Autora: Celis Cedeño / Centro de Ingeniería Eléctrica y Sistemas (CIES). FIIIDT.
Resumen: Todo cultivo amerita de riego constante para garantizar el correcto desarrollo de la planta y así producir alimentos especialmente en temporadas secas y/o de verano ya que generalmente no llueve, tan importante es, que si no se dispone de un método de riego no es posible la planificación de una plantación. Un adecuado sistema es aquel que es capaz de garantizar la correcta medida de agua en el instante que se necesita, en la primera parte de esta nota técnica se hizo mención a los huertos comunales, sus beneficios a la sociedad, aspectos de importancia para su elaboración, elementos de control, explicación para la instalación paso a paso de un sensor de suelo, tipos de sistemas de riego y las condiciones del proceso que harán que funcione bajo los parámetros de diseño requeridos. Para esta segunda parte se explicará detalladamente cada parte del control y el proceso, incluyendo la selección del lazo de control que se eligió, cómo interactúa cada elemento en el sistema, listado de componentes electrónico, cada parte que lo constituye, y cómo estará estructurado por etapas: censo, acondicionamiento de señales, controlador, digitalización, memorización y potencia.
Selección del lazo de control a utilizar: Este sistema amerita la toma en cuenta del nivel de humedad que tiene el terreno de la siembra, para poder hacer una comparación, y en base a ello tomar una decisión de si se debe accionar la electroválvula o no. Por consiguiente, el sistema de control que será implementado es a lazo cerrado.
Un sistema a lazo cerrado es el que se alimenta al controlador de la señal de error de actuación, que es la diferencia entre la señal de entrada y la salida realimentada, con el fin de reducirlo y lograr el comportamiento deseado (Ogata, 2003). En la figura 1 se muestra el sistema de control a emplear.
El valor de consigna es una referencia a la cual se quiere que opere el sistema y es comparada con el valor real (Gaviño, 2010). El controlador es el elemento conectado al sistema que compara la referencia con la variable controlada a fin de determinar y tomar la decisión correctiva pertinente (Smith, 2014)
Explicación del lazo de control
Una de las preguntas fundamentales dentro de la automatización, respecto a la habilitación de un actuador, es cuándo debe activar y cuando no, esto para garantizar que esté funcionando dentro de los rangos de diseño del proceso. Para este caso, como ya se mencionó en los requerimientos del proceso, la condición de apertura de la electroválvula será cuando detecte en el terreno, por medio del sensor, una humedad menor o igual de 30%.
Como muestra la figura 1, la señal realimentada desde el sensor pasará por un acondicionamiento de señales que la amplificará para que pueda ser leída por el controlador donde será comparada constantemente con una señal de consigna y, en función de si es igual o no, dará la orden de apertura de la electroválvula.
Componentes electrónicos y electromecánicos a usar en el sistema de control
- Relé de 12 V
- Transistor 2N 22222
- Amplificadores operacionales LM324
- Compuerta lógica AND y NOT
- Biestable tipo JK
Funcionamiento de componentes electrónicos
Relé de 12V: Componentes electromecánicos compuesto de un juego de contactos abiertos y cerrado cuyo estado cambia por acción de la alimentación de la bobina.
Transistor: Componente electrónico compuesto de una base, emisor y colector. El cual, al ser energizada la base, permite el paso de corriente actuando como un interruptor.
Amplificador operacional: Componente de amplificación con diversas configuraciones, para este caso, será utilizada la configuración de comparador que consiste en la colación de un voltaje de referencia en su pata inversora y otro voltaje, que para este circuito que vendrá de la salida del acondicionador de señales, en su pata no inversora. Dichos voltajes son comparados y si es superior al de la pata inversora activará la salida del operacional. El voltaje de referencia en la pata inversora será equivalente al valor de consigna del proceso que determina la apertura o cierre de la electroválvula.
Compuertas lógicas AND: Esta compuerta activa su salida bajo el cumplimiento de dos condiciones establecidas.
Compuerta lógica NOT: esta compuerta tiene la función de invertir su señal de entrada, es decir, si la entrada es 0 a la salida se obtiene un 1 lógico.
Biestable: Dispositivo de almacenamiento que permite memorizar uno de sus estados, lo que hace que no altere la salida.
Descripción del circuito de control
El controlador a implementar será un circuito compuesto por dos amplificadores operacionales en configuración comparador (Coughlin, 1993). Un amplificador estará configurado con un nivel de tensión de referencia que coincide con el nivel de humedad deseado. El sensor de humedad constantemente mide el nivel de humedad. Para efecto de la simulación, el sensor de humedad resistivo será modelado como un potenciómetro (elemento de resistencia variable). La circuitería de este control está compuesta por varias etapas, a continuación describiremos cada una de ellas. El circuito completo se muestra en la figura 2.
Etapa de medición y acondicionamiento de señales: Este es el eslabón constituido por el sensor (hace la medición), el cual es modelado como un potenciómetro que esta graduado porcentualmente del 0 al 100%, que representa la humedad del suelo captada para el momento. La señal proveniente del sensor. que comunica la medida, tiene un nivel de voltaje muy bajo, por lo que es necesario amplificarlo para llevarlo a un nivel analógico que pueda ser percibido por los demás componentes electrónicos del sistema, será utilizado un factor de amplificación de 2. Esta etapa es mostrada en la figura 3.
Etapa de control: En este apartado se utilizan como controlador 2 amplificadores operacionales que constantemente miden el nivel de voltaje que corresponde al de humedad, para hacer toma de decisiones respecto a si se debe dar apertura a la electroválvula o no. Este circuito, mostrado en la figura 4, consta de un comparador compuesto por dos operacionales, uno de ellos tendrá el U1:C en su pata inversora con un voltaje de referencia de 3V que corresponderá al 30% de humedad y el U1:B tendrá un voltaje de referencia de 8V que equivale al 80% de humedad.
Etapa de digitalización: En este punto se busca llevar el nivel de tensión de salida de los amplificadores a niveles TTL, es decir de 0 a 5V, esto con el fin de alimentar una compuerta lógica que según su tabla de la verdad, en la combinación deseada saturará un transistor encargado de energizar el relé que pone en acción a la electroválvula. En la figura 5 se muestra la digitalización de las señales.
Etapa de memorización y potencia: La parte de memorización garantiza que la electroválvula, una vez que haya abierto al detectar 30% de humedad en el terreno y cierre cuando haya llegado al 80%, no se vuelva a abrir nuevamente cuando descienda la humedad, sólo activándose hasta que haya alcanzado nuevamente 30% de humedad. Por tal razón, se utiliza un Biestable JK para que recuerde que ya pasó por 80% y que debe permanecer cerrada. En la tabla 1 se presenta la tabla de la verdad del biestable para que sea notorio cómo memoriza los estados, donde O y P son las entradas de un biestable (J K) y la salida Q es la que satura al transistor que energiza la bobina que enciende la electrovalvula. La parte de potencia tiene como fin separar el voltaje de control del de potencia. Esta etapa completa se muestra en la figura 6.
Los huertos comunitarios son pequeñas plantaciones que permiten el autoabastecimiento de las familias participantes promoviendo la unión y la cooperación, el garantizar un correcto sistema de riego es vital para el mantenimiento de la siembra en dichos huertos.
El sistema que se implementó fue de lazo cerrado, el cual es garante de establecer la continua comparación del valor real con el de consigna, que permitirá la acción de ajustes necesarios para el funcionamiento del sistema de acuerdo con las especificaciones del diseño. También contó con un conjunto de sub circuitos que constituye cada eslabón y su unión el sistema completo
La implementación de un circuito de control como el descrito en este proyecto puede representar una importante oportunidad para las comunidades. Garantizar el riego de las plantas sembradas sin requerir la acción directa de las personas, extiende el área que puede sembrar cada familia incrementando la capacidad de autoabastecimiento y permitiéndoles ocupar su tiempo en otras actividades productivas dentro o fuera del huerto.
Referencias:
- Ogata, K. (2003). Ingeniería de control moderna. Pearson Educación. 4ta edición
- Gaviño, R. (2010). Introducción a los sistemas de control. Pearson
- Smith, C. (2014). Control automático de procesos. Limusa, Wiley. 2da edición
- Coughlin, R. (1993). Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales. Prentice-Hall Hispanoamérica S.A
Contacto: cbcm1992@gmail.com