I. Introducción

En los invernaderos se requieren condiciones artificiales favorables y dentro de ellos se consigue un aislamiento tér- mico y de agentes contaminantes de los cultivos. Sin embar- go, es necesario que estos cuenten con sistemas que permitan controlar y modificar las condiciones del microclima genera- do. En trabajos como [1], [2], [3] se definen las variables a controlar en un invernadero, como temperatura del aire, hu- medad relativa, concentración de CO2 y la radiación solar. Por ello, se utilizan diferentes técnicas para el control de es- tos parámetros a través de la instalación de calefacción, ven- tilación, sistema de humidificación, dosificación de CO2, el uso de pantallas térmicas y la iluminación artificial. La venti- lación se utiliza también para prevenir excesiva humedad am- biente, debido a la transpiración del cultivo. Este control se realiza con el objeto de evitar enfermedades, ya que los exce- sos de humedad tienen lugar en los periodos fríos, y su efecto es más pronunciado durante los cambios de la noche al día. Además, la humedad es importante para la fotosíntesis, pues si la planta pierde demasiada agua, las estomas se cerrarán y esto provocará que la fotosíntesis se frene. Cuando esto ocu- rre, no se podrá absorber más CO2, y esto resulta necesario para mantener en marcha la fotosíntesis, entonces para tener las estomas abiertas es necesario reducir la evaporación de la planta cuando hay más radiación. Si se mantiene un nivel alto de humedad en el invernadero, la evaporación se reducirá.

La temperatura del invernadero también puede reducir- se introduciendo humedad, esto provoca que la planta tenga que enfriarse menos a través de la evaporación. Por otro lado, el cultivo puede humedecerse ligeramente, y esto hace que el agua evaporada pueda enfriar el cultivo o la temperatura al interior del invernadero. En los trabajos [4], [5]se propo- ne un modelo neuro - difuso para combinar ventajas de las redes neuronales y de los sistemas difusos que muestran un desempeño superior, especialmente en el caso de sistemas complejos y no–lineales como los presentes en el ambiente del invernadero, para predecir, controlar el comportamiento de la temperatura y la humedad relativa del aire en el inte- rior. Estos modelos de forma satisfactoria pueden predecir el comportamiento del clima, aspecto este que contribuye significativamente al desarrollo de los sistemas de control de humedad y consumo de agua [6]

Desde el punto de vista de control, existen al menos dos umbrales de humedad relativa, uno para la noche y otro para el día, en consonancia con los puntos de consigna estableci- dos para la temperatura, asignando a cada uno, la curva con los déficits de humedad admisibles máximos y mínimos. Es por ello que el trabajo se enfoca en la necesidad de tener un control preciso de la humedad y el consumo del agua, para que se incorpore al sistema ya existente, de registro de otras variables del invernadero, para así lograr el ahorro del con- sumo de agua y la dosificación adecuada en los diferentes cultivos. En el trabajo [7] también se hace referencia a la inte- racción humedad-temperatura en el invernadero, misma que es evaluada a través de un modelo climático que estima la evolución horaria de la temperatura del aire y la humedad re- lativa en el interior de un invernadero con ventilación natural de tipo cenital y atendiendo al comportamiento del clima ex- terno. Aquí se incorporan los efectos de la ventilación natural para enfriar el invernadero y como resultado de la evaluación, se obtuvo un ajuste adecuado para la estimación de la tempe- ratura del aire y su interrelación con la humedad relativa en el interior del invernadero para lograr una buena cosecha.

En esta investigación se ha monitoreado la variable del consumo de agua, a través de la programación de un siste- ma Scada con interfaces gráficas, permitiendo de esta mane- ra complementar el monitoreo de las variables de operación en el invernadero. La importancia de estas variables ha sido evaluada en trabajos como [8], [9] donde, a través de datos experimentales generados durante el ciclo de producción, se ha podido validar la incidencia de la humedad en el buen de- sarrollo del cultivo y se han identificado modelos para pro- nóstico de la producción.

Al incorporar las variables humedad y consumo de agua al monitoreo, no solo se contribuye con el ahorro de este re- curso, sino que se facilita la labor del operador del inverna- dero, al poder este realizar un registro de datos del consumo y controlar el volumen de agua requerido por tipo de cultivo. Además, al incorporar nuevas variables en el control automá- tico de las condiciones climatológicas, se pueden mejora las condiciones de producción y explotación del invernadero. El trabajo fue realizado en el invernadero experimental de tipo inacral para la obtención de plantines con una distribución de tres hileras como se observan en la figura 1

Fig. 1. Vista lateral del invernadero

Marrero et al., Control de humedad y consumo de agua en un invernadero

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También se debe señalar, que la realización de este proto- tipo de sistema de monitoreo y control, permite tener a dis- posición del sector agrícola de la zona, una propuesta que mejora la explotación de invernaderos y que humaniza este trabajo.

II. Desarrollo

A.Sistema Scada y control de humedad

El sistema Scada permite la retroalimentación en tiempo real con los dispositivos de campo (sensores y actuadores) y controla las variables que han sido seleccionadas, como es el caso de la temperatura, humedad y consumo de agua [6], [7]. En la figura 2 se muestra el esquema del sistema de control realimentado, que se compone de cuatro partes fundamenta- les, el invernadero como objeto de control, el sistema de me- dida o elementos que realizan una estimación del valor de la variable a controlar (Sensor de humedad y nivel de agua del tanque), controlador (PLC, Scada) y los actuadores que son los dispositivos utilizados por los controladores para ejecutar las ordenes, que deben mantener a la variable en los límites deseados a pesar de la presencia de perturbaciones como la temperatura, radiación y humedad externa, velocidad y direc- ción del viento y la ocurrencia de lluvias.

cación, atendiendo a los requerimientos y su capacidad de soportar un gran número de configuraciones, que van desde un sistema de un solo puesto hasta los sistemas redundantes distribuidos que tienen varios servidores, pasando por siste- mas cliente – servidor [10], [11]. La aplicación fue desarro- llada sobre la base de un PLC S7 1200 de Siemens de la serie SIMATIC, ya existente en la instalación para el control de temperatura y el consumo de energía.

En la comunicación se utiliza un canal de datos de 5Mbps de velocidad, que permite configurar equipos del tablero de control a ser monitoreados, los cuales establecen conexión mediante un switch.

B.Medidores de nivel del líquido.

La medición de nivel de líquidos para el registro indirecto del consumo de agua, suele presentar dificultades relaciona- das con la medición continua, y la densidad del líquido. Para efectuar esta tarea existen instrumentos con diferentes tipos de sensores, que utilizan características eléctricas del líquido y se clasifican en: medidor conductivo, capacitivo, ultrasóni- co, de radiación y láser entre otros.

De esta gama de equipos se destacan las prestaciones del medidor ultrasónico en cuanto a precisión y control conti- nuo. Aquí se emite cíclicamente un impulso acústico de alta frecuencia y corta duración que se refleja en la superficie del líquido y regresa luego de cierto tiempo, lo que se traduce en la distancia d1 y d2 como se observa en la figura 3.

El sensor para cálculo debe convertir la distancia en el nivel del líquido a través del transductor - receptor [12]. La distancia hasta el nivel de líquido se expresa por la ecuación:

Fig. 2. Esquema de automatización

Dentro de los sistemas Scadas más utilizados en la in- dustria, se destacan el RSView32 de Allen Bradley que es un software basado en Windows para la creación y ejecución de aplicaciones de adquisición de datos, monitoreo y aplica- ciones de control. Está diseñado para operar en el ambien- te de MS Windows y es compatible con contenedores OLE. También el OASYS DNA, comercializado por TELVENT, presenta un entorno que da respuestas a requerimientos rela- cionados con la automatización y el control de procesos in- dustriales en tiempo real. Esta es una aplicación cliente-ser- vidor, que permite crear un sistema óptimo y distribuido, con amplia flexibilidad para el mantenimiento y en la adminis- tración del sistema. Por otra parte, existe el WinCC, que es un sistema con HMI eficiente para la entrada de datos bajo Microsoft Windows. Este, al combinarse con el PLC para el control del proceso, permite una comunicación eficaz con el operador. Por ello fue seleccionado el WinCC para la apli-

Dónde:

h = nivel del líquido

v = velocidad del sonido en el líquido t = tiempo de tránsito del sonido

Como la distancia hacia el objeto es medida por medio del tiempo de recorrido del sonido, y no por una medición de la intensidad, los sensores ultrasónicos son insensibles al ruido de fondo

Fig. 3. Principio del medidor de nivel ultrasónico Fuente: [12]

Prácticamente todos los materiales que reflejan el sonido son detectados y su principal dificultad se relaciona con la variación de temperatura, la presencia de burbujas o gas y la turbulencia extrema, que puede introducir error en la me- dición. La tabla I muestra las especificaciones técnicas del medidor sin contacto de la marca Hautu, utilizado en la medi- ción y control del nivel de líquido que permite la transmisión de datos y la comunicación con el PLC.

La salida del medidor ultrasónico es de 4 ~ 20 mA, donde se requiere una fuente de voltaje de 24 DC con vista a lograr el nivel mínimo establecido en el tanque de 150 L que ase- gure al menos cuatro días de operación y un máximo que se corresponde con la capacidad total del tanque de 444 L. El modelo de PLC admite una señal de entrada de voltaje, por lo que fue necesario utilizar un conversor de señal corriente a voltaje.

Tiempo de respuesta

1.5 segundos

Entonces para la arquitectura del sistema de control se uti- liza la configuración mostrada en diagrama de bloques de la figura 4, donde se va a utilizar la medición de los sensores de humedad en las hileras del invernadero y el medidor de nivel

para monitorear el volumen de agua del tanque con vista a que el PLC realice el accionamiento de la electroválvula de abasto de agua al tanque y el encendido de la bomba de riego según los requerimientos de humedad programados.

III.Resultados

La configuración inicial propuesta del sistema Scada se muestra en la figura 5, donde se indican los equipos monito- reados y los datos de las variables climatológicas temperatura y humedad a tener en cuenta. Mientras que el algoritmo del diagrama del control de humedad se muestra en la figura 6,

aquí el control se puede realizar de manera manual o auto- mática y para ello se introducirá el porcentaje de humedad en rangos de 30 % a 60% en dependencia del tipo de cultivo y atendiendo al tipo de suelo, sí el % es menor al valor in- troducido, se encenderá la bomba para el riego en las hileras requeridas según los requerimientos del cultivo plantado.

Cuando la operación del sistema es manual, se debe intro- ducir el tiempo de riego en minutos para la operación de la bomba a través de la pantalla HMI que se muestra en la figura 7, mientras que el régimen automático permite la opción de variar el nivel de humedad (H. R. %) de 0 % a 100 % acorde a las necesidades del operador (S. P. %). Se utilizó el higró-

metro de suelo FC-28 de la figura 8 que es un sensor que mide resistencia con ajuste de sensibilidad y tiempo de respuesta en el orden de los segundos, el ajuste de sensibilidad se reali- za por el potenciómetro del circuito acondicionador de señal con el comparador LM393 para salidas digital y analógica (entre 0 y 1023).

Para lograr una mayor precisión de la medición, se cali- braron los sensores con el medidor digital HM 445 de preci- sión ± 5 %, considerando el valor de 100 cuando la humedad es del 60 % y se obtuvo una precisión que es aceptable para activar el sistema de riego como se sugiere en [13] y [14], donde se considera que el % de humedad relativa se debe establecer atendiendo al tipo de suelo y cultivo. También se

utiliza una tarjeta Mega Arduino con un circuito para llevar la señal de los sensores al PLC, cuya placa fue diseñada en Proteus para colocar 8 sensores de humedad, alimentados con una fuente de corriente continua y el circuito impreso obte- nido para colocar las tarjetas de ajuste y calibración de los sensores en cada una de las hileras del invernadero se puede observar en la figura 9.

El esquema de conexión de los sensores para el riego de las tres hileras del invernadero es mostrado en la Figura 10, esto facilita que se pueda realizar de forma independiente el riego por hileras con vista a satisfacer las necesidades de hu- medad de diferentes cultivos localizados en las mismas. Ade-

más, de esta forma si no se han plantado semillas en todas las hileras, entonces se puede seleccionar la operación de aquella que está sembrada para no realizar un gasto innecesario de agua.

Al tener que incorporar el monitoreo del consumo de agua, se propone el algoritmo general de control del inverna- dero de la figura 11 con el esquema de control para el consu- mo de agua que se muestra en la figura 12, donde es utilizada una electroválvula del tipo diafragma, que puede entregar entre 38 L/min a 240 L/min para garantizar el llenado del

tanque, una vez que el sistema alcanza el mínimo o máximo prestablecido. Con vista a garantizar la seguridad en la explo- tación del sistema se ubicaron protecciones de sobre corriente para la bomba, la puesta a tierra del sistema y en el tablero principal una parada de emergencia.

El comportamiento de la humedad relativa obtenido en el invernadero se encuentra representado en la figura 13, que es obtenida con los registros de la base de datos del sistema, donde se utilizan datos en un tiempo de 20 minutos, durante

8 días con la programación del régimen de humedad y aten- diendo a las necesidades de las plantas en presencia de per- turbaciones como las variaciones de temperatura, radiación y humedad.

Aquí se observa que es posible mantener el nivel de hu- medad por encima del 33 %, que resulta favorable para los cultivos. Con el control de los parámetros de explotación del invernadero, se pudo lograr un buen desarrollo de los culti- vos, similar a los resultados de sistemas automatizados de [15] y [16].

En la figura 14 se muestra la pantalla que visualiza en el sistema los datos del consumo de agua, nivel y volumen del

tanque, fecha, registro y consumo entre otros. Mientras que en la tabla II se relacionan la data que es almacenada en el servidor, donde se indica la capacidad máxima del tanque de 444 litros, los 318 litros consumidos, el nivel en el tanque de 20,7 cm y el volumen existente de 126 litros. Luego de realizar varios ensayos se pudo comprobar que existe un error promedio es de 0.2 % en la medición de nivel.

Al igual que en los trabajos [17] - [18] es posible obtener el uso eficiente del recurso hídrico, lo que incentiva la apli- cación de esta tecnología para los sistemas de monitoreo y control en el sector agrícola. En este caso particular, donde el monitoreo y control de variables climatológicas del inver- nadero, incluye el manejo eficiente del recurso hídrico, y además la posibilidad de conocer el estado del sistema en

todo momento, se garantiza una producción en ambiente con- trolado que asegura la explotación óptima del invernadero. Esto, pone de manifiesto la importancia del monitoreo y con- trol para conocer el estado de las variables de operación, tan- to del suelo como del ambiente, donde esta información le permitir al productor, el poder tomar acciones oportunas para el mejoramiento de la producción y la reducción de costos.

IV. Conclusiones

•El sistema para el control de humedad y nivel fue progra- mado en el WinCC, lo que resultado ser amigable y garantizó los requerimientos climatológicos de los cultivos, además de ser compatible con la instrumentación de SIEMENS existente ya en el invernadero. Esto resultó una tecnología que garan- tiza la explotación óptima de invernadero y las condiciones climatológicas programadas por el operador para los cultivos.

•El control de humedad relativa tiene un comportamien- to apropiado para los cultivos plantados al variar entre 33 y 60 % en el transcurso del día, según la programación y ello permitió el buen desarrollo del cultivo en un ambiente con- trolado, ya que se consideró favorable en las plantas, niveles

de humedad superiores al 30 % para garantizar una buena fotosíntesis y reducir la presencia de plagas.

•El monitoreo del consumo de agua se realizó con un medidor ultrasónico, que es un dispositivo sin contacto, con la medición continua y el error obtenido es inferior al 1 %, lo que permite accionar la electroválvula para poder entregar hasta 240 L/min. Además, es posible visualizar el nivel del tanque y el consumo de agua diario con la opción de tener reportes periodos del gasto de agua en el riego.

•En el HMI del control del consumo de agua se puede evidenciar las tres variables para activar una electroválvula, cuando el nivel del agua llegue al valor establecido por el operador, que este caso se ha seleccionado el volumen 150

litros para tener más de un día de reserva en el riego. El sis- tema resultado ser amigable y garantizó los requerimientos climatológicos de los cultivos con una tecnología que garan- tiza la explotación óptima de invernadero y las condiciones climatológicas programadas.

•El control de humedad relativa tiene un comportamien- to apropiado para los cultivos plantados al variar entre 33 y 60 % en el transcurso del día, según la programación y ello permitió el buen desarrollo del cultivo en un ambiente con- trolado, ya que se consideró favorable en las plantas, niveles de humedad superiores al 30 % para garantizar una buena fotosíntesis y reducir la presencia de plagas.

•El monitoreo del consumo de agua se realizó con un ins- trumento ultrasónico, que es un medidor sin contacto, con la medición continua y el error obtenido es inferior al 1 %, que permite accionar la electroválvula para poder entregar hasta 240 L/min. Además, es posible visualizar el nivel del tanque y el consumo de agua diario con la opción de tener reportes periodos del gasto de agua en el riego.

•En el HMI del control del consumo de agua se puede evidenciar las tres variables para activar una electroválvula, cuando el nivel del agua llegue al valor establecido por el operador, que este caso se ha seleccionado el volumen 150 litros para tener más de un día de reserva en el riego.

Referencias

[1]M. Mamani, M. Villalobos y R. Herrera, «Sistema web de bajo costo para monitorear y controlar un invernadero agrí- cola,» Ingeniare Revista Chilena de Ingenieria, vol. 25, nº 4, pp. 519-618, 2017.

[2]H. T. Tangarife, S. X. Toro y C. V. Carmona, «Sistemas automatizados para el control del recurso hídrico y variables ambientales bajo invernadero: aplicaciones y tendencias.,» Entre Ciencia e Ingeniería, vol. 14, nº 27, pp. 91-98, 2020.

[3]S. I. Ossa Duque, «Monitoreo y control de variables am- bientales mediante una red inalámbrica para agricultura de precisión de invernaderos,» Vector nº 12, pp. 51-60, 2017.

[4]I. L. López Cruz y L. Hernandez-Larragoti, «Modelos neuro-difusos para temperatura y humedad del aire en inver- naderos tipo cenital y vapilla en el centro de Mexico,» Agro- ciencia, vol. 44, nº 7, pp. 791-805, 2010.

[5]D. M. Atia y T. El-madany, «Analysis and design of green- house temperature control using adaptive neuro-fuzzy infe- rence system,» Journal of Electrical Systems and Information Technology, vol. 4, nº 1, pp. 34-48, 2017.

[6]H. Burgueño Camacho, A. Reyes Rosas, R. Rodríguez García, A. Zermeño-González, D. Jasso Cantú y M. Cadena Zapata, «Evaluación de un modelo para estimar la tempe- ratura y humedad relativa en el interior de invernadero con ventilación natural,» Chapingo Ser.Hortic, vol. 18, nº 1, pp. 125-140, 2012.

[7]R. Salazar Moreno, A. M. Mauricio Pérez, I. L. López Cruz y A. Rojano Aguilar, «Un modelo de humedad dentro de un invernadero semicerrado,» Chapingo Ser.Hortic,vol. 22, nº 1, pp. 27-43, 2016.

[8]C. Sánchez Pérez, J. L. Guzmán, J. A. Sánchez Molina y

M. Berenguel, «Modelado y control multivariable de tempe- ratura y humedad en un invernadero,» de VIII Congreso Ibé- rico de agroingeniería , Algorfa, España, 2015, pp. 856-865 . [9]E. Alvarez Sánchez, G. Leyva Retureta, E. Portilla Flo- res y A. López Velázquez, «Evaluation of thermal behavior for an asymmetric greenhouse by means of dynamic simula- tions,» DYNA, vol. 81, nº 188, pp. 151-159, 2014.

[10]R. Mena, J. A. Sánchez Molina, F. Rodríguez, L. L. Guzmán y M. Berenguel, «Diseño de un Sistema SCADA Modulable y Escalable para el Control de Clima y Riego en Invernaderos,» de VIII Congreso Ibérico de agroingeniería, España, 2015, pp. 946-957.

[11]L. Bárzaga Martell, R. C. Mompie Paneque y B. Valdés Cuesta, «Sistemas SCADA para la automatización de los procesos productivos del CIGB,» RIELAC, vol. 37, nº 1, pp. 20-37, 2016.

[12]A. Creus, Instrumentación Industrial, 8va. ed, Barcelona

– España, Marcombo S.A, 2010, pp. 215-216.

[13]E. C. Martin y C. Muñoz, «Métodos para Medir la Hu- medad del Suelo para la Programación del Riego ¿Cuándo?,» University of Arizona, AZ1220s, Tucson, 2017.

[14]M. Cea y S. Alonso, «Sistema de Ayuda a la Decisión para la Programación del Riego Basado en Aspectos Agro- nómicos,» de IV Jornadas de Ingeniería del Agua, Córdoba, España, 2015, pp. 341-350.

[15]G. Quesada Roldán, «Producción de chile dulce en inver- nadero bajo diferentes niveles de agotamiento en la humedad del sustrato,» Agronomía Costarricense, vol. 39, nº 1, pp. 25- 36, 2015.

[16]A. Barroso García, «Control y monitorización de un invernadero a través de una aplicación móvil,» MSc. Tesis. Universidad Politécnica de Madrid, España, 2015.

[17]P. Muñoz, J. Buitrago, A. Arboleda, O. Cortes, A. Sán- chez y C. Zapata, «Sistema de instrumentación y monitoreo para el invernadero la Aldana de la Universidad del Quin- dío,» Scientia et Technica, vol. 16, nº 49, pp. 219-225, 2011. [18]E. A. Villagrán, R. Gill, J. F. Acuña y C. R. Bojacá, «Op- timization of ventilation and its effect on the microclimate of a colombian multispan greenhouse,» Agronomía Colombia- na, vol. 30, nº 2, pp. 282-288, 2012.

RESUMEN CURRICULAR

Marrero Ramírez Secundino: Graduado de Ing. Elec- trónico del Instituto Politécnico de Kiev y PhD en Automati- zación de la Universidad Minera de San Petersburgo, Rusia. Docente titular de la Universidad Técnica de Cotopaxi

González Palau Iliana: Ing. Electricista del Instituto de Minas de Moscú y PhD en Electricidad de la Universidad Mi- nera de San Petersburgo, Rusia. Docente de la Universidad Técnica de Cotopaxi

León Segovia Marco Anibal: Graduado de Ing. En Eje-

cución de Electrónica e instrumentación en la Escuela Poli- técnica del Ejercito, Latacunga Ecuador. MSc. Gestión de Energía y docente de la Universidad Técnica de Cotopaxi, Ecuador.

Suarez Vinueza Rommel Eusebio: Graduado de Ing. Electrónico en la Escuela Politécnica del Chimborazo, Rio- bamba Ecuador. MSc. en Gestión de Energía y docente de la Universidad Técnica de Cotopaxi, Latacunga Ecuador.