INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALtesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/10024/1/111.pdfFigura 2.13.-...
79
1 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD ZACATENCO INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN TESIS CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN DE UN SISTEMA DE BOMBEO DE UN INVERNADERO PARA EL DESARROLLO, CULTIVO E INVESTIGACIÓN DE FLORA. QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN DÍAZ ESTRADA RODRIGO MANUEL GARCÍA CORNEJO LEONARDO DANIEL ESPINOZA SÁNCHEZ DIEGO ARMANDO DIRECTOR DE LA TESIS M. EN C. PEDRO FRANCISCO HUERTA GONZÁLEZ MÉXICO D. F. A JUNIO 2011
Transcript of INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALtesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/10024/1/111.pdfFigura 2.13.-...
1
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD ZACATENCO
INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
TESIS
CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN DE UN SISTEMA DE BOMBEO DE UN
INVERNADERO PARA EL DESARROLLO, CULTIVO E INVESTIGACIÓN
DE FLORA.
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
DÍAZ ESTRADA RODRIGO MANUEL
GARCÍA CORNEJO LEONARDO DANIEL
ESPINOZA SÁNCHEZ DIEGO ARMANDO
DIRECTOR DE LA TESIS
M. EN C. PEDRO FRANCISCO HUERTA GONZÁLEZ
MÉXICO D. F. A JUNIO 2011
INSTfTUTO POLITÉCNICO NACIONAL /
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL "ADOLFO LÓPEZ MATEOS"
TEMA DE TESIS
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
POR LA OPCIÓN DE TITULACIÓN TESIS COLECTIVA Y EXAMEN ORAL INDIVIDUAL
DEBERA(N) DESARROLLAR C. RODRIGO MANUEL DÍAZ ESTRADA C. DIEGO ARMANDO ESPINOZA SÁNCHEZ C. LEONARDO DANIEL GARCÍA CORNEJO
"CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN DE UN SISTEMA DE BOMBEO DE UN INVERNADERO PARA EL DESARROLLO, CULTIYO E INVESTIGACIÓN DE FLORA"
CONTROLAR Y AUTOMATIZAR UN INVERNADERO POR MEDIO DE UN CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE (PLC), QUE SE ENCARGA DEL CONTROL DE AMBIENTACIÓN DEL INVERNADERO, CON EL FIN DE SIMULAR UN ECOSISTEMA NATURAL QUE PERMITIRÁ EL DESARROLLO E INVESTIGACIÓN DE DIFERENTES TIPOS DE FLORA.
.:. INTRODUCCIÓN. •:. PROPUESTA DE CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN DEL INVERNADERO• •:. DISEÑO GRÁFICO DEL INVERNADERO EN 3D.. •:. PROPUESTA TÉCNICO-ECONÓMICA .:. CONCLUSIONES .:. BIBLIOGRAFÍA
MÉXICO D. F., A 03 DE NOVIEMBRE DE 2011.
ASESORES
M. EN C. PEDRO FRANCISCO HUERTA GONZÁLEZ
3
RESUMEN
En el presente trabajo de tesis se explica el control y automatización de un invernadero, con el
fin de investigar el desarrollo de cultivo en diferentes tipos de flora, previniendo enfermedades
en plantas.
El control del medio ambiente en el invernadero se basa en diversos sistemas de control, como
son: el control de pH en la solución necesaria para cada tipo de planta, el control en el sistema de
bombeo, el control del sistema de riego, el control de humedad en hidratación adecuada según el
tipo de planta, el control de nivel en almacenamiento de agua, y el control de temperatura e
iluminación.
El control del invernadero y la automatización se realizara con un controlador lógico programable
(PLC), que establece el control en los elementos finales de control por medio de señales que
serán canalizadas por sensores y decodificadas por transmisores, con el fin de simular un
ecosistema natural.
4
DEDICATORIA
Padres y Familia:
Este trabajo se les dedica con mucho cariño y esfuerzo, es el resultado de cuatro años y
medio de esfuerzo, desveladas pero sobretodo es un agradecimiento para ustedes de
nosotros por confiar plenamente en que llegaríamos a cristalizar este sueño de egresar
como Ingenieros en Control y Automatización el cual lo compartían con nosotros.
5
AGRADECIMIENTOS
Padres, Familia, Amigos y Profesores:
Gracias por todo el apoyo, compañía y dedicación que pusieron en nosotros, gracias por
hacer que confiáramos en nosotros, de no dejarnos solos en los momentos difíciles, en las
derrotas y en los fracaso, en festejar cono nosotros los momentos de felicidad, los triunfos y
los logros obtenidos en estos cuatro años y medio. Este trabajo es el resultado de esfuerzo,
desveladas pero sobretodo es un agradecimiento para ustedes de nosotros por confiar
plenamente en que llegaríamos a cristalizar este sueño de egresar como Ingenieros en
Control y Automatización el cual lo compartían con nosotros.
A todos ustedes muchas gracias.
6
Contenido HOJA DE AGUA ............................................................................................................................. 2
RESUMEN ....................................................................................................................................... 3
DEDICATORIA ............................................................................................................................... 4
AGRADECIMIENTOS ................................................................................................................... 5
TABLA 4.1.- COTIZACIÓN DEL MATERIAL PARA PROYECTO ......................................... 10
1.1.- Objetivo general ................................................................................................................. 11
1.2.- Objetivos específicos ......................................................................................................... 11
1.3.- Justificación. ...................................................................................................................... 11
1.4.- Antecedentes ..................................................................................................................... 12
1.4.1.- Automatización de invernadero industrial mediante sistema de control distribuido . 12
1.4.2.- Sistema de gestión y automatización de invernaderos ................................................ 12
1.4.3.- Automatización del control climático en invernaderos............................................... 13
1.4.4.- Control y regulación de un riego de un invernadero ................................................... 13
1.4.5.- Invernadero inteligente para clima cálido ................................................................... 14
CAPÍTULO 2. PROPUESTA DE CONTROL Y AUTOMATIZACION DEL
INVERNADERO ........................................................................................................................... 15
2.1 Estado actual del invernadero............................................................................................... 15
2.1.1 Descripción del terreno e invernadero........................................................................... 15
2.1.2 Sistema de riego ............................................................................................................ 17
2.1.3 Mezclado soluciones-agua ............................................................................................ 20
2.2 Diseño del nuevo invernadero automatizado ....................................................................... 20
2.2.1.1 Control por luz solar ................................................................................................... 22
2.2.1.2 Automatizacion del techo para dias lluviosos ............................................................ 22
2.2.1.3 Control manual .......................................................................................................... 23
2.2.2 Control del sistema de bombeo y almacenamiento ....................................................... 23
2.2.3 Sistema de mezclado de soluciones para el riego.......................................................... 26
2.2.4 Control del sistema de riego .......................................................................................... 27
2.2.4.1 Horarios de riego ........................................................................................................ 27
2.2.4.2 Sistema de insecticida ................................................................................................ 28
2.2.5 Control de ph ................................................................................................................. 29
2.2.6 Automatización de alumbrado....................................................................................... 30
2.2.7 Control de temperatura .................................................................................................. 31
2.2.8 Sistema de limpieza de los ductos de riego ................................................................... 32
2.2.9 Diagrama de tubería e instrumentación del invernadero ............................................... 32
7
CAPÍTULO 3. DISEÑO GRÁFICO DEL INVERNADERO EN 3D .......................................... 37
3.1 selección del plc omron cp1l ................................................................................................ 52
3.1.1 CPU – Leds de señalización. ......................................................................................... 53
3.1.2 CPU – Dip switch .......................................................................................................... 54
3.1.3 Entradas/Salidas Digitales ............................................................................................. 55
3.1.4 Entradas/Salidas Analógicas ......................................................................................... 56
3.2 Direccionamiento de entradas y salidas ............................................................................... 58
3.2.1.1 Tarjeta de expansión salidas digitales ........................................................................ 59
3.2.1.2 Tarjeta de expansión entradas y salidas analógicas.................................................... 60
3.3 Integración del sistema de control ........................................................................................ 60
CAPITULO 4. PROPUESTA TÉCNICO-ECONÓMICA ............................................................ 68
4.1 Cotización del material para proyecto .................................................................................. 72
4.2 Cotización de mano de obra ................................................................................................. 72
CONCLUSIONES ......................................................................................................................... 73
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................ 74
ANEXOS ........................................................................................................................................ 75
Anexo 1.- INTERFAZ GRÁFICA DEL MONITOREO DEL INVERNADERO ..................... 75
Anexo 2.- EXPLICACIÓN DEL PROGRAMA EN EL PLC .................................................. 78
8
Índice de Figuras
Figura 1.1.- Invernaderos inteligentes
Figura 2.1.- Invernadero
Figura 2.2.- Medidas del terreno
Figura 2.3.- Estado actual del invernadero y terreno
Figura 2.4.- Parte ocupada del terreno
Figura 2.5.- Flora a investigar
Figura 2.6.- Contenedores para el agua de 1100 litros
Figura 2.7.- Estado actual del invernadero
Figura 2.8.- Sistema de riego actual del invernadero
Figura 2.9.- Aspersores del sistema de riego
Figura 2.10.- Diseño del invernadero
Figura 2.11.- Medida vista lateral estructura del invernadero
Figura 2.12.- Medida frontal estructura del invernadero
Figura 2.13.- Automatización del techo por medio de la luz solar
Figura 2.14.- Control de humedad para techo corredizo en días lluviosos
Figura 2.15.- Automatización de techo deslizable de forma manual
Figura 2.16- Distribución de tanques
Figura 2.17.- DTI sistema de bombeo
Figura 2.18.- Control de nivel en los tanques
Figura 2.19.- DTI mezclado de soluciones
Figura 2.20.- Mezclado de la solución con agua
Figura 2.21.- Automatización de los Riegos de agua por tiempos
Figura 2.22.- Automatización del Riego del insecticida para plagas.
Figura 2.23.- DTI del Control del pH
Figura 2.25.- Accionamiento manual para la limpieza de los ductos del sistema de riego
Figura 2.26.- Diagrama de tubería e instrumentación del invernadero
Figura 3.1.- Sistema de almacenamiento, bombeo y mezclado
Figura 3.2.-Desarrollo del producto
Figura 3.3.-Estructura del invernadero
Figura 3.4.-Vista aérea del invernadero
Figura 3.5.- Diagrama de distribución de tanques de almacenamiento
Figura 3.6.- Electroválvulas
Figura 3.7.- Bombas de agua
Figura 3.8.- Distribución de tanques de almacenamiento I
Figura 3.9.- Distribución de tanques de almacenamiento II
Figura 3.10.- Distribución de tanques de almacenamiento III
Figura 3.11.- Producto a desarrollar
Figura 3.12.- Aspersores.
Figura 3.13.- Cuarto de control
Figura 3.14.- Sistema de mezclado.
Figura 3.15.- Mezclado de compuestos químicos con agua.
Figura 3.17.- Sistema de riego
Figura 3.18.- Características del PLC
Figura 3.19.- Leds indicadores del PLC
Figura 3.20.- DIP Switch del PLC
9
Figura 3.21.- Entradas y salidas digitales del PLC
Figura 3.22.- DIP Switch que acciona las entradas analógicas del PLC
Figura 3.23.- Entradas y salidas Analógicas del PLC
Figura 3.24.- Tarjeta de expansión de 60 unidades de entradas y salidas adicionales al PLC
Figura 3.25.-Tarjeta de expansión de 60 unidades de entradas y salidas digitales
Figura 3.26.- Alimentación monofásica, una fase, dos hilos CFE
Figura 3.27.- Bus de conexión de los sensores al PLC
Figura 3.27.- Bus de conexión para alimentar el PLC y diagrama escalera
Figura 3.28.- Conexión de la fuente externa a 24 VCD
Figura 3.29.- Diagrama de conexión de los sensores al PLC.
Figura 3.30.- Diagrama de conexión de actuadores a las salidas digitales del PLC.
Figura 3.31.- Diagrama de conexión de los sensores en las entradas analógicas
Figura 3.32.- Diagrama de conexión de actuadores a las salidas analógicas
Figura 3.33.- Diagrama de conexión de actuadores a las salidas digitales de la tarjeta de
Figura 3.34.- Diagrama de conexión de los sensores a las entradas analógicas de la tarjeta de
expansión
Figura 3.35.- Diagrama de conexión de actuadores a las salidas analógicas de la tarjeta de
expansión
Figura 3.36.- Diagrama de conexión del circuito de fuerza de la mezcladora M1 y los
ventiladores de M4 a M7
Figura 3.37 Diagrama de conexión del circuito de fuerza el motor de las bombas 1 a la 3
con sus contactores los cuales son accionados por el electro-nivel.
Figura 3.38 Diagrama de conexión del circuito de fuerza de las bombas de la 4 a la 11 con
sus contactores que son accionados por las bobinas
Índice de Tablas
Tabla 2.1.- Entradas y salidas de la automatización del techo por medio de luz solar
Tabla 2.2.- Entradas y salidas de la automatización del techo para días lluviosos
Tabla 2.3.- Entradas y salidas del accionamiento manual del techo
Tabla 2.4.- Entradas y salidas del Sistema de almacenamiento y bombeo
Tabla 2.5.- Entradas y salidas del control de mezclado y riego
Tabla 2.6.- Entradas y salidas del control del sistema de riego
Tabla 2.7.- Entradas y salidas de la automatización del riego del insecticida
Tabla 2.8.- Entradas y salidas del control del pH
Tabla 2.9.- Entradas y salidas de la automatización del sistema de alumbrado
Tabla 2.10.- Entradas y salidas del control de temperatura por circulación de aire
Tabla 2.11.- Entradas y salidas del accionamiento manual para la limpieza de tubería
Tabla 3.1.- Descripción de cada uno de los leds indicadores del PLC
Tabla 3.2.- Descripción del DIP Switch
Tabla 3.3.- Entradas y salidas analógicas del PLC
Tabla 3.4.- Entradas y Salidas Analógicas del PLC.
Tabla 3.5.- Características de la Tarjeta de expansión de 60 unidades de E/S Digitales Tabla 3.6.- Dirección de entrada digital de cada sensor
Tabla 3.7.- Dirección de salida digital de los actuadores
Tabla 3.8.- Dirección de entrada Analógica de cada sensor
Tabla 3.9.- Dirección de Salida Analógica de los actuadores
Tabla 3.10.- Dirección de salida digital para los actuadores
10
Tabla 3.11.- Dirección de entradas analógicas de los sensores
Tabla 3.12.- Dirección de salida digital de cada uno actuador
Tabla 4.1.- Cotización del material para proyecto
Tabla 4.2.- Cotización de mano de obra Tabla 4.3.- Costo total del proyecto
11
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN
Se justifica y se específica los objetivos que se pretenden alcanzar, en el sistema de control y
automatización de un invernadero, estableciendo antecedentes de trabajos similares en el proceso
de ambientación artificial en invernaderos.
1.1.- Objetivo general
Controlar y automatizar un invernadero por medio de un controlador lógico programable (PLC),
que se encarga del control de ambientación del invernadero, con el fin de simular un ecosistema
natural que permitirá el desarrollo e investigación de diferentes tipos de flora.
1.2.- Objetivos específicos
Controlar y automatizar el sistema de recolección y bombeo de agua.
Controlar la temperatura, pH, Humedad, Flujo, Nivel, e iluminación.
Controlar el sistema de riego.
Aumentar la producción de ”diferente flora”
1.3.- Justificación.
Un invernadero de investigación controlado y automatizado, facilita el desarrollo de nuevos
cultivos, previniendo plagas o enfermedades que puedan adquirir las plantas, obteniendo de
manera significativa mayor producción y calidad en cultivos.
Establecer un control eficiente permite contrarrestar el efecto climático en el sector agropecuario
que ocasiona una baja producción. Esto se previene y erradica con el desarrollo de nuevas
investigaciones por medio de un análisis predictivo, que consiste en observar el comportamiento
de ciertas plantas a condiciones pre-establecidas, considerando que la agricultura es parte
fundamental en el desarrollo económico de un país.
El ambiente del invernadero, debe estar controlado a través de diversos factores, en intensidad de
iluminación, circulación de aire, control de pH del agua tomando como referencia el pH de la
planta, ya que es necesario conocer la acidez para no alterar el desarrollo del cultivo, control en
el sistema de riego, control de nivel utilizado en almacenamiento de contenedores, con el fin de
activar o desactivar bombas, control de temperatura que prevé diversos hongos que atacan los
cultivos.
12
1.4.- ANTECEDENTES
1.4.1.- Automatización de Invernadero Industrial Mediante Sistema de control Distribuido
Con respecto a esta aplicación, se presentó una aplicación de automatización industrial mediante
control distribuido aplicado sobre un invernadero para el cultivo hidropónico de rosas. Se utiliza
el bus Profibus (estándar europeo utilizado en la industria) como medio físico de comunicación
entre el PLC y periferia descentralizada. El PLC actuó como unidad de control, a partir de la
información de todos los sensores y de la lógica de control, determino las acciones a realizar. La
periferia descentralizada se encarga de tomar la información de los sensores (de temperatura,
humedad relativa, etc.), digitalizarla y mandarla por la red al PLC. Por otra parte recoge las
órdenes de éste y las ejecuta sobre los sistemas de actuación (nebulización, calefacción, etc.).
En el ordenador personal (PC), se desarrollo una aplicación de software implementando la
interfaz de usuario (HMI), trasladando la información del PLC al usuario y viceversa, además de
realizar las funciones de servidor de Internet, que se encarga de monitorizar el estado del
invernadero, así como de controlar el funcionamiento global del mismo, gestionar las alarmas,
generar históricos, etc. Se pretende utilizar redes inalámbricas para Ethernet (comunicación vía
radio, Ethernet sin cables) utilizando antenas, lo cual flexibiliza todavía más la aplicación al
permitir conectar múltiples invernaderos, distanciados entre sí, sin necesidad de utilizar el
cableado.
1.4.2.- Sistema de Gestión y Automatización de Invernaderos
En este sistema IN-32/02 de Robótica AEDES, desarrolló el control de invernáculos y
plantaciones a campo abierto, (horticultura, fruticultura, floricultura, o arboricultura) el sistema
controla todos los eventos del establecimiento, cumple correctamente con los horarios de riego y
fertilización, dosificar los nutrientes, levantar cortinas, anotar temperaturas y humedad, regular
presiones, encender iluminación, etc., y todo en tiempo exacto, ante una falla seria, el sistema
avisa telefónicamente para decidir qué hacer, monitorea y/o cambiar parámetros desde su casa a
través de una PC sin necesidad de asistir personalmente al lugar. (Figura 1.1)
Figura 1.1.- Invernaderos inteligentes
13
1.4.3.- Automatización del Control Climático en Invernaderos
Para el Control Climático en los Invernaderos se mostraron los aspectos que lo caracterizan así
mismo se explican las características de estos mismos. Los elementos a controlar son la
ventilación, calefacción, control de humedad, pantallas, CO2 Circulación del aire e Iluminación.
Los tipos de ventilación que se propusieron son ventilación natural (cenital o lateral) o
ventilación artificial. Para los tipos de calefacción contamos con la Calefacción por aire caliente,
combustión directa, está conformada por calefactores de gas natural y calefactores de propano,
para la combustión indirecta sus principales características son los calefactores de gas-oil y
calefactores de fuel-oil por último tenemos la calefacción por agua caliente esta calefacción está
enterrada en el suelo, calefacción localizada sobre el suelo, calefacción en el sustrato y
calefacción suspendida en la estructura del invernadero.
El control de humedad lo realizaron mediante la ventilación, mediante sistemas de
humidificación y mediante pantallas de humedad, los tipos de pantallas que se utilizan en la
automatización son principalmente las pantallas de sombreo, pantallas de ahorro energético,
pantallas de humedad y pantallas de oscurecimiento o fotoperiodo, en el control de CO2
contamos con elementos para su dosificación en el cual tenemos generadores de CO2, CO2
líquido y Aprovechamiento de los gases de las calderas (calderas de gas natural, butano o
propano).La Circulación de aire del invernadero evitó diferencias de humedad y temperatura.
Para terminar la iluminación ayuda para aumentar la intensidad de la luz, aumentar duración del
día (luces de asimilación y luces cíclicas).
1.4.4.- Control y Regulación de un Riego de un Invernadero
El control lo realizaron los sensores de humedad por medio del puerto de la impresora del PC
que indican si la tierra necesita agua, donde un programa en el que se tiene introducido los
valores de humedad a la que nos tiene que poner en marcha la maniobra, teniendo valor el de
referencia ya que cuando baje de ese nivel manda la orden al autómata que puso en marcha el
agitador y a su vez un temporizador 1 a 10 segundos que cuando acabó, se detuvo el agitador y
activó la electro válvula del estanque, pondrá en marcha la bomba de riego, la bomba
succionadora de fertilizante y el temporizador 2 al tiempo que se requirió para dar de agua a la
tierra.
El agua que va directa al sistema de riego del invernadero, sale del mezclador impulsada por la
bomba de riego, pasa por las sondas del detector de PH y Conductividad, el cual tubo valores
predeterminados (que van en PH de 6 a 7 y en Conductividad de 1,5 a 2) a los que se debió regar,
por lo que sí hay un defecto o exceso, el regulador da la orden al autómata de que regula las
electro válvulas de salida de los bidones de fertilizante, hasta que los valores se ajusten a los
determinados, entonces el regulador envía la orden al autómata de que no regule más. Cuando el
temporizador 2 acabe el tiempo parará la bomba de riego, la bomba succionadora de fertilizantes
y la electroválvula del estanque. El control del nivel de agua del estanque y de los bidones de
fertilizantes, se realizó por medio de una variación del flotador de cinta.
14
1.4.5.- Invernadero Inteligente Para Clima Cálido
En este proyecto se enviaron señales que emiten los sensores al computador, que monitoreaban la
temperatura, la humedad relativa y luminosidad del ambiente. Para obtener una alta
productividad en el menor tiempo, gracias a un control eficiente y eficaz de los recursos.
Para el control del microclima se utilizó un sistema de control realimentado que se compone de
cuatro partes fundamentales: Proceso, elementos de medición, Controlador y Actuador.
La programación del Phidget Interface Kit 8/8/8, controla los estados dentro del invernadero
como son temperatura, humedad y luminosidad. La programación de la interfaz se desarrolla en
.NET, en donde las entradas que se utilizan son analógicas, manipulando el estado de las salidas,
las cuales son el extractor, los servos para apertura de las ventanas laterales, la calefacción, el
Cooling System y el sistema de riego.
El sistema de monitoreo se compone del software fundamental para la automatización, base
fundamental del trabajo. En el panel de monitoreo, el operario realizó una visualización del
sistema en tiempo real. Donde se muestran los valores obtenidos por los sensores ubicados dentro
del invernadero, como son la temperatura, la humedad relativa y la luminosidad. En esta ventana
el usuario tiene la opción de elegir entre el modo automático o el modo manual.
En el panel de parámetros es donde se colocaran los valores de rango ideal de temperatura y
humedad en el cual se desea que trabaje la planta y la selección de las casillas las cuales se desea
que se active si la temperatura sobrepasa, así como del horario de riego, ventilación entre otros.
15
CAPÍTULO 2. PROPUESTA DE CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN DEL INVERNADERO
2.1 ESTADO ACTUAL DEL INVERNADERO
En la Figura 2.1 se muestra el estado actual del invernadero de la Universidad Autónoma de
Chapingo. Esta unidad no cuenta con los recursos necesarios que requiere el Ingeniero Agrónomo
para realizar investigaciones en el área de cultivo, actualmente se realiza con equipo deficiente
de procedencia israelí que no es comercial en México.
Figura 2.1.- Invernadero
2.1.1 DESCRIPCIÓN DEL TERRENO E INVERNADERO
Actualmente el invernadero de la Universidad Autónoma de Chapingo en su centro de
investigación del colegio de posgrados ubicado en Texcoco, Estado de México cuenta con un
terreno de 60 m De largo por 24 m de ancho, en este terreno se cultivan diferentes tipos de
plantas para investigación, cultivo y producción, como se muestran en las Figuras 2.2 y 2.3
Figura 2.2.- Medidas del terreno
16
Figura 2.3.- Estado actual del invernadero y terreno
Dentro del terreno se cuenta con una instalación rústica que se toma como un invernadero
(Figura 2.4), la cual consta de una estructura metálica tubular de medio circulo que mide 25 m de
largo por 10 m de ancho con un radio de 2.10 m esta estructura metálica resguarda en su interior
los diferentes tipos de flora que se está investigando.
Figura 2.4.- Parte ocupada del terreno
La protección al ambiente exterior (iluminación, lluvia, etc.), es una estructura metálica tubular
que cubre con un plástico blanco con sombra al 30% (comúnmente llamado plástico de
invernadero), el cual ya cumplió su vida útil. Este será sustituido en su totalidad por otro plástico
del mismo material, ya que cumple con la iluminación necesaria en el día.
Esta estructura solo ocupa la mitad del terreno y existe otra estructura similar como se muestra en
la Figura 2.3, de las mismas medidas, estas estructuras están en dos partes del terreno y el área
sobrante se usa para degradar hojas secas ya que no se tiene más estructura para cubrir mayor
área y poder hacer más cultivos de investigación.
La flora es cubierta por una bolsa oscura la cual ayuda a su fácil manejo de transporte, también
sirve para evitar el contacto directamente con el piso, ya que su hidratación es controlada por
tiempos establecidos, también se protege de diferentes agentes externos que puedan afectar la
investigación como se observa en la Figura 2.5.
17
Figura 2.5.- flora a investigar
2.1.2 SISTEMA DE RIEGO
Cuenta con 27 tanques de almacenamiento con capacidad de 1,100 litros cada uno, los cuales
están divididos en tres secciones de nueve tanques para su almacenamiento y riego, tiene una
tubería que alimenta los tanques en serie que proviene desde la bomba hasta cada grupo de
tanques en cuatro de ellos cuenta con un manómetro. (Figura 2.6)
Existen dos bombas de extracción de agua con una capacidad de 0.5 HP monofásicas con
alimentación a 127 volts de corriente alterna para cada una, están conectada a un interruptor
termo magnético que deriva de la línea de distribución de la compañía suministradora de energía
eléctrica Comisión Federal de Electricidad (CFE) las cuales activan o desactivan el
funcionamiento de las bombas.
Cada tanque de almacenamiento está conectado a la salida en grupos de nueve, en donde se tiene
una tubería que cuenta con una válvula manual que abre y cierra el paso de agua al sistema de
riego que funciona por presión. (Figura 2.7)
18
Figura 2.6.- Contenedores para agua de 1100 litros
Figura 2.7.- Estado actual del invernadero
19
Se conecta a esta tubería el sistema de riego del invernadero, es una línea de manguera donde se
conectan varias líneas con salida para aspersores de riego fino que están distribuidos a lo largo de
las tuberías para una hidratación distribuida y adecuada de la planta que se está desarrollando.
Véase (Figura 2.8)
Figura 2.8.- Sistema de riego actual en el invernadero
El riego es realizado de forma manual y por consecuencia no se lleva a cabo un correcto riego de
acuerdo a la necesidad de la planta, ya que se tiene que regar en un horario establecido y en
horario nocturno no se cumple esta acción (Figura 2.9).
Figura 2.9.- Aspersores del sistema de riego
20
2.1.3 MEZCLADO SOLUCIONES-AGUA
Se realiza una mezcla de sustancias (acido sulfúrico e hidróxido de potasio), que mejoran el
crecimiento de la flora en estudio, y fomentan una mayor producción y mejor crecimiento, esto
como fin de estudio y de realización de este proyecto.
El método que utilizan al realizar una mezcla homogénea de los compuestos antes mencionados
y un porcentaje 80% a 90 % de agua para llevar a cabo el riego, se realizaba de manera “natural”
ya que consta de vaciar en primer lugar los compuestos y después agregar el porcentaje de agua,
de tal forma que al terminar de llenar el tanque del conjunto de soluciones, la sustancia queda
homogénea sin tener que revolverse, esto se cuestiona porque si el operador llegase alguna vez a
vaciar primero el porcentaje de agua y después los compuestos químicos, la solución no sería
homogénea y tendríamos un porcentaje de error y afectaría a los resultados del estudio, es por
ello que también en este ámbito proponemos la inserción de un mezclador, que mas a delante se
darán las especificaciones necesarias para lograr una mayor exactitud.
2.2 DISEÑO DEL NUEVO INVERNADERO AUTOMATIZADO
Se propone una nueva estructura del invernadero, disponiendo el área total del terreno ya que se
pretende controlar y automatizar cada una de las variables involucradas en el proceso que son
flujo, nivel y temperatura así como la automatización del control de las bombas, la
automatización del techo del invernadero para iluminación natural, control de luces, alarmas y el
control del sistema de riego de los aspersores así como una mejor distribución de tuberías.
Se plantea de manera específica el desarrollo del control de las variables de temperatura flujo y
nivel utilizando sensores para cada una de ellas. Así como el control del pH del agua, también la
automatización de las instalaciones del invernadero como son luces automáticas, alarmas, el
techo corredizo y puertas de acceso del invernadero (Figura 2.10).
Figura 2.10.- Diseño del invernadero
El control y automatización de temperatura, humedad e iluminación del invernadero, permitirá la
simulación del ecosistema natural de las plantas y también la hidratación adecuada según el tipo
de planta.
21
Así mismo se realiza el control del pH en el agua necesario para cada tipo de planta, el control
del sistema de bombeo y riego, el control de nivel del agua en los tanques de almacenamiento de
agua.
Estas características son esenciales para el control del invernadero que permiten al Dr. Juan
Velázquez, en el desarrollo e investigación de flora en la Universidad Autónoma Chapingo en el
centro de investigación del colegio de posgraduados.
2.2.1 TECHO AUTOMÁTICO
La estructura metálica existente se va a retirar y en su lugar se realizara un nuevo diseño del
techo como se muestra en la Figura 2.11. Contara con un mecanismo removible para permitir el
paso de la iluminación solar, la entrada consta de una chapa electrónica, con un cubículo interno
de investigación donde se desarrollaran pruebas, se usaran puertas automáticas con
señalamientos y alarmas que al accionarse se cerraran automáticamente dando un espacio de 2.5
minutos de salir o entrar, en el caso del insecticida serán 5 minutos con el objetivo de
aseguramiento de personal y equipo. (Figura 2.11, Figura 2.12)
Figura 2.11 Medida vista lateral estructura del invernadero
Figura 2.12 Medida frontal estructura del invernadero
22
2.2.1.1 CONTROL POR LUZ SOLAR
Se requiere automatizar el techo del invernadero, por medio de un control de luz solar que se
activa cuando existe radiación solar, el techo se recorrerá automáticamente, lo cual se enciende a
través de un sensor foto-resistivo, este mandará una señal al controlador el cual a su vez
accionara el motor del mecanismo para abrir o cerrar el techo dependiendo los parámetros
establecidos. (Figura 2.13 - Tabla 2.1)
Figura 2.13.- Automatización del techo por medio de la luz solar
No Entrada Tipo
1 Sensor Foto-resistivo Digital
No Salida Tipo
1 Al Motor del techo deslizable Digital
Tabla 2.1.- Entradas y salidas de la automatización del techo por medio de luz solar
2.2.1.2 AUTOMATIZACIÓN DEL TECHO PARA DÍAS LLUVIOSOS
El sensor de humedad se activara cuando empiece a llover, cerrara el techo automáticamente y no
permitirá que la lluvia afecte la investigación. Ver (Figura 2.14- Tabla 2.2).
Figura 2.14.- Control de humedad para techo corredizo en días lluviosos
No. Entrada Tipo
1 Sensor de humedad Analógica
No. Salida Tipo
1 Al Motor del techo corredizo Digital
Tabla 2.2.- Entradas y salidas de la automatización del techo para días lluviosos
Señal de
entrada
Sensor foto resistivo
PLC
Salida al motor techo
deslizable
Señal de
entrada
PLC
Salida al motor techo
deslizable
Sensor humedad
23
2.2.1.3 CONTROL MANUAL
Se acondicionara un control manual, abrir o cerrar el techo en caso de que se requiera
desacuerdo a las necesidades y características del investigador. (Figura 2.15 Tabla -2.3).
Figura 2.15.- Automatización de techo deslizable de forma manual
Tabla 2.3.- Entradas y salidas del accionamiento manual del techo
2.2.2 CONTROL DEL SISTEMA DE BOMBEO Y ALMACENAMIENTO
Para el sistema de bombeo se necesita controlar el arranque y paro de las bombas de succión de
agua, el control será establecido por medio de un electro nivel que detecte los dos niveles vacio
y lleno, al detectar el estado vacio encenderá bomba y al detectar estado lleno desactivara bomba
cada estación cuenta con 6 tanques al nivel de piso y existe un tanque que esta elevado a 1.5m del
nivel del piso que alimentara a los demás, en forma de pirámide, siendo un sistema centralizado
donde el ultimo en llenarse es el tanque elevado . Ver (Figura 2.16 y 2.17- Tabla 2.4).
No Entrada Tipo
1 Pulso por botón Digital
No Salida Tipo
1 Al Motor del techo deslizable Digital
Control manual
(Abrir-cerrar)
PLC
Salida al motor techo
deslizable
24
Figura 2.16.- Distribución de tanques
Figura 2.17.- Control del nivel en los tanques
Tabla 2.4.- Entradas y salidas del sistema de almacenamiento y bombeo
contenido Distribucion
de los tanques
27 tanques de 1100L
27 tanques
existentes
3 tanques
de solucion médica
1 tanque para
insecticida
2 tanques para
el control del pH
acido sulfurico
H2SO4
(acido)
hidroxido de potasio
KOH
(base)
21 tanques
para riego
7 tanques de Agua
(H2O)
por cada area de riego
son 3 areas
No Entrada Tipo
3 Electro niveles Digital
No Salida Tipo
3 Bombas Digital
6 A Bobinas del Contactor de cada
Bomba de agua Digital
Señal de
entrada
Electro nivel
PLC
salida a bombas de
succión
25
Figura 2.18.- DTI sistema de bombeo
26
FE FIT
S
127V CA
60 Hz
B7TANQUE DE ALMACENAMIENTO
PARA SOLUCION "A" CON
CAPACIDAD DE 1100 L
TANQUE DE ALMACENAMIENTO
PARA SOLUCION "B" CON
CAPACIDAD DE 1100 L
TANQUE DE ALMACENAMIENTO
PARA SOLUCION "C" CON
CAPACIDAD DE 1100 L
127V CA
60 Hz
M1
127V CA
60 Hz
B10
FE FIT
S
127V CA
60 Hz
B8
FE FIT
S
127V CA
60 Hz
B9
2.2.3 SISTEMA DE MEZCLADO DE SOLUCIONES PARA EL RIEGO
Contara con un tanque mezclador de 1100 litros y una mezcladora, cinco tanques de soluciones
denominadas medicinas, el control de mezclado se accionara por medio de una interfaz grafica y
un PLC, donde se establecerá la cantidad de solución de los cinco tanques de medicina a
suministrar en el mezclador en litros. Ver (Figura 2.19).
Figura 2.19.- DTI mezclado de soluciones
27
El tiempo de riego será programado por el usuario, al iniciar el tiempo de regado de las
soluciones el controlador mandara a encender una alarma que se accionara 5 minutos antes del
inicio para evacuar el invernadero y 5 minutos después mandara una señal a una electroválvula la
cual permitirá el flujo de la medicina hacia los aspersores, transcurrido el tiempo de riego el
controlador mandara una señal a la electroválvula cerrando el paso de la medicina.
Ver (Figura 2.20)
Figura 2.20.- Mezclado de la solución con Agua.
No Entrada Tipo
3 Flujo metros Analógica
No Salida Tipo
3 Electroválvula reguladora Analógica
1 Bobinas del Contactor del Motor de la
mezcladora Digital
3 Bombas Analógica
Tabla 2.5.- Entradas y salidas para el control del riego y mezclado
2.2.4 CONTROL DEL SISTEMA DE RIEGO
El sistema de riego estará sujeto a dos características el tiempo de regado y la humedad de las
plantas ya que las plantas necesitan una hidratación exacta con horarios definidos, al accionarse
el sistema de riego 5 minutos antes se accionara una alarma indicando que se va a regar las
plantas esto con el fin de no causar accidentes con equipo y personal.
2.2.4.1 HORARIOS DE RIEGO
El sistema de riego se accionara por medio de tiempos, que será propuesto por el investigador.
Se programara el tiempo por medio de una interfaz grafica, el controlador mandara activar a las
electroválvulas, que estarán abiertas durante el tiempo programado y se desactivaran las
electroválvulas al finalizar el tiempo programado. (Figura 2.21- Tabla 2.6)
Figura 2.21.- Automatización de riego por tiempos
Señal de
entrada
PID
salida a
electroválvulas y
bombas de succión
Sensor flujo
Señal de entrada
PLC
Salida a la bomba de
riego y electroválvulas
28
No. Entrada Tipo
1 Temporizador Digital
No. Salida Tipo
2 Electroválvulas Digital
1 Alarma Digital
1 Lámpara piloto Digital
2 Bobinas del contactor de cada bomba Digital
Tabla 2.6.- Entradas y salidas del control del sistema de riego
2.2.4.2 SISTEMA DE INSECTICIDA
Este es un insecticida que realizan en el colegio de posgraduados con el fin de eliminar todas
aquellas plagas que aparezcan en plantas como hongos e insectos por esto se va a adecuar un
tanque para este insecticida el cual se activara una vez al día o las veces que el investigador lo
requiera y lo programe al controlador por medio de una interfaz grafica.
Al llegar el tiempo programado en el controlador se mandara una señal a una alarma la cual se
accionara 10 minutos antes de rociar el insecticida cerrando las puertas y permitiendo la salida,
pasando los 10 minutos mandara una señal a una electroválvula, permitiendo el paso del
insecticida en la tubería exclusiva para este químico y lo rociara de acuerdo a la cantidad
programada por el investigador por medio de un sensor de nivel, pasado el tiempo programado y
la cantidad necesaria el controlador mandara una señal a la electroválvula la cual cerrara el paso
del insecticida. Ver (Figura 2.22, Tabla 2.7).
Figura 2.22.- Automatización del Riego del insecticida para plagas.
No Entrada Tipo
1 Temporizador Digital
No Salida Tipo
1 Electroválvulas Digital
1 Alarma Digital
1 Lámpara piloto Digital
1 A Bobinas del Contactor de cada Bomba Digital
Tabla 2.7.- Entradas y salidas de la automatización del riego del insecticida
Señal de entrada
PLC
Salida a la bomba y
electroválvulas
29
2.2.5 CONTROL DE PH
Se utilizara un control para el pH de la mezcla de soluciones con el agua por medio de un sensor,
este compara el pH del agua con el establecido y si es mayor o menor el sensor mandará una
señal a un trasmisor que a su vez la redirigirá al controlador, este accionará una electroválvula
abriendo uno de los dos contenedores; uno contendrá Ácido sulfúrico (ácido) y el otro
KOH hidróxido de potasio (alcalino) estas sustancias harán que el agua tengan un pH deseado por
el Ingeniero Agrónomo. (Figura 2.23)
Figura 2.23.- DTI del control del pH
30
Al tener el pH necesario, el sensor comparará los valores de entrada con el deseado si es igual
mandara una señal al transmisor y este a su vez la retransmitirá al controlador haciendo que las
electroválvulas se cierren. Ver (Figura 2.24, Tabla 2.8).
Figura 2.24.- Control del pH en el contenedor de la mezcla
No Entrada Tipo
1 Medidor de pH Analógica
No Salida Tipo
2 Electroválvulas reguladoras o por goteo Analógica
1 Bobina del Contactor de la mezcladora Digital
2 Bobinas del Contactor de cada Bomba Digital
Tabla 2.8.- Entradas y salidas del control del pH
2.2.6 AUTOMATIZACIÓN DE ALUMBRADO
Existirá un sensor que controlará el sistema de iluminación, cuando oscurezca el interior se
enciende automáticamente, una lámpara funcionara en los días nublados ya que las plantas
necesitan un cierto tiempo de luz al obscurecer o al nublarse.
Otro sensor foto resistivo mandara una señal al controlador, de modo contrario cuando salga la
luz solar el sensor foto resistivo mandara una señal al controlador, este a su vez la mandara al
sistema de iluminación apagando las luces. Ver (Figura 2.25- Tabla 2.9).
Figura 2.25.- Automatización de iluminación Exterior
Señal de entrada
PLC
salida a electroválvulas
bombas, y mezcladora
Sensor pH
Señal de entrada
Sensor foto resistivo
Salida a lámparas
PLC
31
Tabla 2.9.- Entradas y salidas de la automatización del sistema de alumbrado
2.2.7 CONTROL DE TEMPERATURA
La importancia de esta variable radica en que se tiene que controlar de acuerdo a las
características de la planta que se está investigando, existirán 4 sensores de temperatura que
accionaran 4 ventiladores esto con el fin de igualar la temperatura del invernadero por medio del
flujo de aire ,los sensores de temperatura serán programados de acuerdo a las necesidades del
investigador por medio de una interfaz grafica, este valor será trasmitido y comparado al
controlador y de acuerdo al resultado empezara a igualar la temperatura del invernadero. Ver
(Figura 2.26- Tabla 2.10).
Figura 2.26.- Control e igualación de temperatura por circulación de aire
No Entrada Tipo
4 Sensor de temperatura Analógica
No Salida Tipo
4 A Motor de las ventanas deslizables Digital
4 A Bobinas del Contactor de cada ventilador Digital
Tabla 2.10.- Entradas y salidas del control de temperatura por circulación de aire
No Entrada Tipo
1 Foto-resistencia Digital
No Salida Tipo
1 Bobinas del Contactor de cada Lámpara Digital
Señal de entrada
PLC
Salida a ventiladores
Sensor temperatura
32
2.2.8 SISTEMA DE LIMPIEZA DE LOS DUCTOS DE RIEGO
Este sistema manual se acciona para eliminar solución sobrante de medicina en las tuberías de
riego. Ver (Figura 2.25- Tabla 2.11).
Figura 2.25.- Accionamiento manual para la limpieza de los ductos del sistema de riego
No Entrada Tipo
1 Pulso por botón Digital
1 Temporizador Digital
No Salida Tipo
1 Electroválvulas Digital
1 Al Motor del rodillo Digital
Tabla 2.11.- Entradas y salidas del accionamiento manual para la limpieza de tubería.
2.2.9 DIAGRAMA DE TUBERÍA E INSTRUMENTACIÓN DEL INVERNADERO
La Figura 2.26 muestra el diagrama de Tubería e instrumentación que engloba el invernadero en
su totalidad, esta parte es importante ya que es el plano general de la instalación necesaria para
completar el proyecto, así como la señales que emite cada dispositivo e instrumento al PLC, fue
dibujado por medio Autocad; software de diseño asistido por computadora.
Por otra parte la Tabla 2.12 contiene el significado de la simbología utilizado en el ya
mencionado DTI, de igual forma la Tabla 2.13 detalla el significado de la nomenclatura expuesta
en el diagrama.
Señal de entrada
Bomba de riego
PLC
33
Figura 2.26 Diagrama de Tubería e Instrumentación del invernadero
34
Tabla 2.12.- Simbología
SIMBOLOGÍA
Válvula manual
Válvula check
Moto válvula
Electroválvula
Botón pulsador normalmente abierto
Sensor de flujo de aspas
Sensor de nivel tipo flotador
Bomba de agua
Contenedor de agua
Mezclador
Motor
Lámparas
Ventilador
S
127V CA
60 Hz
B1
127V CA
60 Hz
M1
127V CA
60 Hz
M7
35
NOMENCLATURA
FE
Sensor de flujo
FIT
Transmisor indicador de flujo
LE
Sensor de nivel
.PHIC
Control indicador de ph
PHE
Sensor de ph
TTE
Sensor transmisor de temperatura
KC
Control temporizador montado en panel de control
NAT
Transmisión de señal del plc a alarma sonora montada en
panel de control
NLT
Transmisión de señal del plc a luz piloto montada en panel
de control
B1-B3
Bombas de extracción de agua de la toma municipal
B4-B6
Bombas de extracción de agua para el mezclador
B7-B9
Bombas de extracción de las soluciones medicas a la
mezcladora
B10
Bomba de extracción de la mezcladora al riego de las
plantas
B11- B13
Bomba de extracción del plaguicida a la mezcladora y del
ph
36
Tabla 2.13.- Nomenclatura
M1
Motor de la mezcladora
M2
Motor de los rodillos que extienden la lona para la limpieza
de la tubería
M3
Motor del techo corredizo del invernadero
M4-M7
Motores de los ventiladores para la recirculación del aire
L1
Lámparas del invernadero
S
Solenoide de las electroválvulas
Salida de señal eléctrica (out) del plc
Entrada de señal eléctrica (in) del plc
Tuberia
Salida (out) del plc
Entrada (in) del plc
KC
FE
FIT
LE
pHIC
pHE
TTE
NAT
NLT
SENSOR DE FLUJO
TRANSMISOR INDICADOR DE FLUJO
SENSOR DE NIVEL
CONTROL INDICADOR DE pH
SENSOR DE pH
SENSOR TRANSMISOR DE TEMPERATURA
CONTROL TEMPORIZADOR DEL PLC
TRANSMICION DE SEÑAL DEL PLC A ALARMA SONORA MONTADA EN PANEL DE CONTROL
SALIDA DE SEÑAL ELECTRICA (OUT) DEL PLC
ENTRADA DE SEÑAL ELECTRICA (IN) DEL PLC
TUBERIA
TRANSMICION DE SEÑAL DEL PLC A LUZ PILOTO MONTADA EN PANEL DE CONTROL
NOMENCLATURA
B1-B3 BOMBAS DE EXTRACCION DE AGUA DE LA TOMA MUNICIPAL
B4-B6 BOMBAS DE EXTRACCION DE AGUA PARA EL MEZCLADOR
B7-B9 BOMBAS DE EXTRACCION DE LAS SOLUCIONES MEDICAS A LA MEZCLADORA
B10 BOMBA DE EXTRACCION DE LA MEZCLADORA AL RIEGO DE LAS PLANTAS
B11 BOMBA DE ETRXCCION DEL PLAGISIDA A LA MEZCLADORA
M1 MOTOR DE LA MEZCLADORA
M2 MOTOR DE LOS RODILLOS QUE EXTIENDEN LA LONA PARA LA LIMPIEZA DE LA TUBERIA
M3 MOTOR DEL TECHO CORREDIZO DELINVERNADERO
M4-M7 MOTORES DE LOS VENTILADORES PARA LA RECIRCULACION DEL AIRE
L1 LAMAPARAS DEL INVERNADERO
S SOLENOIDE DE LAS ELECTROVALVULAS
SALIDA (OUT) DEL PLC
ENTRADA (IN) DEL PLC
KC
FE
FIT
LE
pHIC
pHE
TTE
NAT
NLT
SENSOR DE FLUJO
TRANSMISOR INDICADOR DE FLUJO
SENSOR DE NIVEL
CONTROL INDICADOR DE pH
SENSOR DE pH
SENSOR TRANSMISOR DE TEMPERATURA
CONTROL TEMPORIZADOR DEL PLC
TRANSMICION DE SEÑAL DEL PLC A ALARMA SONORA MONTADA EN PANEL DE CONTROL
SALIDA DE SEÑAL ELECTRICA (OUT) DEL PLC
ENTRADA DE SEÑAL ELECTRICA (IN) DEL PLC
TUBERIA
TRANSMICION DE SEÑAL DEL PLC A LUZ PILOTO MONTADA EN PANEL DE CONTROL
NOMENCLATURA
B1-B3 BOMBAS DE EXTRACCION DE AGUA DE LA TOMA MUNICIPAL
B4-B6 BOMBAS DE EXTRACCION DE AGUA PARA EL MEZCLADOR
B7-B9 BOMBAS DE EXTRACCION DE LAS SOLUCIONES MEDICAS A LA MEZCLADORA
B10 BOMBA DE EXTRACCION DE LA MEZCLADORA AL RIEGO DE LAS PLANTAS
B11 BOMBA DE ETRXCCION DEL PLAGISIDA A LA MEZCLADORA
M1 MOTOR DE LA MEZCLADORA
M2 MOTOR DE LOS RODILLOS QUE EXTIENDEN LA LONA PARA LA LIMPIEZA DE LA TUBERIA
M3 MOTOR DEL TECHO CORREDIZO DELINVERNADERO
M4-M7 MOTORES DE LOS VENTILADORES PARA LA RECIRCULACION DEL AIRE
L1 LAMAPARAS DEL INVERNADERO
S SOLENOIDE DE LAS ELECTROVALVULAS
SALIDA (OUT) DEL PLC
ENTRADA (IN) DEL PLC
37
CAPÍTULO 3. DISEÑO GRÁFICO DEL INVERNADERO EN 3D
Se simula de forma gráfica, la propuesta del invernadero. Estableciendo la estructura,
organización de los contenedores de agua, distribución de tuberías e instrumentación y sistema
de mezclado automático.
A continuación se muestran imágenes específicas del proceso y diseño terminado. Así como
también se explica de manera detallada el objetivo planeado e iniciar el proyecto de este
invernadero automatizado.
En las siguientes figuras se muestra la estructura del invernadero, y los sistemas de bombeo,
almacenamiento, mezclado, riego, y distribución del producto. Ver (Figuras 3.1, 3.2, y 3.3).
Figura 3.1.- Sistema de almacenamiento, bombeo y mezclado.
38
Figura 3.2.-Desarrollo del producto
Figura 3.3.-Estructura del invernadero
39
En la Figura 3.4 se presenta el proyecto en general, se puede observar la instrumentacion y
estructura del invernadero, del lado izquierdo se muestra la distribucion de los tanques de
almacenamiento dividida en tres secciones, consta de siete tanques con distribucion en forma
piramidal ,con el fin de que el llenado sea de manera equitativa y el último en llenarse sea el
tanque que esta en el centro y elevado a 1.5 m del nivel de piso. En la parte central tenemos la
parte de mezclado de sustancias, cuenta con 6 tanques de almacenamiento, y finaliza con la etapa
de riego.
Figura 3.4.- Vista aérea del invernadero.
40
En la Figura 3.5 se muestra el proyecto terminado, se plantea la instrumentación, automatización
y control necesario para poner en marcha el invernadero en cuestión.
También se observa el diagrama de distribución de los tanques de almacenamiento, consta de tres
estaciones de siete tanques de 1100 litros, y uno estación central con seis tanques donde se lleva a
cabo la mezcla de sustancias químicas con el agua, para lograr un mejor desarrollo de las plantas
que estén en estudio. La sección de mezclado se encarga de distribuir el riego en el invernadero.
Figura 3.5.- Diagrama de distribución de tanques de almacenamiento
41
En la Figura 3.5 se observó parte de la instrumentación, ahora se explica por partes la
instrumentación propuesta, en la Figura 3.6 se muestran las electroválvulas que son de vital
importancia en este proyecto, serán los elementos que permiten controlar el flujo en tuberías y la
comunicación con el PLC.
El material de la tubería que se propone utilizar es PVC, este material es indicado para la
transportación de las sustancias a utilizar, ya que es más factible utilizar este material valorando
su precio para la cotización final.
Figura 3.6.- Electroválvulas
42
El invernadero actual cuenta con dos bombas de agua de 0.5 HP (Figura 3.7), a una alimentación
de 127 Volts de corriente alterna, el proyecto propone 11 bombas de la misma capacidad,
agilizando tiempo y mejorando el sistema de control y automatización del invernadero en los
sistemas de almacenamiento, mezclado y riego.
Figura 3.7.- Bombas de agua.
43
En la figura 3.8 se muestra la distribución de tanques, se diseño esta estructura con el objetivo de
mejorar la distribución de líquido, ya que de esta manera se tiene un mayor control y un llenado
de manera equitativa.
La distribución comienza de la toma de agua pública, extraída por una bomba de 0.5 HP, esta
desemboca en el tanque situado a mayor altura con el propósito de distribuir a los demás
contenedores de manera uniforme, el tanque central cuenta con un sensor de nivel para mandar a
desactivar la bomba, ya que es el ultimo en llenarse.
Figura 3.8.- Distribución de tanques de almacenamiento I
44
La figura 3.9, muestra la segunda distribución de tanques, los tres grupos de siete tanques están
acomodados de la misma manera que en la figura 3.8, en esta imagen se observa el uso del
bypass para mantenimiento de la bomba, contamos con el mismo sistema de llenado uniforme de
los contenedores.
Bypass
Figura 3.9.- Distribución de tanques de almacenamiento II
45
De la misma manera en la figura 3.10 se observa una distribución de los tanques en forma
piramidal logrando un llenado uniforme.
Figura 3.10.- Distribución de tanques de almacenamiento III
También se observa el uso de bypass para mantenimiento de la bomba de 0.5 HP a 127 volts de
corriente alterna, que alimentara los tanques, y un sensor de nivel para controlar el flujo. La
tubería es de PVC.
46
La figura 3.11 contiene el producto a desarrollar, las plantas que se van a investigar en este
invernadero están colocadas en bolsas negras de plástico rellenas de tierra, se aclara esto para que
no se considere que están expuestas directamente al suelo.
Actualmente se cuenta con personal que se encarga del llenado de las bolsas y semillas, una vez
madurando el producto el mismo personal hace un cambio de tierra a las plantas, para fines de
diseño en 3D, se dibujaron ya maduras y en las mejores condiciones de salud.
Figura 3.11.- Producto a desarrollar
47
El riego de las plantas, se realiza con aspersores de origen israelí, la tecnología y diseño de este
dispositivo no se encuentra en México.
Se contaran con 80 aspersores para cubrir la totalidad del invernadero, ya que no suena factible el
hecho de conseguir más aspersores del mismo origen, se instalaran unos semejantes a estos,
tomando en cuenta que los aspersores funcionan bajo el mismo principio de presión, no habrá
mayor variación a la hora de los riegos programados. Ver (Figura 3.12)
Figura 3.12.- Aspersores
48
Se adicionó un cuarto de control donde se monitorea y controla el sistema del invernadero donde
el PLC y la HMI se colocan en un gabinete diseñado para mantenerlo resguardado y evitar fallas
técnicas a instrumentos y conexiones internas hacia los instrumentos y sensores en campo.
También se tiene una computadora personal con la cual se modifica y verifica el software que
gobierna el sistema. (Figura 3.13)
Figura 3.13.- Cuarto de control.
49
La figura 3.14 hace notar el sistema de mezclado al que se requiere llegar, se aprecian dos
contenedores elevados, los cuales contendrán compuestos químicos (ácido sulfúrico e hidróxido
de potasio), estos serán agregados a un contenedor donde se agrega agua, no obstante se procede
a tener una lectura de PH para dar pie al inicio del regado por tiempos establecidos.
Esta parte es esencial para el proyecto ya que hasta no tener un PH dentro de lo establecido, no se
puede dar comienzo al riego.
Figura 3.14.- Sistema de mezclado
50
En la imagen inferior (Figura 3.15), observamos a detalle el diseño del mezclador situado en la
parte inferior del contenedor, este se encargara de hacer una mezcla homogénea entre el agua y
los compuestos químicos que el usuario designe para el regado por tiempos establecidos.
Tomando en cuenta que un tanque mezclador excede un presupuesto razonable para el proyecto y
analizando lo necesario para el fin de este, se optó por elaborar el mezclador con unas aspas, y un
motor de corriente alterna, economizando en la compra de instrumentos, cabe mencionar que no
se encontró algún mezclador adecuado a este proceso.
Una vez mezclado se mide el PH mandando una señal al controlador para comenzar con el
regado, si no cumple con el valor establecido se procede a un nuevo mezclado, de tal forma que
asegura la sustancia para la flora en cuestión.
Figura 3.15.- Mezclado de compuestos químicos con agua
51
El sistema de riego se describe gráficamente en la Figura 3.16, como ya se ha descrito
anteriormente comienza después del proceso de mezclado, teniendo la mezcla correcta se procede
al regado de la misma, se cuenta con una distribución de tuberías dividida en dos partes,
logrando cubrir el área del invernadero.
Los aspersores son colocados en grupos de cuatro y están separados uno de otro en cuestión del
diámetro de aspersión que cubre el aspersor, estos funcionan bajo presión, es decir cuando se
activa una presión significativa en la tubería principal, los aspersores comienzan a regar de
manera consecuente.
Figura 3.16.- Sistema de riego
La procedencia de los aspersores nos impide conseguir más del mismo modelo así que se
conseguirán aspersores que tengan las características similares para lograr abarcar el área total del
invernadero automatizado
52
3.1 SELECCIÓN DEL PLC OMRON CP1L
Se seleccionó el PLC de la nueva serie CP1L de Omron que ofrece la compactibilidad de un
micro PLC con la capacidad de un PLC modular por sus características como se muestra en la
Figura 3.18 ya que cubre la necesidad de tener entradas analógicas que contiene el módulo.
Las características del PLC son:
4 entradas de encoder de alta velocidad y 2 salidas de pulsos de alta velocidad
CPU con alimentación de C.A.
20 E/S integradas digitales
Puertos serie RS232C y RS-422A/485
Escalable con una amplia variedad de unidades de E/S (hasta 180 puntos)
Software de programación CX-Programmer / CX-Prog. Jr
Ampliable hasta 60 puntos de E/S (1 unidad)
5 K pasos de memoria de usuario
Velocidad de instrucción de 0.6 μs
4 entradas de encoder (100 kHz)
2 salidas de pulsos (100 kHz)
16 E/S integradas Analógicas
Figura 3.18.- Características del PLC
53
3.1.1 CPU – Leds de señalización.
En la figura 3.19 se muestra los leds indicadores que trae el PLC y en la tabla 3.1 se muestra la
descripción de cada uno de los leds indicadores.
Figura 3.19.- Leds indicadores del PLC
INDICADOR ESTADO DESCRIPCIÓN
POWER (Verde) Encendido Dispositivo alimentado
Apagado Dispositivo no
alimentado
Apagado Dispositivo no
alimentado
RUN
(Verde)
Encendido Modo MONITOR/RUN
Apagado Modo STOP/PROGRAM
ERR/ALM
(Rojo)
Encendido Ha ocurrido un error fatal o de
hardware.
Parpadeando Ha ocurrido un error no-fatal.
Apagado Operación normal
INH
(Amarillo)
Encendido Todas las salidas conmutan a
OFF.
Apagado Operación normal
BKUP
(Amarillo)
Encendido Programa, parámetros o datos
de memoria están siendo
escritos en la memoria flash
de la CPU
Apagado Otro estado distinto del
anterior
PRPHL
(Amarillo)
Parpadeando Se está comunicando a través
del puerto USB
Apagado Otro estado distinto del
anterior
Tabla 3.1 Descripción de leds indicadores del PLC
54
3.1.2 CPU – DIP Switch
En la figura 3.20 se muestra los DIP Switch que trae el PLC y en la tabla 3.2 se muestra la
descripción de cada uno de los DIP Switch en las dos posiciones
Figura 3.20 DIP Switch del PLC
Nº Selección Descripción Aplicación Por defecto
SW1 ON Protección contra escritura de
UM
Utilizar como medida de
protección para evitar la
manipulación del programa
OFF
OFF UM no protegida contra
escritura
SW2 ON Auto-transferencia habilitada Realizar la carga automática
de programa, parámetros de
setup, datos,... durante el
arranque
OFF
OFF Auto-transferencia
deshabilitada
SW3 No utilizar No utilizar No utilizar OFF
SW4 ON Toolbus Fijar un modo por defecto
de comunicación a través
del puerto 1 (Toolbus)
OFF
OFF PLC Setup
SW5 ON Toolbus Fijar un modo por defecto
de comunicación a través
del puerto 2 (Toolbus)
OFF
OFF PLC Setup
SW6 ON A395.12 a ON Disponer de una entrada de
test sin necesidad de cablear
una entrada
OFF
OFF A395.12 a OFF
Tabla 3.2 Descripción del DIP Switch
55
3.1.3 ENTRADAS/SALIDAS DIGITALES
En la figura 3.21 se muestran las entradas y salidas digitales que trae el PLC para conexión de
dispositivos de entrada.
Figura 3.21 Entradas y Salidas Digitales del PLC
56
3.1.4 ENTRADAS/SALIDAS ANALÓGICAS
En la figura 3.22 se muestra el DIP Switch que acciona cada una de las entradas analógicas que
trae el PLC y en la tabla 3.3 se muestra la descripción de cada uno de las posiciones del DIP
Switch.
Figura 3.22.- DIP Switch que acciona las Entradas Analógicas del PLC
Nº Selección Descripción Por Defecto
SW1 ON Entrada analógica 1: Modo corriente OFF
OFF Entrada analógica 1: Modo tensión OFF
SW2 ON Entrada analógica 2: Modo corriente OFF
OFF Entrada analógica 2: Modo tensión OFF
SW3 ON Entrada analógica 3: Modo corriente OFF
OFF Entrada analógica 3: Modo tensión OFF
SW4 ON Entrada analógica 4: Modo corriente OFF
OFF Entrada analógica 4: Modo tensión OFF
Tabla 3.3 Posiciones del DIP Switch para las entradas analógicas.
En la figura 3.23 se muestran las entradas y salidas analógicas que trae el PLC y en la tabla 3.4
se muestra la descripción de cada una de las entradas y salidas.
Figura 3.23 Entradas y Salidas Analógicas del PLC
Borne Señal Borne Señal
1 IN1+ 9 OUT V1+
2 IN1- 10 OUT I1+
3 IN2+ 11 OUT 1-
4 IN2- 12 OUT V2+
5 IN3+ 13 OUT I2+
6 IN3- 14 OUT 2-
7 IN4+ 15 IN AG
8 IN4- 16 IN AG
Tabla 3.4 Entradas y Salidas Analógicas del PLC.
57
Se le adicionara una Tarjeta de expansión de 60 unidades de entradas y salidas digitales al PLC
como se muestra en la figura 3.24 ya que se necesitara, la tarjeta de expansión se muestra en la
figura 3.25 y en la tabla 3.5 se muestran sus características.
Figura 3.24 Tarjeta de expansión de 60 unidades de E/S digitales adicionada al PLC
Figura 3.25 Tarjeta de expansión de 60 unidades de E/S digitales
Serie Borne Salidas
CPM1A-20EDR
12 Entradas DC
8 salidas relé
CPM1A-20EDT 8 salidas transistor NPN
CPM1A-20EDT1 8 salidas transistor PNP
Tabla 3.5 características de la Tarjeta de expansión de 60 unidades de E/S Digitales
58
3.2 DIRECCIONAMIENTO DE ENTRADAS Y SALIDAS
En la tabla 3.6 se describe en qué dirección de entrada digital está conectado cada uno de los sensores y en
la tabla 3.7 se describe en qué dirección de salida digital está conectado cada uno actuadores.
Entradas Digitales
Dirección Descripción
I0 Sensor foto-resistivo
I1 Pulso por botón
I2 Flujo metros
I3 Flujo metros
I4 Flujo metros
I5 Sensor foto-resistivo
I6 Pulso de botón
I7
I8
I9
I10
Tabla 3.6 Dirección de entrada digital de cada sensor
Salidas Digitales
Dirección Descripción
Bloque CIO100
O0 A Motor del techo deslizable
O1 A Bobinas del Contactor de cada Bombas de agua
O2 A Bobinas del Contactor de cada Bombas de agua
O3 A Bobinas del Contactor de cada Bombas de agua
O4 A Bobina del Contactor para el Motor de la mezcladora
O5 A Bobinas del Contactor de cada Bombas de agua
O6 A Bobinas del Contactor de cada Bombas de agua
O7 A Bobinas del Contactor de cada Bombas de agua
Bloque CIO101
O0 Electroválvulas
O1 Electroválvulas
O2 Electroválvulas
O3 Alarma
O4 Lámpara piloto
O5 A Bobinas del Contactor de cada Bombas de agua
O6 A Bobinas del Contactor de cada Bombas de agua
O7 A Bobinas del Contactor de cada Lámpara
Tabla 3.7 Dirección de salida digital de los actuadores
59
En la tabla 3.8 se describe en qué dirección de entrada Analógica está conectado cada uno de los sensores
y en la tabla 3.9 se describe en qué dirección de salida Analógica está conectado cada uno actuadores.
Entradas Analógicas
Dirección Descripción
I1 y I2 Sensor de humedad
I3 y I4 Medidor de pH
I5 y I6 Sensor de temperatura
I7 Y I8 Sensor de temperatura
Tabla 3.8 Dirección de entrada Analógica de cada sensor
Salidas Analógicas
Dirección Descripción
I9 y I10 Electroválvula reguladora
I11 y I12 Electroválvula reguladora
I13 y I14 Electroválvula reguladora
I15 y I16 Electroválvula reguladora
Tabla 3.9 Dirección de Salida Analógica de los actuadores
3.2.1.1 Tarjeta de expansión salidas digitales
Adicionalmente al PLC se integra una tarjeta de expansión de salidas digitales ya que las salidas digitales
del PLC, en la tabla 3.10 se describe en qué dirección de salida digital está conectado cada uno actuadores
restantes.
Salidas Digitales
Dirección Descripción
O0 Lámparas
O1 Contactor de ventilador
O2 Contactor de ventilador
O3 Contactor de ventilador
O4 Contactor de ventilador
O5 Motor del rodillo de limpieza de tubería
O6
O7
Tabla 3.10 Dirección de salida digital para los actuadores
60
3.2.1.2 Tarjeta de expansión Entradas y Salidas Analógicas
Adicionalmente al PLC se integra una tarjeta de expansión de entradas y salidas analógicas ya que con las
que contaba el PLC se ocuparon todas, en la tabla 3.11 se describe en qué dirección de entradas
analógicas y lo que está conectado en la tarjeta de expansión y en la tabla 3.12 se describe en qué
dirección de salida digital está conectado cada actuador.
Entradas Analógicas
Dirección Descripción
I0 y I1 Sensor de temperatura
I2 Y I3 Sensor de temperatura
Tabla 3.11 dirección de entradas analógicas de los sensores
Salidas Analógicas
Dirección Descripción
O0 y O1 Electroválvulas reguladoras goteo
Tabla 3.12 Dirección de salida digital de cada uno actuador
3.3 INTEGRACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL
En la figura 3.26 se muestra la alimentación monofásica a una fase dos hilos que tienen en la
UACH
Figura 3.26 Alimentación monofásica, una fase dos hilos CFE
En la figura 3.27 se muestra la alimentación monofásica que se utiliza para alimentar el PLC, se
realiza la conexión de un relevador de control maestro (B) que se compone de un botón de
arranque y paro general, dos lámparas piloto cada una con un contacto de B que indican el estado
del circuito en encendido o apagado. Se toma también una conexión para una fuente externa para
los sensores.
61
Figura 3.27.- Bus de conexión para alimentar el PLC y relevador de control maestro
En la figura 3.28 se muestra la conexión de la fuente externa de 24 VCD para alimentar los
sensores y mandar las señales a las entradas del PLC.
Figura 3.28.-Conexión de la fuente externa a 24 VCD
En la figura 3.29 se muestra el diagrama de conexión de los sensores a las entradas digitales del
PLC.
62
Figura 3.29.- Diagrama de conexión de los sensores al PLC.
En la figura 3.30 se muestra el diagrama de conexión de actuadores a las salidas digitales del
PLC.
B
30 A
+ 24 V
FTE. EXT.
- 24 V
FTE. EXT.
+ V
ENTRADAS
-V
ENTRADAS
DC COM
I0
I1
I2
I3
I5
I4
DC COM
I6
I7
I8
SENSOR
FOTORESISTIVO
BOTON
SENSOR
DE NIVEL
FLUJOMETRO
PLC
OMRON
CP1L
I9
I10
SENSOR
DE NIVEL
SENSOR
DE NIVEL
FLUJOMETRO
FLUJOMETRO
SENSOR
FOTORESISTIVO
BOTON
ENTRADAS DIGITALES
DEL PLC
63
Figura 3.30.-Diagrama de conexión de actuadores a las salidas digitales del PLC.
En la figura 3.31 se muestra el diagrama de conexión de los sensores a las entradas analógicas del
PLC.
10 A
10 A
10 A
10 A
10 A
10 A
10 A
10 A
10 A
10 A
10 A
10 A
10 A
10 A
10 A
10 A
B
30 A
+ 24 V
FTE. EXT.
- 24 V
FTE. EXT.
+ V
SALIDA
-V
SALIDA
VAC/DC
O0
O1
O2
O3
O5
O4
O6
O7
VAC/DC
PLC
OMRON
CP1L
O0
O1
O2
O3
O5
O4
O6
O7
SALIDAS DIGITALES
DEL PLC
24 V CD
3 A
M2
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7
B8
B9
LP
B7
64
Figura 3.31 Diagrama de conexión de los sensores en las entradas analógicas
En la figura 3.32 se muestra el diagrama de Conexión de actuadores a las salidas analógicas del
PLC.
Figura 3.32.- Diagrama de conexión de actuadores a las salidas analógicas
En la figura 3.33 se muestra el diagrama de conexión de actuadores a las salidas digitales de la
tarjeta de expansión conectada al PLC
PLC
OMRON
CP1L
ENTRADAS
ANALOGICAS DEL PLC
SENSOR DE
TEMPERATURA
SENSOR DE
TEMPERATURA
SENSOR
HUMEDAD
SENSOR
DE pH
I0
I1
I2
I3
I5
I4
I6
I7
I8
O9
O10
O11
O12
O14
O13
O15
O16
PLC
OMRON
CP1L
SALIDAS ANALOGICAS
DEL PLC
65
Figura 3.33 Diagrama de conexión de actuadores a las salidas digitales de la tarjeta de
expansión
En la figura 3.34 se muestra el diagrama de conexión de los sensores a las entradas analógicas de
la tarjeta de expansión conectada al PLC.
Figura 3.34.-Diagrama de conexión de los sensores a las entradas analógicas de la tarjeta de
expansión
En la figura 3.35 se muestra el diagrama de conexión de actuadores a las salidas analógicas de la
tarjeta de expansión conectada al PLC
Figura 3.35.- Diagrama de conexión de actuadores a las salidas analógicas de la tarjeta de
expansión
10 A
10 A
10 A
10 A
10 A
10 A
10 A
L1
B
30 A
+ 24 V
FTE. EXT.
- 24 V
FTE. EXT.
+ V
SALIDA
-V
SALIDA
VAC/DC
O0
O1
O2
O3
O5
O4
O6
O7PLC
OMRON
CP1L
TARJETA DE EXPANSION
SALIDAS DIGITALES DEL PLC
24 V CD
3 A
M3
B10
B11
B12
B13
B14
I0
I1
PLC
OMRON
CP1L
TARJETA DE EXPANSION
ENTRADAS ANALOGICAS DEL PLC
SENSOR DE
TEMPERATURA
O9
O10
PLC
OMRON
CP1L
TARJETA DE EXPANSION
SALIDAS ANALOGICAS DEL PLC
66
En la figura 3.36 se muestra el Diagrama de conexión del circuito de fuerza de Corriente Alterna
para el motor de la mezcladora que es el M1 y los ventiladores de M4 a M7 cada uno con sus
contactores los cuales son accionados por las bobinas que están conectadas a las salidas del PLC.
Figura 3.36.- Diagrama de conexión del circuito de fuerza de la mezcladora M1 y los
ventiladores de M4 a M7
En la figura 3.37 se muestra el Diagrama de conexión del circuito de fuerza de Corriente Alterna
para el motor de las bombas 1 a la 3, cada uno con sus contactores los cuales son accionados por
el electro-nivel, este manda la señal directamente a la bomba.
Figura 3.37 Diagrama de conexión del circuito de fuerza el motor de las bombas 1 a la 3
con sus contactores los cuales son accionados por el electro-nivel.
127V CA
60 Hz
M1
L1 N
127 V
C.A.
30 A
B1 B1
L1 N
127 V
C.A.
B2 B2
127V CA
60 Hz
M4
L1 N
127 V
C.A.
B3 B3
127V CA
60 Hz
M5
L1 N
127 V
C.A.
B4 B4
127V CA
60 Hz
M6
L1 N
127 V
C.A.
B5 B5
127V CA
60 Hz
M7
30 A 30 A 30 A 30 A 30 A 30 A 30 A30 A 30 A
30 A 30 A 30 A 30 A 30 A 30 A
127V CA
60 Hz
B1
L1 N
127 V
C.A.
127V CA
60 Hz
B2
L1 N
127 V
C.A.
CONTACTORES DEL
SENSOR DE NIVEL
CONTACTORES DEL
SENSOR DE NIVEL
127V CA
60 Hz
B3
L1 N
127 V
C.A.
CONTACTORES DEL
SENSOR DE NIVEL
67
En la figura 3.38 se muestra el Diagrama de conexión del circuito de fuerza de Corriente Alterna
para las bombas de la 4 a la 11, cada uno con sus contactores los cuales son accionados por las
bobinas que están conectadas a las salidas del PLC.
Figura 3.38 Diagrama de conexión del circuito de fuerza de las bombas de la 4 a la 11 con
sus contactores que son accionados por las bobinas
30 A 30 A 30 A
127V CA
60 Hz
B4
L1 N
127 V
C.A.
B6 B6
127V CA
60 Hz
B5
L1 N
127 V
C.A.
B7 B7
127V CA
60 Hz
B6
L1 N
127 V
C.A.
B8 B8
127V CA
60 Hz
B4
L1 N
127 V
C.A.
B9 B9
127V CA
60 Hz
B7
L1 N
127 V
C.A.
B10 B10
127V CA
60 Hz
B8
L1 N
127 V
C.A.
B11 B11
127V CA
60 Hz
B9
L1 N
127 V
C.A.
B12 B12
127V CA
60 Hz
B10
L1 N
127 V
C.A.
B13 B13
127V CA
60 Hz
B11
L1 N
127 V
C.A.
B14 B14
30 A 30 A30 A 30 A 30 A 30 A
30 A 30 A
30 A 30 A 30 A 30 A
30 A 30 A30 A
68
CAPITULO 4. PROPUESTA TÉCNICO-ECONÓMICA
A continuación se muestra la propuesta técnico-económica, está conformada por tablas que
contienen características, precio e imagen del instrumento o material que se considera satisface
las necesidades del proyecto.
pH metro [3] Características Precio
Escala -2.00...16.00 pH, ± 1300 mV, -
20.0...120.0ºC
3 puntos de calibración con
reconocimiento de 8 sets de tampones
o con una disolución patrón cualquiera
Compensación automática de temperatura
pt1000 / ntc30k o manual
Alimentación 3 pilas 1.5 v tipo AAA
Dimensiones: 132 x 153 x 29 mm
Duración de pilas > 2000 horas
$7,000
Sensor de nivel [4] Características Precio
Alimentación eléctrica 127V
Fijación de dos puntos fijos para
llenado y vacio $286
Bomba eléctrica [5] Características Precio
Bomba Eléctrica Para Agua,
3/4 Hp.
Alimentación eléctrica de 20A
127V, 60 Hz
$1089
69
PLC OMRON CP1L [6] Características Precio
Compatibilidad con aditamentos
Omron PLC line up.
Comunicación con puertos
RS232, USB,RS422
Interfaz de visualización
integrada
$9306
PVC [7] Características Precio
PVC de 3 pulgadas
Alto rendimiento y durabilidad.
Especial para transportar agua.
$7 X metro
Plástico[8] Características Precio
Plástico Blanco Sombra al 30%
Película Pentacapa de
Polietileno lechosa con aditivos
especiales
$120 X metro
Electroválvulas[9] Características Precio
Electroválvulas reforzadas de
PVC profesionales
Gran gama de tamaños
Gran velocidad en tiempo de
respuesta $374
70
Mezclador Características Precio
Motor eléctrico
Alimentación a 127V, 60
Hz $1600
Aspas
Elaboradas de plástico
con una vida útil de 50
años
$100
Sensor de temperatura Características Precio
Salida
Active: 0-10V, 4-20 mA
Active de la gama de medición
-50°C... +50°C
0°C... +50°C
Gama de medición LON -45°C...
+130°C
$1500
Sensor de nivel
Características
Precio
Protege la bomba de trabajar en
seco y quemar. Evita encender la
bomba manualmente.
Fabricado con plásticos
antibacteriales.
$180
71
Sensor de humedad Características Precio
Clase 100: a partir derecho de la 0 a
del 100% y a partir de la 0 a +50°C,
°C -20 a +80°C, -50 a +50, 0 a
+100°C, intermediario configurable
y gamas cero de la central, 4- 20 mA
salida de 0-10V.
$2500
Ventiladores Características Precio
La serie K está especialmente
diseñada para aplicaciones
industriales, bajo condiciones de
servicio severas y permanentes, en
ambientes con altos porcentajes de
humedad relativa y temperaturas que
van de - 5ºC a 40ºC (ejecución 1);
hasta 80ºC (ejecución 2); pueden
trabajar vertical u horizontalmente.
Cubren una gama de caudales desde
0.5 m3/s, hasta 21 m3/s y presiones
de hasta 100 mm.
$1835
TOTAL: $34,998.00
Cabe mencionar que los precios están sujetos a cambios por parte del vendedor, también no se ha
tomado en cuenta la mano de obra necesaria, y un margen de error existente.
72
4.1 COTIZACIÓN DEL MATERIAL PARA PROYECTO
En la tabla 4.1 se desglosa el costo del material y equipo necesario para el desarrollo construcción e
instalación del invernadero.
Tabla 4.1 Cotización del material para proyecto
4.2 COTIZACIÓN DE MANO DE OBRA
En la tabla 4.2 se desglosa el costo del personal y mano de obra necesario para el desarrollo construcción del
invernadero.
DESGLOSE DE PRECIOS
NO.
PERSONAL
COSTO
UNITARIO
MENSUAL
TOTAL
MENSUAL
3 Ingeniero en control y automatización $12,000.00 $36,000.00
1 Técnico en control y automatización $6,500.00 $6,500.00
1 Técnico en construcción $6,500.00 $6,500.00
1 Técnico electricista $6,500.00 $6,500.00
1 Dibujante $5000.00 $5,000.00
1 Maestro albañil $4,500.00 $4,500.00
1 Maestro electricista $4,500.00 $4,500.00
1 Maestro plomero $4,500.00 $4,500.00
12 Ayudante $3,000.00 $36,000.00
SALARIO MENSUAL DE MANO DE OBRA $53,000.00 $ 110,000.00
Tabla 4.2 Cotización de mano de obra
En la tabla 4.3 esta la suma del costo total de las dos cotizaciones anteriores de las tablas 4.1 y 4.2 que
corresponden al material para el proyecto y del personal necesario para el desarrollo construcción del
invernadero.
COSTO TOTAL DEL PROYECTO
Costo total del material para proyecto $ 65,350.00
Salario mensual de mano de obra $110,000.00
TOTAL: $175,350.00
Tabla 4.3 Costo total del proyecto
COTIZACIÓN MATERIAL Y EQUIPO PARA LA REALIZACIÓN DEL
INVERNADERO
ÁREA COSTO TOTAL
Diseño y construcción de la estructura de herrería $7,400.00
Placas de policarbonato para la estructura [9]
$9,000.00
Diseño, construcción e instalación de la estructura $13,950.00
Costo del equipo de control e instrumentación $35,000.00
COSTO TOTAL DEL MATERIAL PARA PROYECTO $ 65,350.00
73
CONCLUSIONES
Teniendo en cuenta la importancia de los avances tecnológicos de hoy en día, se han desarrollado
dispositivos electrónicos capaces de realizar funciones de automatización y control aplicables en
cualquier lugar que se requiera.
En este caso en particular se aplicó parte de la tecnología para la automatización y control de un
invernadero, se implementaron instrumentos de medición y sistemas de control para obtener un
proceso que anteriormente se realizaba manualmente, a través del envió de señales entre
instrumentos y el controlador lógico programable para el control y automatización del sistema.
El control de nivel permitió controlar el accionamiento de las bombas para extracción de agua
con la finalidad de que los contenedores siempre se mantengan llenos.
Se estableció el control de pH del agua exacto, de acuerdo a la necesidad de la planta para un
mejor resultado en la investigación.
Se controló los tiempos en el sistema de riego que son establecidos por los investigadores, con la
opción de poder variar diferentes intervalos de tiempo de acuerdo a los que necesite la flora que
se investiga.
El control del sistema de mezclado permitirá que se incorporen las soluciones que se usan para
medicar a la planta por medio del agua del contenedor obteniendo una solución concentrada.
Se realizó el control de temperatura del invernadero con el fin de proteger la flora a cambios de
temperatura.
Se integró el sistema automatizado en el encendido y apagado de las lámparas externas por medio
de la luz solar con el fin de que solo se encienda cuando haya obscurecido y se ahorre el uso de
energía eléctrica.
Se integró el sistema automatizado del abrir y cerrar el techo del invernadero para que se tenga
una ventilación adecuada.
Se integró el sistema automatizado de recirculación de aire para mantener la temperatura
homogénea en el invernadero.
Las ventajas que se obtienen al emplear el sistema de control y automatización descrito son:
* Mayor producción de la especie que se coloque en el invernadero.
* Un mejor aprovechamiento de las sustancias invertidas para el riego.
* Reducción de supervisión y mano de obra del invernadero.
* Control de variables físico-químicas para obtener mejores resultados.
* Mejor aprovechamiento del espacio y material existente.
* Versatilidad del manejo de variables para diferentes parámetros.
74
BIBLIOGRAFÍA
[1] Instruments society of America S5.1-2009, Instrumentation symbols and identification
[2] Instruments society of America S5.5-1985, Instrumentation symbols and identification
Catalogo Labprocess 2011, información tomada sobre pH-metros
[3]http://labprocess.es/Catalogo%20Labprocess%202011%20LR.pdf
El día 16-04-11
Información tomada sobre sensor de nivel
[4]http://www.mundoanuncio.com/anuncio/sensor_de_nivel_de_agua_para_tinacos_y_cisternas_1230583
713.html el día 14-04-11
Información tomada sobre bombas de agua
[5]http://listado.mercadolibre.com.mx/Bomba-perif%C3%A9rica-para-agua-marca
El día 14-04-11
Información tomada sobre PLC marca OMRON
[6]http://cy.rsdelivers.com/product/omron/cp1l-m30dr-d/cp1l-cpu-24vdc-18x24vdc-i-p-
12xrelay/0401573.aspx
El día 14-04-11
Información tomada sobre tubería hidráulica
[7]http://www.bomberosmexico.org/vermodel.cfm?Expo_ID=83&Modelo_ID=8762
El día 14-04-11
Información tomada sobre plásticos para invernadero
[8]http://www.hydroenvironment.com.mx/catalogo/index.php?main_page=index&cPath=65
El día 15-04-11
Información tomada sobre electroválvulas
[9]http://www.vallromanesverd.es/product.php?id_product=51
El día 15-04-11
Información tomada sobre Policarbonato celular
[10]http://www.lenzplastic.com.mx/danpalon.html
El día 15-04-11
http://www.mundoanuncio.com/anuncio/sensor_de_nivel_de_agua_para_tinacos_y_cisternas_1230583713.html
75
ANEXOS
Anexo 1.- INTERFAZ GRÁFICA DEL MONITOREO DEL INVERNADERO
Entrada principal del sistema de monitoreo del invernadero, donde solo tendrán acceso los
investigadores que cuentan con clave de seguridad.
Ventana principal que permitirá el acceso a los sistemas de control (Bombeo, mezclado, riego y
climatización).
76
En la ventana del sistema de bombeo se visualizara el monitoreo de los tanques de
almacenamiento de las tres estaciones existentes del invernadero e involucrando las fallas del
sistema y permitiendo regresar al menú principal.
En el sistema de mezclado se introduce la cantidad de solución, indicada por el usuario.
Visualizando el estado de mezclado por medio de indicadores.
77
En esta ventana se introducen los riegos a realizar en el día, modificando los intervalos de los
temporizadores que vienen incluidos en el PLC.
Esta ventana nos permitirá controlar los sistemas de temperatura, iluminación y humedad del
invernadero.
78
Anexo 2.- EXPLICACIÓN DEL PROGRAMA EN EL PLC
En el renglón 0 del programa del PLC se muestra el sensor foto resistivo, cuando mande una
señal de entrada a la I0 digital, mandara una señal de salida al motor M2 del techo deslizable
conectada a la salida O0 digital del módulo de salidas CIO100 del PLC como se muestra en la
figura I.
Figura I. Renglón 0 del programa PLC
En el renglón 1 del programa del PLC se muestra una entrada del botón 1, cuando mande una
señal de entrada a la I1 digital, mandara una señal de salida al motor M2 del techo deslizable
conectada a la salida O0 digital del modulo de salidas CIO100 del PLC como se muestra en la
figura II.
Figura II. Renglón 1 del programa PLC
En los renglones 2, 3 y 4 del programa del PLC se muestra en la entrada los Flujometros, cuando
mande una señal de entrada a la I2, I3 e I4 digital, mandara una señal de salida digital a las
bobinas de los contactores de cada bomba conectadas en las salidas digitales O0, O1, O2, O3 del
módulo de salidas CIO101 y O4 del módulo de salida CIO100 del PLC como se muestra en la
figura III.
Figura III. Renglones 2, 3,4 del programa PLC
79
En los renglones 5,6,7 y 8 del programa del PLC se muestra el temporizador interno, cuando se
cumpla el tiempo programado, mandara una señal de salida digital a las bobinas de los
contactores de cada bomba conectadas en las salidas digitales O1, O2 y O3 del módulo de
salidas CIO101 del PLC como se muestra en la figura IV.
Figura IV. Renglones 5, 6, 7 y 8 del programa PLC
En el renglones 9 del programa del PLC, se muestra el sensor fotoresistivo la entrada digital I5,
mandara una señal de salida digital a la bobina del contactor de la lámpara externas conectada en
la salida digital O7 del módulo de salidas CIO101 del PLC como se muestra en la figura V.
Figura V.- Renglones 5, 6, 7 y 8 del programa PLC
