designacion de nutrientes
Elemento Símbolo o formula
Nitrógeno N
Fosforo P2O5
Potasio K2O
Calcio CaO
Magnesio MgO
Azufre S
Fuente Federico Ramírez D. Especialista en Fertilidad de Suelo y Nutrición de
Plantas Corporación Misti S.A.
La concentración de un fertilizante es la cantidad del elemento nutritivo por unidad de peso
del producto. Se expresa en porcentaje del total del peso del fertilizante.
A partir de la concentración de un fertilizante y conociendo la necesidad en kg del
elemento, se determina la cantidad de aplicación del mismo, mediante la siguiente fórmula:
11 Corporación Misti S.A.(2011).Conceptos sobre fertilidad de suelos y fertilizantes. Federico Ramírez D. Especialista en
Fertilidad de Suelo y Nutrición de Plantas. Pág. 2
27
( 1)12
Para la aplicación del fertilizante en el suelo, se debe determinar en qué estado de la
materia se encuentra, es decir su forma física. Los fertilizantes se clasifican en dos grandes
Grupos: sólidos y líquidos; las propiedades físicas de los sólidos están determinadas por la
granulometría del producto, esto se refiere al tamaño de la partícula, que según el
fabricante, estos gránulos pueden variar entre 2 mm y 4 mm y los que son solubles en agua
están entre 0.1 mm y 0.15 mm, lo cual influye en la uniformidad de distribución del
fertilizante en el campo y en la cantidad de material que pueda salir de un depósito de
almacenamiento. Esto último, puede generar que los gránulos individuales formen una
masa sólida a lo cual se le denomina compactación. Por otro lado los fertilizantes líquidos
presentan características, en cuanto a: composición química, temperatura de cristalización,
pH, peso específico. De las anteriores características, la variable de la cual no se podría
tener control seria la temperatura, pero de acuerdo a la selección del cultivo, los cambios
bruscos de temperatura que ocurren en la región no se producen muy frecuentemente; por
tal motivo y teniendo en cuenta que sus otras características son fijas, es decir, que están
dadas por el fabricante del fertilizante. La ventaja radica en contar con tecnología más
precisa para aplicar la cantidad de volumen requerido de nutrientes en el suelo. Con base en
lo anterior, se optó por usar los fertilizantes líquidos. Para ver en más detalle las
características de los fertilizantes ver el ANEXO A.
A la hora de planificar la dosis adecuada es importante conocer el grado del fertilizante en
cualquiera de sus presentaciones, esto se define como la relación del contenido nutricional
expresado en porcentaje (peso), en el siguiente orden: N-P2 O5 –K2 O. En consecuencia, el
fertilizante cuyo grado es 13-26-10, por ejemplo, contendría 13% de Nitrógeno (N), 26% de
12 Corporación Misti S.A.(2011).Conceptos sobre fertilidad de suelos y fertilizantes. Federico Ramírez D. Especialista en
Fertilidad de Suelo y Nutrición de Plantas. Pág. 3
28
Fósforo (P2O) y 10% de Potasio (K2O); si el contenido en un producto, contiene un solo
elemento, a este se le denomina como un fertilizante simple, por lo tanto si tiene más de
uno, son fertilizantes compuestos. Los fertilizantes líquidos comerciales que se
seleccionaron, fueron de acuerdo a catálogos comerciales, debido a la información
completa que suministran respecto a las características del fertilizante líquido, que sirven
como análisis para elementos del sistema de dosificación; esta empresa es de origen
argentino, pero si se quiere encontrar en Colombia, estos mismos productos pueden ser
fabricados en base a una fórmula solicitada, lo cual no tiene problema a la hora de montar
el proyecto. Teniendo en cuenta lo anterior, las características de los fertilizantes líquidos
se presentan en la Tabla 2.
Tabla 2. Fertilizantes agrosuma
Nitrogenados Solmix 28-0-
0 + 5,2% S
Fosfatados Solfos 11-37-0 +
5% S
Potásicos Solks 0-0-25
+17% S
7% N-Nítrico 11% N- Amoniacal 25 % k2O
8% N-Amoniaco 30% P2O5 ------------
10 % N- Ureico 5% Azufre ------------
Densidad 1.32kg/l Densidad 1.41kg/l Densidad 1,46 kg/l
Fuente Agrosuma13
13 Marcelorossini.(2012,25 de mayo).Fertilizantes líquidos Solmix. http://www.marcelorossini.com.ar
29
3 ESPECIFICACIONES DEL SISTEMA DE DOSIFICACION
La forma general del sistema de dosificación se pueden dividir en tres subsistemas, como lo
son: el sistema mecánico, sistema electrónico, sistemas de comunicaciones, si se tiene en
cuenta que el prototipo es un robot móvil, estos elementos deben ir involucrados. El
sistema mecánico está conformado por dispositivos tales como, motores, mangueras, tés,
codos, bombas y demás elementos que puedan describir el movimiento del fluido dentro de
este. El sistema electrónico es el encargado del procesamiento de señales dentro del
sistema, por medio de un conjunto de circuitos que interactúan entre sí para generar algún
control. En cuanto al sistema de comunicación, se contemplan tres opciones, como lo son:
Zigbee, bluetooth, y wirelees que sirven para enviar y recibir señales, la diferencia radica
en sus características técnicas. De acuerdo con lo anterior se desarrollan los subsistemas a
seguir.
3.1 Subsistema Mecánico:
A continuación se describen los elementos por medio de un esquema, en la Figura 2 y su
distribución en el sistema.
Figura 2 Esquema general de dosificación
Fuente autores
30
3.1.1 Bomba hidráulica:
Este elemento convierte la energía mecánica desarrollada por el motor eléctrico en energía
de presión hidráulica. Se seleccionó una bomba de desplazamiento positivo por las
siguientes ventajas ofrecidas: desplazan un volumen predeterminado de líquido en un
tiempo especificado, las partes internas de la bomba no se encuentran en contacto con el
líquido, lo que representa un ventaja debido a las características del fertilizante, se utilizan
frecuentemente para aplicaciones de inyección de productos químicos, el flujo es constante
independientemente de la presión, estas características la hacen un opción muy útil en el
manejo controlado del líquido14,15
. Las características de la bomba están en el ANEXO B.
3.1.2 Mangueras:
Una manguera permite transportar fluidos de un lugar a otro. A las mangueras también se
les llama tubos, aunque los tubos generalmente son rígidos mientras que las mangueras son
flexibles. Para la unión de mangueras se utilizan distintos tipos de racores o acoples de
diferentes formas (en codo, T ,L).Teniendo en cuenta lo anterior, en el proyecto se utilizan
mangueras para riego, que tengan resistencia a la corrosión ,debido a que dentro de las
tuberías se moverán los fertilizantes que tienen un grado de acidez alto. De acuerdo con lo
anterior, y debido a la gran cantidad de tuberías que se encuentran en la industria en
diferentes presentaciones, se limitó a la selección de las tuberías16
, hacia aplicaciones en el
ámbito de la agricultura, junto con los racores y accesorios comerciales, al revisar catálogos
comerciales se estimó un diámetro nominal de 12mm para la conexión entre los elementos,
esta manguera por sus características de fabricación, es resistente a los agroquímicos e ideal
para la aplicación.
14 Kenneth, J. (1978). Bombas, Selección, uso y mantenimiento.Madrid.McGraw-Hill 15 Mott, R.L. (2006).Mecánica de fluidos. México. Pearson Educación. 16 Agrifim.(2012).Portafolio de productos.http://www.agrifim.net/
31
3.1.3 Boquillas:
Las boquillas permiten aplicar el fertilizante con un radio de mojado específico. En este
proyecto se utilizan micro aspersores, por el dimensionamiento que se hizo al prototipo, lo
cual no requiere un aspersor de un tamaño robusto.
A partir de la selección que se hizo en la tubería con los catálogos comerciales, se
encontraron las boquillas o micro aspersores para riego, que permitieran uniformidades de
riego, las cuales proporcionan una descarga en forma dirigida con una alta uniformidad de
riego, estás características se presentan en la Tabla 3.
Tabla 3. Micro aspersor para riego
Referencia Presión (psi) Caudal (lph) Radio mojado
20 27 1
30 25 30 1,05
30 34 1,05
20 42 1,1
45 25 45 1,1
30 51 1,15
Fuente http://www.agrifim.net/hojas%20tecnicas/monojet.pdf 17
Los diámetros seleccionados tanto para la tubería como en las boquillas, se determinan, a
partir de la compatibilidad entre elementos, para evitar acoples que generen pérdidas en el
trayecto del fluido.
3.1.4 Tanques:
Para el almacenamiento de los fertilizantes en tanques, se seleccionaron a partir de
requisitos tanto en dosificación como del dimensionamiento del vehículo agrícola, esto
último para permitir un centro de gravedad permisible en el vehículo, con lo cual la altura
del tanque no afectara el equilibrio del vehículo, de esta manera no debe ser mayor a 40 cm.
Por otro lado, se necesita determinar los materiales adecuados que soporten presiones
ejercidas por el líquido dentro del tanque y que la cantidad de fertilizante acumulada sea de
gran capacidad. Las anteriores características se presentan en el diseño de tanques.
17 Agrifim.(2012).Portafolio de productos.http://www.agrifim.net/
32
3.2 Subsistema electrónico:
Para maniobrar los diferentes dispositivos del sistema, se debe contar con un conjunto de
componentes, a partir de los cuales se pueda ejecutar acciones, tales como, encendido o
apagado, procesamiento de señales o verificación del proceso, entre otras, que permitan la
aplicación de fertilizante apropiada. Los siguientes elementos hacen parte de este
subsistema:
3.2.1 Controlador:
En el mercado existen una buena cantidad de elementos que sirven para controlar procesos,
por lo tanto se hizo una comparación entre dos aplicaciones, una realizada con un micro
controlador, y otra con un pac programable(CompactRio)18
. Se seleccionó el pac, por las
ventajas que presentaba sobre el micro controlador, una de ellas radica en la robustez del
equipo. El pac puede utilizarse en condiciones extremas dentro de un proceso, esto indica
un factor de fiabilidad, en cuanto a la capacidad de soportar ambientes agresivos, posee
módulos de entradas y salidas industriales intercambiables, con una gran cantidad de
puertos, lo que significa soportar varias señales. De modo que no solo cumple con los
requerimientos del sistema de dosificación, sino que también puede controlar otras señales
que no hacen parte de este, como el control de movimiento del vehículo agrícola, con lo
cual permitiría unificar las señales dentro de un mismo controlador, en el proyecto macro
en agricultura de precisión. Además facilita el control en tiempo real según los
requerimientos del sistema por el control remoto
3.2.2 Sensores de nivel:
El sistema de dosificación posee unos tanques donde se almacenan los fertilizantes. Por esta
razón, se debe utilizar sensores que permitan verificar el nivel del líquido en un máximo y
un mínimo nivel. Para este tipo de aplicación usualmente se utilizan sensores de
proximidad, por esta razón se seleccionó un sensor capacitivo con las siguientes
características operativas que posee. Entre ellas se encuentran los rangos de operación entre
18
National Instrument.(2012).Productos y servicios. http://www.ni.com/compactrio/esa/
33
8-40 mm y la tensión típica de funcionamiento 12-24 VDC. En el ANEXO C se muestra la
referencia del sensor seleccionado.
3.2.3 Electroválvulas:
Las válvulas ofrecen múltiples posibilidades según su funcionalidad, por este motivo se
dividen en las siguientes categorías: válvulas distribuidoras, de cierre, de flujo, de presión.
Para este proyecto la acción ejercida, será regular el paso de líquido hacia una boquilla, ver
Figura 2, de tal manera que se pueda ejercer control sobre un punto de dosificación. De las
anteriores categorías, las válvulas de distribución son las ideales para este tipo de función:
también se debe tener en cuenta el sistema de accionamiento, el cual va a ser eléctrico, la
válvula seleccionada tiene las siguientes características de operación: conexión de 12.7
mm, válvula 2/2, soportan temperatura de hasta 60° a 100°C, según la referencia comercial
y una presión diferencial de 1-1,2 bar. En el ANEXO D se muestra la electroválvula
seleccionada.
3.2.4 Motores:
El principio básico de operación de un motor de corriente continua es la rotación de una
armadura en un campo magnético gracias al par producido por dicho campo magnético19
.
Para este proyecto se utiliza en el accionamiento de unos agitadores, de tal manera que
pueda mantener homogéneo el fertilizante en el tanque, y garantizar las concentraciones
necesarias en los puntos de aplicación. En el capítulo 4 se define el motor seleccionado, en
la sección de sistema de mezcla.
3.3 Subsistema de comunicación:
Para interactuar los dispositivos de campo que suministren información con un sistema
información central, se deben tener en cuenta elementos que proporcionen estas
características: se puso en consideración los siguientes medios para establecer
comunicación entre el controlador y una estación remota. A continuación se presentan
características importantes de estos elementos:
19 Solé A.C. (2011). Neumática e hidráulica. México. Alfaomega. Cap 4, Pag169
34
3.3.1 Bluetooth:
Es una tecnología que se caracteriza por usar enlaces de radio de corto alcance entre
móviles y otros dispositivos, como teléfonos celulares, puntos de accesos de red y
computadoras. La frecuencia de radio con la que trabaja está en el rango de 2.4 a 2.48Ghz
con la posibilidad de transmitir full dúplex. La especificación de Bluetooth define un canal
de comunicación de máximo 720Kb/seg con rango óptimo de 10m20
.
3.3.2 Wireless:
Es un medio de transmisión inalámbrico por ondas de radio, con muy buena cobertura para
distancias cortas, teóricamente hasta 100m, actualmente hay 3 estándares básicos, wireless
b, g, n, sus diferencias radican en la velocidad de transmisión de datos y la banda de
frecuencia que utilizan21
.
3.3.3 XBEE:
Son módulos de conectividad inalámbrica, se pueden comunicar a una arquitectura punto
a punto, punto a multipunto o en una red mesh; según el modelo el alcance puede llegar a
1.6 km, tiene entradas digitales y analógicas, tienen un bajo consumo alrededor de 50 mA
y modo de transmisión serial.
A partir de lo anterior, se seleccionó la tecnología XBEE22
debido a que sus características
de transmisión, alcanzan una mayor cobertura, alrededor de 1.6 km, lo cual es un factor
determinante en el modo de operación del sistema, el cual depende de la distancia del
vehículo respecto a la estación remota, que según el terreno piloto tiene una área de
100m*100m, esto significa que el vehículo con este dispositivo de comunicación instalado
podría transmitir las variables requeridas de los sistemas que lo componen. En cuanto a la
función que cumple dentro del proyecto, es la comunicación con el sistema de información
central que permita establecer los volúmenes requeridos de fertilizantes, para un
determinado punto, a partir de la información almacenada, en el nodo central.
20 Helpy. (2012). Bluetooth. http://gamersmafia.com/tutoriales/show/432 21 Informática moderna.(2012). http://www.informaticamoderna.com/Redes_inalam.htm 22 Xbee.cl. (2012). Módulos de transmisión inalámbrica http://www.xbee.cl/index.html
35
3.4 Requerimientos del sistema de dosificación:
Teniendo en cuenta que el robot móvil se va a desplazar por cada planta, que el terreno no
siempre va a ser homogéneo y que por el contrario, la variabilidad espacial va a ser
cambiante, entonces se establecieron los siguientes requerimientos de diseño para el
sistema:
- El sistema de dosificación se puntualizó para 1 hectárea de trabajo como tamaño piloto
basado, en que la aplicación está orientada a pequeños y medianos productores.
- La determinación de la dosis no se considera en función del área sino por carga de semilla
sembrada.
- Los fertilizantes que van a ser usados estarán en estado líquido por su mayor facilidad en
el control y eficiencia en la aplicación.
- Debido a la gran cantidad de puntos a dosificar, se debe desarrollar un sistema en cual
pueda abarcar una mayor cantidad de puntos.
- La capacidad de los tanques debe estar acorde con los requerimientos del cultivo; para
permitir trayectorias más largas en el momento de la aplicación.
- Como cada punto del terreno piloto tiene diferentes deficiencias de nutrientes; la dosis se
deberá ajustar con el requerimiento de dosificación necesario
- Interactuar con el sistema de control de movimiento una vez posicionado en el lugar.
36
4 DISEÑO DEL SISTEMA MECÁNICO
4.1 Selección de la bomba.
4.1.1 Naturaleza del líquido a bombear:
Se tiene trazado como objetivo hacer aportes nutritivos al cultivo con fertilizantes líquidos.
Las características técnicas de este producto se basan en tres propiedades físicas
importantes, que determinan la composición, las cuales son: grado del fertilizante, la
densidad y el pH; con estas expresiones, se puede verificar qué tipo de fertilizante y cómo
puede afectar al sistema. Haciendo una investigación en el mercado acerca de las
características de estos fertilizantes, se encontró que la mayoría de fertilizantes líquidos
poseen un grado de acidez (ph) bastante alto alrededor de (7,3) 23
, lo cual pudiese afectar
los componentes internos de la bomba. Es importante tener estos datos presentes a la hora
de seleccionar la bomba.
4.1.2 Tipos de bomba:
Las bombas se pueden clasificar en dos tipos generales: dinámicas y de desplazamiento
positivo. Las bombas dinámicas, como lo son las centrifugas, son aquellas en que se aplica
energía al líquido que se bombea con un impulsor o una hélice que gira un eje. En bombas
de desplazamiento positivo se aplica energía al líquido dentro de un volumen fijo de
desplazamiento, tal como una carcasa o un cilindro, con el movimiento rotatorio de
engranajes, tornillos o álabes o con pistones o émbolos de movimiento alternativo. En este
proyecto, las que mejor se adaptan son las bombas de desplazamiento positivo, debido a
que son ideales para manejar fluidos, como los agroquímicos, también son las más
utilizadas para bajos caudales y son las más económicas en comparación con otras24
, de las
cuales entre muchas variedades, se están utilizando las bombas peristálticas, y lo más
importante de esta bomba es la utilización para aplicaciones de riego, en la industria
agrícola, que es el eje fundamental del proyecto.
23 Agrifim.(2012).Portafolio de productos.http://www.agrifim.net/. 24 Kenneth, J. (1978). Bombas, Selección, uso y mantenimiento.Madrid.McGraw-Hill.
37
4.1.3 Capacidad de la Bomba:
Teniendo en cuenta una característica importante del fertilizante que es la densidad y una
base de datos con las dosis requeridas para el cultivo de la papa en la zona de Boyacá, se
puede estimar la cantidad de fertilizantes que se requiere para dosificar los nutrientes en
esta región de Colombia.
4.1.3.1 Requerimiento de nutrientes para la región de Cundinamarca y Boyacá:
Con base en la información técnica, suministrada por Corpoica, se tienen las siguientes
recomendaciones de nutrientes necesarios para un terreno piloto de 1 hectárea. Ver Tabla 4.
Tabla 4. Dosis de fertilizante para 1 hectárea
Recomendaciones para la fertilización de la papa en Cundinamarca y Boyacá (ICA
1992)*
Resultados del análisis de suelos Dosificación
Región P k N P2O5 K2O
ppm me/100g kg/ha kg/ha kg/ha
Paramos de < 40 < 0,30 375-450 125-150
Cundinamarca y Boyacá 40-60 0,30-0,60 100-150 300-375 100-125
>60 >0,60 250-300 50-75
<40 <0,30 300-375 75-100
Altiplano 40-60 0,30-0,60 50-100 250-375 50-75
Cundi-boyacense >60 >0,60 175-250 25-50
Fuente Instituto Colombiano de agricultura25
Según el documento técnico, señala unas indicaciones para la Tabla 3, que todos los
fertilizantes se deben aplicar al momento de la siembra, en el fondo del surco, en corona o
en bandas laterales, al lado de la semilla. Cuando se utilicen variedades de alto rendimiento,
la cantidad de fertilizante se aproxima más a la cantidad máxima recomendada; entre las
variedades mejoradas, las cuales se siembran en estas regiones. Estos datos se tomaron
como base de información y hacen parte de una clase, en el diseño de la base de datos, pero
25 Monomeros Colombo venezolanos.(2011,15 de agosto).Fertilización de cultivos en clima frio.
http://www.monomeros.com/descargas/dpmanualfrio.pdf
38
a futuro pueden ser reemplazados por datos leídos por sensorica en campo o tomados de
sistemas de información geográfica (SIG) o de mapas de composición del suelo.
4.1.3.2 Cálculo de dosis:
De acuerdo con la Tabla 2, se tiene la concentración del fertilizante (denominador) y con la
tabla 3, se tiene la cantidad de fertilizante (numerador) que se requiere para 1 hectárea. A
partir de estos datos se hacen los respectivos cálculos de nutrientes requeridos por hectárea
en unidades de kilogramos (kg). Suponiendo que se van a dosificar los máximos
recomendados, y que además se toma como región los páramos de Cundinamarca y
Boyacá, reemplazamos la ecuación 1, se procede a calcular la cantidad de fertilizante en kg
/ha. Se toma como ejemplo para el cálculo, el fertilizante nitrogenado, y los otros resultados
de los demás fertilizantes se colocan en la Tabla 5.
Tabla 5. Nutrientes requeridos por hectárea
Elemento Nutrientes aportados por hectárea en (kg)
N 535.71
P2O5 1500
K2O 600
Fuente Autores
Ahora, se necesita convertir estos requerimientos de kg/ha en litros/ha, con la ecuación 2.
( 2)26
Dónde:
26 Serway. R. A. (2002). Física 1. México. Thomson learning. Cap. 15. Pág. 516.
39
Teniendo en cuenta la densidad del fertilizante presentado en la Tabla 2, y la cantidad de
nutrientes requeridos por hectárea dados en la Tabla 5, se calcula tomando como ejemplo,
el volumen en litros del fertilizante nitrogenado, a partir de este procedimiento, se colocan
los resultados obtenidos de los otros fertilizantes simples líquidos en la Tabla 6.
Tabla 6. Nutrientes en litros por hectárea
Elemento Nutrientes requeridos en litros por
hectárea (l/ha)
N 405.84
P2O5 862.56
K2O 410.95
Fuente Autores
En la Tabla 6, se tiene la base en volúmenes requeridos de fertilizante para 1 hectárea de
cultivo de papa, con lo cual se tiene información para compartir con el sistema de
información central, que servirá para el plan de dosificación a implementar.
4.1.4 Requisitos para la succión:
Se debe tener en cuenta, las condiciones de succión, que expresa la carga neta positiva de
succión NPSH. En estas bombas, como en cualquier otra, se requiere presión positiva para
desplazar sin complicaciones el líquido. Con base en el siguiente esquema de la Figura 3,
se determinan las variables involucradas para el cálculo del NPSH.
40
Figura 3.Detalles de la línea de succión de la bomba
Fuente Autores
A partir de la Figura 3, se desarrolla el cálculo de NPSH, a continuación se presenta la
ecuación que la relaciona.
Altura Neta Positiva de Aspiración (NPSH)=
( 3)
27
Dónde:
(Adimensional)
P1 = Presión estática en el nivel de toma de fertilizante (Pa=kg/m*s2 )
P2 = Presión en la salida de las boquillas (Pa=kg/m*s2 )
Vm = Velocidad media en la tubería (m/s)
hs = Altura toma del líquido fertilizante del tanque (m)
ρ = Densidad del fertilizante (kg/m3 )
g = Aceleración de gravedad (m/s2)
A partir de la ecuación anterior, se deben estimar variables de acuerdo con los requisitos de
servicio que prestará el sistema. Con la descripción que se hizo en el subsistema mecánico,
27 Saldarriaga. J.(2007). Hidráulica de tuberías. Bogotá. Alfaomega. Cap4. Pág. 198
41
se tiene el diámetro nominal de la tubería, ahora se necesita saber un caudal preliminar para
determinar la velocidad media en la tubería. Debido a la limitación de energía disponible en
el vehículo, se toma como referencia la tensión suministrada por una batería de 24 V; esto
último sirve para estimar el caudal de una bomba. En la industria se encontraron catálogos
que definen características de estos cabezales, entre los cuales se destacan rangos de caudal
desde 6.6 ml/min hasta 5000 ml/min, para fines de cálculo se selecciona el caudal máximo,
como pre diseño. Al tener estos datos se tiene la siguiente ecuación para hallar la velocidad
media en la tubería. Para los respectivos cálculos se convierten los datos en (m3/s)
( 4)28
Dónde:
Vm= Velocidad media del fertilizante (m/s)
A = Área de la sección transversal del ducto (m)
Q = Caudal requerido (m3/s)
Se tiene como referencia un ducto circular, por lo tanto se halla el área con la siguiente
ecuación:
( 5)29
Dónde:
D= Diámetro de la sección transversal del ducto (m)
Al reemplazar la ecuación (5) se obtiene el siguiente resultado
=1.266x10
-4 m
2
Ahora se reemplaza la ecuación (4) para determinar la velocidad del fluido:
Con la velocidad del sistema, ahora se procede a encontrar las pérdidas de energía, el
primer paso es definir el comportamiento del fluido en el sistema, de manera que se pueda
predecir, si el flujo del fertilizante, es laminar o turbulento, y esto se hacer a partir del
número de Reynolds(NR), el cual específica, que si NR < 2000,el flujo es laminar ,pero si
28 Mott, R.L. (2006).Mecánica de fluidos. México. Pearson Educación. Sexta edición.Cap6.Pag 154. 29 Mott, R.L. (2006).Mecánica de fluidos. México. Pearson Educación. Sexta edición.Cap6.Pag 157.
42
NR > 4000, el flujo es turbulento. Las características del flujo en un tubo redondo dependen
de cuatro variables, las cuales están determinadas en la ecuación (6) de Reynolds.
Tabla 7. Propiedades Físicas del agua
PROPIEDADES FÍSICAS DEL AGUA
Temperatura
(ºC)
Peso
específico
(kN/m3)
Densidad
(kg/m3)
Módulo
de
elasticidad
(kN/m2)
Viscosidad
dinámica
(N·s/m2)
Viscosidad
cinemática
(m2/s)
Tensión
superficial
(N/m)
Presión
de vapor
(kN/m2)
0 9,805 999,8 1,98 · 106
1,781 · 10-
3
1,785 · 10-
6
0,0765 0,61
5 9,807 1000 2,05 · 106
1,518 · 10-
3
1,519 · 10-
6
0,0749 0,87
10 9,804 999,7 2,10 · 106
1,307 · 10-
3
1,306 · 10-
6
0,0742 1,23
15 9,798 999,1 2,15 · 106
1,139 · 10-
3
1,139 · 10-
6
0,0735 1,7
Fuente Mecánica de fluidos30
( 6)31
Dónde:
= Viscosidad dinámica del fluido en (kg/m*s)
= Velocidad del fluido (m/s)
= Diámetro del ducto (m)
= Densidad del fertilizante (kg/m3)
En la Tabla 7, se tienen las propiedades físicas del agua para obtener la viscosidad
dinámica. Basados en que los fertilizantes líquidos son diluidos en agua, se selecciona la
viscosidad para calcular el número de Reynolds correspondiente a un temperatura
especifica de trabajo. Para los cálculos correspondientes se selecciona una temperatura de
30 Mataix. C. (1993). Mecánica de fluidos y maquinas hidráulicas. Madrid. Castillo. Segunda edición. Cap. 2. Pág. 22 31 Mott. R, L. (2006). Mecánica de fluidos. México. Pearson. Sexta edición.Cap8.Pag 230
43
15°C y la densidad del fertilizante, el más denso, según Tabla 2 es el fertilizante potásico.
Reemplazando la ecuación 6, se obtiene.
Con la ecuación 6 se pudo determinar que el flujo es turbulento, porque se da que
NR>4000, de esta manera se pueden calcular las pérdidas de energía debido a la fricción a
partir de la ecuación de Blasius, que expresa el coeficiente de fricción para tubos lisos y
numero de Reynolds válida hasta Re<100000
( 7)
32
Dónde:
=Coeficiente de fricción (adimensional)
Reemplazando la ecuación 7 se obtiene el siguiente resultado:
Cuando el flujo es turbulento, se utiliza la fórmula de Darcy-Weisbach para calcular las
perdidas por fricción.
(8)33
f = Coeficiente de fricción (adimensional)
=Longitud de la tubería de succión (m)
D = Diámetro interior de la tubería (m)
= Velocidad de flujo en la tubería (m/s)
g = Aceleración de gravedad (m/s2)
De acuerdo al dimensionamiento del vehículo agrícola, y a partir de un punto de
32 Mataix. C. (1993). Mecánica de fluidos y maquinas hidráulicas. Madrid. Castillo. Segunda edición. Cap. 9. Pág 213 33 Saldarriaga. J.(2007). Hidráulica de tuberías. Bogotá. Alfaomega. Cap4. Pág. 198
44
dosificación, se tiene que la longitud de la tubería es aproximadamente = 0.35m y por
otro lado el diámetro interno de la tubería según catálogos es de 10 mm .Con estas variable
y con las anteriores encontradas se puede ahora calcular las perdidas por fricción.
Ahora se necesita conocer la presión estática sobre el fluido en el depósito, en el punto
(P1), y la presión de descarga bombeada del líquido, en el punto (P2), respecto al esquema
de la figura 3, entonces considerando la ecuación 9 ,y suponiendo el fertilizante más denso
según Tabla 2, se hace el cálculo para el punto P1. Para el punto P2, se tiene en cuenta el
catálogo de boquillas para riego según Tabla 3.
(9)34
Dónde:
= Presión atmosférica (se toma como referencia la ciudad de Bogotá) en (Pa)
P1 = Presión absoluta (Pa)
h = Diferencia de elevación desde el nivel del fluido en el depósito a la línea central de
la entrada de succión de la bomba (m)
g = Aceleración de la gravedad (m/s2 )
= Densidad del fluido(fertilizante) en (kg/m3)
Para estimar h, se tiene en cuenta la altura del tanque, que según diseño del vehículo
agrícola no debe superar 0.4 m, además se tiene un estimado de la longitud de la tubería
hasta la línea principal de descarga de Leq=0.35 m, y si se toma el máximo recomendado
para la altura del tanque, entonces h=0.75 m, para efectos de cálculos. Reemplazando la
ecuación 9 se obtiene:
=85379 Pa
A partir del micro aspersor para aplicaciones de bajo caudal que se seleccionó
anteriormente, se tiene las características, que sirve como referencia para el cálculo de la
34 Cengel. Y, A.(2009). Termodinámica. México. McGraw-Hill. Sexta edición. Cap1. Pág. 24.
45
presión ejercida en la salida del sistema. Según la Tabla 3, la presión que se seleccionó, es
de un micro aspersor con el más bajo caudal, por las necesidades de riego, en ese sentido se
toma como punto de descarga P2= 20 psi, si se hace la conversión al formato internacional,
se obtiene P2=137895 Pa, con este último dato encontrado, se tiene todos los términos para
el cálculo del NPSH, en consecuencia se reemplaza la ecuación 3 y se obtiene:
(NPSH)=
46
4.2 DISEÑO DE LA RED
4.2.1 Diseño Agronómico:
En un sistema de riego localizado los cálculos hidráulicos se determinan después del diseño
agronómico considerando otros factores como las características de los emisores, la
topografía, la altura de la estación de bombeo y caudales disponibles; conforme a esto el
sistema que se maneja es dimensionalmente pequeño respecto a otras topologías que se
utilizan en otros sistemas; de tal manera que, simplemente se remite a calcular los
requerimientos reales de caudal en los puntos de los emisores. Los datos agronómicos que
se tienen en cuenta son los siguientes: Coeficientes de Uniformidad (CU), Numero de
emisores por planta (ne), Caudal medio del emisor (Qm)
dosis y tiempos de riego, espaciamiento entre emisores, son datos importantes en el diseño.
Se seleccionó un emisor de una empresa dedicada al ámbito agrícola (agrifim).Para la
aplicación se debe tener en cuenta que se utilizan nueve emisores (9 plantas por parada)
que se colocan de acuerdo con la distribución del cultivo. Como el fabricante no posee el
correspondiente coeficiente de uniformidad de riego, se asume un valor entre 85%-95%.
La necesidad de caudal (RA) para la aplicación del fertilizante, mencionada en los
requisitos de succión (pag 39) es de Q=5000 ml/min entonces de esta manera se determina
el requerimiento total de aplicación (Nt ).
Nt=RA/CU (10)35
Reemplazando la ecuación 10:
= 87.68ml/seg
En el trazado de la red en la Figura 2 se observan los tres tanques de fertilizantes que
almacenan los compuestos químicos (N, P2O5, K2O) previamente diluidos en agua. Cada
tanque se descarga en función de la apertura de cada válvula situada en el conducto de
salida y el accionamiento de la bomba dosificadora que se ejecuta por la señal de mando
correspondiente.
A su vez, la línea de descarga contiene una válvula anti retorno para evitar el contraflujo
dentro de la red. Además, cada línea alimenta la tubería primaria, en forma tal que conecta
35 Saldarriaga. J. (2007). Hidráulica de tuberías. Bogotá. Alfaomega. Cap. 9. Pág. 616-623.
47
la bomba dosificadora para garantizar el caudal sobre el módulo donde se encuentran
ubicados los elementos de riego, es decir, los emisores que están distribuidos en 9 puntos
correspondientes a una planta del cultivo cada uno. Para calcular los flujos en la red de
tuberías se deben implementar métodos iterativos para establecer los caudales en los
distintos puntos de aplicación, de acuerdo con el programa “epanet36
” para análisis de redes
se encontraron los siguientes caudales para cada punto basados en método de Hardy Cross.
Tabla 8 Datos para ingresar al programa epanet
Altura de
Bombeo(m)
Potencia de la
bomba(watts)
Eficiencia de la
bomba (%)
Diámetro de las
tuberías(m)
Coeficiente de
pérdidas de
válvulas37
0.75 35 90 0.0127 2
Fuente autores
La potencia del motor de la bomba, según catálogos es de 35 watts con las especificaciones
que dan del motor.
Al observar la Figura 4, se muestran los flujos correspondientes para cada válvula que
controla la cantidad de fertilizante que va a aplicar el emisor en cada planta. La celda
señalada de color azul corresponde a la válvula n° 30 con un flujo de 0.03 (litros por
minuto), al analizar la tabla, se observa que los caudales encontrados varían en cada punto
del emisor lo que significa que en el momento de montar el sistema, se debe calibrar,
teniendo en cuenta esto, si el modo de dosificación va a ejecutarse secuencialmente, es
decir, accionando una electroválvula a la vez, la presión de salida que se genera es la
máxima sobre tal punto, pero si por el contrario, se accionan todas las electroválvulas a la
vez la presión de salida no va ser lo suficientemente alta como para mantener la misma
presión en todas las boquillas, de acuerdo con unas pruebas que se hicieron, lo mejor es
accionar secuencialmente.
36 Epanet.(2012).Análisis y simulación de redes hidráulicas a presión. http://www.instagua.upv.es/Epanet/ 37 Mataix. C. (1993). Mecánica de fluidos y maquinas hidráulicas. Madrid. Castillo. Segunda edición. Pag 245
48
Figura 4. Calculo de caudales por medio del programa epanet
Fuente Autores
49
4.3 DISEÑO DE LOS TANQUES 38
4.3.1 Consideraciones de diseño:
Con base en análisis realizados para el diseño del vehículo móvil, se encontró que los
tanques deben estar fijos en una plataforma especial en el robot, para el sistema de
dosificación y el espacio que se especificó es de 100 cm * 70 cm. Los tanques de paredes
planas se utilizan únicamente para presiones hidrostáticas bajas debido a su forma
mecánicamente débil. La cantidad de material requerida para los tanques rectangulares es
mayor que las que requieren los tanques cilíndricos de igual capacidad. Sin embargo, a
veces se prefiere utilizar por la facilidad de fabricación y buena utilización del espacio.
4.3.1.1 Dimensionamiento tanques de dosificación:
Se encontró, en el cálculo de dosis que los requerimientos de cada nutriente son diferentes
en volumen, pero también se sabe que ese cálculo se tomó como ejemplo de un análisis de
suelos general, para la región de Cundinamarca y Boyacá, pero lo recomendable según
ingenieros agrónomos, es hacer un análisis de suelo para determinar una dosis, lo
anteriormente dicho no se toma como referencia para el dimensionamiento; lo que se hace
es distribuirlos uniformemente sobre la base asignada, con el espacio especificado, de esta
manera las medidas para los tanques se muestran en la Tabla 9
Tabla 9. Dimensionamiento de los tanques
Fertilizante Largo(m) Ancho(m) Alto(m) Volumen(m3)
N, P2O5, K2O 0.25 1 0.4 0.1
Fuente Autores
4.3.1.2 Volumen máximo del tanque rectangular:
Los tanques sin deflectores no pueden ser mayores a 30 pies cúbicos de capacidad; los que
si llevan tendrán menos de 140 pies cúbicos. El tanque tiene una capacidad para 0.1 m3,
lo cual equivale a 3.53 pies 3, se puede concluir que el tanque no los necesita.
38 Megyesy. E, F.(1992). Manual de recipientes a presión. Mexico. Grupo Noriega. Pag165.
50
4.3.4 Características del material de construcción:
Para la selección del tipo de material, se consultó el catálogo de la compañía general de
aceros39
, donde se encontró que para aplicaciones agrícolas, se utiliza aceros inoxidables
austeniticos, que presentan una amplia gama de propiedades mecánicas, entre estos se
encuentran aceros inoxidables AISI 304 ; se caracterizan por tener un contenido de cromo
del 18 al 20% y un contenido de Níquel del 8 al 12%, elementos que forman un compuesto
oxidado en la superficie de la aleación (Capa pasiva), la cual protege el material, y su
estabilidad es el factor determinante para la resistencia a la corrosión. Las propiedades
mecánicas se presentan en la Tabla 10.
Tabla 10. Propiedades del acero AISI 304
Grado Resistencia
a la
tracción
(MPa)
Límite de
fluencia
(MPa)
Elongación
(% en 50
mm)
Dureza
Brinell
Max
Módulo de
Poisson
Densidad
kg/dm3
AISI 304 515 205 40 202 193 7.9
Fuente Compañía general de aceros de Colombia
Se selecciona una lámina de calibre 11 para que las presiones internas que se encuentran
dentro del tanque, no produzcan desplazamientos de la lámina, se hace el análisis de
ingeniería por medio del software solidworks. Para este análisis se debe conocer la presión
interna que se presenta dentro del tanque, en el cálculo del NPSH se determinó este valor
que es 85379 Pa, a partir de esta información se puede observar, el esfuerzo al cual estará
sometido el material de construcción del tanque . El límite de fluencia presentado en las
características del acero, es importante para hacer la comparación, de manera que se pueda
determinar en qué momento el material se puede deformar plásticamente.
39 Compañía general de aceros de Colombia. (2012). Biblioteca del acero. http://www.cga.com.co.
51
4.3.5. Análisis de ingeniería (CAE) del tanque por medio del sotfware solid Works:
Figura 5. Análisis de ingeniería mediante el software Solid Works
Fuente Autores
La Figura 5, indica el esfuerzo de tensión al cual va a estar sometido un tanque de
fertilización. En este proyecto hay tres tanques que presentan las mismas características de
construcción, por esta razón el análisis es el mismo para todos. Ahora de acuerdo con la
Figura 5, se puede observar las regiones críticas, que están diferenciadas por colores
distintos, para este tanque en particular, se tiene en la parte central una mayor
concentración de tensión, que se indica con un valor aproximadamente de esfuerzo igual a
45 MPA , de acuerdo con la escala de colores que se muestra. A partir de la simulación
52
realizada y comparando las características del acero, en el cual mencionan que el límite de
fluencia es alrededor de 205 Mpa, para un acero (AISI 304) esto significa que no alcanza
un valor de tensión alto para que el material fluya plásticamente, con lo cual se garantiza
que el tanque estará en condiciones óptimas para que pueda almacenar el fertilizante sin
que sufra algún daño. A continuación, se detallan en la Figura 6 los elementos que están
acoplados al tanque.
Figura 6. Elementos acoplados al tanque
Fuente autores
En la Figura 6 se muestra los dispositivos que serán colocados en la parte exterior del
tanque para el buen desempeño del sistema: se tienen los sensores de nivel (1) que van
empotrados al tanque, también se tienen la entrada (2) y salida (3) del fertilizante para
la irrigación del fertilizante y así mismo una válvula de drenaje (4) para el mantenimiento
de los tanques. El plano del tanque se encuentra en el ANEXO E .
53
4.4 SISTEMA DE ACOPLE PARA RECARGA DE TANQUES
Para el acople de las tuberías al tanque se seleccionaron acoples rápidos que tienen la
función de conexión y desconexión rápida permitiendo manejar diferentes tipos de fluidos.
Cada tanque estará dispuesto con este tipo de conexión que permitirá recargar los diferentes
agroquímicos necesarios para la fertilización. Para la selección de los acoples rápidos se
deben tener en cuenta los siguientes requerimientos de diseño:
Temperatura Max-min: Debido a que el vehículo está proyectado para trabajar en la región
central de Colombia, las temperaturas40
están en un rango de 12°-24° grados Celsius.
Presión: La presión del sistema, es la ejercida por la bomba para generar la suficiente
presión en la boquilla, la cual es de 20 psi.
Fluido: Capaz de resistir elementos corrosivos debido a que se manejan fertilizantes y
poseen un ph(7.3), lo cual es bastante alto.
Opciones de cierre: Estos acoples deben cerrarse al momento de desconectar la entrada de
fertilizante lo que significa que tiene que ser sin derrame (Non-Spill).
Se seleccionó un conector (1/2” QC8-S-8PF) hembra conectado al tanque y un acople (1/2”
QC8-S-8PM) macho (Ver ANEXO E) que cumple con los requisitos especificados
anteriormente. La conexión con el tanque se muestra en la Figura 7.
Figura 7. Conexión del acople rápido con el tanque
Fuente Autores
40 Gobernación de Boyacá. (2012). Aspectos geográficos. http://www.boyaca.gov.co/?idcategoria=3527
54
4.5 SISTEMA DE MEZCLA
En la etapa de mezcla o agitación de fertilizantes químicos se realizan las operaciones con
una cierta frecuencia para mantener uniforme el producto líquido dentro del tanque,
mediante fuerzas físicas que permitan un movimiento regulado.
En este proyecto se tiene previsto accionar el sistema de agitación cada 3 paradas en el
lugar de dosificación para mantener homogéneo el fertilizante. El equipo de agitación
puede utilizar diferentes elementos que generan movimiento al nutriente líquido; en el
mercado se encuentran diferentes sistemas que facilitan esta tarea y su clasificación
depende según el tipo de energía: Agitadores mecánicos, neumáticos e hidráulicos.
De los anteriores dispositivos mencionados, el agitador mecánico es el más eficiente debido
a que sus componentes hacen posible el aporte de energía por medio de un motor eléctrico
y su instalación en el vehículo robotizado es mucho más fácil, mientras que los otros dos
sistemas necesitan componentes muchos más robustos para su montaje, el agitador
neumático requiere de inyección de gases para su funcionamiento, en comparación con los
mezcladores hidráulicos que necesitan instalarse con paredes y/o deflectores dentro del
tanque para permitir que la masa liquida se escurra por este módulo y la carga de velocidad
permita la homogenización del líquido. Estos aspectos hacen que el agitador mecánico sea
el ideal para esta aplicación, además de tratarse de un sistema móvil autónomo. Los
impulsores giratorios se clasifican a la vez en dos clases: flujo axial y radial, dicha
clasificación depende del ángulo que forman las aspas o paletas con el plano de rotación del
impulsor. Los tipos que hay: hélice, paletas y turbinas.
Por consideraciones de diseño, costos, mantenimiento la selección del impulsor es de tipo
de paleta, sus aspectos permiten usar una amplia variedad de valores en sus características
de operación. Los cálculos del sistema mezcla se pueden observar en el ANEXO F
55
5 DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL DE DOSIFICACION
5.1 Modelado de sistemas hidráulicos:
Estos sistemas se utilizan para transmitir movimiento a fluidos, ya sean líquidos o gases,
estos se diferencian básicamente por sus incompresibilidades relativas. Muchos de los
sistemas hidráulicos son no lineales. Sin embargo algunas veces es posible linealizar de
modo que se reduzca su complejidad. Para este proyecto se tiene un conjunto de
componentes que conforman el modelo, estos han sido mencionados en la descripción del
sistema. A continuación, en la Figura 8 se tiene el modelo del sistema.
Figura 8. Modelo tanque-válvula-bomba
Fuente Autores
La Figura 8, describe el modelo del sistema de dosificación. Esta figura muestra que
solamente se tendrá en cuenta el caudal de salida, debido a que el sistema va estar montado
sobre una plataforma de un vehículo autónomo que se estará desplazando en un terreno, lo
cual no permitiría tener una entrada permanente de fluido al tanque. Por otro lado, si
observamos el sistema del tanque, la variación que se genera del líquido en el área del
tanque dependerá únicamente de la apertura de una válvula y el accionamiento de una
bomba.
56
5.2 Modelo tanque
Al hacer un análisis del modelo del tanque, lo primero que se observa es que no se tiene
una señal de entrada o excitación, y si se acude a la definición de la función de
transferencia que se define como el cociente entre la transformada de Laplace de la salida
(función de respuesta) y la transformada de Laplace de la entrada (función de excitación),
bajo la suposición de que todas las condiciones iniciales son cero; esto quiere decir, que no
se puede modelar el sistema del tanque, bajo la anterior suposición, para un sistema de
control de nivel. Para razones de simulación se utiliza el siguiente modelo matemático. La
relación entre el caudal que sale y el cambio de altura del líquido en el tanque. Sabiendo de
antemano que en el vehículo no podrá retener un flujo de entrada constante.
(11)41
Dónde:
= La resistencia de Flujo del líquido a través de la válvula (adimensional)
qs= Variación del flujo de la salida (m3/s)
h = Altura del líquido (m)
A = Área del tanque (m2)
Para la simulación de la variación de altura del tanque, se utiliza bloques de simulink, para
la realización del mismo, se logra aplicando un integrador a ambos lados de la ecuación 11,
de esta manera se llega a la siguiente ecuación
∫
( 12)
En simulink se utiliza un integrador con un valor inicial de integración igual al valor
cuando el tanque está lleno, la altura inicial del líquido es de 0.4m y el área del tanque es de
0.25 m2.En la Tabla 8 se muestra el coeficiente típico de pérdidas en válvulas con un valor
de 2. El bloque del tanque se muestra en la siguiente figura
41 Katsuhiko, O.(1987). Dinámica de sistemas. México. Prentice Hall.Cap4.Pag 202
57
Figura 9 Dibujo del proceso en simulink
Fuente autores
A partir de lo anterior, se debe colocar en la salida de este proceso, un bloque que ajusta las
unidades de ingeniera para que la señal de realimentación del sensor sea en base, al flujo
que atraviesa por las tuberías. La siguiente ecuación representa el cambio de flujo, en base
al cambio de la altura. La Figura 10 muestra el bloque realizado en simulink.
√ (13)
Figura 10 Bloque salida de flujo respecto al cambio de altura
Fuente autores
5.3 Modelo de la bomba peristáltica:
De acuerdo con la descripción realizada para la selección de los elementos mecánicos, se
utilizará una bomba peristáltica, que tiene características de funcionamiento muy diferentes
a los modelos típicos de bombas, como las centrífugas, donde el caudal de salida depende
de la altura de succión. Las bombas peristálticas también llamadas volumétricas tienen
ciertas ventajas operativas, entre las que se destaca, la capacidad, que está dada en caudal y
es proporcional a la velocidad, otra ventaja radica en su alta eficiencia pues suele ser
alrededor del 85 al 94% 42
. Con la selección del dispositivo, se compró una bomba
peristáltica usada para verificar su funcionamiento y comprobar sus características
operativas. Ante la falta de información de las características internas de la bomba se
42 Kenneth, J. (1978). Bombas, Selección, uso y mantenimiento.Madrid.McGraw-Hill.Cap3.Pag154
58
procedió a determinar la ecuación de la bomba en estado estático, y para esto se aplicaron
diferentes voltajes a la entrada del motor de la bomba, con lo cual se obtenían distintos
caudales. El procedimiento que se utilizó, fue tomar valores de tiempo, en el cual se llenaba
una probeta de 500 ml, en la práctica solo se llenó hasta 300 ml, con lo cual se aplicaron
diferentes voltajes en un rango de 6 a 24 voltios. Luego con esta información que se
obtuvo, se dividió el valor de 300ml entre los valores promedios de tiempo que se tomaron
con distintos voltajes, debido a que se hicieron tres tomas de datos de tiempo por cada valor
de voltaje, con lo cual se determinó el caudal proporcionado para esta bomba en particular.
Los datos obtenidos que se muestran en la Tabla 11 se utilizan para hallar su ecuación
característica. Por razones de presión que generaba en la descarga en el sistema de
dosificación, se utilizaron dos bombas en paralelo con las mismas características, para
generar la suficiente fuerza para que el micro aspersor funcionara adecuadamente. Con los
datos que se obtuvieron, se graficó la relación que se tiene, en voltaje de entrada con caudal
de salida. La Figura 11, muestra el comportamiento de la bomba peristáltica, graficada en
Excel, con lo cual se puede determinar la tendencia de los valores que se tomaron, de esta
manera se estableció la ecuación que representa el funcionamiento de la bomba en un
modelo estático. A partir de los datos de voltaje y caudal de la Tabla 11, se utiliza la
herramienta ident de matlab para determinar la planta, y establecer el comportamiento, en
lazo abierto y determinar el control que se necesita para esta aplicación específica.
Tabla 11. Datos de la bomba peristáltica funcionando en paralelo con otra
Parámetros de voltaje aplicado a la bomba de 24 v dc respecto al caudal que entrega
Voltaje(v) t1(min) t2(min) t3(min) Tprom(min) q (ml/min) volumen(ml)
6 10,5 10,45 10,48 10,4766667 28,635062 300
10 4,17 4,14 4,12 4,14333333 72,4054706 300
12 3,16 3,15 3,13 3,14666667 95,3389831 300
14 2,42 2,42 2,43 2,42333333 123,796424 300
16 2,12 2,13 2,14 2,13 140,84507 300
18 1,54 1,53 1,52 1,53 196,078431 300
20 1,41 1,41 1,42 1,41333333 212,264151 300
22 1,28 1,27 1,28 1,27666667 234,986945 300
24 1,18 1,17 1,19 1,18 254,237288 300
Fuente autores
59
Figura 11. Comportamiento de dos bombas peristálticas en paralelo
Fuente Autores
Al observar la Figura 11, se tiene un rango desde 14 v hasta 20 v, donde no se obtiene
linealidad en esa región, pero en otros sectores de la gráfica, la tendencia de los datos que
describe el comportamiento de la bomba tiende a ser proporcional, como lo dice la teoría.
La ecuación 14 representa el comportamiento de la bomba.
(14)
La ecuación 14 se representa en el siguiente bloque de simulink para la respectiva
simulación.
Figura 12 Dibujo del bloque bomba en simulink
Fuente autores
60
5.4 Modelo del sensor de flujo:
Al seleccionar el sensor de flujo se encontró que el medidor de caudal magnético relaciona
proporcionalmente el voltaje con el caudal que pasa por un área transversal de la tubería, de
esta manera origina una señal de proceso (pv) que representa la cantidad de fertilizante a
través de un punto en la tubería. Se buscaron proveedores de este dispositivo que
presentaran una curva característica de funcionamiento, dado que las empresas diseñan el
dispositivo para permitir ajustar el medidor a ciertos rangos de caudal. La empresa ABB
indica que el funcionamiento del medidor electromagnético de caudal está basado en la Ley
de Inducción de Faraday, la cual establece que en un conductor que se mueve a través de un
campo magnético, genera una tensión proporcional a la media de la velocidad del fluido.
Esta tensión es captada por dos electrodos que están en contacto con el fluido.
A la salida del convertidor, se encuentran disponibles distintas señales eléctricas para su
tratamiento, por ejemplo, impulsos proporcionales al caudal, señal de corriente de 20 mA,
salida de contactos mín/máx; para el control del caudal. Por razones de simulación la
variable de proceso se asignara basada en el principio de funcionamiento de este
dispositivo. La ecuación 15 relaciona la operación del sensor de flujo, tipo magnético.
(15)
Dónde:
e=tensión que aparece en los electrodos del sensor (v)
q=caudal por el área de la sección de la tubería. (l/min)
k=Ganancia del sensor (adimensional)
Tabla 12 Rangos de funcionamiento del sensor ABB FXL5000(miniflow)
Rango de medida en l/min ajustable de modo continuo
Mínimo Máximo
0-2,5 0-50
0-5 0-100
0-15 0-300
0-60 0-1200
Fuente ABB 43
43 ABB.(2012).Productos y servicios. http://www.abb.com.co/product/es/9AAC100400.aspx?country=CO
61
La ganancia del sensor se ajusta, a partir de la tabla 13,y teniendo en cuenta que la salida de
voltaje que se indica en las referencias técnicas del sensor, el cual está dado en un rango de
0-20 V o de 4 a 20 mA. A partir de la información mencionada anteriormente se reemplaza
la ecuación 15, y se tiene:
El bloque en simulink del sensor de flujo se muestra en la siguiente figura:
Figura 13 Dibujo del bloque del sensor de flujo en simulink
Fuente autores
5.5 Control de flujo del sistema:
De acuerdo al funcionamiento del sistema, el objetivo de control, requiere establecer
valores de referencia en torno al caudal con base en el voltaje suministrado, de manera que
se puedan establecer requerimientos de volumen en fertilizante líquido, en diferentes
puntos del terreno. El siguiente bloque en simulink representa el bloque de control por
medio de un PID. El siguiente controlador se hace por razones de simulación el
funcionamiento en tiempo real está dado por la variación de tiempos de encendido
Figura 14 Controlador PID con accesorios
Fuente autores
62
5.6 Método de sintonización de Ziegler Nichols por lazo cerrado.
El método se basa en hallar una ganancia de un controlador proporcional que permita que
el lazo oscile indefinidamente a una amplitud constante. Esta es la máxima ganancia para el
cual el lazo está estable. Para aplicar este método se utiliza la siguiente tabla que define el
ajuste del controlador.
Tabla 13 Ecuaciones para ajuste de controladores
Controlador Ajuste Ziegler-
Nichols
Proporcional kc kcu/2
PD kc kcu/1,7
td Pu/8
PI kc kcu/2,2
td Pu/1,2
PID kc kcu/1,7
ti Pu/2
td Pu/8
Fuente Principios y prácticas de automatización en procesos de control 44
Se halló la ganancia crítica alrededor de 120, y un periodo crítico con un valor de 0.05, al
reemplazar el ajuste para un PID, los valores de las constantes Ti , Td se aproximan a cero,
lo cual indica que basta con un configuración de un controlador proporcional para el
funcionamiento del sistema de dosificación. De esta manera el valor de la constante
proporcional es igual a 60.
5.7 Sistema de control completo
Al unir todos los bloques, el proceso simulado en matlab a través de simulink, se muestra
en el siguiente esquema.
44 Smith, C (1997). Principios y prácticas de automatización en procesos de control. Segunda edicion.
63
Figura 15 Sistema de control en simulink de todo el proceso
Fuente autores
Al ejecutar el controlador se observa en la Figura 16 que el voltaje aplicado llega a su valor
correspondiente en un lapso muy corto y no posee ningún sobre pico que genere un
amortiguamiento de la señal y produzca inestabilidad en el sistema por un tiempo más
prolongado. No se tuvo en cuenta el tiempo muerto del proceso debido a que el sensor de
flujo, por sus condiciones de operación tiene que estar instalado al lado de la bomba de
modo que, el caudal medido no se puede obtener del micro aspersor en el momento que se
hace el riego, además el sistema es algo muy pequeño por lo cual se puede obviar este
tiempo. Por otro lado, determinar la efectividad del control, dependerá mucho del
comportamiento del cultivo y las consecuencias que tengan los fertilizantes en la
degradación del suelo. Teniendo en cuenta lo anterior, y al haber comprobado el
comportamiento de la bomba peristáltica, se decidió establecer un control ON-OFF en los
puntos de riego en la estructura de dosificación, estableciendo secuencias de accionamiento
de electroválvulas y de la bomba con unos tiempos específicos para cada punto geo
referenciado.
Figura 16 Respuesta del sistema a un controlador proporcional
Fuente Autores
64
5.8 METODOLOGIA DE TRABAJO EN EL CULTIVO
Con base en las condiciones iniciales del cultivo se hace un diagrama para que se pueda
utilizar una metodología de trabajo para desarrollar en cada una de las etapas, ubicando la
información según corresponda. En el cultivo de papa se puede hacer la dosificación en dos
etapas cruciales, la primera es en la siembra mientras la segunda en el aporque. Los
estudios correspondientes indican que la asimilación de nutrientes es mejor en estas dos
etapas que durante el crecimiento de la planta. A los cultivos por lo general se les hace un
estudio previo, para saber en qué condiciones se encuentran, que componentes le faltan y
cuales ya tiene, que capacidad técnica posee el cultivo y todas las características
importantes a la hora de tomar la elección sobre un predio a trabajar.
Con los datos tomados se puede almacenar esta información para ir creando un sistema de
información geográfica que facilitaría estudios posteriores sobre el terreno, teniendo como
base el que se ha hecho o si por el contrario, se poseen sensores avanzados para medir en
tiempo real las características técnicas del cultivo que serviría para hacer modificaciones
sobre el sitio de siembra con los fertilizantes que se encuentran bajo la plataforma del
vehículo agrícola usados en el sistema.
5.8.1 Especificación de tiempos de dosificación:
Se tiene un terreno piloto de una hectárea para dosificar y se sabe de antemano que hay una
distancia entre plantas de 0.3 m y una distancia entre surcos de 0.7 m a partir de los cuales
se puede conocer la densidad de plantas y determinar la cantidad de puntos que el sistema
de dosificación debe irrigar en un área de 1 hectárea. Para especificar tiempos de
dosificación con el volumen requerido de nutriente en un terreno se caracterizó una bomba
peristáltica para determinar una fórmula, en la cual se relacionará el volumen entregado con
un voltaje constante de 24 voltios para diferentes tiempos, ya que las cantidades a dosificar
en cada punto no varían mucho. Los tiempos de encendido, se fijaron con base en los
volúmenes que se tomaron. La Figura 33, donde se muestra la relación de volumen
entregado por un determinado tiempo con un caudal constante, que permite el
accionamiento de cada electroválvula. En la Figura 17, se muestra el diagrama de flujo del
procesamiento de datos antes de comenzar un plan de dosificación en un terreno.
65
Figura 17 Diagrama de flujo de pre procesamiento de datos
Fuente Autores
La Figura 17 indica en que momento, el cultivo es más propicio aplicar el fertilizante, si se
hace en la siembra, se aplica la cantidad total del fertilizante para ese terreno, de lo
contrario fracciónelo a la mitad y aplíquelo en dos sesiones una en la siembra y la
otra en el aporque de tal manera que se aplique uniformemente sobre el suelo, estos
aspectos no son generales para todos los tipos de semilla que se siembran y pueden variar
de una especie a otra, simplemente es un procedimiento que frecuentemente lo hacen los
66
agricultores en Colombia. Por otro lado, se deben determinar la cantidad de puntos a
dosificar sobre un terreno, los cuales se obtienen conociendo la densidad de siembra (Dp),
lo que se conoce como el número de plantas por unidad de área. Como resultado,
la densidad efectiva de una parcela de papa equivale a la densidad de plantas multiplicada
por la densidad de tallos47
. (Neira, 1986; Oyarzún et al., 2002). A continuación se presenta
la ecuación 16 para calcular:
(16)45
Dónde:
Si se tiene en cuenta que se toma un terreno piloto de una hectárea, y el área que ocupa una
planta en m2, se obtiene la densidad de siembra reemplazando la ecuación 16.
(17)
También se tienen los parámetros de siembra del cultivo de papa, se procede a calcular el
área, reemplazando la ecuación 17.
Se tiene previsto por cada parada dosificar 9 plantas para abarcar un mayor terreno y
disminuir la densidad de puntos de posicionamiento del vehículo en el cultivo, por lo tanto:
Puntos de parada = 47619/9 =5291 puntos.
Por otro lado, si el terreno es heterogéneo, la dosis que se necesita aplicar dependerá
exclusivamente de la información existente en el suelo la cual variará de acuerdo con las
necesidades de nutrientes en cada sector y para determinar esos cambios, se necesita
establecer rangos de requerimientos en diferentes sitios del terreno, dado que para hacer un
análisis para cada planta no es lo más ideal; es por eso que se debe considerar estos
cambios por tramos relativamente grandes. De esta manera se hace el mapeo de
composición del terreno para establecer mapas y crear los sistemas de información
geográfica.
45 Centro internacional de la papa.(2011).Manejo del cultivo de la papa en ecuador.
http://www.conpapa.com/raizdevida/archivos/Manejo%20del%20suelo%20en%20el%20cultivo%20de%20papa.pdf
67
5.8.1.1 Aplicación en matlab para determinar tiempos de dosificación:
Para evitar cálculos dispendiosos a la hora de saber las necesidades nutricionales reales con
los fertilizantes comerciales, se desarrolló una aplicación en matlab que permite al usuario
saber qué cantidad de volumen de agroquímicos necesita en un área determinada, también
tiene la posibilidad de modificar el caudal requerido de tal manera que pueda establecer
tiempos de encendido de la bomba para un volumen específico. Esta aplicación tiene como
objetivo establecer tiempos requeridos de aplicación del fertilizante por cada parada,
teniendo en cuenta información acerca del producto comercial a fertilizar y la cantidad de
caudal que genera la bomba, estos datos últimos se ingresan antes para determinar la
duración de tiempo de cada parada según la información ingresada. Para información más
detallada del uso del programa ver el ANEXO G.
5.9 MONTAJE DE LOS DISPOSITIVOS EN LOS TANQUES
El sensor seleccionado para medir nivel es de tipo capacitivo y el montaje se muestra en la
Figura 18 en los respectivos tanques.
Figura 18 Montaje de dispositivos en los tanques
Fuente Autores
Observando la Figura 18, se tiene la referencia de los dispositivos que van montados sobre
los tanques. Con base en este esquema se determinan condiciones para que la arquitectura
de control funcione adecuadamente .Se colocan dos sensores a cada lado del tanque debido
a que el terreno podría ser irregular y el movimiento del carro generaría movimientos
fuertes en los depósitos de fertilizantes provocando lecturas erróneas en los sensores y haría
que el algoritmo de control fallara; por eso se deben colocar los 4 sensores.
La Figura 19 muestra el diagrama de flujo del sistema de control de dosificación, el cual
está gobernado por un ciclo general “for” perteneciente a los puntos que va a recorrer el
68
vehículo. Este prototipo circulará a través de ciertos puntos generados por un algoritmo
A*, de tal manera que el sistema espera una señal de llegada al sitio de dosificación y sin
esta no empieza la dosificación. Una vez llega al punto se activa la señal de dosificación
con las condiciones calculadas.
Al momento de recibir la señal lo siguiente será establecer las lecturas de los sensores de
nivel, si estas se encuentran en un estado alto es decir ON esto significa que los tanques aún
se encuentran llenos y puede dosificar ese sitio de siembra, pero en caso contrario, si se
encuentra en un estado bajo, es decir en un estado OFF, se enviará una señal al vehículo
para que vaya al punto de recarga.
Durante la recarga se verifica el estado correspondiente a los sensores que se encuentran en
la parte superior del tanque, cuando el estado de los sensores está en alto (ON), indican que
el tanque está lleno. Cuando los tanques estén nuevamente recargados, el carro recibirá una
señal indicando que está listo para seguir el recorrido y el sistema otra vez esperará la señal
correspondiente al otro sitio de dosificación.
69
Figura 19 Diagrama de flujo para el dispositivo de control
Fuente Autores
70
6 DISEÑO DEL SOFTWARE
6.1 Análisis de Requerimientos:
La comprensión de los requisitos necesarios para un conjunto se tareas sobre una
aplicación conducen a comprender el impacto del software sobre el proceso, por esta razón,
se especifican los siguientes requerimientos:
* Crear una interfaz capaz de visualizar el estado de los tanques.
* Monitorear estado on-off de cada válvula de la red.
* Definir una presentación donde pueda visualizar las tuberías de la red.
* Ubicar las señales específicas del proceso de manera tal que sea fácil identificarlas.
*Ingresar datos de volúmenes requeridos para el tramo de la red.
6.2 Diagramas de casos de uso:
Describe el comportamiento del sistema en diferentes condiciones. Mientras este responde
a la petición de uno de sus usuarios, se debe identificar cuáles son los actores que pueden
desarrollar en los casos de uso46
. De acuerdo a la descripción realizada acerca del
funcionamiento del sistema de dosificación, se puede identificar al menos un actor, el
usuario encargado de suministrar la información necesaria acerca de las dosis de
fertilizantes adecuadas para un cultivo de papa, también se puede identificar, que la bases
de datos de los sistemas externos de fertilizantes juegan un papel primordial respecto a la
aplicación en desarrollo. A este actor se le llamara base de datos de fertilizantes, el cual
mantiene información sobre los nutrientes necesarios del cultivo de papa. Otro actor
principal del sistema, tiene como función enviar un bit de arranque para decidir en que
momento la aplicación de fertilizante puede ejecutarse, a este se le llamo, verificar punto de
dosificación, el cual intercambia información con el sistema de dosificación para ejecutar
una serie de eventos que permite la aplicación de nutrientes al cultivo. El diagrama de
delimitación del sistema con los actores correspondientes a la aplicación se muestra en la
Figura 20.
46 Presman,R(2008). Ingeniería del software un enfoque práctico.Mexico.McGrawHill.Sexta edicion Cap 7 Pag 175
71
Figura 20 Delimitación del sistema de dosificación
Fuente Autores
Luego de haber identificado los actores del sistema, ahora se define la funcionalidad de la
aplicación por medio de casos de uso. En el sistema de dosificación el actor primario
usuario, el cual envía información de los nutrientes necesarios para un cultivo de papa. Otro
actor principal el cual se le denomino punto de dosificación, permite saber en qué momento
empezar la aplicación de los nutrientes en el cultivo de la papa. Con lo descrito
anteriormente se define los casos de uso principales, definir dosis y ejecutar dosificación.
En los modelos de casos de uso, para determinar la funcionalidad lógica del sistema se debe
especificar la magnitud de sus diferencias, si los casos de uso tienen diferencias pequeñas,
se pueden describir los flujos correspondientes para los eventos que se den en cada
transición, con flujos principales y subflujos alternos, pero si existen diferencias
sustanciales en casos de usos robustos se utilizan relaciones de extensión e inclusión. Para
el caso de uso definir dosis para el actor usuario, se utiliza la relación inclusión, tal como
se muestra en la Figura 21.
72
Figura 21 Casos de uso definir dosis
Fuente Autores
Para el caso de uso de ejecutar la aplicación se tiene los siguientes eventos, como lo
muestra la Figura 22.
Figura 22 Caso de uso ejecutar aplicación
Fuente autores
El diagrama completo de casos de uso para el sistema de dosificación se muestra en la
Figura 23. También se incluyen los siguientes casos de uso secundarios que son necesarios
para un buen funcionamiento de la aplicación. Validar usuario, seleccionar fertilizante a
dosificar, con sus respectivas extensiones de dosificación individual o todos a la vez.
73
Figura 23 Casos de usos completos para el sistema de dosificación
Fuente Autores
6.3 Documentación de los actores y casos de uso
Se utilizan para describir de manera textual, en detalle los actores y los casos de uso
identificados. El actor usuario se muestra en la Tabla 14.
Tabla 14 Actor usuario
Actor: Usuario
Casos de uso: Validar usuario, definir dosis, seleccionar fertilizante a dosificar, ejecutar
aplicación
Tipo: Primario
Descripción: Es el actor principal debido a que define los parámetros de dosificación.
Fuente autores
La base de datos de fertilizantes interactúa con los casos de uso de registros asociados a las
dosis de fertilizantes. Ver Tabla 15.
74
Tabla 15 Actor base de datos fertilizantes
Actor: Base de datos fertilizantes
Casos de uso: Validar usuario, seleccionar fertilizantes a dosificar, ejecutar aplicación
Tipo: Secundario
Descripción: Es el actor secundario y representa la base de datos donde se guarda la
información relacionada con las dosis de fertilizantes.
Fuente autores
El punto de dosificación interactúa enviando una señal de llegada al sitio de riego para
decidir en qué momento ejecutar la dosificación. Ver Tabla 16
Tabla 16 Actor punto de dosificación
Actor: Punto de dosificación
Casos de uso: Validar usuario, seleccionar fertilizantes a dosificar, ejecutar aplicación
Tipo: Primario
Descripción: Es el actor secundario debido a que necesita de una información previa
que es generada por el actor principal.
Fuente autores
Para los casos de uso la documentación requerida está en las siguientes tablas La Tabla 17
es el caso de uso validar usuario, es la pantalla inicial antes de entrar a la aplicación.
Tabla 17 Caso de uso validar usuario
Caso de uso Validar usuario
Actores Usuario, base de datos fertilizantes, Punto de dosificación
Tipo Inclusión
Propósito Validar a un usuario para definir parámetros de dosificación y ejecutarla
Resumen Valida a una persona para que con una clave previamente dada entre a la
pantalla de configuración de parámetros de dosificación y aplicación
Precondiciones Saber la clave del sistema de entrada dado por el operador del sistema
Para el caso de uso seleccionar fertilizantes a dosificar se configura de la siguiente manera
según la Tabla 18.
75
Tabla 18 Caso de uso seleccionar fertilizantes
Caso de uso Seleccionar fertilizantes
Actores Usuario
Tipo Extensión
Propósito Se utiliza para seleccionar que tipo de nutriente requiere el cultivo de la
papa para un terreno especifico
Resumen Permite seleccionar el tipo de nutriente específico para la aplicación
Precondiciones Entrar con la validación de usuario
Fuente autores
Para el caso de uso ejecutar aplicación se sigue los siguientes parámetros, según Tabla 19
Tabla 19 Caso de uso ejecutar aplicación
Caso de uso Ejecutar aplicación
Actores Punto de dosificación
Tipo Inclusión
Propósito Se utiliza para decidir en qué momento empezar la dosificación
Resumen Este caso de uso se inicia luego de haber iniciado el usuario principal.
Luego verifica si se encuentra en el sitio de dosificación
Precondiciones Entrar con la validación de usuario
Fuente autores
Para el caso de uso definir dosis se tienen los siguientes paramentos, ver Tabla 20
Tabla 20 Caso de uso definir dosis
Caso de uso Definir dosis
Actores Usuario, base de datos fertilizantes
Tipo Inclusión
Propósito Se utiliza para ingresar los volúmenes requeridos para un punto de
dosificación
Resumen Este caso de uso se inicia luego de haber iniciado el usuario principal.
Luego ingresa los volúmenes correspondientes al sitio de dosificación
Precondiciones Entrar con la validación de usuario
Fuente autores
76
6.4 Diseño de la base de datos:
Debido a que este proyecto de grado hace parte de una tesis doctoral, el sistema esta
subdivido en varias tareas específicas. Por esta razón, la base de datos es realizada por el
grupo de sistema de información que tiene como objetivo guardar todas las variables en un
sistema central. El sistema de dosificación maneja una tabla referente a las dosis de
fertilizantes correspondientes a un cierto terreno con su análisis de suelos, previo,
permitiendo saber los volúmenes requeridos; y estos datos están montados sobre una
plataforma central de un sistema de información, administrado por el grupo
correspondiente. La tarea del diseño del sistema de información está consignada por otro
grupo por lo tanto se hace referencia del diseño a esta tesis (ver ANEXO H). La aplicación
de dosificación lo que hace es compartir información (cargar y probar datos) y se actualizan
con el punto correspondiente de dosificación, con esta base de datos general. Para nuestro
caso correspondiente del sistema de dosificación se tiene el diagrama de secuencias que
permite ver la comunicación entre la aplicación y la base datos donde. La Figura 24
muestra el diagrama de secuencia con los eventos correspondientes.
Figura 24 Secuencia conexión base de datos ok
Fuente Autores
77
Figura 25 Secuencia conexión base de datos en falla
Fuente autores
La Figura 25 muestra la secuencia de eventos cuando la conexión con la base de datos se
pierde.
78
7 SISTEMAS ALTERNATIVOS DE DOSIFICACIÓN
7.1 Aplicación desarrollada para un microcontrolador pic:
Inicialmente, se desarrolló una aplicación para probar dosificación con micro controlador
(pic), la cual se realizó integrando varios programas para tener accesos a diferentes
características que se pueden desarrollar en cada uno. Esta aplicación se muestra en la
Figura 26 donde se muestra la interfaz de usuario, en el lado izquierdo se tiene el desarrollo
en matlab y al lado derecho el que se hizo en proteus.
Figura 26. Interfaz para la aplicación con el microcontrolador pic
Fuente Autores
7.2 Funcionamiento de la aplicación:
En la Figura 26, al lado izquierdo de la pantalla en la esquina inferior, se observa la interfaz
gráfica de matlab, donde se digita la cantidad de puntos a dosificar y el tiempo total de
dosificación. Al lado derecho, se observa el módulo de simulación de proteus, el cual
muestra las acciones correspondientes a los motores de las bombas (inicialmente se
contempló utilizar 3 bombas, pero por razones de espacio y peso en el vehículo se decidió
79
utilizar solamente una bomba dosificadora). Además, se observa el estado de los sensores,
la señal recibida del vehículo, el estado de la comunicación por el puerto serial, y los demás
elementos del circuito de control de las bombas. También se encuentran unos indicadores
leds que indican en que parte del proceso se encuentra el sistema.
La Figura 27 muestra en detalle, la comunicación entre matlab y proteus. La aplicación
consiste en manipular varias fases del proceso de dosificación asi: lo primero que se debe
tener en cuenta es la llegada al sitio de aplicación del fertilizante, mediante el cambio de
estado de un contactor. Luego para saber si los tanques de almacenamiento contienen
agroquímicos, a partir del estado de los sensores se indica si está lleno o vacío. La
simulación se hace por medio de contactores con los cuales, si las condiciones anteriores
indican que se puede dosificar porque se cumplen los anteriores requerimientos, los
motores de las bombas se activarán por un periodo de tiempo establecido a partir de la
dosis. El encendido de los motores del sistema de mezclado del fertilizante será cada 3
puntos de parada (estaciones) para garantizar la homogeneidad de la concentración del
fertilizante. La visualización correspondiente a la aplicación ejecutándose es la siguiente:
La simulación realizada en esta aplicación se hace con dos motobombas y dos mezcladores
debido a razones de espacio, pero no afecta para nada colocando los otros dos dispositivos
faltantes. El tiempo de las bombas se maneja igual debido a la comunicación serial dado
que solamente se pueda enviar una trama de datos a la vez, lo cual es una desventaja frente
a la aplicación en labview. Estos tiempos serán establecidos con base en un terreno
homogéneo. Los óvalos negros indican ciertos dispositivos del sistema: en primer lugar en
la parte superior izquierda del gráfico, se señala el estado de los motores de las bombas del
sistema; en la parte inferior derecha, se indica el flujo de datos del puerto serial y en el
centro del gráfico al lado izquierdo, se visualiza el estado de los sensores de nivel tanto alto
como bajo, y entre ellos la señal del vehículo que indica el momento que llegó al punto de
dosificación. El funcionamiento básicamente se basa en definir los puntos de parada y el
tiempo máximo de dosificación de todos los puntos en cada estación. La cantidad de
fertilizante aplicada se hace bajo la premisa de dosis de tasa fija en un determinado terreno
sabiendo de antemano que los cambios considerables de nutrientes no serán de gran
magnitud. Adicionalmente, se programó con tasa fija por la limitación del manejo de
80
temporizadores simultáneos entre matlab y los otros programas. Ver en más detalle en el
ANEXO I.
Figura 27. Interfaz en proteus
Fuente Autores
7.3 Aplicación para un Compact Rio:
El controlador compact rio es un dispositivo reconfigurable de control y adquisición a bajo
costo, que es utilizado para aplicaciones que requieren rendimiento, fiabilidad y una alta
autonomía. El sistema combina una arquitectura embebida abierta con un tamaño pequeño,
extrema robustez y módulos industriales de E/S intercambiables. En su funcionamiento
interno utiliza una compuerta programable FPGA de E/S reconfigurable, y un controlador
en tiempo real para la comunicación y procesamiento, con un software gráfico Labview
para rápida programación. La aplicación desarrollada para el sistema de dosificación,
81
permite establecer una conexión con una base de datos central, que facilita conocer las
necesidades nutricionales en cada punto del terreno, de modo que al dosificar un punto, lo
que hace el sistema es activar una bomba dosificadora y una electroválvula correspondiente
a una boquilla (aspersor), que aplica el fertilizante. Esta dosis corresponde a la información
previamente actualizada en la base de datos. En la Figura 28, se muestra el controlador con
su CPU y sus diferentes slots con los módulos de entradas y salidas (E/S) .
Figura 28. Dispositivo Compact Rio
Fuente National Instrument
La Figura 29 muestra el funcionamiento en tiempo real de la aplicación desarrollada. Se
deben tener en cuenta los siguientes parámetros para la simulación:
1. Ingresar la cantidad de puntos a dosificar. (Puntos que componen la ruta a seguir)
2. Verificar la señal del sistema de control del vehículo. (Activación de dosificación cuando
alcanza el punto de llegada.)
3. Verificar el estado de los sensores de nivel de los tanques.
4. Especificar vínculo con la base de datos. (Lugar donde está la carpeta de almacenamiento
en el computador.)
5. Tiene la opción de dosificar según el tipo de macronutriente y de ingresar volúmenes
requeridos para cada punto de irrigación. (Independientemente estos volúmenes pueden
digitarse y posteriormente, podrán leerse en la base de datos.)
Con los anteriores parámetros especificados en la aplicación, se puede dar inicio al
funcionamiento. Se tienen los 3 tanques con los macronutrientes principales (N,P2O5,K2O)
82
previamente diluidos en agua, además se tiene una plataforma de aplicación del fertilizante
con nueve micro aspersores y a cada uno le corresponde una electroválvula, la cual permite
el paso del fertilizante correspondiente al punto de dosificación en un determinado tiempo;
cuando la opción seleccionada es para dosificar todos los fertilizantes, la función del
programa permite que se realicen secuencialmente las acciones correspondientes de
dosificación, es decir que primero aplique el volumen requerido del tanque de N, luego
para el P2O5 y por último al de K2O. En el momento de la aplicación de fertilizante de uno
de los tanques, el sistema tiene una secuencia que activa una electroválvula a la vez, es
decir, que permite el paso del fluido en uno de sus micro aspersores de los nueve que lo
componen, el tiempo de accionamiento de cada uno se ajusta al requerimiento de nutrición
de la planta ubicada en tal punto, el cual está dado por la información previamente
ingresada en la base de datos. Encender una electroválvula a la vez, permite tener la presión
necesaria para que el micro aspersor funcione adecuadamente. Cuando se realiza la
dosificación correspondiente de cada planta en el punto de parada, el sistema envía un bit
de verificación al sistema de control del vehículo; para que se ubique en la siguiente
coordenada de dosificación. Cuando los niveles de cualquier tanque se encuentren en un
nivel bajo, el sistema envía un bit al vehículo para que se ubique en la coordenada donde se
abastece de fertilizantes al sistema de dosificación. La programación de las acciones
mencionadas anteriormente, se realizaron mediante Labview y su funcionamiento interno
se muestra en el ANEXO J.
83
Figura 29. Interfaz de Labview para la aplicación del Compact Rio
Fuente Autores
De los resultados obtenidos para el control de dosificación con tiempo constante y caudal
variable, se observa que pueden ser dosificados los fertilizantes de una manera estable y
con alta precisión basados en un solo temporizador; lo cual favorece el uso de un micro
controlador y de la tecnología desarrollada a nivel de hardware; para una implementación
más económica en sistemas homogéneos y pequeños, con activación de las bombas por
puerto serial. El inconveniente de utilizar esta tecnología es que no posee la suficiente
robustez para ser usados en ambientes agresivos, y al utilizarla en el campo debe estar
expuesta a muchos cambios en el ambiente, como puede ser una alta lluvia o estar expuesto
al sol todo el día. Por otro lado, el carro estará en constante movimiento y el
desplazamiento será en terrenos con bastante desnivel, lo que podría ocasionar una falla en
los elementos electrónicos ubicados en el carro.
84
Mientras los resultados que se obtienen para el control de tiempo variable y caudal
constante en el Compact Rio, muestran que es una solución, porque permite dosificar los
fertilizantes con control independiente, para el accionamiento de las electroválvulas, esto
quiere decir que para cada electroválvula se tiene asignado un tiempo de accionamiento
basados en la información que se tiene para ese punto específico. Esta información equivale
al volumen que se debe fertilizar, este volumen será procesado de acuerdo a la relación que
se obtuvo del volumen respecto al tiempo, la cual permite establecer en cuanto tiempo debe
estar accionada la electroválvula, para generar el volumen deseado. La información acerca
del volumen del fertilizante a dosificar será entregada por la base de datos, en la cual esta
almacenada, y donde previamente se han subido los datos correspondientes al sitio de riego.
La robustez del compact Rio para ambientes agresivos permite que esta aplicación sea la
más efectiva para la dosificación. El diagrama eléctrico de las conexiones se observa en el
ANEXO K. Para visualizar el manual de usuario de la aplicación ver el ANEXO L.
85
8 ANALISIS DE RESULTADOS
Al recopilar la información correspondiente con las necesidades del cultivo y sus
características, se pudo especificar parámetros pertinentes para el diseño de cada uno de los
elementos que componen el sistema de dosificación. En cuanto al sistema mecánico, se
pudo establecer la selección de la bomba y escoger la adecuada para este tipo de sistemas
de aplicaciones agrícolas. La bomba peristáltica se seleccionó, porque permite la aplicación
de fertilizantes eficazmente debido al uso que se hace para aplicaciones químicas donde la
precisión debe ser exacta. Con base en datos que se tomaron experimentalmente para la
caracterización de la bomba, se pudo verificar el comportamiento lineal y establecer la
relación directa entre el volumen y el tiempo para hacer la dosificación con flujo constante.
Al analizar la topología de la red mediante un programa de diseño de redes se pudo
establecer los flujos que circulan a través de las boquillas y los problemas que se pueden
presentar por caídas de presión en las tuberías, por eso se recomienda calibrar los equipos
antes de utilizar en campo.
Debido a los altos contenidos de fertilizantes que se requiere de los respectivos nutrientes
se logró el diseño eficiente de los tanques de almacenamiento teniendo en cuenta las
recomendaciones de dosis y la forma física que se debía utilizar. El espacio que hay en el
cultivo entre las semillas y los surcos, hace que el tamaño del vehículo agrícola sea
restringido en cuanto a su estructura; es por eso que esa limitación afecta a los tanques y su
forma física rectangular, permite aprovechar mejor el espacio disponible. Por otro lado, las
recomendaciones de dosis establecen que para la región cundiboyacense, el gasto total por
nutriente, es más alto para el fertilizante fosfatado, pero lo más recomendable es hacer un
estudio de suelos para verificar la cantidad necesaria de fertilizantes de acuerdo a la pérdida
del nutriente en el suelo. Por esta razón, se optó por establecer los tanques de igual tamaño,
para que sea flexible para el uso de diferentes planes de dosificación, sumado a menores
costos de fabricación siendo todos iguales.
En cuanto a los elementos de control, se pudieron establecer ventajas y desventajas de los
sistemas desarrollados en las dos distintas plataformas de control: por un lado la aplicación
realizada en un micocontrolador es apta para terrenos donde los requerimientos de
nutrientes no tienen un cambio significativamente alto, mientras para aplicaciones donde la
variación de los elementos en el suelo cambian mucho por el uso inadecuado de los
86
recursos disponibles en el terreno, es decir la variación de nutrientes en diferentes sectores
del suelo se han alterado en una magnitud alta, la mejor opción es utilizar un Compact rio
que tiene la facilidad de ejecutar cambios en la variables que se requieren controlar en este
caso el volumen aplicado a un determinado sector del cultivo.
Tabla 21 Comparación entre un micro controlador y un Compact Rio Dispositivo Ventajas Desventajas
Micro Controlador *Se integra fácilmente con diferentes
programas para ejecutar el control y es
compatible con memorias externas de
almacenamiento de datos
*Los dispositivos de control son
relativamente de bajo costo
*La simulación aplicada en proteus
permite comunicar datos a un software
potente en cálculos como lo es matlab
* Las simulaciones mostradas pueden
variar en el montaje real por las
características de los dispositivos tomando
en cuenta las interferencia de ruido
*En condiciones climáticas adversas los
dispositivos pueden entrar en fallas
Compact Rio *En las simulaciones se pueden
implementar vectores internos que
faciliten la comprobación del
funcionamiento real en campo. Se
verifico las señales existentes en los
slots al momento de accionarlos
internamente
El accionamiento generado por el
algoritmo es bastante preciso
El manejo independiente de las
variables de salida permiten la
versatilidad de funcionalidad de las
bombas llevando a cabo las tareas de
dosificación con bastante exactitud
* Los dispositivos son de alto costo
*El manejo integral para comunicarse con
otros programas es bastante limitado.
*El consumo de energía es bastante alto y
se requiere implementar un sistema
alterno para el manejo integral de baterías.
Fuente Autores
8.1 Pruebas de dosificación con la bomba peristáltica:
Se hizo un prototipo en escala 1:3 de la estructura de dosificación y para verificar el
funcionamiento de la aplicación en el compact Rio, se utilizó agua para hacer las pruebas
pertinentes. El procedimiento que se siguió fue establecer volúmenes para cada punto de
dosificación en cantidades mínimas por cada micro aspersor, estos datos se cargaron al
sistema de información central, y después procesados por el compact Rio, con lo cual se
generaba el tiempo de accionamiento de la electroválvula para establecer el volumen
aplicado por cada uno, estos se midieron por medio de una probeta con lo cual se podía
87
medir el volumen de fertilizante aplicado en un punto en particular. Los datos cargados de
volumen de fertilizante y los medidos se presentan en la Tabla 22. Para sacar el error se
tomó el volumen medido menos el volumen calculado sobre el volumen calculado y se
multiplica por 100% para obtener el porcentaje de error.
Tabla 22 Pruebas de dosificación en el compact Rio
Fuente Autores
Al observar la Tabla 22, se tiene que los valores medidos del fertilizante se ajustan al valor
de referencia dado para cada nutriente, dentro de la toma de datos hay una electroválvula
que no marca la tendencia de los datos, que es la válvula (V2C) cuando se hizo el
experimento se observó que esta válvula tenía fugas lo cual hacia que más cantidad de agua
llenara la probeta en el tiempo determinado. Este problema en esta válvula hace que el error
porcentual aumente bastante, y no permita tener un error que asimile la realidad del
sistema, pero si se tienen solo en cuenta los demás datos el error promedio es alrededor del
2%. A partir de lo anterior, se debe verificar que todos los dispositivos estén en óptimas
condiciones y que las conexiones entre las mangueras estén bien ajustadas para garantizar
la precisión en la dosificación. La Figura 30 muestra en una gráfica de barras para ver en
detalle los datos tomados.
V. EspecificoT. medido
V(ml) t(s) V1A(ml) V1B(ml) V1C(ml) V2A(ml) V2B(ml) V2C(ml) V3A(ml) V3B(ml) V3C(ml)
N 20 4,6071 19 19 19 19 19 25 19 19 18 19,5555556 2,272727273
P 30 9,4731 29 31 32 31 31 39 31 29 31 31,5555556 4,929577465
K 25 7,0401 28 26 26 26 26 34 26 26 26 27,1111111 7,786885246
N 30 9,4731 31 29 29 29 31 40 31 29 31 31,1111111 3,571428571
P 15 2,1741 16 16 16 16 16 24 16 16 16 16,8888889 11,18421053
K 20 4,6071 18 22 19 19 19 25 19 19 19 19,8888889 0,558659218
N 23 6,0669 24 24,2 24 24,5 24 34 24 24 24,5 25,2444444 8,89084507
P 30 9,4731 31 31 31 31 31 42 31 31 31 32,2222222 6,896551724
K 24 6,5535 25 25 23 25 25 36 25 25 23 25,7777778 6,896551724
N 27 8,0133 32 32,5 32 32,5 32 44 32 32 32 33,4444444 19,26910299
P 19 4,1205 17 17 16,5 17 16 23 17 17 17 17,5 8,571428571
K 32 10,4463 33 33 33 33 33 43 33 33 33 34,1111111 6,188925081
N 26 7,5267 27 26 26 26 27 37 26 26 26 27,4444444 5,263157895
P 15 2,1741 17 17 17 17 17 26 17 17 17 18 16,66666667
K 31 9,9597 32 32 32 32 30 50 32 32 32 33,7777778 8,223684211
Error promedio global 7,811360149
Tn =Tipo de Nutriente V. Esp= Volumen especifico para el punto Vi= Indica los volumenes generados por cada micro aspersor
Pi= Pruebas realizadas T. medido= Tiempo generado por el compact
Vprom(ml) Error Pruebas
Electrovalvulas(volumen medido en ml)
P1
P2
P3
P4
p5
T.N
88
Figura 30 Volumen dosificado por las electroválvulas
Fuente Autores
La barra roja que sobresale en cada una de las pruebas indica el dato que tiene desviación
por el problema que se tiene en la electroválvula. La barra azul de cada una de las pruebas
indica el volumen específico de cada nutriente. Al citar como ejemplo la prueba 1 para el
fertilizante nitrogenado (N), se tiene un valor de referencia de 20 ml el cual esta detallado
como la primera barra de color azul y las demás barras indican el volumen aplicado, el
nivel de estas barras es muy similar a la barra de referencia, lo cual indica que la acción
de control por medio de tiempos se ajustan a la aplicación para generar el volumen que se
especifica en el sistema de información. Lo anterior, indica que la aplicación que se utiliza
en el compact Rio es eficiente en cuanto al volumen dosificado, pero que se deben ajustar
todos los dispositivos para que no haya fugas y no generen una mala dosificación. También
se puede observar la estabilidad de la dosificación (repetibilidad del proceso) para todas las
pruebas en cada uno de los fertilizantes, exceptuando la válvula V2C defectuosa
0
10
20
30
40
50
60
N P K N P K N P K N P K N P K
P1 P2 P3 P4 p5
Volumen especifico
V(ml)
t(s)
V1A(ml)
V1B(ml)
V1C(ml)
V2A(ml)
V2B(ml)
V2C(ml)
V3A(ml)
V3B(ml)
89
9 CONCLUSIONES
Se logró simular el sistema de dosificación tanto en tasa variable como en tasa fija,
haciendo una interfaz en labview que representara las diferentes etapas del proceso desde
que recibe la señal del robot móvil hasta la apertura de las electroválvulas que controlan las
boquillas para la irrigación del fertilizante sobre el cultivo en un punto específico.
Se verificó la curva de la bomba seleccionada, y se comprobó que el comportamiento es
lineal para la bomba peristáltica. Se halló experimentalmente una ecuación característica
para saber la cantidad de fertilizante que se aplica en un rango de tiempo utilizando un
caudal constante y variando el tiempo de accionamiento en el dispositivo; esta característica
permite controlar el volumen preciso de fertilizante sobre cada planta. La aplicación
realizada en el compact rio posibilita el manejo sitio punto específico que en últimas busca
la agricultura de precisión, mientras que con el micro controlador se puede manejar tasas
fijas de dosificación.
La aplicación en el micro controlador demostró que para terrenos homogéneos es apta y
debido a que las tecnologías utilizadas son bastante económicas puede ser solución para
este tipo de terrenos, pero presenta problemas de robustez para el uso de ambientes
agresivos. Los tipos de fertilizantes utilizados en la aplicación deben tener
recomendaciones relativamente iguales para que no haya sub dosificación o
sobredosificación en los diferentes puntos del terreno. Esta alternativa se basa básicamente
en el manejo único de un tiempo de accionamiento; debido a esto no permite el manejo
independiente de las electroválvulas, y se tiene restricción para casos que presenten
variabilidad de nutrientes en el suelo, en este caso no será pertinente utilizar esta
alternativa, pero tomando como factor importante los costos, sería una opción a utilizar.
La aplicación con el pac de national instrument compact Rio demostró ser bastante robusta
para este tipo de aplicaciones, se logró definir una ecuación que permitiera generar un
volumen adecuado de fertilizante que se aplique por medio de un micro aspersor en la
estructura de dosificación. Esta ecuación recibe un volumen indicado de la base de datos
para luego procesarlo y entregar un tiempo de accionamiento para una electroválvula en
particular, basados en un plan de dosificación, previamente cargados los datos en el
90
sistema de información. La medición que se hizo con una probeta para determinar el
volumen entregado por un micro aspersor en particular y el accionamiento de las bombas, y
de acuerdo al control realizado en el compact Rio, se encontró un error porcentual
promedio del 2% pero por falla de una electroválvula puede llegar incluso a un 7.8%,según
tabla 14, de acuerdo a lo explicado en esta sección el error aumenta debido a una
electroválvula que no se encontraba en óptimas condiciones lo que hace que el error
aumente significativamente; pero en general, el sistema se ajusta al funcionamiento
requerido ya que el proceso no exige un precisión milimétrica en la dosis a aplicar, y los
resultados de la dosificación se presentan en un tiempo prolongado sin poder medir la
eficiencia de la aplicación del fertilizante en el suelo antes de unos 4 meses y ver como se
desarrolló la papa, de acuerdo con las dosis que se aplicaron.
Se logró establecer comunicación entre el dispositivo de control (Compact Rio) y la base
de datos para definir dosis correspondientes en cada sitio de parada. Así mismo, los tiempos
de apertura de las electroválvulas con lo cual se garantiza la interconexión con el sistema de
información que permite una mayor precisión en la aplicación del fertilizante.
Se hizo el análisis de esfuerzos sobre el tanque, el cual indica que la tensión máxima a la
cual va a estar sometido es de 45 MPA y el límite de fluencia del material seleccionado es
de 105 Mpa lo cual indica que no sobrepasará los límites para romper el material
seleccionado, en este caso el acero AISI 304.
El sistema de mezcla como se planteó en el objetivo fue replanteado debido a que no se
tomó en cuenta el tipo de fertilizante a utilizar, y este se utiliza como parámetro inicial para
el diseño. Al seleccionar un fertilizante líquido, no se necesitaría de una mezcla como tal
para generar un producto, lo que se hizo fue seleccionar un sistema de agitación para
mantener uniforme el fertilizante dentro del tanque, para que no se repose el producto.
91
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94
ANEXO A
TIPOS DE FERTILIZANTES
Definición de Fertilizante47
: Por fertilizante se entiende cualquier material orgánico o
inorgánico, natural o sintético que suministra a las plantas uno o más de los elementos
nutricionales necesarios para su normal crecimiento. Lo anterior, supone que la condición
indispensable para que un material se considere como fertilizante es doble: de una parte,
debe contener uno o más de los nutrientes esenciales para el desarrollo vegetal y, de otra, la
sustancia en cuestión, por su naturaleza y propiedades específicas, debe estar en capacidad
de ceder estos elementos a las plantas, es decir, debe contenerlos en estado aprovechable.
La Tabla 23 presenta el comportamiento de los fertilizantes líquidos y sólidos, en tres
diferentes tipos de sistemas de fertilización.
Tabla 23 Comparación de sistemas de fertilización Sistemas de fertilización
Arrastre Inyector Venturi Bomba dosificadora
Facilidad de manejo Alta Media Baja
Uso de Fertilizantes sólidos + - (*) - (*)
Uso de fertilizantes líquidos + + +
Velocidad de descarga Alta Baja Alta
Control de la concentración Ninguna Media Buena
Control del Volumen Bueno Medio Bueno
Pérdida de presión Baja Muy Alta Ninguna
Automatización Baja Media Alta
Precio Bajo Medio Alto
Fuente Sistemas mecánicos usados en la inyección de fertilizantes48
A.1 Comparación de fertilizantes (sólidos vs líquidos)
Para este proyecto se requiere utilizar maquinaria agrícola que se pueda adaptar a
necesidades específicas es por eso que se compara la utilización de distintos tipos de
fertilizantes en la Tabla 23, con distintos sistemas de aplicación. El arrastre es una
47 Guerrero.Riascos. Manual técnico Propiedades Generales de los fertilizantes. Ingeniero Agrónomo, M. Sc., Profesional
consejero de Monómeros Colombo Venezolanos S.A. (E.M.A.), Profesor Emérito de la Universidad Nacional de
Colombia. 48 Biblioteca de fertilidad y fertilizantes en español.(2012).Sistemas mecánicos usado en la inyección de fertilizantes.
http://www.fertilizando.com/articulos/Sistemas%20Mecanicos%20usados%20en%20la%20Inyeccion%20de%20Fertiliza
nte.asp
95
forma de nutrir los cultivos de manera manual, el inyector venturi utiliza la diferencia de
presión entre el fertilizante y el agua de riego. La bomba de dosificación permite tener
control sobre la cantidad de fertilizantes aplicados a un cultivo y este último es adecuado
para implementar según los requerimientos del proyecto.
Los fertilizantes líquidos se adaptan mejor para las aplicaciones de sistemas automatizados
debido a su versatilidad de manejo en cuanto a la facilidad de dosificarlos correctamente y
de manera uniforme sobre un terreno a cultivar. Una de las características favorables es la
propiedad de distribuirse uniformemente sobre el cultivo y con las concentraciones
correctas, indicadas de tal manera que se cumplan los planes de nutrición establecidos para
el suelo.
*Los fertilizantes sólidos ofrecen ventajas debido a que vienen en distintas presentaciones y
se pueden manipular de diferentes maneras pero el tipo de maquinaria agrícola para
dosificar no es apta para poder automatizar.
*El tipo de maquinaria para la manipulación y dosificación de los fertilizantes sólidos son
muy grandes y en muchas aplicaciones en Colombia se hace de manera artesanal, debido al
desconocimiento o falta de estudios para aplicar tipos de maquinaria mejores para el
campo.
*Los fertilizantes líquidos presentan inconvenientes con la solubilidad, debemos tener en
cuenta la temperatura a la hora de aplicar el fertilizante en el cultivo pero las variaciones
promedio de temperatura en Colombia no son tan extremas en corto tiempo, como para
generar cristalización del producto en el sistema.
*La granulometría de los fertilizantes sólidos solubles en agua, es de especial importancia
para la aplicación del fertilizante en el terreno, estos deben ser lo más homogéneo y
pequeño posible de forma tal que facilite su disolución en agua. El tamaño de los gránulos
cobra especial importancia en las mezclas de fertilizantes, pues las partículas de diferente
tamaño tienden a separarse durante su manejo, transporte y aplicación; entre otras cosas
también influye en la fijación, solubilidad, y eficiencia del fertilizante en el suelo, como en
el caso de los fosfatos (de tipo granulado y roca fosfórica) y los diferentes tipos de cal. Para
obtener una distribución uniforme en todo el ancho del trabajo de un equipo de riego, se
requiere que por lo menos el 80% del volumen del fertilizante se encuentre comprendido
entre los 2.5mm y 4 mm.
96
A la hora de implementar automatización, los equipos presentan mayor afinidad con
fertilizantes líquidos debido a que los componentes de las maquinarias se prestan para
poder manipularlos.
Como conclusión, se decidió trabajar con fertilizantes líquidos porque, su manejo, debido
su estado físico (liquido), permite utilizar elementos de precisión, como lo son las bombas
dosificadoras, además no presentan problemas en cuanto almacenamiento, lo cual con
fertilizantes solidos presentarían problemas de compactación de partículas. Al utilizar
fertilizantes líquidos, la estructura de dosificación sería mucho más fácil implementarla, en
este caso porque se manejaría tuberías, las cuales se podrían distribuirse uniformemente
sobre el vehículo, y el movimiento del fluido dentro de estas, permite que el fertilizante
puede ser aplicado con aspersores en diferentes puntos, debido a que su ubicación estará
separados entre sí, lo anterior no sería posible con fertilizantes sólidos, ya que la
maquinaria que existe para este tipo es más robusta y menos flexible y su distribución en el
terreno es más compleja no facilitando la aplicación localizada como se pretende.
97
ANEXO B
B1 Principio del funcionamiento de las bombas peristálticas
La función de las bombas peristálticas imita el sistema de digestión humana conocido como
movimiento “peristáltico” consistente en la contracción y sucesiva relajación de un
músculo alrededor de un tubo que así mueve su contenido. En el caso de la bomba, un tubo
flexible es aplastado continuamente por rodillos colocados adecuadamente. Entre un paso y
el otro del rodillo impulsor, el tubo recupera su diámetro original, generando un vacío para
transportar el producto a bombear. El mecanismo más común cuenta con dos o tres rodillos
que giran en un compartimiento circular comprimiendo en forma progresiva una manguera
especial flexible49
. La Figura 31 muestra una bomba peristáltica de tres rodillos.
Figura 31 Configuración de los rodillos de la bomba peristáltica
Fuente Quiminet.
En la Figura 31 se observa que en ningún momento de las fases 1 al 6 los rodillos dejan de
presionar la manguera en al menos un punto. Esto es importante ya que si en algún
momento los rodillos dejan de presionar el conducto, el líquido podría retroceder. El
sentido de rotación del motor determina la dirección del flujo del contenido. Los rodillos
están unidos con el eje del motor a través de algún mecanismo, de manera que al girar el
mismo, estos presionan la manguera en forma progresiva y hacen avanzar el contenido
dentro de la misma. Las características técnicas de la bomba se presentan en la Figura 32.
49 Quiminet.(2011).Principio de funcionamiento de las bombas peristálticas.
http://www.quiminet.com/ar9/ar_vcdarmaasdaasd-principio-del-funcionamiento-de-las-bombas-peristalticas.htm
98
Figura 32 Ficha técnica de la bomba peristáltica 50
50 Watson Marlow.(2011).Productos bombas. http://www.watson-marlow.com
99
B2. Caracterización de la bomba peristáltica
Se hizo una serie pruebas basadas en toma de datos del funcionamiento de la bomba
peristáltica para saber el comportamiento y como se puede aplicar al sistema de
dosificación. En la Tabla 24 se muestra la relación del volumen dosificado de (agua)para
determinar el tiempo total de dosificación por un determinado volumen, que permitiera
encontrar una ecuación característica y poder utilizarla en el sistema de control de apertura
de las electroválvulas.
Tabla 24. Relación volumen vs tiempo
V(Volts) V(ml) t(s)
20 50 29,19
24 50 23,475
20 100 58,7375
24 100 48,0725
20 200 120,861
24 200 82,7955
20 300 181,608
24 300 136,356
20 400 242,4705
24 400 189,2595
20 500 302,9895
24 500 243,4605
Fuente autores
El procedimiento que se realizó, fue tomar datos con un cronómetro, con una frecuencia
alrededor de 5 veces, para el mismo tiempo, el cual determinaba un volumen especifico
con un tensión fija de 20 V para el primer dato de la primera celda, la información que está
en la Tabla 24 son los promedios calculados. Estos datos han sido tomados bajo una sola
trayectoria en la red es decir utilizando una sola boquilla para la dosificación del
fertilizante pero que en esta prueba se aplicó con agua para mirar el comportamiento de la
bomba peristáltica. A continuación, se muestra el comportamiento de la bomba en una
gráfica en Excel, la cual es la curva de comportamiento de la misma a una tensión de 24 V.
100
Figura 33 Grafica del comportamiento de la bomba peristáltica
Fuente Autores
Al observar la gráfica se ve un comportamiento lineal de la bomba, no es totalmente debido
a los errores en la toma de datos, pero básicamente el funcionamiento de este dispositivo
permite implementar una ecuación característica para hallar volúmenes que varían
modificando el tiempo de operación del motor. Con base en esa relación, se puede
determinar la proporción de fertilizante en un periodo de tiempo, lo cual garantizaría
implementar un control de ON-OFF para accionar cada una de las electroválvulas con un
tiempo específico estimado por la ecuación hallada.
Se debe tener en cuenta a la hora de montar el proyecto, calibrar los dispositivos tales como
válvulas y boquillas para definir tiempos de operación en los elementos de control para
tener una mejor precisión en la aplicación, teniendo en cuenta las pérdidas en los ductos.
y = 0,4866x - 5,1249 R² = 0,9952
0
50
100
150
200
250
300
0 200 400 600
t(se
gun
do
s)
V(ml)
Bomba peristaltica
Lineal (Bombaperistaltica)
101
ANEXO C
C1. Selección del sensor de nivel
La medicion del nivel puede definirse como la determinacion de la posición de una
interfase que existe entre dos medios separados por la gravedad con respecto a una línea de
referencia.Tal interfase puede existir entre un líquido y un gas, entre dos líquidos,entre un
sólido y un granulado o sólido fluidizado o entre un líquido y su vapor. La Figura 34
muestra las comparaciones de distintos sensores:
Figura 34. Instrumentos de medida
Fuente Tecnooficio51
Para la selección de un sensor se deben tener en cuenta muchos factores entre ellos está el
rango de operación, es decir, la distancia operativa, en el proyecto se necesita para una
51 Tecnoficio.(2011).Instrumentación industrial http://www.sapiens.itgo.com/documents/doc60.htm
102
altura de 0.4m aproximadamente que es la medida del tanque. Características deseables del
sensor ¿se necesita exactitud? En nuestro caso es detector on-off nivel bajo o nivel alto,
¿Qué velocidad de respuesta se necesita? , dado que solo se necesita saber cuándo ha
llegado a un nivel bajo el tanque y después enviar la información para que el vehículo se
dirija a un sitio de recarga, entonces la velocidad es relativa. Como la aplicación de control
de nivel es sencilla, se selecciona un sensor capacitivo de proximidad.
Los sensores capacitivos son interruptores electrónicos que trabajan sin contacto. Estos
sensores aprovechan el efecto que tienen los materiales como el papel, vidrio, plástico,
aceite, agua, así como de los metales, de aumentar la capacidad del sensor cuando se
encuentran dentro del campo eléctrico generado. Los sensores capacitivos constan de un
condensador que genera un campo eléctrico. Este condensador forma parte de un circuito
resonador, de manera que cuando un objeto se acerca a este campo, la capacidad aumenta y
el circuito empieza a resonar. Lo que hace el objeto, al estar dentro del campo eléctrico, es
aumentar la capacidad de esa área, y por lo tanto cambiar la capacitancia de la misma; esto
hace que el circuito interno del sensor entre en resonancia52
.
C2. Detección de nivel
En esta aplicación, cuando un objeto (líquidos, granulados, metales, aislantes, etc.) penetra
en el campo eléctrico que hay entre las placas sensor, varía el dieléctrico, variando
consecuentemente el valor de capacitancia. La Figura 35 muestra las características técnicas
del sensor seleccionado de la empresa siemens.
52 Sigma. (2012).Sistemas inteligentes para la automatización industrial. http://www.mes-sigma.net/Cursos
/images/Sensores%20Capacitivos.pdf
103
Figura 35. Sensor Siemens capacitivo53
53 Siemens.(2012). Productos de automatización. www.automation.siemens.com/sc-static/.../pi/.../FI01_es_kap05.pdf
104
El diagrama de circuito del sensor se muestra en la Figura 36.
Figura 36. Diagrama del circuito del sensor de nivel
Fuente Productos de automatización de siemens54
Forma de operar el sensor dentro del sistema: Debido a que la superficie del terreno es
irregular los parámetros de funcionamiento del dispositivo estarán acordes a un movimiento
que se presenta dentro del tanque es decir el fluido no estará en una posición ortogonal todo
el tiempo contra la tapa del depósito sino que presentara ciertos desniveles a medida que se
mueva el vehículo esto afectaría el control de nivel, mostraría lecturas erróneas el
dispositivo. Por esta razón se decide implementar dos sensores a cada lado del tanque tanto
en la parte superior como en la parte inferior; lo que significa tener mayor control sobre el
proceso.
54 Siemens.(2012).Productos de automatización.www.automation.siemens.com/sc-static/.../pi/.../FI01_es_kap05.pdf
105
ANEXO D
ELECTROVALVULAS PARA EL SISTEMA DE CONTROL
Figura 37 Electroválvula Danfoss
Fuente http://www.viaindustrial.com/producto.asp?codigo=253477
106
ANEXO E
Figura 38 Plano tanque con sus componentes de conexión
Fuente Autores
107
Acoples rápidos para los tanques
Figura 39 Acoples rápidos: macho y hembra
Fuente http://www.swagelok.com55
55 Swagelok.(2012).Productos-catalogos acoples rápidos. http://www.swagelok.com/downloads/WebCatalogs/ES/MS-01-
138.pdf
108
ANEXO F
Cálculos de diseño del sistema de mezcla
En la elaboración del anteproyecto, en principio se planteó hacer un sistema de mezcla
porque no se tenía la certeza de que tipo fertilizante usar, a medida que se fue investigando
se hizo una comparación de los tipos de fertilizante usados en el mercado agrícola, de
manera que se tuviera un parámetro de selección. Este análisis se presenta en el anexo A.
Se llegó a la conclusión de que el fertilizante líquido es el más conveniente para dosificar
con mayor precisión. Teniendo en cuenta lo anterior, se planteó hacer un sistema de
agitación, debido a que los distintos tipos de nutrientes no se mezclaran entre sí, sino que
simplemente se almacenaran en tanques diferentes y lo que se necesita es mantener la
homogeneidad de la concentración del fertilizante para que la aplicación sea
uniformemente en el suelo. La Figura 40 muestra el esquema del agitador en el tanque.
Figura 40. Sistema de agitación en el tanque
Fuente autores
Se tienen en cuenta los siguientes parámetros para un tanque rectangular:
*Longitud del tanque
109
*Altura del impulsor con respecto al fondo
*Altura del líquido
*Número de deflectores
Con base en los parámetros anteriores, se hace el cálculo para dimensionar el sistema de
agitación: la ecuación 18 se usa para calcular el diámetro del impulsor (Di), teniendo en
cuenta que la medida del tanque es igual para los tres contenidos de nutrientes el área del
tanque es AT=0.25.La ecuación 19 se usa para calcular la altura del impulsor (Hi) con
respecto al fondo. La ecuación 20 se usa para calcular la anchura de las palas del impulsor
(q). La ecuación 21 se utiliza para calcular el diámetro del disco central (s).
(18)
(19)
(20)
(21)
Reemplazando las ecuaciones56
18, 19, 20,21 se obtiene los siguientes resultados, los cuales
se muestran en la Tabla 25.
Tabla 25. Dimensionamiento del agitador
Tanque Di(cm) Hi q s
N,P2O5,K2O 9 9 2 2
Fuente Autores
Las medidas que se muestran en la Tabla 25, se aproximaron a un valor entero.
Cálculo de la potencia consumida por el agitador: Se utiliza un método empírico, en el cual
se necesita conocer parámetros adimensionales, se necesita conocer el número de Reynolds,
expresado en variables convenientes para la agitación, según la ecuación 22. Se tiene:
56 Velázquez. L, A (2011). Diseño e implementación de un sistema de control automático para un reactor biológico de
cargas secuenciales. Universidad de la salle. Facultad de Ingeniería.Ingenieria de Automatización.
110
(22)57
Dónde:
N=Numero de revoluciones (revoluciones por segundo)
=Densidad del líquido (Kg/m3)
µ=viscosidad dinámica del fluido (kg/m*s)
Para fines de cálculo se utiliza el fertilizante más denso en este caso es el potásico, según
tabla 2 la densidad =1460 kg/m3, la viscosidad dinámica se encuentra en la tabla 6,
sabiendo de antemano que los fertilizantes solidos están previamente diluidos en agua. Por
otro lado los agitadores industriales de paleta giran alrededor de 200 rpm para viscosidades
bajas, para los fertilizantes a aplicar. Al reemplazar la ecuación 22, se obtiene:
Ahora se necesita conocer el número de potencia (Npo), que indica un coeficiente de
arrastre para sistemas de agitación, el cual puede ser obtenido a partir de un determinado
número de Reynolds según Figura 41.
57 Penny, L. (2006). Chemical Process,Selection and design.Wallas, S.USA. Segunda edición.
111
Figura 41 Número de Reynolds en función del número de potencia
Fuente Selección y diseño de equipos para procesos químicos58
Mediante interpolación gráfica, se determina el número de potencia para el número de
Reynolds, el calculado es:
Npo
Por lo tanto la potencia suministrada por el motor se calcula mediante la ecuación (23): .
(23)
l reemplazar la ecuación 23, se obtiene P= 7.3 watts.
58 Penny, L. (2006). Chemical Process,Selection and design.Wallas, S.USA.2 Edicion
112
La potencia que se calculó para el motor no está disponible en el mercado, por lo tanto se
selecciona, con una potencia similar a la encontrada. El motor tiene las siguientes
especificaciones.
Tabla 26. Especificaciones técnicas del motor
Especificaciones Marca-
referencia
DC Potencia(w) Rpm Potencia útil(w)
Motor Crouzet-
82740002
24 16 3900 11
Fuente Crouzet Automatización59
59 Crouzet.(2012).Productos motores síncronos. http://www.crouzet.es/catalogo/motores-sincronos-motores-
sincronos-2-sentidos-de-marcha-con-
113
Figura 42 Especificaciones técnicas del motor
Fuente Crouzet Automatización60
60 Crouzet.(2012).Productos motores síncronos. http://www.crouzet.es/catalogo/motores-sincronos-motores-
sincronos-2-sentidos-de-marcha-con-
114
ANEXO G
Uso del software en matlab para especificación de tiempos y conexión con la base de
datos
G1. Programa de almacenamiento de datos. Se hace la instalación respectiva de php my
admin, donde se crea un usuario y una contraseña, la instalación es muy fácil, en cualquier
vínculo de internet, relacionado con este tema, se encuentra como hacerla. En este
programa, se almacena la información de los insumos utilizados en la dosificación de los
cultivos. En la Figura 43 se visualizan las tablas utilizadas para los fertilizantes simples de
N, P2O5 y K2O. A la hora de instalar el programa se especifica un usuario y se establece una
contraseña para proteger los archivos y tener certeza de lo que se quiere guardar.
Figura 43 Tabla de la base de datos
Fuente Autores
Los datos que interesan de los fertilizantes se guardan en las tablas (ver Figura 44) se
puede modificar directamente desde este programa o desde matlab. La Figura 44 muestra
los registros de las tablas habilitadas.
Figura 44.Registro en las tablas
Fuente Autores
115
G2 .Instalación de drivers para la comunicación entre matlab y phpmyadmin
1. Instalar mysql-conecctor-obdc-5.18 como un usuario administrador del equipo como se
observa en la Figura 45
Figura 45 Conector OBDC de MySQL
Fuente Autores
2. Copiar el archivo como usuario Administrador del equipo mysql-connector-java-3.114
para ubicarlo en la siguiente ruta de archivos. La Figura 46 muestra el conector java que se
instala en matlab.
C:\Program Files\MATLAB\R2010a\java\jarext
Figura 46. Conector java para instalar
Fuente Autores
3. Ahora ingresar la siguiente ruta de archivo.
C:\Program Files\MATLAB\R2010a\toolbox\local\classpath.txt
Se entra a este classpath.txt y se coloca la siguiente línea dentro del archivo como usuario
administrador o con derechos de lectura y escritura $matlabroot/java/jarext/mysql-
connector-java-3.1.14-bin.jar. Este archivo txt quedaría de la siguiente forma como se ve
en la Figura 47.
116
Figura 47 Archivo classpath
Fuente Autores
3. Instalados los conectores se procede a entrar a la siguiente ruta de archivos:
Inicio\ Panel de control\Sistema y seguridad\Herramientas administrativas\Orígenes
de datos obdc como se observa en la siguiente Figura 48.
Figura 48 Aplicación de Windows para acoplamiento de drivers
Fuente Autores
Al ingresar a esta ruta se procede a ejecutar orígenes de datos odbc y se abrirá la siguiente
ventana mostrada en la Figura 49.
117
Figura 49. Entorno para enlazar los drivers
Fuente Autores
Luego se selecciona el driver instalado que se visualiza en la Figura 50 el cual está señalado
y luego se oprime el botón finalizar para agregarlo al DSN del sistema.
Figura 50.Seleccion del driver OBDC
Fuente Autores
Al dar finalizar la siguiente ventana se visualiza como en la Figura 51, en este menú se hace
la verificación de la conexión con SQL. En la instalación de phpmyadmin, se ingresaron los
siguientes datos: el usuario es dosificación con Data source Name: localhost o (127.0.0.1),
cualquiera de las 2 funciona. En la Figura 51 se muestra que la conexión con la base de
datos, se encuentra bien.
118
Figura 51. Verificación de la conexión de la base de datos
Fuente Autores
Para saber si los pasos se hicieron correctamente se procede a ejecutar matlab y se escribe
la siguiente línea de código querybuilder como se observa en la Figura 52 (se necesita
tener instalados todos los toolbox de matlab para comunicar matlab y phpmyadmin).
Figura 52 Toolbox de matlab de Visual query builder
Fuente Autores
Al observar la Figura 52 se pueden visualizar las tablas de la base de datos, esto indica que
la comunicación entre matlab y phpmyadmin está funcionando correctamente.
119
G3. Especificación de tiempos para activar los motores
Para hacer una buena dosificación se debe tener en cuenta un análisis de suelos. Los
resultados obtenidos permiten dar recomendaciones adecuadas para el cultivo. A partir de
esto se tiene proyectado manejar una base de datos local con la información
correspondiente a las recomendaciones óptimas de dosis requeridas sobre el terreno. Para
este ejemplo que muestra el funcionamiento del software se hace con las siguientes
recomendaciones dadas por el (ICA) 150(kg/ha)N,-450(kg/ha)P2O5,-150(kg/ha) K2O. Al
ejecutar el gui, con el nombre de menu1 se llega a la Figura 53.
Figura 53 Interfaz de entrada para especificar tiempos
Fuente Autores
120
Pulsar continuar para validar el siguiente menú, como se muestra en la Figura 53.
Figura 54 Segundo menú para insertar la recomendación de dosis
Fuente Autores
En la Figura 54 se observan 6 entradas de datos, los espacios ubicados en la parte superior
indican los datos correspondientes a una recomendación especifica del cultivo, estos datos
pueden ser suministrados por un estudio previo del cultivo o por un análisis de suelos que
se hace con anterioridad a la siembra por lo menos de 2 meses. Pará ingresar al siguiente
menú se oprime enviar como se indica con la flecha roja, en la Figura 54.
Los espacios ubicados en la parte inferior, sirven para guardar directamente una
recomendación en una base de datos. Pará guardar los datos se oprime en el botón insertar
dosis. El botón que se encuentra en la parte inferior el cual dice información de dosis sirve
para observar directamente los valores de dosis guardados de una recomendación específica
en la base de datos.
121
Figura 55. Menú para calcular volúmenes a partir de las concentraciones
Fuente Autores
En la Figura 55 se muestra la cantidad de fertilizante requerida; también se observan otros
ítems que deben ser llenados para obtener información acerca del volumen total del
fertilizante comercial requerido para dosificar el terreno de 1 hectárea. Al lado izquierdo en
la parte de abajo se puede visualizar la información de la base de datos de los fertilizantes
comerciales que se encuentran y con las diferentes concentraciones y su densidad
respectiva. Se puede seleccionar la información de los macronutrientes de N P K,
oprimiendo el botón información, señalando el número correspondiente al fertilizante
simple ya sea 1”fertilizante Nitrogenado”, 2”fertilizante fosfatado, 3”fertilizante potásico.
Teniendo esta información se pueden llenar los espacios vacíos en los cuadros de
concentración del fertilizante. También se deben tener en cuenta las horas de trabajo que va
a emplear el vehículo en la dosificación de nutrientes, se tiene previsto una semana de
trabajo para aplicación de nutrientes y el resto de la siembra se aplicará agua sobre el
cultivo. Si se requiere agregar información acerca de productos agrícolas para la
fertilización, simplemente dar clic en agregar para abrir una nueva ventana donde se puede
colocar más datos de fertilizantes comerciales. Ver Figura 57.
Al llenar los datos correspondientes en la Figura 56 se observan los volúmenes necesarios
del fertilizante comercial requerido y un caudal estimado para ese tiempo de trabajo. Ahora
122
se puede seguir al siguiente menú para hacer el cálculo correspondiente al tiempo de
encendido de la bomba en cada punto específico del cultivo y el tiempo total de
dosificación.
Figura 56.Calculo de tiempos de accionamientos de las electroválvulas
Fuente Autores
En la Figura 56 se muestra cómo se pueden variar los caudales y la densidad de siembra
para obtener el tiempo de encendido de la bomba en cada punto específico del cultivo o
mantener el caudal anteriormente encontrado. En el cuadro de datos de salida se encuentran
dos tiempos correspondientes, uno al tiempo total de fertilización por hectárea el cual está
indicado en horas y el otro dato en segundos que indica el tiempo total de encendido del
motor de la bomba en cada punto específico del terreno. Al variar los caudales también
variarán los tiempos de parada en cada punto. Este criterio dependerá de cuán rápido se
quiera fertilizar. Al momento del montaje del sistema, este debe calibrarse para que la
fertilización sea óptima. Al variar la densidad de siembra dependerá de que potencial de
producción se necesite para el cultivo.
123
Figura 57. Menú para ingresar datos de fertilizantes comerciales a la base de
datos
Fuente Autores
En la Figura 57 se muestra la interfaz gráfica para agregar información acerca de productos
comerciales utilizados en la fertilización de cultivos, se debe seleccionar el fertilizante
simple que se desea insertar, por lo tanto los agroquímicos tienen la siguiente codificación,
para compuestos nitrogenados digitar 1, para los compuestos fosfatados digitar 2 y para los
compuestos potásicos digitar 3.Al digitar cualquier fertilizante simple, ahora se deben
ingresar los datos correspondientes a la información comercial que se desea llenar en el
cuadro de concentraciones como se indica y luego oprimir insertar.
124
ANEXO H
Diseño de la base de datos central
H1 Modelo entidad-relación SQL.
El modelo entidad-relación es una herramienta para generar el modelo de datos que
describe la estructura y relaciones de una BD. Estos modelos al mismo tiempo están
describiendo una situación real, con elementos reales que se relacionan entre sí.
El modelo entidad-relación es un diagrama que ayuda a generar la estructura de datos con
la cual gestionar un problema o actividad real. Una vez este modelo se ha convertido en una
estructura dentro la BD, es decir, las tablas con sus claves primarias y foráneas, mediante
SQL es posible tanto mantener el funcionamiento de la actividad alimentando la base de
datos, como analizar los datos en beneficio de la actividad.
Entidades:
Subsistema de control
Subsistema de generación de trayectorias
Subsistema de dosificación
Subsistema de sensores posición y distancia
Relación.- Asociación entre entidades, sin existencia propia en el mundo real que estamos
modelando, pero necesaria para reflejar las interacciones existentes entre entidades. Las
relaciones pueden ser de tres tipos:
Relaciones 1-1.- Las entidades que intervienen en la relación se asocian una a una.
Relaciones 1-n.- Una ocurrencia de una entidad está asociada con muchas (n) de
otra.
Relaciones n-n.-Cada ocurrencia, en cualquiera de las dos entidades de la relación,
puede estar asociada con muchas (n) de la otra y viceversa.
Representación gráfica de Entidades y Relaciones: Para asimilar fácilmente un diseño de
datos cuando se emplea el modelo E/R se utilizan los siguientes elementos gráficos como se
muestra en la Figura 58:
125
Figura 58 Valor de la relación
Fuente Sistema de monitoreo y adquisición de datos
61
Figura 59 Diagrama de clases
Fuente Sistema de monitoreo y adquisición de datos 61
61-61Martinez,J.(2012) Trabajo de grado. Sistema de monitoreo y adquisición de datos para un vehículo de
distribución de fertilizantes químicos. Universidad de la sallé. Facultad de Automatización.
126
ANEXO I
Desarrollo en cada uno de los programas para la simulación del pic
I1. Programa Virtual serial port drive
Se utiliza un programa llamado virtual serial port drive mediante el cual se lleva a cabo la
operación de agregar unos puertos al computador para simular el estado del puerto serial
tanto para recibir y como para enviar datos simultáneamente por Matlab y Microcode
Studio. La Figura 60 muestra el modo de visualizar los puertos.
Figura 60 .Programa para simular un puerto serial.
Fuente Virtual serial Port
I2. Programa en Matlab
Se hace el control principal especificando los puntos de dosificación y el tiempo necesario
para toda la dosificación del terreno .El script principal permite al usuario digitar los datos
anteriormente indicados de la siguiente manera. Por razones de simulación se toman pocos
puntos y tiempos medidos en segundos para verificar la aplicación.
Figura 61.Interfaz en matlab para cargar el programa en el micro controlador
Fuente Autores
En la Figura 61 se muestra la interfaz en matlab, donde se ingresa la información de
cuantos puntos se van a dosificar y el tiempo total que le toma para hacer el ciclo de
dosificación.
127
Programa principal
clear all close all clc
pd=input('digite los puntos de dosificacion'); ttd=input('digite el tiempo total de dosificacion'); % td=input('digite el tiempo de dosificacion en cada punto'); p=0; td=0; atd=0; for n= 1:pd td=30*rand(1) tc=1 if(tc==1) %Comprobar señal del vehiculo recibiendo=2; end recibiendo=2;
while recibiendo==2 recibiendo=serialin if recibiendo==1 sv=1; serialout recibiendo=1; else recibiendo=2; end end if sv==1 se=1; %comprobar sensores sensores=serialinsensores if sensores==2 % tiempo de dosificacion para las bombas t = timer('TimerFcn', 'stat=false; disp(''Bombas y agitadores
apagados!'')',... 'StartDelay',td); start(t) ; stat=true;%tiempo de duracion de la aplicacion del
fertilizante en el punto de dosificaion while (stat==true) mba=[1 1 1;1 1 1] c=0; c=1+p; %contador de puntos dosificados %enviar señal de arranque a los motores serialoutmotores pause(0.8) saprv=0; end else apagarmotores
128
saprv=1;%bit de arranque para ir al prg de recarga tanques
end apagarmotores
else z=0 end %recarga tanques saprv while saprv==1 p=0; recibiendo=serialin if recibiendo==1 saprv=2 else saprv=1
end end
recibiendo=2; salida=serialout; p=p+1 atd=td+atd salida=tc; if atd>=ttd break end end
En este programa se manejan unos archivos adicionales que son funciones (serialout,
serialin, serialoutmotores, serialsensores,apagarmotores) son los que permiten
comunicarme por el Puerto serial virtual a un micro controlador y envíar una señal
correspondiente a la lógica del programa en cada línea de código.
Funciones que comunican el pic por el puerto serial:
Funcion serialin
function [ recibiendo ] = serialin()
s=serial('COM2','BaudRate',2400); fopen(s); fprintf(s,'*IDN1') K1= []; K= []; for i=1:2
for j=1:1
129
K1 = [K1 fread(s,1,'uchar')]; end; K1=char(K1); K=[K str2num(K1)]; K1=[]; end; fclose(s); delete(s); pause(1) recibiendo=K end
Las otras funciones utilizadas en este programa se utilizan de la misma manera de la
anterior; básicamente para enviar y recibir información por el puerto serial, cuando se envía
un dato se pide un identificador (idn?) el cual sirve para señalar en que parte del proceso de
dosificación se encuentra, las otras funciones manejan una lógica similar pero el (idn?) es el
que varía. Los identificadores utilizados son los siguientes
1: Verificación del punto llegada al sitio de dosificación idn?=1
2: Verificación del estado de los sensores de nivel idn?=2
3: Estado de recarga del vehículo. Idn?=3
I3 .Programa en Microcode Studio
El manejo del micro controlador se hace por medio de un programa llamado microcode
studio donde se tiene la lógica del programa enlazado con matlab de una manera tal que
pueda recibir las señales de campo tales como los sensores de nivel y la señal de punto de
parada de recarga. A continuación se presenta el código utilizado:
include "modedefs.bas"
serial1 var byte
trisb=%00000000
trisc=%00000000
trisd=%00000000
portb=%00000000
portc=%00000000
portd=%00000000
cmcon=7
svcarro var portb.0
stnbajo var portb.1
stpbajo var portb.2
stkbajo var portb.3
130
stnalto var portb.4
stpalto var portb.5
stkalto var portb.6
npulsos var byte
npulsos=0
start:
high portd.0
pause 1000
low portd.0
pause 500
senalcarro:
if portb.0 == 1 then envio1
goto senalcarro
envio1:
serout portb.7,T2400,["1"]
npulsos=npulsos+1
if npulsos == 3 then mezcla „encendido de motores de mezcla cada 3 puntos de parada.
pause 500
low portb.0
GOTO senalcarro2
mezcla:
high portc.3
pause 9000
pause 9000
low portc.3
pause 500
npulsos=0
LOW portb.0
goto senalcarro2
senalcarro2:
high portb.0
goto envio2
envio2:
serout portb.7,T2400,["1"]
pause 500
low portb.0
goto recibir
131
recibir:
serin portc.0,T2400,serial1
if serial1 == "L" then sensores
goto recibir
sensores:
high portd.1
PAUSE 1000
LOW portd.1
pause 500
low portb.0
if stnbajo==1 and stpbajo==1 and stkbajo==1 then recargar
if stnbajo==0 and stpbajo==0 and stkbajo==1 then recargar
if stnbajo==0 and stpbajo==1 and stkbajo==0 then recargar
if stnbajo==0 and stpbajo==1 and stkbajo==1 then recargar
if stnbajo==1 and stpbajo==0 and stkbajo==0 then recargar
if stnbajo==1 and stpbajo==1 and stkbajo==0 then recargar
if stnbajo==1 and stpbajo==0 and stkbajo==1 then recargar
if stnbajo==0 and stpbajo==0 and stkbajo==0 then envio3
goto sensores
envio3:
serout portb.7,T2400,["2"]
LOW portb.0
LOW portb.1
LOW portb.2
LOW portb.3
goto recibir2
recibir2:
serin portc.0,T2400,serial1
if serial1 == "E" then high portc.1 'encender motores
if serial1 == "A" THEN LOW portc.1 'apagar motores
if serial1 == "R" THEN HIGH portc.2 'sentido de giro motores
if serial1 == "L" THEN nuevopunto 'fin punto de dosificacion
goto recibir2
nuevopunto:
high portc.2
pause 1000
low portc.2
pause 500
goto start
recargar:
if svcarro == 1 then envio1
132
serout portb.7,T2400,["3"]
LOW portb.0
LOW portb.1
LOW portb.2
LOW portb.3
high portc.3
pause 1000
low portc.3
pause 500
if stnalto==1 and stpalto==1 and stkalto==1 then start
goto recargar
La lógica del programa es bastante simple, se toman las señales obtenidas mediante el
micro controlador se enlazan mediante el puerto serial de matlab y se envían los
identificadores correspondientes al proceso que se lleva acabo como se explicó en el
programa en matlab. Este programa tiene como característica manejar etiquetas y cada una
cumple una función específica del proceso, estas en el programa se separan por un espacio
para mayor comprensión, por ejemplo la etiqueta sensores identifica cada una de las
posibles combinaciones que se puedan presentar durante el proceso, se utiliza una tabla de
verdad para observar el estado de los sensores.
I4. Simulación de funcionamiento en proteus : Se utiliza este programa para observar el
funcionamiento del enlace que hacen los programas matlab y microcode studio, en el
diagrama esquemático se observan el micro controlador, los sensores de nivel alto y nivel
bajo simulados por medio de un dip switch , también se hace referencia a la señal de punto
de parada para la dosificación por medio de un contactor , se hace el encendido de los
motores por medio de un L293d tanto los motores de las bombas como los motores de
mezcla y se tienen led para identificar en que proceso se encuentra el sistema. Se visualiza
también la conexión por medio del puerto virtual y unos paneles que muestran los valores
enviados y recibidos en la lógica del programa.
133
Figura 62. Interfaz gráfica en proteus
Fuente Autores
134
ANEXO J
MANUAL DEL PROGRAMADOR APLICACIÓN
COMPACT RIO
SIMULACIÓN DE UN PROTOTIPO DE SISTEMA DE
DOSIFICACIÓN, PARA UN VEHÍCULO DE
DISTRIBUCIÓN INTELIGENTE DE
FERTILIZANTES QUÍMICOS
135
ÍNDICE
Pág.
1. INTRODUCCION AL MANUAL DEL PROGRAMADOR ........................................ 136
1.1 LICENCIA ................................................................................................................ 136
1.1 RECOMENDACIONES ........................................................................................... 136
2. CREAR EL PROYECTO ............................................................................................. 136
2.1 SELECCIÓN DE MODO DE PROGRAMACIÓN .................................................. 137
3. DECLARACION DE ENTRADAS Y SALIDAS FPGA ............................................. 137
3.1 VI FPGA DEL PROYECTO DE DOSIFICACIÓN ............................................... 140
3.2 VI CREADO DESDE EL HOST DEL COMPACT RIO ....................................... 140
3.2.1 IDENTIFICACION DE MODULOS IN/OUT ................................................ 141
4. APLICACIÓN PARA EL SISTEMA DE DOSIFICACIÓN ........................................ 142
4.1 VERIFICACIÓN DE ESTADO DE SENSORES .................................................... 142
4.2 SELECCIÓN DEL TIPO DE FERTILIZANTE ....................................................... 143
4.3 TIEMPOS DE ACCIONAMIENTO DE VALVULAS ............................................ 144
5. CONEXIÓN DE LA BASES DE DATOS CON EL COMPACT RIO ....................... 145
6. SELECCIÓN DE DOSIS .............................................................................................. 146
7. HISTORICO DE TIEMPOS .......................................................................................... 147
136
1. INTRODUCCIÓN AL MANUAL DEL PROGRAMADOR
El manual del programador tiene el objetivo de informar al lector sobre el módulo
desarrollado. Con este fin se documenta y se explica de una forma general el
proceso que define el módulo, teniendo en cuenta los lineamientos propuestos en la
licencia de Labview 2010 Service Pack 1 Versión 10.0.1 (32 bits).
1.1 LICENCIA
El contenido de los archivos empleados están sujetos a la licencia de Labview 2010 Service
Pack 1 Versión 10.0.1 (32 bits). El programador no puede utilizar estos archivos, excepto
en el cumplimiento de la misma.
1.2 RECOMENDACIONES
Se recomienda realizar una lectura detallada de los manuales tanto del usuario como
del programador, además de las referencias citadas, son de necesarias para la
comprensión del funcionamiento del módulo y de su simulación.
Se recomienda utilizar el formato de caracteres UTF-8, para el Servidor de bases de datos
con el fin de evitar errores que pueden ser ocasionados por caracteres inesperados.
Para la aplicación en el compact Rio, se debe tener previamente instalados todos los
componentes de Labview 2010 Service Pack 1 Versión 10.0.1 (32 bits), entre esas
instalaciones debe estar el driver del compact Rio el cual viene con su respectivo CD de
instalación.
2. CREAR EL PROYECTO
Creado el proyecto se debe detectar el compact Rio según lo muestra la Figura 63.
137
Figura 63. Seleccionar el dispositivo de control
Fuente Autores
Ahora se selecciona Real time Compact Rio para que Labview detecte el dispositivo como
lo muestra la Figura 64
Figura 64. Detectar el Compact Rio
Fuente Autores
2.1 SELECCIÓN DE MODO DE PROGRAMACIÓN
Después de detectar el dispositivo, se selecciona el modo de programación, existen dos
formas de programación: 1) en Scan Interface y 2) Labview fpga. Para el proyecto se
utiliza la opción 2 como lo muestra la Figura 65.
138
Figura 65. Selección del modo de Programación
Fuente Autores
Al reconocer todos los dispositivos, el proyecto debe quedar como lo muestra la Figura 66,
lo que está marcado con rojo indica el dispositivo encontrado.
Figura 66 Proyecto que se creó en Labview
Fuente Autores
Para crear una aplicación se pueden seguir 3 instancias, desde el computador se puede crear
un VI Labview que usualmente lo llaman “host computer” en el cual se puede programar
teniendo todas las características disponibles del programa pero se debe tener una
comunicación directamente con VI desarrollado sobre la FPGA .También se puede realizar
un VI dentro del dispositivo que usualmente se denomina “Scan interface”, pero también se
debe tener en cuenta una interconexión con un VI sobre la fpga.
El desarrollo de un VI sobre la FPGA no está condicionado a interconectarse con otros VI.
La programación que se puede ejecutar en este, está restringida por ciertas funciones que no
139
se encuentran disponibles. Las tres formas de crear un VI se visualizan en la Figura 67. Es
indispensable primero crear el VI de la fpga.
Figura 67.Formas de programar el Compact Rio
Fuente Autores
3. DECLARACION DE ENTRADAS Y SALIDAS FPGA
Para la aplicación del proyecto se creó un VI fpga que se llamó Declaración de Puertos para
identificar las entradas y salidas de los slots y poder comunicarlo con cualquiera de los host
que uno desee crear.
3.1 VI FPGA DEL PROYECTO DE DOSIFICACIÓN
Este VI de la fpga muestra entradas y salidas digitales del compact rio lo que se hace es
identificarlos dentro de la fpga para poder manipular esas entradas y salidas desde el host
debido que dentro de la fpga la programación es más limitada y la compilación dentro de
esta toma bastante tiempo, todo depende del tamaño del programa para cargar el programa.
140
Figura 68. Programa en el VI de la FPGA
Fuente Autores
3.2 VI CREADO DESDE EL HOST DEL COMPACT RIO
Al crear este VI siempre se debe identificar la fpga target que en este caso se denomina
declaración de puertos, la Figura 69 muestra las herramientas de la interface con la fpga.
Figura 69. Selección de los módulos digitales
Fuente autores
De estas herramientas mostradas para este proyecto se utiliza open FPGA, Read/write y
close fpga.
Open fpga: Se selecciona para identificar el target creado en la fpga que en este caso se
llama declaración de puertos.
Read/Write: Se utiliza para identificar las entradas y salidas de los slots tanto digitales
como análogos.
Close fpga: Se utiliza para terminar la comunicación con la fpga.
141
La identificación del target se hace por medio de la opción configurar Open Fpga como lo
muestra la Figura 70.
Figura 70. Ruta a seguir para configurar la fpga
Fuente Autores
En la Figura 71, se muestra como seleccionar el target que está dentro de la fpga.
Figura 71.Selección del VI de la fpga
Fuente Autores
3.2.1 IDENTIFICACIÓN DE MODULOS IN/OUT
El paso siguiente es utilizar Read /Write para identificar los módulos de entrada y salida de
los Slots tal como muestra la Figura 72, al señalar dentro del Read/write (gafas)se
mostraran las entradas habilitadas que se configuraron en el target de la fpga.
142
Figura 72. Selección de los slots habilitados
Fuente Autores
4. APLICACIÓN PARA EL SISTEMA DE DOSIFICACIÓN
Se tiene una secuencia predeterminada para el proyecto: Lo primero, es saber en qué
momento llega el vehículo al punto de dosificación, esta señal es enviada del vehículo al
programa de dosificación, mientras espera la señal de confirmación.
Figura 73.Confirmacion del punto de llegada al sitio de dosificación
Fuente Autores
4.1 VERIFICACIÓN DE ESTADO DE SENSORES
En la siguiente secuencia dentro del VI es verificar el estado de los sensores para identificar
el nivel de los tanques de fertilizante, si en nivel bajo o nivel alto, si es nivel bajo el estado
debe ser falso y si es nivel alto el estado es verdadero como lo muestra la Figura 73.
143
Figura 74. Secuencia para verificar el estado de los sensores de nivel
Fuente Autores
Si el estado de los tanques está en nivel bajo, la señal enviada por los sensores será false.
En esta secuencia, el programa envía una señal al vehículo para que vaya al punto de
recarga. Estando en este punto, los sensores que identifican el estado de nivel alto
actualizarán el nivel de los tanques hasta que se llenen nuevamente mediante depósitos
establecidos en el punto central de comunicaciones. Cuando los tanques, se recargan el
programa envía una señal para que el vehículo siga a la siguiente coordenada de
dosificación. El funcionamiento se muestra en la Figura 75.
Figura 75.Señal para ir al sitio de recarga
Fuente Autores
4.2 SELECCIÓN DE TIPO DE FERTILIZANTE
Para que las concentraciones en los fertilizantes se mantengan homogéneas, se utilizan unos
mezcladores para mover el agroquímico en el tanque es por eso que se tiene en el programa
la activación de estos mezcladores cada cierta frecuencia, en este programa se tiene
144
programado cada 3 puntos de parada. En la siguiente secuencia, se selecciona el tipo de
fertilizante a aplicar, según el punto de dosificación, tal como lo muestra la Figura 76.
Figura 76. Tipo de nutriente a dosificar
Fuente autores
4.3 TIEMPOS DE ACCIONAMIENTO DE VALVULAS
Para determinar cuánto volumen se necesita para un punto específico, se tiene una
conexión directa a una base de datos, y la formula que se halló en el comportamiento de la
bomba peristáltica para establecer la dosis correspondiente de fertilización, relacionando la
base de datos con la formula encontrada, tal como lo muestra la Figura 77:
Figura 77.Ejecucion del tiempo de accionamiento de las electroválvulas
Fuente Autores
El ovalo señalado en la Figura 77 muestra la variable global que se entrega la información
recibida de la base de datos, la cual es procesada para hallar el tiempo de encendido de la
electroválvula.
145
5. CONEXIÓN DE LA BASES DE DATOS CON EL COMPACT RIO
Antes de crear la conexión, previamente se debe haber creado la base de datos con la cual
se comunicara; luego, en Labview se crea un data link para verificar que la base de datos
fue creada correctamente. Se seleccionan los drivers tal como lo muestra la Figura 78.
Figura 78. Vínculos a través de windows con MySQL
Fuente Autores
Luego se selecciona el origen de datos, que es (local host) como se muestra en la Figura 79.
Figura 79.Seleccion del origen de datos para establecer la conexión
Fuente Autores
146
Si la base de datos fue creada satisfactoriamente en php myadmin, probamos la conexión y
no tiene que generar error, como lo muestra la Figura 80.
Figura 80.Prueba de conexión con la base de datos
Fuente Autores
6. SELECCIÓN DE DOSIS
Figura 81. Ingresar dosis para los puntos de dosificación
Fuente Autores
147
Desde la interfaz gráfica principal en Labview, se puede ingresar la información
correspondiente de los puntos de dosificación, el diagrama de conexiones se muestra en la
Figura 82.
Figura 82. Selección de dosis a través de la base de datos.
Fuente autores.
7. HISTORICO DE TIEMPOS
La Figura 82 muestra la configuración para procesar los datos adquiridos desde el sistema
de información central, el cuadro señala el Array donde vincula la información de la
cantidad de fertilizante que se debe utilizar para un punto de dosificación. Los datos son
cargados siguiendo el orden de la tabla que se encuentra en la base de datos, es decir a
medida que avanza un punto, el dato que se carga será el siguiente registro de la columna.
Una vez procesados los datos adquiridos de la tabla, se imprimen los resultados en el panel
“Tiempos de apertura válvulas”. Estos resultados se van registrando en la tabla “Histórico
de Tiempos” impresa en la interfaz. En la Figura 83 podemos ver como son tomados los
datos del panel “Tiempos de apertura válvulas” para luego ser anexados a la tabla Histórico
de Tiempos”.
148
Figura 83 Histórico de tiempos
Fuente autores.
149
ANEXO K
Diagrama de conexiones eléctricas
Las siguientes conexiones mostradas son externas al dispositivo Compact Rio y son las que
van conectadas a los sensores y señales del sistema de dosificación. La Conexión de los
elementos con el slot digital de entrada se muestra en la Figura 84.
Figura 84 Conexiones externas al compact rio de las entradas digitales
Fuente Autores
En la Figura 84, las letras B indican que son los medidores de nivel, la configuración and
de los sensores B1 y B1A representan el nivel alto de un tanque en este caso
correspondiente al que almacena fertilizantes nitrogenados, los sensores B2 y B2A
representan el nivel bajo de fertilizante del mismo tanque. Así sucesivamente, las siguientes
configuraciones representan los otros tanques de almacenamiento del sistema de
dosificación de fertilizantes. Las bobinas de los relés desde R1 hasta R6 van conectadas en
150
paralelo con un diodo para proteger el slot digital de entrada del Compact Rio. La conexión
digital de los elementos con el slot digital de salida, se muestra en la Figura 85.
Figura 85 Conexiones externas al compact Rio de las salidas digitales
Fuente Autores
La Figura 85 muestra las conexiones de los relés para proteger el slot digital de salida de
cualquier corto circuito que se pueda presentar. Las señales de salida del Compact Rio
activan los relés del 1 al 12 (R1-R11); el accionamiento dependerá de la lógica interna del
equipo. Los relés se activan y los contactos normalmente abiertos se cierran para activar las
bombas peristálticas y las electroválvulas que están alimentadas por una fuente de 24 V. El
relé 4 se activa para que el mezclador cada cierta frecuencia se active para mantener la
concentración homogénea del fertilizante dentro del tanque.
151
ANEXO L
MANUAL DEL USUARIO DE APLICACIÓN
COMPACT RIO
SIMULACIÓN DE UN PROTOTIPO DE SISTEMA DE
DOSIFICACIÓN, PARA UN VEHÍCULO DE
DISTRIBUCIÓN INTELIGENTE DE
FERTILIZANTES QUÍMICOS
152
ÍNDICE
1.ACERCA DEL APLICATIVO ....................................................................................... 153
2.RECOMENDACIONES ................................................................................................. 153
3.ACCESO ......................................................................................................................... 153
4 REQUERIMIENTOS ...................................................................................................... 154
5.INICIAR LA APLICACIÓN .......................................................................................... 154
6. CONTROL DE ACCESO .............................................................................................. 155
7.TRABAJAR LA APLICACIÓN .................................................................................... 156
8.VERIFICACIÓN ............................................................................................................ 156
9.PUNTOS A DOSIFICAR ............................................................................................... 157
10.SELECCIÓN DE BASE DE DATOS .......................................................................... 157
11.TIPO DE MACRO NUTRIENTE ................................................................................ 157
12.INICIAR LA SIMULACIÓN ....................................................................................... 158
153
1.ACERCA DEL APLICATIVO
El software de simulación de un prototipo de sistema de dosificación, para un vehículo de
distribución inteligente de fertilizantes químicos fue diseñado con el fin de visualizar el
comportamiento de un sistema integrado a un dispositivo COMPACT RIO. A través de éste
software es posible ver los tiempos de respuesta y el comportamiento tanto de las
electroválvulas como del flujo de los fertilizantes, además de saber el comportamiento del
sistema en caso de falta de suministros en los tanques de almacenamientos. Este aplicativo
se desarrolló a través de la herramienta Labview 2010 SP1 haciendo uso de las librerías
para comunicación con el dispositivo Compact Rio incluidas en el Cd de Instalación de la
herramienta. Cabe resaltar que este aplicativo es diseñado para simular el comportamiento
del Compact Rio, por lo tanto su uso es únicamente para observar la simulación, una vez
cargado el aplicativo en el Compact Rio éste se ejecutará internamente en el dispositivo y el
usuario solo podrá observar la respuesta del Dispositivo.
2.RECOMENDACIONES
Es necesario que el Compact Rio se encuentre conectado a través del puerto
Ethernet y que ya esté configurada la comunicación con el computador que
ejecutará el aplicativo.
Datos de acceso:
Usuario: fidae1234
Contraseña: ulsa1234
3.ACCESO
La aplicación está diseñada para ser implementada en un dispositivo Compact Rio, y éste
requiere un puerto físico ETHERNET para poder establecer comunicación con la
herramienta Labview. Esto, para un mejor resultado de la simulación, debido a que los
cálculos se llevaran a cabo dentro de la FPGA presente en el dispositivo.
154
4 REQUERIMIENTOS
4.1 HARDWARE
Procesador mínimo Pentium III/Celeron 866 MHz o equivalente. Para entorno de
desarrollo procesador mínimo Pentium 4/M o equivalente.
Memoria RAM mínimo 1GB.
Espacio libre en disco para instalación: 3.67 GB.
Resolución de Pantalla: 1024 x 768 píxeles
Dispositivo Compact Rio con cable Ethernet de comunicación y cable de
Alimentación.
4.2 SOFTWARE
Sistema Operativo de 32 bits, Windows Server 2003 R2/XP/vista/7.
Herramienta Labview 2010 Service Pack 1 Versión 10.0.1 (32 bits).
Paquete de Drivers para Dispositivo Compact Rio.
Phpmyadmin 3.3.9.2
Soporte UTF-8.
Firefox 3.5 o superior.
5.INICIAR LA APLICACIÓN
Para poder trabajar con la Aplicación, es necesario tener ejecutado el software Labview,
luego ingresar al menú “File” y seleccionar la opción “Open Project”. En la ventana
emergente buscar el archivo “Proyecto_tesis_martin.lvproj” ubicado en la carpeta del
proyecto y abrirlo. Una vez esté cargado el proyecto en Labview se procede a ejecutar el
aplicativo presionando en el botón “Play” ubicado en la barra de herramientas superior
como lo muestra la Figura 86.
155
Figura 86 .Ejecutar aplicativo
Fuente Autores
6. CONTROL DE ACCESO
Para poder trabajar con el aplicativo es necesario validar un usuario y contraseña como lo
muestra la Figura 87.
Figura 87.Control de acceso
Fuente Autores
Estos datos de acceso están especificados en el apartado RECOMENDACIONES y solo
deben ser conocidos por la persona quien utilizará el aplicativo. Si los datos son erróneos
el control de acceso no permitirá la ejecución del aplicativo como lo muestra la Figura 88.
Figura 88.Datos de acceso erróneos
Fuente Autores
156
7.TRABAJAR LA APLICACIÓN
Una vez aprobado el control de acceso, se mostrará el control principal del aplicativo, en el
cual se puede apreciar el nivel de los tanques, el estado de las electroválvulas, el estado de
la bomba, las señales de control del sistema, las cantidades de macro nutrientes a dosificar
y los tiempos requeridos para la dosificación, como lo muestra la Figura 89.
Figura 89 .Control principal
Fuente Autores
8.VERIFICACIÓN
Antes de iniciar la simulación se necesita verificar el estado de algunas señales, como lo
son, la señal del sistema de control del vehículo y la señal del estado de los sensores de
nivel de los tanques. Esto se puede hacer presionando sobre los indicadores referentes a
cada señal como lo muestra la Figura 90.
Figura 90.Verificación de señales
Fuente Autores
157
9.PUNTOS A DOSIFICAR
Para obtener la simulación es necesario especificar ciertos aspectos o datos. Como primer
paso se debe especificar la cantidad de puntos a dosificar, esto para poder conocer cuántos
ciclos de dosificación va a realizar el sistema. La cantidad de puntos a dosificar debe ser
especificada en el panel “Cantidad de puntos a recorrer” como lo muestra la Figura 91.
Figura 91. Cantidad de puntos a recorrer
Fuente Autores
10.SELECCIÓN DE BASE DE DATOS
Para poder obtener la cantidad de macro nutrientes a dosificar en cada punto, es necesario
establecer comunicación con una base datos la cual guarda dichos valores y estos luego son
procesados por el sistema para calcular el tiempo necesario de dosificación. La
comunicación con la base de datos se debe especificar en el panel “Seleccionar el vínculo
con la base de datos”, basta con seleccionar la carpeta donde se encuentra alojado el
proyecto para que el sistema ejecute el archivo de conexión y pueda procesar los datos. El
panel de conexión con la base de datos se muestra en la Figura 92.
Figura 92. Conexión con la base de datos
Fuente Autores
11.TIPO DE MACRO NUTRIENTE
El aplicativo cuenta con un panel llamado “Seleccionar el tipo de macronutriente” donde es
posible especificar independientemente el macronutriente a dosificar. Si lo que se desea es
158
dosificar todos los tipos de macronutrientes al mismo tiempo, entonces es necesario
especificar la opción “Todos” en el panel. Para poder escoger una de las 4 posibles
opciones, es necesario escribir en el campo de texto del panel la opción a trabajar como lo
muestra la Figura 93.
Figura 93. Tipo de macronutriente
Fuente Autores
El aplicativo además presenta una opción para dosificar según el tipo de macronutriente y
allí es posible ingresar volúmenes requeridos para cada punto de irrigación.
(Independientemente estos volúmenes pueden digitarse y posteriormente, podrán leerse en
la base de datos). Esta opción se muestra en la Figura 94.
Figura 94. Volúmenes de macronutrientes
Fuente Autores
12.INICIAR LA SIMULACIÓN
Con los anteriores parámetros especificados en la aplicación, se puede dar inicio al
funcionamiento. Se tienen los 3 tanques con los macronutrientes principales (N,P2O5,K2O)
previamente diluidos en agua, además se tiene una plataforma de aplicación del fertilizante
con nueve micro aspersores y a cada uno le corresponde una electroválvula, la cual permite
159
el paso del fertilizante correspondiente al punto de dosificación en un determinado tiempo;
cuando la opción seleccionada es para dosificar todos los fertilizantes, la función del
programa permite que se realicen secuencialmente las acciones correspondientes de
dosificación, es decir que primero aplique el volumen requerido del tanque de N, luego
para el P2O5 y por último al de K2O. En el momento de la aplicación de fertilizante de uno
de los tanques, el sistema tiene una secuencia que activa una electroválvula a la vez, es
decir, que permite el paso del fluido en uno de sus micro aspersores de los nueve que lo
componen, el tiempo de accionamiento de cada uno se ajusta al requerimiento de nutrición
de la planta ubicada en tal punto, el cual está dado por la información previamente
ingresada en la base de datos. Encender una electroválvula a la vez, permite tener la presión
necesaria para que el micro aspersor funcione adecuadamente. Cuando se realiza la
dosificación correspondiente de cada planta en el punto de parada, el sistema envía un bit
de verificación al sistema de control del vehículo; para que se ubique en la siguiente
coordenada de dosificación. Cuando los niveles de cualquier tanque se encuentren en un
nivel bajo, el sistema envía un bit al vehículo para que se ubique en la coordenada donde se
abastece de fertilizantes al sistema de dosificación. El proceso de respuesta del aplicativo se
puede observar a través de la interfaz, y los resultados obtenidos se van anexando a la tabla
“Histórico de tiempos” como lo muestra la Figura 95
Figura 95 Interfaz de simulación
Fuente Autores
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