CAPÍTULO I I MARCO TEORICO 1. Antecedentes de la investigación
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CAPÍTULO II MARCO TEORICO 1. Antecedentes de la investigación Con el propósito de considerar la exposición de aquellos aspectos relacionados con las variables de la presente investigación, a continuación se reseña brevemente la evolución de las mismas hasta entender las teorías actuales referentes a esta materia. Para la elaboración del presente trabajo de investigación se va a utilizar como referencia a Quijada (2008) quien realizo una investigación titulada, Desarrollo de un Sistema de Control Automatizado de Generación de Vapor en la Refinería Bajo Grande San Francisco Estado Zulia. Esta investigación se centra en desarrollar un sistema de Control Automatizado de generación de Vapor en la Refinería Bajo Grande. La misma se sustentó con las Teorías de Ogata (1998), Ljung (1999) y Brosilow (2000). El estudio se enmarcó dentro de la perspectiva descriptiva, aplicada y de campo. Las técnicas e instrumentos de recolección de datos de información se obtuvieron a través búsqueda de información, bibliográfica, y de documentación en línea, también se empleo la observación directa, herramientas matemáticas y de programación de Matlab 7.0 y Simulink. De tal manera que fue necesario la obtención de las ecuaciones matemáticas que rigen el proceso para lograr el diseño del modelado del proceso y posteriormente el diseño del sistema de 12
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CAPÍTULO II
MARCO TEORICO
1. Antecedentes de la investigación
Con el propósito de considerar la exposición de aquellos aspectos
relacionados con las variables de la presente investigación, a continuación se
reseña brevemente la evolución de las mismas hasta entender las teorías
actuales referentes a esta materia.
Para la elaboración del presente trabajo de investigación se va a utilizar
como referencia a Quijada (2008) quien realizo una investigación titulada,
Desarrollo de un Sistema de Control Automatizado de Generación de Vapor
en la Refinería Bajo Grande San Francisco Estado Zulia. Esta investigación
se centra en desarrollar un sistema de Control Automatizado de generación
de Vapor en la Refinería Bajo Grande. La misma se sustentó con las Teorías
de Ogata (1998), Ljung (1999) y Brosilow (2000). El estudio se enmarcó
dentro de la perspectiva descriptiva, aplicada y de campo. Las técnicas e
instrumentos de recolección de datos de información se obtuvieron a través
búsqueda de información, bibliográfica, y de documentación en línea,
también se empleo la observación directa, herramientas matemáticas y de
programación de Matlab 7.0 y Simulink. De tal manera que fue necesario la
obtención de las ecuaciones matemáticas que rigen el proceso para lograr el
diseño del modelado del proceso y posteriormente el diseño del sistema de
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control automatizado a través del Control por Modelo Interno (IMC). Los
resultados obtenidos a partir de la aplicación de instrumentos, bajo los
criterios de análisis de la señal real Vs. la simulada (Matlab y Simulink) y el
desarrollo de control por modelo interno (IMC) mostraron en los niveles
esperados, a través de un sistema estable en un corto período de tiempo y
con amplio rango de operación.
Esta investigación permitió desarrollar las variables objetos de estudio a
través de la comprensión de teorías establecidas en las bases teóricas,
adicionalmente. Esta investigación aportó al presente estudio, fundamentos
teóricos del entorno de programación de Matlab y Simulink, aplicados en la
automatización de procesos industriales, que permitieron desarrollar el
diseño de la propuesta de automatización, además sirvió como patrón para el
desarrollo de la metodología de investigación, resaltando el análisis y
desarrollo de las fases de la investigación.
Otra investigación tomada fue Corredor (2008), quien realizo una
investigación titulada, Diseño de un Sistema Automatizado para optimizar los
procesos de Almacenajes Industriales, esta investigación presenta como
objetivo el de diseñar de un sistema Automatizado que permitiese optimizar
los procesos de almacenajes industriales, en este caso se tomó como
muestra los estantes de ferretería EPA. El aporte teórico fue basado en
autores como Kendall y Kendall (1991), Angulo (1999), Barrientos (1997),
entre otros. Se considera una investigación de tipo descriptiva, de proyecto
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factible o de innovación tecnológica y no experimental .Para la obtención de
datos se utilizó como instrumentos, el cronómetro, la observación directa y
las pruebas del prototipo. Para la metodología se tomó en consideración la
de Angulo, José (1986) anexándole una primera fase por el autor para poder
cumplir con los objetivos específicos propuestos. La propuesta consiste en
un sistema aéreo cartesiano SAC, el cual cuenta con la modalidad manual o
automática, tres modos de desplazamiento en los tres planos de forma aérea
y con unas paletas el cual sirven de soporte del material a manipular, a su
vez cuenta con una base de datos el cual prevé si la acción es de carga o
descarga en el modo automático. Los resultados del prototipo nos mostraron
que la propuesta reúne las características de un sistema de respuesta
rápida, de fácil uso, y seguro, optimizando así el proceso de carga y
descarga del material.
Este trabajo genera aportes fundamentales en nuestra investigación
debido a que presenta similitud en cuanto a las técnicas para el desarrollo
del proceso de automatización, además de las técnicas de recolección de
datos y el análisis de los resultados.
Villalobos (2007), realizo una investigación titulada, Propuesta de
Automatización en Sistemas de Fraccionamiento de Líquidos del Gas
Natural. El propósito de esta investigación fue proponer un diseño de
automatización en la planta GLP-2, Planta de Fraccionamiento GLP-ULE,
PDVSA Gas; con la finalidad de mantener un mejor control de las variables
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del proceso de destilación, evitando productos que no cumplan con el plan
de calidad, traduciéndose en ahorros económicos e incremento de la
confiabilidad del sistema. Para ello, se analizaron los procesos inherentes a
la planta e identificaron aquellos que requieren ser automatizados; se realizó
un inventario de materiales y equipos existentes para luego evaluar los
requerimientos y modelar el diseño. La investigación se enmarcó bajo los
tipos descriptiva, proyecto factible y de campo. Permitió dar respuesta a
problemas que generan desconfianza en el sistema, como el proceso de
calentamiento y la condensación de líquidos en los sistemas
despropanizador y desbutanizador, así como el deterioro de los ventiladores
y venteo de gas al medio ambiente de los tanques acumuladores de reflujo.
Del mismo modo se realizó un estudio de la rentabilidad del proyecto,
encontrándose muy por encima el valor de la taza interna de retorno exigido
por PDVSA Gas, por lo que se considera factible.
Esta investigación genera como aporte la definición teórica de los
diferentes indicadores que son objeto de estudio en nuestra investigación,
además sirvió de guía para el diseño de la arquitectura de automatización,
mediante el desarrollo de los algoritmos y de la identificación de las variables
de entrada y salida del sistema.
Otra investigación tomada como base fue Lacret (2006), quien realizo
un trabajo titulado, Arquitectura integrada de automatización industrial para el
área de producción del sector petrolero. Esta investigación está orientada a
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presentar una propuesta definida como una Arquitectura Integrada de
Automatización para el área de producción del sector petrolero, la cual
consiste en integrar los niveles de producción de la pirámide de
automatización a través de la adopción de tecnologías del estado del arte y
utilizando el concepto de Inteligencia artificial distribuida. Para la consecución
de los objetivos se realizo una investigación de tipo descriptiva transeccional,
documental, no experimental, para lo cual se seleccionó como población a
los equipos de medición, control y supervisión existentes en la plataforma de
Automatización Industrial de Pdvsa Occidente, tomando como muestra 3
tipos de equipos, utilizando formatos de recolección de datos técnicos y las
matrices de análisis constituidas por 8 aspectos a evaluar, de igual forma se
aplicaron los mismos instrumentos a las tecnologías de Estado de Arte.
También se aplicó una matriz de análisis a la tecnología de agentes, basada
principalmente en la definición y caracterís ticas. Todo lo anterior permitió
concluir que la infraestructura actual de Automatización Industrial de Pdvsa
Occidente, requiere evolucionar adoptando nuevas tecnologías, que ya
existen en el mercado y permiten la aplicación de tecnologías emergentes
con características importantes para la integración de sistemas. Finalmente
se propuso una Arquitectura Integrada de Automatización para el área de
producción del sector petrolero, conformada por tecnologías del estado del
arte, tecnología de redes industriales y tecnología de agentes.
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La importancia de este trabajo para la investigación radica en que
permite visualizar las diferentes técnicas que puede ser utilizadas para
realizar la automatización de procesos y representa una guía para el
procedimiento del desarrollo de la arquitectura de automatización en nuestra
investigación.
Viera (2006) realizo una investigación titulada, Automatización de la
molienda de clinker, basándose en un controlador AC410 de la serie Advant
de ABB. Esta investigación centra su interés en la Automatización de la
Molienda de Clinker, basado en un Controlador AC410 de la serie Advant de
ABB, en la empresa Cementos Catatumbo, C.A. La misma se sustentó en los
teóricos Dorf (1993), Kuo (1995), Ogata (1993), Tocci (1987), Maloney
(1983). El estudio se enmarcó en la perspectiva descriptiva, de campo y
aplicada. El método empleado está constituido por seis etapas: identificar
equipos de la molienda de clinker para elaborar los flujogramas del proceso;
estructurar el listado de entradas y salidas del sistema para elaborar planos;
determinar los equipos y materiales que se utilizaran en el proyecto para
realizar el cableado; desarrollar la memoria descriptiva del proceso con la
finalidad realizar el programa en el lenguaje Function Chart Builder de ABB e
implantarlo en el sistema de control; elaborar las pantallas de operación para
la ejecución de pruebas de señales con la finalidad de colocar en marcha el
sistema. Los datos se obtuvieron a través de visitas a la molienda de clinker,
entrevistas al personal técnico especializado y la utilización de manuales
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técnicos referentes a programación y especificación de equipos. El sistema
se implantó y arrancó en Enero del 2000 y se ha venido evaluando cada año,
evidenciándose magníficos resultados; razón por la cual el investigador,
quien lo desarrolló e implantó, decidió documentarlo por considerar que fue
un trabajo de investigación que reúne todos requisitos para presentarlo como
trabajo especial de grado. Los resultados de la investigación arrojaron los
siguientes datos: se realizó un programa en lenguaje Funtion Chart Builder,
el cual tiene como principal función la automatización de la Molienda de
clinker de Cementos Catatumbo, C.A. con lo cual se lograron disminuir las
paradas y aumentar la fiabilidad.
Esta investigación es de gran relevancia porque aporta aspectos
importantes tales como: descripción de la técnica de recolección de
información, mayor conocimiento sobre el diseño de un sistema
automatizado, la importancia que tiene seleccionar correctamente todos los
componentes de la estructura del sistema, diferentes métodos utilizados en
la calibración y algunos aspectos que se deben considerar en el área de
mantenimiento de equipos.
2. Bases Teoricas
2.1Sistema
Para OGATA (2003) Un sistema es una combinación de componentes
que actúan juntos y realizan un objetivo determinado. Un sistema no esta
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necesariamente limitado a los sistemas físicos el concepto de sistema se
puede aplicar a fenómenos abstractos y dinámicos.
2.2 Sistemas Productivos
Los sistemas productivos son considerados como el esqueleto dinámico
de las empresas industriales y estos se encuentran en un cambio constante,
lo que las hace vulnerable con respecto a la competencia, esto crea la
necesidad de aplicar eficientes técnicas de control. (Sipper y Bulfin ,2004).
Para estudiar los sistemas de producción es necesario considerar
muchos de sus componentes que incluyen: Productos, clientes, inventarios
(materia prima), operaciones de transformación y trabajadores, estos
forman parte del llamado flujo físico, por otro lado, se tienen los sistemas que
organizan y controlan todo el proceso, estos incluyen todo lo relacionado con
el llamado flujo de información.
2.3 Sistema de Control
Según Navarro R, (2006), “Sistema de Control” Es un sistema que en
general tiene una serie de entradas que provienen del sistema a controlar,
llamado planta, y se diseña un sistema para que, a partir de estas entradas
modifique ciertos parámetros en el sistema de planta, con lo que las señales
anteriores volverán a su estado normal ante cualquier variación”.
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En otro aspecto afirma Creus (2006), “todo sistema de control está
formado por ciertos componentes que son la clave para llevar a cabo tanto la
comparación como la corrección deseada. Estos componentes son:
-El propio proceso
-Una unidad de medida
-Una unidad de control
-Un elemento final de control”
A continuación se presenta una breve descripción de los diferentes
clases de instrumentos (unidad de medida) que intervienen en un sistema de
control:
-Sensores (elementos primarios): Están en contacto con la variable de
proceso, captan su valor y envían una señal de salida predeterminada.
-Transmisores: Captan la variable de proceso a través del sensor y la
transmiten a distancia en forma de señal neumática (3 a15 libras por pulgada
cuadrada, psi) o electrónica (4 a 20 mili amperios, ma de corriente continua
o digital). El sensor puede formar o no parte integral del transmisor.
Para Sánchez (2004), Si un instrumento está mal instalado tendrá
problemas tanto de mantenimiento como de calibración y respuesta. Por lo
tanto se debe tener conocimientos de instrumentación hasta un nivel
suficiente para comprender y solucionar ciertos tipos de errores que se
producen en la medición debido al mal comportamiento de algún
instrumento.
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2.4 Sistema de Fluidos
Según OGATA (2003) son el medio más versátil para transmitir señales
y potencia, los fluidos, ya sean líquidos o gases, tienen un amplio uso en la
industria. Los líquidos y los gases se diferencian entre sí básicamente por su
falta de compresibilidad relativa y por el hecho de que un líquido puede tener
una superficie libre, en tanto que un gas se expande para llenar su
recipiente.
En el campo de la ingeniería, el término neumática describe los
sistemas de fluidos que usan aire o gases e hidráulica describe los sistemas
que usan aceite. Los sistemas neumáticos se usan mucho en la
automatización de la maquinaria de producción y en el campo de los
controladores automáticos. Por ejemplo, tienen un amplio uso los circuitos
neumáticos que convierten la energía del aire comprimido en energía
mecánica, y se encuentran diversos tipos de controladores neumáticos en la
industria.
2.5 Comparación entre sistemas neumáticos y sistemas
hidráulicos.
El fluido que suele encontrarse en los sistemas neumáticos es el aire,
en los sistemas hidráulicos es el aceite. Y son principalmente las
propiedades distintas de los fluidos incorporados las que caracterizan las
diferencias entre estos dos sistemas. A continuación se listan estas
diferencias:
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- El aire y los gases son comprimibles, en tanto que el aceite no lo es.
- El aire carece de la propiedad lubricante y siempre contiene vapor de agua.
El aceite funciona como un fluido hidráulico al igual que como lubricante.
- La presión de operación normal de los sistemas neumáticos es mucho más
baja que la de los sistemas hidráulicos.
- Las potencias de salida de los sistemas neumáticos son considerablemente
menores que las de los sistemas hidráulicos.
- La precisión de los actuadores neumáticos es deficiente a bajas
velocidades, en tanto que la precisión de los actuadores hidráulicos es
satisfactoria en todas las velocidades.
- En los sistemas neumáticos, se permite un cierto grado de escurrimiento
externo, pero debe evitarse el escurrimiento interno debido a que la
diferencia de presión efectiva es muy pequeña. En los sistemas hidráulicos
se permite un cierto grado de escurrimiento interno, pero debe evitarse el
escurrimiento externo.
- En los sistemas neumáticos no se requiere de tubos de recuperación
cuando se usa aire, en tanto que siempre se necesitan en los sistemas
hidráulicos.
- La temperatura de operación normal de los sistemas neumáticos es de 5
a60°C (41 a140°F). Sin embargo, el sistema neumático opera en el rango de
0 a200°C (32 a392°F).Los sistemas neumáticos son insensibles a los
cambios de temperatura, a diferencia de los sistemas hidráulicos, en los
cuales la fricción de los fluidos provocada por la viscosidad depende en gran
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parte de la temperatura. La temperatura de operación normal de los sistemas
hidráulicos es de 20 a70°C (68 a158°F).
- Los sistemas neumáticos no corren el riesgo de incendiarse o explotar, al
contrario de los sistemas hidráulicos.
2.6 Sistemas Automatizados
Según Navarro R,(2006), Es un sistema donde se transfieren tareas de
producción, realizadas habitualmente por operadores humanos a un conjunto
de elementos tecnológicos, y consta de dos partes principales, la parte de la
mano(suele ser autómata programables, que era tecnología programada) y la
parte operativa (es la parte que actúa directamente sobre la máquina, son los
elementos que hacen que la maquina se mueva y realice la operación
deseada)
2.7 Objetivos de la Automatización
Según Navarro R,(2006),
- Mejorar la productividad de la empresa reduciendo los costos de la
producción y mejorando la calidad de la misma.
- Mejorar condiciones de trabajo del personal, suprimiendo los trabajos
penosos e incrementando la seguridad.
- Realizar operaciones imposibles de controlar intelectualmente o
manualmente.
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- Mejorar la disponibilidad de los productos, pudiendo proveer cantidades
necesarias en el momento preciso
- Aunque hay diferentes tipos de sistemas automatizados, todos tienden a
tener componentes en común: hardware, software, personas que operan el
sistema, datos de información y los procedimientos de políticas formales.
2.8 Sistemas de Automatización de Procesos Industriales
Un Sistema de Control Industrial, se define como el conjunto de
elementos encargado de realizar la regulación de las distintas operaciones,
encaminadas a mantener la parte operativa bajo un determinado
funcionamiento, preestablecido de antemano en las especificaciones de
diseño de la planta industrial, a través de la regulación de variables y eventos
dentro de los procesos, utilizando para ello instrumentación y dispositivos
capaces de ejecutar estrategias de control. (García, 2001)
Las funciones más comunes en un sistema de control dentro de una
planta industrial, independientemente de su tamaño, están enmarcadas
dentro de las siguientes:
- Gestión de las entradas y salidas
- Tratamiento de ecuaciones lógicas
- Tratamiento de funciones de seguridad
- Tratamiento secuencial
- Funciones de regulación
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- Funciones de optimización
- Control de calidad
- Mantenimiento
- Supervisión y monitoreo
- Diagnostico de fallas
- Seguimiento de la producción
Según García (2001), el concepto de automatización lleva implícita la
supresión total o parcial de la intervención humana en la ejecución de
diversas tareas, industriales, agrícolas, domesticas, administrativas o
científicas, mediante el uso de tecnologías a las cuales se les confía todas o
parte de las funciones intelectuales que intervienen en la conducción de un
proceso. Estos aspectos ubican a la automatización en un nivel superior al
de la mecanización y los sistemas de control propiamente dichos.
Piedrafita (2001) establece que en la industria actual, la mayor parte de
los procesos de fabricación eficientes en grandes corporaciones, tienden a
ser automatizados. En los sistemas de automatización la decisión y la
inteligencia aplicada en las acciones de fabricación no las realiza el ser
humano. En la mayor parte de los sistemas industriales automatizados la
tecnología del control aplicada es una tecnología programada, es decir utiliza
esquemas computacionales para su implementación.
El mismo autor refiere que en el campo industrial, la automatización
está relacionada con el proceso. Forma parte integral en la concepción de los
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grandes complejos industriales; constituyendo uno de los factores
determinantes para el aumento de la productividad y de mejora de la calidad.
El grado de automatización de un proceso viene determinado por factores de
tipo económico y tecnológico, por ello existe una gama muy amplia y variada
de acuerdo a los objetivos de los procesos que se pretendan automatizar.
Según García (2001), los modelos de automatización industrial, por lo
general se basan en un modelo piramidal desarrollado por la ISO
(International Standard Organitation), el cual es una organización
internacional que regula los estándares a nivel industrial. Dicho modelo
consta de varios niveles jerárquicos. Con algunas leves diferencias entre
autores, la llamada pirámide de automatización industrial hace referencia al
modelo ISO de automatización, a través de una pirámide cuya base está
soportada en el proceso.
De acuerdo a Creus (2006), los niveles jerárquicos de un sistema de
automatización industrial, se inicia con los procesos a los cuales están
conectados los instrumentos y actuadores. Seguidamente se presenta un
nivel de regulación o control, donde se ejecutan las estrategias de control en
base a las variables medidas o accionadas con los instrumentos. El nivel de
control, envía datos procesados a un nivel de supervisión conformado por
estaciones de control y monitoreo de procesos. El último nivel de la pirámide
lo conforman sistemas que permiten la integración y optimización de los
datos de procesos, para la gestión de la planta industrial.
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El modelo piramidal, responde a una estructura jerarquizada que
presenta los siguientes niveles:
- Nivel de Proceso: comprende el conjunto de dispositivos,
subprocesos, maquinaria en general, con la cual se realizan las
operaciones elementales de producción en la industria.
- Nivel de Instrumentación y Medición: en este nivel están situados
los dispositivos captadores de señales analógicas y/o digitales,
actuadores, sensores, transductores, entre otros, así como el
conjunto de dispositivos que actúan como interfaz entre la parte de
control y la operativa, transmitiendo las señales de mando o control
a los pre-accionadores, relés, accionadores de potencia,
variadores de velocidad, entre otros. En este nivel se encuentran
los datos de menor rango.
- Nivel de Control y Recolección de Datos: en este nivel se
encuentran los dispositivos lógicos de control, autómatas
programables, módulos basados en microcontroladores,
computadores especiales para control industrial. Constituyen los
elementos de mando y control de las maquinas del nivel de
proceso, a través de los datos recibidos del nivel de
instrumentación.
- Nivel de Supervisión y Control: en este nivel se realizan a través de
medios computacionales y de telecomunicaciones, las actividades
de adquisición de datos del proceso, monitoreo, mantenimiento,
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supervisión, control a distancia, entre otros. Dependiendo de la
filosofía de control de la empresa, este nivel emite órdenes de
ejecución al nivel de control y recibe situaciones de estado de
dicho nivel. De igual forma recibe los programas de producción,
calidad y mantenimiento del nivel de integración.
- Nivel de Integración y Gestión: es el nivel de planificación y
gestión corporativa donde se establecen los lineamientos
empresariales. Es el nivel donde se gestiona la producción, se
analizan los costos, se administran los recursos y se evalúan los
resultados de producción. Generalmente los datos de procesos
obtenidos de los niveles inferiores, son utilizados en aplicaciones
informáticas que brindan a los mandos gerenciales, información
dinámica que permite la toma de decisiones en cuanto a
operaciones de producción, optimización de procesos y gestión del
mantenimiento, en busca de una producción eficiente.
Según García (2001), este modelo piramidal está relacionado con el
concepto CIM (Computer Integrated Manufacturing), es decir, procesos de
manufactura integrados en un computador, lo cual permite la automatización
de procesos con el uso de tecnologías computacionales, con los siguientes
objetivos:
- Disminución de costos de producción
- Control de niveles de stock en tiempo real
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- Aumentar la disponibilidad de la maquinas
- Incrementar la productividad
- Mejorar el control de calidad
- Incorporar rápidamente nuevos productos
- Mejorar el nivel de servicio
El modelo CIM, responde a la estructura piramidal jerarquizada que presenta
la pirámide de automatización, en un enfoque integrador de la producción,
que demanda infraestructura de telecomunicaciones y redes informáticas
para interconectar los diversos niveles establecidos en el modelo jerárquico,
debido a la interdependencia entre las distintas áreas, ya que el equipo de
control que ejerce actividad en una de ellas, en un momento dado precisa
información de los otros niveles.
2.9 Tecnologías computacionales aplicadas en sistemas de
automatización y control de procesos industriales
Actualmente, la utilización de computadores se ha hecho fundamental
dentro de la infraestructura de cualquier disciplina tecnológica. En las
diferentes ramas de la industria, las cadenas de producción, las
comunicaciones, el transporte, entre otros, dependen de la ayuda de
computadores.
Prácticamente todos los sistemas de control que se implementan hoy
en día, están basados en el uso del computador, estrategia denominada
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control por computador. Los sistemas de control por computador, pueden
ser vistos como una aproximación a los sistemas de control analógico, sin
embargo, esto es compensado por la alta capacidad de procesamiento de los
computadores actuales. (Astrom, 1997)
Hoy en día con la tecnología de computadores digitales de alta
velocidad, es posible la realización de control en forma prácticamente
continua. Al realizar el muestreo, se pierde parte de la información del
proceso, pero esto no es un problema significativo, pues la velocidad en el
procesamiento de datos, la facilidad en la modificación de parámetros y
variables, la versatilidad en la configuración, hacen que el computador sea
hoy día ampliamente utilizado. (Creus, 2006)
Dentro de las ventajas existentes en el uso del control por computador,
se pueden mencionar las siguientes:
- Mayor rendimiento del proceso y por lo tanto mejoras significativas
en los índices de producción, con menores costos asociados a la
productividad, gracias a la utilización eficiente de los materiales y
de los equipos de los procesos.
- Mayor calidad en los productos fabricados ya que existe un control
más preciso en las actividades de manufactura.
- Mayor seguridad, ya que la acción de corrección y la activación de
alarmas es inmediata.
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- Proporciona una gran cantidad de información a la dirección, que
bien seleccionada y presentada permite el seguimiento en tiempo
real de la marcha total de la planta.
Según Creus (2006), dentro del control por computador, existe un
modelo llamado Control Digital Directo (DDC) en el cual el computador
realiza todos los cálculos que tradicionalmente realizan los controladores
PID, generando directamente las señales que van hacia las válvulas. Las
señales procedentes de los transmisores de campo se reúnen en un terminal
donde son convertidas a señales digitales.
El sistema DDC permite transferencias automático-manuales sin
perturbaciones, así como flexibilidad en las acciones y configuraciones de los
sistemas, lo cual es fundamental en la puesta en marcha de una planta. Este
sistema dispone de interfaces hombre-máquina, que facilitan la operatividad
y supervisión de los procesos, así como dife rentes software que permiten
diseñar estrategias de control de fácil configuración y mantenimiento.
Por otra parte, según lo afirma Creus (2006), los sistemas de control
que utilizan el computador como elemento principal de control, tienen la
ventaja sobre los controladores convencionales de estar provistos de una
calibración automática, que corresponde a las condiciones de operación
momentáneas; es decir, el computador puede ajustar sus algoritmos de
acuerdo a una función predeterminada, la variable medida o de una
combinación de variables, en lugar de requerir periódicamente la calibración
individual de cada instrumento.
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Según Astrom (1997), en el interior del computador se realizan las
tareas programadas, de acuerdo con los objetivos del control. Las tareas
manejadoras de entrada procesan las señales entregadas por los
dispositivos de entrada y realiza los procesos de linealización, cambio de
escala, filtraje, etc. Las tareas manejadoras de salidas procesan los datos
calculados antes de entregarlos a los dispositivos de salida a través de
procesos tales como: generación de alarmas, cambios de escala, comandos
de dos estados, entre otros.
Las tareas de control son los diferentes algoritmos de control (PID,
ON/OFF, secuencias, entre otros) utilizados por el sistema de acuerdo a los
lazos de control programados, según los esquemas o requerimientos de
control requeridos por los procesos. Las tareas de comunicación se utilizan
para dar a conocer al usuario las condiciones del sistema y son requeridas
para modificar a voluntad las condiciones de trabajo (Astrom, 1997).
Según Biel y Prat (2002), la interconexión con aplicaciones adapta las
señales entregadas por el computador digital a los diferentes dispositivos y
aplicaciones de software que conforman el sistema de control y permiten a
través de modelos virtuales la conformación de los llamados interface
hombre-máquina (IHM). Para implementar un sistema de control por
computador se requiere de aplicaciones de software que corran en la
memoria del sistema, para lo cual es indispensable el uso de lenguajes de
programación.
Los tipos de programación utilizados para estos sistemas son:
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- Programación secuencial: son instrucciones que se ejecutan una
a continuación de la otra, como por ejemplo el lenguaje Visual
Basic.
- Programación multitarea: son procesos o tareas que se ejecutan
en forma concurrente o paralela. Los procesos son módulos de
programas que se ejecutan secuencialmente que se comunican
entre si, como por ejemplo las aplicaciones de Windows.
- Programación en tiempo real: la secuencia de sus acciones son
determinadas por el medio donde está el sistema, por eventos
externos que ocurren en tiempo real que involucra actividades
multitarea. Ejemplos de lenguajes de programación en tiempo
real son: Labview Real Time, Java Real Time, Matlab Real Time.
Según Lajara (2007), la aplicación del computador en el control de
procesos supone un salto tecnológico enorme que se traduce en la
implantación de nuevos sistemas de control en el entorno Industrial. Desde el
punto de vista de las teorías de control automático, el computador no esta
limitado a emular el cálculo realizado en los reguladores analógicos. El
computador permite la implantación de avanzados algoritmos de control
mucho más complejos como pueden ser el control óptimo o el adaptativo.
Inicialmente el uso del computador en el control de procesos tenía
como objetivo sustituir y mejorar los reguladores analógicos, pero este
objetivo se fue ampliando en virtud de las capacidades de los computadores
para realizar un control integral de las plantas de fabricación, englobando
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también la gestión de la producción y por ende la automatización de las
mismas.
Según Creus (2006), las principales aplicaciones industriales de
sistemas computacionales, para la automatización de procesos pueden
clasificarse en:
- Adquisición de datos: consiste en la recolección, tratamiento y
almacenamiento de los datos.
- Supervisión: el computador no efectúa directamente el control de
proceso. Se conecta a los controladores del proceso por medio de un
sistema de comunicación serie o por una red de comunicaciones
industrial.
- Control secuencial: el computador suele tomar la forma de autómata
programable, en el cual se ejecutan programas de sistemas
secuenciales.
- Control analógico digital: forma de control que se utilizaba con los
primeros computadores en la cual el computador se encargaba de
elaborar la señal de referencia de los lazos de control analógicos.
- Control digital directo: el computador ejecuta directamente el control
del proceso continuo. Toma la forma de regulador industrial o de
computador industrial con tarjetas de interfaces con el proceso.
- Análisis de datos: función clásica de los computadores de gestión en
el que se analizan los datos de los procesos por medio de
herramientas informáticas.
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Las ventajas del uso del computador en la automatización y control de
procesos industriales son múltiples y variadas, entre ellas se pueden
mencionar algunas tales como: mayor eficacia de las operaciones, seguridad
y una reducción de las operaciones manuales.
Para Astrom (1997), el desarrollo en los sistemas de control de
procesos industriales se ha visto facilitado por la aparición de normas en
sistemas de informática, que hacen posible integrar todos los equipos y
sistemas de las plantas industriales en un único ambiente, que permite en
tiempo real el intercambio de datos a través de los diferentes niveles del
sistema.
De acuerdo a Lajara (2007), en los sistemas de control por
computador se realizan diversas tareas y aplicaciones que se ejecutan en
diferentes módulos del sistema. A continuación se describen algunas de las
tareas típicas de estos sistemas:
- Adquisición y procesamiento primario de la información: son tareas
para la adquisición, validación, filtrado, escalado de las variables de
proceso. Son periódicas y pueden existir diferentes periodos de
muestreo.
- Atención a alarmas, arranques, paradas, condiciones anormales:
estas tareas se ejecutan normalmente a solicitud de otras, por ejemplo
por violación de límites o por eventos. Su ejecución es aperiódica con
alta prioridad.
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- Regulación: consiste en la ejecución de algoritmos de control, que
pueden existir con diferentes periodos de muestreo. Generalmente
pueden tomar la información de las tareas de medición. Los lazos de
regulación deben tener las opciones de cambio de estado automático
y manual.
- Cálculos: pueden existir tareas periódicas para el cálculo de variables
que no se midan directamente, como son integraciones, cálculos de
eficiencia, promedios, etc. Muchas son consideradas como variables
calculadas y pueden poseer todos los parámetros típ icos de una
variable de proceso, como por ejemplo los limites de alarma. Muchas
de las variables calculadas sirven de base para los reportes
periódicos.
- Presentación de la información: se toma la información de las tareas
de medición, cálculos, reportes, etc. Son pantallas de interface
hombre-maquina que poseen un periodo de refrescamiento propio y
que generalmente puede ser configurado en el sistema. Estas tareas
son de baja prioridad y puede estar jerarquizadas por niveles.
- Reportes: pueden ser de incidencias, alarmas, análisis técnico-
económicos que pueden visualizarse en el IHM o pueden imprimirse y
son de baja prioridad.
- Controles lógicos secuenciales: son tareas aperiódicas de abrir, cerrar,
bloquear, etc., que se ejecutan en forma independiente de las de
medición y regulación. Estas tareas típicas se realizan por dispositivos
37
llamados controladores lógicos programables, pero en sistemas de
control por computador se implementan para coexistan en un mismo
equipo con las tareas de regulación.
- Comunicación: consiste en la transmisión de información a diferentes
niveles externos al computador o a diferentes aplicaciones. Pueden
ser de alta prioridad y son elementos concentradores de la información
que requieren ser enviadas por las demás tareas hacia un elemento
concentrador de datos.
2.10 Sistemas de Adquisición de Datos de Procesos Industriales
La utilización de tarjetas electrónicas para la adquisición de datos en
sistemas de control de procesos, ha conseguido una gran aceptación en
muchas aplicaciones, ya que se conectan directamente al bus del
computador y permiten adquirir y procesar datos en tiempo real. (Biel y Prat,
2002).
Agrega este mismo autor, que los módulos de adquisición de datos
incorporan en su diseño, bloques de encaminamiento de las señales,
entradas, funciones de medición, funciones de generación de señales y
adecuación. Por lo general, las funciones de cálculo, memoria y visualización
son aportadas por los computadores.
El módulo de encaminamiento, controla el camino de las señales a
través de los diferentes canales de adquisición hacia los bloques funcionales
38
internos. El modulo de entrada, realiza el acondicionamiento de las señales
analógicas, de tal forma que sean convertidas en señales digitales, a través
de convertidores analógico/digital (ADC). El módulo de medición, convierte
las señales eléctricas en datos digitales que puedan ser interpretados por el
computador y el módulo de generación, adecua los datos a señales reales.
(Biel y Prat, 2002)
En algunos casos, existen módulos de sincronización, que permiten
ajustar los eventos externos de la instrumentación de campo, con el
funcionamiento interno del circuito electrónico que conforma el modulo de
adquisición de datos, así como también con otros elementos del sistema
tales como redes de procesos, protocolos de comunicación o instrumentos
digitales.
El diseño de los módulos de adquisición de datos presentan ciertas
características que se basan fundamentalmente en el tipo de señales que
manejan.
Dentro de estas características están los tipos de señales que pueden
procesar dichos módulos, los cuales fundamentalmente son:
- Entradas Analógicas: rangos de valores de variables de proceso
provenientes de los instrumentos
- Entradas y Salidas Digitales: valores de dos posibles estados
(ON/OFF), que provienen de los instrumentos discretos para
indicar eventos del proceso. Valores de señales que van hacia los
elementos actuadores.
39
- Salidas Analógicas: datos que son adecuados para ser convertidas
en variables reales con rangos específicos que permiten la
regulación de elementos finales de control.
Según Biel y Prat (2002), en el control industrial de procesos, la
comunicación directa en serie mediante lazos de 4 a 20 mA se ha ampliado
con la inclusión del computador, que permite con estándares de transmisión,
la gestión de sistemas de adquisición de datos y el mando de sistemas
programables, como es el caso de los controladores lógicos programables
(PLC). Esto es posible gracias al software de control de arquitectura abierta,
el cual permite una gran flexibilidad de interconexión de los diferentes
dispositivos de medición.
Generalmente la comunicación serial es asíncrona, en formato ASCII
(American Standard Code for Information Interchange), con una estructura
digital de configuración de bit de arranque y parada de la transmisión de
datos, denominados bit de start y bit de stop. El formato de datos típicamente
utilizado es el estándar RS-232.
El estándar RS-232 o “Recommended Standard” 232, se define en las
especificaciones ANSI (American National Standard Institution) como la
interfaz entre un equipo terminal de datos y un equipo de comunicación de
datos utilizando un intercambio binario en modo serie. Normalmente, los
equipos que intervienen son un computador como equipo terminal de datos
(DTE) y un equipo de comunicación de datos (DCE).
40
El formato RS-232 se ha convertido, gracias al amplio uso de
computadores en aplicaciones de tipo industrial, en el estándar más utilizado
en aplicaciones de bajo costo que requieren la interconexión serie, lo cual lo
hace apropiado para la conexión de módulos de adquisición de datos y
sistemas de control en computadores. Existen otros estándares que mejoran
las características del RS-232, en cuanto a velocidad y longitud de
transmisión con bajas perdidas, como es el caso del RS-422 y el RS-485.
Las ventajas de utilizar la norma RS-232 en aplicaciones de bajo costo
son las siguientes:
- Esta norma forma parte de casi todos los computadores personales
diseñados en la actualidad.
- La tendencia hacia los puertos de comunicación USB, permite el uso
de convertidos RS-232 a USB que permiten mantener la
compatibilidad de dicha norma.
- La configuración de puertos seriales es ampliamente difundida, dado
el uso significativo que han tenido los puertos seriales en el manejo de
periféricos tradicionales de computación.
- La norma RS-232, define el control de información entre el
computador y el periférico, describiendo el protocolo necesario para
los circuitos a ambos lados del canal RS-232. El software de
arquitectura abierta dispone de amplias librerías de drivers el manejo
de puertos serie con formato estándar RS-232.
41
2.11 Entorno de programación Labview para control, monitoreo y
supervisión de procesos industriales
Labview es el acrónimo de Laboratoy Virtual Instrument Engineering
Workbech. Es un lenguaje y a la vez un entorno de programación gráfica de
la empresa National Instruments, en la que se pueden crear aplicaciones en
forma rápida y sencilla, con lenguaje de programación abierto. El modelo de
los sistemas desarrollados en Labview se basa en la filosofía conocida como
Instrumento Virtual (VI).
Los modelos desarrollados en Labview utilizan archivos con extensión
VI, es decir un modelo desarrollado en Labview, recibe el nombre de
Instrumento Virtual. (Calderón, 2004)
Las ventajas de un instrumento virtual frente a un instrumento
tradicional son los siguientes:
Cuadro 1: Características típicas de un instrumento virtual
Instrumento Tradicional Instrumento Virtual
Definido por el proveedor Definido por el usuario
Función especifica Orientado a la aplicación
Baja capacidad de interacción Capacidad de interactuar con aplicaciones
Se basa en el hardware Se basa en el software
Altos costos de adquisición Bajos costos. Reprogramable
Tecnología estática Tecnología en constante desarrollo
Altos costos de mantenimiento Uso de software minimiza costos
Fuente: Calderón, 2004
42
En concordancia con lo establecido por Calderón (2004), la empresa
National Instruments desde la década de los años 80 es una de las
empresas pioneras en el desarrollo de instrumentos virtuales y sus entornos
de programación en lenguaje G, han venido creciendo continuamente
combinando tecnologías de sistemas operativos con técnicas de
programación orientada a objetos.
El desarrollo de aplicaciones en entorno de Labview basado en
modelos de instrumentos virtuales, establece según el Manual Labview de
National Instruments (2007) la siguiente estrategia:
- Identificar los tipos de señales de entrada y salida
- Establecer un método de acondicionamiento de señales
- Establecer un módulo de adquisición de datos adecuado a los
requerimientos del proceso.
- Establecer el sistema de cableado entre el modulo de adquisición y el
computador, según el protocolo de comunicaciones.
- Seleccionar el método de programación adecuado (software) según la
complejidad del proceso
Según Lajara (2007), el entorno de programación proporcionado por
National Instruments a través de Labview, consta de un panel frontal en la
cual se crean los interfaces gráficos de usuarios y un diagrama de bloques,
donde es realizada la programación en lenguaje G.
Los elementos de interacción con el usuario de denominan controles
(ingreso de datos) e indicadores (lectura de datos), los cuales se reflejan en
43
el código del diagrama de bloques y es allí donde se establecen los flujos de
datos para establecer los modelos de aplicaciones en el entrono según las
necesidades.
El esquema de programación grafica y abierta, hacen de Labview una
herramienta con amplias potencialidades para ser utilizada en el diseño y
desarrollo de sistemas de control y supervisión para la automatización de
procesos, que puedan ser controlados a través de computadores
interconectado con instrumentos a través de módulos de comunicación y
adquisición de datos y señales de estándares de instrumentos de control y
automatización de procesos industriales.
En el siguiente grafico, se ilustra el entorno Labview, donde se aprecian
las dos áreas principales de trabajo, el diagrama de bloques y el panel
frontal. En el diagrama de bloques se desarrolla el código fuente, mientras
que en el panel frontal se desarrolla el interface con el usuario.
Figura 1. Entorno de programación Labview
Fuente: National Instruments, 2007
44
Labview permite diseñar interfaces de usuario mediante una consola
interactiva basado en software. Es un sistema de programación de propósito
general con librerías y funciones para diversas tareas. En particular incluye
librerías para:
- Adquisición de Datos y GPIB
- Control serial de Instrumentos
- Análisis de Datos y Presentación de Datos
- Almacenamiento de Datos
- Interfaces gráficas de usuarios
Posee un entorno de programación destinado al desarrollo de
aplicaciones, similar a los sistemas convencionales como el lenguaje C o el
Basic. Sin embargo, se diferencia de dichos programas en un importante
aspecto: los citados lenguajes de programación se basan en líneas de texto
para crear el código fuente del programa, mientras que Labview, emplea la
programación gráfica o lenguaje G para crear programas basados en
diagramas de bloques.
Una de sus principales aplicaciones es en sistemas de medición, como
monitoreo de procesos y aplicaciones de control, un ejemplo de esto pueden
ser sistemas de monitoreo en transportación, laboratorios para clases en
universidades, procesos de control industrial. Es muy utilizado en
procesamiento digital de señales, procesamiento en tiempo real, para
aplicaciones biomédicas, manipulación de imágenes y audio, automatización,
generación de señales, entre otras. (Calderón, 2004)
45
Posee bibliotecas listas para ser utilizadas con el objeto de integrar
instrumentos autónomos, equipos de adquisición de datos, productos para el
control de movimientos y de visión, instrumentos GPIB/IEEE 488 y serie RS-
232 y PLCs, entre otros.
Además, el entrono Labview tiene incorporadas las más importantes
normas de instrumentación y manejadores de instrumentos virtuales
intercambiables. El entorno Labview puede ejecutarse en sistemas
operativos Windows, Mac OS, Sun Solaris y Linux. También es capaz de
compilar código que corra en el sistema operativo de tiempo real VenturCom
ETS a través del módulo Real-Time.
Po otra parte, Labview cuenta con el Simulation Interface Toolkit, el cual
integra el entorno Labview con el software de The MathWokrs Inc. conocido
como Simulink. Con esta herramienta es posible desarrollar y realizar
pruebas de sistemas de control usando modelos diseñados en ambientes de
simulación Simulink. (National Instruments, 2003).
El Labview Simulation Interface Toolkit (SIT), provee métodos para la
creación de un interface de usuario Labview para un modelo Simulink,
convirtiéndolo en un objeto de enlace dinámico (DLL), que permite la
ejecución del modelo desde el interface Labview. A través de este
procedimiento, se genera un código en lenguaje C para el modelo el cual es
utilizado por el compilador C para la generación del ejecutable,
interconectando Labview con el modelo Simulink, lográndose la manipulación
de los parámetros del modelo y la visualización de los datos de salida.
46
El uso del SIT implica la instalación del entorno Labview y el Matlab-
Simulink en un mismo computador o a través del protocolo TCP/IP en
entorno de red. El servidor principal puede ser un computador personal (PC)
o portátil, con sistema operativo Windows o cualquier otro que sea soportado
por el sistema.
En el siguiente gráfico, se ilustran los componentes involucrados en la
interconexión Labview-Simulink:
Figura 2. Componentes de la interconexión Labview-Simulink
Fuente: National Instruments, 2003
En el computador principal (Host), se crea un archivo de instrumento
virtual de Labview denominado VI, el cual contiene un panel frontal que
proporciona el interfaz de usuario. En este panel frontal se encuentran los
controles e indicadores que corresponden con los parámetros y variables del
modelo Simulink. Utilizando un administrador de conexiones del SIT, se
establecen las especificaciones entre los elementos del instrumento virtual
47
de Labview y los elementos del modelo en Simulink, cuya configuración al
ser guardada, automáticamente genera el código en lenguaje C del modelo
de diagrama de bloques que permite la relación entre ambos entornos.
Utilizando el administrador del SIT, se pueden crear múltiples
conexiones de Vis con un mismo modelo de Simulink, ubicados en el mismo
computador principal o viceversa. El SIT incluye una herramienta para
trabajo en tiempo real, que convierte el archivo del modelo (mdl) a código en
lenguaje C en forma de DLL, el cual puede ser compilado utilizando por
ejemplo la aplicación Microsoft Visual C++. En el siguiente gráfico, se ilustra
el proceso de transformación del modelo Simulink (mdl) al modelo de
instrumento virtual (VI):
Figura 3 . Conversión del modelo Simulink (mdl) al modelo DLL
Fuente: National Instruments, 2003
El modelo DLL contiene todos los aspectos del modelo en Simulink pero
no los elementos requeridos para su ejecución. El SIT automáticamente
construye un modelo VI que llama al modelo DLL creado en la compilación.
48
2.12 Fundamentos de Matlab-Simulink
Matlab es un programa de ingeniería diseñado por la empresa The
MathWoks Inc., destinado a realizar cálculos técnicos, científicos y de
propósito general. En él se integran operaciones de cálculo, visualización y
programación, donde la interacción con el usuario emplea una notación
matemática clásica. Los usos y aplicaciones típicos de Matlab son:
- Matemáticas y cálculo.
- Desarrollo de algoritmos.
- Adquisición de datos.
- Modelado, simulación y prototipado.
- Análisis y procesado de datos.
- Gráficos científicos y de ingeniería.
- Desarrollo de aplicaciones.
Matlab está compuesto en primer término por el entorno de desarrollo,
el cual consiste en un conjunto de utilidades que permiten el uso de
funciones Matlab y archivos en general. Muchas de estas utilidades son
interfaces gráficas de usuario. Incluye el espacio de trabajo Matlab y la
ventana de comandos. (Matlab Help, 2002)
Otro de los componentes de Matlab es la librería de funciones
matemáticas Matlab. Se trata de un amplio conjunto de algoritmos de cálculo,
que comprende las funciones más elementales como la suma, senos y
cosenos o la aritmética compleja, hasta funciones más sofisticadas como la
49
inversión de matrices, el cálculo de autovalores, funciones de Bessel y
transformadas rápidas de Fourier.
Por otra parte , el componente de gráficos de Matlab dispone de un
conjunto de utilidades destinadas a visualizar vectores y matrices en forma
de gráficos. Existe una gran cantidad de posibilidades para ajustar el aspecto
de los gráficos, destacando la visualización tridimensional con opciones de
iluminación y sombreado; y la posibilidad de crear animaciones. También
Matlab cuenta con un interfaz de aplicación de Matlab (API), que consiste en
una librería que permite escribir programas ejecutables independientes en C
y otros lenguajes, accediendo, mediante DLLs, a las utilidades de cálculo
matricial de Matlab.
La gestión de complementos de Matlab se realiza mediante lo que se
denominan toolboxes (paquetes de herramientas). Un Toolbox de Matlab es
un conjunto de funciones y algoritmos de cálculo especializados en un área
de conocimiento: finanzas, tratamiento de señales, teoría de sistemas, entre
otros.
Por otra parte, el entono Matlab cuenta con el módulo Simulink, el cual
es una aplicación que permite construir y simular modelos de sistemas físicos
y sistemas de control mediante diagramas de bloques. El comportamiento de
dichos sistemas se define mediante funciones de transferencia, operaciones
matemáticas, elementos de Matlab y señales predefinidas de todo tipo.
Simulink dispone de una serie de utilidades que facilitan la visualización,
análisis y resguardo de los resultados de las simulaciones. Este módulo se
50
emplea en ingeniería de control y es una herramienta de gran utilidad para la
simulación de sistemas dinámicos.
Se trata de un entorno de trabajo gráfico, en el que se especifican las partes
de un sistema y su interconexión en forma de diagrama de bloques. Se
complementa con numerosos elementos opcionales que además de las
capacidades de simulación de las que está dotado, permiten visualización y
almacenamiento de resultados.
2.13 Cultivos hidropónicos
El cultivo de las plantas sin suelo se desarrolló a partir de
investigaciones llevadas a cabo para determinar que sustancias hacían
crecer a las plantas y la composición de ellas.
A comienzos de los años treinta, científicos de la Universidad de
California, pusieron los ensayos de nutrición vegetal a escala comercial,
denominando Hidropónico a este sistema de cultivo, palabra derivada de
lasgriegas hydro(agua) y ponos(labor, trabajo), es decir literalmente trabajo
en agua.
Los cultivos hidropónicos o hidroponía pueden ser definidos como la
técnica del cultivo de las plantas sin utilizar el suelo, usando un medio inerte,
al cual se añade una solución de nutrientes que contiene todos los elementos
esenciales vitales por la planta para su normal desarrollo. Puesto que
muchos de estos métodos hidropónicos emplean algún tipo de medio de
51
cultivo se les denomina a menudo cultivo sin suelo, mientras que el cultivo
solamente en agua sería el verdadero hidropónico.
Las ventajas que presenta la técnica de cultivo sin suelo son las
siguientes:
- Provee a las raíces en todo momento de un nivel de humedad
constante, independiente del clima o de la
- etapa de crecimiento del cultivo.
- Reduce el riesgo por excesos de irrigación.
- Evita el gasto inútil de agua y fertilizantes.
- Asegura la irrigación en toda el área radicular.
- Reduce considerablemente los problemas de enfermedades
producidas por patógenos del suelo.
- Aumenta los rendimientos y mejora la calidad de producción.
- Las características que debe poseer cualquier material para ser
usado como sustrato son las siguientes:
- Ser de naturaleza inerte. Esto permite un buen control de la
nutrición, que es casi imposible lograr en suelo debido a la gran
cantidad de reacciones que en éste tienen lugar.
- Tener una relación aire/agua equilibrada, para evitar los problemas
de falta de aireación por riegos excesivos con la consecuente falta
de oxigenación de las raíces.
52
- Ser de fácil lavado de sales. Esto da opción a paliar en parte las
pérdidas de producción que se suceden en cultivos en suelo
(especialmente los arcillosos o suelos con napa freática alta) por
acumulación de dichas sales.
Los sustratos que poseen en mayor o menor grado las características
mencionadas anteriormente son: Turba,Perlita, Lana de Roca, Grava, Arena,
Vermiculita.
2.14 Recipientes Y Contenedores
Los tipos de recipientes y contenedores que se pueden usar o construir
deben estar de acuerdo con el espacio disponible, las posibilidades técnicas
y económicas, y las necesidades y aspiraciones de progreso.
Las dimensiones (largo y ancho) de los contenedores pueden ser muy
variables, pero su profundidad encambio no debe ser mayor de 10 - 12 cm,
dado que en el sistema HHP no es necesario un espacio mayor parael
desarrollo de las raíces de las plantas. Se exceptúan sólo dos casos: cuando
se requiere cultivar zanahorias, la profundidad del contenedor debe ser como
mínimo de 20 centímetros y segundo para producir forraje hidropónico debe
ser como máximo de 5 centímetros.En el caso de los demás cultivos, las
dimensiones máximas recomendadas para estas cajas son las siguientes:
largo 2,0 m., ancho 1,20 m. y profundidad 0,12 m.
53
2.15 Sustratos
Los sustratos deben tener gran resistencia al desgaste o a la
meteorización y es preferible que no tengan sustancias minerales solubles
para no alterar el balance químico de la solución nutritiva que será aplicada.
El material no debería ser portador de ninguna forma viva de macro o
microorganismo, para disminuir el riesgo de propagar enfermedades o causar
daño a las plantas, a las personas o a los animales que las van a consumir.
Lo más recomendable para un buen sustrato es:
- Que las partículas que lo componen tengan un tamaño no inferior a
0.5 y no superior a 7 milímetros.
- Que retengan una buena cantidad de humedad (ver cuadro 2),
pero que además faciliten la salida de los
- excesos de agua que pudieran caer con el riego o con la lluvia.
- Que no retengan mucha humedad en su superficie.
- Que no se descompongan o se degraden con facilidad.
- Que tengan preferentemente coloración oscura.
- Que no contengan elementos nutritivos.
- Que no contengan microorganismos perjudiciales a la salud de los
seres humanos o de las plantas.
- Que no contengan residuos industriales o humanos.
- Que sean abundantes, fáciles de conseguir, transportar y manejar.
- Que sean de bajo costo.
54
- Que sean livianos.
2.16 Almácigos
El almácigo no es otra cosa que un pequeño espacio al que le damos
condiciones adecuadas (óptimas) paragarantizar el nacimiento de las
semillas y el crecimiento inicial de las plántulas. Debe procurarse un cuidado
inicial especial para que no existan problemas en el desarrollo de las
plantitas.
No se pueden dejar partículas muy grandes ni pesadas, porque éstas no
permitirán la emergencia de las plantitas recién nacidas. Las condiciones de
humedad deben ser más controladas, ya que ni las semillas ni lasplantas
recién nacidas se desarrollarían si no tienen la cantidad de humedad
suficiente.
El sustrato utilizado para hacer los almácigos debe ser muy suave,
limpio y homogéneo. Se lo debe nivelar muy bien para que al trazar los
surcos y depositar las semillas no queden unas más profundas que otras;
esto afectaría la uniformidad del nacimiento y del desarrollo inicial. No se
deben hacer almácigos en tierra para luego trasplantarlos a sustratos
hidropónicos. Una vez llena la caja o semillero con el sustrato se procede a
hacer un riego suave y trazar los surcos. La profundidad y la distancia a la
cual se tracen dependen del tamaño de la semilla y del tamaño de los
primeros estados de la planta.
55
2.17 Métodos Para Hacer Hidroponía
Existen dos métodos:
2.17.1 Sistema De Sustrato Sólido
El sistema de sustrato sólido es eficiente para cultivar más de 30
especies de hortalizas y otras plantas de portebajo y rápido crecimiento. Ha
sido el más aceptado por la mayoría de las personas que en la actualidad
trabajan con hidroponía, pues es menos exigente en cuidados que el
segundo denominado de raíz flotante, que permite sembrar menos
variedades de hortalizas.
Para sembrar directamente o trasplantar en sustratos sólidos se
comienza ubicando el contenedor en el lugar apropiado, dándole la
pendiente necesaria; luego se llena con el sustrato previamente mezclado y
humedecido hasta dos centímetros antes del borde superior de la altura de la
cama. El llenado de la cama debe iniciarse justamente en el lado donde se
colocó el drenaje, con el fin de anclarlo para que no se mueva, lo cual podría
ocasionar la salida del tubo de drenaje del plástico.
Se retiran los elementos extraños y partículas de tamaño superior al
recomendado. Se riega suavemente para asegurar un buen contenido de
humedad y se marcan los sitios donde se trasplantarán las plantas obtenidas
del almácigo después del endurecimiento. Las mismas deberán ser regadas
abundantemente en el almácigo una hora antes de arrancarlas e iniciar la
labor de siembra en el sitio definitivo.
56
2.17.2 Sistema De Raíz Flotante
El sistema de cultivo de raíz flotante ha sido encontrado eficiente para
el cultivo de albahaca, apio y varios tipos de lechuga, con excelentes
resultados, ahorro de tiempo y altas producciones. A pesar de su mayor
complejidad es muy apto para la hidroponía popular. El método utiliza un
medio líquido que contiene agua y sales nutritivas. Este sistema ha sido
denominado por quienes lo practican cultivo de raíz flotante, ya que las
raíces flotan dentro de la solución nutritiva, pero las plantas están sostenidas
sobre una lámina de Plumavit, que se sostiene sobre la superficie del líquido.
Este sistema ha sido muy eficiente en el cultivo de albahaca, apio y
lechugas. Otras especies no han tenido un comportamiento uniforme en él,
ya que es muy exigente en un cuidadoso manejo, especialmente de
aireación.
2.18 Nutrición De Las Plantas
Los nutrientes para las plantas a través del sistema de lo que se conoce
como Hidroponía Popular son suministrados en forma de soluciones
nutritivas que se consiguen en el comercio agrícola. Las soluciones pueden
ser preparadas por los mismos cultivadores cuando ya han adquirido
experiencia en el manejo de los cultivos o tienen áreas lo suficientemente
grandes como para que se justifique hacer una inversión en materias primas
para su preparación. Alternativamente, si las mismas estuvieran disponibles
57
en el comercio, es preferible comprar las soluciones concentradas, ya que en
este caso sólo es necesario disolverlas en un poco de agua para aplicarlas al
cultivo.
Las soluciones nutritivas concentradas contienen todos los elementos
que las plantas necesitan para su correcto desarrollo y adecuada producción
de raíces, bulbos, tallos, hojas, flores, frutos o semillas.
2.19 Composición De Las Soluciones Nutritivas
Además de los elementos que los vegetales extraen del aire y del agua
(carbono, hidrógeno y oxigeno) ellos consumen con diferentes grados de
intensidad algunos elementos que se consideran indispensables para la vida
de los vegetales, son requeridos en distintas cantidades por las plantas.
Entre dichos elementos que necesitan en cantidades grandes están el
nitrógeno, el fósforo y el potasio. En cantidades intermedias el azufre, el
calcio y el magnesio. En cantidades muy pequeñas (elementos menores) el
hierro, manganeso, cobre, zinc, boro y molibdeno. Entre los útiles pero no
indispensables para su vida: cloro, sodio, silicio. Innecesarios para las
plantas, pero necesarios para los animales que las consumen: cobalto, yodo
y por ultimo tóxicos para el vegetal: el aluminio.
2.20 Elementos Mayores (Macronutrientes)
58
NITROGENO (N): Es absorbido en forma de NO3 y NH4. Posee como
características que ayuda a dar el color verde intenso a las plantas y
fomenta el rápido crecimiento, además aumenta la producción de hojas,
mejora la calidad de las hortalizas, aumenta el contenido de proteínas en los
cultivos de alimentos y forrajes. Como deficiencia presenta un aspecto
enfermizo de la planta. Color verde amarillento debido a la pérdida de
clorofila.
FOSFORO (P): Las plantas lo toman en forma de P2O5, sus características
se muestran en cuanto a la estimulación para la rápida formación y
crecimiento de las raíces, Facilita el rápido y vigoroso comienzo a las plantas,
acelera la maduración y estimula la coloración de los frutos, además de
ayudar a la formación de semillas. Da vigor a los cultivos para defenderse del
rigor del invierno. El lado negativo de este elemento lo constituye: aparición
de hojas, ramas y tallos de color purpúreo; este síntoma se nota primero en
las hojas más viejas. Desarrollo y madurez lenta y aspecto raquítico en los
tallos, mala germinación de las semillas y bajo rendimiento de frutos y
semillas.
POTASIO (K): Las plantas lo toman en forma de K2O, como características
podemos decir que: otorga a las plantas gran vigor y resistencia contra las
enfermedades y bajas temperaturas, ayuda a la producción de proteína de
las plantas, aumenta el tamaño de las semillas, mejora la calidad de los
frutos, ayuda al desarrollo de los tubérculos y favorece la formación del color
59
rojo en hojas y frutos. Sus deficiencias son: las hojas de la parte más baja de
la planta se queman en los bordes y puntas, generalmente la vena central
conserva el color verde; también tienden a enrollarse, debido al pobre
desarrollo de las raíces, las plantas se degeneran antes de llegar a la etapa
de producción.
2.21 Elementos Secundarios (Micronutrientes)
Se llaman así porque las plantas los consumen en cantidades
intermedias, pero son muy importantes en la constitución de los organismos
vegetales.
CALCIO (Ca): Es absorbido en forma de CaO. Como características se tiene
que: activa la temprana formación y el crecimiento de las raicillas, mejora el
vigor general de las plantas. Neutraliza las sustancias tóxicas que producen
las plantas, estimula la producción de semillas y aumenta el contenido de
calcio en el alimento humano y animal. Algunas desventajas que presenta es
que las hojas jóvenes de los brotes terminales se doblan al aparecer y se
queman en sus puntas y bordes, las hojas jóvenes permanecen enrolladas y
tienden a arrugarse. En las áreas terminales pueden aparecer brotes nuevos
de color blanquecino. Puede producirse la muerte de los extremos de las
raíces. En los tomates y sandías la deficiencia de calcio ocasiona el
hundimiento y posterior pudrición seca de los frutos enel extremo opuesto al
pedúnculo.
60
MAGNESIO (Mg): Las plantas lo absorben como MgO. Es un componente
esencial de la clorofila, es necesario para la formación de los azúcares y
ayuda a regular la asimilación de otros nutrientes, además de actuar como
transportador del fósforo dentro de la planta y promover la formación de
grasas y aceites. Entre sus deficiencias se tiene: pérdida del color verde, que
comienza en las hojas de abajo y continua hacia arriba, pero las venas
conservan el color verde, los tallos se forman débiles, y las raíces se
ramifican y alargan excesivamente. Las hojas se tuercen hacia arriba a lo
largo de los bordes
AZUFRE (S): Es un ingrediente esencial de las proteínas, ayuda a mantener
el color verde intenso, activa la formación de nódulos nitrificantes en algunas
especies leguminosas (porotos, arvejas, habas, soya), estimula la producción
de semilla y ayuda al crecimiento más vigoroso de las plantas. Pero cuando
se presenta deficiencia, lo que no es muy frecuente, las hojas jóvenes y sus
venas toman un color verde claro. Otro aspecto negativo provocado por este
elemento es que produce que el espacio entre las nervaduras se seca y los
tallos son cortos, endebles, de color amarillo con un desarrollo lento y
raquítico.
COBRE (Cu):El 70% se concentra en la clorofila y su función más importante
se aprecia en la asimilación. Como deficiencia se muestra un severo
descenso en el desarrollo de las plantas, Las hojas más jóvenes toman color
verde oscuro,se enrollan y aparece un moteado que va muriendo, escasa
61
formación de la lámina de la hoja, disminución de su tamaño y enrollamiento
hacia la parte interna, lo cual limita la fotosíntesis.
BORO (B): Aumenta el rendimiento o mejora la calidad de las frutas,
verduras y forrajes, está relacionado con la asimilación del calcio y con la
transferencia del azúcar dentro de las plantas. Es importante para la buena
calidad de las semillas de las especies leguminosas. Las desventajas de este
elemento están en que anula el crecimiento de tejidos nuevos y puede
causar hinchazón y decoloración de los vértices radicales y muerte de la
zona apical (terminal) de las raíces y ocasiona tallos cortos en el apio,
podredumbre de color pardo en la cabeza y a lo largo del interior del tallo de
la coliflor
HIERRO (Fe):No forma parte de la clorofila, pero está ligado con su
biosíntesis. Algunas deficiencias se nombran: causa un color pálido
amarillento del follaje, aunque haya cantidades apropiadas de nitrógeno en la
solución nutritiva, ocasiona una banda de color claro en los bordes de las
hojas y la formación de raíces cortas y muy ramificadas. La deficiencia de
hierro se parece mucho a la del magnesio, pero la del hierro aparece en
hojas más jóvenes.
MANGANESO (Mn): Acelera la germinación y la maduración. aumenta el
aprovechamiento del calcio, el magnesio y el fósforo, cataliza en la síntesis
de la clorofila y ejerce funciones en la fotosíntesis. En tomates y betarraga
causa la aparición de color verde pálido, amarillo y rojo entre las venas. El
62
síntoma de clorosis se presenta igualmente entre las venas de las hojas
viejas o jóvenes, dependiendo de la especie; estas hojas posteriormente
mueren y se caen.
ZINC (Zn):Es necesario para la formación normal de la clorofila y para el
crecimiento. Es un importante activador de las enzimas que tienen que ver
con la síntesis de proteínas, por lo cual las plantas deficientes enzinc son
pobres en ellas. Su deficiencia en tomate ocasiona un engrosamiento basal
de los pecíolos de las hojas, pero disminuye su longitud; la lámina foliar toma
una coloración pálida y una consistencia gruesa, apergaminada, con
entorchamiento hacia fuera y con ondulaciones de los bordes además causa
que el tamaño de los entrenudos y el de las hojas se reduzca, especialmente
en su anchura.
MOLIBDENO (Mo): Es esencial en la fijación del nitrógeno que hacen las
legumbres. Entre sus deficiencias se tienen que los síntomas se parecen a
los del nitrógeno, porque la clorosis (amarillamiento) avanza desde las hojas
más viejas hacia las más jóvenes, las que se ahuecan y se queman en los
bordes, no se forma la lámina de las hojas, por lo que sólo aparece la
nervadura central y afecta negativamente el desarrollo de las especies
crucíferas (repollo, coliflor, brócoli), la betarraga, tomates y legumbres.
CLORO (Cl): Produce marchitamiento inicial de las hojas, que luego se
vuelven cloróticas, originando un color bronceado; después se mueren. El
63
desarrollo de las raíces es pobre y se produce un engrosamiento anormal
cerca de sus extremos.
3. Definición de Términos Básicos
Automatización: Es un área de la ingeniería que aprovecha la tecnología
para utilizar las capacidades de las máquinas, dispositivos y sistemas a fin de
realizar las operaciones y secuencias de diversos procesos sin la
intervención total o parcial del hombre. Acedo (2004).
Automatización Industrial: supresión total o parcial de la intervención humana
en la ejecución de tareas industriales mediante el uso de tecnologías que
intervienen en la conducción de un proceso.
Control Digital Directo: estrategia de control en la cual el computador realiza
los cálculos que tradicionalmente realizan los controladores clásicos que
cuenta con interfaz de interacción entre el operador y el proceso.
Interfaz Hombre Maquina (IHM): sistema que permite la visualización en
forma virtual de los procesos y variables de un sistema de automatización de
procesos.
Labview: acrónico de Laboratoy Virtual Instrument Engineering Workbech,
consiste en un entorno de programación grafica de la empresa national
Istruments, en la que se pueden crear aplicaciones de automatización de
procesos con leguaje de programación abierta.
Calibración: Proceso realizado a un instrumento en el cual para todos los
puntos de su campo de medida, la diferencia entre el valor real de la variable
64
y el valor indicado está comprendido entre los límites determinados por la
precisión del instrumento.Creus (2006)
Error: Es la desviación que presentan las medidas prácticas de una variable
de proceso con relación a las medidas teóricas o ideales, como resultado de
las imperfecciones de los aparatos. Se calcula como la diferencia entre el
valor leído por el instrumento y el verdadero valor medido por el aparato
patrón.Creus (2006)
Exactitud: Es la cualidad de un instrumento de medida por la que tiende a
proporcionar lecturas próximas al verdadero valor de la magnitud
deseada.Creus (2006)
Incertidumbre en la medida: Cuando se realiza una operación de calibración,
se compara el instrumento a calibrar con un aparato patrón para averiguar si
el error se encuentra de los límites dados por el fabricante del instrumento.
Creus (2006)
Instrumentación industrial: Es el conocimiento de la correcta aplicación de los
equipos encaminados para apoyar al usuario en la medición, regulación,
observación y ofrecimiento de seguridad de una variable dada en un proceso
productivo.Creus (2006)
Intervalo de medida (rango): Es un conjunto de valores de una variable de
proceso que están comprendidos dentro de los limites superior e inferior de
la capacidad de medida del instrumento.Creus (2006)
Medidor másico: Mide directamente el caudal de fluido en unidades de masa
(kg/hr), en lugar de medir el caudal en volumen (m3/hr).Crutchik (1998).
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Planta: Es un conjunto de elementos de una máquina interrelacionados que
tienen como propósito realizar una operación y que se tiene que
controlar.Ogata (2003).
Precisión: Es la cualidad de un instrumento por la que tiende a dar lecturas
muy próximas unas a otras, es decir, es el grado de dispersión de las
mismas. Es importante recalcar que un instrumento puede tener una pobre
exactitud, pero una gran precisión.Creus (2006)
Sistema de Instrumentación: Es el proceso que utiliza ciertos aparatos de
medición con el propósito de identificar y regular el valor de ciertas
variables.C.I.E.D.(2000).
Tolva: Son equipos de forma rectangular que sirven para almacenar grandes
cantidades de material a granel.Bello (2002).
Modelo de Automatización ISO: modelo piramidal por niveles jerárquicos en
los cuales se clasifican los elementos funcionales de un sistema de
automatización industrial.
Proceso Industrial: proceso de transformación mediante el cual material en
bruto, trabajo, energía y equipamientos se reúnen para producir productos de
alta calidad.
Simulation Interface Toolkit: software de la empresa National Instruments
para la integración de modelos de sistemas desarrollados en Matlab-Simulink
con instrumentos virtuales desarrollados en entorno Labview.
66
Sistema de Adquisición de Datos: tarjeta electrónica utilizada en sistemas de
automatización de procesos que permite conectar directamente el bus del
computador para adquirir y procesar datos en tiempo real.
Sistema de Control: conjunto de elementos encargados de realizar la
regulación de las operaciones de un proceso a través de la regulación de
variables y eventos utilizando instrumentación.
Variables de Procesos: señales de tipo analógica y digital, de entrada y
salida que permiten controlar y monitorear un proceso.
4. Sistemas de Variables
4.1 Concepto Según Baldía, A (1992), La automatización de un proceso o maquina
consiste en la incorporación de un dispositivo tecnológico encargado de
controlar su funcionamiento. El sistema creado con la incorporación del
dispositivo denominado genéricamente automatismo, es capaz de reaccionar
ante situaciones presentadas, ejerciendo la función de control para la cual ha
sido concebido.
4.2 Definición Operacional Para esta investigación se concebirá, la automatización como el uso
de sistemas o elementos computarizados y electromecánicos para controlar
la mezcla y dosificación del fluido para el riego de cultivos hidropónicos de tal
67
manera de aumentar la eficacia y eficiencia en el crecimiento y desarrollo de
los mismos.
4.3 Operacionalización de la Variable:
A continuación se presenta la tabla de la operacionalización de la
variable.
Cuadro 2. Operacionalización de la Variable Título: Automatización de la mezcla y dosificación del fluido para riego de cultivos hidropónicos.
Objetivo General: Diseñar la Automatización de la mezcla y dosificación de fluido para riego de cultivos hidropónicos.
OBJETIVOS VARIABLE DIMENSION SUBDIMENSIONES INDICADORES
Describir las
características del proceso
de los cultivos
hidropónicos
Automatización
Cultivos
Hidropónicos
Mezcla
Micronutrientes
Macronutrientes
Aspectos que influyen
en el desarrollo de los
cultivos
Dosificación
Cantidad
Frecuencia
Puntos de Inyección
Instrumentación
Determinar el modelo
matemático del proceso de
mezcla y dosificación de
cultivos hidropónicos
Modelo Matemático
Ecuaciones Del Sistema
Ecuación de
Transferencia
Transformada de
Laplace
Identificar las variables de
entrada y salida del
proceso de mezcla y
dosificación de cultivos
hidropónicos
Entrada
Volumen
Componentes sin
mezclar
Salida
Flujo
Proporción optima
68
Diseñar la automatización
de la mezcla y
dosificación del fluido
para riego de cultivos
hidropónicos
Sistema de
adquisición de datos
Instrumentación
Adquisición de datos
Supervisión
Validar la automatización
propuesta.
Simulación mediante
software
Lab-view
Matlab
Fuente: Carrillo, 2011
