Controlador de clima en invernadero

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Controlador de clima en invernadero

La selección del controlador de su invernadero requiere el conocimiento de ciertos puntos clave. A continuación describimos todas las partes que conforman un controlador, su significado e importancia para las personas involucradas en control de invernadero, así como usuarios de invernaderos autónomos o semiautónomos.

El controlador es un sistema de tres etapas: entradas (encargadas de interactuar con los sensores), sistema de procesamiento (responsable de procesar información) y salidas (sistemas que interactúan con los actuadores). En el orden que se presentan, primero se captura la señal que proviene de los sensores. La unidad de procesamiento toma la información de las señales de entrada y genera una decisión. Por último, envía las señales de salida a los actuadores.

Además de las tres partes básicas que conforman el controlador, se tiene la interfaz de usuario, que es la forma de trasmitir la información de los valores de las variables de referencia, y también monitoreo de las mismas. Esta interfaz (HMI) es el medio de comunicación básico entre usuario y sistema, y puede ser tan compleja como se necesite.

 

ENTRADAS Y SENSORES

Cada etapa del controlador realiza una función específica, comenzando por las entradas, encargadas de recibir las señales del exterior que provienen de los sensores.

Tipos de entradas

Existen dos tipos de entradas: digitales y analógicas.

  • Entradas digitales. Pueden ser empleadas en sensores que manden dos estados, registrando un valor superior o inferior a un umbral determinado. Pensemos en el caso de un sensor de velocidad de viento. Si nuestro sensor se activa con un valor superior a 12 m/s, éste mandará un “0” al controlador si el valor está por debajo del umbral, y un “1” si el viento es igual o superior al umbral.
  • Entradas analógicas. Las señales analógicas pueden leer rangos de la señal a monitorear, y no sólo tener los umbrales de las mismas. Los valores de las señales analógicas se encuentran dentro de los rangos necesarios, para el usuario.

Una entrada analógica representa una lectura equivalente al valor actual de la señal física a medir. Por ejemplo, la velocidad de viento se convierte a una señal eléctrica de voltaje o corriente, generando una salida proporcional a la variable medida. Este efecto de transductor (cambio de una variable física a una eléctrica) es necesario, ya que la mayoría de los controladores digitales sólo reconocen señales eléctricas acotadas en ciertos niveles.

Puntos principales de las entradas

  • Longitud de palabra de la entrada digital es el proceso de codificación de la señal, teniendo como resultado que la señal de viento se transforma en un voltaje a través de un convertidor digital. Éste lo establece en una cadena binaria de ceros y unos, la cual entiende el controlador.
  • Longitud de la cadena de ceros y unos es la resolución de la señal monitoreada. De manera simple, si se tienen longitudes de palabra pequeñas, sólo se puede capturar parte de la información, mientras que el resto se perdería. Por ejemplo, una longitud de palabra pequeña sólo puede representar la velocidad del viento como 195.1 m/s, mientras que con longitudes de palabra grandes se puede representar la misma velocidad del viento con mayor resolución, esto es, 195.14678954 m/s. Esto repercute en la calidad (precisión) del control que tengamos sobre las variables de interés, por lo que tenemos que tener una buena selección de las variables que se monitorean y saber cuáles son los valores de longitud de palabra recomendados para cada una de ellas. Normalmente, longitudes de palabra entre 8 y 32 bits son suficientes para el monitoreo de variables de entrada.
  • Tiempo de muestreo define cada cuánto se toma una muestra de la señal a monitorear, y aplica tanto para señales analógicas como digitales. Regresando al ejemplo del viento, podríamos fijar tiempos de muestreo muy pequeños (0.5 s), pero no valdría la pena para esta variable en un invernadero. En cambio, si estamos monitoreando el consumo de corriente en una bomba del invernadero, este tiempo puede ser grande. Esto significa que el tiempo de muestreo mínimo es fijo en cada controlador de acuerdo al fabricante y se selecciona de acuerdo a la variable analizada.

Una vez explicados los puntos principales de las entradas nos podemos percatar que la variable que está siendo monitoreada define qué tipo de entrada emplear (digital o analógica), así como la longitud de palabra y tiempo de muestreo.

Sensores y concentrador

Los sensores se emplean para monitorear variables que afectan al control de clima en invernadero, tales como temperatura, humedad y velocidad del viento. Otras variables cuyo monitoreo es importante dentro del control del invernadero son la intensidad de luz solar, intensidad de lluvia, CO2 y pH.

Además de los sensores convencionales, algunas tendencias actuales apuntan hacia el empleo de sensores inalámbricos. Estos sensores requieren el empleo de baterías para transmitir datos, y tienen distancias máximas de transmisión, pero son muy útiles en lugares del invernadero poco accesibles.

Para lograr una mejor posición de los sensores y para el monitoreo de varios invernaderos se utiliza un sistema concentrador de información. Estos sistemas pueden ahorrar el costo de los cables, además de transmitir información bajo protocolos estándar que pueden ser leídos sin ningún problema y disminución de ruido en la señal.

A continuación se muestran algunos tipos de sensores en un invernadero, así como los que se emplean para cada variable.

  • Sensor de temperatura y humedad. Requiere de entradas analógicas, y uno de los más empleados tiene tiempo de respuesta inferior a 4 s. En este caso, el tiempo de muestreo de entradas del controlador debe ser inferior a 4 s si queremos tomar ventaja de esta característica de respuesta.
  • Sensor de velocidad y dirección de viento. Se emplea para protección y cuidado de los invernaderos. El representado en la figura requiere de entradas analógicas y una longitud de palabra estándar.

Existen sensores de viento que envían señales digitales [0/1] de acuerdo al umbral que se tenga prefijado para realizar una acción predeterminada. En estos sensores de viento no se conocen todos los valores de velocidad y dirección de viento; sólo mandan una señal [1] cuando se sobrepasa el umbral de viento prefijado.

PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN

Esta unidad contiene un microprocesador o microcontrolador, el cual incluye la ley de control a ejecutar. Dentro de éste se realizan las operaciones matemáticas y lógica establecida. Cuando llega, una señal de los sensores de entrada se tiene que determinar la señal de salida correspondiente.

Algunos puntos clave en la selección del controlador son: frecuencia del procesador, memoria disponible, elementos de interface de comunicación y tipo de alimentación.

SALIDAS Y ACTUADORES

Por último están las salidas, que se clasifican también en analógicas o digitales. El número de entradas y salidas digitales depende del número de variables que necesitemos emplear para el control de los actuadores (electroválvulas, motores para ventilas, etc.)  

Ponce Cruz es director de la Maestría en Ciencias de la Ingeniería del Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey (I.T.E.S.M.), Campus Ciudad de México, y director de la cátedra de sistemas mecatrónicos del mismo campus.

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3 comments on “Controlador de clima en invernadero

  1. Anónimo

    muy buen articulo, soy investigador Conacyt, estoy haciendo una investigación de tecnología existente para invernaderos, vivo en el estado de Sinaloa últimamente las temperaturas extremas ocasionan grandes problemas en los cultivos agrícolas que están al aíre libre. Mi investigación es recopilar información que pueda ser útiles a los agricultores para que reduzcan sus costos y aumenten su productividad, pero lo más importante reduzcan el nivel de incertidumbre ante los cambios extremos. Se generará una propuesta para que se les pueda dar más subsidios a los agricultores y puedan estar mejor protegidos, iré a Europa a seguir investigando los instrumentos que están implementando para disminuir el riesgo en los cultivos a las empresas agrícolas, cualquier información que me puedan brindar al respecto del tema será bien recibida, ¡gracias!

  2. Anónimo

    Saludos donde se lleva acabo este desarrollo, ya que en el estado de Chihuahua se esta llevando acabo el desarrollo de invernadero con tecnologia National