tesis-2GIL

7/26/2019 tesis-2GIL

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UPSINUniversidad Politecnica De Sinaloa

Tesina

Colaboracin en proyecto para la evaluacion desoluciones nutritivas en CINVESTAV unidad Guadalajara

Presentada por:

C. Ral Gil Bayardo

En cumplimiento parcial de laestadia practica de

Asesor academico:

Mc. Ismael Millan Paez

Organismo receptor:

Dra. Ofelia Begovich Mendoza


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ResumenEn este trabajo se presentan modificaciones realizadas a un prototipo deinvernadero

construido en CINVESTAV Unidad Guadalajara, este fue planteado y desarrollado por la

Dra. Ofelia Begovich Mendoza con el objetivo de realizar investigacin sobre modelado yexperimentacin para la mejora de cultivos en agricultura protegida. El cual no contabaen el momento con ningn cultivo.

Dicho prototipo est equipado con actuadores tales como: ventiladores parala circulacin y extraccin de aire, motores para la apertura y cierre de las ventanas,humidificadores y un sistema de riego de un solo canal, adems cuenta con una serie desensores que miden las variables siguientes: temperatura exterior e interior, humedad alinterior, viento externo, radiacin interior, presin hidrosttica, humedad del suelo y niveldel tanque de agua.

El monitoreo de las seales dadas por los sensores y el accionamiento de los actuadoresdel prototipo antes mencionado est controlado por un sistema de adquisicin de datosCompactRIO instrumentado de manera adecuada, este trabaja de forma conjunta con elsoftware LabVIEW de National Instruments en el cual es posible realizar algoritmos para lamanipulacin de datos de entradas y salidas, adems de crear interfaces graficas agradablesal usuario.

Para este sistema se plante el experimento siguiente: desarrollar un cultivohidropnico por goteo para la evaluacin de dos soluciones nutritivas distintas en plantas dejitomate. Considerando un cultivo de 80 plantas divididas en 2 grupos de dos especiesdistintas, distribuidas de forma conveniente.

En base al experimento mencionado surgi la necesidad de realizar las siguientesmodificaciones: que el sistemas de riego cuente con dos lneas independientes donde cadauna de estas suministre una solucin nutritiva distinta, instrumentadas adecuadamente. As,como la actualizacin y mejora del programa e interface grfica existente.


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Captulo 1

Introduccin

En este captulo se presentan algunos antecedentes sobre invernaderos y elfuncionamiento bsico de los mismos. As mismo se define el planteamiento del problema aresolver dando una propuesta de solucin, objetivo general y objetivos particulares.

1.1Antecedentes.

La RAE define a un invernadero como una construccin o recinto con paredes y techo

transparentes o translcidos, donde se mantienen constantes la humedad, la temperatura y laradiacin solar entre otros factores ambientales con la finalidad de favorecer el cultivo yproducir la fotosntesis en las plantas contenidas en este.

Un invernadero es una estructura, generalmente metlica, recubierta de un material transparente, que otorga la propiedad de convertir dicha estructura en un sitio cerrado, destinado a la contencin de un rea de cultivo aislada de factores externos a la estructura, como pueden ser lluvia y viento, as como de algunos factores biticos, entre ellos insectos, reptiles o mamferos. El objetivo principal de un invernadero es la adaptacin del clima al interior del mismo, para reproducir las condiciones ideales para el crecimiento y desarrollode un cultivo especfico, proporcionando independencia del clima externo a la vez que se

garantiza un nivel de aislamiento y proteccin contra ataques de plagas. Por supuesto que laadicin de estas caractersticas busca una mejora constante de la produccin del cultivo, tanto en volumen como en calidad. Por ejemplo, segn estudios realizados por la agencia de Fideicomisos Instituidos en Relacin con la Agricultura (PIRA), publicados en abril del2012, la produccin de tomates plantados a cielo abierto en reas de produccin agrcola deMxico alcanz 40 toneladas mtricas por hectrea, mientras que la produccin mediante invernadero lleg hasta 140 toneladas mtricas por hectrea, sealando de igual manera unareduccin del rea de cultivo entre el ao 2000 y 2010 de 30%, con un incremento de laproductividad de 56% [1.2].

Los invernaderos han sido generalmente diseados para la proteccin de plantas que se

cosechan fuera de estacin, las cuales no pueden soportar bajas temperaturas ocongelamiento, protegindolas, sobre todo, del excesivo calor o fro [Agriculturaltechnology, 2007; Greenhouse, 2007]. La funcin principal de un invernadero es la derecrear las condiciones ms apropiadas para dar vida y generar la reproduccin de plantasde cualquier propsito, ya sean comestibles (como frutales y verduras), con finesmedicinales, o de ornamentacin. Para lograr lo anterior, se necesita simular condicionesptimas de temperatura, bixido de carbono, humedad, radiacin solar (entre otras) para eladecuado desarrollo y crecimiento que requieren dichas plantas [Sammons et al., 2005].


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Durante los ltimos aos, los procesos macroeconmicos han alcanzado a la mayorade las actividades de produccin de todos los sectores imaginables de la actividadhumana, motivando a los inversionistas de cada rea a fortalecer la bsqueda deprocesos que implementen, mejoren, abaraten y hagan ms eficiente la produccin en todos

los sentidos, as como el uso de sistemas resistentes a una gran variedad de condicionesindeterminadas,aportando adaptabilidad al proceso, y robustez contra fallas.

El sector agrcola no se encuentra exento de esta bsqueda de tecnificacin,desarrollndose una gran cantidad de herramientas para facilitar los procesos deproduccin de esta rea, desde equipos parapreparado de semillas, sistemas de riegoautomatizados y extendidos para el manejo dereas de cultivo de tamao considerable,mquinas que faciliten el trabajo de preparacin del suelo, cosecha, procesamiento yempacado del producto, hasta sistemas de proteccin de cultivos, como lo son losinvernaderos, cuya industria comprende el sector agrcola de mayor crecimiento a nivelmundial [1.1].

El uso de invernaderos no es una actividad reciente, ni siquiera es factible decir que hasido concebido en las ltimas dcadas. El registro histrico de mayor antigedad quedescribeuna cosecha protegida del medio ambiente data del siglo primero de nuestra era,donde serelata la necesidad de cosechar pepinos fuera de temporada para el consumo delemperador Tiberio. Durante el siglo XVI, linternas de cristal, jarras y sabanas calientescubiertas con cristal fueron implementadas para proteger las hortalizas contra el frio, y parael siglo XVII se idearon pequeos marcos de madera recubiertos de papel enceradotranslcido para mantener tibio el entorno de los cultivos. A la vez, en Japn seimplementaban tapetes depaja en combinacin con papel encerado para proteger loscultivos de las condicionesclimatolgicas extremas.

Durante el mismo siglo, en Inglaterra y Francia los invernaderoseran calentados conestircol, y recubiertos con paneles de papel, buscando una aportacintrmica durante lastemporadas ms fras del ao. El primer invernadero de ese siglo enusar cristal, era unaestructura cuyo techo inclinado funcionaba tambin como uno de los lados del complejo,siendo esta la nica parte conformada por dicho material. Posteriormente, estosinvernaderos comenzaron a ser construidos con ambos lados de cristal. Aun as, no sepuede hablar de un establecimiento formal de la agricultura protegida sino hasta elestablecimiento del uso del polietileno, despus de la segunda guerra mundial. El primeruso de polietileno en la construccin de un recubrimiento para invernadero ocurri en1948, cuando el profesor Myers Emmert, en la universidad de Kentucky, Estados Unidos,utiliz el material como sustituto del por mucho ms costoso cristal [1.3].

En Mxico, desde 1990 se han construido invernaderos en todo el pas. La tecnologa ylos diferentes tipos de estructuras de invernaderos son importados de Israel, Holanda,Canad y Espaa y adaptados a condiciones ambientales diferentes, con diferentes gradosde xito. La actual rea bajo produccin refleja la importancia de los diferentes ambientesutilizados, y aunque inicialmente los invernaderos fueron construidos en reas cercanas alos ocanos, particularmente en Sinaloa, desde 1995, aproximadamente, se ha dado unaexpansin de la industria hacia las zonas ms elevadas, donde se tiene un clima msmoderado, mejores condiciones de luz, y menor presin por plagas y enfermedades (Steta,1999).


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1.2Funcionamiento de un invernadero.

El efecto principal aportado por un invernadero es de caractersticas trmicas,funcionandoal dejar pasar la radiacin solar hacia el interior del complejo para despusmantener laenerga producida por la incidencia de dicha radiacin dentro de la estructura,buscando con ello sustentar la temperatura interna alrededor de un valor deseado, que engeneral, se desea sobreponer este valor al de la temperatura exterior; en consecuencia,durante el diseo de un invernadero pueden citarse dos aspectos fundamentales aconsiderar: en primer lugar, laobtencin de un buen aislamiento trmico del sistema, demanera que tanto los efectos de conduccin como de conveccin trmica se veanminimizados para que el invernaderodisipe la cantidad de energa adecuada hacia elambiente.

En segundo lugar, se busca proporcionar una transparencia controladacorrespondiente a dos secciones especificas del espectro electromagntico, a tomarse encuenta, la banda de emisin de radiacin solar(situada entre los 280nm y los 2500nm)y la banda de emisin de radiacin terrestre(alrededor de los 5000nm y extendida hastalos 35000nm), con el propsito de permitir elpaso de radiacin solar incidente, ybloquear la disipacin por parte de la radiacin terrestre, para poder as elevar latemperatura al interior de la estructura [1.4].

De los principios anteriores, puede asumirse la importancia de la seleccin delmaterial de revestimiento del invernadero, de manera que este material sea capaz deabsorber laradiacin proveniente del interior del invernadero, para reflejar una porcin dela de vueltahacia la fuente de emisin. La fuente de radiacin interior est conformada porla masa de suelo donde se sitan los cultivos, la cual presenta propiedades deabsorcin trmicadurante la incidencia de radiacin solar (a lo largo del da) dependientede la transparencia del recubrimiento a esta longitud de onda, para durante la nochedisipar la energaabsorbida, que sea reflejada nuevamente hacia el interior por parte delrevestimiento, comose mencion anteriormente.

1.3Plantiamiento del problema.

En base a la necesidad de mejorar las soluciones nutritivas para cultivos hidropnicosen agricultura protegida se plantea el experimento siguiente: desarrollar un cultivohidropnico por goteo para la evaluacin de dos soluciones nutritivas distintas en plantas dejitomate. Considerando un cultivo de 80 plantas divididas en 2 grupos de dos especiesdistintas distribuidas de forma conveniente. Debido a que el prototipo del invernadero enCINVESTAV unidad Guadalajara no cuenta con los requerimientos necesarios en el sistemade riego y el algoritmo de control surge el siguiente cuestionamiento: en cuanto al sistemade riego, Cul es el diseo adecuado para que el sistema cuente con dos lneasindependientes?, Cmo suministrar la solucin nutritiva en cada lnea?, Qu material serusado para la construccin e instrumentacin?, Qu cantidad de solucin nutritiva es


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agregada al suministro principal?, Qu requerimientos de actualizacin sern necesarios enel algoritmo de control?.

1.4

Propuesta de solucion.

Para dar respuesta a la problemtica planteada anteriormente se proponen lasactividades siguientes como solucin.

Proponer distintas distribuciones de la tubera para las dos lneas de riego necesariasevaluando cada una de las ideas propuesta para encontrar la mejor opcin tomando encuenta el rea efectiva del invernadero, la distribucin de las plantas y la cantidadmnima de material.

Hacer uso de venturis en las lneas de riego para agregar y mezclar la solucin

requerida, utilizar electrovlvulas para cortar el flujo del riego segn como searequerido, emplear vlvulas check para evitar que el flujo del nutriente circule demanera contraria a la deseada para evitar la mezcla entre soluciones.

Utilizar tubera polimx, con sus respectivos accesorios, codos, tuercas unin, entreotras. Este es empleado debido a que disminuye la formacin de lama, ya que este nopermite el paso de luz, adems de ser un material fcil de trabajar y resistente a laintemperie.

Realizar una serie de pruebas para conocer la cantidad de solucin que se inyecta acada lnea de riego, y en base a esta, establecer los porcentajes, datos que ser usadospara el clculo de la concentracin de la solucin nutritiva.

Desarrollar un algoritmo que cumpla con las funciones existentes agregando a estedistintas formas de control de riego contemplando las dos lneas: riegos peridicos,riegos por horas especficas, activacin manual de los riegos.

1.5Objetivo general.

Obtener un sistema de riego capaz de cumplir con los requerimientos antesmencionados los cuales surgen a partir del experimento planteado con anterioridad, sercapaces de recabar la mayor informacin posible por medio de los sensoresdisponibles, crear una interface grfica agradable a los usuarios sencilla de operar ycrear un algoritmo que sea capaz de responder a las demandas del usuario, adems deque le permita configurar parmetros necesarios para tomar decisiones de maneraautomtica si el usuaria as lo requiere.


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1.6

Objetivos especificos.

Obtener un diseo adecuado para el nuevo sistema de riego, conocer el materialnecesario y realizar lo compra de este.

Construir la tubera diseada de polimx de doble lnea de riego independientes, dondea su vez cada lnea de riego es separada en dos grupos para finalmente ser depositadaen el grupo de cultivo correspondiente por medio de goteo, esto debido a que lasplantas se agrupan en 4 lneas de 20 plantas, de las cuales 40 se les suministre unasolucin nutritiva y el resto con la segunda solucin.

Colocar los venturis en la lnea de correspondiente seguidos de una electrovlvulacada una se encargara de cortar el flujo del riego cuando sea necesario, adems,preceder ambos venturis con una vlvula check donde cada una se encargara de evitarque el flujo circule en una direccin no deseada y se mezclen ambas soluciones.

Agregar en la tubera accesorios como tuercas unin de manera que si se necesita haceruna modificacin futura no tenga que desmontarse por completo, encontrando loslugares estratgicos para instalacin de estas.

Realizar un programa en LabVIEW que cumpla con los requerimientos antesmencionados, adems de una interface de usuario agradable y amigable a la hora de serejecutada.

Evaluar el algoritmo realizando distintas pruebas para depurar o mejorar el

funcionamiento de este.


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Captulo 2

PreliminaresDurante este captulo se presentan las caracteristicas de los distintos tipos de

invernaderos, tambien se hablara de los tipos de ventilacion de estos mismos, que es lainstrumentacion virtual, que es Labview y los aspectos tcnicos relacionados con el

prototipo de invernadero que se encuentra en CINVESTAV unidad Guadalajara,describiendo las caractersticas fsicas del mismo; adems, se exponen las caractersticasgenerales de los equipos electrnicos involucrados en la operacin del invernadero, ascomo una brebe descripcion del programa que funcionan como interfaz de adquisicin yoperacin de todo el prototipo.

2.1Tipos de invernaderos.

Los invernaderos se pueden clasificar de distintas formas, segn se atienda adeterminadas caractersticas de sus elementos constructivos (por su perfil externo, segnsu fijacin o movilidad, por el material de cubierta, segn el material de la estructuraentre otras). Con la finalidad de escoger una buena estructura se hara un listado de lostipos de invernaderos basado en la clasificacin segn la conformacin estructural o

perfil externo seguido de una pequea descripcion.

Invernaderos planos o tipo parral :

Este tipo de invernadero se utiliza en zonas poco lluviosas, aunque no es aconsejablesu construccin. La estructura de estos invernaderos se encuentra constituida por dos

partes claramente diferenciadas, una estructura vertical y otra horizontal.

Invernadero en raspa y amagado:

Su estructura es muy similar al tipo parral pero vara la forma de la cubierta. Seaumenta la altura mxima del invernadero en la cumbrera, que oscila entre 3 y 4,2 m,formando lo que se conoce como raspa. En la parte ms baja, conocida como amagado,se unen las mallas de la cubierta al suelo mediante vientos y horquillas de hierro que

permite colocar los canalones para el desage de las aguas pluviales. La altura delamagado oscila de 2 a 2,8 m, la de las bandas entre 2 y 2,5 m.


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Invernadero asimtrico:

Difiere de los tipo raspa y amagado en el aumento de la superficie en la caraexpuesta al sur, con objeto de aumentar su capacidad de captacin de la radiacin solar.Para ello el invernadero se orienta en sentido este-oeste, paralelo al recorrido aparente delsol. La inclinacin de la cubierta debe ser aquella que permita que la radiacin solarincida perpendicularmente sobre la cubierta al medioda solar durante el solsticio deinvierno, poca en la que el sol alcanza su punto ms bajo. Este ngulo deber ser

prximo a 60 pero ocasiona grandes inconvenientes por la inestabilidad de la estructuraa los fuertes vientos. Por ello se han tomado ngulo comprendidos entre los 7 y 9 en lacara sur y entre los 15 y 23 en la cara norte.

Invernaderos de capilla:

Los invernaderos de capilla simple tienen la techumbre formando uno o dos planosinclinados, segn sea a un agua o a dos aguas. Si la inclinacin de los planos de latechumbre es mayor a 25 no ofrecen inconvenientes en la evacuacin del agua de lluvia.La ventilacin es por ventanas frontales y laterales. Cuando se trata de estructurasformadas por varias naves unidas la ausencia de ventanas cenitales dificulta laventilacin.

Invernaderos de doble capilla:

Los invernaderos de doble capilla estn formados por dos naves yuxtapuestas. Suventilacin es mejor que en otros tipos de invernadero, debido a la ventilacin cenital quetienen en cumbrera de los dos escalones que forma la yuxtaposicin de las dos naves;estas aberturas de ventilacin suelen permanecer abiertas constantemente y suele ponerseen ellas malla mosquitera. Adems tambin poseen ventilacin vertical en las paredesfrontales y laterales. Este tipo de invernadero no est muy extendido debido a que suconstruccin es ms dificultosa y cara que el tipo de invernadero capilla simple a dosaguas.

Invernadero tnel o semicilndrico:

Se caracteriza por la forma de su cubierta y por su estructura totalmente metlica. Elempleo de este tipo de invernadero se est extendiendo por su mayor capacidad para elcontrol de los factores climticos, su gran resistencia a fuertes vientos y su rapidez deinstalacin al ser estructuras prefabricadas.

Invernadero tnel:


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El invernadero tipo tnel es modelo con una estructura sencilla pero est a su vez esmuy resistente. Este tipo de estructura est diseado para personas que necesitan de uninvernadero en una superficie pequea y que a la vez sea econmico.

Este tipo de invvernadero es el utilizado en CINVESTAV Unidad Guadalajara porello se presentara una pequea tabla de ventajas y desventajas.

Ventajas Desventajas

Ofrece alta resistencia a

los vientos y es de fcil

instalacin.

Alto grado de paso de luzsolar.

Es apto para materiales de

cobertura flexible como

rgidos.

Tiene un volumen de aireretenido relativamente

pequeo por lo que puede

ocurrir el fenmeno de

inversin trmica debido asu escasa inercia trmica.

Solo es recomendablepara cultivos de bajo a

mediano porte como la

lechuga, flores, etc.

Tabla 2-1 Ventajas y desventajas del invernadero tipo tnel.

En la Tabla 2-1se muestran algunas ventajas y desventajas de los invernaderos de tipo

tnel. El fenmeno de la inversin trmica descrito en las desventajas ocurre cuando el aire

cerca del suelo se enfra ms rpido que el aire que se encuentra a una mayor altitud lo que

ocasiona que el aire caliente no se pueda elevar, ya que queda atrapado entre dos capas de aire

fro.

Figura 2-1: Invernaderos tipo tnel.

En la Figura 2-1 se muestra un ejemplo de cmo lucen fsicamente un invernadero tnel.

2.1Ventilacion para invernaderos.


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La temperatura y la humedad estn directamente relacionados entre s. El aire tieneuna mxima capacidad de contencin de agua, y si el aire se enfra reduce su capacidadde retencin de agua produciendo roco.

Con la salida del sol, el aire del interior del invernadero sube su temperaturaprovocando que el roco se adhiera al fruto y la planta, aun fros. Por esto la nicamanera de sacar el vapor de agua sobrante es renovando el aire dentro del invernaderomediante la ventilacin.

Tipos de ventilacin

La ventilacin de los invernaderos se suele realizar mediante el uso de unasaperturas en el invernadero, llamadas ventanas, situadas en los techos o en los laterales

de ste, que permiten la renovacin del aire, o bien mediante el uso de ventiladores dediferentes caudales.

La mejor forma de clasificar las ventilaciones es basndonos en la forma en que serealiza la renovacin del aire.

La ventilacin activa es aquella en la cual actuamos activamente en el movimientodel aire del invernadero, utilizando una serie de ventiladores. La ventilacin pasiva encambio, es aquella en la realizamos una serie de aperturas o ventanas en el invernadero, yel viento natural que se produce en la zona en que se encuentre la explotacin, va

renovando el aire del invernadero. A su vez podemos dividir la ventilacin pasiva en dostipos, dependiendo del lugar de colocacin de las ventanas:

Ventilacin lateral:

Las ventanas se sitan en los laterales o paredes del invernadero.

Figura 2-2: Ventilacin lateral.

En la Figura 2-2 se muestra un ejemplo de cmo luce fsicamente una ventilacion lateral.


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Ventilacin cenital:

Las ventanas se sitan en el techo del invernadero, tradicionalmente en losinvernaderos se ha venido utilizando la ventilacin pasiva o natural, debido a su costems bajo que la ventilacin activa o forzada. ltimamente esto est cambiando

principalmente por dos razones.

La corriente de aire que se genera en el invernadero, procedente de las ventanaslaterales o cenitales a travs del cultivo, puede ser muy perjudicial, ya que lopueden deshidratar en determinados momentos del ao.

Las ventanas laterales son una importante entrada de patgenos. Es por esto,que cada vez ms se ponen mallas en los invernaderos muy tupidas para evitarla entrada de plagas, pero que hacen descender la ventilacin que necesita elcultivo.

Figura 2-3: Ventilacin cenital.

En la Figura 2-3 se muestra un ejemplo de cmo lucen una ventilacion cenital.

2.2Caracteristicas del invernadero.

El invernadero utilizado en las instalaciones de CINVESTAV Unidad Guadalajaraes uno de tipo tunel con ventilacion cenital, el cual nace a partir de la Dra. OfeliaBegovich Mendoza. En las figuras siguientes se muestra dicho prototipo en unavariedad de tomas que detallan los elementos exteriores con los que cuenta


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Figura 2-4: VIsta frontal (Izquierda) y trasera (derecha) del Invernadero

La Figura 2-4 muestra la vista frontal y la vista trasera del prototipo de invernadero.

Figura 2-5: VIsta lateral del Invernadero

La Figura 2-5 ilustra una vista lateral del invernadero.

Figura 2-6: VIsta Interior del Invernadero

La Figura 2-6 permite apreciar el interior del prototipo visto desde la puerta del mismo,


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donde se puede observar la instalacin de los sensores centrales existentes dentro delinvernadero.

Las caractersticas principales de este invernadero se enlistan a continuacin:

rea efectiva del invernadero: 60m2.

Altura total: 14m.

Altura a la base del arco: 3m.

Material de construccin: Plstico UV2 de 24 meses de duracin.

Ventana superior (cenital) de 0.5m de ancho.

2.3Instalacion electrica del invernadero.

La instrumentacin del prototipo cuenta con una variedad de sensores dispuestostanto al interior del invernadero como fuera de este, para realizar mediciones continuasde las siguientes variables climatolgicas:

Temperatura en el interior del invernadero.

Temperatura exterior del invernadero.

Humedad relativa en el interior del invernadero.

Humedad relativa en el exterior del invernadero.

Velocidad del viento dentro del invernadero.

Velocidad del viento fuera del invernadero.

Radiacin solar dentro del invernadero.

Los actuadores que se encuentran actualmente implicados en la operacin delinvernadero son los siguientes:

Ventiladores frontal y trasero trifsicos de Y..de HP y 750m3/h cada uno.

Humidificadores derecho e izquierdo monofsicos de 1/20 de HP cada uno.

Sistema automtico-manual para el control de las cortinas laterales compuesto por unmotor de DC de l00W con torque de 80Nm y velocidad de 3.6 rpm con transmisin deengranes.

Sistema de engranajes y manivela para apertura manual de la cortina cenital.

2.4

Instrumentacion virtual.

El concepto de instrumentacin virtual nace a partir del uso del computador personalcomo instrumento de medicin de seales tales como temperatura, presin, caudal,entre otras. Es decir, el PC comienza a ser utilizado para realizar mediciones defenmenos fsicos representados en seales de corriente (como 4...20mA) y/o voltaje


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(por ejemplo, 0-5Vdc) normalmente con una gran precisin y nmero de muestras porsegundo.

Sin embargo, el concepto de "instrumentacin virtual" va ms all de la simplemedicin de corriente o voltaje. Tambin involucra el procesamiento, anlisis,

almacenamiento, distribucin y despliegue de los datos e informacin relacionados conla medicin de una o varias seales especficas. Con stas, mediante software quepermitan la implementacin de algoritmos de control, es factible integrar y controlarcomplicados procesos. Es decir, el instrumento virtual no se conforma con la adquisicinde la seal, sino que tambin involucra la interfaz hombre-mquina, las funciones deanlisis y procesamiento de seales.

En sus orgenes, estos equipos, compuestos de una tarjeta de adquisicin de datoscon acondicionamiento de seales (PCMCIA, ISA, XT, PCI, etc.) y el softwareapropiado estaban orientados a laboratorios, donde sus prestaciones eran muy requeridas

por la gran precisin y capacidad de adecuar sus capacidades y clculos acorde alproceso que se estaba analizando. Con el tiempo, stas cada vez ms robustas soluciones

y prestaciones de PC industriales permiten encontrar aplicaciones en la industria, ensistemas de robtica y otras tantas aplicaciones donde la capacidad de clculo hace queuna instrumentacin tradicional no sea capaz de responder al requerimiento del proceso.

La flexibilidad, el bajo costo de mantenimiento, la reusabilidad, la personalizacinde cada instrumento, la rpida incorporacin de nuevas tecnologas, el bajo costo porfuncin y por canal son algunos de los beneficios que ofrece la instrumentacin virtual.

La instrumentacin virtual puede tambin ser implementada en equipos mviles(laptops), equipos distribuidos en campo (RS-485), equipos a distancia (conectados varadio, Internet, etc.) o equipos industriales (NEMA 4X, etc.). Existe una tarjeta deadquisicin de datos para casi cualquier bus o canal de comunicacin en PC (ISA, PCI,

USB, serial RS-232/485, paralelo EPP, PCMCIA, CompactPCI, PCI, etc.) y un driverpara casi cualquier sistema operativo (WIN 3.1/95/NT, DOS, Unix, MAC OS, etc.).

Un instrumento virtual puede realizar las tres funciones bsicas de un instrumentoconvencional: adquisicin, anlisis y presentacin de datos. Sin embargo, el instrumentovirtual permite personalizar el instrumento y agregarle mucha ms funcionalidad sinincurrir en costos adicionales Quiere conectividad de su instrumento con Ethernet?Quiere almacenar sus datos en una tabla o archivo compatible con MS Excel? Quiereagregarle a su instrumento un nuevo algoritmo o funcin que necesita en suexperimento? La respuesta a todas estas preguntas est en sus manos, ya que todo ello

puede hacerse y, mejor an, puede hacerlo usted mismo.

2.5 Descripcion del controlador usado.

Una vez descrita la instalacin elctrica, y con el conocimiento de que es lainstrumentacion virtual, conviene mencionar que se cuenta con un computador con SOen Windows 8 para el monitoreo del proceso, y un controlador de NationalInstruments de la serie NI cRIO 9074, al cual se har referencia desde este momentocomo CompactRIO.

La descripcin general de un equipo CompactRIO cubre las siguientes caractersticas [3.1]:


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Sistema pequeo, robusto y embebido de control y adquisicin de datos. Impulsado por las herramientas de programacin grfica NI LabVIEW de National

Instruments para desarrollo rpido. Ofrece un procesador embebido en tiempo real para operacin confiable autnoma

o distribuida.

Integra un chip FPGA embebido que proporciona la flexibilidad, rendimiento y fiabilidad de hardware personalizado.

Incluye mdulos industriales de E/S intercambiables en vivo con acondicionamientode seales integrado para conexin directa a una variedad de sensores y actuadores.

Ofrece certificaciones y clasificaciones industriales extremas:-Temperatura de operacin de -40 a 70 oc (-40 a 158 F).-Aislamiento (de rechazo) hasta 2,300 Vrms.

-Rangos de impacto de 50 g.

-Seguridad internacional, EMC y certificaciones ambientales.

Clasificacin Clase I, Divisin 2 para sitios peligrosos. Entradas de doble suministro de 9 a 35 VDC, bajo consumo de potencia (tpico 7 a

10 W).

Imagen del compac rio

Un CompactRIO es un controlador programable embebido para control yadquisicin de datos destinado a aplicaciones que requieren de un rendimiento alto yconfiabilidad de ejecucin. Impulsado por las herramientas de desarrollo LabVIEWFPGA y LabVIEW Real-Time, permite el diseo, programacin y configuracin delsistema embebido a travs de herramientas de programacin grfica de fcilcomprensin. CompactRIO combina un procesador embebido en tiempo real, un FPGAde alto rendimiento (dependiente del modelo del sistema) y la flexibilidad de mdulosde entrada/salida intercambiables en vivo, de ah las siglas RIO: Reconfigurable Input-Output. Cada uno de los mdulos E/S se conecta directamente al FPGA, dando as lugara la capacidad de personalizacin de la programacin en bajo nivel de temporizacin y

procesamiento de seal. A su vez, el FPGA se conecta a un procesador embebido entiempo real a travs de un bus PCI de alta velocidad.


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Figura 2-7: Arquitectura de CompactRIO

La Figura 2-7 esquematiza la arquitectura y flujo de un sistema CompactRIO.

CompactRIO cuenta con un procesador industrial Freescale MPC5200 de 400Mhzcon sistema operativo Windows River VxWorks en tiempo real. Un sistema operativoen tiempo real (RTOS, por sus siglas del ingls Real- Time Operating System) es aquelque es capaz de ejecutar programas con requerimientos de tiempo especfico; porsupuesto, no debe creerse que un RTOS es aquel que puede ejecutar tareas mucho ms

rpido. Un RTOS proporciona la caracterstica de temporizado preciso, capacidad que unSO de propsito general como WindowsTM no tiene la habilidad de sustentar, debido alos retardos de ejecucin ocasionados por las mltiples tareas que se pueden estarrealizando en primer o segundo plano de manera simultnea.

Entre las cualidades del RTOS se pueden mencionar [3.2]:

Asegurar la ejecucin de todas las tareas dentro de un marco de tiempo mnimogarantizado, en el peor de los casos.

Priorizacin cuidadosa de diferentes secciones del programa ejecutado. Corrida de lazos simultneos con aproximacin mxima del mismo tiempo de

ejecucin (con diferencias de microsegundos, en los peores casos) dentro decadaiteracin.

Deteccin de prdida del tiempo meta en cada lazo.

Adems de la temporizacin precisa, el RTOS ofrece la capacidad de correr por das,meses o incluso aos de manera continua con caractersticas de deteccin de errores deejecucin para el reinicio de todo el sistema (incluida la computadora anfitrin) en casode detencin inesperada del programa.


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conex1on mdulo1 NI 9375 Mdulo de entradas/salidas digitales de voltaje a 24V tipo

Sinking/Sourcing, 32 canales para propsito general2 NI 9265 Mdulo de salidas analgicas, 4 canales de 16 bits para

corriente de O a 20mA3 NI 9423 Mdulo de entradas digitales, 8 canales de voltaje a 24V tipo

Sinking, para aplicaciones de alta velocidad4 NI 9203 Mdulo de entradas analgicas, 8 canales de 16 bits para

corriente de 20mA5 NI 9203 Mdulo de entradas analgicas, 8 canales de 16 bits para

corriente de 20mATabla 2-2: Mdulos existentes en el CompactRIO

Actualmente, se cuenta con el conjunto de mdulos descritos en la Tabla2-2.

2.6

LabVIEW.

LabVIEW (acrnimo de Laboratory Virtual Instrumentation EngineeringWorkbench) es una plataforma y entorno de desarrollo para disear sistemas, con unlenguaje de programacin visual grfico. Recomendado para sistemas hardware y

software de pruebas, control y diseo, simulado o real y embebido, pues acelera laproductividad. El lenguaje que usa se llama lenguaje G, donde la G simboliza que eslenguaje Grfico.

Este programa fue creado por National Instruments (1976) para funcionar sobremquinas MAC, sali al mercado por primera vez en 1986. Ahora est disponible paralas plataformas Windows, UNIX, MAC y GNU/Linux. La penltima versin es la 2013,con la increble demostracin de poderse usar simultneamente para el diseo delfirmware de un instrumento RF de ltima generacin, a la programacin de alto nivel delmismo instrumento, todo ello con cdigo abierto. Y posteriormente la versin 2014

disponible en versin demo para estudiantes y profesional, la versin demo se puededescargar directamente de la pagina National Instruments.

Los programas desarrollados con LabVIEW se llaman Instrumentos Virtuales, o VIs,y su origen provena del control de instrumentos, aunque hoy en da se ha expandidoampliamente no slo al control de todo tipo de electrnica (Instrumentacin electrnica)sino tambin a su programacin embebida, comunicaciones, matemticas, etc. Un lematradicional de LabVIEW es: "La potencia est en el Software", que con la aparicin delos sistemas multincleo se ha hecho an ms potente. Entre sus objetivos estn elreducir el tiempo de desarrollo de aplicaciones de todo tipo (no slo en mbitos dePruebas, Control y Diseo) y el permitir la entrada a la informtica a profesionales decualquier otro campo. LabVIEW consigue combinarse con todo tipo de software yhardware, tanto del propio fabricante -tarjetas de adquisicin de datos, PAC, Visin,instrumentos y otro Hardware- como de otros fabricantes.

Su principal caracterstica es la facilidad de uso, vlido para programadoresprofesionales como para personas con pocos conocimientos en programacin puedenhacer programas relativamente complejos, imposibles para ellos de hacer con lenguajestradicionales. Tambin es muy rpido hacer programas con LabVIEW y cualquier

programador, por experimentado que sea, puede beneficiarse de l. Los programas enLabView son llamados instrumentos virtuales (VIs) Para los amantes de lo complejo, con


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LabVIEW pueden crearse programas de miles de VIs (equivalente a millones de pginasde cdigo texto) para aplicaciones complejas, programas de automatizaciones de decenasde miles de puntos de entradas/salidas, proyectos para combinar nuevos VIs con VIs yacreados, etc. Incluso existen buenas prcticas de programacin para optimizar elrendimiento y la calidad de la programacin. El labView 7.0 introduce un nuevo tipo desubVI llamado VIs Expreso (Express VIS). Estos son VIs interactivos que tienen unaconfiguracin de caja de dilogo que permite al usuario personalizar la funcionalidad delVI Expreso. El VIs estndard son VIs modulares y personalizables mediante cableado yfunciones que son elementos fundamentales de operacin de LabView.

Presenta facilidades para el manejo de:

Interfaces de comunicaciones.

Capacidad de interactuar con otros lenguajes y aplicaciones.

Herramientas grficas y textuales para el procesado digital de seales.

Visualizacin y manejo de grficas con datos dinmicos. Adquisicin y tratamiento de imgenes.

Control de movimiento (combinado incluso con todo lo anterior).

Tiempo Real estrictamente hablando.

Programacin de FPGAs para control o validacin.

Sincronizacin entre dispositivos.

2.7

Descripcin del algoritmo de controlempleado.

En cinvestav unidad guadalajara como ya se ha hecho referencia se cuenta con unprograma que se encarga del control del invernnadero, desde este programa es posiblecontrolar los actuadores de maneta manual y automatica. Asi como tambien tomarlecturas de los sensores funcionando en el prototipo.

Figura 2-8: Pestaa de control automatico

En a figura 2-8 se puede observar una imagen de la interface de control en lapestaa de automatico.


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Figura 2-9: Pestaa de control manual.

En a figura 2-9 se puede observar una imagen de la interface de control en lapestaa de manual.


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Captulo 3

Resultados principales

Durante este captulo se hablara de los resultados obtenidos tanto en la parte de la

infraestructura; como lo fue la tubera del riego y la disposicin de los componentes que

la integraron, como de la parte del programa de control que se realiz para satisfacer las

necesidades surgidas con en el experimento planteado con anterioridad.

3.1Tuberias para riego independiente.

Para hablar detalle sobre la tubera que se construy con la finalidad que tener dos riegos

independientes el uno del otro, es necesario mencionar que la tubera con la que se

contaba anterior mente era de polimx de una pulgada, lo que imposibilitaba conectar

algunos accesorios como los venturis y las vlvulas check por lo que en cierto punto era

necesario cambiar la tubera de una pulgada a una de media pulgada, la cual si es

compatible con los accesorios ya mencionados.

Figura 3-1: Valvula check.


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Figura 3-1: venturi.

Para realizar dicho cambio de dimetro entre las tuberas fue suficiente conectar un

reductor donde se necesitaba el cambio de dimetro.

Figura 3-1: reductores de polimx macho-hembra.

Una vez obtenido la medida requerida para poder conectar los accesorioscorrespondientes, y separando la tubera en dos ductos, se implementaros dichos

accesorios de la siguiente manera.

Primero, se conect una vlvula check la cual se encargara de que el flujo del riego

solo fuera en una sola direccin e imposibilitara que las sustancia nutritivas se mezclen,

lo cual era uno delos objetivos de la tubera. Seguido a esto se conectaron los venturis

cuyo papel es introducir la solucin nutritiva con el agua que fluye por la tubera y as se

mezclen ambas substancias. Por ltimo se colocaron dos electrovlvulas, una sobre cada

lnea de riego las cuales se encargan de impedir o permitir el riego en su respectiva lnea,

de esta manera se logra que ambos riegos consigan independencia el uno del otro, lo cual


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tambin era un objetivo a cumplir.

Figura 3-1: Electrovlvula.

A continuacin se mostraran una serie de imgenes que muestran como quedo la tubera

una vez montada.

Imgenes de la tubera. Dentro y fuera del invernadero.

3.2Algoritmo de programacion.

El programa que se utiliz para realizar el algoritmo con el cual se controla el

invernadero en CINVESTAV unidad Guadalajara es LabVIEW del cual ya se habl

con anterioridad.

Cabe mencionar que la idea original fue modificar un programa que ya se encontraba

funcionando, pero despus de una serie de pruebas y ejercicios de prctica para dominar

el lenguaje de programacin a utilizar, al final se opt por remplazar el programa


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completo.

El programa se cimienta bsicamente en tres programas anidados en el principal, los

cuales en el lenguaje LabVIEW son conocidos como SubVIs, estos se encargan

respectivamente del riego, de la temperatura y de la apertura y cierre de cortinas.Adems de estos SubVIs existen otros dos mini programas, uno de estos es un

complemento al SubVI del riego y el otro es el encargado de escribir y enviar datos a

una base de datos.

Imagen del programa principal

El esquema anterior es el SubVI encargado del riego, este se encarga bsicamente de leerinformacin otorgada por el usuario, procesarla mediante una serie de sucesiones lgicas

y brindar las salidas deseadas, todas las lneas que estn del lado izquierdo son entradas,

es decir que es donde el usuario baca la informacin. Las del lado derecho son salidas,

por decirlo de algn modo se puede decir que son los actuadores a controlar.

A continuacin se explicara brevemente que es cada una de estas entradas.

Segundos de riego: en esta casilla se teclean los segundos de duracin del primer riego

Minutos de riego: en esta casilla se teclean los minutos de duracin del primer riego

Opcin: este es un selector en el que el usuario puede escoger entre 3 maneras de riegodistintas.

Opcin 1: riego por horas especficas. En este se teclean especficamente la hora a la que

se quiere tener un riego, se puede tener desde un riego a una hora especificada hasta 12

riegos repartidos a lo largo del da.

Opcin 2: riego de forma peridica. Esta opcin a diferencia de la anterior la

informacin que se introduce es cada cuanto tiempo se quiere que se riegue, en el

momento que el programa corra con esta opcin seleccionada los riegos ocurrirn con

los intervalos especificados por el usuario.

Opcin 3: desactivar riego. Con esta opcin seleccionada el riego no suceder aun y


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cuando exista informacin especificada para este.

Minutos de riego 2: en esta casilla se teclean los minutos de duracin del segundo riego.

Segundos de riego 2: en esta casilla se teclean los segundos de duracin del segundo

riego.

Hora de inicio: aqu se introduce la informacin de las horas en las que se desean riegos.

Reset: esta es una entrada booleana que en caso de ser verdadera desactiva el riego que

est ocurriendo, en caso de mantenerse verdadera de manera continua no suceder

ningn tipo de riego.

Repeticin (hrs): aqu se teclea cada cuantas horas se desea un riego.

Repeticin (min): aqu se teclea cada cuantos minutos se desea un riego.

Repeticin (seg): aqu se teclea cada cuantos segundos se desea un riego.

Toda esta informacin es capturada por el algoritmo de programacin y una vez elegida

la opcin de riego correspondiente, si es significativa segn la opcin seleccionada es

procesada.

Otra caracterstica que vale la pena mencionar de este SubVI es que por recomendacin

de un agrnomo las plantas no deben ser regadas entre la 8:30 pm y las 7:00 am pues

este es su periodo de sueo, y un riego podra despertarlas, por ende se agreg al

programa un algoritmo que se encarga de que si alguna de las horas tecleadas esta entre

dichas horas el riego no suceder. Adems si el cdigo est en la opcin de riego cclico,

esta opcin se desactivara entre dichas horas funcionando en su lugar la opcin de

desactivar riego.

En la figura anterior se esquematiza el SubVI encargado de mantener la temperatura

oscilando en un margen que sea adecuado para el cultivo con el que se est trabajando,

jitomates para este caso. Este SubVI consta de tres entradas que son: punto variable,

punto de arranque e histresis.

A continuacin se explicara brevemente que es cada una de estas entradas.


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Punto variable: Es aqu donde se introduce la informacin del sensor. Esto quiere decir

que al interior del invernadero se encuentra un termmetro encargado de mandar datos a

la computadora de la temperatura que se est registrando, estos datos son introducidos al

programa de control por medio de esta entrada.

Punto de arranque: Es mediante esta entrada donde el usuario introduce la temperatura a

partir de la cual se desea encender los ventiladores y cualquier dispositivo que sirva para

disipar el calor dentro del invernadero.

Histresis: Aqu el usuario teclea la cantidad de grados centgrados que desea que sean

disipados antes de apagar los dispositivos de enfriamiento es decir que si el usuario

selecciono un punto de arranque de 30 grados y una histresis de 5 grados, losventiladores no se apagaran hasta llevar la temperatura a 25 grados centgrados.

El SubVI encargado de la temperatura funciona bsicamente comparando las entradas

punto variable y punto de arranque, si la entrada punto variable es mayor a la de punto

variable esta encender los actuadores y no los apagara hasta logran una diferencia de

temperatura igual a lo que se haya introducido en histresis.

El tercer y ultimo SubVI que simienta el programa de control es el encargado de la

apertura y cierre de las cortinas.

A continuacion se dara una breve descripcin de las entradas que conforman el SubVI

Limite de bajada: aqu el usuario puede seleccionar una altura en metros la cual ser el

minimo al cual lascortinas bajaran cuande se ejecute la orden de cerrar cortinas.

Limite de subida: en esta parte el usuario selecciona cual sela la altura axima en metros

que las cortinas alcanzaran al momento ejecutarse la orden de abrir cortinas.

Pendiente: este es un dato no modificable por el usuario que se obtuvo mediante

experimentacin con la finalidad de modelar el movimiento de las cortinas para poder

graficar su posicin despus.

Hora de subida: el usuario puede teclear en este espacio una hora especfica para subir

las cortinas.


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Hora de bajada: el usuario puede teclear en este espacio una hora especfica de bajada de

las cortinas.

Set: es un valor booleano con la finalidad de calibrar la posicin de las cortinas.

T: es la posicin en metros a la cual se calibrara la posicin de las cortinas.

En este algoritmo bsicamente lo que se hace es comparar la hora de subida con la hora

actual si ambas son iguales las cortinas comienzan a subir de igual manera para la hora

de bajada se hace una comparacin si esta es igual la cortina empieza a bajar, adems la

posicin de la cortina es graficada mientras el programa se encuentre en modo

automatico, pero debido a que es un sistema de lazo abierto y no hay manera de sensar

dicha posicin se aadi un botn de calibracin por si en algn momento la pocin de

la grafica y la de la cortina fsica fuesen notoriamente distintas.

Captulo 4

Conclusiones

Durante este trabajo, se desarroll una metodologa para la obtencin de un modelomatemtico descriptivo de un prototipo


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4.1Trabajo a futuro.


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