DISEÑO Y SIMULACION DE UN PROTOTIPO DE SISTEMA DE DOSIFICACION PARA UN VEHICULO DE DISTRIBUCION...

DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN PROTOTIPO DE SISTEMA DE DOSIFICACIÓN,

PARA UN VEHÍCULO DE DISTRIBUCIÓN INTELIGENTE DE FERTILIZANTES

QUÍMICOS

WALTER AMAYA DIAZ

NELSON MAURICIO ARIAS OLAYA

UNIVERSIDAD DE LA SALLE

FACULTAD DE INGENIERIA DISEÑO Y AUTOMATIZACIÓN ELECTRONICA

BOGOTA D.C.

2012

DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN PROTOTIPO DE SISTEMA DE DOSIFICACIÓN,

PARA UN VEHÍCULO DE DISTRIBUCIÓN INTELIGENTE DE FERTILIZANTES

QUÍMICOS

WALTER AMAYA DIAZ

NELSON MAURICIO ARIAS

DIRECTOR PROYECTO DE GRADO

INGENIERO PEDRO FERNANDO MARTIN

Trabajo de grado presentado al título de

Ingeniero de Diseño y Automatización Electrónica

UNIVERSIDAD DE LA SALLE

FACULTAD DE INGENIERIA DISEÑO Y AUTOMATIZACIÓN ELECTRONICA

BOGOTA D.C.

2012

3

Nota de Aceptación

_________________________

_________________________

_________________________

_________________________

_________________________

______________________________________

Firma del Asesor de Trabajo de grado

______________________________________

Firma del Jurado

______________________________________

Firma del Jurado

Bogotá D.C. 06 de Noviembre de 2012

AGRADECIMIENTOS

DEDICATORIA

A Dios por ser el guía incondicional en todos los momentos de la vida y ser la fuerza para

finalizar esta etapa de mi vida.

A mi madre por la vida que me regalo y desde del cielo, me dio un impulso para terminar

mis tesis y graduarme, ojala pueda ser un orgullo tuyo en los caminos que pueda seguir.

A mi padre por apoyarme tanto económicamente como moralmente, y por acompañarme en

estos años de estudio

Al ingeniero Pedro Martin por ser nuestro director en la tesis y ser el guía en la consecución

de este gran logro.

Walter Amaya Diaz.

TABLA DE CONTENIDO

Pag

INTRODUCCION ................................................................................................................15

1 SISTEMA DE DOSIFICACIÓN, PARA UN VEHÍCULO DE DISTRIBUCIÓN

INTELIGENTE DE FERTILIZANTES QUÍMICOS ..........................................................17

1.1 RESUMEN ............................................................................................................ 17

1.1.1 ABSTRACT: .................................................................................................. 18

1.2 ESTADO DEL ARTE ........................................................................................... 19

1.2.1 Sistemas de inyección directa ........................................................................ 19

1.3 OBJETIVOS .......................................................................................................... 22

1.3.1 OBJETIVO GENERAL ................................................................................. 22

1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ......................................................................... 22

2 CRITERIOS DE DISEÑO .............................................................................................23

2.1 Selección del cultivo: ............................................................................................ 23

2.2 Características de dosificación .............................................................................. 25

2.3 Selección del tipo de fertilizante: .......................................................................... 26

3 ESPECIFICACIONES DEL SISTEMA DE DOSIFICACION ....................................29

3.1 Subsistema Mecánico: ........................................................................................... 29

3.1.1 Bomba hidráulica: .......................................................................................... 30

3.1.2 Mangueras: ..................................................................................................... 30

3.1.3 Boquillas: ....................................................................................................... 31

3.1.4 Tanques: ......................................................................................................... 31

3.2 Subsistema electrónico: ......................................................................................... 32

3.2.1 Controlador: ................................................................................................... 32

3.2.2 Sensores de nivel: ........................................................................................... 32

3.2.3 Electroválvulas: .............................................................................................. 33

3.2.4 Motores: ......................................................................................................... 33

3.3 Subsistema de comunicación: ............................................................................... 33

3.3.1 Bluetooth: ....................................................................................................... 34

3.3.2 Wireless: ......................................................................................................... 34

3.3.3 XBEE: ............................................................................................................ 34

3.4 Requerimientos del sistema de dosificación: ........................................................ 35

4 DISEÑO DEL SISTEMA MECÁNICO .......................................................................36

4.1 Selección de la bomba. .......................................................................................... 36

4.1.1 Naturaleza del líquido a bombear: ................................................................. 36

4.1.2 Tipos de bomba: ............................................................................................. 36

4.1.3 Capacidad de la Bomba:................................................................................. 37

4.1.3.1 Requerimiento de nutrientes para la región de Cundinamarca y Boyacá: .. 37

4.1.3.2 Cálculo de dosis: ........................................................................................ 38

4.1.4 Requisitos para la succión: ............................................................................. 39

4.2 DISEÑO DE LA RED ........................................................................................... 46

4.2.1 Diseño Agronómico: ...................................................................................... 46

4.3 DISEÑO DE LOS TANQUES ............................................................................. 49

4.3.1 Consideraciones de diseño: ............................................................................ 49

4.3.1.1 Dimensionamiento tanques de dosificación: .............................................. 49

4.3.1.2 Volumen máximo del tanque rectangular: ................................................. 49

4.3.4 Características del material de construcción: ................................................... 50

4.3.5. Análisis de ingeniería (CAE) del tanque por medio del sotfware solid Works: . 51

4.4 SISTEMA DE ACOPLE PARA RECARGA DE TANQUES ............................. 53

4.5 SISTEMA DE MEZCLA ...................................................................................... 54

5 DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL DE DOSIFICACION ................................55

5.1 Modelado de sistemas hidráulicos: ........................................................................ 55

5.2 Modelo tanque ....................................................................................................... 56

5.3 Modelo de la bomba peristáltica: ......................................................................... 57

5.4 Modelo del sensor de flujo: ................................................................................... 60

5.5 Control de flujo del sistema: ................................................................................. 61

5.6 Método de sintonización de Ziegler Nichols por lazo cerrado. ............................. 62

5.7 Sistema de control completo ................................................................................. 62

5.8 METODOLOGIA DE TRABAJO EN EL CULTIVO ......................................... 64

5.8.1 Especificación de tiempos de dosificación: ................................................... 64

5.8.1.1 Aplicación en matlab para determinar tiempos de dosificación: ................ 67

5.9 MONTAJE DE LOS DISPOSITIVOS EN LOS TANQUES ............................... 67

6 DISEÑO DEL SOFTWARE .........................................................................................70

6.1 Análisis de Requerimientos: .................................................................................. 70

6.2 Diagramas de casos de uso: ................................................................................... 70

6.3 Documentación de los actores y casos de uso ....................................................... 73

6.4 Diseño de la base de datos: .................................................................................... 76

7 SISTEMAS ALTERNATIVOS DE DOSIFICACIÓN .................................................78

7.1 Aplicación desarrollada para un microcontrolador pic: ........................................ 78

7.2 Funcionamiento de la aplicación: .......................................................................... 78

7.3 Aplicación para un Compact Rio: ......................................................................... 80

8 ANALISIS DE RESULTADOS ....................................................................................85

8.1 Pruebas de dosificación con la bomba peristáltica: ............................................... 86

9 CONCLUSIONES .........................................................................................................89

BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................................91

LISTA DE TABLAS

Pag

Tabla 1.Designacion de nutrientes .................................................................................... 26

Tabla 2. Fertilizantes agrosuma ......................................................................................... 28

Tabla 3. Micro aspersor para riego ...................................................................................... 31

Tabla 4. Dosis de fertilizante para 1 hectárea .................................................................. 37

Tabla 5. Nutrientes requeridos por hectárea ..................................................................... 38

Tabla 6. Nutrientes en litros por hectárea ......................................................................... 39

Tabla 7. Propiedades Físicas del agua .............................................................................. 42

Tabla 8 Datos para ingresar al programa epanet .................................................................. 47

Tabla 9. Dimensionamiento de los tanques ...................................................................... 49

Tabla 10. Propiedades del acero AISI 304 ....................................................................... 50

Tabla 11. Datos de la bomba peristáltica funcionando en paralelo con otra ................. 58

Tabla 12 Rangos de funcionamiento del sensor ABB FXL5000(miniflow) .................. 60

Tabla 13 Ecuaciones para ajuste de controladores ............................................................... 62

Tabla 14 Actor usuario ......................................................................................................... 73

Tabla 15 Actor base de datos fertilizantes ........................................................................... 74

Tabla 16 Actor punto de dosificación .................................................................................. 74

Tabla 17 Caso de uso validar usuario .................................................................................. 74

Tabla 18 Caso de uso seleccionar fertilizantes .................................................................... 75

Tabla 19 Caso de uso ejecutar aplicación ............................................................................ 75

Tabla 20 Caso de uso definir dosis ...................................................................................... 75

Tabla 21 Comparación entre un micro controlador y un Compact Rio .......................... 86

Tabla 22 Pruebas de dosificación en el compact Rio ...................................................... 87

Tabla 23 Comparación de sistemas de fertilización ......................................................... 94

Tabla 24. Relación volumen vs tiempo ............................................................................. 99

Tabla 25. Dimensionamiento del agitador ...................................................................... 109

Tabla 26. Especificaciones técnicas del motor ............................................................... 112

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1.Esquema y componentes........................................................................................ 20

Figura 2 Esquema general de dosificación........................................................................... 29

Figura 3.Detalles de la línea de succión de la bomba .......................................................... 40

Figura 4. Calculo de caudales por medio del programa epanet ........................................... 48

Figura 5. Análisis de ingeniería mediante el software Solid Works .................................... 51

Figura 6. Elementos acoplados al tanque ............................................................................. 52

Figura 7. Conexión del acople rápido con el tanque ............................................................ 53

Figura 8. Modelo tanque-válvula-bomba ............................................................................. 55

Figura 9 Dibujo del proceso en simulink ............................................................................. 57

Figura 10 Bloque salida de flujo respecto al cambio de altura ............................................ 57

Figura 11. Comportamiento de dos bombas peristálticas en paralelo .................................. 59

Figura 12 Dibujo del bloque bomba en simulink ................................................................. 59

Figura 13 Dibujo del bloque del sensor de flujo en simulink .............................................. 61

Figura 14 Controlador PID con accesorios .......................................................................... 61

Figura 15 Sistema de control en simulink de todo el proceso............................................. 63

Figura 16 Respuesta del sistema a un controlador proporcional.......................................... 63

Figura 17 Diagrama de flujo de pre procesamiento de datos ............................................... 65

Figura 18 Montaje de dispositivos en los tanques ............................................................... 67

Figura 19 Diagrama de flujo para el dispositivo de control ................................................. 69

Figura 20 Delimitación del sistema de dosificación ............................................................ 71

Figura 21 Casos de uso definir dosis.................................................................................... 72

Figura 22 Caso de uso ejecutar aplicación ........................................................................... 72

Figura 23 Casos de usos completos para el sistema de dosificación ................................... 73

Figura 24 Secuencia conexión base de datos ok .................................................................. 76

Figura 25 Secuencia conexión base de datos en falla .......................................................... 77

Figura 26. Interfaz para la aplicación con el microcontrolador pic .................................... 78

Figura 27. Interfaz en proteus .............................................................................................. 80

Figura 28. Dispositivo Compact Rio .................................................................................... 81

Figura 29. Interfaz de Labview para la aplicación del Compact Rio ................................... 83

Figura 30 Volumen dosificado por las electroválvulas ........................................................ 88

Figura 31 Configuración de los rodillos de la bomba peristáltica ....................................... 97

Figura 32 Ficha técnica de la bomba peristáltica ................................................................ 98

Figura 33 Grafica del comportamiento de la bomba peristáltica ....................................... 100

Figura 34. Instrumentos de medida .................................................................................... 101

Figura 35. Sensor Siemens capacitivo ............................................................................... 103

Figura 36. Diagrama del circuito del sensor de nivel ......................................................... 104

Figura 37 Electroválvula Danfoss ...................................................................................... 105

Figura 38 Plano tanque con sus componentes de conexión ............................................... 106

Figura 39 Acoples rápidos: macho y hembra ..................................................................... 107

Figura 40. Sistema de agitación en el tanque ..................................................................... 108

Figura 41 Número de Reynolds en función del número de potencia ................................. 111

Figura 42 Especificaciones técnicas del motor .................................................................. 113

Figura 43 Tabla de la base de datos ................................................................................... 114

Figura 44.Registro en las tablas ......................................................................................... 114

Figura 45 Conector OBDC de MySQL .............................................................................. 115

Figura 46. Conector java para instalar ............................................................................... 115

Figura 47 Archivo classpath............................................................................................... 116

Figura 48 Aplicación de Windows para acoplamiento de drivers ..................................... 116

Figura 49. Entorno para enlazar los drivers ....................................................................... 117

Figura 50.Seleccion del driver OBDC ............................................................................... 117

Figura 51. Verificación de la conexión de la base de datos ............................................... 118

Figura 52 Toolbox de matlab de Visual query builder ...................................................... 118

Figura 53 Interfaz de entrada para especificar tiempos ..................................................... 119

Figura 54 Segundo menú para insertar la recomendación de dosis ................................... 120

Figura 55. Menú para calcular volúmenes a partir de las concentraciones ........................ 121

Figura 56.Calculo de tiempos de accionamientos de las electroválvulas .......................... 122

Figura 57. Menú para ingresar datos de fertilizantes comerciales a la base de datos ........ 123

Figura 58 Valor de la relación ............................................................................................ 125

Figura 59 Diagrama de clases ............................................................................................ 125

Figura 60 .Programa para simular un puerto serial. ........................................................... 126

Figura 61.Interfaz en matlab para cargar el programa en el micro controlador ................. 126

Figura 62. Interfaz gráfica en proteus ................................................................................ 133

Figura 63. Seleccionar el dispositivo de control ................................................................ 137

Figura 64. Detectar el Compact Rio ................................................................................... 137

Figura 65. Selección del modo de Programación............................................................... 138

Figura 66 Proyecto que se creó en Labview ...................................................................... 138

Figura 67.Formas de programar el Compact Rio ............................................................... 139

Figura 68. Programa en el VI de la FPGA ......................................................................... 140

Figura 69. Selección de los módulos digitales ................................................................... 140

Figura 70. Ruta a seguir para configurar la fpga ................................................................ 141

Figura 71.Selección del VI de la fpga ................................................................................ 141

Figura 72. Selección de los slots habilitados ..................................................................... 142

Figura 73.Confirmacion del punto de llegada al sitio de dosificación ............................... 142

Figura 74. Secuencia para verificar el estado de los sensores de nivel .............................. 143

Figura 75.Señal para ir al sitio de recarga .......................................................................... 143

Figura 76. Tipo de nutriente a dosificar ............................................................................. 144

Figura 77.Ejecucion del tiempo de accionamiento de las electroválvulas ......................... 144

Figura 78. Vínculos a través de windows con MySQL ..................................................... 145

Figura 79.Seleccion del origen de datos para establecer la conexión ................................ 145

Figura 80.Prueba de conexión con la base de datos ........................................................... 146

Figura 81. Ingresar dosis para los puntos de dosificación ................................................. 146

Figura 82. Selección de dosis a través de la base de datos. ............................................... 147

Figura 83 Histórico de tiempos ......................................................................................... 148

Figura 84 Conexiones externas al compact rio de las entradas digitales ........................... 149

Figura 85 Conexiones externas al compact Rio de las salidas digitales ............................ 150

Figura 86 .Ejecutar aplicativo ............................................................................................ 155

Figura 87.Control de acceso ............................................................................................... 155

Figura 88.Datos de acceso erróneos ................................................................................... 155

Figura 89 .Control principal ............................................................................................... 156

Figura 90.Verificación de señales ...................................................................................... 156

Figura 91. Cantidad de puntos a recorrer ........................................................................... 157

Figura 92. Conexión con la base de datos .......................................................................... 157

Figura 93. Tipo de macronutriente ..................................................................................... 158

Figura 94. Volúmenes de macronutrientes......................................................................... 158

Figura 95 Interfaz de simulación ....................................................................................... 159

LISTA DE ANEXOS

Pág.

ANEXO A ........................................................................................................................... 94

ANEXO B ............................................................................................................................ 97

ANEXO C ......................................................................................................................... 101

ANEXO D ......................................................................................................................... 105

ANEXO E .......................................................................................................................... 106

ANEXO F .......................................................................................................................... 108

ANEXO G ......................................................................................................................... 114

ANEXO H ......................................................................................................................... 124

ANEXO I ........................................................................................................................... 126

ANEXO J .......................................................................................................................... 134

ANEXO K ......................................................................................................................... 149

ANEXO L .......................................................................................................................... 151

15

INTRODUCCION

Un conocimiento adecuado de las variables que influyen en el manejo de los cultivos

permite comprender las variaciones que se pueden ocasionar si un determinado elemento en

el proceso de siembra no se manipula correctamente. Los problemas generados en el

producto serían irreversibles, y en el suelo provocaría degradación por mala utilización de

los nutrientes. La agricultura de precisión se encarga de ofrecer herramientas que generen

soluciones integradas al uso indicado de cada variable del suelo. Si se modifica el aporte de

agroquímicos, utilizando dosis precisas en la aplicación, se incrementan beneficios en las

cosechas. Es por eso que parte del buen uso de los recursos disponibles está en evaluar la

susceptibilidad del suelo a la degradación por pérdida de nutrientes a partir de la extracción

del elemento por hectárea sembrada y una estimación de la disponibilidad del elemento,

contribuiría en la recuperación para evitar el empobrecimiento del suelo. El uso de

herramientas tecnológicas, permite integrar un sistema eficiente con el uso apropiado de

insumos y como parte esencial, es recurrir al fraccionamiento adecuado en la aplicación de

agroquímicos, de manera que los productos finales en la producción sean de buena calidad,

con mínimo impacto ambiental en los suelos y altamente rentable en el uso de fertilizantes.

El estudio de la variabilidad espacial es fundamental y hace parte del proceso activo para

identificar las propiedades en un suelo específico. Con base en esta premisa es

indispensable seleccionar un cultivo, para establecer fuentes de información para conocer

las necesidades, requerimientos, variables climáticas y demás características que hacen

parte del buen desarrollo de las cosechas y producciones que satisfagan al productor. En ese

sentido como parte de la investigación es importante especificar un tipo de cultivo y

establecer las condiciones necesarias para determinar un sistema de dosificación eficiente,

donde se determinen los criterios de diseño de todos los subsistemas que se llevan a cabo;

de manera que se optimice la aplicación de insumos en el terreno que se desea cultivar.

Para diseñar un sistema de dosificación en la aplicación de fertilizantes químicos se debe

identificar requerimientos tales como: tipos de nutrientes o fertilizantes, características

técnicas del cultivo, elementos mecánicos involucrados, estructura de robot móvil, entre

otros; y se pueden hacer aplicaciones basadas en mapas de fertilización, sistemas de

16

información geográfica o medición de elementos en tiempo real, que son opciones que

sirven para establecer dosis correctas en cultivos; pero debido a que el proyecto está

enfocado a dar soluciones para medianos y pequeños productores se debe realizar la

aplicación que se requiera con la cantidad adecuada de recursos y a partir de información

de las instituciones gubernamentales que manejan el desarrollo agrícola en Colombia, con

el objeto de establecer las tasas de dosificación tanto dosis variables como fijas; con lo cual

se tiene un punto de partida para todo el análisis correspondiente de los elementos a utilizar

y así desarrollar un primer sistema de información para un cultivo piloto.

Sabiendo que gran parte del territorio nacional es asequible para la siembra, este trabajo

proporcionará elementos de juicio para utilizar herramientas que permitan obtener

mayores beneficios en cuanto al aumento de producción en las cosechas, minimizar costos,

maximizar el potencial de suelos; lo cual representa un mínimo impacto ambiental, de

manera que se pueda ajustar a los avances en el mundo y lo más importante, para un

desarrollo agroindustrial que se vea reflejado en el producto final; para garantizar la más

alta calidad. Este sistema de dosificación hace parte de un proyecto macro que permite la

autonomía en la aplicación de fertilizantes, basados en punto específico; es decir, manejar

tasa variable en las dosis, basados en datos previamente procesados, dependiendo de la

densidad de siembra del cultivo que en últimas, significa encontrar las deficiencias

nutricionales de manera que se puedan solventar, mediante los fertilizantes; para

proporcionar el buen desempeño del cultivo.

Este trabajo en su contenido global, del sistema de dosificación, presenta en una primera

etapa: la identificación del cultivo y la selección de los fertilizantes. Con los anteriores

parámetros, se determina el subsistema mecánico que incluye: la determinación de un tipo

de bomba, especificación de los elementos hidráulicos involucrados dentro del sistema. En

una segunda etapa, se desarrolla de manera general, los modelos matemáticos, que permitan

entender los fenómenos físicos que ocurren en los subsistemas. En una tercera etapa, se

comparan dos dispositivos, para ejecutar las acciones de control en la dosificación del

fertilizante, para luego determinar las ventajas y desventajas de estos elementos.

17

1 SISTEMA DE DOSIFICACIÓN, PARA UN VEHÍCULO DE DISTRIBUCIÓN

INTELIGENTE DE FERTILIZANTES QUÍMICOS

1.1 RESUMEN

Este trabajo de grado expone el desarrollo de una aplicación para dosificación automática

de fertilizantes sobre un cultivo, la cual se ajusta a una densidad de siembra en un terreno.

El sistema de dosificación, es parte de una estructura autónoma de un vehículo robotizado,

para la aplicación agrícola en la Región Central de Colombia y forma parte del proyecto de

investigación en Agricultura de Precisión o Agricultura Inteligente. Como punto de partida

de la aplicación, se recopiló información acerca de los cultivos y con base en los datos

característicos encontrados, se determinaron las propiedades que fueran primordiales para

el desarrollo del sistema. De lo anterior, se encontró que un aspecto importante es

seleccionar el cultivo debido a que de él dependen las especificaciones de nutrientes y sus

características operativas, para definir el dimensionamiento del robot móvil el cual contará

con una plataforma de dosificación; con base en las propiedades del cultivo.

Para un fraccionamiento de dosis es importante conocer la materia prima y establecer el

tipo de fertilizante adecuado para el sistema. Con base en lo anterior, se establecieron los

tipos de fertilizantes y sus cantidades, las dimensiones de los tanques, se definieron los

sensores de nivel, se hizo la distribución de la tubería en cuanto a los requerimientos del

cultivo y así mismo, se desarrolló el sistema de control, teniendo en cuenta que solamente

se requería saber los niveles de los tanques en su máximo y mínimo nivel. La aplicación no

debía ser continua en el tiempo debido a la gran cantidad de puntos a recorrer, y los

requerimientos puntuales de dosis se asignan con base en un estudio previo del cultivo y los

datos se almacenan en un sistema de información central. Para un sitio especifico de

dosificación se necesita simplemente accionar una bomba dosificadora y una electroválvula

en cada punto de dosificación, con un control simple (ON-OFF), obteniendo un porcentaje

de error en la dosificación muy pequeño lo que significaba aportes adecuados de nutrientes

al cultivo, ya que las cantidades dosificadas son mínimas en cada punto.

18

1.1.1 ABSTRACT:

This paper describes the development grade of an application for automatic dosing of

fertilizers on a crop, which is adjusted to a density in an area. The dosing system is part of

an autonomous structure of a robotic vehicle for agricultural application in the Central

Region of Colombia and is part of the research project on Precision Agriculture or Smart

Agriculture. As a starting point of the application is compiled information about crops and

based on the data found characteristic properties were determined to be central to the

development of the system. From the above, it was found that one important aspect is to

select the crop because it depends nutrient specification and its operational characteristics,

to define the dimensioning of the mobile robot which will have a dispensing platform,

based on the properties of crops.

For a dose fractionation is important to know the material and set the type of fertilizer

suitable for the system. Based on the foregoing, settled fertilizer types and their amounts,

the dimensions of the tanks, defined by the level sensors, the distribution became pipe

regarding crop requirements and likewise, was developed control system, considering know

that only required levels tanks at its maximum and minimum level. The application must

not be continuous in time due to the large number of points to be covered, and the precise

dosage requirements are allocated based on a previous study of the crop and the data is

stored in a central information system. For a site-specific dosage needed simply actuating a

metering pump and a solenoid valve in each dispensing point, with a simple control (ON-

OFF), obtaining an error rate in the very small dosage which meant adequate nutrient inputs

to culture, as measured quantities at each point are minimal.

19

1.2 ESTADO DEL ARTE

1.2.1 Sistemas de inyección directa

Obtener máximos beneficios con mínimos recursos es una tendencia que marca el estilo y

propone el mundo hoy por hoy en cualquier área de investigación, pero una en especial ha

tenido gran avance los últimos años: es la agricultura de precisión. Se define como la

aplicación práctica de una serie de técnicas y conocimientos que permiten la realización del

denominado manejo sitio específico1

que permite obtener en un determinado terreno el

máximo potencial por una pequeña área de terreno lo que significa un ahorro en insumos,

evita la erosión del suelo, rendimientos óptimos en las cosechas, y muchos otros beneficios.

La tecnología actual suministra herramientas muy útiles en agricultura, una de ellas que ha

tenido gran acogida es el sistema de posicionamiento global (GPS) 2,3,4

ya que permite

variar puntualmente la aplicación de insumos.

Una aplicación basada en GPS consiste en ubicar un punto geo referenciado, para así

obtener información del estado del terreno por medio de sistemas de información

geográfica (SIG)5, con base en muestras tomadas en puntos específicos del terreno antes de

la siembra, de manera tal que se pueda establecer la homogeneidad o heterogeneidad de la

parcela, estos datos obtenidos definen la dosis para ingresarlos a los sistemas de

información. Esta variabilidad espacial del suelo en cuanto a la distribución de los

compuestos fertilizantes dependerá de muchos factores: entre ellos se encuentran el relieve

del terreno, su forma espacial, es por eso que hoy en día utilizan modelos digitales del

terreno (MDT)6, utilizando estas técnicas combinadas con análisis estadísticos del suelo,

que permiten obtener óptimos resultados en la aplicación del fertilizante sobre un suelo

determinado.

1 Institución Nacional de Tecnologia Agropecuaria.(2011).Agricultura de precisión.

http://www.inta.gov.ar/Villegas/info/PDF/Jornadas/Agrofutura09/09_Cid_agricultura_de_precision.pdf 2 Garcia Pérez, L. et.al. An agent of behavior architecture for unmanned control of a farming vehicle. Computers and Electronics in

Agriculture.Science Direct. No. 60. 2008.p. 39-48 3Gan-Mor, Samuel et.al. Implement lateral position accuracy under RTK-GPS tractor guidance. Computers and

Electronics in Agriculture.Science Direct. No. 59. 2007.p. 31-38.

4 De Bruin, S. et.al. Propagation of positional measurement errors to agricultural field boundaries and associated costs.

Computers and Electronics in Agriculture. Science Direct. No. 63. 2008.p. 245-256. 5 Santé-Rivera, Inés. Et.al. GIS-based planning support system for rural land-use allocation. Computers and Electronics in

Agriculture. Science Direct. No. 63. 2008.p. 257-273. 6 Kumhála, František. et.al. Development and evaluation of forage yield measure sensors in a moving-conditioning

machine. Computers and Electronics in Agriculture. Science Direct. No. 58. 2007.p. 154-163

20

Una empresa que se destaca por el desarrollo de sistemas de aplicación de fertilizantes es

Teejet7, que ha consolidado muchos productos para uso comercial en el campo de la

agricultura. Uno de estos son los sistemas de inyección directa que disponen de un conjunto

de componentes como lo son: consolas de agitación, bombas peristálticas, depósitos y

válvulas entre otros; este sistema es ampliamente utilizado para labores agroindustriales en

todo el mundo y su esquema se visualiza en la figura 1.

Figura 1.Esquema y componentes

Fuente Tomada de http://www.teejet.com

La Figura 1 permite ver el flujo de información y conexión de dispositivos, donde se

adaptan a una sola consola de mando y mantienen el formato de la norma internacional

ISO11783 que usualmente la llaman isobus adoptadas por los fabricantes de maquinaria

agrícola en el año 2001. Esta aplicación establece la dosis para los tres macronutrientes

esenciales para el suelo, los cuales son: Nitrógeno, Fósforo, Potasio; utilizan tres tanques y

7 Teejet tecnologías.(2011).Componentes del sistema de inyección directa. http://www.teejet.com

21

tres bombas peristálticas, para el almacenamiento y posterior dosificación, el control de

dosificación está sujeto a la consola de mando, y variar la velocidad del motor de la bomba.

Otra manera de medir la falta de nutrientes es por medio de un sensor remoto desarrollado

por la universidad de Oklahoma de EE.UU, para definir la dosis, se debe establecer el

estado nutricional del cultivo respecto al Nitrógeno(N), de tal manera que se pueda

cuantificar a partir del contenido de clorofila, el cual se determina midiendo la reflactancia

del follaje. El aumento de la concentración de clorofila debido a un mejor nivel de N

incrementa el área foliar y la actividad fotosintética, por lo que la correlación entre el índice

espectral y la acumulación de biomasa de los cultivos permite predecir el estado nutricional

y, consecuentemente, la recomendación de fertilización. La lectura de reflexión interna es

calculada por un microprocesador, que permite obtener el Indice de vegetación de

diferencia normalizada (NDVI), que se transmite a un computador portátil adaptado al

sensor8 . De los anteriores sistemas mencionados, la aplicación que se puede adaptar mejor

al proyecto, es el sistema de inyección directa porque, utiliza dispositivos que son de fácil

acceso como los son: los tanques y la bombas peristálticas; permite la manipulación

diferencial de los fertilizantes, lo que conlleva al control especifico de cada nutriente en el

suelo. Por esta razón, gran parte del proyecto está enfocado hacia la estructura de esta

aplicación; sin dejar de lado las otras aplicaciones mencionadas, como el sistema basado

en GPS, que sirve para ubicar una coordenada especifica dentro del cultivo, de manera que

se pueda establecer un nivel de dosificación para punto en particular. Para establecer los

nutrientes requeridos, se realiza, según los ingenieros agrónomos de dos formas: la primera

y más recomendable es hacer un análisis de suelos previo del terreno lo que permite estar

plenamente seguro de los requerimientos exigidos por el suelo; la segunda forma se puede

determinar estableciendo dosis de acuerdo a estudios hechos con anterioridad en una

región en particular, que permita determinar información acerca de la composición del

suelo y la dosificación aparente que se necesite, que posteriormente se pueda ingresar a una

base de datos central.

8 Buscagro.(2011).Experiencia con el sensor remoto terrestre greenseeker. http://www.buscagro.com

http://www.buscagro.com/

22

1.3 OBJETIVOS

1.3.1 OBJETIVO GENERAL

Diseñar y simular un prototipo de sistema de dosificación para un vehículo de

distribución inteligente de fertilizantes químicos.

1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1. Diseñar una base de datos que suministre la información de porcentajes de

dosificación de los elementos a aplicar

2. Diseñar y simular el sistema mecánico de dosificación el cual va acoplado al

vehículo

3. Diseñar y simular el sistema de mezcla de los fertilizantes a aplicar

4. Diseñar y simular el sistema de control de dosificación el cual dará el balance

adecuado de macro nutrientes en el cultivo

5. Diseñar y simular el sistema de riego de los fertilizantes y agua.

6. Diseñar y simular el sistema de acople y llenado de los fertilizantes y agua del

vehículo.

7. Diseñar y simular el sistema de control de nivel para el almacenamiento de macro

nutrientes y de agua del sistema.

8. Diseñar y simular los tanques de almacenamiento necesarios para el sistema de

dosificación.

9. Diseñar y simular la tubería requerida para el sistema de riego dentro del vehículo.

10. Diseñar e implementar una interfaz de comunicación humano-máquina con el

usuario del sistema.

23

2 CRITERIOS DE DISEÑO

2.1 Selección del cultivo:

La selección se hizo a partir de la información recolectada acerca de los diferentes

tipos de cultivos que son desarrollados en mayor escala en el país, lo cual permitió

establecer características de cada uno9.

La Jartropha, es un arbusto muy grande que implicaría un prototipo más robusto y

por lo tanto, costoso y es un cultivo que casi no requiere irrigación de nutrientes que

es el propósito principal del proyecto. Incluso, se usa como fuente de abono y

fijación de nitrógeno entre otros. En Colombia, es un cultivo de reciente estudio por

el interés en aceites y combustibles y no se tienen referencias de cultivos

relativamente grandes que lo justifiquen.

La Soya, es el cultivo que más se presta por sus condiciones de siembra, irrigación,

crecimiento y características del cultivo a gran escala. Es un tipo de cultivo de un

buen crecimiento en Colombia en los últimos años. Tiene un gran rendimiento en

condiciones de automatización del cultivo (2,5 a 3 Ton/ha) y gran demanda (820000

Ton/año). Pero es un cultivo que fundamentalmente se está desarrollando en la

región de la Orinoquía en Colombia, que lo hace demasiado lejano para pruebas de

campo y de menor accesibilidad que otros.

El Arroz, es un cultivo que se encuentra en una región no tan lejana (Tolima), tiene

buenos requerimientos de aplicación de nutrientes durante todo el período de

desarrollo (3 a 4 veces); es de gran producción en Colombia por su consumo diario,

pero presenta inconvenientes por el periodo de inundación que influyen en la

asimilación y pérdida de nutrientes por una parte, y en la complejidad requerida por

el vehículo para su posible uso en este periodo de inundación. Por el contrario, si se

prescindiera del vehículo durante la inundación, podría ser muy costoso.

9Martin.Pedro.F Definicão de tipo cultura ou plantacão.Relatorio para qualifacão de Doutorado.Distribuicão inteligente de

adubos químicos via Gps,2011.

24

El Trigo, es un cultivo que ha venido decayendo extremadamente rápido en los

últimos años en Colombia ya que después de ser de gran producción, pasó a ser de

gran importación, por los costos de producción, frente a los productos procesados

importados, que lo hacen muy desfavorable. Los cultivos más grandes se encuentran

en el sur del país (departamento de Nariño) que lo hacen inconveniente por lo lejano

y los más cercanos (departamento de Boyacá), son relativamente pequeños para

nuestros fines (menor de 0,5 ha).

La papa, es una planta de tamaño relativamente pequeño (aprox. 30 cm), con

cultivos de 1m entre surcos y 40 cm entre plantas, de disponibilidad casi

permanente en la sabana de Bogotá, con cultivos grandes en el departamento de

Boyacá (a 1,5 horas de Bogotá), su producto de interés es el tubérculo, siendo

menos delicado el cuidado de la planta, con aplicación frecuente de nutrientes y con

cosechas abundantes en gran escala (15 a 25 ton/ha). Las variedades comerciales

son de consumo diario, lo cual hace fácil encontrar los cultivos disponibles y solo es

muy sensible a las heladas, que se presentan ocasionalmente, cuando hay cambios

bruscos de clima por temporada; lo cual no ocurre frecuentemente. A esto se suma

la facilidad de encontrar cultivos para pruebas de campo incluso en la calera, hacia

las afueras de la ciudad de Bogotá

De las anteriores características presentadas, se determinó, que el cultivo de papa presenta

las siguientes ventajas:

Ubicación geográfica de siembra: Según finagro10

, aproximadamente el 65% de la

producción comercial de la papa se concentra en el departamento de Cundinamarca con un

índice del 30% , y en Boyacá alrededor del 35%,lo cual facilita un desplazamiento cercano

desde Bogotá hacia un cultivo sembrado en cualquier punto de Cundinamarca, para realizar

pruebas de campo. Mientras los otros cultivos evaluados se siembran en zonas alejadas del

casco urbano de Bogotá.

10 Finagro.(2012).Información sectorial(papa). www.finagro.com.co

http://www.finagro.com.co/

25

Tamaño de la planta: En comparación con los demás cultivos, la papa presenta crecimiento

vegetativo no mayor a 30 cm, lo que significa, un desarrollo de un prototipo a una escala

adecuada, de manera tal que no implique costos muy elevados en la fabricación.

Cantidad de semilla sembrada por hectárea: Las distancias más corrientes entre surcos

están entre 70 a 100 cm y 30 a 40cm entre plantas, lo que implica un aporte nutricional

bastante alto, es decir aplicación de fertilizantes frecuentemente.

Temporadas de siembra en Colombia: Debido a condiciones climáticas, durante enero y

marzo se realiza la siembra grande alrededor de 50% del área sembrada, y la siguiente se

realiza entre junio y agosto que representa el 30% del área sembrada, y el resto del año se

hacen siembras escalonadas.

2.2 Características de dosificación

Luego de verificar las características técnicas seleccionadas del cultivo, se procedió a

definir las características, en cuanto al manejo adecuado de nutrientes en la dosificación; de

acuerdo, con algunos estudios técnicos (FONADE, et al 2002) manifiestan que la nutrición

del cultivo de papa se realiza con aplicaciones de fertilizantes macronutrientes, ricos en

Nitrógeno Fósforo y Potasio, y algunos micronutrientes, como lo son Calcio, Magnesio y

Azufre. En cuanto a la cantidad de aplicación lo más recomendable técnicamente, es

realizar un análisis de suelo al lote que se quiere utilizar, para determinar dosis adecuadas

sobre el terreno, pero también existen recomendaciones de dosis, que fueron orientadas

para diferentes regiones del país, permitiendo que productores, los cuales no tienen recursos

suficientes para realizar los estudios pertinentes en el suelo, también puedan aplicar

fertilizantes, de acuerdo con requerimientos específicos de cada región. Más adelante en el

documento se especifica en una tabla el requerimiento específico para la región de

Cundinamarca y Boyacá.

26

2.3 Selección del tipo de fertilizante:

En la investigación correspondiente con el cultivo se encontró que el uso inadecuado de los

insumos hace que los precios de producción puedan aumentar, además que el producto final

no sea de óptimas condiciones. Por esta razón, se debe implementar una estructura que

permita el correcto uso de los fertilizantes que se deben aplicar al cultivo. En ese orden de

ideas también es importante definir qué clase de agroquímico se debe aplicar a la papa de

manera tal que permita óptimos rendimientos en las cosechas con el requerimiento

específico de la siembra.

Los fertilizantes son materiales de tipo orgánico e inorgánico que se suministran a las

plantas para complementar las necesidades nutricionales de su crecimiento y desarrollo. En

los fertilizantes se debe distinguir: La unidad del fertilizante y la concentración.

La unidad fertilizante es la forma que se utiliza para designar al nutriente.

Internacionalmente se establece la siguiente caracterización11

:

Tabla 1.Designacion de nutrientes

Elemento Símbolo o formula

Nitrógeno N

Fosforo P2O5

Potasio K2O

Calcio CaO

Magnesio MgO

Azufre S

Fuente Federico Ramírez D. Especialista en Fertilidad de Suelo y Nutrición de

Plantas Corporación Misti S.A.

La concentración de un fertilizante es la cantidad del elemento nutritivo por unidad de peso

del producto. Se expresa en porcentaje del total del peso del fertilizante.

A partir de la concentración de un fertilizante y conociendo la necesidad en kg del

elemento, se determina la cantidad de aplicación del mismo, mediante la siguiente fórmula:

11 Corporación Misti S.A.(2011).Conceptos sobre fertilidad de suelos y fertilizantes. Federico Ramírez D. Especialista en

Fertilidad de Suelo y Nutrición de Plantas. Pág. 2

27

( 1)12

Para la aplicación del fertilizante en el suelo, se debe determinar en qué estado de la

materia se encuentra, es decir su forma física. Los fertilizantes se clasifican en dos grandes

Grupos: sólidos y líquidos; las propiedades físicas de los sólidos están determinadas por la

granulometría del producto, esto se refiere al tamaño de la partícula, que según el

fabricante, estos gránulos pueden variar entre 2 mm y 4 mm y los que son solubles en agua

están entre 0.1 mm y 0.15 mm, lo cual influye en la uniformidad de distribución del

fertilizante en el campo y en la cantidad de material que pueda salir de un depósito de

almacenamiento. Esto último, puede generar que los gránulos individuales formen una

masa sólida a lo cual se le denomina compactación. Por otro lado los fertilizantes líquidos

presentan características, en cuanto a: composición química, temperatura de cristalización,

pH, peso específico. De las anteriores características, la variable de la cual no se podría

tener control seria la temperatura, pero de acuerdo a la selección del cultivo, los cambios

bruscos de temperatura que ocurren en la región no se producen muy frecuentemente; por

tal motivo y teniendo en cuenta que sus otras características son fijas, es decir, que están

dadas por el fabricante del fertilizante. La ventaja radica en contar con tecnología más

precisa para aplicar la cantidad de volumen requerido de nutrientes en el suelo. Con base en

lo anterior, se optó por usar los fertilizantes líquidos. Para ver en más detalle las

características de los fertilizantes ver el ANEXO A.

A la hora de planificar la dosis adecuada es importante conocer el grado del fertilizante en

cualquiera de sus presentaciones, esto se define como la relación del contenido nutricional

expresado en porcentaje (peso), en el siguiente orden: N-P2 O5 –K2 O. En consecuencia, el

fertilizante cuyo grado es 13-26-10, por ejemplo, contendría 13% de Nitrógeno (N), 26% de

12 Corporación Misti S.A.(2011).Conceptos sobre fertilidad de suelos y fertilizantes. Federico Ramírez D. Especialista en

Fertilidad de Suelo y Nutrición de Plantas. Pág. 3

28

Fósforo (P2O) y 10% de Potasio (K2O); si el contenido en un producto, contiene un solo

elemento, a este se le denomina como un fertilizante simple, por lo tanto si tiene más de

uno, son fertilizantes compuestos. Los fertilizantes líquidos comerciales que se

seleccionaron, fueron de acuerdo a catálogos comerciales, debido a la información

completa que suministran respecto a las características del fertilizante líquido, que sirven

como análisis para elementos del sistema de dosificación; esta empresa es de origen

argentino, pero si se quiere encontrar en Colombia, estos mismos productos pueden ser

fabricados en base a una fórmula solicitada, lo cual no tiene problema a la hora de montar

el proyecto. Teniendo en cuenta lo anterior, las características de los fertilizantes líquidos

se presentan en la Tabla 2.

Tabla 2. Fertilizantes agrosuma

Nitrogenados Solmix 28-0-

0 + 5,2% S

Fosfatados Solfos 11-37-0 +

5% S

Potásicos Solks 0-0-25

+17% S

7% N-Nítrico 11% N- Amoniacal 25 % k2O

8% N-Amoniaco 30% P2O5 ------------

10 % N- Ureico 5% Azufre ------------

Densidad 1.32kg/l Densidad 1.41kg/l Densidad 1,46 kg/l

Fuente Agrosuma13

13 Marcelorossini.(2012,25 de mayo).Fertilizantes líquidos Solmix. http://www.marcelorossini.com.ar

http://www.marcelorossini.com.ar/

29

3 ESPECIFICACIONES DEL SISTEMA DE DOSIFICACION

La forma general del sistema de dosificación se pueden dividir en tres subsistemas, como lo

son: el sistema mecánico, sistema electrónico, sistemas de comunicaciones, si se tiene en

cuenta que el prototipo es un robot móvil, estos elementos deben ir involucrados. El

sistema mecánico está conformado por dispositivos tales como, motores, mangueras, tés,

codos, bombas y demás elementos que puedan describir el movimiento del fluido dentro de

este. El sistema electrónico es el encargado del procesamiento de señales dentro del

sistema, por medio de un conjunto de circuitos que interactúan entre sí para generar algún

control. En cuanto al sistema de comunicación, se contemplan tres opciones, como lo son:

Zigbee, bluetooth, y wirelees que sirven para enviar y recibir señales, la diferencia radica

en sus características técnicas. De acuerdo con lo anterior se desarrollan los subsistemas a

seguir.

3.1 Subsistema Mecánico:

A continuación se describen los elementos por medio de un esquema, en la Figura 2 y su

distribución en el sistema.

Figura 2 Esquema general de dosificación

Fuente autores

30

3.1.1 Bomba hidráulica:

Este elemento convierte la energía mecánica desarrollada por el motor eléctrico en energía

de presión hidráulica. Se seleccionó una bomba de desplazamiento positivo por las

siguientes ventajas ofrecidas: desplazan un volumen predeterminado de líquido en un

tiempo especificado, las partes internas de la bomba no se encuentran en contacto con el

líquido, lo que representa un ventaja debido a las características del fertilizante, se utilizan

frecuentemente para aplicaciones de inyección de productos químicos, el flujo es constante

independientemente de la presión, estas características la hacen un opción muy útil en el

manejo controlado del líquido14,15

. Las características de la bomba están en el ANEXO B.

3.1.2 Mangueras:

Una manguera permite transportar fluidos de un lugar a otro. A las mangueras también se

les llama tubos, aunque los tubos generalmente son rígidos mientras que las mangueras son

flexibles. Para la unión de mangueras se utilizan distintos tipos de racores o acoples de

diferentes formas (en codo, T ,L).Teniendo en cuenta lo anterior, en el proyecto se utilizan

mangueras para riego, que tengan resistencia a la corrosión ,debido a que dentro de las

tuberías se moverán los fertilizantes que tienen un grado de acidez alto. De acuerdo con lo

anterior, y debido a la gran cantidad de tuberías que se encuentran en la industria en

diferentes presentaciones, se limitó a la selección de las tuberías16

, hacia aplicaciones en el

ámbito de la agricultura, junto con los racores y accesorios comerciales, al revisar catálogos

comerciales se estimó un diámetro nominal de 12mm para la conexión entre los elementos,

esta manguera por sus características de fabricación, es resistente a los agroquímicos e ideal

para la aplicación.

14 Kenneth, J. (1978). Bombas, Selección, uso y mantenimiento.Madrid.McGraw-Hill 15 Mott, R.L. (2006).Mecánica de fluidos. México. Pearson Educación. 16 Agrifim.(2012).Portafolio de productos.http://www.agrifim.net/

http://es.wikipedia.org/wiki/Fluido

http://www.agrifim.net/

31

3.1.3 Boquillas:

Las boquillas permiten aplicar el fertilizante con un radio de mojado específico. En este

proyecto se utilizan micro aspersores, por el dimensionamiento que se hizo al prototipo, lo

cual no requiere un aspersor de un tamaño robusto.

A partir de la selección que se hizo en la tubería con los catálogos comerciales, se

encontraron las boquillas o micro aspersores para riego, que permitieran uniformidades de

riego, las cuales proporcionan una descarga en forma dirigida con una alta uniformidad de

riego, estás características se presentan en la Tabla 3.

Tabla 3. Micro aspersor para riego

Referencia Presión (psi) Caudal (lph) Radio mojado

20 27 1

30 25 30 1,05

30 34 1,05

20 42 1,1

45 25 45 1,1

30 51 1,15

Fuente http://www.agrifim.net/hojas%20tecnicas/monojet.pdf 17

Los diámetros seleccionados tanto para la tubería como en las boquillas, se determinan, a

partir de la compatibilidad entre elementos, para evitar acoples que generen pérdidas en el

trayecto del fluido.

3.1.4 Tanques:

Para el almacenamiento de los fertilizantes en tanques, se seleccionaron a partir de

requisitos tanto en dosificación como del dimensionamiento del vehículo agrícola, esto

último para permitir un centro de gravedad permisible en el vehículo, con lo cual la altura

del tanque no afectara el equilibrio del vehículo, de esta manera no debe ser mayor a 40 cm.

Por otro lado, se necesita determinar los materiales adecuados que soporten presiones

ejercidas por el líquido dentro del tanque y que la cantidad de fertilizante acumulada sea de

gran capacidad. Las anteriores características se presentan en el diseño de tanques.

17 Agrifim.(2012).Portafolio de productos.http://www.agrifim.net/

http://www.agrifim.net/hojas%20tecnicas/monojet.pdf


32

3.2 Subsistema electrónico:

Para maniobrar los diferentes dispositivos del sistema, se debe contar con un conjunto de

componentes, a partir de los cuales se pueda ejecutar acciones, tales como, encendido o

apagado, procesamiento de señales o verificación del proceso, entre otras, que permitan la

aplicación de fertilizante apropiada. Los siguientes elementos hacen parte de este

subsistema:

3.2.1 Controlador:

En el mercado existen una buena cantidad de elementos que sirven para controlar procesos,

por lo tanto se hizo una comparación entre dos aplicaciones, una realizada con un micro

controlador, y otra con un pac programable(CompactRio)18

. Se seleccionó el pac, por las

ventajas que presentaba sobre el micro controlador, una de ellas radica en la robustez del

equipo. El pac puede utilizarse en condiciones extremas dentro de un proceso, esto indica

un factor de fiabilidad, en cuanto a la capacidad de soportar ambientes agresivos, posee

módulos de entradas y salidas industriales intercambiables, con una gran cantidad de

puertos, lo que significa soportar varias señales. De modo que no solo cumple con los

requerimientos del sistema de dosificación, sino que también puede controlar otras señales

que no hacen parte de este, como el control de movimiento del vehículo agrícola, con lo

cual permitiría unificar las señales dentro de un mismo controlador, en el proyecto macro

en agricultura de precisión. Además facilita el control en tiempo real según los

requerimientos del sistema por el control remoto

3.2.2 Sensores de nivel:

El sistema de dosificación posee unos tanques donde se almacenan los fertilizantes. Por esta

razón, se debe utilizar sensores que permitan verificar el nivel del líquido en un máximo y

un mínimo nivel. Para este tipo de aplicación usualmente se utilizan sensores de

proximidad, por esta razón se seleccionó un sensor capacitivo con las siguientes

características operativas que posee. Entre ellas se encuentran los rangos de operación entre

18

National Instrument.(2012).Productos y servicios. http://www.ni.com/compactrio/esa/

33

8-40 mm y la tensión típica de funcionamiento 12-24 VDC. En el ANEXO C se muestra la

referencia del sensor seleccionado.

3.2.3 Electroválvulas:

Las válvulas ofrecen múltiples posibilidades según su funcionalidad, por este motivo se

dividen en las siguientes categorías: válvulas distribuidoras, de cierre, de flujo, de presión.

Para este proyecto la acción ejercida, será regular el paso de líquido hacia una boquilla, ver

Figura 2, de tal manera que se pueda ejercer control sobre un punto de dosificación. De las

anteriores categorías, las válvulas de distribución son las ideales para este tipo de función:

también se debe tener en cuenta el sistema de accionamiento, el cual va a ser eléctrico, la

válvula seleccionada tiene las siguientes características de operación: conexión de 12.7

mm, válvula 2/2, soportan temperatura de hasta 60° a 100°C, según la referencia comercial

y una presión diferencial de 1-1,2 bar. En el ANEXO D se muestra la electroválvula

seleccionada.

3.2.4 Motores:

El principio básico de operación de un motor de corriente continua es la rotación de una

armadura en un campo magnético gracias al par producido por dicho campo magnético19

.

Para este proyecto se utiliza en el accionamiento de unos agitadores, de tal manera que

pueda mantener homogéneo el fertilizante en el tanque, y garantizar las concentraciones

necesarias en los puntos de aplicación. En el capítulo 4 se define el motor seleccionado, en

la sección de sistema de mezcla.

3.3 Subsistema de comunicación:

Para interactuar los dispositivos de campo que suministren información con un sistema

información central, se deben tener en cuenta elementos que proporcionen estas

características: se puso en consideración los siguientes medios para establecer

comunicación entre el controlador y una estación remota. A continuación se presentan

características importantes de estos elementos:

19 Solé A.C. (2011). Neumática e hidráulica. México. Alfaomega. Cap 4, Pag169

34

3.3.1 Bluetooth:

Es una tecnología que se caracteriza por usar enlaces de radio de corto alcance entre

móviles y otros dispositivos, como teléfonos celulares, puntos de accesos de red y

computadoras. La frecuencia de radio con la que trabaja está en el rango de 2.4 a 2.48Ghz

con la posibilidad de transmitir full dúplex. La especificación de Bluetooth define un canal

de comunicación de máximo 720Kb/seg con rango óptimo de 10m20

.

3.3.2 Wireless:

Es un medio de transmisión inalámbrico por ondas de radio, con muy buena cobertura para

distancias cortas, teóricamente hasta 100m, actualmente hay 3 estándares básicos, wireless

b, g, n, sus diferencias radican en la velocidad de transmisión de datos y la banda de

frecuencia que utilizan21

.

3.3.3 XBEE:

Son módulos de conectividad inalámbrica, se pueden comunicar a una arquitectura punto

a punto, punto a multipunto o en una red mesh; según el modelo el alcance puede llegar a

1.6 km, tiene entradas digitales y analógicas, tienen un bajo consumo alrededor de 50 mA

y modo de transmisión serial.

A partir de lo anterior, se seleccionó la tecnología XBEE22

debido a que sus características

de transmisión, alcanzan una mayor cobertura, alrededor de 1.6 km, lo cual es un factor

determinante en el modo de operación del sistema, el cual depende de la distancia del

vehículo respecto a la estación remota, que según el terreno piloto tiene una área de

100m*100m, esto significa que el vehículo con este dispositivo de comunicación instalado

podría transmitir las variables requeridas de los sistemas que lo componen. En cuanto a la

función que cumple dentro del proyecto, es la comunicación con el sistema de información

central que permita establecer los volúmenes requeridos de fertilizantes, para un

determinado punto, a partir de la información almacenada, en el nodo central.

20 Helpy. (2012). Bluetooth. http://gamersmafia.com/tutoriales/show/432 21 Informática moderna.(2012). http://www.informaticamoderna.com/Redes_inalam.htm 22 Xbee.cl. (2012). Módulos de transmisión inalámbrica http://www.xbee.cl/index.html

http://gamersmafia.com/tutoriales/show/432

http://www.informaticamoderna.com/Redes_inalam.htm

http://www.xbee.cl/index.html

35

3.4 Requerimientos del sistema de dosificación:

Teniendo en cuenta que el robot móvil se va a desplazar por cada planta, que el terreno no

siempre va a ser homogéneo y que por el contrario, la variabilidad espacial va a ser

cambiante, entonces se establecieron los siguientes requerimientos de diseño para el

sistema:

- El sistema de dosificación se puntualizó para 1 hectárea de trabajo como tamaño piloto

basado, en que la aplicación está orientada a pequeños y medianos productores.

- La determinación de la dosis no se considera en función del área sino por carga de semilla

sembrada.

- Los fertilizantes que van a ser usados estarán en estado líquido por su mayor facilidad en

el control y eficiencia en la aplicación.

- Debido a la gran cantidad de puntos a dosificar, se debe desarrollar un sistema en cual

pueda abarcar una mayor cantidad de puntos.

- La capacidad de los tanques debe estar acorde con los requerimientos del cultivo; para

permitir trayectorias más largas en el momento de la aplicación.

- Como cada punto del terreno piloto tiene diferentes deficiencias de nutrientes; la dosis se

deberá ajustar con el requerimiento de dosificación necesario

- Interactuar con el sistema de control de movimiento una vez posicionado en el lugar.

36

4 DISEÑO DEL SISTEMA MECÁNICO

4.1 Selección de la bomba.

4.1.1 Naturaleza del líquido a bombear:

Se tiene trazado como objetivo hacer aportes nutritivos al cultivo con fertilizantes líquidos.

Las características técnicas de este producto se basan en tres propiedades físicas

importantes, que determinan la composición, las cuales son: grado del fertilizante, la

densidad y el pH; con estas expresiones, se puede verificar qué tipo de fertilizante y cómo

puede afectar al sistema. Haciendo una investigación en el mercado acerca de las

características de estos fertilizantes, se encontró que la mayoría de fertilizantes líquidos

poseen un grado de acidez (ph) bastante alto alrededor de (7,3) 23

, lo cual pudiese afectar

los componentes internos de la bomba. Es importante tener estos datos presentes a la hora

de seleccionar la bomba.

4.1.2 Tipos de bomba:

Las bombas se pueden clasificar en dos tipos generales: dinámicas y de desplazamiento

positivo. Las bombas dinámicas, como lo son las centrifugas, son aquellas en que se aplica

energía al líquido que se bombea con un impulsor o una hélice que gira un eje. En bombas

de desplazamiento positivo se aplica energía al líquido dentro de un volumen fijo de

desplazamiento, tal como una carcasa o un cilindro, con el movimiento rotatorio de

engranajes, tornillos o álabes o con pistones o émbolos de movimiento alternativo. En este

proyecto, las que mejor se adaptan son las bombas de desplazamiento positivo, debido a

que son ideales para manejar fluidos, como los agroquímicos, también son las más

utilizadas para bajos caudales y son las más económicas en comparación con otras24

, de las

cuales entre muchas variedades, se están utilizando las bombas peristálticas, y lo más

importante de esta bomba es la utilización para aplicaciones de riego, en la industria

agrícola, que es el eje fundamental del proyecto.

23 Agrifim.(2012).Portafolio de productos.http://www.agrifim.net/. 24 Kenneth, J. (1978). Bombas, Selección, uso y mantenimiento.Madrid.McGraw-Hill.


37

4.1.3 Capacidad de la Bomba:

Teniendo en cuenta una característica importante del fertilizante que es la densidad y una

base de datos con las dosis requeridas para el cultivo de la papa en la zona de Boyacá, se

puede estimar la cantidad de fertilizantes que se requiere para dosificar los nutrientes en

esta región de Colombia.

4.1.3.1 Requerimiento de nutrientes para la región de Cundinamarca y Boyacá:

Con base en la información técnica, suministrada por Corpoica, se tienen las siguientes

recomendaciones de nutrientes necesarios para un terreno piloto de 1 hectárea. Ver Tabla 4.

Tabla 4. Dosis de fertilizante para 1 hectárea

Recomendaciones para la fertilización de la papa en Cundinamarca y Boyacá (ICA

1992)*

Resultados del análisis de suelos Dosificación

Región P k N P2O5 K2O

ppm me/100g kg/ha kg/ha kg/ha

Paramos de < 40 < 0,30 375-450 125-150

Cundinamarca y Boyacá 40-60 0,30-0,60 100-150 300-375 100-125

>60 >0,60 250-300 50-75

<40 <0,30 300-375 75-100

Altiplano 40-60 0,30-0,60 50-100 250-375 50-75

Cundi-boyacense >60 >0,60 175-250 25-50

Fuente Instituto Colombiano de agricultura25

Según el documento técnico, señala unas indicaciones para la Tabla 3, que todos los

fertilizantes se deben aplicar al momento de la siembra, en el fondo del surco, en corona o

en bandas laterales, al lado de la semilla. Cuando se utilicen variedades de alto rendimiento,

la cantidad de fertilizante se aproxima más a la cantidad máxima recomendada; entre las

variedades mejoradas, las cuales se siembran en estas regiones. Estos datos se tomaron

como base de información y hacen parte de una clase, en el diseño de la base de datos, pero

25 Monomeros Colombo venezolanos.(2011,15 de agosto).Fertilización de cultivos en clima frio.

http://www.monomeros.com/descargas/dpmanualfrio.pdf

38

a futuro pueden ser reemplazados por datos leídos por sensorica en campo o tomados de

sistemas de información geográfica (SIG) o de mapas de composición del suelo.

4.1.3.2 Cálculo de dosis:

De acuerdo con la Tabla 2, se tiene la concentración del fertilizante (denominador) y con la

tabla 3, se tiene la cantidad de fertilizante (numerador) que se requiere para 1 hectárea. A

partir de estos datos se hacen los respectivos cálculos de nutrientes requeridos por hectárea

en unidades de kilogramos (kg). Suponiendo que se van a dosificar los máximos

recomendados, y que además se toma como región los páramos de Cundinamarca y

Boyacá, reemplazamos la ecuación 1, se procede a calcular la cantidad de fertilizante en kg

/ha. Se toma como ejemplo para el cálculo, el fertilizante nitrogenado, y los otros resultados

de los demás fertilizantes se colocan en la Tabla 5.

Tabla 5. Nutrientes requeridos por hectárea

Elemento Nutrientes aportados por hectárea en (kg)

N 535.71

P2O5 1500

K2O 600

Fuente Autores

Ahora, se necesita convertir estos requerimientos de kg/ha en litros/ha, con la ecuación 2.

( 2)26

Dónde:

26 Serway. R. A. (2002). Física 1. México. Thomson learning. Cap. 15. Pág. 516.

39

Teniendo en cuenta la densidad del fertilizante presentado en la Tabla 2, y la cantidad de

nutrientes requeridos por hectárea dados en la Tabla 5, se calcula tomando como ejemplo,

el volumen en litros del fertilizante nitrogenado, a partir de este procedimiento, se colocan

los resultados obtenidos de los otros fertilizantes simples líquidos en la Tabla 6.

Tabla 6. Nutrientes en litros por hectárea

Elemento Nutrientes requeridos en litros por

hectárea (l/ha)

N 405.84

P2O5 862.56

K2O 410.95

Fuente Autores

En la Tabla 6, se tiene la base en volúmenes requeridos de fertilizante para 1 hectárea de

cultivo de papa, con lo cual se tiene información para compartir con el sistema de

información central, que servirá para el plan de dosificación a implementar.

4.1.4 Requisitos para la succión:

Se debe tener en cuenta, las condiciones de succión, que expresa la carga neta positiva de

succión NPSH. En estas bombas, como en cualquier otra, se requiere presión positiva para

desplazar sin complicaciones el líquido. Con base en el siguiente esquema de la Figura 3,

se determinan las variables involucradas para el cálculo del NPSH.

40

Figura 3.Detalles de la línea de succión de la bomba

Fuente Autores

A partir de la Figura 3, se desarrolla el cálculo de NPSH, a continuación se presenta la

ecuación que la relaciona.

Altura Neta Positiva de Aspiración (NPSH)=

( 3)

27

Dónde:

(Adimensional)

P1 = Presión estática en el nivel de toma de fertilizante (Pa=kg/m*s2 )

P2 = Presión en la salida de las boquillas (Pa=kg/m*s2 )

Vm = Velocidad media en la tubería (m/s)

hs = Altura toma del líquido fertilizante del tanque (m)

ρ = Densidad del fertilizante (kg/m3 )

g = Aceleración de gravedad (m/s2)

A partir de la ecuación anterior, se deben estimar variables de acuerdo con los requisitos de

servicio que prestará el sistema. Con la descripción que se hizo en el subsistema mecánico,

27 Saldarriaga. J.(2007). Hidráulica de tuberías. Bogotá. Alfaomega. Cap4. Pág. 198

41

se tiene el diámetro nominal de la tubería, ahora se necesita saber un caudal preliminar para

determinar la velocidad media en la tubería. Debido a la limitación de energía disponible en

el vehículo, se toma como referencia la tensión suministrada por una batería de 24 V; esto

último sirve para estimar el caudal de una bomba. En la industria se encontraron catálogos

que definen características de estos cabezales, entre los cuales se destacan rangos de caudal

desde 6.6 ml/min hasta 5000 ml/min, para fines de cálculo se selecciona el caudal máximo,

como pre diseño. Al tener estos datos se tiene la siguiente ecuación para hallar la velocidad

media en la tubería. Para los respectivos cálculos se convierten los datos en (m3/s)

( 4)28

Dónde:

Vm= Velocidad media del fertilizante (m/s)

A = Área de la sección transversal del ducto (m)

Q = Caudal requerido (m3/s)

Se tiene como referencia un ducto circular, por lo tanto se halla el área con la siguiente

ecuación:

( 5)29

Dónde:

D= Diámetro de la sección transversal del ducto (m)

Al reemplazar la ecuación (5) se obtiene el siguiente resultado

=1.266x10

-4 m

2

Ahora se reemplaza la ecuación (4) para determinar la velocidad del fluido:

Con la velocidad del sistema, ahora se procede a encontrar las pérdidas de energía, el

primer paso es definir el comportamiento del fluido en el sistema, de manera que se pueda

predecir, si el flujo del fertilizante, es laminar o turbulento, y esto se hacer a partir del

número de Reynolds(NR), el cual específica, que si NR < 2000,el flujo es laminar ,pero si

28 Mott, R.L. (2006).Mecánica de fluidos. México. Pearson Educación. Sexta edición.Cap6.Pag 154. 29 Mott, R.L. (2006).Mecánica de fluidos. México. Pearson Educación. Sexta edición.Cap6.Pag 157.

42

NR > 4000, el flujo es turbulento. Las características del flujo en un tubo redondo dependen

de cuatro variables, las cuales están determinadas en la ecuación (6) de Reynolds.

Tabla 7. Propiedades Físicas del agua

PROPIEDADES FÍSICAS DEL AGUA

Temperatura

(ºC)

Peso

específico

(kN/m3)

Densidad

(kg/m3)

Módulo

de

elasticidad

(kN/m2)

Viscosidad

dinámica

(N·s/m2)

Viscosidad

cinemática

(m2/s)

Tensión

superficial

(N/m)

Presión

de vapor

(kN/m2)

0 9,805 999,8 1,98 · 106

1,781 · 10-

3

1,785 · 10-

6

0,0765 0,61

5 9,807 1000 2,05 · 106

1,518 · 10-

3

1,519 · 10-

6

0,0749 0,87

10 9,804 999,7 2,10 · 106

1,307 · 10-

3

1,306 · 10-

6

0,0742 1,23

15 9,798 999,1 2,15 · 106

1,139 · 10-

3

1,139 · 10-

6

0,0735 1,7

Fuente Mecánica de fluidos30

( 6)31

Dónde:

= Viscosidad dinámica del fluido en (kg/m*s)

= Velocidad del fluido (m/s)

= Diámetro del ducto (m)

= Densidad del fertilizante (kg/m3)

En la Tabla 7, se tienen las propiedades físicas del agua para obtener la viscosidad

dinámica. Basados en que los fertilizantes líquidos son diluidos en agua, se selecciona la

viscosidad para calcular el número de Reynolds correspondiente a un temperatura

especifica de trabajo. Para los cálculos correspondientes se selecciona una temperatura de

30 Mataix. C. (1993). Mecánica de fluidos y maquinas hidráulicas. Madrid. Castillo. Segunda edición. Cap. 2. Pág. 22 31 Mott. R, L. (2006). Mecánica de fluidos. México. Pearson. Sexta edición.Cap8.Pag 230

http://www.miliarium.com/Prontuario/Tablas/Aguas/PropiedadesFisicasAgua.asp

43

15°C y la densidad del fertilizante, el más denso, según Tabla 2 es el fertilizante potásico.

Reemplazando la ecuación 6, se obtiene.

Con la ecuación 6 se pudo determinar que el flujo es turbulento, porque se da que

NR>4000, de esta manera se pueden calcular las pérdidas de energía debido a la fricción a

partir de la ecuación de Blasius, que expresa el coeficiente de fricción para tubos lisos y

numero de Reynolds válida hasta Re<100000

( 7)

32

Dónde:

=Coeficiente de fricción (adimensional)

Reemplazando la ecuación 7 se obtiene el siguiente resultado:

Cuando el flujo es turbulento, se utiliza la fórmula de Darcy-Weisbach para calcular las

perdidas por fricción.

(8)33

f = Coeficiente de fricción (adimensional)

=Longitud de la tubería de succión (m)

D = Diámetro interior de la tubería (m)

= Velocidad de flujo en la tubería (m/s)

g = Aceleración de gravedad (m/s2)

De acuerdo al dimensionamiento del vehículo agrícola, y a partir de un punto de

32 Mataix. C. (1993). Mecánica de fluidos y maquinas hidráulicas. Madrid. Castillo. Segunda edición. Cap. 9. Pág 213 33 Saldarriaga. J.(2007). Hidráulica de tuberías. Bogotá. Alfaomega. Cap4. Pág. 198

44

dosificación, se tiene que la longitud de la tubería es aproximadamente = 0.35m y por

otro lado el diámetro interno de la tubería según catálogos es de 10 mm .Con estas variable

y con las anteriores encontradas se puede ahora calcular las perdidas por fricción.

Ahora se necesita conocer la presión estática sobre el fluido en el depósito, en el punto

(P1), y la presión de descarga bombeada del líquido, en el punto (P2), respecto al esquema

de la figura 3, entonces considerando la ecuación 9 ,y suponiendo el fertilizante más denso

según Tabla 2, se hace el cálculo para el punto P1. Para el punto P2, se tiene en cuenta el

catálogo de boquillas para riego según Tabla 3.

(9)34

Dónde:

= Presión atmosférica (se toma como referencia la ciudad de Bogotá) en (Pa)

P1 = Presión absoluta (Pa)

h = Diferencia de elevación desde el nivel del fluido en el depósito a la línea central de

la entrada de succión de la bomba (m)

g = Aceleración de la gravedad (m/s2 )

= Densidad del fluido(fertilizante) en (kg/m3)

Para estimar h, se tiene en cuenta la altura del tanque, que según diseño del vehículo

agrícola no debe superar 0.4 m, además se tiene un estimado de la longitud de la tubería

hasta la línea principal de descarga de Leq=0.35 m, y si se toma el máximo recomendado

para la altura del tanque, entonces h=0.75 m, para efectos de cálculos. Reemplazando la

ecuación 9 se obtiene:

=85379 Pa

A partir del micro aspersor para aplicaciones de bajo caudal que se seleccionó

anteriormente, se tiene las características, que sirve como referencia para el cálculo de la

34 Cengel. Y, A.(2009). Termodinámica. México. McGraw-Hill. Sexta edición. Cap1. Pág. 24.

45

presión ejercida en la salida del sistema. Según la Tabla 3, la presión que se seleccionó, es

de un micro aspersor con el más bajo caudal, por las necesidades de riego, en ese sentido se

toma como punto de descarga P2= 20 psi, si se hace la conversión al formato internacional,

se obtiene P2=137895 Pa, con este último dato encontrado, se tiene todos los términos para

el cálculo del NPSH, en consecuencia se reemplaza la ecuación 3 y se obtiene:

(NPSH)=

46

4.2 DISEÑO DE LA RED

4.2.1 Diseño Agronómico:

En un sistema de riego localizado los cálculos hidráulicos se determinan después del diseño

agronómico considerando otros factores como las características de los emisores, la

topografía, la altura de la estación de bombeo y caudales disponibles; conforme a esto el

sistema que se maneja es dimensionalmente pequeño respecto a otras topologías que se

utilizan en otros sistemas; de tal manera que, simplemente se remite a calcular los

requerimientos reales de caudal en los puntos de los emisores. Los datos agronómicos que

se tienen en cuenta son los siguientes: Coeficientes de Uniformidad (CU), Numero de

emisores por planta (ne), Caudal medio del emisor (Qm)

dosis y tiempos de riego, espaciamiento entre emisores, son datos importantes en el diseño.

Se seleccionó un emisor de una empresa dedicada al ámbito agrícola (agrifim).Para la

aplicación se debe tener en cuenta que se utilizan nueve emisores (9 plantas por parada)

que se colocan de acuerdo con la distribución del cultivo. Como el fabricante no posee el

correspondiente coeficiente de uniformidad de riego, se asume un valor entre 85%-95%.

La necesidad de caudal (RA) para la aplicación del fertilizante, mencionada en los

requisitos de succión (pag 39) es de Q=5000 ml/min entonces de esta manera se determina

el requerimiento total de aplicación (Nt ).

Nt=RA/CU (10)35

Reemplazando la ecuación 10:

= 87.68ml/seg

En el trazado de la red en la Figura 2 se observan los tres tanques de fertilizantes que

almacenan los compuestos químicos (N, P2O5, K2O) previamente diluidos en agua. Cada

tanque se descarga en función de la apertura de cada válvula situada en el conducto de

salida y el accionamiento de la bomba dosificadora que se ejecuta por la señal de mando

correspondiente.

A su vez, la línea de descarga contiene una válvula anti retorno para evitar el contraflujo

dentro de la red. Además, cada línea alimenta la tubería primaria, en forma tal que conecta

35 Saldarriaga. J. (2007). Hidráulica de tuberías. Bogotá. Alfaomega. Cap. 9. Pág. 616-623.

47

la bomba dosificadora para garantizar el caudal sobre el módulo donde se encuentran

ubicados los elementos de riego, es decir, los emisores que están distribuidos en 9 puntos

correspondientes a una planta del cultivo cada uno. Para calcular los flujos en la red de

tuberías se deben implementar métodos iterativos para establecer los caudales en los

distintos puntos de aplicación, de acuerdo con el programa “epanet36

” para análisis de redes

se encontraron los siguientes caudales para cada punto basados en método de Hardy Cross.

Tabla 8 Datos para ingresar al programa epanet

Altura de

Bombeo(m)

Potencia de la

bomba(watts)

Eficiencia de la

bomba (%)

Diámetro de las

tuberías(m)

Coeficiente de

pérdidas de

válvulas37

0.75 35 90 0.0127 2

Fuente autores

La potencia del motor de la bomba, según catálogos es de 35 watts con las especificaciones

que dan del motor.

Al observar la Figura 4, se muestran los flujos correspondientes para cada válvula que

controla la cantidad de fertilizante que va a aplicar el emisor en cada planta. La celda

señalada de color azul corresponde a la válvula n° 30 con un flujo de 0.03 (litros por

minuto), al analizar la tabla, se observa que los caudales encontrados varían en cada punto

del emisor lo que significa que en el momento de montar el sistema, se debe calibrar,

teniendo en cuenta esto, si el modo de dosificación va a ejecutarse secuencialmente, es

decir, accionando una electroválvula a la vez, la presión de salida que se genera es la

máxima sobre tal punto, pero si por el contrario, se accionan todas las electroválvulas a la

vez la presión de salida no va ser lo suficientemente alta como para mantener la misma

presión en todas las boquillas, de acuerdo con unas pruebas que se hicieron, lo mejor es

accionar secuencialmente.

36 Epanet.(2012).Análisis y simulación de redes hidráulicas a presión. http://www.instagua.upv.es/Epanet/ 37 Mataix. C. (1993). Mecánica de fluidos y maquinas hidráulicas. Madrid. Castillo. Segunda edición. Pag 245

http://www.instagua.upv.es/Epanet/

48

Figura 4. Calculo de caudales por medio del programa epanet

Fuente Autores

49

4.3 DISEÑO DE LOS TANQUES 38

4.3.1 Consideraciones de diseño:

Con base en análisis realizados para el diseño del vehículo móvil, se encontró que los

tanques deben estar fijos en una plataforma especial en el robot, para el sistema de

dosificación y el espacio que se especificó es de 100 cm * 70 cm. Los tanques de paredes

planas se utilizan únicamente para presiones hidrostáticas bajas debido a su forma

mecánicamente débil. La cantidad de material requerida para los tanques rectangulares es

mayor que las que requieren los tanques cilíndricos de igual capacidad. Sin embargo, a

veces se prefiere utilizar por la facilidad de fabricación y buena utilización del espacio.

4.3.1.1 Dimensionamiento tanques de dosificación:

Se encontró, en el cálculo de dosis que los requerimientos de cada nutriente son diferentes

en volumen, pero también se sabe que ese cálculo se tomó como ejemplo de un análisis de

suelos general, para la región de Cundinamarca y Boyacá, pero lo recomendable según

ingenieros agrónomos, es hacer un análisis de suelo para determinar una dosis, lo

anteriormente dicho no se toma como referencia para el dimensionamiento; lo que se hace

es distribuirlos uniformemente sobre la base asignada, con el espacio especificado, de esta

manera las medidas para los tanques se muestran en la Tabla 9

Tabla 9. Dimensionamiento de los tanques

Fertilizante Largo(m) Ancho(m) Alto(m) Volumen(m3)

N, P2O5, K2O 0.25 1 0.4 0.1

Fuente Autores

4.3.1.2 Volumen máximo del tanque rectangular:

Los tanques sin deflectores no pueden ser mayores a 30 pies cúbicos de capacidad; los que

si llevan tendrán menos de 140 pies cúbicos. El tanque tiene una capacidad para 0.1 m3,

lo cual equivale a 3.53 pies 3, se puede concluir que el tanque no los necesita.

38 Megyesy. E, F.(1992). Manual de recipientes a presión. Mexico. Grupo Noriega. Pag165.

50

4.3.4 Características del material de construcción:

Para la selección del tipo de material, se consultó el catálogo de la compañía general de

aceros39

, donde se encontró que para aplicaciones agrícolas, se utiliza aceros inoxidables

austeniticos, que presentan una amplia gama de propiedades mecánicas, entre estos se

encuentran aceros inoxidables AISI 304 ; se caracterizan por tener un contenido de cromo

del 18 al 20% y un contenido de Níquel del 8 al 12%, elementos que forman un compuesto

oxidado en la superficie de la aleación (Capa pasiva), la cual protege el material, y su

estabilidad es el factor determinante para la resistencia a la corrosión. Las propiedades

mecánicas se presentan en la Tabla 10.

Tabla 10. Propiedades del acero AISI 304

Grado Resistencia

a la

tracción

(MPa)

Límite de

fluencia

(MPa)

Elongación

(% en 50

mm)

Dureza

Brinell

Max

Módulo de

Poisson

Densidad

kg/dm3

AISI 304 515 205 40 202 193 7.9

Fuente Compañía general de aceros de Colombia

Se selecciona una lámina de calibre 11 para que las presiones internas que se encuentran

dentro del tanque, no produzcan desplazamientos de la lámina, se hace el análisis de

ingeniería por medio del software solidworks. Para este análisis se debe conocer la presión

interna que se presenta dentro del tanque, en el cálculo del NPSH se determinó este valor

que es 85379 Pa, a partir de esta información se puede observar, el esfuerzo al cual estará

sometido el material de construcción del tanque . El límite de fluencia presentado en las

características del acero, es importante para hacer la comparación, de manera que se pueda

determinar en qué momento el material se puede deformar plásticamente.

39 Compañía general de aceros de Colombia. (2012). Biblioteca del acero. http://www.cga.com.co.

http://www.cga.com.co/

51

4.3.5. Análisis de ingeniería (CAE) del tanque por medio del sotfware solid Works:

Figura 5. Análisis de ingeniería mediante el software Solid Works

Fuente Autores

La Figura 5, indica el esfuerzo de tensión al cual va a estar sometido un tanque de

fertilización. En este proyecto hay tres tanques que presentan las mismas características de

construcción, por esta razón el análisis es el mismo para todos. Ahora de acuerdo con la

Figura 5, se puede observar las regiones críticas, que están diferenciadas por colores

distintos, para este tanque en particular, se tiene en la parte central una mayor

concentración de tensión, que se indica con un valor aproximadamente de esfuerzo igual a

45 MPA , de acuerdo con la escala de colores que se muestra. A partir de la simulación

52

realizada y comparando las características del acero, en el cual mencionan que el límite de

fluencia es alrededor de 205 Mpa, para un acero (AISI 304) esto significa que no alcanza

un valor de tensión alto para que el material fluya plásticamente, con lo cual se garantiza

que el tanque estará en condiciones óptimas para que pueda almacenar el fertilizante sin

que sufra algún daño. A continuación, se detallan en la Figura 6 los elementos que están

acoplados al tanque.

Figura 6. Elementos acoplados al tanque

Fuente autores

En la Figura 6 se muestra los dispositivos que serán colocados en la parte exterior del

tanque para el buen desempeño del sistema: se tienen los sensores de nivel (1) que van

empotrados al tanque, también se tienen la entrada (2) y salida (3) del fertilizante para

la irrigación del fertilizante y así mismo una válvula de drenaje (4) para el mantenimiento

de los tanques. El plano del tanque se encuentra en el ANEXO E .

53

4.4 SISTEMA DE ACOPLE PARA RECARGA DE TANQUES

Para el acople de las tuberías al tanque se seleccionaron acoples rápidos que tienen la

función de conexión y desconexión rápida permitiendo manejar diferentes tipos de fluidos.

Cada tanque estará dispuesto con este tipo de conexión que permitirá recargar los diferentes

agroquímicos necesarios para la fertilización. Para la selección de los acoples rápidos se

deben tener en cuenta los siguientes requerimientos de diseño:

Temperatura Max-min: Debido a que el vehículo está proyectado para trabajar en la región

central de Colombia, las temperaturas40

están en un rango de 12°-24° grados Celsius.

Presión: La presión del sistema, es la ejercida por la bomba para generar la suficiente

presión en la boquilla, la cual es de 20 psi.

Fluido: Capaz de resistir elementos corrosivos debido a que se manejan fertilizantes y

poseen un ph(7.3), lo cual es bastante alto.

Opciones de cierre: Estos acoples deben cerrarse al momento de desconectar la entrada de

fertilizante lo que significa que tiene que ser sin derrame (Non-Spill).

Se seleccionó un conector (1/2” QC8-S-8PF) hembra conectado al tanque y un acople (1/2”

QC8-S-8PM) macho (Ver ANEXO E) que cumple con los requisitos especificados

anteriormente. La conexión con el tanque se muestra en la Figura 7.

Figura 7. Conexión del acople rápido con el tanque

Fuente Autores

40 Gobernación de Boyacá. (2012). Aspectos geográficos. http://www.boyaca.gov.co/?idcategoria=3527

http://www.boyaca.gov.co/?idcategoria=3527

54

4.5 SISTEMA DE MEZCLA

En la etapa de mezcla o agitación de fertilizantes químicos se realizan las operaciones con

una cierta frecuencia para mantener uniforme el producto líquido dentro del tanque,

mediante fuerzas físicas que permitan un movimiento regulado.

En este proyecto se tiene previsto accionar el sistema de agitación cada 3 paradas en el

lugar de dosificación para mantener homogéneo el fertilizante. El equipo de agitación

puede utilizar diferentes elementos que generan movimiento al nutriente líquido; en el

mercado se encuentran diferentes sistemas que facilitan esta tarea y su clasificación

depende según el tipo de energía: Agitadores mecánicos, neumáticos e hidráulicos.

De los anteriores dispositivos mencionados, el agitador mecánico es el más eficiente debido

a que sus componentes hacen posible el aporte de energía por medio de un motor eléctrico

y su instalación en el vehículo robotizado es mucho más fácil, mientras que los otros dos

sistemas necesitan componentes muchos más robustos para su montaje, el agitador

neumático requiere de inyección de gases para su funcionamiento, en comparación con los

mezcladores hidráulicos que necesitan instalarse con paredes y/o deflectores dentro del

tanque para permitir que la masa liquida se escurra por este módulo y la carga de velocidad

permita la homogenización del líquido. Estos aspectos hacen que el agitador mecánico sea

el ideal para esta aplicación, además de tratarse de un sistema móvil autónomo. Los

impulsores giratorios se clasifican a la vez en dos clases: flujo axial y radial, dicha

clasificación depende del ángulo que forman las aspas o paletas con el plano de rotación del

impulsor. Los tipos que hay: hélice, paletas y turbinas.

Por consideraciones de diseño, costos, mantenimiento la selección del impulsor es de tipo

de paleta, sus aspectos permiten usar una amplia variedad de valores en sus características

de operación. Los cálculos del sistema mezcla se pueden observar en el ANEXO F

55

5 DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL DE DOSIFICACION

5.1 Modelado de sistemas hidráulicos:

Estos sistemas se utilizan para transmitir movimiento a fluidos, ya sean líquidos o gases,

estos se diferencian básicamente por sus incompresibilidades relativas. Muchos de los

sistemas hidráulicos son no lineales. Sin embargo algunas veces es posible linealizar de

modo que se reduzca su complejidad. Para este proyecto se tiene un conjunto de

componentes que conforman el modelo, estos han sido mencionados en la descripción del

sistema. A continuación, en la Figura 8 se tiene el modelo del sistema.

Figura 8. Modelo tanque-válvula-bomba

Fuente Autores

La Figura 8, describe el modelo del sistema de dosificación. Esta figura muestra que

solamente se tendrá en cuenta el caudal de salida, debido a que el sistema va estar montado

sobre una plataforma de un vehículo autónomo que se estará desplazando en un terreno, lo

cual no permitiría tener una entrada permanente de fluido al tanque. Por otro lado, si

observamos el sistema del tanque, la variación que se genera del líquido en el área del

tanque dependerá únicamente de la apertura de una válvula y el accionamiento de una

bomba.

56

5.2 Modelo tanque

Al hacer un análisis del modelo del tanque, lo primero que se observa es que no se tiene

una señal de entrada o excitación, y si se acude a la definición de la función de

transferencia que se define como el cociente entre la transformada de Laplace de la salida

(función de respuesta) y la transformada de Laplace de la entrada (función de excitación),

bajo la suposición de que todas las condiciones iniciales son cero; esto quiere decir, que no

se puede modelar el sistema del tanque, bajo la anterior suposición, para un sistema de

control de nivel. Para razones de simulación se utiliza el siguiente modelo matemático. La

relación entre el caudal que sale y el cambio de altura del líquido en el tanque. Sabiendo de

antemano que en el vehículo no podrá retener un flujo de entrada constante.

(11)41

Dónde:

= La resistencia de Flujo del líquido a través de la válvula (adimensional)

qs= Variación del flujo de la salida (m3/s)

h = Altura del líquido (m)

A = Área del tanque (m2)

Para la simulación de la variación de altura del tanque, se utiliza bloques de simulink, para

la realización del mismo, se logra aplicando un integrador a ambos lados de la ecuación 11,

de esta manera se llega a la siguiente ecuación

∫

( 12)

En simulink se utiliza un integrador con un valor inicial de integración igual al valor

cuando el tanque está lleno, la altura inicial del líquido es de 0.4m y el área del tanque es de

0.25 m2.En la Tabla 8 se muestra el coeficiente típico de pérdidas en válvulas con un valor

de 2. El bloque del tanque se muestra en la siguiente figura

41 Katsuhiko, O.(1987). Dinámica de sistemas. México. Prentice Hall.Cap4.Pag 202

57

Figura 9 Dibujo del proceso en simulink

Fuente autores

A partir de lo anterior, se debe colocar en la salida de este proceso, un bloque que ajusta las

unidades de ingeniera para que la señal de realimentación del sensor sea en base, al flujo

que atraviesa por las tuberías. La siguiente ecuación representa el cambio de flujo, en base

al cambio de la altura. La Figura 10 muestra el bloque realizado en simulink.

√ (13)

Figura 10 Bloque salida de flujo respecto al cambio de altura

Fuente autores

5.3 Modelo de la bomba peristáltica:

De acuerdo con la descripción realizada para la selección de los elementos mecánicos, se

utilizará una bomba peristáltica, que tiene características de funcionamiento muy diferentes

a los modelos típicos de bombas, como las centrífugas, donde el caudal de salida depende

de la altura de succión. Las bombas peristálticas también llamadas volumétricas tienen

ciertas ventajas operativas, entre las que se destaca, la capacidad, que está dada en caudal y

es proporcional a la velocidad, otra ventaja radica en su alta eficiencia pues suele ser

alrededor del 85 al 94% 42

. Con la selección del dispositivo, se compró una bomba

peristáltica usada para verificar su funcionamiento y comprobar sus características

operativas. Ante la falta de información de las características internas de la bomba se

42 Kenneth, J. (1978). Bombas, Selección, uso y mantenimiento.Madrid.McGraw-Hill.Cap3.Pag154

58

procedió a determinar la ecuación de la bomba en estado estático, y para esto se aplicaron

diferentes voltajes a la entrada del motor de la bomba, con lo cual se obtenían distintos

caudales. El procedimiento que se utilizó, fue tomar valores de tiempo, en el cual se llenaba

una probeta de 500 ml, en la práctica solo se llenó hasta 300 ml, con lo cual se aplicaron

diferentes voltajes en un rango de 6 a 24 voltios. Luego con esta información que se

obtuvo, se dividió el valor de 300ml entre los valores promedios de tiempo que se tomaron

con distintos voltajes, debido a que se hicieron tres tomas de datos de tiempo por cada valor

de voltaje, con lo cual se determinó el caudal proporcionado para esta bomba en particular.

Los datos obtenidos que se muestran en la Tabla 11 se utilizan para hallar su ecuación

característica. Por razones de presión que generaba en la descarga en el sistema de

dosificación, se utilizaron dos bombas en paralelo con las mismas características, para

generar la suficiente fuerza para que el micro aspersor funcionara adecuadamente. Con los

datos que se obtuvieron, se graficó la relación que se tiene, en voltaje de entrada con caudal

de salida. La Figura 11, muestra el comportamiento de la bomba peristáltica, graficada en

Excel, con lo cual se puede determinar la tendencia de los valores que se tomaron, de esta

manera se estableció la ecuación que representa el funcionamiento de la bomba en un

modelo estático. A partir de los datos de voltaje y caudal de la Tabla 11, se utiliza la

herramienta ident de matlab para determinar la planta, y establecer el comportamiento, en

lazo abierto y determinar el control que se necesita para esta aplicación específica.

Tabla 11. Datos de la bomba peristáltica funcionando en paralelo con otra

Parámetros de voltaje aplicado a la bomba de 24 v dc respecto al caudal que entrega

Voltaje(v) t1(min) t2(min) t3(min) Tprom(min) q (ml/min) volumen(ml)

6 10,5 10,45 10,48 10,4766667 28,635062 300

10 4,17 4,14 4,12 4,14333333 72,4054706 300

12 3,16 3,15 3,13 3,14666667 95,3389831 300

14 2,42 2,42 2,43 2,42333333 123,796424 300

16 2,12 2,13 2,14 2,13 140,84507 300

18 1,54 1,53 1,52 1,53 196,078431 300

20 1,41 1,41 1,42 1,41333333 212,264151 300

22 1,28 1,27 1,28 1,27666667 234,986945 300

24 1,18 1,17 1,19 1,18 254,237288 300

Fuente autores

59

Figura 11. Comportamiento de dos bombas peristálticas en paralelo

Fuente Autores

Al observar la Figura 11, se tiene un rango desde 14 v hasta 20 v, donde no se obtiene

linealidad en esa región, pero en otros sectores de la gráfica, la tendencia de los datos que

describe el comportamiento de la bomba tiende a ser proporcional, como lo dice la teoría.

La ecuación 14 representa el comportamiento de la bomba.

(14)

La ecuación 14 se representa en el siguiente bloque de simulink para la respectiva

simulación.

Figura 12 Dibujo del bloque bomba en simulink

Fuente autores

60

5.4 Modelo del sensor de flujo:

Al seleccionar el sensor de flujo se encontró que el medidor de caudal magnético relaciona

proporcionalmente el voltaje con el caudal que pasa por un área transversal de la tubería, de

esta manera origina una señal de proceso (pv) que representa la cantidad de fertilizante a

través de un punto en la tubería. Se buscaron proveedores de este dispositivo que

presentaran una curva característica de funcionamiento, dado que las empresas diseñan el

dispositivo para permitir ajustar el medidor a ciertos rangos de caudal. La empresa ABB

indica que el funcionamiento del medidor electromagnético de caudal está basado en la Ley

de Inducción de Faraday, la cual establece que en un conductor que se mueve a través de un

campo magnético, genera una tensión proporcional a la media de la velocidad del fluido.

Esta tensión es captada por dos electrodos que están en contacto con el fluido.

A la salida del convertidor, se encuentran disponibles distintas señales eléctricas para su

tratamiento, por ejemplo, impulsos proporcionales al caudal, señal de corriente de 20 mA,

salida de contactos mín/máx; para el control del caudal. Por razones de simulación la

variable de proceso se asignara basada en el principio de funcionamiento de este

dispositivo. La ecuación 15 relaciona la operación del sensor de flujo, tipo magnético.

(15)

Dónde:

e=tensión que aparece en los electrodos del sensor (v)

q=caudal por el área de la sección de la tubería. (l/min)

k=Ganancia del sensor (adimensional)

Tabla 12 Rangos de funcionamiento del sensor ABB FXL5000(miniflow)

Rango de medida en l/min ajustable de modo continuo

Mínimo Máximo

0-2,5 0-50

0-5 0-100

0-15 0-300

0-60 0-1200

Fuente ABB 43

43 ABB.(2012).Productos y servicios. http://www.abb.com.co/product/es/9AAC100400.aspx?country=CO

http://www.abb.com.co/product/es/9AAC100400.aspx?country=CO

61

La ganancia del sensor se ajusta, a partir de la tabla 13,y teniendo en cuenta que la salida de

voltaje que se indica en las referencias técnicas del sensor, el cual está dado en un rango de

0-20 V o de 4 a 20 mA. A partir de la información mencionada anteriormente se reemplaza

la ecuación 15, y se tiene:

El bloque en simulink del sensor de flujo se muestra en la siguiente figura:

Figura 13 Dibujo del bloque del sensor de flujo en simulink

Fuente autores

5.5 Control de flujo del sistema:

De acuerdo al funcionamiento del sistema, el objetivo de control, requiere establecer

valores de referencia en torno al caudal con base en el voltaje suministrado, de manera que

se puedan establecer requerimientos de volumen en fertilizante líquido, en diferentes

puntos del terreno. El siguiente bloque en simulink representa el bloque de control por

medio de un PID. El siguiente controlador se hace por razones de simulación el

funcionamiento en tiempo real está dado por la variación de tiempos de encendido

Figura 14 Controlador PID con accesorios

Fuente autores

62

5.6 Método de sintonización de Ziegler Nichols por lazo cerrado.

El método se basa en hallar una ganancia de un controlador proporcional que permita que

el lazo oscile indefinidamente a una amplitud constante. Esta es la máxima ganancia para el

cual el lazo está estable. Para aplicar este método se utiliza la siguiente tabla que define el

ajuste del controlador.

Tabla 13 Ecuaciones para ajuste de controladores

Controlador Ajuste Ziegler-

Nichols

Proporcional kc kcu/2

PD kc kcu/1,7

td Pu/8

PI kc kcu/2,2

td Pu/1,2

PID kc kcu/1,7

ti Pu/2

td Pu/8

Fuente Principios y prácticas de automatización en procesos de control 44

Se halló la ganancia crítica alrededor de 120, y un periodo crítico con un valor de 0.05, al

reemplazar el ajuste para un PID, los valores de las constantes Ti , Td se aproximan a cero,

lo cual indica que basta con un configuración de un controlador proporcional para el

funcionamiento del sistema de dosificación. De esta manera el valor de la constante

proporcional es igual a 60.

5.7 Sistema de control completo

Al unir todos los bloques, el proceso simulado en matlab a través de simulink, se muestra

en el siguiente esquema.

44 Smith, C (1997). Principios y prácticas de automatización en procesos de control. Segunda edicion.

63

Figura 15 Sistema de control en simulink de todo el proceso

Fuente autores

Al ejecutar el controlador se observa en la Figura 16 que el voltaje aplicado llega a su valor

correspondiente en un lapso muy corto y no posee ningún sobre pico que genere un

amortiguamiento de la señal y produzca inestabilidad en el sistema por un tiempo más

prolongado. No se tuvo en cuenta el tiempo muerto del proceso debido a que el sensor de

flujo, por sus condiciones de operación tiene que estar instalado al lado de la bomba de

modo que, el caudal medido no se puede obtener del micro aspersor en el momento que se

hace el riego, además el sistema es algo muy pequeño por lo cual se puede obviar este

tiempo. Por otro lado, determinar la efectividad del control, dependerá mucho del

comportamiento del cultivo y las consecuencias que tengan los fertilizantes en la

degradación del suelo. Teniendo en cuenta lo anterior, y al haber comprobado el

comportamiento de la bomba peristáltica, se decidió establecer un control ON-OFF en los

puntos de riego en la estructura de dosificación, estableciendo secuencias de accionamiento

de electroválvulas y de la bomba con unos tiempos específicos para cada punto geo

referenciado.

Figura 16 Respuesta del sistema a un controlador proporcional

Fuente Autores

64

5.8 METODOLOGIA DE TRABAJO EN EL CULTIVO

Con base en las condiciones iniciales del cultivo se hace un diagrama para que se pueda

utilizar una metodología de trabajo para desarrollar en cada una de las etapas, ubicando la

información según corresponda. En el cultivo de papa se puede hacer la dosificación en dos

etapas cruciales, la primera es en la siembra mientras la segunda en el aporque. Los

estudios correspondientes indican que la asimilación de nutrientes es mejor en estas dos

etapas que durante el crecimiento de la planta. A los cultivos por lo general se les hace un

estudio previo, para saber en qué condiciones se encuentran, que componentes le faltan y

cuales ya tiene, que capacidad técnica posee el cultivo y todas las características

importantes a la hora de tomar la elección sobre un predio a trabajar.

Con los datos tomados se puede almacenar esta información para ir creando un sistema de

información geográfica que facilitaría estudios posteriores sobre el terreno, teniendo como

base el que se ha hecho o si por el contrario, se poseen sensores avanzados para medir en

tiempo real las características técnicas del cultivo que serviría para hacer modificaciones

sobre el sitio de siembra con los fertilizantes que se encuentran bajo la plataforma del

vehículo agrícola usados en el sistema.

5.8.1 Especificación de tiempos de dosificación:

Se tiene un terreno piloto de una hectárea para dosificar y se sabe de antemano que hay una

distancia entre plantas de 0.3 m y una distancia entre surcos de 0.7 m a partir de los cuales

se puede conocer la densidad de plantas y determinar la cantidad de puntos que el sistema

de dosificación debe irrigar en un área de 1 hectárea. Para especificar tiempos de

dosificación con el volumen requerido de nutriente en un terreno se caracterizó una bomba

peristáltica para determinar una fórmula, en la cual se relacionará el volumen entregado con

un voltaje constante de 24 voltios para diferentes tiempos, ya que las cantidades a dosificar

en cada punto no varían mucho. Los tiempos de encendido, se fijaron con base en los

volúmenes que se tomaron. La Figura 33, donde se muestra la relación de volumen

entregado por un determinado tiempo con un caudal constante, que permite el

accionamiento de cada electroválvula. En la Figura 17, se muestra el diagrama de flujo del

procesamiento de datos antes de comenzar un plan de dosificación en un terreno.

65

Figura 17 Diagrama de flujo de pre procesamiento de datos

Fuente Autores

La Figura 17 indica en que momento, el cultivo es más propicio aplicar el fertilizante, si se

hace en la siembra, se aplica la cantidad total del fertilizante para ese terreno, de lo

contrario fracciónelo a la mitad y aplíquelo en dos sesiones una en la siembra y la

otra en el aporque de tal manera que se aplique uniformemente sobre el suelo, estos

aspectos no son generales para todos los tipos de semilla que se siembran y pueden variar

de una especie a otra, simplemente es un procedimiento que frecuentemente lo hacen los

66

agricultores en Colombia. Por otro lado, se deben determinar la cantidad de puntos a

dosificar sobre un terreno, los cuales se obtienen conociendo la densidad de siembra (Dp),

lo que se conoce como el número de plantas por unidad de área. Como resultado,

la densidad efectiva de una parcela de papa equivale a la densidad de plantas multiplicada

por la densidad de tallos47

. (Neira, 1986; Oyarzún et al., 2002). A continuación se presenta

la ecuación 16 para calcular:

(16)45

Dónde:

Si se tiene en cuenta que se toma un terreno piloto de una hectárea, y el área que ocupa una

planta en m2, se obtiene la densidad de siembra reemplazando la ecuación 16.

(17)

También se tienen los parámetros de siembra del cultivo de papa, se procede a calcular el

área, reemplazando la ecuación 17.

Se tiene previsto por cada parada dosificar 9 plantas para abarcar un mayor terreno y

disminuir la densidad de puntos de posicionamiento del vehículo en el cultivo, por lo tanto:

Puntos de parada = 47619/9 =5291 puntos.

Por otro lado, si el terreno es heterogéneo, la dosis que se necesita aplicar dependerá

exclusivamente de la información existente en el suelo la cual variará de acuerdo con las

necesidades de nutrientes en cada sector y para determinar esos cambios, se necesita

establecer rangos de requerimientos en diferentes sitios del terreno, dado que para hacer un

análisis para cada planta no es lo más ideal; es por eso que se debe considerar estos

cambios por tramos relativamente grandes. De esta manera se hace el mapeo de

composición del terreno para establecer mapas y crear los sistemas de información

geográfica.

45 Centro internacional de la papa.(2011).Manejo del cultivo de la papa en ecuador.

http://www.conpapa.com/raizdevida/archivos/Manejo%20del%20suelo%20en%20el%20cultivo%20de%20papa.pdf

http://www.conpapa.com/raizdevida/archivos/Manejo%20del%20suelo%20en%20el%20cultivo%20de%20papa.pdf

67

5.8.1.1 Aplicación en matlab para determinar tiempos de dosificación:

Para evitar cálculos dispendiosos a la hora de saber las necesidades nutricionales reales con

los fertilizantes comerciales, se desarrolló una aplicación en matlab que permite al usuario

saber qué cantidad de volumen de agroquímicos necesita en un área determinada, también

tiene la posibilidad de modificar el caudal requerido de tal manera que pueda establecer

tiempos de encendido de la bomba para un volumen específico. Esta aplicación tiene como

objetivo establecer tiempos requeridos de aplicación del fertilizante por cada parada,

teniendo en cuenta información acerca del producto comercial a fertilizar y la cantidad de

caudal que genera la bomba, estos datos últimos se ingresan antes para determinar la

duración de tiempo de cada parada según la información ingresada. Para información más

detallada del uso del programa ver el ANEXO G.

5.9 MONTAJE DE LOS DISPOSITIVOS EN LOS TANQUES

El sensor seleccionado para medir nivel es de tipo capacitivo y el montaje se muestra en la

Figura 18 en los respectivos tanques.

Figura 18 Montaje de dispositivos en los tanques

Fuente Autores

Observando la Figura 18, se tiene la referencia de los dispositivos que van montados sobre

los tanques. Con base en este esquema se determinan condiciones para que la arquitectura

de control funcione adecuadamente .Se colocan dos sensores a cada lado del tanque debido

a que el terreno podría ser irregular y el movimiento del carro generaría movimientos

fuertes en los depósitos de fertilizantes provocando lecturas erróneas en los sensores y haría

que el algoritmo de control fallara; por eso se deben colocar los 4 sensores.

La Figura 19 muestra el diagrama de flujo del sistema de control de dosificación, el cual

está gobernado por un ciclo general “for” perteneciente a los puntos que va a recorrer el

68

vehículo. Este prototipo circulará a través de ciertos puntos generados por un algoritmo

A*, de tal manera que el sistema espera una señal de llegada al sitio de dosificación y sin

esta no empieza la dosificación. Una vez llega al punto se activa la señal de dosificación

con las condiciones calculadas.

Al momento de recibir la señal lo siguiente será establecer las lecturas de los sensores de

nivel, si estas se encuentran en un estado alto es decir ON esto significa que los tanques aún

se encuentran llenos y puede dosificar ese sitio de siembra, pero en caso contrario, si se

encuentra en un estado bajo, es decir en un estado OFF, se enviará una señal al vehículo

para que vaya al punto de recarga.

Durante la recarga se verifica el estado correspondiente a los sensores que se encuentran en

la parte superior del tanque, cuando el estado de los sensores está en alto (ON), indican que

el tanque está lleno. Cuando los tanques estén nuevamente recargados, el carro recibirá una

señal indicando que está listo para seguir el recorrido y el sistema otra vez esperará la señal

correspondiente al otro sitio de dosificación.

69

Figura 19 Diagrama de flujo para el dispositivo de control

Fuente Autores

70

6 DISEÑO DEL SOFTWARE

6.1 Análisis de Requerimientos:

La comprensión de los requisitos necesarios para un conjunto se tareas sobre una

aplicación conducen a comprender el impacto del software sobre el proceso, por esta razón,

se especifican los siguientes requerimientos:

* Crear una interfaz capaz de visualizar el estado de los tanques.

* Monitorear estado on-off de cada válvula de la red.

* Definir una presentación donde pueda visualizar las tuberías de la red.

* Ubicar las señales específicas del proceso de manera tal que sea fácil identificarlas.

*Ingresar datos de volúmenes requeridos para el tramo de la red.

6.2 Diagramas de casos de uso:

Describe el comportamiento del sistema en diferentes condiciones. Mientras este responde

a la petición de uno de sus usuarios, se debe identificar cuáles son los actores que pueden

desarrollar en los casos de uso46

. De acuerdo a la descripción realizada acerca del

funcionamiento del sistema de dosificación, se puede identificar al menos un actor, el

usuario encargado de suministrar la información necesaria acerca de las dosis de

fertilizantes adecuadas para un cultivo de papa, también se puede identificar, que la bases

de datos de los sistemas externos de fertilizantes juegan un papel primordial respecto a la

aplicación en desarrollo. A este actor se le llamara base de datos de fertilizantes, el cual

mantiene información sobre los nutrientes necesarios del cultivo de papa. Otro actor

principal del sistema, tiene como función enviar un bit de arranque para decidir en que

momento la aplicación de fertilizante puede ejecutarse, a este se le llamo, verificar punto de

dosificación, el cual intercambia información con el sistema de dosificación para ejecutar

una serie de eventos que permite la aplicación de nutrientes al cultivo. El diagrama de

delimitación del sistema con los actores correspondientes a la aplicación se muestra en la

Figura 20.

46 Presman,R(2008). Ingeniería del software un enfoque práctico.Mexico.McGrawHill.Sexta edicion Cap 7 Pag 175

71

Figura 20 Delimitación del sistema de dosificación

Fuente Autores

Luego de haber identificado los actores del sistema, ahora se define la funcionalidad de la

aplicación por medio de casos de uso. En el sistema de dosificación el actor primario

usuario, el cual envía información de los nutrientes necesarios para un cultivo de papa. Otro

actor principal el cual se le denomino punto de dosificación, permite saber en qué momento

empezar la aplicación de los nutrientes en el cultivo de la papa. Con lo descrito

anteriormente se define los casos de uso principales, definir dosis y ejecutar dosificación.

En los modelos de casos de uso, para determinar la funcionalidad lógica del sistema se debe

especificar la magnitud de sus diferencias, si los casos de uso tienen diferencias pequeñas,

se pueden describir los flujos correspondientes para los eventos que se den en cada

transición, con flujos principales y subflujos alternos, pero si existen diferencias

sustanciales en casos de usos robustos se utilizan relaciones de extensión e inclusión. Para

el caso de uso definir dosis para el actor usuario, se utiliza la relación inclusión, tal como

se muestra en la Figura 21.

72

Figura 21 Casos de uso definir dosis

Fuente Autores

Para el caso de uso de ejecutar la aplicación se tiene los siguientes eventos, como lo

muestra la Figura 22.

Figura 22 Caso de uso ejecutar aplicación

Fuente autores

El diagrama completo de casos de uso para el sistema de dosificación se muestra en la

Figura 23. También se incluyen los siguientes casos de uso secundarios que son necesarios

para un buen funcionamiento de la aplicación. Validar usuario, seleccionar fertilizante a

dosificar, con sus respectivas extensiones de dosificación individual o todos a la vez.

73

Figura 23 Casos de usos completos para el sistema de dosificación

Fuente Autores

6.3 Documentación de los actores y casos de uso

Se utilizan para describir de manera textual, en detalle los actores y los casos de uso

identificados. El actor usuario se muestra en la Tabla 14.

Tabla 14 Actor usuario

Actor: Usuario

Casos de uso: Validar usuario, definir dosis, seleccionar fertilizante a dosificar, ejecutar

aplicación

Tipo: Primario

Descripción: Es el actor principal debido a que define los parámetros de dosificación.

Fuente autores

La base de datos de fertilizantes interactúa con los casos de uso de registros asociados a las

dosis de fertilizantes. Ver Tabla 15.

74

Tabla 15 Actor base de datos fertilizantes

Actor: Base de datos fertilizantes

Casos de uso: Validar usuario, seleccionar fertilizantes a dosificar, ejecutar aplicación

Tipo: Secundario

Descripción: Es el actor secundario y representa la base de datos donde se guarda la

información relacionada con las dosis de fertilizantes.

Fuente autores

El punto de dosificación interactúa enviando una señal de llegada al sitio de riego para

decidir en qué momento ejecutar la dosificación. Ver Tabla 16

Tabla 16 Actor punto de dosificación

Actor: Punto de dosificación

Casos de uso: Validar usuario, seleccionar fertilizantes a dosificar, ejecutar aplicación

Tipo: Primario

Descripción: Es el actor secundario debido a que necesita de una información previa

que es generada por el actor principal.

Fuente autores

Para los casos de uso la documentación requerida está en las siguientes tablas La Tabla 17

es el caso de uso validar usuario, es la pantalla inicial antes de entrar a la aplicación.

Tabla 17 Caso de uso validar usuario

Caso de uso Validar usuario

Actores Usuario, base de datos fertilizantes, Punto de dosificación

Tipo Inclusión

Propósito Validar a un usuario para definir parámetros de dosificación y ejecutarla

Resumen Valida a una persona para que con una clave previamente dada entre a la

pantalla de configuración de parámetros de dosificación y aplicación

Precondiciones Saber la clave del sistema de entrada dado por el operador del sistema

Para el caso de uso seleccionar fertilizantes a dosificar se configura de la siguiente manera

según la Tabla 18.

75

Tabla 18 Caso de uso seleccionar fertilizantes

Caso de uso Seleccionar fertilizantes

Actores Usuario

Tipo Extensión

Propósito Se utiliza para seleccionar que tipo de nutriente requiere el cultivo de la

papa para un terreno especifico

Resumen Permite seleccionar el tipo de nutriente específico para la aplicación

Precondiciones Entrar con la validación de usuario

Fuente autores

Para el caso de uso ejecutar aplicación se sigue los siguientes parámetros, según Tabla 19

Tabla 19 Caso de uso ejecutar aplicación

Caso de uso Ejecutar aplicación

Actores Punto de dosificación

Tipo Inclusión

Propósito Se utiliza para decidir en qué momento empezar la dosificación

Resumen Este caso de uso se inicia luego de haber iniciado el usuario principal.

Luego verifica si se encuentra en el sitio de dosificación


Fuente autores

Para el caso de uso definir dosis se tienen los siguientes paramentos, ver Tabla 20

Tabla 20 Caso de uso definir dosis

Caso de uso Definir dosis

Actores Usuario, base de datos fertilizantes

Tipo Inclusión

Propósito Se utiliza para ingresar los volúmenes requeridos para un punto de

dosificación

Resumen Este caso de uso se inicia luego de haber iniciado el usuario principal.

Luego ingresa los volúmenes correspondientes al sitio de dosificación


Fuente autores

76

6.4 Diseño de la base de datos:

Debido a que este proyecto de grado hace parte de una tesis doctoral, el sistema esta

subdivido en varias tareas específicas. Por esta razón, la base de datos es realizada por el

grupo de sistema de información que tiene como objetivo guardar todas las variables en un

sistema central. El sistema de dosificación maneja una tabla referente a las dosis de

fertilizantes correspondientes a un cierto terreno con su análisis de suelos, previo,

permitiendo saber los volúmenes requeridos; y estos datos están montados sobre una

plataforma central de un sistema de información, administrado por el grupo

correspondiente. La tarea del diseño del sistema de información está consignada por otro

grupo por lo tanto se hace referencia del diseño a esta tesis (ver ANEXO H). La aplicación

de dosificación lo que hace es compartir información (cargar y probar datos) y se actualizan

con el punto correspondiente de dosificación, con esta base de datos general. Para nuestro

caso correspondiente del sistema de dosificación se tiene el diagrama de secuencias que

permite ver la comunicación entre la aplicación y la base datos donde. La Figura 24

muestra el diagrama de secuencia con los eventos correspondientes.

Figura 24 Secuencia conexión base de datos ok

Fuente Autores

77

Figura 25 Secuencia conexión base de datos en falla

Fuente autores

La Figura 25 muestra la secuencia de eventos cuando la conexión con la base de datos se

pierde.

78

7 SISTEMAS ALTERNATIVOS DE DOSIFICACIÓN

7.1 Aplicación desarrollada para un microcontrolador pic:

Inicialmente, se desarrolló una aplicación para probar dosificación con micro controlador

(pic), la cual se realizó integrando varios programas para tener accesos a diferentes

características que se pueden desarrollar en cada uno. Esta aplicación se muestra en la

Figura 26 donde se muestra la interfaz de usuario, en el lado izquierdo se tiene el desarrollo

en matlab y al lado derecho el que se hizo en proteus.

Figura 26. Interfaz para la aplicación con el microcontrolador pic

Fuente Autores

7.2 Funcionamiento de la aplicación:

En la Figura 26, al lado izquierdo de la pantalla en la esquina inferior, se observa la interfaz

gráfica de matlab, donde se digita la cantidad de puntos a dosificar y el tiempo total de

dosificación. Al lado derecho, se observa el módulo de simulación de proteus, el cual

muestra las acciones correspondientes a los motores de las bombas (inicialmente se

contempló utilizar 3 bombas, pero por razones de espacio y peso en el vehículo se decidió

79

utilizar solamente una bomba dosificadora). Además, se observa el estado de los sensores,

la señal recibida del vehículo, el estado de la comunicación por el puerto serial, y los demás

elementos del circuito de control de las bombas. También se encuentran unos indicadores

leds que indican en que parte del proceso se encuentra el sistema.

La Figura 27 muestra en detalle, la comunicación entre matlab y proteus. La aplicación

consiste en manipular varias fases del proceso de dosificación asi: lo primero que se debe

tener en cuenta es la llegada al sitio de aplicación del fertilizante, mediante el cambio de

estado de un contactor. Luego para saber si los tanques de almacenamiento contienen

agroquímicos, a partir del estado de los sensores se indica si está lleno o vacío. La

simulación se hace por medio de contactores con los cuales, si las condiciones anteriores

indican que se puede dosificar porque se cumplen los anteriores requerimientos, los

motores de las bombas se activarán por un periodo de tiempo establecido a partir de la

dosis. El encendido de los motores del sistema de mezclado del fertilizante será cada 3

puntos de parada (estaciones) para garantizar la homogeneidad de la concentración del

fertilizante. La visualización correspondiente a la aplicación ejecutándose es la siguiente:

La simulación realizada en esta aplicación se hace con dos motobombas y dos mezcladores

debido a razones de espacio, pero no afecta para nada colocando los otros dos dispositivos

faltantes. El tiempo de las bombas se maneja igual debido a la comunicación serial dado

que solamente se pueda enviar una trama de datos a la vez, lo cual es una desventaja frente

a la aplicación en labview. Estos tiempos serán establecidos con base en un terreno

homogéneo. Los óvalos negros indican ciertos dispositivos del sistema: en primer lugar en

la parte superior izquierda del gráfico, se señala el estado de los motores de las bombas del

sistema; en la parte inferior derecha, se indica el flujo de datos del puerto serial y en el

centro del gráfico al lado izquierdo, se visualiza el estado de los sensores de nivel tanto alto

como bajo, y entre ellos la señal del vehículo que indica el momento que llegó al punto de

dosificación. El funcionamiento básicamente se basa en definir los puntos de parada y el

tiempo máximo de dosificación de todos los puntos en cada estación. La cantidad de

fertilizante aplicada se hace bajo la premisa de dosis de tasa fija en un determinado terreno

sabiendo de antemano que los cambios considerables de nutrientes no serán de gran

magnitud. Adicionalmente, se programó con tasa fija por la limitación del manejo de

80

temporizadores simultáneos entre matlab y los otros programas. Ver en más detalle en el

ANEXO I.

Figura 27. Interfaz en proteus

Fuente Autores

7.3 Aplicación para un Compact Rio:

El controlador compact rio es un dispositivo reconfigurable de control y adquisición a bajo

costo, que es utilizado para aplicaciones que requieren rendimiento, fiabilidad y una alta

autonomía. El sistema combina una arquitectura embebida abierta con un tamaño pequeño,

extrema robustez y módulos industriales de E/S intercambiables. En su funcionamiento

interno utiliza una compuerta programable FPGA de E/S reconfigurable, y un controlador

en tiempo real para la comunicación y procesamiento, con un software gráfico Labview

para rápida programación. La aplicación desarrollada para el sistema de dosificación,

81

permite establecer una conexión con una base de datos central, que facilita conocer las

necesidades nutricionales en cada punto del terreno, de modo que al dosificar un punto, lo

que hace el sistema es activar una bomba dosificadora y una electroválvula correspondiente

a una boquilla (aspersor), que aplica el fertilizante. Esta dosis corresponde a la información

previamente actualizada en la base de datos. En la Figura 28, se muestra el controlador con

su CPU y sus diferentes slots con los módulos de entradas y salidas (E/S) .

Figura 28. Dispositivo Compact Rio

Fuente National Instrument

La Figura 29 muestra el funcionamiento en tiempo real de la aplicación desarrollada. Se

deben tener en cuenta los siguientes parámetros para la simulación:

1. Ingresar la cantidad de puntos a dosificar. (Puntos que componen la ruta a seguir)

2. Verificar la señal del sistema de control del vehículo. (Activación de dosificación cuando

alcanza el punto de llegada.)

3. Verificar el estado de los sensores de nivel de los tanques.

4. Especificar vínculo con la base de datos. (Lugar donde está la carpeta de almacenamiento

en el computador.)

5. Tiene la opción de dosificar según el tipo de macronutriente y de ingresar volúmenes

requeridos para cada punto de irrigación. (Independientemente estos volúmenes pueden

digitarse y posteriormente, podrán leerse en la base de datos.)

Con los anteriores parámetros especificados en la aplicación, se puede dar inicio al

funcionamiento. Se tienen los 3 tanques con los macronutrientes principales (N,P2O5,K2O)

82

previamente diluidos en agua, además se tiene una plataforma de aplicación del fertilizante

con nueve micro aspersores y a cada uno le corresponde una electroválvula, la cual permite

el paso del fertilizante correspondiente al punto de dosificación en un determinado tiempo;

cuando la opción seleccionada es para dosificar todos los fertilizantes, la función del

programa permite que se realicen secuencialmente las acciones correspondientes de

dosificación, es decir que primero aplique el volumen requerido del tanque de N, luego

para el P2O5 y por último al de K2O. En el momento de la aplicación de fertilizante de uno

de los tanques, el sistema tiene una secuencia que activa una electroválvula a la vez, es

decir, que permite el paso del fluido en uno de sus micro aspersores de los nueve que lo

componen, el tiempo de accionamiento de cada uno se ajusta al requerimiento de nutrición

de la planta ubicada en tal punto, el cual está dado por la información previamente

ingresada en la base de datos. Encender una electroválvula a la vez, permite tener la presión

necesaria para que el micro aspersor funcione adecuadamente. Cuando se realiza la

dosificación correspondiente de cada planta en el punto de parada, el sistema envía un bit

de verificación al sistema de control del vehículo; para que se ubique en la siguiente

coordenada de dosificación. Cuando los niveles de cualquier tanque se encuentren en un

nivel bajo, el sistema envía un bit al vehículo para que se ubique en la coordenada donde se

abastece de fertilizantes al sistema de dosificación. La programación de las acciones

mencionadas anteriormente, se realizaron mediante Labview y su funcionamiento interno

se muestra en el ANEXO J.

83

Figura 29. Interfaz de Labview para la aplicación del Compact Rio

Fuente Autores

De los resultados obtenidos para el control de dosificación con tiempo constante y caudal

variable, se observa que pueden ser dosificados los fertilizantes de una manera estable y

con alta precisión basados en un solo temporizador; lo cual favorece el uso de un micro

controlador y de la tecnología desarrollada a nivel de hardware; para una implementación

más económica en sistemas homogéneos y pequeños, con activación de las bombas por

puerto serial. El inconveniente de utilizar esta tecnología es que no posee la suficiente

robustez para ser usados en ambientes agresivos, y al utilizarla en el campo debe estar

expuesta a muchos cambios en el ambiente, como puede ser una alta lluvia o estar expuesto

al sol todo el día. Por otro lado, el carro estará en constante movimiento y el

desplazamiento será en terrenos con bastante desnivel, lo que podría ocasionar una falla en

los elementos electrónicos ubicados en el carro.

84

Mientras los resultados que se obtienen para el control de tiempo variable y caudal

constante en el Compact Rio, muestran que es una solución, porque permite dosificar los

fertilizantes con control independiente, para el accionamiento de las electroválvulas, esto

quiere decir que para cada electroválvula se tiene asignado un tiempo de accionamiento

basados en la información que se tiene para ese punto específico. Esta información equivale

al volumen que se debe fertilizar, este volumen será procesado de acuerdo a la relación que

se obtuvo del volumen respecto al tiempo, la cual permite establecer en cuanto tiempo debe

estar accionada la electroválvula, para generar el volumen deseado. La información acerca

del volumen del fertilizante a dosificar será entregada por la base de datos, en la cual esta

almacenada, y donde previamente se han subido los datos correspondientes al sitio de riego.

La robustez del compact Rio para ambientes agresivos permite que esta aplicación sea la

más efectiva para la dosificación. El diagrama eléctrico de las conexiones se observa en el

ANEXO K. Para visualizar el manual de usuario de la aplicación ver el ANEXO L.

85

8 ANALISIS DE RESULTADOS

Al recopilar la información correspondiente con las necesidades del cultivo y sus

características, se pudo especificar parámetros pertinentes para el diseño de cada uno de los

elementos que componen el sistema de dosificación. En cuanto al sistema mecánico, se

pudo establecer la selección de la bomba y escoger la adecuada para este tipo de sistemas

de aplicaciones agrícolas. La bomba peristáltica se seleccionó, porque permite la aplicación

de fertilizantes eficazmente debido al uso que se hace para aplicaciones químicas donde la

precisión debe ser exacta. Con base en datos que se tomaron experimentalmente para la

caracterización de la bomba, se pudo verificar el comportamiento lineal y establecer la

relación directa entre el volumen y el tiempo para hacer la dosificación con flujo constante.

Al analizar la topología de la red mediante un programa de diseño de redes se pudo

establecer los flujos que circulan a través de las boquillas y los problemas que se pueden

presentar por caídas de presión en las tuberías, por eso se recomienda calibrar los equipos

antes de utilizar en campo.

Debido a los altos contenidos de fertilizantes que se requiere de los respectivos nutrientes

se logró el diseño eficiente de los tanques de almacenamiento teniendo en cuenta las

recomendaciones de dosis y la forma física que se debía utilizar. El espacio que hay en el

cultivo entre las semillas y los surcos, hace que el tamaño del vehículo agrícola sea

restringido en cuanto a su estructura; es por eso que esa limitación afecta a los tanques y su

forma física rectangular, permite aprovechar mejor el espacio disponible. Por otro lado, las

recomendaciones de dosis establecen que para la región cundiboyacense, el gasto total por

nutriente, es más alto para el fertilizante fosfatado, pero lo más recomendable es hacer un

estudio de suelos para verificar la cantidad necesaria de fertilizantes de acuerdo a la pérdida

del nutriente en el suelo. Por esta razón, se optó por establecer los tanques de igual tamaño,

para que sea flexible para el uso de diferentes planes de dosificación, sumado a menores

costos de fabricación siendo todos iguales.

En cuanto a los elementos de control, se pudieron establecer ventajas y desventajas de los

sistemas desarrollados en las dos distintas plataformas de control: por un lado la aplicación

realizada en un micocontrolador es apta para terrenos donde los requerimientos de

nutrientes no tienen un cambio significativamente alto, mientras para aplicaciones donde la

variación de los elementos en el suelo cambian mucho por el uso inadecuado de los

86

recursos disponibles en el terreno, es decir la variación de nutrientes en diferentes sectores

del suelo se han alterado en una magnitud alta, la mejor opción es utilizar un Compact rio

que tiene la facilidad de ejecutar cambios en la variables que se requieren controlar en este

caso el volumen aplicado a un determinado sector del cultivo.

Tabla 21 Comparación entre un micro controlador y un Compact Rio Dispositivo Ventajas Desventajas

Micro Controlador *Se integra fácilmente con diferentes

programas para ejecutar el control y es

compatible con memorias externas de

almacenamiento de datos

*Los dispositivos de control son

relativamente de bajo costo

*La simulación aplicada en proteus

permite comunicar datos a un software

potente en cálculos como lo es matlab

* Las simulaciones mostradas pueden

variar en el montaje real por las

características de los dispositivos tomando

en cuenta las interferencia de ruido

*En condiciones climáticas adversas los

dispositivos pueden entrar en fallas

Compact Rio *En las simulaciones se pueden

implementar vectores internos que

faciliten la comprobación del

funcionamiento real en campo. Se

verifico las señales existentes en los

slots al momento de accionarlos

internamente

El accionamiento generado por el

algoritmo es bastante preciso

El manejo independiente de las

variables de salida permiten la

versatilidad de funcionalidad de las

bombas llevando a cabo las tareas de

dosificación con bastante exactitud

* Los dispositivos son de alto costo

*El manejo integral para comunicarse con

otros programas es bastante limitado.

*El consumo de energía es bastante alto y

se requiere implementar un sistema

alterno para el manejo integral de baterías.

Fuente Autores

8.1 Pruebas de dosificación con la bomba peristáltica:

Se hizo un prototipo en escala 1:3 de la estructura de dosificación y para verificar el

funcionamiento de la aplicación en el compact Rio, se utilizó agua para hacer las pruebas

pertinentes. El procedimiento que se siguió fue establecer volúmenes para cada punto de

dosificación en cantidades mínimas por cada micro aspersor, estos datos se cargaron al

sistema de información central, y después procesados por el compact Rio, con lo cual se

generaba el tiempo de accionamiento de la electroválvula para establecer el volumen

aplicado por cada uno, estos se midieron por medio de una probeta con lo cual se podía

87

medir el volumen de fertilizante aplicado en un punto en particular. Los datos cargados de

volumen de fertilizante y los medidos se presentan en la Tabla 22. Para sacar el error se

tomó el volumen medido menos el volumen calculado sobre el volumen calculado y se

multiplica por 100% para obtener el porcentaje de error.

Tabla 22 Pruebas de dosificación en el compact Rio

Fuente Autores

Al observar la Tabla 22, se tiene que los valores medidos del fertilizante se ajustan al valor

de referencia dado para cada nutriente, dentro de la toma de datos hay una electroválvula

que no marca la tendencia de los datos, que es la válvula (V2C) cuando se hizo el

experimento se observó que esta válvula tenía fugas lo cual hacia que más cantidad de agua

llenara la probeta en el tiempo determinado. Este problema en esta válvula hace que el error

porcentual aumente bastante, y no permita tener un error que asimile la realidad del

sistema, pero si se tienen solo en cuenta los demás datos el error promedio es alrededor del

2%. A partir de lo anterior, se debe verificar que todos los dispositivos estén en óptimas

condiciones y que las conexiones entre las mangueras estén bien ajustadas para garantizar

la precisión en la dosificación. La Figura 30 muestra en una gráfica de barras para ver en

detalle los datos tomados.

V. EspecificoT. medido

V(ml) t(s) V1A(ml) V1B(ml) V1C(ml) V2A(ml) V2B(ml) V2C(ml) V3A(ml) V3B(ml) V3C(ml)

N 20 4,6071 19 19 19 19 19 25 19 19 18 19,5555556 2,272727273

P 30 9,4731 29 31 32 31 31 39 31 29 31 31,5555556 4,929577465

K 25 7,0401 28 26 26 26 26 34 26 26 26 27,1111111 7,786885246

N 30 9,4731 31 29 29 29 31 40 31 29 31 31,1111111 3,571428571

P 15 2,1741 16 16 16 16 16 24 16 16 16 16,8888889 11,18421053

K 20 4,6071 18 22 19 19 19 25 19 19 19 19,8888889 0,558659218

N 23 6,0669 24 24,2 24 24,5 24 34 24 24 24,5 25,2444444 8,89084507

P 30 9,4731 31 31 31 31 31 42 31 31 31 32,2222222 6,896551724

K 24 6,5535 25 25 23 25 25 36 25 25 23 25,7777778 6,896551724

N 27 8,0133 32 32,5 32 32,5 32 44 32 32 32 33,4444444 19,26910299

P 19 4,1205 17 17 16,5 17 16 23 17 17 17 17,5 8,571428571

K 32 10,4463 33 33 33 33 33 43 33 33 33 34,1111111 6,188925081

N 26 7,5267 27 26 26 26 27 37 26 26 26 27,4444444 5,263157895

P 15 2,1741 17 17 17 17 17 26 17 17 17 18 16,66666667

K 31 9,9597 32 32 32 32 30 50 32 32 32 33,7777778 8,223684211

Error promedio global 7,811360149

Tn =Tipo de Nutriente V. Esp= Volumen especifico para el punto Vi= Indica los volumenes generados por cada micro aspersor

Pi= Pruebas realizadas T. medido= Tiempo generado por el compact

Vprom(ml) Error Pruebas

Electrovalvulas(volumen medido en ml)

P1

P2

P3

P4

p5

T.N

88

Figura 30 Volumen dosificado por las electroválvulas

Fuente Autores

La barra roja que sobresale en cada una de las pruebas indica el dato que tiene desviación

por el problema que se tiene en la electroválvula. La barra azul de cada una de las pruebas

indica el volumen específico de cada nutriente. Al citar como ejemplo la prueba 1 para el

fertilizante nitrogenado (N), se tiene un valor de referencia de 20 ml el cual esta detallado

como la primera barra de color azul y las demás barras indican el volumen aplicado, el

nivel de estas barras es muy similar a la barra de referencia, lo cual indica que la acción

de control por medio de tiempos se ajustan a la aplicación para generar el volumen que se

especifica en el sistema de información. Lo anterior, indica que la aplicación que se utiliza

en el compact Rio es eficiente en cuanto al volumen dosificado, pero que se deben ajustar

todos los dispositivos para que no haya fugas y no generen una mala dosificación. También

se puede observar la estabilidad de la dosificación (repetibilidad del proceso) para todas las

pruebas en cada uno de los fertilizantes, exceptuando la válvula V2C defectuosa

0

10

20

30

40

50

60

N P K N P K N P K N P K N P K

P1 P2 P3 P4 p5

Volumen especifico

V(ml)

t(s)

V1A(ml)

V1B(ml)

V1C(ml)

V2A(ml)

V2B(ml)

V2C(ml)

V3A(ml)

V3B(ml)

89

9 CONCLUSIONES

Se logró simular el sistema de dosificación tanto en tasa variable como en tasa fija,

haciendo una interfaz en labview que representara las diferentes etapas del proceso desde

que recibe la señal del robot móvil hasta la apertura de las electroválvulas que controlan las

boquillas para la irrigación del fertilizante sobre el cultivo en un punto específico.

Se verificó la curva de la bomba seleccionada, y se comprobó que el comportamiento es

lineal para la bomba peristáltica. Se halló experimentalmente una ecuación característica

para saber la cantidad de fertilizante que se aplica en un rango de tiempo utilizando un

caudal constante y variando el tiempo de accionamiento en el dispositivo; esta característica

permite controlar el volumen preciso de fertilizante sobre cada planta. La aplicación

realizada en el compact rio posibilita el manejo sitio punto específico que en últimas busca

la agricultura de precisión, mientras que con el micro controlador se puede manejar tasas

fijas de dosificación.

La aplicación en el micro controlador demostró que para terrenos homogéneos es apta y

debido a que las tecnologías utilizadas son bastante económicas puede ser solución para

este tipo de terrenos, pero presenta problemas de robustez para el uso de ambientes

agresivos. Los tipos de fertilizantes utilizados en la aplicación deben tener

recomendaciones relativamente iguales para que no haya sub dosificación o

sobredosificación en los diferentes puntos del terreno. Esta alternativa se basa básicamente

en el manejo único de un tiempo de accionamiento; debido a esto no permite el manejo

independiente de las electroválvulas, y se tiene restricción para casos que presenten

variabilidad de nutrientes en el suelo, en este caso no será pertinente utilizar esta

alternativa, pero tomando como factor importante los costos, sería una opción a utilizar.

La aplicación con el pac de national instrument compact Rio demostró ser bastante robusta

para este tipo de aplicaciones, se logró definir una ecuación que permitiera generar un

volumen adecuado de fertilizante que se aplique por medio de un micro aspersor en la

estructura de dosificación. Esta ecuación recibe un volumen indicado de la base de datos

para luego procesarlo y entregar un tiempo de accionamiento para una electroválvula en

particular, basados en un plan de dosificación, previamente cargados los datos en el

90

sistema de información. La medición que se hizo con una probeta para determinar el

volumen entregado por un micro aspersor en particular y el accionamiento de las bombas, y

de acuerdo al control realizado en el compact Rio, se encontró un error porcentual

promedio del 2% pero por falla de una electroválvula puede llegar incluso a un 7.8%,según

tabla 14, de acuerdo a lo explicado en esta sección el error aumenta debido a una

electroválvula que no se encontraba en óptimas condiciones lo que hace que el error

aumente significativamente; pero en general, el sistema se ajusta al funcionamiento

requerido ya que el proceso no exige un precisión milimétrica en la dosis a aplicar, y los

resultados de la dosificación se presentan en un tiempo prolongado sin poder medir la

eficiencia de la aplicación del fertilizante en el suelo antes de unos 4 meses y ver como se

desarrolló la papa, de acuerdo con las dosis que se aplicaron.

Se logró establecer comunicación entre el dispositivo de control (Compact Rio) y la base

de datos para definir dosis correspondientes en cada sitio de parada. Así mismo, los tiempos

de apertura de las electroválvulas con lo cual se garantiza la interconexión con el sistema de

información que permite una mayor precisión en la aplicación del fertilizante.

Se hizo el análisis de esfuerzos sobre el tanque, el cual indica que la tensión máxima a la

cual va a estar sometido es de 45 MPA y el límite de fluencia del material seleccionado es

de 105 Mpa lo cual indica que no sobrepasará los límites para romper el material

seleccionado, en este caso el acero AISI 304.

El sistema de mezcla como se planteó en el objetivo fue replanteado debido a que no se

tomó en cuenta el tipo de fertilizante a utilizar, y este se utiliza como parámetro inicial para

el diseño. Al seleccionar un fertilizante líquido, no se necesitaría de una mezcla como tal

para generar un producto, lo que se hizo fue seleccionar un sistema de agitación para

mantener uniforme el fertilizante dentro del tanque, para que no se repose el producto.

91

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[42]Xbee.cl. (2012). Módulos de transmisión inalámbrica http://www.xbee.cl/index.html

94

ANEXO A

TIPOS DE FERTILIZANTES

Definición de Fertilizante47

: Por fertilizante se entiende cualquier material orgánico o

inorgánico, natural o sintético que suministra a las plantas uno o más de los elementos

nutricionales necesarios para su normal crecimiento. Lo anterior, supone que la condición

indispensable para que un material se considere como fertilizante es doble: de una parte,

debe contener uno o más de los nutrientes esenciales para el desarrollo vegetal y, de otra, la

sustancia en cuestión, por su naturaleza y propiedades específicas, debe estar en capacidad

de ceder estos elementos a las plantas, es decir, debe contenerlos en estado aprovechable.

La Tabla 23 presenta el comportamiento de los fertilizantes líquidos y sólidos, en tres

diferentes tipos de sistemas de fertilización.

Tabla 23 Comparación de sistemas de fertilización Sistemas de fertilización

Arrastre Inyector Venturi Bomba dosificadora

Facilidad de manejo Alta Media Baja

Uso de Fertilizantes sólidos + - (*) - (*)

Uso de fertilizantes líquidos + + +

Velocidad de descarga Alta Baja Alta

Control de la concentración Ninguna Media Buena

Control del Volumen Bueno Medio Bueno

Pérdida de presión Baja Muy Alta Ninguna

Automatización Baja Media Alta

Precio Bajo Medio Alto

Fuente Sistemas mecánicos usados en la inyección de fertilizantes48

A.1 Comparación de fertilizantes (sólidos vs líquidos)

Para este proyecto se requiere utilizar maquinaria agrícola que se pueda adaptar a

necesidades específicas es por eso que se compara la utilización de distintos tipos de

fertilizantes en la Tabla 23, con distintos sistemas de aplicación. El arrastre es una

47 Guerrero.Riascos. Manual técnico Propiedades Generales de los fertilizantes. Ingeniero Agrónomo, M. Sc., Profesional

consejero de Monómeros Colombo Venezolanos S.A. (E.M.A.), Profesor Emérito de la Universidad Nacional de

Colombia. 48 Biblioteca de fertilidad y fertilizantes en español.(2012).Sistemas mecánicos usado en la inyección de fertilizantes.

http://www.fertilizando.com/articulos/Sistemas%20Mecanicos%20usados%20en%20la%20Inyeccion%20de%20Fertiliza

nte.asp

http://www.fertilizando.com/articulos/Sistemas%20Mecanicos%20usados%20en%20la%20Inyeccion%20de%20Fertilizante.asp

http://www.fertilizando.com/articulos/Sistemas%20Mecanicos%20usados%20en%20la%20Inyeccion%20de%20Fertilizante.asp

95

forma de nutrir los cultivos de manera manual, el inyector venturi utiliza la diferencia de

presión entre el fertilizante y el agua de riego. La bomba de dosificación permite tener

control sobre la cantidad de fertilizantes aplicados a un cultivo y este último es adecuado

para implementar según los requerimientos del proyecto.

Los fertilizantes líquidos se adaptan mejor para las aplicaciones de sistemas automatizados

debido a su versatilidad de manejo en cuanto a la facilidad de dosificarlos correctamente y

de manera uniforme sobre un terreno a cultivar. Una de las características favorables es la

propiedad de distribuirse uniformemente sobre el cultivo y con las concentraciones

correctas, indicadas de tal manera que se cumplan los planes de nutrición establecidos para

el suelo.

*Los fertilizantes sólidos ofrecen ventajas debido a que vienen en distintas presentaciones y

se pueden manipular de diferentes maneras pero el tipo de maquinaria agrícola para

dosificar no es apta para poder automatizar.

*El tipo de maquinaria para la manipulación y dosificación de los fertilizantes sólidos son

muy grandes y en muchas aplicaciones en Colombia se hace de manera artesanal, debido al

desconocimiento o falta de estudios para aplicar tipos de maquinaria mejores para el

campo.

*Los fertilizantes líquidos presentan inconvenientes con la solubilidad, debemos tener en

cuenta la temperatura a la hora de aplicar el fertilizante en el cultivo pero las variaciones

promedio de temperatura en Colombia no son tan extremas en corto tiempo, como para

generar cristalización del producto en el sistema.

*La granulometría de los fertilizantes sólidos solubles en agua, es de especial importancia

para la aplicación del fertilizante en el terreno, estos deben ser lo más homogéneo y

pequeño posible de forma tal que facilite su disolución en agua. El tamaño de los gránulos

cobra especial importancia en las mezclas de fertilizantes, pues las partículas de diferente

tamaño tienden a separarse durante su manejo, transporte y aplicación; entre otras cosas

también influye en la fijación, solubilidad, y eficiencia del fertilizante en el suelo, como en

el caso de los fosfatos (de tipo granulado y roca fosfórica) y los diferentes tipos de cal. Para

obtener una distribución uniforme en todo el ancho del trabajo de un equipo de riego, se

requiere que por lo menos el 80% del volumen del fertilizante se encuentre comprendido

entre los 2.5mm y 4 mm.

96

A la hora de implementar automatización, los equipos presentan mayor afinidad con

fertilizantes líquidos debido a que los componentes de las maquinarias se prestan para

poder manipularlos.

Como conclusión, se decidió trabajar con fertilizantes líquidos porque, su manejo, debido

su estado físico (liquido), permite utilizar elementos de precisión, como lo son las bombas

dosificadoras, además no presentan problemas en cuanto almacenamiento, lo cual con

fertilizantes solidos presentarían problemas de compactación de partículas. Al utilizar

fertilizantes líquidos, la estructura de dosificación sería mucho más fácil implementarla, en

este caso porque se manejaría tuberías, las cuales se podrían distribuirse uniformemente

sobre el vehículo, y el movimiento del fluido dentro de estas, permite que el fertilizante

puede ser aplicado con aspersores en diferentes puntos, debido a que su ubicación estará

separados entre sí, lo anterior no sería posible con fertilizantes sólidos, ya que la

maquinaria que existe para este tipo es más robusta y menos flexible y su distribución en el

terreno es más compleja no facilitando la aplicación localizada como se pretende.

97

ANEXO B

B1 Principio del funcionamiento de las bombas peristálticas

La función de las bombas peristálticas imita el sistema de digestión humana conocido como

movimiento “peristáltico” consistente en la contracción y sucesiva relajación de un

músculo alrededor de un tubo que así mueve su contenido. En el caso de la bomba, un tubo

flexible es aplastado continuamente por rodillos colocados adecuadamente. Entre un paso y

el otro del rodillo impulsor, el tubo recupera su diámetro original, generando un vacío para

transportar el producto a bombear. El mecanismo más común cuenta con dos o tres rodillos

que giran en un compartimiento circular comprimiendo en forma progresiva una manguera

especial flexible49

. La Figura 31 muestra una bomba peristáltica de tres rodillos.

Figura 31 Configuración de los rodillos de la bomba peristáltica

Fuente Quiminet.

En la Figura 31 se observa que en ningún momento de las fases 1 al 6 los rodillos dejan de

presionar la manguera en al menos un punto. Esto es importante ya que si en algún

momento los rodillos dejan de presionar el conducto, el líquido podría retroceder. El

sentido de rotación del motor determina la dirección del flujo del contenido. Los rodillos

están unidos con el eje del motor a través de algún mecanismo, de manera que al girar el

mismo, estos presionan la manguera en forma progresiva y hacen avanzar el contenido

dentro de la misma. Las características técnicas de la bomba se presentan en la Figura 32.

49 Quiminet.(2011).Principio de funcionamiento de las bombas peristálticas.

http://www.quiminet.com/ar9/ar_vcdarmaasdaasd-principio-del-funcionamiento-de-las-bombas-peristalticas.htm

http://www.quiminet.com/ar9/ar_vcdarmaasdaasd-principio-del-funcionamiento-de-las-bombas-peristalticas.htm

98

Figura 32 Ficha técnica de la bomba peristáltica 50

50 Watson Marlow.(2011).Productos bombas. http://www.watson-marlow.com

http://www.watson-marlow.com/

99

B2. Caracterización de la bomba peristáltica

Se hizo una serie pruebas basadas en toma de datos del funcionamiento de la bomba

peristáltica para saber el comportamiento y como se puede aplicar al sistema de

dosificación. En la Tabla 24 se muestra la relación del volumen dosificado de (agua)para

determinar el tiempo total de dosificación por un determinado volumen, que permitiera

encontrar una ecuación característica y poder utilizarla en el sistema de control de apertura

de las electroválvulas.

Tabla 24. Relación volumen vs tiempo

V(Volts) V(ml) t(s)

20 50 29,19

24 50 23,475

20 100 58,7375

24 100 48,0725

20 200 120,861

24 200 82,7955

20 300 181,608

24 300 136,356

20 400 242,4705

24 400 189,2595

20 500 302,9895

24 500 243,4605

Fuente autores

El procedimiento que se realizó, fue tomar datos con un cronómetro, con una frecuencia

alrededor de 5 veces, para el mismo tiempo, el cual determinaba un volumen especifico

con un tensión fija de 20 V para el primer dato de la primera celda, la información que está

en la Tabla 24 son los promedios calculados. Estos datos han sido tomados bajo una sola

trayectoria en la red es decir utilizando una sola boquilla para la dosificación del

fertilizante pero que en esta prueba se aplicó con agua para mirar el comportamiento de la

bomba peristáltica. A continuación, se muestra el comportamiento de la bomba en una

gráfica en Excel, la cual es la curva de comportamiento de la misma a una tensión de 24 V.

100

Figura 33 Grafica del comportamiento de la bomba peristáltica

Fuente Autores

Al observar la gráfica se ve un comportamiento lineal de la bomba, no es totalmente debido

a los errores en la toma de datos, pero básicamente el funcionamiento de este dispositivo

permite implementar una ecuación característica para hallar volúmenes que varían

modificando el tiempo de operación del motor. Con base en esa relación, se puede

determinar la proporción de fertilizante en un periodo de tiempo, lo cual garantizaría

implementar un control de ON-OFF para accionar cada una de las electroválvulas con un

tiempo específico estimado por la ecuación hallada.

Se debe tener en cuenta a la hora de montar el proyecto, calibrar los dispositivos tales como

válvulas y boquillas para definir tiempos de operación en los elementos de control para

tener una mejor precisión en la aplicación, teniendo en cuenta las pérdidas en los ductos.

y = 0,4866x - 5,1249 R² = 0,9952

0

50

100

150

200

250

300

0 200 400 600

t(se

gun

do

s)

V(ml)

Bomba peristaltica

Lineal (Bombaperistaltica)

101

ANEXO C

C1. Selección del sensor de nivel

La medicion del nivel puede definirse como la determinacion de la posición de una

interfase que existe entre dos medios separados por la gravedad con respecto a una línea de

referencia.Tal interfase puede existir entre un líquido y un gas, entre dos líquidos,entre un

sólido y un granulado o sólido fluidizado o entre un líquido y su vapor. La Figura 34

muestra las comparaciones de distintos sensores:

Figura 34. Instrumentos de medida

Fuente Tecnooficio51

Para la selección de un sensor se deben tener en cuenta muchos factores entre ellos está el

rango de operación, es decir, la distancia operativa, en el proyecto se necesita para una

51 Tecnoficio.(2011).Instrumentación industrial http://www.sapiens.itgo.com/documents/doc60.htm

http://www.sapiens.itgo.com/documents/doc60.htm

102

altura de 0.4m aproximadamente que es la medida del tanque. Características deseables del

sensor ¿se necesita exactitud? En nuestro caso es detector on-off nivel bajo o nivel alto,

¿Qué velocidad de respuesta se necesita? , dado que solo se necesita saber cuándo ha

llegado a un nivel bajo el tanque y después enviar la información para que el vehículo se

dirija a un sitio de recarga, entonces la velocidad es relativa. Como la aplicación de control

de nivel es sencilla, se selecciona un sensor capacitivo de proximidad.

Los sensores capacitivos son interruptores electrónicos que trabajan sin contacto. Estos

sensores aprovechan el efecto que tienen los materiales como el papel, vidrio, plástico,

aceite, agua, así como de los metales, de aumentar la capacidad del sensor cuando se

encuentran dentro del campo eléctrico generado. Los sensores capacitivos constan de un

condensador que genera un campo eléctrico. Este condensador forma parte de un circuito

resonador, de manera que cuando un objeto se acerca a este campo, la capacidad aumenta y

el circuito empieza a resonar. Lo que hace el objeto, al estar dentro del campo eléctrico, es

aumentar la capacidad de esa área, y por lo tanto cambiar la capacitancia de la misma; esto

hace que el circuito interno del sensor entre en resonancia52

.

C2. Detección de nivel

En esta aplicación, cuando un objeto (líquidos, granulados, metales, aislantes, etc.) penetra

en el campo eléctrico que hay entre las placas sensor, varía el dieléctrico, variando

consecuentemente el valor de capacitancia. La Figura 35 muestra las características técnicas

del sensor seleccionado de la empresa siemens.

52 Sigma. (2012).Sistemas inteligentes para la automatización industrial. http://www.mes-sigma.net/Cursos

/images/Sensores%20Capacitivos.pdf

http://es.wikipedia.org/wiki/Diel%C3%A9ctrico

http://es.wikipedia.org/wiki/Capacitancia

http://www.mes-sigma.net/Cursos%20/images/Sensores%20Capacitivos.pdf

http://www.mes-sigma.net/Cursos%20/images/Sensores%20Capacitivos.pdf

103

Figura 35. Sensor Siemens capacitivo53

53 Siemens.(2012). Productos de automatización. www.automation.siemens.com/sc-static/.../pi/.../FI01_es_kap05.pdf

104

El diagrama de circuito del sensor se muestra en la Figura 36.

Figura 36. Diagrama del circuito del sensor de nivel

Fuente Productos de automatización de siemens54

Forma de operar el sensor dentro del sistema: Debido a que la superficie del terreno es

irregular los parámetros de funcionamiento del dispositivo estarán acordes a un movimiento

que se presenta dentro del tanque es decir el fluido no estará en una posición ortogonal todo

el tiempo contra la tapa del depósito sino que presentara ciertos desniveles a medida que se

mueva el vehículo esto afectaría el control de nivel, mostraría lecturas erróneas el

dispositivo. Por esta razón se decide implementar dos sensores a cada lado del tanque tanto

en la parte superior como en la parte inferior; lo que significa tener mayor control sobre el

proceso.

54 Siemens.(2012).Productos de automatización.www.automation.siemens.com/sc-static/.../pi/.../FI01_es_kap05.pdf

105

ANEXO D

ELECTROVALVULAS PARA EL SISTEMA DE CONTROL

Figura 37 Electroválvula Danfoss

Fuente http://www.viaindustrial.com/producto.asp?codigo=253477

http://www.viaindustrial.com/producto.asp?codigo=253477

106

ANEXO E

Figura 38 Plano tanque con sus componentes de conexión

Fuente Autores

107

Acoples rápidos para los tanques

Figura 39 Acoples rápidos: macho y hembra

Fuente http://www.swagelok.com55

55 Swagelok.(2012).Productos-catalogos acoples rápidos. http://www.swagelok.com/downloads/WebCatalogs/ES/MS-01-

138.pdf

http://www.swagelok.com/

http://www.swagelok.com/downloads/WebCatalogs/ES/MS-01-138.pdf

http://www.swagelok.com/downloads/WebCatalogs/ES/MS-01-138.pdf

108

ANEXO F

Cálculos de diseño del sistema de mezcla

En la elaboración del anteproyecto, en principio se planteó hacer un sistema de mezcla

porque no se tenía la certeza de que tipo fertilizante usar, a medida que se fue investigando

se hizo una comparación de los tipos de fertilizante usados en el mercado agrícola, de

manera que se tuviera un parámetro de selección. Este análisis se presenta en el anexo A.

Se llegó a la conclusión de que el fertilizante líquido es el más conveniente para dosificar

con mayor precisión. Teniendo en cuenta lo anterior, se planteó hacer un sistema de

agitación, debido a que los distintos tipos de nutrientes no se mezclaran entre sí, sino que

simplemente se almacenaran en tanques diferentes y lo que se necesita es mantener la

homogeneidad de la concentración del fertilizante para que la aplicación sea

uniformemente en el suelo. La Figura 40 muestra el esquema del agitador en el tanque.

Figura 40. Sistema de agitación en el tanque

Fuente autores

Se tienen en cuenta los siguientes parámetros para un tanque rectangular:

*Longitud del tanque

109

*Altura del impulsor con respecto al fondo

*Altura del líquido

*Número de deflectores

Con base en los parámetros anteriores, se hace el cálculo para dimensionar el sistema de

agitación: la ecuación 18 se usa para calcular el diámetro del impulsor (Di), teniendo en

cuenta que la medida del tanque es igual para los tres contenidos de nutrientes el área del

tanque es AT=0.25.La ecuación 19 se usa para calcular la altura del impulsor (Hi) con

respecto al fondo. La ecuación 20 se usa para calcular la anchura de las palas del impulsor

(q). La ecuación 21 se utiliza para calcular el diámetro del disco central (s).

(18)

(19)

(20)

(21)

Reemplazando las ecuaciones56

18, 19, 20,21 se obtiene los siguientes resultados, los cuales

se muestran en la Tabla 25.

Tabla 25. Dimensionamiento del agitador

Tanque Di(cm) Hi q s

N,P2O5,K2O 9 9 2 2

Fuente Autores

Las medidas que se muestran en la Tabla 25, se aproximaron a un valor entero.

Cálculo de la potencia consumida por el agitador: Se utiliza un método empírico, en el cual

se necesita conocer parámetros adimensionales, se necesita conocer el número de Reynolds,

expresado en variables convenientes para la agitación, según la ecuación 22. Se tiene:

56 Velázquez. L, A (2011). Diseño e implementación de un sistema de control automático para un reactor biológico de

cargas secuenciales. Universidad de la salle. Facultad de Ingeniería.Ingenieria de Automatización.

110

(22)57

Dónde:

N=Numero de revoluciones (revoluciones por segundo)

=Densidad del líquido (Kg/m3)

µ=viscosidad dinámica del fluido (kg/m*s)

Para fines de cálculo se utiliza el fertilizante más denso en este caso es el potásico, según

tabla 2 la densidad =1460 kg/m3, la viscosidad dinámica se encuentra en la tabla 6,

sabiendo de antemano que los fertilizantes solidos están previamente diluidos en agua. Por

otro lado los agitadores industriales de paleta giran alrededor de 200 rpm para viscosidades

bajas, para los fertilizantes a aplicar. Al reemplazar la ecuación 22, se obtiene:

Ahora se necesita conocer el número de potencia (Npo), que indica un coeficiente de

arrastre para sistemas de agitación, el cual puede ser obtenido a partir de un determinado

número de Reynolds según Figura 41.

57 Penny, L. (2006). Chemical Process,Selection and design.Wallas, S.USA. Segunda edición.

111

Figura 41 Número de Reynolds en función del número de potencia

Fuente Selección y diseño de equipos para procesos químicos58

Mediante interpolación gráfica, se determina el número de potencia para el número de

Reynolds, el calculado es:

Npo

Por lo tanto la potencia suministrada por el motor se calcula mediante la ecuación (23): .

(23)

l reemplazar la ecuación 23, se obtiene P= 7.3 watts.

58 Penny, L. (2006). Chemical Process,Selection and design.Wallas, S.USA.2 Edicion

112

La potencia que se calculó para el motor no está disponible en el mercado, por lo tanto se

selecciona, con una potencia similar a la encontrada. El motor tiene las siguientes

especificaciones.

Tabla 26. Especificaciones técnicas del motor

Especificaciones Marca-

referencia

DC Potencia(w) Rpm Potencia útil(w)

Motor Crouzet-

82740002

24 16 3900 11

Fuente Crouzet Automatización59

59 Crouzet.(2012).Productos motores síncronos. http://www.crouzet.es/catalogo/motores-sincronos-motores-

sincronos-2-sentidos-de-marcha-con-

http://www.crouzet.es/catalogo/motores-sincronos-motores-sincronos-2-sentidos-de-marcha-con-condensador-par-de-enclavamiento-de-106-mnm-7-2-w-ref-825400.pdf#zoom=100


113

Figura 42 Especificaciones técnicas del motor

Fuente Crouzet Automatización60

60 Crouzet.(2012).Productos motores síncronos. http://www.crouzet.es/catalogo/motores-sincronos-motores-

sincronos-2-sentidos-de-marcha-con-



114

ANEXO G

Uso del software en matlab para especificación de tiempos y conexión con la base de

datos

G1. Programa de almacenamiento de datos. Se hace la instalación respectiva de php my

admin, donde se crea un usuario y una contraseña, la instalación es muy fácil, en cualquier

vínculo de internet, relacionado con este tema, se encuentra como hacerla. En este

programa, se almacena la información de los insumos utilizados en la dosificación de los

cultivos. En la Figura 43 se visualizan las tablas utilizadas para los fertilizantes simples de

N, P2O5 y K2O. A la hora de instalar el programa se especifica un usuario y se establece una

contraseña para proteger los archivos y tener certeza de lo que se quiere guardar.

Figura 43 Tabla de la base de datos

Fuente Autores

Los datos que interesan de los fertilizantes se guardan en las tablas (ver Figura 44) se

puede modificar directamente desde este programa o desde matlab. La Figura 44 muestra

los registros de las tablas habilitadas.

Figura 44.Registro en las tablas

Fuente Autores

115

G2 .Instalación de drivers para la comunicación entre matlab y phpmyadmin

1. Instalar mysql-conecctor-obdc-5.18 como un usuario administrador del equipo como se

observa en la Figura 45

Figura 45 Conector OBDC de MySQL

Fuente Autores

2. Copiar el archivo como usuario Administrador del equipo mysql-connector-java-3.114

para ubicarlo en la siguiente ruta de archivos. La Figura 46 muestra el conector java que se

instala en matlab.

C:\Program Files\MATLAB\R2010a\java\jarext

Figura 46. Conector java para instalar

Fuente Autores

3. Ahora ingresar la siguiente ruta de archivo.

C:\Program Files\MATLAB\R2010a\toolbox\local\classpath.txt

Se entra a este classpath.txt y se coloca la siguiente línea dentro del archivo como usuario

administrador o con derechos de lectura y escritura $matlabroot/java/jarext/mysql-

connector-java-3.1.14-bin.jar. Este archivo txt quedaría de la siguiente forma como se ve

en la Figura 47.

116

Figura 47 Archivo classpath

Fuente Autores

3. Instalados los conectores se procede a entrar a la siguiente ruta de archivos:

Inicio\ Panel de control\Sistema y seguridad\Herramientas administrativas\Orígenes

de datos obdc como se observa en la siguiente Figura 48.

Figura 48 Aplicación de Windows para acoplamiento de drivers

Fuente Autores

Al ingresar a esta ruta se procede a ejecutar orígenes de datos odbc y se abrirá la siguiente

ventana mostrada en la Figura 49.

117

Figura 49. Entorno para enlazar los drivers

Fuente Autores

Luego se selecciona el driver instalado que se visualiza en la Figura 50 el cual está señalado

y luego se oprime el botón finalizar para agregarlo al DSN del sistema.

Figura 50.Seleccion del driver OBDC

Fuente Autores

Al dar finalizar la siguiente ventana se visualiza como en la Figura 51, en este menú se hace

la verificación de la conexión con SQL. En la instalación de phpmyadmin, se ingresaron los

siguientes datos: el usuario es dosificación con Data source Name: localhost o (127.0.0.1),

cualquiera de las 2 funciona. En la Figura 51 se muestra que la conexión con la base de

datos, se encuentra bien.

118

Figura 51. Verificación de la conexión de la base de datos

Fuente Autores

Para saber si los pasos se hicieron correctamente se procede a ejecutar matlab y se escribe

la siguiente línea de código querybuilder como se observa en la Figura 52 (se necesita

tener instalados todos los toolbox de matlab para comunicar matlab y phpmyadmin).

Figura 52 Toolbox de matlab de Visual query builder

Fuente Autores

Al observar la Figura 52 se pueden visualizar las tablas de la base de datos, esto indica que

la comunicación entre matlab y phpmyadmin está funcionando correctamente.

119

G3. Especificación de tiempos para activar los motores

Para hacer una buena dosificación se debe tener en cuenta un análisis de suelos. Los

resultados obtenidos permiten dar recomendaciones adecuadas para el cultivo. A partir de

esto se tiene proyectado manejar una base de datos local con la información

correspondiente a las recomendaciones óptimas de dosis requeridas sobre el terreno. Para

este ejemplo que muestra el funcionamiento del software se hace con las siguientes

recomendaciones dadas por el (ICA) 150(kg/ha)N,-450(kg/ha)P2O5,-150(kg/ha) K2O. Al

ejecutar el gui, con el nombre de menu1 se llega a la Figura 53.

Figura 53 Interfaz de entrada para especificar tiempos

Fuente Autores

120

Pulsar continuar para validar el siguiente menú, como se muestra en la Figura 53.

Figura 54 Segundo menú para insertar la recomendación de dosis

Fuente Autores

En la Figura 54 se observan 6 entradas de datos, los espacios ubicados en la parte superior

indican los datos correspondientes a una recomendación especifica del cultivo, estos datos

pueden ser suministrados por un estudio previo del cultivo o por un análisis de suelos que

se hace con anterioridad a la siembra por lo menos de 2 meses. Pará ingresar al siguiente

menú se oprime enviar como se indica con la flecha roja, en la Figura 54.

Los espacios ubicados en la parte inferior, sirven para guardar directamente una

recomendación en una base de datos. Pará guardar los datos se oprime en el botón insertar

dosis. El botón que se encuentra en la parte inferior el cual dice información de dosis sirve

para observar directamente los valores de dosis guardados de una recomendación específica

en la base de datos.

121

Figura 55. Menú para calcular volúmenes a partir de las concentraciones

Fuente Autores

En la Figura 55 se muestra la cantidad de fertilizante requerida; también se observan otros

ítems que deben ser llenados para obtener información acerca del volumen total del

fertilizante comercial requerido para dosificar el terreno de 1 hectárea. Al lado izquierdo en

la parte de abajo se puede visualizar la información de la base de datos de los fertilizantes

comerciales que se encuentran y con las diferentes concentraciones y su densidad

respectiva. Se puede seleccionar la información de los macronutrientes de N P K,

oprimiendo el botón información, señalando el número correspondiente al fertilizante

simple ya sea 1”fertilizante Nitrogenado”, 2”fertilizante fosfatado, 3”fertilizante potásico.

Teniendo esta información se pueden llenar los espacios vacíos en los cuadros de

concentración del fertilizante. También se deben tener en cuenta las horas de trabajo que va

a emplear el vehículo en la dosificación de nutrientes, se tiene previsto una semana de

trabajo para aplicación de nutrientes y el resto de la siembra se aplicará agua sobre el

cultivo. Si se requiere agregar información acerca de productos agrícolas para la

fertilización, simplemente dar clic en agregar para abrir una nueva ventana donde se puede

colocar más datos de fertilizantes comerciales. Ver Figura 57.

Al llenar los datos correspondientes en la Figura 56 se observan los volúmenes necesarios

del fertilizante comercial requerido y un caudal estimado para ese tiempo de trabajo. Ahora

122

se puede seguir al siguiente menú para hacer el cálculo correspondiente al tiempo de

encendido de la bomba en cada punto específico del cultivo y el tiempo total de

dosificación.

Figura 56.Calculo de tiempos de accionamientos de las electroválvulas

Fuente Autores

En la Figura 56 se muestra cómo se pueden variar los caudales y la densidad de siembra

para obtener el tiempo de encendido de la bomba en cada punto específico del cultivo o

mantener el caudal anteriormente encontrado. En el cuadro de datos de salida se encuentran

dos tiempos correspondientes, uno al tiempo total de fertilización por hectárea el cual está

indicado en horas y el otro dato en segundos que indica el tiempo total de encendido del

motor de la bomba en cada punto específico del terreno. Al variar los caudales también

variarán los tiempos de parada en cada punto. Este criterio dependerá de cuán rápido se

quiera fertilizar. Al momento del montaje del sistema, este debe calibrarse para que la

fertilización sea óptima. Al variar la densidad de siembra dependerá de que potencial de

producción se necesite para el cultivo.

123

Figura 57. Menú para ingresar datos de fertilizantes comerciales a la base de

datos

Fuente Autores

En la Figura 57 se muestra la interfaz gráfica para agregar información acerca de productos

comerciales utilizados en la fertilización de cultivos, se debe seleccionar el fertilizante

simple que se desea insertar, por lo tanto los agroquímicos tienen la siguiente codificación,

para compuestos nitrogenados digitar 1, para los compuestos fosfatados digitar 2 y para los

compuestos potásicos digitar 3.Al digitar cualquier fertilizante simple, ahora se deben

ingresar los datos correspondientes a la información comercial que se desea llenar en el

cuadro de concentraciones como se indica y luego oprimir insertar.

124

ANEXO H

Diseño de la base de datos central

H1 Modelo entidad-relación SQL.

El modelo entidad-relación es una herramienta para generar el modelo de datos que

describe la estructura y relaciones de una BD. Estos modelos al mismo tiempo están

describiendo una situación real, con elementos reales que se relacionan entre sí.

El modelo entidad-relación es un diagrama que ayuda a generar la estructura de datos con

la cual gestionar un problema o actividad real. Una vez este modelo se ha convertido en una

estructura dentro la BD, es decir, las tablas con sus claves primarias y foráneas, mediante

SQL es posible tanto mantener el funcionamiento de la actividad alimentando la base de

datos, como analizar los datos en beneficio de la actividad.

Entidades:

Subsistema de control

Subsistema de generación de trayectorias

Subsistema de dosificación

Subsistema de sensores posición y distancia

Relación.- Asociación entre entidades, sin existencia propia en el mundo real que estamos

modelando, pero necesaria para reflejar las interacciones existentes entre entidades. Las

relaciones pueden ser de tres tipos:

Relaciones 1-1.- Las entidades que intervienen en la relación se asocian una a una.

Relaciones 1-n.- Una ocurrencia de una entidad está asociada con muchas (n) de

otra.

Relaciones n-n.-Cada ocurrencia, en cualquiera de las dos entidades de la relación,

puede estar asociada con muchas (n) de la otra y viceversa.

Representación gráfica de Entidades y Relaciones: Para asimilar fácilmente un diseño de

datos cuando se emplea el modelo E/R se utilizan los siguientes elementos gráficos como se

muestra en la Figura 58:

125

Figura 58 Valor de la relación

Fuente Sistema de monitoreo y adquisición de datos

61

Figura 59 Diagrama de clases

Fuente Sistema de monitoreo y adquisición de datos 61

61-61Martinez,J.(2012) Trabajo de grado. Sistema de monitoreo y adquisición de datos para un vehículo de

distribución de fertilizantes químicos. Universidad de la sallé. Facultad de Automatización.

126

ANEXO I

Desarrollo en cada uno de los programas para la simulación del pic

I1. Programa Virtual serial port drive

Se utiliza un programa llamado virtual serial port drive mediante el cual se lleva a cabo la

operación de agregar unos puertos al computador para simular el estado del puerto serial

tanto para recibir y como para enviar datos simultáneamente por Matlab y Microcode

Studio. La Figura 60 muestra el modo de visualizar los puertos.

Figura 60 .Programa para simular un puerto serial.

Fuente Virtual serial Port

I2. Programa en Matlab

Se hace el control principal especificando los puntos de dosificación y el tiempo necesario

para toda la dosificación del terreno .El script principal permite al usuario digitar los datos

anteriormente indicados de la siguiente manera. Por razones de simulación se toman pocos

puntos y tiempos medidos en segundos para verificar la aplicación.

Figura 61.Interfaz en matlab para cargar el programa en el micro controlador

Fuente Autores

En la Figura 61 se muestra la interfaz en matlab, donde se ingresa la información de

cuantos puntos se van a dosificar y el tiempo total que le toma para hacer el ciclo de

dosificación.

127

Programa principal

clear all close all clc

pd=input('digite los puntos de dosificacion'); ttd=input('digite el tiempo total de dosificacion'); % td=input('digite el tiempo de dosificacion en cada punto'); p=0; td=0; atd=0; for n= 1:pd td=30*rand(1) tc=1 if(tc==1) %Comprobar señal del vehiculo recibiendo=2; end recibiendo=2;

while recibiendo==2 recibiendo=serialin if recibiendo==1 sv=1; serialout recibiendo=1; else recibiendo=2; end end if sv==1 se=1; %comprobar sensores sensores=serialinsensores if sensores==2 % tiempo de dosificacion para las bombas t = timer('TimerFcn', 'stat=false; disp(''Bombas y agitadores

apagados!'')',... 'StartDelay',td); start(t) ; stat=true;%tiempo de duracion de la aplicacion del

fertilizante en el punto de dosificaion while (stat==true) mba=[1 1 1;1 1 1] c=0; c=1+p; %contador de puntos dosificados %enviar señal de arranque a los motores serialoutmotores pause(0.8) saprv=0; end else apagarmotores

128

saprv=1;%bit de arranque para ir al prg de recarga tanques

end apagarmotores

else z=0 end %recarga tanques saprv while saprv==1 p=0; recibiendo=serialin if recibiendo==1 saprv=2 else saprv=1

end end

recibiendo=2; salida=serialout; p=p+1 atd=td+atd salida=tc; if atd>=ttd break end end

En este programa se manejan unos archivos adicionales que son funciones (serialout,

serialin, serialoutmotores, serialsensores,apagarmotores) son los que permiten

comunicarme por el Puerto serial virtual a un micro controlador y envíar una señal

correspondiente a la lógica del programa en cada línea de código.

Funciones que comunican el pic por el puerto serial:

Funcion serialin

function [ recibiendo ] = serialin()

s=serial('COM2','BaudRate',2400); fopen(s); fprintf(s,'*IDN1') K1= []; K= []; for i=1:2

for j=1:1

129

K1 = [K1 fread(s,1,'uchar')]; end; K1=char(K1); K=[K str2num(K1)]; K1=[]; end; fclose(s); delete(s); pause(1) recibiendo=K end

Las otras funciones utilizadas en este programa se utilizan de la misma manera de la

anterior; básicamente para enviar y recibir información por el puerto serial, cuando se envía

un dato se pide un identificador (idn?) el cual sirve para señalar en que parte del proceso de

dosificación se encuentra, las otras funciones manejan una lógica similar pero el (idn?) es el

que varía. Los identificadores utilizados son los siguientes

1: Verificación del punto llegada al sitio de dosificación idn?=1

2: Verificación del estado de los sensores de nivel idn?=2

3: Estado de recarga del vehículo. Idn?=3

I3 .Programa en Microcode Studio

El manejo del micro controlador se hace por medio de un programa llamado microcode

studio donde se tiene la lógica del programa enlazado con matlab de una manera tal que

pueda recibir las señales de campo tales como los sensores de nivel y la señal de punto de

parada de recarga. A continuación se presenta el código utilizado:

include "modedefs.bas"

serial1 var byte

trisb=%00000000

trisc=%00000000

trisd=%00000000

portb=%00000000

portc=%00000000

portd=%00000000

cmcon=7

svcarro var portb.0

stnbajo var portb.1

stpbajo var portb.2

stkbajo var portb.3

130

stnalto var portb.4

stpalto var portb.5

stkalto var portb.6

npulsos var byte

npulsos=0

start:

high portd.0

pause 1000

low portd.0

pause 500

senalcarro:

if portb.0 == 1 then envio1

goto senalcarro

envio1:

serout portb.7,T2400,["1"]

npulsos=npulsos+1

if npulsos == 3 then mezcla „encendido de motores de mezcla cada 3 puntos de parada.

pause 500

low portb.0

GOTO senalcarro2

mezcla:

high portc.3

pause 9000

pause 9000

low portc.3

pause 500

npulsos=0

LOW portb.0

goto senalcarro2

senalcarro2:

high portb.0

goto envio2

envio2:


pause 500

low portb.0

goto recibir

131

recibir:

serin portc.0,T2400,serial1

if serial1 == "L" then sensores

goto recibir

sensores:

high portd.1

PAUSE 1000

LOW portd.1

pause 500

low portb.0

if stnbajo==1 and stpbajo==1 and stkbajo==1 then recargar







if stnbajo==0 and stpbajo==0 and stkbajo==0 then envio3

goto sensores

envio3:


LOW portb.0

LOW portb.1

LOW portb.2

LOW portb.3

goto recibir2

recibir2:

serin portc.0,T2400,serial1

if serial1 == "E" then high portc.1 'encender motores

if serial1 == "A" THEN LOW portc.1 'apagar motores

if serial1 == "R" THEN HIGH portc.2 'sentido de giro motores

if serial1 == "L" THEN nuevopunto 'fin punto de dosificacion

goto recibir2

nuevopunto:

high portc.2

pause 1000

low portc.2

pause 500

goto start

recargar:

if svcarro == 1 then envio1

132


LOW portb.0

LOW portb.1

LOW portb.2

LOW portb.3

high portc.3

pause 1000

low portc.3

pause 500

if stnalto==1 and stpalto==1 and stkalto==1 then start

goto recargar

La lógica del programa es bastante simple, se toman las señales obtenidas mediante el

micro controlador se enlazan mediante el puerto serial de matlab y se envían los

identificadores correspondientes al proceso que se lleva acabo como se explicó en el

programa en matlab. Este programa tiene como característica manejar etiquetas y cada una

cumple una función específica del proceso, estas en el programa se separan por un espacio

para mayor comprensión, por ejemplo la etiqueta sensores identifica cada una de las

posibles combinaciones que se puedan presentar durante el proceso, se utiliza una tabla de

verdad para observar el estado de los sensores.

I4. Simulación de funcionamiento en proteus : Se utiliza este programa para observar el

funcionamiento del enlace que hacen los programas matlab y microcode studio, en el

diagrama esquemático se observan el micro controlador, los sensores de nivel alto y nivel

bajo simulados por medio de un dip switch , también se hace referencia a la señal de punto

de parada para la dosificación por medio de un contactor , se hace el encendido de los

motores por medio de un L293d tanto los motores de las bombas como los motores de

mezcla y se tienen led para identificar en que proceso se encuentra el sistema. Se visualiza

también la conexión por medio del puerto virtual y unos paneles que muestran los valores

enviados y recibidos en la lógica del programa.

133

Figura 62. Interfaz gráfica en proteus

Fuente Autores

134

ANEXO J

MANUAL DEL PROGRAMADOR APLICACIÓN

COMPACT RIO

SIMULACIÓN DE UN PROTOTIPO DE SISTEMA DE

DOSIFICACIÓN, PARA UN VEHÍCULO DE

DISTRIBUCIÓN INTELIGENTE DE

FERTILIZANTES QUÍMICOS

135

ÍNDICE

Pág.

1. INTRODUCCION AL MANUAL DEL PROGRAMADOR ........................................ 136

1.1 LICENCIA ................................................................................................................ 136

1.1 RECOMENDACIONES ........................................................................................... 136

2. CREAR EL PROYECTO ............................................................................................. 136

2.1 SELECCIÓN DE MODO DE PROGRAMACIÓN .................................................. 137

3. DECLARACION DE ENTRADAS Y SALIDAS FPGA ............................................. 137

3.1 VI FPGA DEL PROYECTO DE DOSIFICACIÓN ............................................... 140

3.2 VI CREADO DESDE EL HOST DEL COMPACT RIO ....................................... 140

3.2.1 IDENTIFICACION DE MODULOS IN/OUT ................................................ 141

4. APLICACIÓN PARA EL SISTEMA DE DOSIFICACIÓN ........................................ 142

4.1 VERIFICACIÓN DE ESTADO DE SENSORES .................................................... 142

4.2 SELECCIÓN DEL TIPO DE FERTILIZANTE ....................................................... 143

4.3 TIEMPOS DE ACCIONAMIENTO DE VALVULAS ............................................ 144

5. CONEXIÓN DE LA BASES DE DATOS CON EL COMPACT RIO ....................... 145

6. SELECCIÓN DE DOSIS .............................................................................................. 146

7. HISTORICO DE TIEMPOS .......................................................................................... 147

136

1. INTRODUCCIÓN AL MANUAL DEL PROGRAMADOR

El manual del programador tiene el objetivo de informar al lector sobre el módulo

desarrollado. Con este fin se documenta y se explica de una forma general el

proceso que define el módulo, teniendo en cuenta los lineamientos propuestos en la

licencia de Labview 2010 Service Pack 1 Versión 10.0.1 (32 bits).

1.1 LICENCIA

El contenido de los archivos empleados están sujetos a la licencia de Labview 2010 Service

Pack 1 Versión 10.0.1 (32 bits). El programador no puede utilizar estos archivos, excepto

en el cumplimiento de la misma.

1.2 RECOMENDACIONES

Se recomienda realizar una lectura detallada de los manuales tanto del usuario como

del programador, además de las referencias citadas, son de necesarias para la

comprensión del funcionamiento del módulo y de su simulación.

Se recomienda utilizar el formato de caracteres UTF-8, para el Servidor de bases de datos

con el fin de evitar errores que pueden ser ocasionados por caracteres inesperados.

Para la aplicación en el compact Rio, se debe tener previamente instalados todos los

componentes de Labview 2010 Service Pack 1 Versión 10.0.1 (32 bits), entre esas

instalaciones debe estar el driver del compact Rio el cual viene con su respectivo CD de

instalación.

2. CREAR EL PROYECTO

Creado el proyecto se debe detectar el compact Rio según lo muestra la Figura 63.

137

Figura 63. Seleccionar el dispositivo de control

Fuente Autores

Ahora se selecciona Real time Compact Rio para que Labview detecte el dispositivo como

lo muestra la Figura 64

Figura 64. Detectar el Compact Rio

Fuente Autores

2.1 SELECCIÓN DE MODO DE PROGRAMACIÓN

Después de detectar el dispositivo, se selecciona el modo de programación, existen dos

formas de programación: 1) en Scan Interface y 2) Labview fpga. Para el proyecto se

utiliza la opción 2 como lo muestra la Figura 65.

138

Figura 65. Selección del modo de Programación

Fuente Autores

Al reconocer todos los dispositivos, el proyecto debe quedar como lo muestra la Figura 66,

lo que está marcado con rojo indica el dispositivo encontrado.

Figura 66 Proyecto que se creó en Labview

Fuente Autores

Para crear una aplicación se pueden seguir 3 instancias, desde el computador se puede crear

un VI Labview que usualmente lo llaman “host computer” en el cual se puede programar

teniendo todas las características disponibles del programa pero se debe tener una

comunicación directamente con VI desarrollado sobre la FPGA .También se puede realizar

un VI dentro del dispositivo que usualmente se denomina “Scan interface”, pero también se

debe tener en cuenta una interconexión con un VI sobre la fpga.

El desarrollo de un VI sobre la FPGA no está condicionado a interconectarse con otros VI.

La programación que se puede ejecutar en este, está restringida por ciertas funciones que no

139

se encuentran disponibles. Las tres formas de crear un VI se visualizan en la Figura 67. Es

indispensable primero crear el VI de la fpga.

Figura 67.Formas de programar el Compact Rio

Fuente Autores

3. DECLARACION DE ENTRADAS Y SALIDAS FPGA

Para la aplicación del proyecto se creó un VI fpga que se llamó Declaración de Puertos para

identificar las entradas y salidas de los slots y poder comunicarlo con cualquiera de los host

que uno desee crear.

3.1 VI FPGA DEL PROYECTO DE DOSIFICACIÓN

Este VI de la fpga muestra entradas y salidas digitales del compact rio lo que se hace es

identificarlos dentro de la fpga para poder manipular esas entradas y salidas desde el host

debido que dentro de la fpga la programación es más limitada y la compilación dentro de

esta toma bastante tiempo, todo depende del tamaño del programa para cargar el programa.

140

Figura 68. Programa en el VI de la FPGA

Fuente Autores

3.2 VI CREADO DESDE EL HOST DEL COMPACT RIO

Al crear este VI siempre se debe identificar la fpga target que en este caso se denomina

declaración de puertos, la Figura 69 muestra las herramientas de la interface con la fpga.

Figura 69. Selección de los módulos digitales

Fuente autores

De estas herramientas mostradas para este proyecto se utiliza open FPGA, Read/write y

close fpga.

Open fpga: Se selecciona para identificar el target creado en la fpga que en este caso se

llama declaración de puertos.

Read/Write: Se utiliza para identificar las entradas y salidas de los slots tanto digitales

como análogos.

Close fpga: Se utiliza para terminar la comunicación con la fpga.

141

La identificación del target se hace por medio de la opción configurar Open Fpga como lo


Figura 70. Ruta a seguir para configurar la fpga

Fuente Autores

En la Figura 71, se muestra como seleccionar el target que está dentro de la fpga.

Figura 71.Selección del VI de la fpga

Fuente Autores

3.2.1 IDENTIFICACIÓN DE MODULOS IN/OUT

El paso siguiente es utilizar Read /Write para identificar los módulos de entrada y salida de

los Slots tal como muestra la Figura 72, al señalar dentro del Read/write (gafas)se

mostraran las entradas habilitadas que se configuraron en el target de la fpga.

142

Figura 72. Selección de los slots habilitados

Fuente Autores

4. APLICACIÓN PARA EL SISTEMA DE DOSIFICACIÓN

Se tiene una secuencia predeterminada para el proyecto: Lo primero, es saber en qué

momento llega el vehículo al punto de dosificación, esta señal es enviada del vehículo al

programa de dosificación, mientras espera la señal de confirmación.

Figura 73.Confirmacion del punto de llegada al sitio de dosificación

Fuente Autores

4.1 VERIFICACIÓN DE ESTADO DE SENSORES

En la siguiente secuencia dentro del VI es verificar el estado de los sensores para identificar

el nivel de los tanques de fertilizante, si en nivel bajo o nivel alto, si es nivel bajo el estado

debe ser falso y si es nivel alto el estado es verdadero como lo muestra la Figura 73.

143

Figura 74. Secuencia para verificar el estado de los sensores de nivel

Fuente Autores

Si el estado de los tanques está en nivel bajo, la señal enviada por los sensores será false.

En esta secuencia, el programa envía una señal al vehículo para que vaya al punto de

recarga. Estando en este punto, los sensores que identifican el estado de nivel alto

actualizarán el nivel de los tanques hasta que se llenen nuevamente mediante depósitos

establecidos en el punto central de comunicaciones. Cuando los tanques, se recargan el

programa envía una señal para que el vehículo siga a la siguiente coordenada de

dosificación. El funcionamiento se muestra en la Figura 75.

Figura 75.Señal para ir al sitio de recarga

Fuente Autores

4.2 SELECCIÓN DE TIPO DE FERTILIZANTE

Para que las concentraciones en los fertilizantes se mantengan homogéneas, se utilizan unos

mezcladores para mover el agroquímico en el tanque es por eso que se tiene en el programa

la activación de estos mezcladores cada cierta frecuencia, en este programa se tiene

144

programado cada 3 puntos de parada. En la siguiente secuencia, se selecciona el tipo de

fertilizante a aplicar, según el punto de dosificación, tal como lo muestra la Figura 76.

Figura 76. Tipo de nutriente a dosificar

Fuente autores

4.3 TIEMPOS DE ACCIONAMIENTO DE VALVULAS

Para determinar cuánto volumen se necesita para un punto específico, se tiene una

conexión directa a una base de datos, y la formula que se halló en el comportamiento de la

bomba peristáltica para establecer la dosis correspondiente de fertilización, relacionando la

base de datos con la formula encontrada, tal como lo muestra la Figura 77:

Figura 77.Ejecucion del tiempo de accionamiento de las electroválvulas

Fuente Autores

El ovalo señalado en la Figura 77 muestra la variable global que se entrega la información

recibida de la base de datos, la cual es procesada para hallar el tiempo de encendido de la

electroválvula.

145

5. CONEXIÓN DE LA BASES DE DATOS CON EL COMPACT RIO

Antes de crear la conexión, previamente se debe haber creado la base de datos con la cual

se comunicara; luego, en Labview se crea un data link para verificar que la base de datos

fue creada correctamente. Se seleccionan los drivers tal como lo muestra la Figura 78.

Figura 78. Vínculos a través de windows con MySQL

Fuente Autores

Luego se selecciona el origen de datos, que es (local host) como se muestra en la Figura 79.

Figura 79.Seleccion del origen de datos para establecer la conexión

Fuente Autores

146

Si la base de datos fue creada satisfactoriamente en php myadmin, probamos la conexión y

no tiene que generar error, como lo muestra la Figura 80.

Figura 80.Prueba de conexión con la base de datos

Fuente Autores

6. SELECCIÓN DE DOSIS

Figura 81. Ingresar dosis para los puntos de dosificación

Fuente Autores

147

Desde la interfaz gráfica principal en Labview, se puede ingresar la información

correspondiente de los puntos de dosificación, el diagrama de conexiones se muestra en la

Figura 82.

Figura 82. Selección de dosis a través de la base de datos.

Fuente autores.

7. HISTORICO DE TIEMPOS

La Figura 82 muestra la configuración para procesar los datos adquiridos desde el sistema

de información central, el cuadro señala el Array donde vincula la información de la

cantidad de fertilizante que se debe utilizar para un punto de dosificación. Los datos son

cargados siguiendo el orden de la tabla que se encuentra en la base de datos, es decir a

medida que avanza un punto, el dato que se carga será el siguiente registro de la columna.

Una vez procesados los datos adquiridos de la tabla, se imprimen los resultados en el panel

“Tiempos de apertura válvulas”. Estos resultados se van registrando en la tabla “Histórico

de Tiempos” impresa en la interfaz. En la Figura 83 podemos ver como son tomados los

datos del panel “Tiempos de apertura válvulas” para luego ser anexados a la tabla Histórico

de Tiempos”.

148

Figura 83 Histórico de tiempos

Fuente autores.

149

ANEXO K

Diagrama de conexiones eléctricas

Las siguientes conexiones mostradas son externas al dispositivo Compact Rio y son las que

van conectadas a los sensores y señales del sistema de dosificación. La Conexión de los

elementos con el slot digital de entrada se muestra en la Figura 84.

Figura 84 Conexiones externas al compact rio de las entradas digitales

Fuente Autores

En la Figura 84, las letras B indican que son los medidores de nivel, la configuración and

de los sensores B1 y B1A representan el nivel alto de un tanque en este caso

correspondiente al que almacena fertilizantes nitrogenados, los sensores B2 y B2A

representan el nivel bajo de fertilizante del mismo tanque. Así sucesivamente, las siguientes

configuraciones representan los otros tanques de almacenamiento del sistema de

dosificación de fertilizantes. Las bobinas de los relés desde R1 hasta R6 van conectadas en

150

paralelo con un diodo para proteger el slot digital de entrada del Compact Rio. La conexión

digital de los elementos con el slot digital de salida, se muestra en la Figura 85.

Figura 85 Conexiones externas al compact Rio de las salidas digitales

Fuente Autores

La Figura 85 muestra las conexiones de los relés para proteger el slot digital de salida de

cualquier corto circuito que se pueda presentar. Las señales de salida del Compact Rio

activan los relés del 1 al 12 (R1-R11); el accionamiento dependerá de la lógica interna del

equipo. Los relés se activan y los contactos normalmente abiertos se cierran para activar las

bombas peristálticas y las electroválvulas que están alimentadas por una fuente de 24 V. El

relé 4 se activa para que el mezclador cada cierta frecuencia se active para mantener la

concentración homogénea del fertilizante dentro del tanque.

151

ANEXO L

MANUAL DEL USUARIO DE APLICACIÓN

COMPACT RIO

SIMULACIÓN DE UN PROTOTIPO DE SISTEMA DE

DOSIFICACIÓN, PARA UN VEHÍCULO DE

DISTRIBUCIÓN INTELIGENTE DE

FERTILIZANTES QUÍMICOS

152

ÍNDICE

1.ACERCA DEL APLICATIVO ....................................................................................... 153

2.RECOMENDACIONES ................................................................................................. 153

3.ACCESO ......................................................................................................................... 153

4 REQUERIMIENTOS ...................................................................................................... 154

5.INICIAR LA APLICACIÓN .......................................................................................... 154

6. CONTROL DE ACCESO .............................................................................................. 155

7.TRABAJAR LA APLICACIÓN .................................................................................... 156

8.VERIFICACIÓN ............................................................................................................ 156

9.PUNTOS A DOSIFICAR ............................................................................................... 157

10.SELECCIÓN DE BASE DE DATOS .......................................................................... 157

11.TIPO DE MACRO NUTRIENTE ................................................................................ 157

12.INICIAR LA SIMULACIÓN ....................................................................................... 158

153

1.ACERCA DEL APLICATIVO

El software de simulación de un prototipo de sistema de dosificación, para un vehículo de

distribución inteligente de fertilizantes químicos fue diseñado con el fin de visualizar el

comportamiento de un sistema integrado a un dispositivo COMPACT RIO. A través de éste

software es posible ver los tiempos de respuesta y el comportamiento tanto de las

electroválvulas como del flujo de los fertilizantes, además de saber el comportamiento del

sistema en caso de falta de suministros en los tanques de almacenamientos. Este aplicativo

se desarrolló a través de la herramienta Labview 2010 SP1 haciendo uso de las librerías

para comunicación con el dispositivo Compact Rio incluidas en el Cd de Instalación de la

herramienta. Cabe resaltar que este aplicativo es diseñado para simular el comportamiento

del Compact Rio, por lo tanto su uso es únicamente para observar la simulación, una vez

cargado el aplicativo en el Compact Rio éste se ejecutará internamente en el dispositivo y el

usuario solo podrá observar la respuesta del Dispositivo.

2.RECOMENDACIONES

Es necesario que el Compact Rio se encuentre conectado a través del puerto

Ethernet y que ya esté configurada la comunicación con el computador que

ejecutará el aplicativo.

Datos de acceso:

Usuario: fidae1234

Contraseña: ulsa1234

3.ACCESO

La aplicación está diseñada para ser implementada en un dispositivo Compact Rio, y éste

requiere un puerto físico ETHERNET para poder establecer comunicación con la

herramienta Labview. Esto, para un mejor resultado de la simulación, debido a que los

cálculos se llevaran a cabo dentro de la FPGA presente en el dispositivo.

154

4 REQUERIMIENTOS

4.1 HARDWARE

Procesador mínimo Pentium III/Celeron 866 MHz o equivalente. Para entorno de

desarrollo procesador mínimo Pentium 4/M o equivalente.

Memoria RAM mínimo 1GB.

Espacio libre en disco para instalación: 3.67 GB.

Resolución de Pantalla: 1024 x 768 píxeles

Dispositivo Compact Rio con cable Ethernet de comunicación y cable de

Alimentación.

4.2 SOFTWARE

Sistema Operativo de 32 bits, Windows Server 2003 R2/XP/vista/7.

Herramienta Labview 2010 Service Pack 1 Versión 10.0.1 (32 bits).

Paquete de Drivers para Dispositivo Compact Rio.

Phpmyadmin 3.3.9.2

Soporte UTF-8.

Firefox 3.5 o superior.

5.INICIAR LA APLICACIÓN

Para poder trabajar con la Aplicación, es necesario tener ejecutado el software Labview,

luego ingresar al menú “File” y seleccionar la opción “Open Project”. En la ventana

emergente buscar el archivo “Proyecto_tesis_martin.lvproj” ubicado en la carpeta del

proyecto y abrirlo. Una vez esté cargado el proyecto en Labview se procede a ejecutar el

aplicativo presionando en el botón “Play” ubicado en la barra de herramientas superior

como lo muestra la Figura 86.

155

Figura 86 .Ejecutar aplicativo

Fuente Autores

6. CONTROL DE ACCESO

Para poder trabajar con el aplicativo es necesario validar un usuario y contraseña como lo


Figura 87.Control de acceso

Fuente Autores

Estos datos de acceso están especificados en el apartado RECOMENDACIONES y solo

deben ser conocidos por la persona quien utilizará el aplicativo. Si los datos son erróneos

el control de acceso no permitirá la ejecución del aplicativo como lo muestra la Figura 88.

Figura 88.Datos de acceso erróneos

Fuente Autores

156

7.TRABAJAR LA APLICACIÓN

Una vez aprobado el control de acceso, se mostrará el control principal del aplicativo, en el

cual se puede apreciar el nivel de los tanques, el estado de las electroválvulas, el estado de

la bomba, las señales de control del sistema, las cantidades de macro nutrientes a dosificar

y los tiempos requeridos para la dosificación, como lo muestra la Figura 89.

Figura 89 .Control principal

Fuente Autores

8.VERIFICACIÓN

Antes de iniciar la simulación se necesita verificar el estado de algunas señales, como lo

son, la señal del sistema de control del vehículo y la señal del estado de los sensores de

nivel de los tanques. Esto se puede hacer presionando sobre los indicadores referentes a

cada señal como lo muestra la Figura 90.

Figura 90.Verificación de señales

Fuente Autores

157

9.PUNTOS A DOSIFICAR

Para obtener la simulación es necesario especificar ciertos aspectos o datos. Como primer

paso se debe especificar la cantidad de puntos a dosificar, esto para poder conocer cuántos

ciclos de dosificación va a realizar el sistema. La cantidad de puntos a dosificar debe ser

especificada en el panel “Cantidad de puntos a recorrer” como lo muestra la Figura 91.

Figura 91. Cantidad de puntos a recorrer

Fuente Autores

10.SELECCIÓN DE BASE DE DATOS

Para poder obtener la cantidad de macro nutrientes a dosificar en cada punto, es necesario

establecer comunicación con una base datos la cual guarda dichos valores y estos luego son

procesados por el sistema para calcular el tiempo necesario de dosificación. La

comunicación con la base de datos se debe especificar en el panel “Seleccionar el vínculo

con la base de datos”, basta con seleccionar la carpeta donde se encuentra alojado el

proyecto para que el sistema ejecute el archivo de conexión y pueda procesar los datos. El

panel de conexión con la base de datos se muestra en la Figura 92.

Figura 92. Conexión con la base de datos

Fuente Autores

11.TIPO DE MACRO NUTRIENTE

El aplicativo cuenta con un panel llamado “Seleccionar el tipo de macronutriente” donde es

posible especificar independientemente el macronutriente a dosificar. Si lo que se desea es

158

dosificar todos los tipos de macronutrientes al mismo tiempo, entonces es necesario

especificar la opción “Todos” en el panel. Para poder escoger una de las 4 posibles

opciones, es necesario escribir en el campo de texto del panel la opción a trabajar como lo


Figura 93. Tipo de macronutriente

Fuente Autores

El aplicativo además presenta una opción para dosificar según el tipo de macronutriente y

allí es posible ingresar volúmenes requeridos para cada punto de irrigación.

(Independientemente estos volúmenes pueden digitarse y posteriormente, podrán leerse en

la base de datos). Esta opción se muestra en la Figura 94.

Figura 94. Volúmenes de macronutrientes

Fuente Autores

12.INICIAR LA SIMULACIÓN

Con los anteriores parámetros especificados en la aplicación, se puede dar inicio al

funcionamiento. Se tienen los 3 tanques con los macronutrientes principales (N,P2O5,K2O)

previamente diluidos en agua, además se tiene una plataforma de aplicación del fertilizante

con nueve micro aspersores y a cada uno le corresponde una electroválvula, la cual permite

159

el paso del fertilizante correspondiente al punto de dosificación en un determinado tiempo;

cuando la opción seleccionada es para dosificar todos los fertilizantes, la función del

programa permite que se realicen secuencialmente las acciones correspondientes de

dosificación, es decir que primero aplique el volumen requerido del tanque de N, luego

para el P2O5 y por último al de K2O. En el momento de la aplicación de fertilizante de uno

de los tanques, el sistema tiene una secuencia que activa una electroválvula a la vez, es

decir, que permite el paso del fluido en uno de sus micro aspersores de los nueve que lo

componen, el tiempo de accionamiento de cada uno se ajusta al requerimiento de nutrición

de la planta ubicada en tal punto, el cual está dado por la información previamente

ingresada en la base de datos. Encender una electroválvula a la vez, permite tener la presión

necesaria para que el micro aspersor funcione adecuadamente. Cuando se realiza la

dosificación correspondiente de cada planta en el punto de parada, el sistema envía un bit

de verificación al sistema de control del vehículo; para que se ubique en la siguiente

coordenada de dosificación. Cuando los niveles de cualquier tanque se encuentren en un

nivel bajo, el sistema envía un bit al vehículo para que se ubique en la coordenada donde se

abastece de fertilizantes al sistema de dosificación. El proceso de respuesta del aplicativo se

puede observar a través de la interfaz, y los resultados obtenidos se van anexando a la tabla

“Histórico de tiempos” como lo muestra la Figura 95

Figura 95 Interfaz de simulación

Fuente Autores

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