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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
Automatización de Clima Para un Invernadero
T E S I S
Que para obtener el título de:
Ingeniería en Control y automatización
PRESENTA
Omar Guadarrama León
Asesores
ING. Adrián Esteban Mejía García
ING. José Luis Aguilar Juárez
México D.F. Diciembre 2014
2
3
Agradecimientos.
En especial a mis hermanas, Gloria y Cristina por su apoyo
incondicional durante el tiempo que me ha tomado concluir esta
carrera, gracias por su cariño y comprensión.
A mis profesores que incondicionalmente me asesoraron durante el
desarrollo de este trabajo.
A quienes me brindaron apoyo contribuyendo al desarrollo de mi
estudio.
4
INDICE GENERAL
INDICE GENERAL ..................................................................................................................... 4
INDICE DE FIGURAS............................................................................................................... 10
RESUMEN .............................................................................................................................. 16
INRODUCCIÓN ...................................................................................................................... 17
OBJETIVO GENERAL .............................................................................................................. 18
OBJETIVOS ESPECÍFICOS ....................................................................................................... 18
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ....................................................................................... 19
JUSTIFICACIÓN ...................................................................................................................... 20
CAPÍTULO 1 ANTECEDENTES............................................................................................... 22
1.1 Invernaderos .............................................................................................................. 22
1.2 Clima en los invernaderos ........................................................................................ 24
CAPÍTULO 2 MARCO TEORICO ............................................................................................. 27
2.1 Tipos de invernaderos ............................................................................................... 27
2.1.1 Invernadero tipo plano ....................................................................................... 28
2.1.2 Invernadero tipo raspa y amagado..................................................................... 28
2.1.3 Invernadero tipo túnel ........................................................................................ 29
2.1.4 Invernaderos tipo capilla .................................................................................... 29
2.2 Tipos de biodigestores ............................................................................................... 31
2.2.1 De campana flotante o tipo hindú ...................................................................... 31
2.2.2 De cúpula fija o tipo chino .................................................................................. 31
2.2.3 Biodigestor tubular plástico................................................................................ 32
2.3 Situación actual del biogás. ..................................................................................... 33
5
2.4 Usos de sistemas de biogás ....................................................................................... 34
2.5 Características del biogás .......................................................................................... 38
2.6 Combustión del biogás. ............................................................................................. 38
2.7 Purificación del biogás ............................................................................................... 39
2.7.1 Eliminación del CO2 ............................................................................................. 39
2.7.2 Eliminación del H2S ............................................................................................. 40
2.8 Empresas de inversión de invernaderos en México .................................................. 40
2.8.1 Bionatur .............................................................................................................. 40
2.8.2 Almeriex, AMPUERO e INMEX, ........................................................................... 41
2.8.3 VEGGIE PRIME SAPI de CV .................................................................................. 42
2.9 Parámetros a considerar en un control climático. .................................................... 42
2.9 .1 Temperatura. ..................................................................................................... 43
2.9 .2 Humedad relativa (HR). ..................................................................................... 44
2.9 .3 Iluminación ........................................................................................................ 45
2.9.4 CO2 ...................................................................................................................... 46
2.9.5 PH ........................................................................................................................ 47
2.10 Sistemas de clima para invernaderos ...................................................................... 48
2.10.1 Sistemas de calefacción .................................................................................... 48
2.10.2 Calefacción por agua caliente. .......................................................................... 48
2.10.3 Calefacción por aire caliente ............................................................................ 50
2.11 Combustibles para calefacciones ............................................................................ 51
2.12 Políticas en México en relación al uso de tecnologías de producción de biogás ... 52
2.12.1 Ley general de cambio climático ...................................................................... 54
6
2.13 Controlador Lógico Programable (PLC). .................................................................. 55
2.13.1 Estructura básica de un PLC.............................................................................. 56
2.13.2 Tipos de PLC ...................................................................................................... 57
2.14 Control automático .................................................................................................. 58
2.15 Tipos de control ....................................................................................................... 59
2.15.1 Control de lazo abierto. ................................................................................... 59
2.15.2 Control de lazo cerrado. ................................................................................... 60
2.16 Controladores .......................................................................................................... 62
2.16.1 Control proporcional ........................................................................................ 63
2.16.2 Control integral ................................................................................................. 64
2.16.3 Control derivativo ............................................................................................ 64
2.16.4 Control PI (proporcional Integral) .................................................................... 65
2.16.5 Control PD (proporcional Derivativo) ............................................................... 66
2.16.6 Control PID ........................................................................................................ 67
CAPÍTULO 3 SITUACIÓN ACTUAL ....................................................................................... 69
3.1 Estado actual del invernadero. .................................................................................. 69
3.2 Características de las variables para el sistema climático de acuerdo al método de
cultivo del jitomate .......................................................................................................... 74
3.2.1 Temperatura ....................................................................................................... 76
3.2.2 Humedad relativa. .............................................................................................. 76
3.2.3 Riego del cultivo ................................................................................................. 77
3.2.4 El pH. ................................................................................................................... 77
3.2.5 El CO2 .................................................................................................................. 77
3.2.5 La Iluminación ..................................................................................................... 77
7
3.3 Sistemas auxiliares para el cultivo del invernadero .................................................. 78
3.3.1 Sistema de calefacción y ventilación .................................................................. 78
3.3.2 Sistema de riego ................................................................................................. 78
CAPÍTULO 4 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA PROPUESTO ......................................................... 79
4.1 Plano general del diseño para el invernadero ........................................................... 82
4.2 Medidas y ubicación de componentes para el invernadero ..................................... 84
4.2.1 Medidas de altura de las instalaciones .................................................................. 85
CAPÍTULO 5 DISEÑO DEL SISTEMA ....................................................................................... 90
5.1 Diagrama de flujo del sistema ................................................................................... 90
5.2 Selección de sensores y actuadores para la automatización del invernadero ......... 92
5.2.1 Temperatura ....................................................................................................... 92
5.2.2 Humedad ............................................................................................................ 94
5.2.3 PH ........................................................................................................................ 95
5.2.4 Sensor de CO2 .................................................................................................... 96
5.2.6 Sensor de presión ............................................................................................... 98
5.2.7 Sensor de flama .................................................................................................. 98
5.2.8 Válvula de control del biogás.............................................................................. 99
5.2.9 Quemador ......................................................................................................... 100
5.2.10 Ignitor. ............................................................................................................ 101
5.2.11 Ventiladores. ................................................................................................... 102
5.2.12 Elementos para el sistema de riego ............................................................... 103
5.2.13 Sensor de nivel ................................................................................................ 103
5.3 Análisis de la red eléctrica para el invernadero...................................................... 104
8
5.3.1 Calculo de conductores para la red eléctrica del invernadero ........................ 107
5.3.2 Cálculo de interruptores para la red eléctrica en el CCM. .............................. 109
5.3.3 Cálculo de los interruptores termomagnéticos ................................................ 111
5.4 Determinación del número de entradas y salidas del sistema. .............................. 114
5.5 Selección del PLC ..................................................................................................... 116
5.6 Diseño de la red de comunicación. .......................................................................... 118
5.6.1 Características físicas de la red ......................................................................... 119
5.6.2 Conexiones físicas de la Red Devicenet. ........................................................... 127
5.7 Análisis de la planta. ................................................................................................ 132
5.7.1 Función de transferencia de la planta .............................................................. 135
5.7.2 Función de transferencia de la válvula ............................................................. 136
5.7.3 Diseño del controlador. .................................................................................... 138
5.8 Diagramas de flujo propuestos para la programación de los sistemas del
invernadero .................................................................................................................... 140
5.9 Configuración de la red de comunicación Devicenet. ............................................ 142
5.6.1 Configuración del driver de comunicación. ...................................................... 144
5.6.2 Configuración del rack PLC Rslogix 5561 .......................................................... 145
5.6.3 Configuración de comunicación Devicenet. ..................................................... 147
5.7 Programacion del Sistema de riego ......................................................................... 149
CAPÍTULO 6 ANÁLISIS DE COSTOS ..................................................................................... 151
6.1 Costos relacionados a la construcción de un biodigestor ....................................... 151
6.2 Análisis del costo de producción y consumo del Biogás. ....................................... 152
6.2.1 Comparaciones de uso en gases LP Natural Y Biogás. ...................................... 152
6.3 Inversión en materiales para la automatización del invernadero ........................... 154
9
6.4 Análisis de Gastos anuales para el invernadero. .................................................... 156
6.5 Inversión de vegetales en el cultivo. ....................................................................... 157
6.6 Inversión del Biodigestor y los sistemas de automatización ................................... 158
6.7 Análisis de recuperación de la inversión ................................................................. 158
CAPÍTULO 7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................................................... 162
Anexos ................................................................................................................................ 167
1.1 Diseño de la red Devicenet Del invernadero con el software: Integrated Architecture
Builder ................................................................................................................................. 167
1.2 Documentación del proyecto DEVICENET (Plataformas para el proyecto) ....... 172
INDICE DE TABLAS
Tabla 2.1 Artefactos que usan biogás. ................................................................................ 35
Tabla 2.2 Rellenos sanitarios en México a 2010 con potencial de producir biogás. ........... 37
Tabla 2.3 Características del biogás ..................................................................................... 38
Tabla 2.4 Temperaturas aptas de diferentes especies de verduras ................................... 43
Tabla 2.5 Comparación energética de combustibles .......................................................... 52
Tabla 2.6 Características de ganancias y tiempo de operación en los controladores ....... 68
Tabla 3.1 Rangos de temperatura recomendados en el cultivo del jitomate. ................... 76
Tabla 4.1 Sistemas en el clima del invernadero .................................................................. 80
Tabla 5.1 Distancia de las cargas de los motores ocupados para el invernadero ............. 106
Tabla 5.2 Características físicas del tablero 8HS64 ........................................................... 114
Tabla 5.3 Elementos de función de entrada al PLC ........................................................... 115
Tabla 5.4 Elementos del sistema de control de temperatura. .......................................... 115
Tabla 5.6 Velocidad en los cables (Devicenet) .................................................................. 120
10
Tabla 5.7 Identificación de los colores del cable en conexión .......................................... 121
Tabla 5.8 Conexión para sensores en la red de comunicación. ........................................ 125
Tabla 5.9 Características de los actuadores para la red de comunicación ...................... 127
Tabla 6.1 Consideraciones para construir un Biodigestor ................................................. 151
Tabla 6.2 Comparación de gasto de gas. ........................................................................... 153
Tabla 6.3 Comparación de gastos en diferentes Gases .................................................... 153
Tabla 6.4 Materiales de la Red eléctrica. ........................................................................... 154
Tabla 6.5 Equipos y elemento de los Sistema de Calefacción y Ventilación y Riego. ....... 155
Tabla 6.6 Costos de los Sistema de la Red de comunicación y control ............................. 155
Tabla 6.7 Costo de operación de instalación del sistema automático. ............................. 156
Tabla 6.8 Análisis de recuperación de inversión. .............................................................. 159
Tabla 6.9 Comparación de Gastos en gas en 5 años ....................................................... 160
INDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Foto de invernaderos. ........................................................................................ 22
Figura 2.1 Tipos de techo en invernaderos. ...................................................................... 28
Figura 2.2 Invernadero tipo plano ....................................................................................... 28
Figura 2.3 Invernadero tipo túnel ........................................................................................ 29
Figura 2.4 Invernadero tipo capilla ...................................................................................... 30
Figura 2.5 Invernadero tipo capilla con estructuradiente de sierra .................................... 30
Figura 2.6 Invernadero con techumbre en arco .................................................................. 30
Figura 2.7 Biodigestor de campana flotante ....................................................................... 31
Figura 2.8 Esquema del biodigesgtor de cúpula fija ............................................................ 32
Figura 2.9 Partes físicas del biodigestor de cúpula fija ....................................................... 32
11
Figura 2.10 Estructura del Biodigestor Tubular ................................................................... 33
Figura 2.11 Usos comunes del biogás ................................................................................. 35
Figura 2.12 Marca de empresa Bionatur ............................................................................ 41
Figura 2.13 Marca de empresa Almerimex ......................................................................... 41
Figura 2.14 Marca de empresa Veggie Prime ...................................................................... 42
Figura 2.15 Distribución de calefacción de agua por suelo. ............................................... 50
Figura 2.16 Calefactor instalado en un invernadero. .......................................................... 51
Figura 2.17 Estructura del PLC ............................................................................................. 56
Figura 2.18 PLC compacto ................................................................................................... 57
Figura 2.19 PLC Modular ...................................................................................................... 58
Figura 2.20 Diagrama de bloques de un lazo de control abierto ....................................... 60
Figura 2.21 Diagrama de bloques de control de lazo cerrado. .......................................... 62
Figura 2.22 Diagrama de bloques de un lazo de control cerrado ....................................... 62
Figura 2.23 Controlador proporcional ................................................................................. 63
Figura 2.24 Controlador integral ......................................................................................... 64
Figura 2.25 Controlador derivativo ..................................................................................... 65
Figura 2.26 Controlador Proporcional Integral ................................................................... 66
Figura 2.27 Control Proporcional Derivativo ...................................................................... 66
Figura 2.28 Controlador derivativo. .................................................................................... 67
Figura 3.1 Ubicación del invernadero ................................................................................. 69
Figura 3.2 Foto del invernadero por fuera .......................................................................... 70
Figura 3.3 Foto del invernadero, parte frontal (entrada) .................................................... 70
Figura 3.4 Foto dentro del invernadero .............................................................................. 71
12
Figura 3.5 Foto del invernadero, vista de la estructura ..................................................... 71
Figura 3.6 Foto del invernadero, vista al fondo del invernadero ....................................... 72
Figura 3.7 Medidas del invernadero ancho x largo ............................................................. 72
Figura 3.8 Medidas de altura del invernadero .................................................................... 72
Figura 3.9 Modo de cultivo del invernadero en el cual se enfoca el diseño. ...................... 74
Figura 3.10 Fases de crecimiento del jitomate. ................................................................... 75
Figura 4.2 P-01 Plano general del invernadero. ................................................................. 83
Figura 4.3 Diseño del sistema de calefacción y ducto de aire hacia el invernadero. .......... 84
Figura 4.4 Medidas del conjunto de aire y entradas al invernadero. ................................. 85
Figura 4.5 Medidas de altura del invernadero .................................................................... 86
Figura 4.6 Altura establecida de los componentes. ........................................................... 86
Figura 4.7 Estructura de soportey ventilador ..................................................................... 87
Figura 4.8 Altura de los ventiladores . ................................................................................. 88
Figura 4.9 Ubicación de los sensores dentro del invernadero. .......................................... 88
Figura 4.10 Sistema de riego del invernadero. .................................................................... 89
Figura 5.1 Diagrama de flujo del sistema ............................................................................ 90
Figura 5.2 Diagrama simple de flujo del proceso. .............................................................. 91
Figura 5.3 RTD PT100. .......................................................................................................... 92
Figura 5.4 P-02 Diagrama de Tuberia e Instrumentación del invernadero ........................ 93
Figura 5.5 Anemómetro y diagrama de conexión ............................................................... 94
Figura 5.6 Sensor de humedad y diagrama de conexión. .................................................. 94
Figura 5.7 Sensor de PH. ...................................................................................................... 95
Figura 5.8 Electrodo de medidor de PH. .............................................................................. 96
13
Figura 5.9 Medidor de CO2 y diagrama de conexión. .......................................................... 96
Figura 5.10 Lámpara Smart-e-level uso industrial. .............................................................. 97
Figura 5.11 Características de lámpara Smar e-level .......................................................... 97
Figura 5.12 Medidor de presión y diagrama de conexión. .................................................. 98
Figura 5.13 Sensor de luz y diagrama eléctrico. .................................................................. 99
Figura 5.14 Válvula de control de flujo MN7505A2001. ..................................................... 99
Figura 5.15 Especificaciones del actuador. ........................................................................ 100
Figura 5.16 Quemador adaptado con ventilador. ............................................................. 101
Figura 5.17 Ignitor MaxFire ............................................................................................... 101
Figura 5.18 Ventiladores SCHAEFER Código. VS-24 ....................................................... 102
Figura 5.19 Bomba de agua (Water Pump) y placa de datos. ......................................... 103
Figura 5.20 Sensor de nivel y transmisor LVCN210 cables de configuración .................... 103
Figura 5.21 Distancias de las cargas en los ejes x y. .......................................................... 105
Figura 5.22 Distribución de ventiladores en invernaderos ............................................... 105
Figura 5.23 Ubicación del CCM. ......................................................................................... 107
Figura 5.24 P-03 Plano eléctrico del invernadero. ........................................................... 113
Figura 5.25 Gabinete tablero para control 8HS64 ............................................................. 114
Figura 5.26 Micrologix 1500 .............................................................................................. 116
Figura 5.27 Modos de configuración Devicenet. .............................................................. 119
Figura 5.28 Esquema general de comunicación. ............................................................... 120
Figura 5.29 Esquema de la red derivaciones de los nodos ............................................... 121
Figura 5.30 Armor block de 8 entradas y Características .................................................. 122
Figura 5.31 Características de los módulos Armor Point. ................................................. 123
14
Figura 5.32 Bloque de comunicación Armor Point ............................................................ 124
Figura 5.33 Esquema de la Red de comunicación y módulos. .......................................... 125
Figura 5.34 P-04 Plano de la red de comunicación del invernadero. ................................ 126
Figura 5.35 Arrancador para ventiladores y bombas, conexión electrica. ....................... 128
Figura 5.36 Contactor para ignitores y diagrama de conexión ......................................... 128
Figura 5.37 Conexión T-port e identificación de terminales ........................................... 129
Figura 5.38 Conexión de Resistencia Terminal .................................................................. 129
Figura 5.39 Conexión de los elementos............................................................................. 130
Figura 5.40 Conexión Eléctrica del sensor de luz .............................................................. 131
Figura 5.41 Conexión fisica del sensor de Luz. .................................................................. 132
Figura 5.42 Conexión del sensor RTD PT 100. ................................................................... 132
Figura 5.43 Diagrama de flujo del sistema PLC, Válvula e invernadero. ......................... 133
Figura 5.44 Bloque de transferencia de la válvula ............................................................ 137
Figura 5.45 Diagrama de bloques del control de la planta................................................ 137
Figura 5.46 Diagrama de bloques del control del sistema de calefacción. ....................... 138
Figura 5.47 Diagrama de bloques del sistema de calefacción en Matlab. ........................ 139
Figura 5.48 Grafica de respuesta del controlador. ............................................................ 139
Figura 5.49 Diagrama de flujo del sistema de Humedad. ................................................. 140
Figura 5.50 Diagrama de flujo Calefacción. ....................................................................... 141
Figura 5.51 Diagramas de flujo del sistema de riego e iluminación. ................................ 142
Figura 5.52 Configuracion de Dirección IP de la PC ........................................................... 143
Figura 5.53 Programa para IP del PLC................................................................................ 144
Figura 5.54 Configuración de comunicación entre PC y PLC. ............................................ 145
15
Figura 5.55 Comunicación entre PC y PLC. ........................................................................ 145
Figura 5.56 Configuraciones de los módulos del PLC en el programa. ............................. 146
Figura 5.57 Configuraciones de los módulos del PLC. ....................................................... 147
Figura 5.58 Visualización de los componentes de la red Devicenet ................................. 148
Figura 5.59 Adición de los Módulos de entradas y salidas. ............................................... 148
Figura 5.60 Programa del sistema de riego ....................................................................... 149
Figura 5.61 Programa Del sistema de Riego (continuacion). ............................................ 150
16
RESUMEN
Este trabajo se realizó con el fin de proponer un diseño de automatización para los
principales sistemas de un invernadero ubicado en Cuajimalpa D.F. Anteriormente el
invernadero estuvo en funcionamiento sin equipos automáticos para la producción de
verduras, en el se cultivó aproximadamente solo por un año desde su construcción, para
poder desarrollar la propuesta de diseño fue necesario hacer el levantamiento general del
invernadero, analizar la red eléctrica para la adaptación de equipos digitales y mecánicos,
así mismo se diseñó la propuesta de la red de comunicación Devicenet para la interacción
entre mando de control y actuadores, el combustible propuesto para la generación de
energía calorífica es el biogás que de acuerdo a investigación es menos contaminante que
otros gases y ya que el horticultor tiene su propio biodigestor donde producirá biogás; se
implementó el diseño del sistema de calefacción para el uso de este gas, esto da una
ventaja de no tener que comprar otro combustible para la generación de calor.
La propuesta se desarrolló con el objetivo de reacondicionar y utilizar el invernadero el
cual tiene un área de 495 m2 que actualmente está sin ocuparse y por lo tanto sin
producción, lo que generara una pérdida de material y construcción del bien si no se
readapta para producción.
Se ha propuesto el sistema automático de calefacción de acuerdo a las condiciones
ambientales de la zona, que mayor parte del tiempo es fría y esto propicio principalmente
a dejar de cultivar por afectaciones en los vegetales, como ejemplo se ha diseñado el
sistema para la producción de jitomate tomando en cuenta las variables que conllevan a
su desarrollo. Los resultados que se esperan obtener es aumentar la producción de
verduras en el invernadero en comparación con las que se obtuvieron anteriormente sin
sistema automático, ya que el sistema operaria todo el año sin afectaciones del tiempo
invernal.
17
INRODUCCIÓN
Los sistemas automáticos de climatización en invernaderos se han implementado desde
hace tiempo con el fin de mantener un clima favorable y estable para las plantas que se
deseen cultivar ya sean verduras o vegetales, para lograr el objetivo en un sistema
automático de clima se requiere analizar las características de los invernaderos, ubicación
y factores climáticos de la zona donde se encuentren, así como las características de las
plantas a cultivar, es necesario realizar los proyectos de acuerdo a las normas de
construcción y estándares de operación de equipos. Últimamente se ha hecho auge al
desarrollo de la energía renovable, como el biogás utilizado principalmente en la
generación de electricidad a pequeña escala con máquinas de combustión y utilización en
casa habitación en diferentes partes del mundo, para poder emplear las energías
renovables a gran escala se requiere de investigación y aplicación de tecnologías
avanzadas, lo cual muchas veces no llega a sectores de medianos recursos, sin embargo la
falta de aplicación en estos sectores no debería ser un factor para no implementar
sistemas que ayuden a pequeños y medianos productores.
El presente trabajo está enfocado al acondicionamiento de un sistema de clima que use
biogás como combustible para la energía calorífica, el efecto real que tenga el biogás
sobre las plantas deberá ser evaluando en el proceso de crecimiento de estas, ya que en la
investigación no se han encontrado aplicaciones de biogás como recurso de energía
directo para invernaderos, dependiendo de la materia prima utilizada para generar gas,
se obtienen diferentes residuos que pueden ser tóxicos, la utilización de biogás en el
sistema de calefacción propuesto de acuerdo a investigación es apta para el crecimiento
de las plantas por el bajo residuo tóxico de la combustión del biogás, así mismo la
ocupación de CO2 desprendido de la combustión resulta ser benéfico para las plantas, la
materia prima principal en este proyecto para la generación de biogás serán los residuos
orgánicos de heces animales y desperdicios vegetales obteniendo un gas más limpio que
el producido en los rellenos sanitarios en los cuales existe la descomposición de
diferentes materiales químicos tóxicos.
18
OBJETIVO GENERAL
Realizar la propuesta para automatizar el clima de un invernadero empleando biogás
como combustible, en el sistema de calefacción para reducir costos y contaminación.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Realizar el levantamiento del invernadero
Diseñar la propuesta general para automatizar el invernadero, considerando las
variables de temperatura, humedad, PH, CO2 e iluminación.
Proponer el tipo de control para el clima del invernadero utilizando la variable
temperatura a través del suministro de biogás.
19
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En la actualidad existen diferentes sistemas de calefacción para invernaderos, en los
cuales el proceso para obtener su fuente de calor resulta con altos residuos de CO2
contaminante para el medio ambiente; adquirir los combustibles tiene un costo elevado
para la mayoría de la población de horticultores que desean climatizar sus invernaderos,
debido a esto los invernaderos no industrializados carecen de un sistema de clima
artificial automático, este factor impide tener una producción elevada en hortalizas
anualmente, principalmente en invierno cuando se registran temperaturas que rebasan
las condiciones no favorables para la mayoría de plantas lo cual perjudica directamente la
producción de los horticultores, acondicionando sistemas de calefacción que resulten
redituables en invernaderos se puede producir todo el año obteniendo mejores
beneficios que los que se obtienen sin sistemas de calefacción, comúnmente al dejar
pasar el invierno para producir después, genera una pérdida temporal y descuido de los
invernaderos.
20
JUSTIFICACIÓN
En este trabajo se propone la automatización del clima de un invernadero; usando como
recurso calefactor la quema de combustible biogás producido por la descomposición de
plantas y heces animales, la distribución de calor dentro de la atmosfera del invernadero
se hará por medio de conducción de aire caliente por ductos metálicos, el aire caliente
reconducirá por medio de ventiladores, este proceso se propone con el fin de aprovechar
un recurso poco contaminante para el medio ambiente, otros sistemas de calefacción
como los de resistencia eléctrica, quema de combustibles provenientes del petróleo
como el gas Lp. o diésel para calderas en donde se calienta agua o aire para sistemas
climatizados tienen una generación alta de CO2. Por otra parte el consumo de estos
combustibles genera un costo elevado para los productores de cultivos que tienen pocos
invernaderos, es decir los sistemas en donde se emplea la quema de combustibles
derivados del petróleo para acondicionar climas, son redituables cuando existen un
número considerable de invernaderos de los cuales se obtiene una producción elevada de
verduras.
En este trabajo se busca apoyar a pequeños productores que no cuentan con demasiados
invernaderos y que tienen recursos ganaderos, es por eso que se ha buscado el empleo de
la combustión de biogás como fuente energética para generar calor siendo así un
proyecto redituable para invernaderos independientes generalmente donde se tienen
animales de granja o ganado de los cuales se utilizan las heces para la generación de
biogás, es decir el horticultor adaptara un biodigestor independiente para la producción
de su propio combustible que será utilizado en el sistema de calefacción.
Los costos de producción del biogás son relativamente bajos ya que en este proceso el
factor principal es el tiempo en el cual actúan los agentes anaerobios de descomposición
en las heces, por lo que solo se invierte en el material para la construcción del biodigestor.
Las heces animales principalmente porcinas y vacunas son las que generan mayor metano
que otras; como materia principal para producir biogás se pueden obtener a bajo costo en
las granjas o puede ser un ciclo de reutilización si el productor cuenta con sus propios
animales.
21
Principalmente en los costos a considerar para a la generación del biogás se toma en
cuenta la mano de obra para las labores que conlleva la producción, en el capítulo 6 se
encuentra el análisis de costos relacionados a la producción de biogás siendo más barato
que otros gases.
El sistema de calefacción de aire caliente se propone de acuerdo a las condiciones
climáticas del área donde se pretende implementar; ya que las temperaturas son bajas la
mayor parte del tiempo, la característica de elección sobre los otros sistemas de
calefacción es que se debe tener una respuesta rápida sobre los parámetros de
temperatura, los sistemas de aire caliente resultan ser más rápidos en calentar el
ambiente que los de climatización por medio de vapor de agua ya que en medida que se
comienza a calentar el aire se suministra hacia la atmosfera, sin demora mayor, como
ocurre en los sistemas de calderas de agua los cuales se espera hasta alcanzar el punto de
ebullición del agua para suministrarlo, en estos sistemas se utiliza mayor combustible para
llevar a cabo esta tarea, en los sistemas de aire caliente se utiliza solo el necesario para
estabilizar las condiciones de la atmosfera del invernadero.
Una desventaja de los sistemas de aire caliente sobre los de vapor de agua es que
disminuye más rápido la temperatura una vez que se ha establecido y puede ser no
homogénea al momento de suministrarla, estos problemas se pueden evitar con un
diseño bien analizado empleado para la distribución de aire.
22
CAPÍTULO 1 ANTECEDENTES
1.1 Invernaderos
Los invernaderos dan la posibilidad de cultivar cualquier especie vegetal, dotándola de
condiciones óptimas para su reproducción y crecimiento". Los invernaderos proporcionan
una barrera para las condiciones climatológicas externas logrando condiciones
ambientales diferentes en el interior su ubicación depende del terreno donde se
construyan de acuerdo a las corrientes del viento y la cantidad de luz que puedan recibir,
como se observa en la siguiente figura.
Figura 1.1 Foto de invernaderos.
Además de los factores climatológicos, se puede controlar el acceso de agentes biológicos
y físicos que puedan afectar al adecuado desarrollo de la especie que se encuentra en el
interior del recinto.
Los invernaderos aprovechan el efecto producido por la radiación solar, que al atravesar
un vidrio u otro material traslúcido calienta los objetos que hay dentro, esta utilización de
la radiación solar se le conoce como efecto invernadero, que produce el agua y el dióxido
de carbono al absorber la radiación infrarroja proveniente del sol provocando un aumento
de temperatura dentro de un espacio determinado.
Las ventajas del uso de invernaderos son:
Crean un clima artificial, elevando la temperatura respecto a la del exterior,
23
Protegen a las plantas del frío o calor, acelerando la producción.
Rápido crecimiento y aumento de calidad del cultivo.
Menor consumo de recursos hidrológicos y fertilizantes.
Protección de las condiciones meteorológicas extremas.
Control de clima interno.
Mejor uso del suelo.
Producción fuera de época.
Mejor control de insectos y enfermedades.
Posibilidad de obtener más de un ciclo de cultivo al año.
La utilización de nuevas tecnologías otorga un sin fin de ventajas, pero por otro lado,
también implica inconvenientes o desventajas importantes:
Alta inversión inicial.
Costo de operación.
Requiere personal especializado, de experiencia práctica y conocimientos teóricos.
Los materiales de cubierta para invernadero son elementos plásticos que cubren el cultivo
de las inclemencias climáticas externas, el material con que estén recubiertos los
invernaderos afecta directamente a la cantidad de temperatura que pueda encontrarse
dentro, en el diseño de un sistema de clima se toma en cuenta los tipos de cubiertas en
invernaderos de acuerdo a sus características en resguardo de la temperatura.
Los materiales comunes para cubierta son los siguientes:
Lámina flexible
Polietileno
Copolímero
Policloruro de vinilo
Polipropileno
Placa semirrígida
Policarbonato
24
Poliéster
Polimetracrilato de vinilo
Cristal.
Los primeros invernaderos se construyeron de estructuras de madera y vidrio, los cuales
satisfacían las necesidades de cultivar verduras o plantas, fueron construcciones útiles
pero poco duraderas. La humedad y el calor facilitaban la descomposición rápida de la
madera y en pocos años las instalaciones quedaban arruinadas, con el paso de los años se
desarrollaron nuevos materiales y plásticos que solucionaban el problema de la
durabilidad de los primeros invernaderos; además estos materiales otorgaban nuevas
ventajas en relación al manejo de la temperatura interna en el invernadero. [1]
1.2 Clima en los invernaderos
Para la climatización de los invernaderos, surgió la necesidad de controlar las variables
inmersas en su ambiente, lo que dio lugar a la utilización de componentes electrónicos
que eliminarían el trabajo manual de activación de sistemas de aireación o la ventilación
manual. Inicialmente la electrónica en invernaderos era simple, los primeros sistemas
construidos eran conocidos como ciclos de control independiente; en éstos se empleaba
calefactores, ventiladores, nebulizadores, etc., los cuales eran activados manualmente por
periodos de tiempo, pero al manejar las variables por separado la activación o
desactivación de cada componente mecánico o electrónico afectaba a otras variables.
Cada variable física como la temperatura y humedad depende una de la otra y al tratar de
eliminar o controlar cada variable por separado fue casi imposible. Lo mejor era tratar de
entender la correlación entre cada una de las variables y utilizar un sistema de control que
tratara la temperatura como un elemento único pero que en su control se pudiera usar los
dispositivos mecánicos que afectaran la temperatura y humedad.
Los sistemas comerciales obligaban al horticultor a utilizar elementos mecánicos de
control de temperatura como los termostatos y no elementos que controlaran las
diferentes variables en conjunto. Conforme la electrónica desarrollaba circuitos
25
encapsulados se redujo considerablemente el tamaño de los equipos. Las nuevas
tecnologías utilizan microprocesadores, microcontroladores y otros tipos de dispositivos
que simplifican el diseño e incrementan la confiabilidad, además de reducir el costo y el
tiempo de diseño de los sistemas a implementar.
El primer problema en los sistemas de control de temperatura era el uso de esquemas de
ciclos de control independiente, en estos sólo se activaba un único dispositivo mecánico
o electrónico, se requerían sistemas que controlaran la variable de la temperatura pero no
sólo sistemas que se conformaban con activar/desactivar un sólo tipo de dispositivo
mecánico, esto impedía que el operador se dedicara a otra actividad que no fuera
exclusivamente la de cuidar los valores de temperatura en el interior del invernadero. Lo
que se pretendía era dejar de usar un sistema para la comparación de los niveles de
temperatura, otro sistema para la toma de decisiones al modificar los niveles altos o bajos
de temperatura y un sistema más para activa/desactivar los dispositivos mecánicos. El
segundo problema de los sistemas de control de invernaderos fue el excesivo cableado a
largas distancias. Los típicos sistemas de control tenían la necesidad de contar con una
única unidad central de procesamiento de datos por cada sensor de temperatura, es decir,
cada sensor tenía un cableado hacia la central de datos, pero el principal problema
radicaba en la lejanía entre los sensores y la Unidad Central. Esto agravaba problemas en
el incremento de la sensibilidad a interferencias electromagnéticas, degradación de
señales eléctricas (teniendo que hacer uso de dispositivos como amplificadores y/o
repetidores de señales), mayor mantenimiento de líneas.
Por otra parte, la carencia de una interfaz gráfica para el usuario en el control de
invernaderos es común, ya que no es habitual que los sistemas ofrezcan un interfaz
gráfica, fácil de utilizar para el usuario y que permita la comunicación entre las distintas
partes que conforman el sistema. Esta carencia se puede solventar actualmente gracias al
desarrollo de software que permite controlar las variables del invernadero previamente
programadas.
Es claro que siempre se podrá mejorar el funcionamiento de los sistemas de control
utilizados en invernaderos, sin embargo lo verdaderamente importante es la
26
incorporación de nuevas tecnologías y dispositivos que disminuyan el costo del sistema,
poniendo en entredicho si se justifica el gasto monetario en un sistema de control que
pudiera estar sobrado para la aplicación o que no se cumpla con lo que realmente se
requiere. [1]
27
CAPÍTULO 2 MARCO TEORICO
2.1 Tipos de invernaderos
Los invernaderos tienen diferentes tipos de cubierta (techumbre), para algunas formas del
techo diversamente orientadas se refieren a la radiación luminosa incidente sobre la
superficie del techo y a la que penetra en el interior sobre una superficie paralela al
techo, considerando un índice de 1.5 de refracción del material.
El diseño de armazón del invernadero es una de las partes más importante que los
horticultores deben decidir, ya que implica el gasto más elevando dentro de la inversión
de un negocio que involucre a los invernaderos. El diseño y tipo de estructura define el
potencial del invernadero para ventilarse o la entrada y almacenaje de radiación solar que
finalmente se convierte en un aumento temperatura. La luminosidad y radiación solar son
importantes para aumentar la fotosíntesis de las plantas y elevar la temperatura del
invernadero.
Existe una gran variedad de tipos de invernaderos, algunos de estos cuentan con ventajas
y desventajas importantes al momento de manipular los valores de temperatura. Es
conveniente estudiar los tipos de estructura y en base a ese análisis poder seleccionar el
sistema de control de temperatura idóneo.
Los tipos de invernaderos principalmente varían en cuanto al diseño de su techumbre, de
ahí se tienen ventajas y desventajas de acuerdo al diseño y orientación hacia la luz y
dirección del viento; en la figura 2.1 se aprecia los diferentes tipos de techumbre en
invernaderos y a continuación se describen varios tipos de invernaderos los cuales se
encuentran con mayor número de aplicación por los horticultores.
28
Figura 2.1 Tipos de techo en invernaderos.
2.1.1 Invernadero tipo plano
El invernadero tipo plano suele tener mala ventilación. La instalación de ventanas
cenitales es bastante difícil al igual que su mecanización, debido al excesivo número de
postes, alambres, piedras de anclaje, etc.
Los invernaderos tipo planos pueden ser débiles si se desean instalar componentes
mecánicos en su estructura horizontal ya que no soportaría un dispositivo de gran peso.
Por lo tanto, se deberá considerar la ligereza al momento de diseñar el prototipo para que
pueda ser instalado en este tipo de invernaderos.
Figura 2.2 Invernadero tipo plano
2.1.2 Invernadero tipo raspa y amagado
Su estructura es muy similar al tipo plano pero varía la forma de sostener la cubierta. Se
aumenta la altura del invernadero en la cumbrera (techo), que oscila entre 3 y 4.2m.
Dando espacio a lo que se conoce como raspa, la parte más baja es conocida como
amagado.
29
Se podrían mencionar las mismas desventajas que otorgan los tipos planos, pero el de
raspa y amagado otorga una altura mayor en comparación al tipo plano. La condensación
se llevaría a cabo más arriba del cultivo y el aumento de la altura significaría más espacio
para calentar o enfriar.
2.1.3 Invernadero tipo túnel
Se caracteriza por la forma de su cubierta y por su estructura totalmente metálica. El
empleo de este tipo de invernadero es extendido por su mayor capacidad para el control
de los factores climáticos, su gran resistencia a fuertes vientos y su rapidez de instalación
al ser estructuras prefabricadas.
La ventilación se realiza mediante ventanas cenitales que se abren hacia el exterior del
invernadero y ventanas a sotavento.
Figura 2.3 Invernadero tipo túnel
2.1.4 Invernaderos tipo capilla
En estos invernaderos la ventilación es por ventanas frontales y laterales. Cuando se trata
de estructuras formadas por varias naves unidas provoca la ausencia de ventanas
cenitales dificultando la ventilación. Para resolver este inconveniente se creó la estructura
diente de sierra, otro tipo de invernadero con paredes laterales es el de techumbre
estructurada en arco.
30
Figura 2.4 Invernadero tipo capilla
Figura 2.5 Invernadero tipo capilla con estructuradiente de sierra
Figura 2.6 Invernadero con techumbre en arco
31
2.2 Tipos de biodigestores
2.2.1 De campana flotante o tipo hindú
Principalmente se construían biodigestores con ladrillos, cemento y acero para la
campana que flota sobre el residual del digestor que es donde se almacena el biogás, más
tarde se desarrolló la tecnología KVIC con campana de diversos materiales como: ferro
cemento, fibra de vidrio, polietileno de alta densidad, láminas rígidas de PVC y hasta de
cemento y bambú, esta variante se construye de forma vertical u horizontal y en cuanto a
su uso social y volumen pueden ser individuales o comunales.
Este tipo de biodigestor está compuesto principalmente por una campana de acero que
flota sobre el digestor, a medida que el biogás ejerce presión la misma sube almacenando
el gas producido, además dispone de depósito para la recepción de los residuales y
tuberías de entrada y salida. A diferencia de la campana, el resto de los materiales que se
utilizan en su construcción son materiales convencionales.
Figura 2.7 Biodigestor de campana flotante
2.2.2 De cúpula fija o tipo chino
Se puede construir con diferentes materiales siguiendo un diseño básico en el que el
biogás es colectado en una cúpula fija.
Este biodigestor se compone de un registro de carga, el digestor y un tanque de
compensación para el tratamiento del residual porcino en pequeña y mediana producción,
se construye un cilindro con bloques de hormigón y la cúpula con ladrillos de barro. La
excreta ya tratada y secada al sol en lecho se usa como abono orgánico en las siembras y
el líquido almacenado para el fertirriego.
32
Figura 2.8 Esquema del biodigesgtor de cúpula fija
Figura 2.9 Partes físicas del biodigestor de cúpula fija
2.2.3 Biodigestor tubular plástico
Este tipo de digestor originalmente fue desarrollado en Taiwán, algunas de las ventajas de
los biodigestores plásticos residen en que se pueden construir con materiales locales y no
son sofisticados. Por otra parte la construcción y mantenimiento de estos reactores son
fáciles, rápidas de hacer y sencillas, por lo que no requieren ningún adiestramiento
especial.
Actualmente se fabrican de goma polietileno, o Red-Mud-Plástic (RMP) este material fue
desarrollado en Taiwán y después en China donde ha demostrado sus excelentes
cualidades para ser usado en biodigestores. Este material producido en forma laminar es
una mezcla de lodos rojos residuales de la extracción de la bauxita y contiene PVC,
33
plasticador, estabilizador y otros ingredientes. Al principio los digestores de RMP se
hacían tubulares, más tarde se construyeron en forma de tiendas de campaña. [2]
Figura 2.10 Estructura del Biodigestor Tubular
El Biodigestor tipo bolsa tubular es el que se tiene contemplado emplear en el
invernadero, para producción del biogás.
2.3 Situación actual del biogás.
De acuerdo con un estudio del Instituto de Ingeniería de la UNAM, la ciudad de México
cuenta con el potencial para producir entre uno y dos millones de metros cúbicos de
biogás, cantidad suficiente para generar el 10 % de la energía eléctrica que se consume.
Según el investigador Simón González Martínez, en la capital se producen diariamente 13
mil toneladas de residuos sólidos al día, de los cuales seis mil son material orgánico, por lo
que con un sistema de digestión anaerobia se puede producir el combustible.
A diferencia de México en Europa se han instalado 184 plantas comerciales para la
generación de biogás a partir de residuos sólidos orgánicos urbanos.
Como México es una nación petrolera no se han hecho esfuerzos, a nivel de políticas
públicas por buscar fuentes alternativas de energía, ya que para que la basura pueda
transformarse en fuente de energía se requieren estrategias institucionales.
Por estas circunstancias la Coordinación de Ingeniería Ambiental ha propuesto un
proyecto cuyo objetivo es analizar diferentes procesos o re tratamientos de los residuos
34
del D.F. Para mejorar la capacidad de producción de biogás mediante la digestión
anaerobia.
Otro ejemplo comparativo es que en Alemania ocupan basura de países del tercer mundo
para producir su propia energía eléctrica, y en México que existe basura de sobra no se ha
sabido aprovechar.
Actualmente la Ciudad de México es una de las entidades del país donde ya se pretende
el aprovechamiento de los residuos sólidos para la producción de energía a partir de la
degradación de esta. En la administración de Marcelo Ebrard, el Gobierno del Distrito
Federal presentó a embajadores de Reino Unido y Francia, representantes de España
Japón y Estados Unidos la convocatoria internacional de licitación Bordo Poniente.
Tras un largo proceso de licitación, anunció que la empresa BMLMX Power Company sería
la firma encargada de la captura del biogás del relleno sanitario.
Con el cierre definitivo según estimaciones del gobierno capitalino se dejarán de emitir 1.8
millones de toneladas de bióxido de carbono (CO2) al año y se generarán 58
megawatts/hora. [7]
2.4 Usos de sistemas de biogás
Los biodigestores más utilizados en la agricultura son los de régimen semicontinuo, y su
adaptación es de acuerdo a su principio de funcionamiento.
En la actualidad en México existen zonas donde se produce biogás para consumo en casa
habitación, principalmente es en granjas donde hay ganado que se realiza la producción
de biogás para este fin, otro uso del biogás se ha dado para producir energía eléctrica con
pequeñas plantas generadoras de electricidad las cuales son de sistema de combustión a
gas, comúnmente. [8]
En principio el biogás puede ser utilizado en cualquier tipo de equipo comercial para uso
de gas natural, el siguiente esquema resume las posibles aplicaciones. [10]
35
Figura 2.11 Usos comunes del biogás
En la siguiente tabla se observa un listado de los principales artefactos que utilizan biogás
juntamente a su consumo medio y su eficiencia.
Tabla 2.1 Artefactos que usan biogás.
El biogás puede ser utilizado en motores de combustión interna tanto naftenos como
diésel. El gas obtenido por fermentación tiene un octanaje que oscila entre 100 y 110 lo
cual lo hace muy adecuado para su uso en motores de alta relación volumétrica de
compresión, por otro lado una desventaja es su baja velocidad de encendido.
La proporción de H2S en el biogás causa deterioros en las válvulas de admisión y de escape
de determinados motores obligando a un cambio más frecuente de los aceites lubricantes.
El grado de deterioro en los motores varía considerablemente y los resultados obtenidos
experimentalmente suelen ser diferentes en cada caso.
ARTEFACTO CONSUMO RENDIMIENTO (%)
Quemador de cocina 300 - 600 l/h 50 - 60
Lámpara a mantilla (60W) 120 - 170 l/h 30 - 50
Heladera de 100 L -30 - 75 l/h 20 - 30
ARTEFACTO CONSUMO RENDIMIENTO (%)
Motor a gas 0,5 m3/kWh o HP 25 - 30
quemador de 10 kW 2 m3/h 80 - 90
Infrarrojo de 200 W 30 l/h 95 - 99
Cogenerador 1 kw elect.
0,5 m/kwh.
2kW térmica
hasta 90
36
Los motores a biogás tienen amplio espectro de aplicación siendo los más usuales el
bombeo de agua, el picado de raciones y el funcionamiento de ordeñadoras en el área
rural. Otro uso muy generalizado es el empleo para activar generadores de electricidad.
[10]
En México la producción de biogás por grandes empresas en comparación con Europa y
China entre otros países es realmente baja, Internacionalmente Alemania lidera la
utilización de Biogás, este procede en un 51% de Europa del Oeste (Dinamarca, Holanda,
Noruega y Reino Unido) y un 31% se importa desde Rusia. [4]
En México el manejo y disposición de los residuos sólidos urbanos representa un gran reto
ambiental pues se calcula que apenas el 35% de los rellenos sanitarios bajo supervisión
municipal cumplen con las normas ambientales (principalmente la NOM 083), tanto de
operación como de construcción de un relleno sanitario.
La Norma Oficial Mexicana (NOM) 083 define las especificaciones para la selección del
sitio, diseño, construcción, operación, monitoreo, clausura y obras complementarias de un
sitio de disposición final de residuos sólidos urbanos y de manejo especial. La importancia
de su cumplimiento es vital pues no solo impacta en el tema de la basura o desechos
sólidos, sino también en la salud y en el aprovechamiento o quema del biogás.
En general prevalece el uso de modelos operacionales tecnológicamente rebasados y sin
sustentabilidad. Igualmente son todavía menos los municipios que aprovechan el biogás
para generar otras energías y beneficiarse de su explotación.
Un factor contribuyente a esta realidad es la heterogeneidad de los 2,440 municipios
mexicanos, cada uno de ellos posee condiciones socioeconómicas, culturales y políticas
distintas, además de capacidades institucionales, humanas, técnicas y financieras
diferentes para atender sus respectivos problemas ambientales.
El reto principal muchas veces pasa por la falta de orden operativo, orden organizacional y
de implementar esquemas de trabajo adecuados para administrar de la mejor manera
posible los escasos recursos.
37
En México se generan aproximadamente 34.6 millones de toneladas de basura o 0.92
kg/habitación/día. De este universo el Estado de México y el Distrito Federal producen el
33%.
El tema de la cobertura de recolección de basura (o residuos sólidos) parece ser un reto
menor pues es de casi el 90% más no así en cuanto a la capacidad de disposición final
controlada, pues ésta es menor al 35%. Esto significa que el 65% restante de la basura
suele ir a miles de tiraderos a cielo abierto (muchos ubicados en lugares peligrosos o
inadecuados) y los residuos peligrosos no son separados.
En la tabla 2.2 se enlista lo que se considera son los mejores rellenos sanitarios mexicanos
en la actualidad. Ciertamente en un principio enfrentaron desafíos pero hoy brindan
múltiples beneficios a los habitantes de tales municipios.
Tabla 2.2 Rellenos sanitarios en México a 2010 con potencial de producir biogás.
De la tabla anterior la mayoría de los rellenos sanitarios son operados por empresas
privadas y sólo uno es operado por el Ayuntamiento, no significa que la operación del
relleno sanitario debe concesionarse forzosamente. Esto depende de las características
puntuales existentes en cada municipio. Deben prevalecer en todo caso, reglas claras y
transparencia en todo el proceso. [11]
38
2.5 Características del biogás
El contenido de energía de 1 m3 de biogás (60% CH4 y 40% CO2) es aproximadamente 6
kWh/m3. Esta energía puede ser almacenada en diferentes formas; gas a baja presión,
media o alta, y usarse para obtener agua caliente o energía eléctrica.
Se llama biogás a la mezcla constituida por metano CH4 en una proporción que oscila entre
un 50% a un 70% y dióxido de carbono conteniendo pequeñas proporciones de otros
gases como hidrógeno, nitrógeno y sulfuro de hidrógeno. Sus características se muestran
a continuación.
Tabla 2.3 Características del biogás
CARACTERISTICAS CH4 CO2 H2-H2S OTROS BIOGAS 60/40
Proporciones % Volumen
55-70 27-44 1 3 100
Valor Calorífico MJ/m3 kcal/m3
35,8
8600
-- --
10,8
2581
22
5258
21,5
5140
Ignición % en aire
5-15 -- -- -- 6-12
Temp. ignición en oC 650-750 -- -- -- 650-750
Presión crítica en Mpa. 4,7 7,5 1,2 8,9
Densidad Nominal en g/l 0,7 1,9 0,08 -- 1,2
Densidad relativa 0,55 2,5 0,07 1,2
Inflamabilidad Vol. en % aire
5-15 -- -- --
2.6 Combustión del biogás.
El biogás mezclado con aire puede ser quemado en un amplio espectro de artefactos
descomponiéndose principalmente en CO2 y H2O. La combustión completa sin el exceso
de aire y con oxígeno puro, puede ser representada por las siguientes ecuaciones
químicas.
CH4 + 202 +Δ =CO2 + H2O. …………………………………….……………..(2.1)
H2S + 202+Δ = SO2 + H2O. ………………………………………….………..… (2.2)
CO2 +Δ = CO2. …………………………………………….…….…… (2.3)
39
El requerimiento de aire mínimo sería del 21%, esta cifra debe ser aumentada para lograr
una buena combustión.
La relación aire-gas puede ser ajustada aumentando la presión del aire, incrementando la
apertura de la válvula dosificadora de gas (el biogás requiere de una apertura 2 a 3 veces
mayor a la utilizada por el metano puro y modificando la geometría del paso de aire desde
el exterior).
Debido al contenido de dióxido de carbono, el biogás tiene una velocidad de propagación
de la llama lenta, 43 cm/seg. Y por lo tanto la llama tiende a escaparse de los quemadores.
La presión para un correcto uso del gas oscila entre los 7 y los 20 mbar. Se debe tener
cuidado en este aspecto por la caída de presión.
Para tener un sistema en el cual se reduce la contaminación es importante controlar los
gases que se desprenden de la combustión, aunque en comparación con otros
combustibles este es menor contaminante, sin embargo no deja de arrogar gases tóxicos
al atmosfera.
2.7 Purificación del biogás
Para el uso de biogás como combustible es necesario purificar residuos no convenientes
que se desprenden en la combustión, dependiendo del proceso en el que se utilizara el
biogás se requiere una purificación principalmente de CO2 y H2S
2.7.1 Eliminación del CO2
El dióxido de carbono no tiene ningún poder calorífico y debe ser calentado en la
combustión. Su eliminación no es aconsejable salvo en los casos de almacenaje del biogás
a altas presiones debido a que sería inútil gastar energía de compresión y volumen de
almacenaje de alto costo en un gas que no daría ningún beneficio adicional.
Se pueden utilizar varios sistemas entre los cuales los más difundidos son los que emplean
su disolución en agua a presión y otros que usan mezclas químicas de mayor complejidad.
40
2.7.2 Eliminación del H2S
Determinados equipos requieren que el gas a utilizar se encuentre libre de SO2, debido a
que el mismo combinado con el agua da como resultado ácido sulfhídrico que corroe las
partes vitales de algunas instalaciones.
El método más utilizado es hacer pasar el gas por un filtro que contiene hidróxido de
hierro. El H2S del gas se combina con el hierro formando sulfuro de hierro según la
fórmula descripta más abajo. Esta reacción es reversible y el hidróxido de hierro puede ser
regenerado exponiendo el sulfuro al aire con cuidado debido a que la reacción es
exotérmica, liberando 603 kJ. [10]
2 Fe (OH)3 + 3 H2S Fe2S3 + 6 H2O + 63 kJ. ….…..…… (2.4)
Fe2S3 + 1,5 O2 + 3 H2O2 Fe(OH)3 + 1,5 S2 + 630 Kj. …. (2.5)
Debido a que el biogás en su mayor proporción es metano es conveniente quemarlo
reduciendo así un factor que afecta la atmosfera principalmente, ya que la contribución al
efecto invernadero del CH4, uno de los gases presentes que se generan en los rellenos
sanitarios es 21 veces más contaminante respecto al CO2 (Batool y Chuadhry 2008).[9]
2.8 Empresas de inversión de invernaderos en México
2.8.1 Bionatur
Esta empresa es líder en Latinoamérica en el cultivo de tomates de gran calidad mediante
el método hidropónico, libre de pesticidas.
Los invernaderos de esta empresa se encuentran en Pastejé, en las inmediaciones del
Estado de México, su producción se destina al mercado de EE.UU. Canadá y México.
Dentro de sus invernaderos para tener calidad en sus cultivos de tomates, se controla la
temperatura, humedad y calidad de los nutrientes proporcionados a la planta.
41
El control de temperatura para los cultivos de Bionatur, es principalmente de sistemas
hidropónicos en los cuales se hidratan las plantas por medio de la irrigación de agua a
temperatura apta para los tomates. [9]
Figura 2.12 Marca de empresa Bionatur
2.8.2 Almeriex, AMPUERO e INMEX,
Almeriex fue fundada en Agosto del año 2002, año en el que se comenzó la construcción
de sus instalaciones en el área geográfica de La Laguna, en el municipio de Viesca,
Coahuila; en las cercanías de la ciudad de Torreón, al norte-centro de la República
Mexicana.
Cuenta a la fecha con 90 hectáreas de invernaderos, 35 hectáreas de malla sombra, un
semillero de última generación para la producción de la plántula.
Actualmente cuenta con una producción anual de 20,000 toneladas de tomate bola en sus
dos ciclos de cultivo, y de 4,500 toneladas de tomate roma.
AMPUERO e INMEX, son empresas mexicanas con más de 20 años de experiencia en el
sector agrícola mexicano. [9]
Figura 2.13 Marca de empresa Almerimex
42
2.8.3 VEGGIE PRIME SAPI de CV
Veggie Prime produce tomate redondo (Beefsteak) para distribuidores estadounidenses y
para clientes finales como Costco, Sam’s Club o TraderJoe’s; producción que ya está
vendida al 100%, anteriormente también ha cultivado pimiento dulce, tomates en racimo
y tomate Cherry.
Veggie Prime busca seguir creciendo y encontrar alternativas al mercado norteamericano.
Actualmente está desarrollando canales de distribución que la permitan exportar a Asia;
un mercado que actualmente demanda mucho producto fresco. Japón es uno de los
mercados en los que busca ingresar, aunque la empresa está abierta a ofertas de clientes
de cualquier país.
Las instalaciones de Veigge Prime se encuentran en el estado de Querétaro. [9]
Figura 2.14 Marca de empresa Veggie Prime
2.9 Parámetros a considerar en un control climático.
El control ambiental está basado en manejar de forma adecuada todos aquellos sistemas
instalados en el invernadero: sistema de calefacción, ventilación y los sistemas de control
de las variables atmosféricas dentro del invernadero, así conseguir la mejor respuesta del
cultivo y por tanto mejoras en el rendimiento, precocidad, calidad del producto y calidad
del cultivo.
El desarrollo de los cultivos en sus diferentes fases de crecimiento, está condicionado
principalmente por los siguientes factores ambientales o climáticos (variables):
temperatura, humedad relativa, luz y CO2. Para que las plantas puedan realizar sus
funciones es necesaria la adaptación de estos factores dentro de límites mínimos y
máximos, fuera de los cuales las plantas cesan su metabolismo, pudiendo llegar a la
muerte. La adaptación de un sistema de ventilación es un aspecto general y básico a tener
en cuenta en la construcción de los invernaderos, se debe prever un modo de hacer
43
recircular el aire de la atmosfera dentro y fuera del invernadero, por ejemplo dejar
rendijas que se abren o ventanas es un modo económico de refrigerar un invernadero. La
ventilación regula la humedad del aire y favorece la renovación del dióxido de carbono
necesario para el proceso de fotosíntesis. Los sistemas de ventilación pueden ser
manuales o automatizados. [1]
2.9 .1 Temperatura.
Este es el parámetro más importante a tener en cuenta en el manejo del ambiente dentro
de un invernadero, ya que es el que más influye en el crecimiento y desarrollo de las
plantas. Normalmente la temperatura óptima para las plantas se encuentra entre los 10 y
27oC. Para el manejo de la temperatura es importante conocer las necesidades y
limitaciones de la especie cultivada. Así mismo se deben aclarar los siguientes conceptos
de temperaturas, que indican los valores objetivos a tener en cuenta para el buen
funcionamiento del cultivo y sus limitaciones:
Temperatura mínima letal: Aquella por debajo de la cual se producen daños en la planta.
Temperaturas máximas y mínimas biológicas: Indican valores por encima o por debajo
respectivamente del cual, no es posible que la planta alcance una determinada fase
vegetativa, como floración, fructificación, etc.
Temperaturas nocturnas y diurnas: Indican los valores aconsejados para un correcto
desarrollo de la planta.
En la tabla 2.4 se observan la exigencia de temperaturas mínimas y máximas a que se
pueden adaptar diferentes tipos de verduras.
Tabla 2.4 Temperaturas aptas de diferentes especies de verduras
Temperaturas ºC TOMATE PIMIENTO BERENJENA PEPINO MELÓN SANDÍA
Mínima letal 0-2 (-1) 0 (-1) 0-1 0
Mínima biológica 10-12 10-12 10-12 10-12 13-15 11-13
Optima 13-16 16-18 17-22 18-18 18-21 17-20
Máxima biológica 21-28 23-27 22-27 20-25 25-30 23-28
Máxima letal 33-38 33-35 43-53 31-35 33-37 33-37
44
La temperatura en el interior de un invernadero sin clima artificial está en función de la
radiación solar, comprendida en una banda entre 200 y 4000 mm, la misión principal del
invernadero será la de acumular calor durante las épocas invernales. El calentamiento
dentro del invernadero se produce cuando el infrarrojo largo, procedente de la radiación
que pasa a través del material de cubierta, se transforma en calor, esta radiación es
absorbida por las plantas, los materiales de la estructura y el suelo, como consecuencia de
esta absorción, éstos emiten radiación de longitud más larga que, tras pasar por el
obstáculo que representa la cubierta se emite radiación hacia el exterior y hacia el
interior, calentando el invernadero.
El calor se transmite en el interior del invernadero por irradiación, conducción, infiltración
y por convección, tanto calentando como enfriando. La conducción es producida por el
movimiento de calor a través de los materiales de cubierta del invernadero. La convección
tiene lugar por el movimiento del calor por las plantas, el suelo y la estructura del
invernadero. La infiltración se debe al intercambio de calor del interior del invernadero y
el aire frío del exterior a través de las juntas de la estructura. La radiación, por el
movimiento del calor a través del espacio transparente.
2.9 .2 Humedad relativa (HR).
La humedad es la masa de agua en unidad de volumen, o en unidad de masa de aire, la
humedad relativa es la cantidad de agua contenida en el aire, existe una relación inversa
de la temperatura con la humedad por lo que a elevadas temperaturas, aumenta la
capacidad de contener vapor de agua y por tanto disminuye la HR. Con temperaturas
bajas, el contenido en HR aumenta.
Cada especie tiene una humedad ambiental idónea para vegetar en perfectas condiciones:
el tomate (rojo y verde), el pimiento y berenjena son estables con una HR sobre el 50-
60%; el melón, entre el 60-70%; el calabacín, entre el 65-80% y el pepino entre el 70-90%.
La HR del aire es un factor climático que puede modificar el rendimiento final de los
cultivos, cuando la HR es excesiva las plantas reducen la transpiración y disminuyen su
45
crecimiento, se producen abortos florales por apelmazamiento del polen y un mayor
desarrollo de enfermedades criptogámicas. Por el contrario, si es muy baja, las plantas
transpiran en exceso, pudiendo deshidratarse, además de los comunes problemas de mal
cuaje, para que la HR se encuentre entre lo más óptimo el agricultor debe ayudarse del
higrómetro (medidor HR). El exceso puede reducirse mediante ventilado, aumento de la
temperatura y evitando el exceso de humedad en el suelo. La falta puede corregirse con
riegos, llenando canalillas o balsetas de agua, atomizando agua en el ambiente, ventilado
y sombreado. La ventilación se puede realizar en forma natural o forzándola, siendo la
ventilación natural la más utilizada y económica. En algunos casos se ventila solamente
con la entrada de aire por ventanas laterales, mientras que en otros se usa la entrada de
aire por las ventanas cenitales ubicadas en la techumbre de la construcción.
2.9 .3 Iluminación
A mayor luminosidad en el interior del invernadero se debe aumentar la temperatura, la
HR y el CO2, para que la fotosíntesis sea máxima, por el contrario, si hay poca luz pueden
descender las necesidades de otros factores, para mejorar la luminosidad natural se usan
los siguientes medios:
Materiales de cubierta con buena transparencia.
Orientación adecuada del invernadero a la luz.
Materiales que reduzcan el mínimo las sombras interiores.
Aumento del ángulo de incidencia de las radiaciones sobre las cubiertas.
Acolchados del suelo con plástico blanco.
En verano para reducir la luminosidad se emplean:
Blanqueo de cubiertas.
Mallas de sombreo.
Acolchados de plástico negro.
Es interesante destacar el uso del blanqueo ya que esta labor está en función del
desarrollo del cultivo y de las temperaturas, y tiene efectos contradictorios que hay que
conocer para hacer un correcto uso. Hay que saber que la planta sombreada se ahíla y se
46
producen abortos de flores en determinadas especies sensibles a la luz (especialmente
tomate, pimiento y berenjena), por lo que el manejo del riego y de la solución nutritiva
tiene que ir unida al efecto que produce el blanqueo, los plásticos sucios o envejecidos
provocan el mismo efecto que el blanqueo.
2.9.4 CO2
El anhídrido carbónico de la atmósfera es la materia prima imprescindible de la función
clorofílica de las plantas. El enriquecimiento de la atmósfera del invernadero con CO2, es
muy interesante en muchos cultivos, tanto en hortalizas como en flores.
La concentración normal de CO2 en la atmósfera es del 0,03%. Este índice debe
aumentarse a límites de 0,1 - 0,2%, cuando los demás factores de la producción vegetal
sean óptimos, si se desea el aprovechamiento al máximo de la actividad fotosintética de
las plantas, las concentraciones superiores al 0,3% resultan tóxicas para los cultivos.
En los invernaderos que no se aplique anhídrido carbónico, la concentración de este gas es
muy variable a lo largo del día alcanza el máximo de la concentración al final de la noche y
el mínimo a las horas de máxima luz que coinciden con el mediodía. En un invernadero
cerrado por la noche, antes de que se inicie la ventilación por la mañana, la concentración
de CO2 puede llegar a límites mínimos de 0,005-0,01%, que los vegetales no pueden
tomarlo y la fotosíntesis es nula. En el caso que el invernadero esté cerrado durante todo
el día, en épocas demasiado frías, esa concentración mínima sigue disminuyendo y los
vegetales se encuentran en situación de extrema necesidad en CO2para poder realizar la
fotosíntesis.
Los niveles aconsejados de CO2 dependen de la especie o variedad cultivada, de la
radiación solar, de la ventilación, de la temperatura y de la humedad. El óptimo de
asimilación está entre los 18 y 23oC de temperatura, descendiendo por encima de los 23-
24oC. Respecto a la luminosidad y humedad, cada especie vegetal tiene un óptimo
distinto.
El efecto que produce la fertilización con CO2 sobre los cultivos hortícolas, es el de
aumento de la precocidad de aproximadamente un 20% y aumento de los rendimientos
47
en un 25-30%, mejora la calidad del cultivo así como la de su cosecha.
Sin embargo, no se puede hablar de una buena actividad fotosintética sin una óptima
luminosidad. La luz es factor limitante, y así, la tasa de absorción de CO2es proporcional a
la cantidad de luz recibida, además de depender también de la propia concentración de
CO2 disponible en la atmósfera de la planta. Se puede decir que el periodo más importante
para el enriquecimiento carbónico es el mediodía, ya que es la parte del día en que se dan
las máximas condiciones de luminosidad natural. [15]
2.9.5 PH
Para controlar un pH es necesaria la medida del ion de hidrógeno, el cual está en una
escala de 0 (ácido) a 14 (básico), y se considera el 7 como medida neutral. En los
invernaderos el pH ideal está en un rango de 5.4 a 6.8
Por otra parte, existe la idea de que el pH del agua influye en el pH del sustrato, cuando en
realidad lo que influye en aumentar el pH del sustrato es la alcalinidad del agua. No
obstante, cuando el pH del agua esté por arriba de 7.2 es señal de que la alcalinidad se
encuentra por encima del rango óptimo.
Los elementos que determinan la alcalinidad del agua son principalmente los bicarbonatos
de calcio, magnesio y sodio; aunque algunos laboratorios prefieren medir los carbonatos
de calcio y magnesio y sumarlos con los bicarbonatos para determinar la alcalinidad en
partes por millón (ppm) o miligramos por litro (mg/L).
Los cultivos de ciclo más largo, o aquellos que son tolerantes a rangos bajos de pH (menos
de 5), podrían verse afectados por la acumulación de bicarbonatos que aportan las aguas
alcalinas.
Para corregir la elevada alcalinidad del agua se pueden utilizar fertilizantes de base ácida,
o bien inyectar ácido fosfórico (75-85%) en la solución nutritiva. También se puede utilizar
ácido sulfúrico en baja concentración (35-50%). Irónicamente, cuando el agua presente
baja alcalinidad, se deberá tener cuidado al utilizar fertilizantes de reacción ácida, ya que
podrían presentarse problemas al reducirse demasiado el pH. En estos casos habría que
agregar roca caliza en el sustrato, bicarbonatos, y utilizar fertilizantes de reacción básica.
48
Cuando se utilizan sistemas de ósmosis inversa, al neutralizar los bicarbonatos y reducir la
alcalinidad será conveniente mezclar el agua tratada de la ósmosis (80%) con agua no
tratada (20%) para aportar el rango óptimo de bicarbonatos a la solución de riego.
Para controlar el PH se usan instrumentos de medición de este parámetro, esto ayuda al
horticultor a tomar acciones sobre los niveles alcalinos que pudieran tener efectos sobre
el cultivo. [14]
2.10 Sistemas de clima para invernaderos
2.10.1 Sistemas de calefacción
El calor cedido por la calefacción puede ser aportado al invernadero básicamente por
convección o por conducción. Por convección al calentar el aire del invernadero y por
conducción se localiza la distribución del calor a nivel del cultivo.
Los diferentes sistemas de calefacción aérea o de convección más utilizados son:
Tuberías aéreas de agua caliente.
Aerotermos.
Generadores de aire caliente.
Generadores y distribución del aire en mangas de polietileno.
Los sistemas de distribución de calor por conducción se basan en tuberías de agua
caliente, las diferencias entre ellos se encuentran en la temperatura del agua y su
localización que es:
Suelo a nivel de cultivo.
Tuberías enterradas.
Banquetas.
2.10.2 Calefacción por agua caliente.
Es el sistema de calefacción aérea más tradicional y se basa en la circulación de agua
caliente o vapor procedente de un foco calorífico (caldera, bomba de calor, etc.) por una
red de tuberías. En la caldera el agua se calienta a 80-90oC y las tuberías se colocan a unos
49
10 cm sobre el suelo, que pueden ser fijas o móviles. Los sistemas antiguos tenían las
tuberías colgadas del techo lo que incrementaba los costos energéticos.
La distribución del calor dentro del invernadero por el sistema de calefacción central por
agua caliente se puede hacer de dos formas diferentes:
Por termofusión, con tubos de diámetro grande, con una ligera pendiente
unidescendiente.
Por impulsión de bombas o aceleradores con tubería de diámetro menor y una
temperatura en el agua de retorno más elevada que en el caso anterior.
Las características del sistema de calefacción del suelo por agua caliente que más
destacan, son:
Al estar el calor aplicado en la base, la temperatura del aire del invernadero es
mucho más uniforme en comparación con la calefacción tradicional por tubo
caliente colgado del techo.
Para calentar el suelo se puede utilizar agua entre 30 y 40o C y por tanto es una
forma de aplicación de energías alternativas como la geotérmica, calor residual
industrial y solar a baja temperatura.
Los costos de bombeo de agua son mayores, debido a que la caída de temperatura
del agua de calefacción en el invernadero es menor en los sistemas a baja
temperatura, se precisa bombera mayor cantidad de agua para ceder la misma
cantidad de calor.
Se pueden usar materiales económicos como el polietileno en lugar de tuberías
más caras de acero o aluminio.
Sus costos de instalación son elevados.
En la figura 2.15 se observa un sistema de calefacción de agua el cual se encuentra
distribuido en el suelo del invernadero por tubería.
50
Figura 2.15 Distribución de calefacción de agua por suelo.
2.10.3 Calefacción por aire caliente.
En este caso se emplea aire para elevar la temperatura de los invernaderos. La calefacción
por aire caliente consiste en hacer pasar aire a través de focos caloríficos y luego
impulsarlo dentro de la atmósfera del invernadero, existen dos sistemas:
Generadores de combustión directa: Un ventilador lanza una corriente de aire al
interior de la cámara de combustión del generador, con lo que en su salida el aire
ya caliente arrastra consigo gases de la combustión, que pueden crear problemas
de fitotoxicidad debido a sus componentes azufrados.
Generadores con intercambiador de calor: La corriente de aire no pasa
directamente a través de la cámara de combustión, sino que se calienta
atravesando una cámara de intercambio, por otra parte la cámara de combustión
elimina los gases que se producen en ella a través de una chimenea.
Los generadores de aire caliente pueden instalarse dentro o fuera del invernadero, si
están fuera el aire caliente se lleva hasta intercambiadores que están establecidos dentro
del invernadero. Cuando los generadores están colocados dentro del invernadero, los
ventiladores aspiran el aire del invernadero por una parte del aparato, donde se calienta y
es expulsado directamente a la atmósfera del invernadero. También puede distribuirse
por medio de tubos de plástico perforado, que recorren en todas las direcciones el
invernadero.
En el caso de que el generador de calor esté en el exterior, el aire del invernadero es
retornado al generador con la ayuda de unos conductos termoaislantes, donde se calienta
y es impulsado de nuevo por medio de otros conductos.
51
Normalmente el combustible empleado es gasoil o propano, y los equipos están dotados
de un sistema eléctrico de encendido con accionamiento a través de un termostato.
En la figura 2.16 se muestra un sistema de calefacción de aire caliente instalado dentro de
un invernadero
Figura 2.16 Calefactor instalado en un invernadero.
Los sistemas de calefacción por aire caliente tienen la ventaja de menor inversión
económica y mayor versatilidad al poder usarse como sistema de ventilación, con el
consiguiente beneficio para el control de enfermedades. Como inconvenientes pueden
citar los siguientes:
Son más complejos en la distribución del calor, creando a veces turbulencias internas que
ocasionan pérdidas caloríficas (menor inercia térmica y uniformidad).
Disminución rápida de temperatura. [15]
2.11 Combustibles para calefacciones
La elección del combustible puede condicionar la del sistema de calefacción y su
rentabilidad. Entre los combustibles gaseosos, propano y gas natural son los más
utilizados. Los combustibles que llegan a ser utilizados para calderas son gasoil y fueloil,
aunque este último, por su alta contaminación, no se recomienda.
Los gases procedentes de la combustión de gasoil y fueloil contienen niveles de impurezas
que hacen no aconsejable su incorporación al invernadero, mientras que los procedentes
de propano y gas natural pueden ser introducidos (el CO2 es un subproducto de la
52
combustión que se utiliza para enriquecimiento carbónico) siempre que se mantenga
dentro de los niveles recomendados (especialmente para CO, CO2 y NO).
Los sistemas que utilizan combustibles líquidos requieren mayor mantenimiento debido a
la suciedad que genera su combustión en los quemadores, factor a tener presente en su
evaluación económica, junto al valor del Poder Calorífico Inferior (PCI) de cada
combustible (energía aportada por cada kilogramo). [ 16 ]
La Secretaría de Energía (SENER) considera que existe un potencial de 3000 MW para la
generación de energía eléctrica a través de biogás proveniente de la recuperación y
aprovechamiento del metano (SENER, 2010); éste último es producto de la
descomposición de los residuos animales, residuos sólidos urbanos (RSU) y el tratamiento
de aguas negras. Dado el valor calorífico del biogás, el cual es de 23 MJ/kg (Lombardi et
al., 2009) (Tabla 2.5) sus principales usos en México están relacionados con la generación
de electricidad y calor. [13]
Tabla 2.5 Comparación energética de combustibles
Combustible Valor Calorífico Aproximado Factor de emisión indirecto
(kg CO2e/GJ, CV neto)
Petróleo 45.21 MJ/kg 12.51
Gas Natural 36 MJ/m3 5.55
Gas Natural Licuado 55.14 MJ/kg 20.00
Keroseno 43.12 MJ/kg 13.34
Diésel 44.79 MJ/kg 13.13
Biogás 23 MJ/m3 0.246 b b emisión directa CO2, (factor de emisión, gramos CO2 en Kwh)
2.12 Políticas en México en relación al uso de tecnologías de producción de biogás
El biogás es una fuente de energía renovable que al ser aprovechada reduce las emisiones
de gases invernaderos apoyando las estrategias nacionales de mitigación y adaptación al
cambio climático. Las afectaciones del cambio climático provocadas por el aumento de las
emisiones de gases de efecto invernadero son evidentes a nivel mundial y por supuesto en
53
México, esta situación ha motivado al establecimiento de políticas nacionales que
promuevan acciones eficaces de mitigación y adaptación ante el cambio climático global.
Las políticas públicas en materia de cambio climático que se han promovido en México
van dirigidas a la implementación de acciones concretas a través de los diferentes órdenes
de gobierno para la mitigación y adaptación al cambio climático.
En el Programa Nacional de Desarrollo efectuado en 2007-2012 se planteó el objetivo de
“asegurar la sustentabilidad ambiental mediante la participación responsable de los
mexicanos en el cuidado, la protección, la preservación y el aprovechamiento racional de
la riqueza natural del país, logrando así afianzar el desarrollo económico y social sin
comprometer el patrimonio natural y la calidad de vida de las generaciones futuras”.
En base a lo anterior, se estableció la Estrategia Nacional de Cambio Climático (ENCC) para
dar cumplimiento a los compromisos suscritos por México en la Convención Marco de las
Naciones Unidas sobre Cambio Climático (CMNUCC), junto con los demás instrumentos
derivados con ellas, particularmente el protocolo de Kioto.
Dicha estrategia tiene como objetivo la identificación de las oportunidades para llevar a
cabo acciones de mitigación y de adaptación ante el cambio climático. Dentro de sus
propuestas está el realizar estudios necesarios para identificar la vulnerabilidad de
sectores y áreas de competencia que permitan llevar a cabo proyectos para la mitigación y
adaptación al cambio climático en donde se incluyen los de producción de biogás.
En el marco de esta estrategia y en sinergia con otras dependencias, la Secretaría de
Agricultura, Ganadería, Pesca y Desarrollo Rural (SAGARPA) ha emprendido un Programa
de Apoyo a los Agro-negocios y Fuentes de Energía Renovable para dar cumplimiento a los
compromisos que México firmó, derivados del Protocolo de Kioto.
Las líneas de acción que tienen relación con la producción de biogás son:
• Disminución de la utilización de combustibles fósiles en la generación de energía, por
sustitución parcial y progresiva por fuentes de energía renovable.
• Generación de electricidad mediante fuentes de energía renovable para la interconexión
a la red convencional.
54
En este sentido, el Programa Sectorial del Medio Ambiente y Recursos Naturales 2007-
2012, reconoce la importancia de la sustentabilidad ambiental para el desarrollo del país.
Por lo que se han articulado estrategias productivas para la promoción de proyectos con
tendencia a la producción de bioenergéticos. Una de estas estrategias se encuentra
establecida en el programa sectorial de Desarrollo Agropecuario y Pesquero 2007-2012.
[13]
2.12.1 Ley general de cambio climático
La Ley General de Cambio Climático (LGCC, 2012) busca garantizar el derecho a un
ambiente sano y regular las emisiones de gases y compuestos de efecto invernadero.
Busca promover políticas e incentivos para reducir las emisiones de dióxido de carbono y
el uso de combustibles de origen fósil y para impulsar las energías renovables. Establece
además el compromiso de reducir paulatinamente la emisión de gases de efecto
invernadero y sancionar a las empresas contaminantes. Lo anterior es muy importante
para la generación de biogás por tener en el país un sector rural que, sobre todo en el
sector ganadero es emisor de contaminaciones por gases de invernadero a través de la
generación de metano, lo que brinda un área de oportunidad para reducir la
contaminación ambiental y utilizar un recurso energético que presenta características de
sustenibilidad desde el punto de vista ecológico, económico y social.
En un escenario de bajas emisiones de carbono, para el año 2050, las bioenergías en
conjunto con otras fuentes de energía renovable podrían mitigar al menos el 14% de
emisiones de gases de invernadero en el planeta. De estas bioenergías y a pesar de estar
limitada a una actividad regional, la producción de biogás ocupa un lugar importante por
tener un desarrollo aplicable de manera comercial y una relación beneficio/costo
favorable a largo plazo.
La producción de biogás presenta muchas ventajas con base en su alta relación
beneficio/costo y sustentabilidad ambiental, lo que permite justificar los esquemas de
apoyo para su implementación mediante estímulos fiscales, fondos gubernamentales y la
55
venta de bonos verdes. Estas características permiten visualizar el área de producción de
biogás como de gran potencial para nuestro país.
La emisión de gases de efecto invernadero del biogás son menores en comparación con
otros combustibles. Investigaciones plantean que el biogás empleado como combustible
en los vehículos produce 80% menos Óxido Nitroso (N2O) a comparación con el diésel,
además de menos emisiones de partículas (Energy Saving Trust, 2008).
En el sector ganadero mexicano el empleo del biogás para la producción de energía
eléctrica no es la excepción. Usar excretas para producir biogás juega un rol pivote en la
integración de las granjas ganaderas, reduciendo el riesgo a la salud, facilitando el control
de la contaminación y al mismo tiempo añadiendo valor agregado a los subproductos. [13]
2.13 Controlador Lógico Programable (PLC).
Un PLC (Programable Logic Controller) o Controlador Lógico Programable es un dispositivo
que puede ser programado para cumplir ciertas tareas de control en sistemas automáticos
a nivel industrial. Algunos son pequeños y están diseñados para tareas sencillas, otros son
más grandes y además modulares, los cuales constan básicamente de una serie de
elementos con los que se ensambla el equipo de acuerdo a las necesidades, esos módulos
pueden ser de entrada, de salida unidades centrales de proceso (CPU) o de aplicación
específica. Los PLC son muy utilizados para controlar máquinas que deben seguir
procesos secuenciales a nivel industrial, tales como el empaque de productos, control de
motores monitoreo de sensores, monitoreo y control de una planta completa, etc. Su
elección depende del tipo de proceso a automatizar, así como de la cantidad de entradas y
salidas para monitorear todos los sensores y operar todos los actuadores del sistema.
Una vez realizado el programa, se carga al PLC a través de un tipo de software diseñado
para tal fin, por medio de una PC común y corriente, o por medio de una terminal de
mando HHP (handheldprogramming).
Cualquier proceso que involucre transiciones eléctricas, es decir, encendido o apagado de
ciertas maquinas con una secuencia lógica, o bien, la lectura de ciertas variables
analógicas o el control de determinados sistemas analógicos, puede ser llevado a un PLC
56
como una solución para que tal proceso se ejecute de manera automática.
Aparentemente el control de diversos elementos como solenoides, relevadores,
contactores y válvulas neumáticas es sencillo y podría hacerse por medio de lógica
alambrada y temporizadores, sin embargo la realidad es distinta cuando la cantidad de
sensores y dispositivos a controlar pasa de cierto número, ya que se complica el diseño de
su sistema al igual que el de su cableado.
Un PLC está diseñado para trabajar en ambientes industriales con blindajes especiales,
con el objeto de no dejarse afectar por perturbaciones eléctricas que ocurren
constantemente debido a los transitorios generados por el constante entrar y salir de las
cargas como, motores, relevadores, válvulas, lámparas, etc.
2.13.1 Estructura básica de un PLC.
En su entorno físico, los PLC modulares están formados por un gabinete o RACK que aloja
a una serie de módulos que deben de ser insertados con el fin de ensamblar el equipo
específico para determinada aplicación.
Entre los módulos que se insertan en el rack se consideran obligatorios la fuente de poder
(POWER SUPPLY) y el CPU, ya que sin estos el PLC no podría procesar ningún tipo de
información.
Figura 2.17 Estructura del PLC
Por ejemplo si lo que se desea es un sistema de control digital básico, se debe agregar un
módulo de entradas digitales y un módulo de salidas digitales. Así mismo si se desea un
57
sistema de control analógico se debe agregar módulos de entradas analógicas y módulos
de salidas analógicas todo depende de la aplicación que se esté diseñando.
Por otra parte, a nivel lógico un PLC está compuesto por una serie de variables que
representan entradas y salidas a nivel de programa (bobinas virtuales), es decir no existen
físicamente pero sirven para procesar y permitir la programación de la secuencia que el
PLC debe ejecutar, así mismo se puede encontrar temporizadores, contadores,
almacenamiento de datos, etc. Todos a nivel lógico.
2.13.2 Tipos de PLC
Generalmente hay dos tipos de PLC; compactos y modulares, los compactos son aquellos
que en un solo bloque se encuentran la CPU, la fuente de alimentación, la sección de
entradas y salidas, y el puerto de comunicación, este tipo de PLC se utiliza cuando el
proceso a controlar no es demasiado complejo y no se requiere de un gran número de
entradas y/o salidas o de algún módulo especial. En la figura 2.18 se observa este tipo de
PLC así como las partes que lo componen.
Figura 2.18 PLC compacto
58
Los PLC Modulares se divide en:
Estructura Americana: En la cual se separan los módulos de entrada/salida del
resto del PLC.
Estructura Europea: Cada módulo realiza una función específica; es decir, un
módulo es el CPU, otro la fuente de alimentación, etc.
En ambos casos, se tiene la posibilidad de fijar los distintos módulos (Estructura Modular)
o el PLC (Estructura Compacta) en rieles normalizados.
Figura 2.19 PLC Modular
2.14 Control automático
El control automático de procesos se usa fundamentalmente porque reduce el costo de
los procesos industriales, lo que compensa la inversión en equipo de control, además hay
ganancias intangibles, como la eliminación de mano de obra pasiva, la cual provoca una
demanda equivalente de trabajo especializado, la eliminación de errores es otra
contribución positiva del uso del control automático.
El principio del control automático se basa en empleo de una realimentación o medición
para accionar un mecanismo de control. El mismo principio del control automático se usa
59
en diversos campos, como control de procesos químicos y del petróleo, control de hornos
en la fabricación del acero, control de máquinas y herramientas etc. [18]
2.15 Tipos de control
Lazos o circuitos de control: Se definen como: “el conjunto de instrumentos que
interconectados entre sí, pueden medir y controlar una variable de proceso”. Cada uno de
estos lazos de control internamente recibe y crea disturbios hacia otros lazos de control
con los que interactúa y que determinantemente afectan a la variable de proceso.
Para reducir los efectos de los disturbios, los elementos primarios (sensores) y los
transmisores recolectan la información de la variable de proceso, enviándola hacia un
instrumento receptor (controlador, indicador o alarma) para procesar esta información y
su relación con un valor deseado (punto de ajuste) para decidir qué hacer y conseguir que
la variable de proceso regrese a donde se encontraba antes de que se originaran los
disturbios. Cuando todas las mediciones, comparaciones y cálculos se han realizado, algún
elemento final de control deberá implementar la estrategia seleccionada por el
controlador. [18]
En general los lazos de control se dividen en dos tipos:
Control de lazo abierto
Control de lazo cerrado
2.15.1 Control de lazo abierto.
En este sistema actúa el proceso sobre la señal de entrada y da como resultado una señal
de salida independiente a la señal de entrada, pero basada en la primera. Esto significa
que no hay retroalimentación hacia el controlador para que éste pueda ajustar la acción
de control. Es decir, la señal de salida no se convierte en señal de entrada para el
controlador, por tal motivo no existe control directo sobre la variable.
Estos sistemas se caracterizan por:
Ser sencillos y de fácil concepto.
Nada asegura su estabilidad ante una perturbación.
60
La medición de la salida no es retroalimentada continuamente a la entrada.
Ser afectado por las perturbaciones. Éstas pueden ser tangibles o intangibles.
La precisión depende de la previa calibración del sistema.
Bajo costo y poco mantenimiento
Figura 2.20 Diagrama de bloques de un lazo de control abierto
Debido a lo anteriormente descrito, es necesario que los operadores, estén pendientes de
cualquier disturbio que ocurra en el proceso para poder intervenir con oportunidad y
directamente sobre la variable de proceso que se está controlando. Puede decirse
entonces que el operador manipula directamente la variable de proceso, a través del
elemento final de control. [18]
Las partes fundamentales de este tipo de lazos son:
Elemento primario
Transmisor (también llamado elemento secundario)
Receptor (indicador, alarma, registrador, etc.)
Operador
Elemento final de control
Proceso
2.15.2 Control de lazo cerrado.
Son los sistemas en los que la acción de control está en función de la señal de salida. Los
sistemas de circuito cerrado usan la retroalimentación desde un resultado final para
ajustar la acción de control en consecuencia. El control en lazo cerrado es imprescindible
cuando se da alguna de las siguientes circunstancias:
61
Cuando un proceso no es posible de regular por el hombre.
Una producción a gran escala que exige grandes instalaciones y el hombre no es
capaz de manejar.
Vigilar un proceso es especialmente duro en algunos casos y requiere una atención
que el hombre puede perder fácilmente por cansancio o distracción, con los
consiguientes riesgos que ello pueda ocasionar al trabajador y al proceso.
Sus características son:
Ser complejos, pero amplios en cantidad de parámetros.
La medición de la salida es retroalimentada continuamente a la entrada.
Ser más estable a perturbaciones y variaciones internas.
Reduce los riesgos en general.
Permite actuar más rápida y oportunamente en condiciones de emergencia.
El control puede estar centralizado en un solo cuarto de control.
En este tipo de lazos, la interconexión de los componentes para el control del proceso es
tal que la información con respecto a la variable de proceso es continuamente
retroalimentada al controlador para compararla con el punto de ajuste y proveer así
correcciones continuas y automáticas a la variable de proceso por medio del elemento
final de control. Este tipo de lazos también son conocidos como retroalimentados
(retroalimentación o feedback, significa “ida y vuelta”)
En este caso no es necesario que el operador esté al pendiente de los cambios que
ocurren en el proceso, ya que el controlador por sí mismo toma decisiones de lo que se
debe hacer para mantener a la variable de proceso en el valor deseado. [18]
Las partes fundamentales de este tipo de lazos son:
Elemento primario (sensores)
Transmisor (también llamado elemento secundario)
Controlador (PC., PLC.)
Elemento final de control (actuadores)
62
Proceso
En los siguientes diagramas se observa este tipo de lazo de control.
Figura 2.21 Diagrama de bloques de control de lazo cerrado.
Figura 2.22 Diagrama de bloques de un lazo de control cerrado
2.16 Controladores
Una acción de control es la relación que existe entre la salida y la entrada del controlador,
el controlador es el elemento de un sistema que tiene como entrada un punto de ajuste y
una señal de retroalimentación, las cuales determinan un resultado (error) y a partir de
esto se entrega una salida al actuador para mejorar el funcionamiento del sistema.
El control PID se compone de tres acciones básicas que son:
Acción Proporcional
Acción Integral
Acción Derivativa
63
2.16.1 Control proporcional
En este tipo de acción la salida del control es directamente proporcional a la entrada es
decir se multiplica la señal de entrada la cual es el error y se representa con la siguiente
fórmula:
Salida = Kp e(t) …...………..……...……….(2.6)
Donde Kp se denomina como ganancia proporcional y e(t) es el error obtenido en el
tiempo. La función de transferencia de un control proporcional es Gc=KP
El control proporcional solo es un elemento de ganancia constante, por lo que sí existe
un error grande el controlador genera una salida grande, la ganancia constante
normalmente varia en un rango de error conocido como banda proporcional.
Si la ganancia del controlador se expresa en porcentaje de la posible salida total del
controlador, para obtener un cambio en el la salida del controlador desde el extremo
inferior al superior de la banda proporcional se necesita hacer; KP= 100/banda
proporcional.
La aplicación de este tipo de controlador es sencilla de aplicar, ya que solo se requiere
amplificar su señal, podría aplicarse con un amplificador operacional o en el caso
mecánico una palanca que multiplica la fuerza aplicada.
La figura siguiente describe el control proporcional.
Figura 2.23 Controlador proporcional
El resultado es la función de transferencia en lazo abierto:
Go(s)=KpGp(s) ….……………………………………………………..……….(2.7)
Donde Gp (s) es la función de transferencia de la planta.
64
2.16.2 Control integral
El controlador bajo esta acción tiene una salida proporcional a la integral de la señal de
error en el tiempo, la ecuación es que lo representa es la siguiente:
…………………………………………………….(2.8)
Donde Ki es la ganancia integral (constante)
La función de transferencia de este controlador es:
Gc(s) =
……………………………………………………………….………….(2.9)
Se representa en la siguiente figura.
Figura 2.24 Controlador integral
La función de transferencia lazo abierto es:
Go(S)=
Gp(s) ………………………………………………………..……..(2.10)
Cuando el error es constante la salida del controlador se incrementa de manera regular
conforme se incrementa el área bajo la curva.
La salida del controlador en cualquier tiempo es proporcional a la acumulación de los
efectos de los errores pasados.
Una desventaja de este controlador es que reduce la estabilidad del sistema.
2.16.3 Control derivativo
La salida de un control derivativo es proporcional a la razón de cambio con el tiempo del
error es decir:
Salida=Kd
…………………………………………………………....…..(2.11)
Donde Kd es la ganancia derivativa
65
Cuando existe un error constante no existe ninguna acción de control, por el contrario si el
error es variable el controlador da una señal de corrección grande debido a que es
proporcional a la razón de cambio y de su valor.
La función de transferencia para este controlador es:
Gc(s)= KdS …………………………………………………………..….……….(2.12)
En la siguiente figura se muestra el control proporcional
Figura 2.25 Controlador derivativo
Cuya función de transferencia en lazo abierto es
…………………………………………………..(2.13)
Esta acción no se usa sola, debe combinarse con otra acción de control.
2.16.4 Control PI (proporcional Integral)
La inestabilidad relativa debida a un control Integral se puede resolver mediante la
combinación de acciones de control proporcional e integral para el control PI la salida es:
….……………….………...(2.14)
La función de transferencia es;
……………………...(2.15)
Donde Ti=
y se denomina constante de tiempo integral
De este modo;
…..……………………………………..(2.16)
En el esquema siguiente se muestra el arreglo en bloques de este control
66
Figura 2.26 Controlador Proporcional Integral
De modo que la función de transferencia para esta acción PI de control es:
…………………….……………..(2.17)
2.16.5 Control PD (proporcional Derivativo)
Esta combinación de controladores se muestra en la siguiente figura
Figura 2.27 Control Proporcional Derivativo
De acuerdo al diagrama de bloques el control PD tiene la función de transferencia en lazo
abierto y es la siguiente
………………………..……(2.18)
………………………..…...(2.19)
de la cual Td =
y se denomina constante en el tiempo derivativa, con esto no habrá
cambios en el tipo de sistema y por lo tanto en los errores de estado estable.
67
2.16.6 Control PID
El controlador PID es conocido como control de tres términos (Proporcional Integral y
Derivativo) es un sistema de tres acciones de control como se muestra en la siguiente
figura.
Figura 2.28 Controlador derivativo.
Tiene una salida, para una entrada de error e:
………………(2.20)
La función de transferencia de salida del controlador PID es:
…………………………………………….…(2.21)
Como la constante de tiempo integral, Ti =
y la constante
de tiempo derivativa
Td=
la ecuación de la salida del controlador se puede escribir como:
…..(2.22)
La función de transferencia de lazo abierto para el sistema mostrado en el diagrama de
bloques es:
….…(2.23)
68
………………...(2.24)
Los cálculos para estas ecuaciones emplean
un diferenciador ideal, por lo que para diseñar controladores en la práctica se requiere
conocer la ecuación de la planta (Gp(s)) para poder manipular correctamente lo que se
debe controlar.
Con el control PID se estabilizan más los sistemas debido a sus características.
Las características del uso de los controladores se resume en la siguiente tabla, de
acuerdo al tipo de control empleado se usan los tiempos derivativo e integral.
Tabla 2.6 Características de ganancias y tiempo de operación en los controladores
69
CAPÍTULO 3 SITUACIÓN ACTUAL
El invernadero para el cual se propone el sistema automático de clima es del tipo techo
curvo y se ubica en la zona occidente de Cuajimalpa KM 27 de la carrera México Toluca.
3.1 Estado actual del invernadero.
El invernadero se encuentra en una zona fría del Distrito Federal (Cuajimalpa), la mayor
parte del tiempo la temperatura ambiente es de 19°C, y por las noches se mantiene
debajo de los 7oC, en un monitoreo de temperaturas dentro del invernadero se detectó
que la temperatura que pudiera guardar por calor solar se pierde con el tiempo hasta
igualarse con la temperatura ambiente fuera del invernadero.
En la figura 3.1 de mapa satelital se observa la ubicación del invernadero, se encuentra en
una zona boscosa la cual propicia el clima frio en toda el área y alrededores.
Figura 3.1 Ubicación del invernadero
70
Se marca con un rectángulo la zona del terreno donde está ubicado y con un círculo la
posición del invernadero.
Este invernadero se encuentra prácticamente inhabilitado para la siembra y producción de
verduras, ya que se ha deteriorado por falta de mantenimiento, por fuera se encuentra
con la cubierta de Policloruro de vinilo deteriorada, en la figura 3.2 se observa este
detalle.
Figura 3.2 Foto del invernadero por fuera
El invernadero cuenta actualmente con una sola puerta en medio de uno de sus lados
más cortos, en la figura 3.3 se aprecia la puerta, así mismo se observa el diseño del
invernadero, el cual tiene el diseño en dos aguas de techo tipo curvo.
Figura 3.3 Foto del invernadero, parte frontal (entrada)
71
Dentro el invernadero no hay ningún sistema eléctrico que haya sido adaptado para su
climatización, solo se encuentran mangueras de riego que fueron utilizadas la última vez
que se ocupó en siembra de jitomate, aproximadamente tiene un año y medio que no se
le da uso. En la figura 3.4 se puede ver el invernadero por dentro.
Figura 3.4 Foto dentro del invernadero
Se puede observar que el invernadero carece de instalaciones eléctricas o de otro tipo
para un sistema de calefacción.
Figura 3.5 Foto del invernadero, vista de la estructura
72
La estructura que se observa es metálica, de tubo galvanizado de 2.5 pulgadas de
diámetro.
En la figura 3.6 se observa la parte al fondo del invernadero que tiene poco
recubrimiento del plástico Policloruro de vinilo el cual se tendrá que cambiar totalmente
para reacondicionamiento climático.
Figura 3.6 Foto del invernadero, vista al fondo del invernadero
Las medidas del invernadero son 33m. De largo por 15 ancho, por lo tanto tiene un área
de 495 m2, las medidas se observan en las figuras 3.7 y 3.8.
Figura 3.7 Medidas del invernadero ancho x largo
Figura 3.8 Medidas de altura del invernadero
73
Las medidas de altura que se observan son: 3.70 m. total, los arcos para el techo curvo
miden 1.60 al corte con la pared lateral, la puerta mide 1.80 alto por 1.50 ancho.
Como se puede observar actualmente el invernadero está deteriorado y no cuenta con
instalaciones eléctricas para condiciones de clima o de manejo mecánico en el cultivo.
Anteriormente se ocupó en la siembra de jitomate, el modo de plantación fue a lo largo
del invernadero, en la primer siembra se estima que tubo aproximadamente 600 plantas
de las cuales un 95 % se logró madurar, el tiempo en que se estuvo recolectando el fruto
fue de 3 meses, las plantas se vieron afectadas a la llegada del invierno provocando el
congelamiento de estas, en promedio se recolectaban 15 kg por corte efectuándose
esporádicamente durante los tres meses que se dio la recolección, se estima un
aproximado de 150 kg en total de producción durante el tiempo de cosecha.
Teniendo en cuenta que los periodos de siembra abarcan 4 meses desde el nacimiento de
la planta hasta la recolecta de fruto, se siembra de modo que antes del tiempo invernal
se haya tenido la mayor recolecta posible del fruto, la siembra en temporada de verano
es más provechosa, se realizó una segunda temporada, sin embargo no se calculó el
termino del invierno y la plantación se vio afectada por las bajas temperaturas por lo
cual la mayoría de las plantas no se desarrolló y por lo tanto la producción de jitomate se
dio en menor porcentaje que la primera vez.
Con el plan de implementar el sistema de calefacción en el invernadero se estima una
producción anual continua, no se dejaría pasar el tiempo de invierno ya que el clima debe
ser apto para poder ambientar las condiciones de temperatura adecuadas para los
cultivos de jitomate o de otras especies.
Se estima tener una producción 200% más en comparación al modo tradicional sin clima
artificial.
74
3.2 Características de las variables para el sistema climático de acuerdo al método de
cultivo del jitomate
Para el óptimo desarrollo de los vegetales sembrados en el invernadero; cuando se
cultivó, se debieron cuidar las variables principalmente de temperatura y humedad, esto
fue muy difícil por la zona fría donde se ubica el invernadero, respecto al PH y CO2 se
realizaban medidas manuales con instrumentos de mano como el higrómetro digital y
medidor de CO2 el cual se administraba con emisores de este gas dentro del invernadero,
respecto a la iluminación no se tuvo un control por falta de una instalación de energía
eléctrica como se ha descrito anteriormente.
Los rangos de estas variables para el cultivo debieron ser como se describen a
continuación.
Principalmente el modo de siembra en el invernadero en el cual se ha enfocado la
propuesta de automatización climática es en el suelo, la siembra se realizó a lo largo del
invernadero como se muestra en la figura 3.9. Y es el modo en que se planea seguir
sembrando.
Figura 3.9 Modo de cultivo del invernadero en el cual se enfoca el diseño.
La descripción breve del cultivo del jitomate enfocándose a las características de las
variables es la siguiente:
El desarrollo del cultivo se da en fases; en la primer fase se encuentra la siembra de la
semilla en la tierra o lugar donde se germinara la semilla para el primer brote, esta fase
(fase inicial) es de 1-21 días hasta que se alcanza un tamaño llamado plántula.
75
En la siguiente fase (fase vegetativa) después del día 22 se desarrolla la planta engrosando
tallo y brote de algunas hojas, en un tiempo de 22 a 50 días es cuando se realiza el
trasplante si se germino en una maceta o bolsa, este método es más usado que la siembra
directa en el suelo, una vez trasplantada la planta se tienen cuidados durante el siguiente
periodo, aproximadamente del día 50 al 80 cuando la planta está en su etapa de floración.
Después de la floración pasa a la fase de producción; cuando el jitomate ha crecido lo
suficiente comienza a dar frutos hasta su madurez este tiempo dura aproximadamente del
día 80 al día 100, aproximadamente desde que se siembra la semilla hasta la madurez del
fruto se tiene un tiempo variable de 3 meses y medio, depende del cuidado y del
ambiente climático. En la figura 3.10 se puede observar la planta y las fases brevemente
descritas. [19]
Figura 3.10 Fases de crecimiento del jitomate.
Estas características se deben tener en cuenta en el desarrollo del proyecto para un
óptimo clima a partir del empleo de los equipos que propiciaran el control del ambiente.
[19]
En los siguientes puntos se destacan los rangos aptos de las variables para el desarrollo
del cultivo del jitomate
76
3.2.1 Temperatura
A partir de que se han visto las fases de crecimiento se toma en cuenta las características
climáticas aptas para el desarrollo de la planta principalmente el cambio de la
temperatura se debe cuidar más para el óptimo desarrollo de la planta. En la tabla 3.1 se
muestran los rangos de temperatura que afectan o ayudan al crecimiento de la planta en
sus fases.
Tabla 3.1 Rangos de temperatura recomendados en el cultivo del jitomate.
La temperatura apta con mayor tiempo de establecimiento es decir que no varié, acelera
la velocidad de crecimiento. Se establece una temperatura óptima para el mayor tiempo
posible de 22 a 26oC la temperatura máxima recomendable es de 28oC.
3.2.2 Humedad relativa.
La HR optima está en el rango de 70-80% lo que permite una adecuada transpiración,
cuando se exceden estos rangos se crea un ambiente favorable para el desarrollo de
patógenos y deficiencias de calcio en frutos y hojas de los tomates.
77
3.2.3 Riego del cultivo
Debido a que el jitomate es una planta de clima cálido semiárido es poco exigente en
agua, el tipo de suelo está relacionado con la temperatura del ambiente, a mayor
temperatura mayor necesidad de agua, el jitomate consume 0.4L/planta día en
crecimiento, en floración 0.8L/planta día, en fructificación 1L planta día, y en maduración
1.5L planta día. Se debe realizar el riego por la mañana y por la tarde siendo riego ligero
ya que el exceso de agua ocasiona enfermedades de hongos en las plantas.
En el sistema propuesto, el riego se realiza por tubería en suelo de las cuales se fijan
puntos estratégicos para distribuir agua en modo de atomización con aspersores, los
aspersores requieren de cierta presión para que puedan dispersar el agua.
3.2.4 El pH.
Está relacionado con la calidad del agua y las características del fertilizante, el control del
pH es necesario para evitar que se precipiten los nutrientes en forma de sales insolubles
que obstruyen el sistema de riego o de goteo, el pH debe de ser de un rango de 5.5-6.0,
esto se logra acidificando el agua con ácido fosfórico, sulfúrico o nítrico. La sonda de los
sensores de PH debe estar en contacto con el agua para la medición de acides.
3.2.5 El CO2
Las plantas obtienen una concentración de CO2 presente en el aire, normalmente se debe
tener una concentración de 0.03% (aproximadamente 7000ppm) para que sea asimilado
por la planta mediante el proceso de fotosíntesis, el CO2 forma parte de compuestos
orgánicos como azucares, proteínas y ácidos orgánicos, en el proceso de respiración
degradada compuestos orgánicos para proporcionar energía para diversos procesos
metabólicos.
3.2.5 La Iluminación
Si hay poca luminosidad hay poca floración y un desarrollo raquítico así como bajo
aprovechamiento del CO2, se recomienda los valores de iluminación para el cultivo:
78
Plántula 6000 candelas.
Trasplante a primer racimo 9600 candelas.
Floración a maduración 1200 candelas.
3.3 Sistemas auxiliares para el cultivo del invernadero
3.3.1 Sistema de calefacción y ventilación
La ventilación se llevaba a cabo de forma manual recorriendo varias mallas desde el suelo
hasta 1 metro de altura a lo largo del invernadero por un determinado tiempo,
normalmente era en el día que se realizaba esta acción, no se tuvo ningún modo de
calefacción forzada por falta de un sistema eléctrico o de combustión
3.3.2 Sistema de riego
El riego se llevaba a cabo manualmente con aspersores, se distribuía el agua en el área de
siembra por un tiempo estimado de 20 minutos tres veces por semana ya que el área
donde se encuentra el invernadero se preserva el suelo húmedo la mayor parte del año.
79
CAPÍTULO 4 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA PROPUESTO
En la propuesta general para el clima del invernadero se tienen diferentes sistemas, los
cuales se establecen de acuerdo a la selección del o los vegetales que se deseen sembrar,
para las etapas de la producción del jitomate, en diagrama de la figura 4.1 se establecen
los sistemas que se sugieren, así como su interacción donde se observa la interconexión
de los sistemas.
Figura 4.1 Esquema de bloques del sistema general
Es necesario realizar la adaptación de la red eléctrica principalmente, ya que es la fuente
de alimentación para los sistemas de Calefacción y ventilación, riego, control y
comunicación. En la tabla 4.1 se observan los factores principales a considerar en los
sistemas.
80
Tabla 4.1 Sistemas en el clima del invernadero
SISTEMA DE CALEFACCIÓN Y VENTILACION PARA CLIMA
Factores de entradas:
Flujo de biogás.
Flujo de aire caliente.
Temperatura.
Equipo para su manipulación:
Válvula de control, quemadores, ignitores
Ventiladores, sensores de flujo de aire.
Sensores de temperatura.
SISTEMA DE RIEGO
Factores de entrada:
Distribución de agua
Equipo para su manipulación:
Bombas, sensores de nivel en cisterna.
SISTEMA DECULTIVO (Ejemplo del jitomate )
Factores de entrada:
Humedad.
CO2
PH.
Iluminación.
Equipo para su manipulación:
Sensores para Humedad, CO2, y PH.
Lámparas.
SISTEMA DE CONTROL
Factores de entrada:
Medición de variables.
Control de variables.
Equipo para su manipulación:
PLC.
Red Devicenet. Módulos de entradas análogas.
Módulos de salidas análogas y digitales.
Como solución a la problemática que se ha descrito para automatizar el clima del
invernadero se propone el siguiente planteamiento:
Para el sistema de calefacción la fuente de calor se hará con la combustión del biogás el
cual ya se tendrá disponible, es decir se producirá por medio de un biodigestor
independiente adaptado en el terreno donde se encuentra el invernadero, por lo que no
se indaga técnicamente en el tema de producción de este combustible.
La manipulación del sistema de calefacción se dará a partir de la medición de temperatura
dentro del invernadero, para este fin se emplean 6 sensores de temperatura que se
ubicaran dentro del área del invernadero, una vez que se tiene el registro de
temperaturas bajas evaluadas por promedio de los sensores, se deberá activar una válvula
81
de control de flujo del biogás para suministrarlo hasta una parrilla (quemador) donde se
hará la combustión, para el sistema de encendido se utilizara el ignitor que proporciona
una chispa, para saber que se ha encendido se emplearan sensores de luz detectando la
flama, indicando que se ha activado el quemador, se activaran ventiladores que
suministraran el calor hacia el invernadero por medio de ductos metálicos, para hacer
circular el aire que entra al invernadero.
Se ha diseñado un ducto que esta acoplado al invernadero a nivel del suelo, por este se
extraerá el flujo de aire proporcional al que entra para que se tenga un balance en el aire
que entra al invernadero, así mismo la extracción de aire por este ducto tiene el fin de
conducir el flujo hasta la cámara del biodigestor que también requiere tener una
temperatura aproximadamente de 25oC. Para acelerar la degradación biologica y se
obtenga el biogás con mayor velocidad que a temperatura ambiente.
Las temperaturas muy bajas dentro del invernadero se dan después de las 8pm. Y
descienden hasta los 7oC por la madrugada. En invierno por la ubicación de la zona se han
llegado a registrar temperaturas por debajo de los 0oC dentro del invernadero, estas
temperaturas tienen una duración larga desde la noche hasta parte de la mañana. Las
bajas temperaturas no son favorables para los diferentes tipos de verduras que no
resisten climas fríos, la mínima temperatura para que no se pierda el cultivo es de 15oC.
Por lo que en el sistema de calefacción debe mantener una temperatura mínima optima
de 20o C y una máxima de 26oC.
Una vez que se haya establecido la temperatura en la atmosfera del invernadero se
apagara el sistema calefacción del invernadero.
La humedad es una variable importante a tomar en cuenta ya que junto con la
temperatura son los principales puntos a controlar en un invernadero, están en función
una de otra, con el exceso de humedad en ambientes fríos la temperatura desciende y se
prolonga por más tiempo afectando a los plantíos, por otra parte en un ambiente muy
cálido, la falta de humedad es desfavorable para el crecimiento de las plantas, por lo que
82
la ventilación es fundamental para regular la temperatura y humedad dentro del
invernadero, se puede realizar en forma natural o forzándola, en este trabajo se propone
el sistema de ventilación forzada que con ayuda de los sensores de humedad se tendrá un
registro el cual cuando varíen los parámetros fuera de los rangos se activaran ventiladores
en caso de humedad alta, al igual que con temperatura alta, cabe destacar que la
humedad medida en la atmosfera del ambiente es la que se regulara con los ventiladores,
el sistema de riego se activara en tiempos establecidos ya que el jitomate no requiere
demasiada humedad en el suelo, de acuerdo al estado de las plantas se regaran por un
tiempo determinado.
Se propone como elemento del sistema de control un PLC que interactuara con los
sistemas de calefacción y ventilación, sistema de riego y cultivo a través de la red
Devicenet, como en casi todos los programas se podrán cambiar los parámetros para que
se pueda cultivar más de un tipo de verduras o legumbres.
Así mismo se propone el control de la humedad, las variables, iluminación, PH y CO2 se
han tomado en cuenta en lo que se refiere a un clima artificial, sin embargo en este
trabajo no se realiza la programación de control para estas variables. Se hace mención de
las condiciones en que se debe tener en cuenta estas variables porque es importante
considerarlas dejándolas como propuesta de programación posterior a este trabajo.
Para poder llevar a cabo el análisis que conlleva la propuesta planteada, en los siguientes
capítulos se realizan los planos y cálculos requeridos para lograr el objetivo.
4.1 Plano general del diseño para el invernadero
En el plano correspondiente a la figura 4.2 se observan los elementos del sistema
calefacción y ventilación que se propone para el invernadero, donde se ubican los
sensores, ventiladores, el biodigestor, el quemador, las bombas para riego etc.
En la siguiente página se observa el plano general de ubicación de los componentes del
sistema automático.
84
4.2 Medidas y ubicación de componentes para el invernadero
Las medidas presentadas son en relación a la unidad en metros. En la figura 4.3 se
observa el diseño propuesto de la instalación del ducto de aire caliente para el
invernadero, la ubicación del sistema de combustión; quemador, servo válvula y
ventilador que llevara el aire hacia adentro del invernadero por el ducto acondicionado,
así mismo se observa el ducto de salida de aire del invernadero hacia la cámara del
biodigestor que se ubica sobre el suelo. En la instalación actual del invernadero se tiene
una sola entrada, en el plan de diseño se proponen 2 entradas más para las secciones del
invernadero y la ubicación de los ductos de aire se ubicaran al centro donde se encuentra
la entrada principal.
Figura 4.3 Diseño del sistema de calefacción y ducto de aire hacia el invernadero.
85
Anteriormente se vieron las medidas de área del invernadero, a continuación con
referencia a estas medidas, se muestran las dimensiones de la ubicación del sistema
propuesto de calefacción y ventilación. La distancia entre el biodigestor y el invernadero
es de 10m. Así mismo se pueden ver las medidas propuestas del ducto de aire que
conducirá el calor hacia la atmosfera interna del invernadero con una medida de 7.5
metros de largo, las medidas internas del ducto son de 0.60x0.60m. Y es por donde se
hará la transferencia del aire desde el quemador hasta el invernadero, la válvula de
control se ubica a 3 metros del quemador y a un metro de la toma de gas del biodigestor.
Figura 4.4 Medidas del conjunto de aire y entradas al invernadero.
4.2.1 Medidas de altura de las instalaciones
En la figura 4.5 se muestra la estructura del invernadero así como su medida de altura que
es de 3.70 m. el arco tiene un corte plano de 1.60 m al exterior, las paredes laterales tiene
una altura del suelo a la unión del arco de 2.10 m.
86
Figura 4.5 Medidas de altura del invernadero
Dentro del invernadero las instalaciones de los componentes actuadores y sensores para
el control tienen una medida diseñada de acuerdo a las dimensiones del invernadero de
modo que queden establecidas en la mejor posición para su funcionamiento.
En la figura 4.6 se observa el diseño de la ubicación en alturas de los elementos para la
automatización del clima.
Figura 4.6 Altura establecida de los componentes.
La altura total del invernadero es de 3.70m. A la altura de 2.10 metros se tiene un soporte
metálico que almacenara los cables de alimentación para los ventiladores generalmente
es una charola de conductores eléctricos previamente calculada para su adaptación en la
parte de la red eléctrica se verán las dimensiones de esta charola, así mismo llevara los
87
cables de señal de los sensores, de este soporte también se sujetaran los ventiladores que
estarán distribuidos en el área del invernadero.
El quemador y el sistema de tubería de gas para la energía calorífica estarán instalados a
un nivel de 1m. De altura desde el suelo, el ducto de extracción de aire conduce el flujo
hacia el área del contenedor del biogás, cabe señalar que el ductos de aire por el cual se
conducirá el flujo caliente tendrá una extensión de 1.5m dentro del invernadero, este
solo entrega un flujo de aire caliente a la atmosfera del invernadero.
Los ventiladores están a una altura de 2.10m. Después del suelo del invernadero y
tomando en cuenta su diámetro de 24” estarán por debajo del techo a una altura de 1m.
Igual que el ducto de aire por el que será conducido el aire caliente producido en el
quemador. La ubicación de los ventiladores para la distribución de aire con calefacción
sobre elevada o sobre la cabeza es importante en áreas donde se puede tener un clima
frio, ya que se provee de un cuidado por la planta desde arriba de la atmosfera del
invernadero.
En la figuras 4.7 se observa un diseño de estructura soporte con canales para almacén de
cables, así mismo se pueden sujetar los ventiladores a la estructura.
Figura 4.7 Estructura de soportey ventilador
El diseño propuesto tiene las características anteriores, los ventiladores se sujetaran de la
estructura metálica a 2.10m de altura,
El diseño de la ubicación de ventiladores se puede ver en la siguiente figura.
88
Figura 4.8 Altura de los ventiladores .
Los sensores de las diferentes variables estarán a 1m. Sobre el piso teniendo en cuenta
que el sistema de riego es por el suelo debido a esto se instalaran de este modo, la
instalación será colgando del soporte metálico y estarán almacenados debidamente para
el establecimiento correcto por tubería y fijados en una caja de madera para evitar el
movimiento.
Figura 4.9 Ubicación de los sensores dentro del invernadero.
El sistema de riego no se ha señalado en las referencias de alturas en los planos ya que
como se mencionó anteriormente estará a nivel de suelo, en la figura 4.10 se observa la
distribución de tuberías a lo largo del invernadero. Para este sistema solo intervienen las
bombas y los sensores de nivel marcados en el plano general, estos estarán ubicados
fuera del invernadero a 3 metros de separación del invernadero.
89
Figura 4.10 Sistema de riego del invernadero.
Cabe mencionar que las alturas de los componentes dentro y fuera del invernadero han
sido consideradas de acuerdo al criterio de funcionamiento como los sensores en alto
debido al sistema de riego por el suelo, así como los ventiladores para homogenizar el
flujo de aire.
90
CAPÍTULO 5 DISEÑO DEL SISTEMA
5.1 Diagrama de flujo del sistema
El diagrama de flujo del sistema se basa en el diagrama de flujo del proceso descrito en el
capítulo 3
Figura 5.1 Diagrama de flujo del sistema
91
Se observa en el diagrama de flujo, los elementos que alimentan al sistema
principalmente, el biogás como combustible, el aire frio del exterior que se calienta por
medio del quemador entrando al área del invernadero y el agua para riego, como salida
se observa el PLC que es el controlador de la variables enviadas de los sensores de
Temperatura, Humedad, PH, CO2, y flujo de aire, en este diagrama no se toma en cuenta
la iluminación ya que esta variable se indicara en el punto de la administración de CO2 ya
que al momento de medir o administrar CO2 la iluminación se tomara en cuenta con lo
que se encenderá la iluminación para un mayor aprovechamiento de las plantas en su
proceso de fotosíntesis, por otra parte la iluminación no será censada, ya que como se ha
mencionado generalmente se requiere cuando hay altos índices de CO2 en el ambiente.
En el siguiente diagrama de flujo de proceso se observa en forma general el orden de la
función de los elementos del sistema de control principalmente del biodigestor se obtiene
el biogás, que pasa por la válvula de control para combustión en el quemador, un
ventilador impulsara el aire desde fuera por un ducto que llega hasta la atmosfera del
invernadero donde otros ventiladores hacen recircular el aire caliente para homogenizar
la temperatura, se observa una bomba para el sistema de riego, cómo se describió en la
propuesta de control. Este diagrama y sus elementos se detallan más adelante el en plano
DTI del proceso.
Figura 5.2 Diagrama simple de flujo del proceso.
92
5.2 Selección de sensores y actuadores para la automatización del invernadero.
Dentro del sistema de calefacción y ventilación para el invernadero se encuentran
principalmente los siguientes componentes.
Sensores de: Temperatura, PH, Humedad, Presión, sensores de nivel para la cisterna,
Anemómetros (sensores de flujo de aire), sensores de flama (este sensor puede ser de luz
o de temperatura, siendo el de luz más apropiado para detectar la flama por la rapidez de
respuesta), válvula de control de flujo para gas.
Los componentes mencionados de forma breve se observan en el PLANO DTI, en el cual se
puede ver el número de elementos y su interconexión de acuerdo al proceso del clima
para el invernadero.
El plano ampliado se observa en la siguiente página.
La selección de los sensores y actuadores se hace de acuerdo a las características
requeridas para la producción de jitomate visto como ejemplo en el capítulo 3.
5.2.1 Temperatura
El sensor elegido para medir temperatura es el siguiente:
RTD analógico PT100
100 ohm a 0oC
Rango de medición -20 a 100oC
3 terminales
50mm. De longitud y 5mm en sonda
Encapsulado en acero inox.
Cable de 1.7m
Figura 5.3 RTD PT100.
93
DIAGRAMA DE TUBERIA E INSTRUMENTACION
Figura 5.4 P-02 Diagrama de Tuberia e Instrumentación del invernadero.
94
Para la lectura de la señal se debe usar un módulo de entrada adaptable al RTD o en su
caso un adaptador de señal, se pretende usar el módulo Armor Point de entrada para
RTD’s de 0 a 600 ohms, las características del módulo se ven más adelante.
El sensor de medición de flujo del aire elegido Anemo4403 Anemómetros.
Figura 5.5 Anemómetro y diagrama de conexión
Se debe conectar un capacitor en paralelo a las salidas
Características:
Alimentación 5 a 24 Vcd.
Corriente salida 15 mA.
Rango 2-200Km/h
Precisión +- 2%
Conexión sencilla mediante 2 hilos
Salida: Contacto libre de tensión con resistencia en serie que conmuta a una
frecuencia proporcional a la velocidad de viento
5.2.2 Humedad
El sensor propuesto para la medición de humedad es el siguiente:
Figura 5.6 Sensor de humedad y diagrama de conexión.
95
Sensor de humedad Código HIH-5030 De Honeywell. Este sensor mide humedad relativa
(%RH) y entrega una salida de voltaje analógico, dado que los cambios de voltaje son casi
lineales el proceso de medición es muy sencillo.
Características:
Salida analógica casi lineal en Voltaje.
Voltaje de alimentación 2.7-5.5VDC
Bajo consumo de potencia, emplea 200μA de corriente
3 Pines con separación de 0.1"
Corto tiempo de respuesta estable
Dimensiones: 0.75 x 0.35 " (19.05 x 9 mm)
5.2.3 PH
El sensor electrónico elegido para medir PH consta de una interfaz al cual se le conecta la
sonda que mide físicamente el PH del agua.
Figura 5.7 Sensor de PH.
Adaptador PH/ORP
Descripción: El adaptador PH/ORP ofrece una interfaz a electrodos de PH o de ORP de
vidrio a través de un conector BNC.
Con el adaptador de pH / ORP se puede:
Medir del pH
Registro de la oxidación - Potencial de Reducción (ORP)
Monitor de iones y las concentraciones de gases
Especificaciones:
PH Input range -+ 400mV DC
PH Resolucion PH 0.018
Corriente Max. 3mA
Impedancia 1Tohm
96
Voltaje min. 4.5 a 5.25v
V salida proporcional al de entrada (4.5V a 5V)
Electrodo de pH ASP200-2-1M-BNC
Figura 5.8 Electrodo de medidor de PH.
a) Características:
Propósito general.
solución de KCL
Intervalo de pH: 0-14
Temperatura de funcionamiento: 0-80 ° C
Tiempo de respuesta 10 s.
Operación de 0 a 80 oC
b) Propiedades físicas.
Conector BNC largo 120mm diámetro 12mm Cable largo 1m.
5.2.4 Sensor de CO2
El sensor seleccionado para medir el nivel de es el siguiente:
Sensor de Monóxido de Carbono - MQ-7 [SEN-09403]
Figura 5.9 Medidor de CO2 y diagrama de conexión.
97
Descripción:
El MQ-7 detecta concentraciones en el rango de 20 a 2000ppm.
Este sensor tiene una alta sensibilidad y un corto tiempo de respuesta.
La salida de este sensor se conecta a una resistencia para medir una señal de
50mA.
Alimentación5V.
5.2.5 Iluminación
Para la iluminación se eligen las siguientes lámparas Smart e-level
Figura 5.10 Lámpara Smart-e-level uso industrial.
Figura 5.11 Características de lámpara Smar e-level
200w alimentación 127v.
13300 lumen medios
En el sistema de calefacción también se tiene los siguientes componentes para registro de
presión y flama.
98
5.2.6 Sensor de presión
Para la medición de presión en la tubería de gas que tendrá conexión con el biodigestor se
empleara el siguiente sensor.
PG-010-REA01-MFRKG/US/P Detectores de presión
Figura 5.12 Medidor de presión y diagrama de conexión.
Características:
Sensor electrónico de presión con visualización analógica
2 salidas; OUT1 = salida de conmutación
OUT2 = salida analógica 4...20 mA. (Ineg: 20...4 mA)
Conexión de proceso: G 1 A /Aseptoflex. Varios
Escala de la medida: -1,00...10,00 bar / -14,5...145,0 psi
Pantalla analógica, Display alfanumérico de 4 dígitos
Aplicación a Fluidos líquidos y gaseosos
Alimentación DC 18 a 32 V PNP
Corriente 70 mA
Resistencia de aislamiento 500 Mohms.
5.2.7 Sensor de flama
Para censar la flama en el ducto se ha seleccionado el siguiente sensor de luz.
Sensor de luz QRE1113
99
Figura 5.13 Sensor de luz y diagrama eléctrico.
Características del Sensor QRE1113:
Alimentación 3.3v a 5V.
Salida analógica en volts
Corriente 50 mA.
Dimensiones: 10 x 15 mm.
Su salida variará de acuerdo a la cantidad de luz IR reflejada al sensor.
Emplea una resistencia de 10kΩ de pull-up y cuando la luz emitida por el LED es reflejada
al fototransistor, éste lleva a cero la salida. Entre más luz reciba el fototransistor, menor
será el voltaje de salida de la tarjeta.
5.2.8 Válvula de control del biogás
Válvula de control Honeywell elegida para el control de biogás
De acuerdo a las características de aplicación para gas, diámetro de 1 ½ pulgadas de
conexión a tubería y alimentación de 24v. Que son los parámetros estimados en el sistema
de calefacción. Se adapta a tuberías de 1/2" a 3"
Figura 5.14 Válvula de control de flujo MN7505A2001.
En la siguiente figura se observan las características del actuador.
100
Figura 5.15 Especificaciones del actuador.
Se puede observar de las tablas de datos las principales
Alimentación de 24 V
Control y retroalimentación 2-10v
Potencia 19 w
Conexión a 1 ½ pulgada en tubería.
Se elige debido a que es una válvula que puede operar con bajas presiones.
5.2.9 Quemador
Para la quema de combustible se elige un quemador al cual se le adaptara un ventilador
de las mismas características que los seleccionados para la ventilación y homogenización
del aire en el invernadero, como los de la figura 3.12 quedando como un solo equipo de
combustión a gas (Natural o LP), normalmente estos equipos se instalan a la altura de la
estructura de los invernaderos, en este caso se adaptaría a un ducto de aire hacía el
invernadero.
101
Figura 5.16 Quemador adaptado con ventilador.
El quemador tiene las siguientes características
• Capacidad de salida 2500,000 BTU/hr.
• Ducto 6m x 0.60 m. de diámetro. Amperes: 2A - 5.50 A in.
• Presión de gas 0.60 Kg/cm.
• Peso 23 kg.
• Consumo de gas 10 lts/hr.
Ventilador de 24” flujo 8500 CFM (pies cúbicos por minuto. Ventilador intercambiable).
• Voltaje 127.50 Volts.
Par el encendido se adapta un ignitor de gas el cual consta normalmente de un
transformador que eleva el voltaje para provocar la chispa, se elige el siguiente de
acuerdo a la alimentación de 127 v.
5.2.10 Ignitor.
MAXFire® Series 100 Gas Igniters.
Modelo 135 para tubería de 1 ½ pulgada.
Figura 5.17 Ignitor MaxFire
Especificaciones:
Para Gas Natural o propano
Minimum Length: 14 In.
102
Guide Tube Material: 10 & 30 - Stainless steel
35, 40 & 50 - Carbon steel with 12” stainless steel at furnace end
HESI (Transformador) Specifications
Voltage: 120 to 240 VAC, 50/60 Hz
Input Power: 120 VAC @ 1.5 A (2-A fuse); 240 VAC @ 0.75A (1-A fuse)
Output Voltage: 2000 VDC
Output Energy: 12 joules per spark
Spark Rate: 3 per second (approximately)
Duty Cycle: 50% at temp 0°F to 135°F (-18°C to 57°C) Ambient
5.2.11 Ventiladores.
Para llevar a cabo la ventilación del invernadero cuando se ha concentrado el vapor de
agua dentro del invernadero así como para la homogenización de aire se eligen los
ventiladores siguientes.
Ventilador Marca SCHAEFER.
Figura 5.18 Ventiladores SCHAEFER Código. VS-24
Las características son:
Diámetro 24 pulgadas
Regulación de velocidad variable
Alimentación 115/230 VCA .
Corriente 2ª.
103
Velocidad de flujo 8500 CFM (pies cúbicos por minuto)
5.2.12 Elementos para el sistema de riego
Para el sistema de riego solo se requieren las bombas como actuadores. Las bombas
elegidas para esta tarea son de potencia baja ya que no se requiere gran capacidad de
riego y tomando en cuenta que no se activaran por menos de una hora continúa.
Figura 5.19 Bomba de agua (Water Pump) y placa de datos.
Características:
Alimentación 127v / 60 Hz
Rev. 3450 x min
Potencia ½ HP 40 L/min.
Corriente 2.5 Amp.
Altura de distribución 25-28 m Max.
5.2.13 Sensor de nivel
Se elige el siguiente sensor de nivel para cisterna de la cual se extrae el agua por medio de
bombas hidráulicas irrigando el suelo del invernadero por un tiempo definido.
Figura 5.20 Sensor de nivel y transmisor LVCN210 cables de configuración
104
Proporcionan una continua medición de nivel de hasta 3 m (9.8 ')
Precisión ±0.2% del rango
Banda muerta: 10 cm (4")
Ancho del haz: 5.08 cm (2")
Voltaje de alimentación: 24 Vcd (loop) Señal de salida: 4 a 20 mA.Two – wire
Consumo: 0.5 W Resistencia del lazo: 400Ω máx. Señal invertida: 4 a 20 mAor20 a 4 mA Tipo de contacto: (4) Relés SPST
Se ha elegido este sensor de nivel ya que sus salidas de relevador permiten configurar
alarmas visuales en campo que serán luces de señalización de los niveles del agua.
5.3 Análisis de la red eléctrica para el invernadero
A continuación se hace el análisis de la red eléctrica requerida, propuesta para el
invernadero automatizado de acuerdo a los componentes observados en el DTI
principalmente se hace el análisis para la carga de los ventiladores que son lo que
efectuaran la tarea de llevar el aire caliente hasta dentro del invernadero y demandan la
mayor potencia de la red eléctrica.
Principalmente se realizó el plano de ubicación de los motores (ventiladores) que se
observa en la Fig. 2.22 Plano de ubicación general de los elementos del invernadero.
Respecto a la ubicación de línea de mayor distancia se determina la carga y se ubican los
ejes x y para determinar el centro de cargas de motores (CCM), a continuación se
observan las distancias de las líneas donde se tiene la mayor carga.
105
Figura 5.21 Distancias de las cargas en los ejes x y.
Previamente se estableció la distancia y el número de motores que estarán en el área del
invernadero tomando para esto, motores de ½ HP distribuidos en X a una longitud lineal
de espacio entre estos de 7 veces su diámetro el cual es de 24”, para la distribución entre
motores en el eje Y, se utilizó el criterio de patrón común Schaefer VS12PA el cual es un
análisis basado en experiencia para invernaderos que desean emplear ventiladores en su
invernadero, esta distribución de acuerdo a las medidas del invernadero en el cual se
desarrolla el análisis se muestra en la figura 5.22 Para una distribución de flujo
homogénea.
Figura 5.22 Distribución de ventiladores en invernaderos
106
Para la ubicación del centro de cargas se tiene las siguientes cargas y distancias con lo que
se hará el cálculo correspondiente.
Tabla 5.1 Distancia de las cargas de los motores ocupados para el invernadero
La carga total de los motores (ventiladores) es: 7660 w
Calculado la distancia media con respecto al eje de las y.
Ly=
…..…(5.1)
(16.82*1119)+(13.87*1492)+(10.80*1492)+(7.90*1119)+(2.42*742)+(12.83*946)
=80195.54
:; Ly= 80195.54/7660 =10.469m
Lx=
…..….(5.2)
Lx= (24.55*1119)+(31.67*1492)+(31.67*1492)+(24.46*1119)+(7.88*746)+(8.91*946)
= 169531.29
:; Lx= 169531.29 / 7660 = 22.13
Las coordenadas del centro de carga son:
Lx=22.13m Ly=10.46m.
El vector x,y de estas coordenadas es de 24.47m, (por el teorema de Pitágoras)
Localizando estas coordenadas para el centro de cargas debería quedar en un punto que
esta hacia el centro del invernadero en el eje y, sin embargo dadas las condiciones de
107
espacio en las cuales los invernaderos deben tener áreas libres donde se siembran
cultivos y para evitar estorbos en las maniobras de riego y otros cuidados dentro del
ambiente y de acuerdo a la condición eléctrica de los cálculos, cuando el CCM ha quedado
en un punto no apropiado para el lugar donde se instalara, se recorre el CCM a la pared
más cercana del local para no cambiar totalmente las características del el cálculo hecho,
por este motivo el CCM queda ubicado en medio de una de las paredes largas del
invernadero, esta ubicación se muestra en la figura 5.23, el punto original CCM y el punto
donde quedara ubicado el CCM”.
Figura 5.23 Ubicación del CCM.
Posteriormente se hace el cálculo de conductores de la red eléctrica para los motores
(ventiladores) Se selecciona el conductor por medio de la forma de análisis de corriente.
Para la selección de conductores se ubica el motor más lejano del centro de cargas y de
acuerdo a su longitud se hacen los cálculos correspondientes.
5.3.1 Calculo de conductores para la red eléctrica del invernadero
Se realizan los cálculos de acuerdo a la Norma Oficial Mexicana de Electricidad Nom-001.
Usando las tablas para cálculo de conductores.
108
..
..
746
pfEn
WI
pfNEn
HPxI
Se ha previsto que la carga de los motores es de 7660w por lo que se debe tomar en
cuenta que se requiere una instalación eléctrica bifásica a tres hilos, ya que actualmente la
conexión monofásica es de 5000w como demanda máxima.
Para este diseño se propone obtener la instalación bifásica para dividir la carga entre las
dos fases debido a que los ventiladores son monofásicos de potencia ½ HP y tienen como
corriente nominal In=2.5 A
Se tomara en cuenta la carga de las lámparas de iluminación y contactos en la instalación
Siendo 6 lámparas de 200w (Tot. 1200w) y 4 contactos dobles de 150w (tot.1200w) por lo
que se agregan 1400w a la carga de la red eléctrica. Estos circuitos estarán
independientes de algún circuito de motores, contemplando que es poca la carga de
estos circuitos se toma por norma 001 de instalaciones eléctricas se usara cable calibre 12
para contactos y cable calibre 14 para lámparas (THW para alta temperatura y humedad).
El factor de utilización de ambos circuitos es de 50% con lo que la demanda de corriente
es baja y no hay problema en utilizar estos conductores.
Donde I=w/v es la fórmula para lámparas y contactos.
Para el cálculo de los conductores de motores:
Se toman las condiciones de eficiencia N=0.8 y factor de potencia F.P=0.8 con un error.
e<= a 1
La fórmula para motores de corriente alterna Monofásicos es:
..…………………………………..………(5.3)
……………………..………………………(5.4)
Dónde:
I = Corriente en Amperes.
En = Tensión en volts entre fase y neutro.
Ef = Tensión en Volts entre fases.
109
fp = Factor de potencia expresado en decimales.
N = Eficiencia del motor.
W = Total de Watts que toman los motores de la línea.
Por lo tanto para los motores monofásicos de ½ HP la corriente es:
I=1/2(746) /(127 ) (0.8) (0.8)= 4.58 A
De acuerdo a la longitud del motor más lejano al CCM de ½ HP es de 32.5m se selecciona
el conductor por sección transversal.
S=
………………………………………………..…………….……….(5.5)
S= 2(32.5)(4.58) /127 (.9) = 2.60 mm2. Aproximadamente 3mm2
Por medio de la tabla 1 de selección de conductores de baja tensión que establece el
diámetro y áreas del cobre según calibre de los conductores eléctricos, también el
diámetro total con todo y aislamiento, se tiene la siguiente respuesta.
Para una sección transversal de 2.60 mm2 se elige un alambre de cobre calibre 12 tipo
TWH ideal para trabajar en temperatura alta y humedad.
El diámetro final con aislamiento es 3.68mm.
Como es un sistema monofásico a dos hilos se recomienda usar el neutro un calibre más
que las fases ya que transporta 1.47 veces más corriente que un monofásico normal, por
lo que el neutro deberá ser cable calibre 10 TWH con diámetro final de 4.22mm
La tubería en la que deben estar alojados estos cables debe tener las dimensiones
siguientes, de acuerdo a los diámetros de los conductores para dos cables, uno calibre 12
el otro 10 son 3.68mm + 4.22mm= 7. 90mm
De acuerdo a la tabla de diámetros y áreas interiores de los tubos conduit se selecciona
una tubería pared delgada de 1/2 pulgada.
5.3.2 Cálculo de interruptores para la red eléctrica en el CCM.
Siendo los motores de 1 y ½ W para los interruptores principales se tiene;
Corriente total IT = Motores de ½ HP
110
Se considera el factor de demanda de corriente en el arranque. se han considerado 19
motores de ½ HP ( f.u.= factor de utilización)
INT. 1 se tiene 9 motores y 6 lámparas
I 1 /2 HP = 4.58 A(1.4) = 6.79 A(9)= 61.11 A
Corriente de las lámparas = w/v = 1200/127= 9.44*0.55(f.u)=5.19
61.11+5.19=66.3 A
INT. 2 se tienen 10 motores y 4 contactos dobles
I 1 /2 HP = 4.58 A(1.4) = 6.79 A(10)= 67.9 A
Corriente de los contactos = w/v = 1200/127= 9.44*.55(f.u)=5.19
67.01+5.19=72.202 A
Se selecciona un interruptor de 100 amperes de tres polos Nema 1
Para el cálculo de interruptores termo magnéticos por circuito de acuerdo al plano
eléctrico; en el diagrama unifilar se observan de una fase 3 interruptores que protegen a 9
motores, 1 que protege a las lámparas, en la otra fase se tiene 4 interruptores que
protegen 10 motores y 1 protege los contactos.
111
Esto se observa en el esquema siguiente.
Figura 5.24 Diagrama unifilar eléctrico para el invernadero
5.3.3 Cálculo de los interruptores termomagnéticos
Para los circuitos en los cuales se tienen 3 motores de ½ HP se tiene:
I= (373w *(3)*1.4)/127 V = 12.333A.
Se selecciona un interruptor de dos polos. 2 x 15 A.
Para los circuitos de IT 1,2,3,5,7
Para el circuito de IT4 e IT6 con 2 motores de ½ HP
I= (373w *(2)*1.4)/127 V = 8.22 A
Se selecciona un interruptor de dos polos. 2 x 15 A.
112
Para el circuito de IT lamp. con estimación a 1200w
I= (1200w/127 V) = 9.44 A.
Se selecciona un interruptor de dos polos. 2 x 15 A.
Para el circuito de IT Contact. con 1200w
I= (1200w/127 V) = 9.44 A.
Se selecciona un interruptor de dos polos. 2 x 15 A
Para el soporte de los conductores se toma en cuenta que se almacenaran los conductores
de la instalación eléctrica de iluminación (en este trabajo no se hace el diseño de la
instalación eléctrica de la iluminación debido a la delimitación del tema sin embargo la
variable de iluminación solo es propuesta para su control.) y los conductores de señales
eléctricas del sistema de control por lo que se prevé utilizar una charola de
almacenamiento de conductores de 4” pulgadas de acuerdo a que los conductores de la
red eléctrica de los motores tienen 11.58 mm2 área transversal.
El plano eléctrico general, diseñado para el invernadero se observa en la siguiente página.
Para el CCM se eligen los Tableros de distribución y control en baja tensión tipo 8HS64
(Sistema MEDIOMEX) por sus características siguientes.
El gabinete MEDIOMEX está fabricado con lámina de acero rolado en frío calibre 12, para
toda la estructura y calibre 14 para tapas y puertas, terminados con pintura electrostática
a base de polvo epóxico color gris ANSI 61.
El sistema 8HS64 o MEDIOMEX está basado en el principio de construcción de tableros en
forma modular, y dado lo versátil de su diseño normalizado bajo las normas, NOM-J-118
parte 1 y 2, es adecuado para cualquier tipo de proyecto eléctrico.
Para los proyectos en los que se requieran distribuciones principales, secundarias
instalación de equipos de maniobras, control y medición, así como para arrancadores de
114
motores ya sea a tensión plena, por autotransformador o cualquier otro tipo, cuando es
necesaria la instalación de variadores de velocidad (Micro, Midi o Masterdrive) o
arrancadores en estado sólido.
Figura 5.25 Gabinete tablero para control 8HS64.
Sus características son:
Tensión de servicio: 600 VCA. 500 VCC.
Corriente en barras horizontales: 400, 600, 800, 1000, 1200, 1600, 2000 A
Frecuencia: 60 Hz
Tensión de control: 110, 220, 440 V
Barra de tierra: Cobre
Resistencia mecánica al cortocircuito: 65 KA IR máximo
Clase de protección: IP40 (Servicio interior), IP50 (Servicio a prueba de polvo) e
IP54 (Servicio exterior)
Sus características físicas se observa en la siguiente tabla.
Tabla 5.2 Características físicas del tablero 8HS64
5.4 Determinación del número de entradas y salidas del sistema.
De acuerdo al DTI P-02 del invernadero, en las siguientes tablas se muestran los
elementos entradas, salidas análogas y digitales requeridas para llevar a cabo en el PLC.
115
Tabla 5.3 Elementos de función de entrada al PLC
SENSORES ENTRADAS
TAG DESCRIPCCIÓN Nº
ELEMENTOS
ANALOGAS DIGITALES
OE Sensor de PH 4 1
TE Sensor de temperatura 6 6
ME Sensor de humedad 4 4
PE Sensor de presión 2 2
BE Sensor de flama 2 2
FE Sensor de flujo (aire) 3 3
LIE Sensor indicador de nivel 1 1
XE Sensor de CO2 1 4
TOTAL 19 3
Tabla 5.4 Elementos del sistema de control de temperatura.
INDICADORES SALIDAS
TAG DESCRIPCCIÓN Nº
ELEMENTOS
ANALOGAS DIGITALES
OI Indicador de PH 2 0 2
TI Indicador de temperatura 2 0 2
MI Indicador de humedad 2 0 2
PI Indicador de presión 2 0 2
BI Indicador de flama 2 0 2
FI Indicador de flujo 2 0 2
LI Indicador de nivel 2 0 2
XI Indicador de CO2 2 0 2
TOTAL 16 16
Elementos de control
SALIDAS
Análogas Digitales
TAG DESCRIPCCIÓN Nº
ELEMENTOS
FCV Válvula de control 2 2
VE Ventilador 16 16 Arrancadores
B Quemador 2 0 0
M Bomba de agua 2 2 arrancadores
V Válvula de paso (manual) 4 0 0
Ig Ignitor 2 2 (contactores)
TOTAL 16 2
116
Total de entradas y salidas
Entradas Análogas 19 Digitales 3
Salidas análogas 2 Digitales 27
5.5 Selección del PLC
De acuerdo a las entradas y salidas requeridas para el sistema de control automático de
clima se hace la selección del PLC donde se toman en cuenta principalmente tipo de
entradas y salidas, numero requerido de estas y a su vez el modo de comunicación para la
operación entre PLC sensores y actuadores.
Respecto a la elección del PLC se ha elegido el modelo MICROLOGIX 1500 ya que es un PLC
mediano que permite poder expandir sus entradas y salidas con hasta 8 módulos y
teniendo en cuenta que se debe utilizar un modelo scanner para la comunicación
Devicenet a través de la cual se pueden conectar los elementos de entrada y salidas
digitales y analógicas.
En campo el PLC Micrologix 1500 resulta ser útil para la aplicación de este trabajo, en
comparación con otros PLCs el Micrologix 1500 reúne las características necesarias por
diseño de este trabajo, los PLC’s que están por encima de las características del
Micrologix1500; están en un precio más elevado, como son el CompactLogix ò el Rslogix
de Allen Bradley.
Figura 5.26 Micrologix 1500
117
En la tabla 5.5 se observan las características buscadas, antes mencionadas respecto a la
expansión de entradas y salidas que se permite en el PLC y la comunicación Devicenet.
Tabla 5.5 Esquema de características buscadas para la elección del PLC
118
En la tabla anterior se puede observar que el software de programación será el
RSlogix1500 & MicroLOGIX.
5.6 Diseño de la red de comunicación.
Se ha elegido la comunicación DeviceNet ya que es un bus estándar de campo para
comunicación entre dispositivos, y se pueden realizar más acciones de mando que solo la
interacción con sensores, gracias a que permite integrar un amplio rango de dispositivos
que van desde variadores de velocidad hasta botoneras PLC’s y hasta dispositivos
neumáticos.
Para poder conseguir un alto rango de dispositivos, en muchos casos se debería de utilizar
dos bus de campo con diferentes protocolos con la finalidad de tener esta capacidad.
DeviceNet está basado en el modelo Productor/Consumidor por eso ofrece opciones de
funcionamiento basadas en eventos de tiempo (las cuales incrementan el rendimiento de
la red en general).
DeviceNet permite configurar en tiempo real una serie de dispositivos en red.
Los parámetros de la configuración pueden ser guardados en la memoria del ordenador
para posteriormente transferir la información en caso de ser necesario reemplazar algún
dispositivo, también es posible reemplazar dispositivos conectados a la red en
funcionamiento sin afectar las comunicaciones.
Las Ventajas de Devicenet son:
Reducción del coste de instalación.
Reducción del tiempo de puesta en marcha.
Reducción de los tiempos de paro, los diagnósticos de dispositivos permiten
diseñar estrategias de mantenimiento preventivo.
Mayor productividad y calidad en los productos, los dispositivos pueden
proporcionar más información con mayor precisión y fiabilidad.
Proporciona una instalación simple y flexible que no requiere herramientas
especiales.
119
Integración de un amplio rango de dispositivos.
5.6.1 Características físicas de la red
Topología de bus lineal, compuesta por una línea troncal y derivaciones.
Número máximo de nodos = 64.
La longitud máxima de la línea troncal está directamente relacionada con la
velocidad de transmisión y del tipo de cable.
La longitud máxima de la línea de derivación únicamente depende de la velocidad
de transmisión.
Se pueden realizar conexiones directas a dispositivos en la línea troncal,
únicamente si al extraer el dispositivo no se provocan perturbaciones en la red.
Configuración de dispositivos en tiempo real.
Extracción y sustitución de dispositivos de la red en tensión.
Paquetes de dados de 8 bytes.
Alimentación y señal de comunicación en el mismo cable.
Se puede configurar de los siguientes modos:
Figura 5.27 Modos de configuración Devicenet.
Una Vez seleccionado el PLC y de acuerdo a la comunicación que permite Devicenet entre
dispositivos de entrada y salida análoga se realiza el diseño esquemático de la red de
comunicación
Para la comunicación de los sensores actuadores y de control se ha elegido la
comunicación Devicenet para el PLC Micrlogix 1500 ya que este PLC se puede expandir por
120
módulos de entradas y salidas también permite la comunicación Devicenet. A
continuación se observa cómo se propone la comunicación para la red correspondiente.
Es un esquema general de conexión, la Red de comunicación más específica se observa en
el plano general de comunicación P-05. Cabe mencionar que el grafico siguiente se ha
desarrollado con el software Integrated Architecture Buider, en los anexos se encuentra el
reporte creado a partir de este software.
Figura 5.28 Esquema general de comunicación.
La velocidad de comunicación en los cables es la siguiente:
Tabla 5.6 Velocidad en los cables (Devicenet)
121
El Cable (Devicenet) redondo delgado se usara como troncal y para derivaciones sus
características son:
Dimensionado para 3A
Diámetro exterior de 6.9mm. Se Conectan dispositivos a la línea de derivación
DeviceNet mediante tomas de conexión (TAP’s).
Contiene cinco conductores: un par trenzado (rojo y negro) para 24VDC. de
alimentación, un par trenzado (azul y blanco) para señal y una malla.
La identificación de las terminales los cables es la siguiente.
Tabla 5.7 Identificación de los colores del cable en conexión.
En la siguiente figura se observa la línea principal de la red Devicenet y las distancias a las
que estarán los sensores .
Figura 5.29 Esquema de la red derivaciones de los nodos
122
En el plano de la red se establece la velocidad de transmisión de 500K bit/s de acuerdo la
distancia de la red diseñada siendo de 29.4 metros.
Para las salidas de señales eléctricas de los sensores se eligen los equipos Armor block, se
necesitan 2 de 8 salidas digitales para activar los motores (ventiladores y bombas ), en la
figura 5.30 se observa el tipo de block seleccionado de serie 1732D-OB8EM8 de 24 VCD.
Figura 5.30 Armor block de 8 entradas y Características
Para las los actuadores Válvulas de control se elige el Armor Point 1738-IE2VM12 2
entradas análogas 0-10V Para retroalimentación del actuador, y para control se elige el
módulo 1738-OE2VM12 2 entradas análogas 0-10V.
Para los sensores que emiten señales de 0- 40 mA analógicas se eligen los módulos Armor
Point de entradas análogas con las características siguientes.
123
Figura 5.31 Características de los módulos Armor Point.
Los bloques Armor Point se pueden expandir para tener más entradas análogas en un solo
bloque. En este caso se prevé tener módulos con expansión para 2, y 3 Bloques.
124
Los módulos Armor Point se enlazan con Adaptadores de comunicación PointBus. Un
módulo de interface de comunicación E/S ArmorPoint proporciona la interface entre una
red y el backplane E/S ArmorPoint. Con el adaptador se envía una base de terminación, la
cual se usa con el último módulo de E/S. Un adaptador de E/S acepta 63 módulos de E/S
como máximo.
Las características del bloque PointBus seleccionado y modo de conexión se observan en
la siguiente figura.
Figura 5.32 Bloque de comunicación Armor Point
En estos módulos Las fuentes de alimentación eléctrica de expansión pueden usarse para
proporcionar corriente adicional de backplane POINTBus, la fuente de alimentación
necesaria es de 24 VCD a 1 Ampere para la comunicación, en la figura 5.3 se observa la
conexión de la fuente, módulo Point bus y módulos Armor Point.
Los sensores tienen respuesta de salida análoga para registro en módulo de control, las
características de conexión de los sensores y actuadores en los módulos Armor Point se
observan en la siguiente tabla (del plano de comunicación.)
125
Tabla 5.8 Conexión para sensores en la red de comunicación.
De acuerdo a la tabla anterior y el diseño de la red en el programa Integrated
Architecture Builder se observa en la siguiente figura la configuración general de la red
con los módulos de comunicación asignados para la conexión de sensores, de acuerdo a la
identificación de las letras asignadas, se observa también la medida de la red de
comunicación de 34 mts. Este valor es asignado por software siendo el más próximo a la
red diseñada.
Figura 5.33 Esquema de la Red de comunicación y módulos.
En la siguiente página se observa el Plano de la Red de comunicación.
126
PLANO DE RED DE COMUNICACIÓN DEVICENET
Figura 5.34 P-04 Plano de la red de comunicación del invernadero.
127
5.6.2 Conexiones físicas de la Red Devicenet.
La fuente de alimentación para la red será de 24 VCD y contemplando las características
de la demanda de corriente de los módulos de conexión Armor Point y Armor Block.
Tabla 5.9 Características de los actuadores para la red de comunicación
Elementos de control
TAG DESCRIPCCIÓN Código
Voltaje Corriente Cantidad Medio de
control.
FCV Válvula de
control de flujo MN7505A 24 vcd 5VA 2 Fuente cd.
24VCD
VE Ventilador Chaefer 115Vca 2 A 16 Arrancadores
M Bomba de
agua
Water 120Vca 2.5A 2 Arrancadores
Ig Ignitor MAXFire®
Series 100
120VCA 1.5A 2 Contactores
Lamp. Lámparas LED Smart. 127v -------- 2 Contactores
TOTAL 22
Los elementos de control que demandan corriente se conectan a la red solo para recibir
la señal de activación, los arrancadores los contactores así como los sensores tiene
fuentes de CD. De acuerdo a la demanda por separado.
Los arrancadores para las bombas y los ventiladores son de las siguientes características:
Modelo ELR H-l-SC 24 DC control / 500AC 0.6A
Principalmente se ha buscado que tengan el voltaje de control a 24 VCD
Rated control supply voltage US 24 V DC
Rated control supply voltage range with reference
Rated control supply current IS 35 mA
Switching threshold "0" signal, voltage 9.6 V
Switching threshold "1" signal voltage 19.2 V
Output data, load relay
Output name AC output
Nominal output voltage 500 V AC.
128
Nominal output voltage range 48 V AC ... 550 V AC.
Load current max. 600 mA (see derating curve)
Figura 5.35 Arrancador para ventiladores y bombas, conexión electrica.
Si se contemplan 18 motores x la corriente de control 0.6 A se tiene una demanda de 10.8
Amperes
Características del Contactor para ignitores: TeSys serie D 9 a 200 A
24 DC control 0.5 A
Para los 2 Contactores se demanda 1 Amp.
I contactores + I Arrancadores = 1.1 A
Figura 5.36 Contactor para ignitores y diagrama de conexión
(Solo para activación de voltaje hacia los ignitores en determinado tiempo)
129
Para los elementos arrancadores y contactores se deberá poner una fuente por separado
de 24 Volts diferente a la fuente de la red Devicenet.
Las derivaciones en la red se harán por medio de las conexiones de toma T-Port, está se
conecta a la línea de derivación con un mini o micro conector de desconexión rápida. Las
tomas mini T-Port tienen ranura izquierda o derecha para fines de posicionamiento como
se observa en la siguiente figura.
Las conexiones serán de tipo sellado micro.
Figura 5.37 Conexión T-port e identificación de terminales
Las terminales de la red RT1 y RT2 son resistencias que tienen como objetivo reducir las
interferencias dentro de la red, La base resistencia puede ser sellada cuando en el nodo
final se utiliza una toma T-Port del tipo sellado.
La resistencia debe ser de 121 Ohms, 1%, ¼ W, se conectará entre los conductores blanco
y azul.
Figura 5.38 Conexión de Resistencia Terminal.
En la siguiente figura se observa El diagrama de alimentación para los diferentes
elementos de la red.
130
Figura 5.39 Conexión de los elementos
131
Se observa en la figura anterior que los elementos requieren fuentes de alimentación
auxiliares
Fuentes de alimentación 24VCD para la red Devicent.
Fuente de alimentación 24VCD para PLC.
Fuente de alimentación 24VCD para bobinas y contactores.
Fuente de alimentación 24VCD para Actuadores FCV.
Para las conexiones de los sensores con los módulos de entrada o salida en general se
realiza la conexión a los pines de los cables de acuerdo a la I/O configuración de las hojas
de especificaciones, para los módulos Armor Point y Armor Block los cables de conexión
con los sensores son tipo redondo micro, la conexión de los sensores se ve a continuación
teniendo como ejemplo la conexión del sensor de Luz (sensor de flama) con la entrada al
Armor Point 1738IECM12 de 5 Pines, entrada de 4-20 mA.
Figura 5.40 Conexión Eléctrica del sensor de luz
Como se mencionó anteriormente las conexiones se deben realizar por medio del cable
con terminal macho para los módulos Armor Point, en la figura 5.40 se observa el modo
físico de conexión del sensor con el cable que debe conectarse a la terminal hembra del
Armor Point.
132
Figura 5.41 Conexión fisica del sensor de Luz.
Para las conexiones de los sensores de temperatura se eligieron los Módulos Armor Point
1738-IR2M 12 especiales para conexión directa a RTD, en la figura 5.41 se observa la
conexión eléctrica a las entradas del bloque.
Figura 5.42 Conexión del sensor RTD PT 100.
Como ejemplo se vieron las conexiones de los sensores de luz y de temperatura par los
demás sensores se deberá seguir la misma configuración especificada por las hojas de
datos de los módulos elegidos, ya sean para salidas o para entradas sin dejar de tomar en
cuenta que las conexiones deben realizarse con los cables de conexión específicos para
cada bloque, así como verificar las conexiones de la red donde se utilicen terminales
hembra o macho según se requiera.
5.7 Análisis de la planta.
En este caso a partir de la planta del invernadero se hace el control de temperatura por
medio de un lazo cerrado de control, en el cual el punto de ajuste (set point) será el
133
propuesto en el rango de temperatura requerido, los sensores de temperatura son los que
medirán la variable y de acuerdo a su señal entregada al controlador PLC se determinara
la salida para el actuador que es una válvula controlada por el movimiento de un
servomotor. En la figura 5.42 referida en el capítulo 5 del Diagrama simple de flujo del
proceso se pueden ver los componentes de los que se obtiene la función de transferencia
de la planta a partir del balance de energía.
Figura 5.43 Diagrama de flujo del sistema PLC, Válvula e invernadero.
El análisis se enfoca en la temperatura, es la variable principal a controlar por medio de la
manipulación de la servo válvula la cual al abrirse habrá flujo de biogás, para llevar a cabo
la combustión en el quemador, el flujo de aire caliente es impulsado al invernadero con un
ventilador a 8500 CFM (pies cúbicos por minuto), lo cual es un sistema de transferencia
de calor por convección forzada.
Para el balance de energía se toma en cuenta, que el flujo de aire que entra por el ducto
hacia el invernadero es proporcional al flujo de aire que sale por el ducto hacia el
biodigestor, por lo que se busca la ecuación de balance de temperatura dentro del
invernadero de la que se obtiene la función de transferencia de la planta.
134
La capacidad calorífica por el cambio de la temperatura respecto al tiempo es
proporcional al calor de entrada menos el calor de salida.
La ecuación del balance energético en la planta es:
C
= q1- q0…………………………………………………………….……. (5.6)
Donde C es la capacidad calorífica del aire = 1.012 kj/kg* K
1 kcal/ kg K = 4.186 Kj/kg K
:. Cp del aire = 1.012 kj/kg* K = 0.2151 kcal/kg K
q=T/R T es la temperatura inicial.
R = 1/ķ se define como la resistencia térmica del aire, es el cambio en la diferencia de
temperatura en oC entre el cambio en el flujo de calor
Ķ Conductividad termica del aire
Ķ del aire = 5.7x 10-6 Kcal /m s oC ó 0.024 W/m k
Por lo tanto R= 1/ 5.7 Kcal /m s o C = 5.7^-1 Kcal / m s o C = 0.17 Kcal / m s oC
es el cambio de temperatura respecto al tiempo.
q1 =
Calor inicial q0 =
Calor final
De la ecuación C
= q1- q0 se tiene : C
(q1 -
) RC
+ Ti = R q1
Cuando
= 0
= q1 :. q1= q0
Las Propiedades del aire son
Ῥ = Densidad= 1.225 Kg/m3
135
c = Cp = capacidad calorífica = 1.012 kJ/kg* k
Qt= Calor total.
Fórmulas para definir el Intercambio de energía para el invernadero.
Ῥ= m/V m= masa V =volumen
Q = m c ( Tb – Ta ) donde: m= ῬV
El área del invernadero es: A= 33m*15m= 495m2
El volumen del invernadero es: 495m2 * 3.70 Altura = 1831.5 m3
La masa de aire en el invernadero es: (1.225 Kg/m3 ) * 1831.5 m3 = 2243.058 kg
La temperatura: (27-15 oC)= 12 oC = 12 K
Entonces la energía de calor en un rango de temperatura de 15 a 27 C dentro del
invernadero es;
Qt =m c ( Tb – Ta )……………………………………………………….…….(5.7)
= (2 243.058 kg)( 1.012 kJ/kg* k) (12 K) = 27246.03Kj
1cal = 4,2 J :. ( 27 246.03 kj* 1000 ) / 4.2 j= 6.48715 Mcal.
Por lo tanto la energía de calor necesaria para calentar 1831.5 m3 del invernadero en un
rango de (15 a 27) oC es aproximado a 6.48715 Mcal.
5.7.1 Función de transferencia de la planta
De la ecuación de balance de energía RC
+ Ti = R q1 para la función de transferencia
de la planta se continua el desarrollo con Laplace.
RC
+ Ti = R q1
RC ʆ
+ Ti= ʆR q1
RC [sT(s) – T(0)] + T(s) =R q1(S)
136
RC sT(s) + T(s) = R 1
T(s) (RC(s) + 1) = R
T(s )=
………………..……….……..…………………….(5.8)
:. Si C(s) = G (p) M(s)
C(s) = salida , G(p)= F transferencia M (s) = Variable manipulada
G(p) =
……………Función de transferencia de la Planta (invernadero)
5.7.2 Función de transferencia de la válvula
Para la válvula controlada por servomotor la función de transferencia también es de
primer orden ya que el flujo que entra será el mismo que sale de está, siendo regulado
por una ganancia k y una valor de tiempo establecido Ƭ.
La válvula recibe una entrada u(t) y genera una salida y(t).
La ecuación es de forma Ƭ
= K u(t)
La ecuación está escrita en función del cambio del valor de las variables respecto al valor
de estado estacionario. Por lo tanto en general y(0) = 0 , u(0) = 0 .
Tomando la transformadas de Laplace
Ƭʆ
=ʆk u(t)
Ƭ[sY (s)- y(0)]+ Y(s) = kU(s)
ƬsY(s)+ Y(s)=kU(s)
Y(s)(Ƭs+1) = k U(s)
137
Y (s) =U(s)
Y(s)=
……………………………………………………………….………(5.9)
Por lo tanto
Gv =
………………………………………función de transferencia de la Válvula
En el dominio de Laplace U(s) genera una salida Y(s).
Figura 5.44 Bloque de transferencia de la válvula
Donde U(s) es la entrada G(V) es la función de transferencia Y(s) es la salida
Entonces. Y(s) = G(v) × U(s) .
El lazo de control cerrado se muestra en la siguiente figura.
Figura 5.45 Diagrama de bloques del control de la planta
R(s) es la referencia de entrada, el punto de ajuste para el controlador PLC (set
point)
El comparador realiza la operación de sustracción del set point y el dato de
retroalimentación proveniente de los sensores de temperatura.
138
El controlador PID realiza los cálculos de ajuste y envía una respuesta de salida a la
servo válvula.
Gv es la función de transferencia de la válvula
Gp Es la función de transferencia de la Planta
C(s) es la salida del proceso del control
H es la señal de retroalimentación al controlador (sensores)
En la Figura 5.44 la referencia es el punto de ajuste que se da en termino de temperatura
el controlador es el PLC que de acuerdo a la señal de los sensores mandara una salida a la
válvula de control la cual abre o cierra el flujo del gas para su combustión (proceso) y esto
es reflejado en la salida como calor hacia el invernadero.
5.7.3 Diseño del controlador.
Como se ha mencionado anteriormente el controlador será PID (Control Proporcional
Derivativo e integral). Ya que se tienen dos funciones de transferencia a tomar en cuenta
por lo cual la el controlador PID engloba las ventajas de un control completo.
De acuerdo a las funciones de transferencia obtenidas anteriormente el diagrama de
bloques del controlador a lazo cerrado es el siguiente, se ha hecho una retroalimentación
unitaria que estará en operación con la señal de los sensores de temperatura.
Figura 5.46 Diagrama de bloques del control del sistema de calefacción.
La simulación del controlador se hace por medio de Matlab. Como se observa en el
diagrama de bloques siguiente sustituyendo los valores de R, C y T=5 segundos
139
Figura 5.47 Diagrama de bloques del sistema de calefacción en Matlab.
En este diagrama se puede observar que el punto de ajuste es a 26 oC, las variables de R y
C de la función de transferencia de la planta son sustituidos por los valores obtenidos en
los cálculos del análisis de la planta, para la válvula se estimó un Tiempo de reacción de 5
segundos.
En la siguiente grafica se observa la respuesta del controlador ante las ganancias Kp = 1.5,
Ki= 0.19, Kd= .13
Figura 5.48 Grafica de respuesta del controlador.
En este ejemplo la válvula se regula en 5s y en un tiempo aproximado de 50s el sistema
se estabiliza a un punto de ajuste a 26 oC, entre más grande sea la ganancia mayor es el
tiempo de retardo del sistema en establecerse eso es lo que pasara en la realidad, habrá
140
un tiempo mucho mayor al establecimiento del sistema ya que los sensores tardaran en
llegar a un promedio de temperatura para comparar con el punto de ajuste.
5.8 Diagramas de flujo propuestos para la programación de los sistemas del
invernadero
El diagrama siguiente se propone para la operación de programación del sistema de
Ventilación y humedad.
Figura 5.49 Diagrama de flujo del sistema de Humedad.
141
El diagrama siguiente se propone para la operación de programación del sistema de
Calefacción
Figura 5.50 Diagrama de flujo Calefacción.
142
Los diagramas siguientes se proponen para la operación de programación del sistema de
riego e iluminación.
Figura 5.51 Diagramas de flujo del sistema de riego e iluminación.
5.9 Configuración de la red de comunicación Devicenet.
La propuesta de la comunicación Devicenet con el controlador Micrologix 1500 se
establece del mismo modo en que se configura la comunicación de los PLC RLogix 500 y
Compactlogix de Allen Bratley, la diferencia de trabajo radica en que el Micrologix 1500 es
de 32 bits y el Rlogix de 16bits, esta característica se menciona ya que es en el PLC RLogix
que se realiza la simulación de programación del sistema de riego debido a que son los
PLC’s de la escuela que tienen adaptada la instalación de red y software de comunicación
Devicenet, por este motivo se realiza la simulación en este tipo de PLC.
143
A continuación se describe el modo de configuración de la red empezando por la
comunicación entre PLC y PC.
Principalmente se realiza la conexión de la de la PC y PLC por medio del cable ethernet
conectándose en los puertos Rj45 de ambas PC’s, cabe mencionar que para el PLC
Micrologix 1500 la conexión a PC es por medio de comunicación Rs232.
Para poder llevar a cabo la comunicación entre PC y PLC es necesario que las dos PC’s
tengan la dirección IP asignada con el mismo número de nodo de Red.
En la configuración de la conexión de área local se accede a las propiedades, se elige la
configuración protocolo de internet TCP/IP en el cual al entrar a sus propiedades se
puede establecer la dirección IP de la PC dando la opción de usar una dirección
determinada, en la cual se asigna la dirección IP y la submascara de red. En la siguiente
imagen se observa este procedimiento de acuerdo a la descripción.
Figura 5.52 Configuracion de Dirección IP de la PC
La dirección asignada fue 192. 168 1. 6 en esta dirección el número 1 es el nodo de red al
cual se deberá dar también al PLC para establecer en la comunicación, la submascara de
red es 255.255.255.0 al igual es la misma en la configuración del PLC.
Una vez configurada la IP de la PC se da aceptar y queda establecida.
A continuación se configura la comunicación con el PLC.
144
Para la asignación de la Dirección IP del PLC se abre el programa BOOTP- Server para
introducir la dirección, en la figura 5.52 se observa la ubicación de las pestañas hasta
llegar al programa. Esto se realiza si el PLC no tiene una dirección IP asignada.
Figura 5.53 Programa para IP del PLC
Se asigna una dirección IP al PLC teniendo en cuenta el mismo nodo de red 1 en este
caso y un número diferente de equipo; fue 6 para el PLC como se observa a continuación,
una vez asignada la IP se acepta y la dirección aparece en el display ventana física del
PLC.
5.6.1 Configuración del driver de comunicación.
Para configuración de la comunicación entre las PC’s se abre el programa RSlinxClasic.
Después se abre el menú comunicaciones y en configurar drives se elige la conexión
EtherNet /IP Driver, se elige adquirir nueva conexión y después se elige la opción Brouse
RemoteSubnet donde se pone la dirección asignada al PLC para que se establezca la
comunicación, posteriormente se le da aceptar y en el programa Rslinx en el icono de
Rswho aparece el PC del PLC ya comunicado. En las siguientes imágenes se observa este
procedimiento.
145
Figura 5.54 Configuración de comunicación entre PC y PLC.
Figura 5.55 Comunicación entre PC y PLC.
5.6.2 Configuración del rack PLC Rslogix 5561
El PLC ocupado para la simulación, Rslogix 5561 cuenta con un Rack de 7 slots los cuales
se configuran para poder llevar a cabo la interacción de la programación del PLC por
medio de la PC, en el programa Rslinx se pueden observar los módulos que tiene el PLC
conectados en caso de que no se vean las etiquetas de estos físicamente, en la figura 5.55
se observan los slots en el programa Rslinx.
146
Figura 5.56 Configuraciones de los módulos del PLC en el programa.
Se puede ver el siguiente orden de los slots.
En 00 está la PC del PLC LOGIX5561
01 Módulo de comunicación Devicenet.
02 Módulo de comunicación Ethernet.
03 Módulo de 16 entradas digitales (IB16/A DCIN ISOL)
04 Módulo de 16 salidas digitales (OB16I/A DCOUT ISOL)
05 Módulo de entradas y salidas análogas 1756-IF4FXOF2F/A
06 Módulo de comunicación Controlnet.
Estos módulos se configuran en la base del programador en el menú Controller
controllogix dentro de la carpeta I/O del programa Rslogix 5000, se agregan uno a uno,
dando la opción de nuevo módulo, los slots deben quedar de acuerdo al número indicado
en el programa Rslinx. Es necesario configurar todos los slots para no tener errores al
momento de correr el programa.
A continuación se muestra como los módulos han quedado configurados.
147
Figura 5.57 Configuraciones de los módulos del PLC.
Para trabajar con el PLC, cuando se crea un archivo nuevo es necesario indicar el módulo
controlador que se está usando, en este caso es Controllogix 5561. El control maestro es la
PC y por medio del programa envía indicaciones, mientras que el esclavo es el PLC.
Una ves establecida y configurada la comunicación PC PLC se establece la comunicación
Devicenet donde se tendran los actuadores y sensores intercomunicados dirigidos por la
programacion de control PLC.
5.6.3 Configuración de comunicación Devicenet.
Para la configuración de la red se ejecuta el programa RSNETWORKS de Rokwell Software,
en el icono de comunicación se ejecuta el escáner para que detecte todos los
componentes que están conectados a la red, aquí aparecerán los módulos Armor Block de
salidas o entradas digitales y los Módulos I/O Point de entradas y salidas análogas si
existen, así como los sensores que estén conectados en la red.
En la siguiente imagen se observan los componentes de la red.
148
Figura 5.58 Visualización de los componentes de la red Devicenet
Se observa un módulo Armor Block de 8 entradas digitales y un módulo I/O point de
entradas análogas.
Posteriormente se configuran los módulos para que se puedan direccionar las entradas y
salidas en el PLC para su utilizacion e interaccion con los componentes en la red.
En el escáner se da la opción de agregar a scanlist para que se detecte la comunicación
con el PLC, se deben agregar todos los módulos que estén conectados en la red con los
que se vaya a interactuar.
Una vez adicionados todos los módulos se puede ver en el programa Rslinks en el panel de
Rswho que efectivamente ya han sido adicionados y comunicados, como se observa en la
siguiente figura.
Figura 5.59 Adición de los Módulos de entradas y salidas.
149
Una vez configurados los módulos de la Red de comunicación Devicenet se ejecuta el
programa software Rslogix5000 de Rockwell Software para la programación en escalera
necesario para la ejecución de la automatización de algún sistema para el invernadero.
Principalmente se debe probar que no haya errores en la red, para esto en el menú de
programa tags de Rslogix5000 se debe poner 1 de activación de la red Devicenet en la
opción modo Run. Para que se pueda ejecutar y después proceder a la programación por
medio de Tags direccionados en los módulos integrados en la red Devicenet.
5.7 Programacion del Sistema de riego
Como ejemplo de programación se realizó la secuencia del sistema de riego.
En la sigueiente figura se observa la programacion del sistema de riego y la descripcion
continuamente.
Figura 5.60 Programa del sistema de riego
En la línea 0 se tiene las condiciones de inicio del programa así como las condiciones de
paro en caso de alguna falla o emergencia, la condición de nivel bajo en la cisterna
causara un paro como protección a las bombas, así mismo como el sensor de nivel tiene
que estar activado para iniciar las mediciones, en caso de perder comunicación con el
sensor hay paro para protección a las bombas.
El Enclave_ bit acciona el programa cuando las condiciones de inicio son correctas.
150
En la línea 1 se tiene una lámpara que se encenderá como medida de precaución cuando
el nivel de agua se medió para la cisterna.
En la línea 2 se tiene una lámpara que se encenderá cuando el nivel de agua sea bajo,
deteniendo el sistema por completo, en la línea 3 se tiene un Timer el cual cuenta un
periodo de tiempo en el que las bombas están desenergizadas, el lapso de esta condición
será de 11 horas y 40 minutos ya que solo se requiere regar el suelo del invernadero dos
veces por día por 20 minutos, cuando se ha cumplido el tiempo establecido se energiza
tiempo_off.DN que con ayuda de tiempo off_.EN se activaran las bombas y el segundo
timer que retendrá la señal activa durante 20 minutos necesarios de riego, cuando se
activa tiempo_on.DN se resetea el primer timer y el ciclo comienza de nuevo. La
continuación del programa se observa en la siguiente imagen.
Figura 5.61 Programa Del sistema de Riego (continuacion).
151
CAPÍTULO 6 ANÁLISIS DE COSTOS
6.1 Costos relacionados a la construcción de un biodigestor
Para la construcción de un biodigestor para la producción de biogás se consideran los
siguientes factores en tiempo de un mes.
Tabla 6.1 Consideraciones para construir un Biodigestor
COSTOS DE RELACIÓN CARACTERÍSTICA GASTO
ASOCIADOS A OPERACION
Total $368,000.00
Diseño e instalación. $ 3,000.00
Biobolsa (para producir 20m3 día ) $350,000.00
Acondicionar el local del biodigestor (construcción de local)
$10000.00
Mano de obra. $5000.00
PUBLICOS.
Total $12,200.00
Asistencia técnica $1,000.00
Mano de obra. 2 personas
$9,000.00
Equipo para transporte. mensual
$1,000.00
Materia prima para pruebas si se compra. $1200.00
30 costales de 10kg. (depende de la capacidad requerida de
producción de biogás )
EMPLEO DEL EFLUENTE.
Total $9,000.00
Mano de obra. 2 personas
$9,000.00
Equipo para transporte (se queda en el área)
$ 0.00
Almacenamiento.
Transporte hasta el lugar de uso. $ 0.00
UTILIZACIÓN DEL BIOGAS.
Total$ 3000.00
Almacenamiento $0.00
Distribución. $0.00
Adaptación de equipos. $ 3000.00
4. Purificación. $ 0.00
De acuerdo a la tabla el primer año en inversión para la construcción y adaptación del
biodigestor está estimado en $392,000.00
152
6.2 Análisis del costo de producción y consumo del Biogás.
De acuerdo a registros reales en el invernadero sobre el cambio de temperatura, la
retención de calor medida después de la puesta de sol era de 4 horas con temperaturas
de 26oC de 6 de la tarde descendiendo a 20oC a las 10 de la noche sin ninguna fuente de
calor externa que ayudara a evitar la pérdida del calor.
Entonces para establecer los rangos de temperatura de 22 a 26oC se requieren
251,743.091755 BTU cada 4 horas, teniendo en cuenta que se buscara mantener el calor
estable y por mantenerse la combustión de biogás para que no disminuya la temperatura
respecto a la perdida de calor por el ambiente externo al invernadero y si el calor se
mantiene por 4 horas, la perdida de calor con la combustión constante será menor por lo
que se promedia la mitad del tiempo de retención y se suma al tiempo de consumo para
estabilizar el sistema, entonces cada 6 horas se requieren 251,743.091755 BTU.
Suponiendo que de 8 de la noche con un rango de temperatura mínimo requerido de 22oC
A 8 de la mañana manteniendo 22oC mínimo, si se generan 251,743.091755 Btu térmicos
cada 6 horas, para las doce horas se habrá intercambiado 503,486.1835 BTU.
El quemador Schaefer tiene capacidad de gasto para 250,000 Btu-Hora. Si se demanda
aproximadamente 251,743.091755 Btu cada 6 horas, cada hora se demandara
41,957.18167 Btu. El quemador deberá trabajar a un 16% de su capacidad cada hora
mientras se mantenga la temperatura en el rango establecido, con esto se observa que el
quemador tiene la capacidad necesaria para alcanzar inicialmente la demanda de calor, es
decir inicialmente trabajara con un porcentaje mayor mientras se estabilice la
temperatura en el rango establecido.
6.2.1 Comparaciones de uso en gases LP Natural Y Biogás.
Se estima un consumo de gas de acuerdo a la tabla 6.2 de comparación de gasto en
diferentes calentadores.
153
Tabla 6.2 Comparación de gasto de gas.
Para generar 250,000Btu-hra se requiere de 5.12 kg/hra. de gas LP
Para 41957.1816 Btu-hra se requieren 0.859 kg/hra de gas.
Para generar 250,000Btu Btu-hra se requiere de 7.28m3 /hra de Gas natural.
Para 41957.1816 Btu-hra se requieren 1.22m3 /hra de gas natural.
Si 1 metro cúbico de Biogás equivale aproximadamente a: 0.50 kg de gas licuado de
petróleo, para igualar el calor de 0.859 kg de gas Lp. 41957.1816 Btu-hra se requieren
1.7m3hra de biogás.
Si para doce horas se requiere 503,486.1835 Btu, a continuación se hace la comparación
de gases como combustible en la siguiente tabla.
Tabla 6.3 Comparación de gastos en diferentes Gases
El costo diario de producción de biogás para 20m3 necesarios, se estimó a 1/5 parte de 8
horas laborales de 2 hombres, es decir 3.2 horas dedicadas al día para las tareas de
alimentación de materia prima al biodigestor el salario estimado es por persona es de
$150.00 al día (se toma en cuenta 3 horas debido al diseño planeado del horticultor para
Gases
Unidad
Gasto de 41957.1816
BTU-HRA
12 HRAS 503,4086.1
Btu
Mensual (Factor 30
días aprox.)
Anual (factor
12 meses)
Precio Unitario
$
Costo día $
Costo mensual
$
Costo anual
$
Gas L.P. Kg 0.859 10.308 309.24 3710.88 12.40 127.81 3834.57 46014.91
Gas Natural m3
1.22 14.64 439.20 5270.40 4.42 64.706 1941.00 23292.00
Biogás m3 1.70 20.04 601.20 7214.40 0.00 60.00 (mano
de obra)
1800.00 21600.00
154
el biodigestor el cual consiste en tener la alimentación de materia prima muy cerca del
biodigestor y de acuerdo a datos de experiencia para esta tarea).
6.3 Inversión en materiales para la automatización del invernadero
Se analizan los costos de los materiales de los diferentes sistemas así como el costo de su
instalación.
Tabla 6.4 Materiales de la Red eléctrica.
Material Marca Cantidad Unidad Precio unitario
Subtotal
Conductores eléctricos calibre 12”
THW IUSA 500 Metro $2.05 $1025.00
Interruptor principal 100 A
Tres polos
Square D 1 Pieza $1150 $1150.00
Interruptores Termomagneticos
127 10 y 15 A
IUSA 11 Pieza $112.29 $1235.28
Charola para conductores
Agfra 70 Metros $20.00 $1400.00
Tableros Gabinete
Mediomex 8hs64 1 Pieza $4000 $4000.00
Tablero de cargas de 15 elementos
IUSA 8elementos 2 Pieza $450.00 $900.00
Contacto duplex con tapa
Btchino 10 Pieza $19.00 $190.00
ACOMETIDA CFE 2 Pieza $1180.00 $2360.00
Lámparas LED Smart e-level
6 Pieza $1500 $9000.00
Arrancadores
ELR H-l-SC 24 DC Tesys 20 Pieza $2200.00 $44000.00
Tub.Conduit Pared D.
Agfra 50m Metro $29.00 $1450.00
Contactores TeSys serie D 9 a 200 A
4 Pieza $1500.25 $6100.80
Total $ 57550.00
155
Tabla 6.5 Equipos y elemento de los Sistema de Calefacción y Ventilación y Riego.
Material Marca/ Código Cantidad Precio Subtotal
Ventiladores Schaefer 24” 14 $4800.00 $67200.00
Válvula de control 2 $1200.00 $2400.00
Quemador Schaefer 2 $6200.00 $12400.00
Lámparas indicadoras En tablero 12V
----- 16 $20.00 $320.00
Sensor de PH HoneywellSENPH-01130
4 $600.00 $2400.00
Sensor RTD PT 100 Honeywell 6 $250.00 $1500.00
Sensor de humedad Honeywell HIH-5030 4 $300.00 $1200.00
Sensor de presión Efector500 PG2794
2 $500.00 $1000.00
Sensor de flama Honeywell QRE1113 2 $55.00 $110.00
Sensor de flujo (aire) --- 3 $1200.00 $3600.00
Sensor de nivel ----- 1 $ 6300.00 $6300.00
Sensor de CO2 Honeywell 1 $130.00 $130.00
Bomba de agua WaterPump 2 $1100.00 $2200.00
Válvula de paso (manual)
------ 4 $150.00 $600.00
Total $101980.00
La tabla de cotización de material de la red Devicenet se encuentra en los anexos de este trabajo ya que es demasiado extensa, los costos se han obtenido del reporte generado en el programa software Integrated Architecture Builder, en esta sección se señala solamente el precio total del costo de la implementación de la red Devicenet y está dado en dólares.
Tabla 6.6 Costos de los Sistema de la Red de comunicación y control
Precio total USD Precio total MXN
12679.20 183848.40
Se ha considerado un precio de 14.5 pesos por dólar de acuerdo al tipo de cambio actual.
Total Red eléctrica$ 57550.00
Total sistemas calefacción, riego y cultivo $101980.00
Total Red Comunicación $183848.40
Gran Total costo en sistemas de automatización para el invernadero $343378.40
Cotización de mano de obra para instalación de los sistemas.
156
En la tabla se desglosa el costo del personal y mano de obra necesario para la instalación
de los sistemas en el invernadero (por proyecto).
Tabla 6.7 Costo de operación de instalación del sistema automático.
Número de personal PERSONAL COSTO UNITARIO (por proyecto de un mes )
TOTAL MENSUAL
1 Ingeniero en control y automatización
$50,000.00 $50,000.00
1 Técnico en control y automatización
$10,500.00 $10,500.00
2 Técnico electricista $10,000.00 $20,000.00
2 Ayudante electricista $4,500.00 $9000.00
1 Dibujante $7,000.00 $7,000.00
1 Técnico en comunicaciones
$10,000.00 $10,000.00
3 Ayudante General $3,000.00 $9,000.00
Total en pago de salarios por el proyecto en plazo mensual $ 109,000.00
6.4 Análisis de Gastos anuales para el invernadero.
Para realizar un análisis de costos, gastos y beneficios de producción del invernadero se
toman en cuenta los gastos de inversión totales, los salarios estimados para 4 personas, y
los gastos de mantenimiento.
Si el primer año se emplean 4 personas mínimo para las labores en el invernadero se tiene
un gasto de sueldos de $ 4500mes x 12meses x 4 personas= $216,000.00 (aquí se
contemplan las horas hombre para la producción de biogás)
Suponiendo un costo de $1000.00 mensuales (gasolina) en transporte de material
relacionado al cultivo en al año son $24,000.00
Un gasto de agua anual de $5000.00
Un costo de mantenimiento anual de $10,000.00
Total de gastos anuales. $279,000.00
Un pago anual de luz de $24,000.00
157
El pago de luz se ha estimado de acuerdo a 12 horas de consumo equivalentes al factor de
utilización de 50% ya que será medio día de uso de los motores y la iluminación
principalmente.
La tarifa para la Red eléctrica es de acuerdo al concepto agrícola de CFE y es:
Tarifa 9-CU (2012 – 2013) Esta tarifa es de estímulo para los sectores agrícolas y se aplica
para la energía eléctrica utilizada en la operación de los equipos de bombeo y rebombeo
de agua para riego agrícola por los sujetos productivos inscritos en el padrón de
beneficiarios de energéticos agropecuarios, hasta por la Cuota Energética determinada
por la Secretaría de Agricultura, Ganadería, Desarrollo Rural, Pesca y Alimentación. [21]
La cuota es: $ 0.500 por kilowatt-hora de energía consumida (2013)
El cálculo de consumo de energía es el siguiente:
16 motores de ½ HP (.37KWh)= 6.66KWh *12 horas=71.92KWh
2 motores de ½ HP (.37 KWh)= .74K KWh *1 hora=.74 KWh
6 lámparas 1.2 KWh* 12 horas=14.4 KWh
8 contactos para fuentes eléctricas 1.2KWh*24 horas=14.4 KWh
Total KWh por día= 101.46 KWh* 60 días (gasto bimestral cobro de CFE)=6087.6 KWh
6087.6 KWh *$0.50=$ 3043.800
Se estima hasta $4,000.00 en caso de rebasar el gasto establecido de 5000 Watss por línea
como demanda, se puede observar que el consumo de KWh no rebasa los 10KWh por las
dos líneas de energía.
Por lo tanto $ 4000.00 por 6 bimestres son 24,000.00
6.5 Inversión de vegetales en el cultivo.
El área del invernadero de 495m2 puede albergar hasta 3000 plantas de jitomate, si se
compran las plántulas la Inversión para 3000 plántulas de jitomate se tiene:
Precio de $1.20*3000=$ 3600.00
158
6.6 Inversión del Biodigestor y los sistemas de automatización.
Se destacan los totales de los análisis anteriores.
Inversión para la construcción y adaptación del biodigestor $392,000.00
Total costo en sistemas de automatización para el invernadero $ 343378.4
Total en pago de salarios por el proyecto en plazo mensual $109,000.00
Inversión en vegetales= $3600.00
Total de gastos anuales. $279,000.00
Total de inversión el primer año solo de construcción y adaptación del sistema de
automatización , $ 844378.4
Total general con gastos anuales $1 126978.4
En el total de costos se estima un 10% mayor o menor al presupuesto por variación de
precios en el mercado, con este porcentaje se tienen los siguientes costos.
1,126978.4 + 112697.8 = $1,239676.2 Este valor se estima solo como ajuste al
presupuesto en caso de encontrar costos más altos en el mercado.
Por lo que el Gran total de inversión para el proyecto es :$ 1,239676.2
6.7 Análisis de recuperación de la inversión
La siguiente estimación se toma en cuenta a partir del periodo de tiempo de 4 meses en
que se logran los primeros frutos del jitomate.
Aproximadamente se logra 700g x planta en cada corte, contemplando que con el clima
automatizado se logren 95% de las plantas se tendrá en la primer recolecta 700g x 2850
plantas =1995kg aproximadamente 2000 kg que serán vendidos aproximadamente a
precio de $13.00 por kilo, se tendrá $26,000.00.Pesos, si después de la maduración de las
plantas se realizan recolectas de fruto cada 20 días después de la primera se tendrán 12
recolectas más en lo que resta del año equivalentes en 8 meses.
El jitomate es una planta que con los cuidados adecuados produce todo el año, como ya
se tendría un nivel de plantas maduras el segundo año se harían 18 recolectas.
159
Entonces 18 recolectas x 15 pesos x 2000kg =540,000.00 pesos
Los siguientes años en condiciones ideales se tendría el mismo valor de dinero por
producción. Se ha tomado el valor de 15 pesos como precio del jitomate, ya que este varía
de acuerdo a la temporada, encontrándose en ocasiones más caro, o más barato.
En la tabla 6.8 se observa el tiempo en que se recuperaría la inversión de los sistemas de
automatización, tomando en cuenta la inversión de 1,239,676.2
Tabla 6.8 Análisis de recuperación de inversión.
Años
Producción $
Inversión de Gastos anuales $
Recuperación $
Ganancia acumulada $ Ganancias $
1 540,000.00 279000.00 261000.00 261000.00 0.00
2 540,000.00 279000.00 261000.00 522000.00 0.00
3 540,000.00 279000.00 261000.00 783000.00 0.00
4 540,000.00 279000.00 261000.00 1,044,000.00 0.00
5 540,000.00 279000.00 261000.00 1,305,000.00 65323.80
6 540,000.00 279000.00 261000.00
7 540,000.00 279000.00
261000.00
8 540,000.00 279000.00
261000.00
9 540,000.00 279000.00
261000.00
10 540,000.00 279000.00
261000.00
En 5 años aproximadamente se recuperaría la inversión teniendo una ganancia anual de
261,000.00 pesos en los siguientes años.
Nota: El gasto anual engloba gastos de pago a mano de obra a personas y gastos de
servicios públicos.
Cabe mencionar que existe una ganancia por ahorro de fertilizantes ya que el producto
efluente que resulta del proceso del biogás se emplea como tal en los cultivos, este factor
puede contribuir a una recuperación más rápida de la inversión en el invernadero, si se
vende también como fertilizante.
160
Respecto al punto de inversión en cuanto a combustible en la tabla 6.9 se observa la
comparación de gasto del empleo de gases en el tiempo estimado de recuperación de
inversión con Biogas.
Tabla 6.9 Comparación de Gastos en gas en 5 años
gasto en gas anual
gas LP con mano de obra (Costo)
Gas Natural con mano de obra Biogás con mano de obra
$46014.912 $23292.00 $21600.00
1 $67614.912 $44892.00 $21600.00
2 $135229.824 $89784.00 $43200.00
3 $202844.736 $134676.00 $64800.00
4 $270459.648 $179568.00 $86400.00
5 $338074.560 $224460.00 $108000.00
Se estima el gasto de gas en la calefacción más la mano de obra que se ocupa al día ya que
las personas a emplear se contemplan aunque se tuviera una instalación de gas natural o
Lp. instalado.
Se puede ver que la diferencia de gastos entre biogás y gas LP. en 5 años es mucha,
respecto al gas Natural la diferencia es de más de 100,000 pesos, los gastos de estos
combustibles provocarían que fuera más lenta la recuperación de la inversión del sistema
de automatización par el invernadero.
Por otra parte los beneficios de producir biogás son:
Principalmente se obtiene un residuo efluente orgánico nutritivo para las plantas, lo que
representa un ahorro en compra de abonos, que a plazo largo refleja ganancias.
Beneficios Económicos:
• Ahorro en consumo energético (gas GLP, leña, electricidad).
• Ahorro en costos de fertilizantes químicos.
• Potencial de ingreso por medio de la venta del Biol (efluente).
• La oportunidad de mejorar procesos productivos del ganado y/o cultivos.
161
Beneficios a la Salud.
• Reducción de enfermedades respiratorias.
• Reducción de fuentes de enfermedades por manejo del estiércol.
• Menos olores y moscas.
Beneficios al Medio Ambiente.
• Disminución de la deforestación al no necesitar la leña o productos de recursos fósiles.
• Disminución de contaminación de agua al dejar de descargar los desechos a cuerpos de
agua.
• Disminución en la emisión de gases de efecto invernadero.
• Regeneración de la calidad del suelo al cambiar el uso excesivo de los fertilizantes
químicos por el bio-fertilizante.
162
CAPÍTULO 7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
La propuesta general planteada en este trabajo tiene el fin de recuperar un bien material
(invernadero), evitar una perdida monetaria y material con costo mayor a los ciento
cincuenta mil pesos, el cual fue descuidado principalmente por las pocas ganancias que
se obtuvieron debido al clima del lugar donde se encuentra, para que pueda ser
remunerable se propuso la solución con un acondicionamiento climático artificial.
Para poder plantear la solución de un sistema automático en calefacción, riego y clima del
invernadero fue necesario hacer el levantamiento y diseñar los planos en función de los
sistemas que se requieren adaptar para que el sistema automático sea eficiente y se
obtengan ganancias de su implementación, el sistema propuesto para la calefacción tiene
el fin de aprovechar recursos que brindan energía renovable como los desperdicios
orgánicos y excretas de animales con los que cuenta el horticultor, este es un punto
importante ya que de no contar con la materia prima para la generación de biogás sería
más costoso, al igual que obtener otro combustible, por eso es que se ha propuesto la
combustión de biogás como recurso para generar calor y aprovecharlo en la atmosfera del
invernadero para mantener las condiciones de temperatura aptas en el crecimiento de
plantas y vegetales, la contaminación del biogás como se estudió en el desarrollo de la
propuesta es relativamente bajo en comparación con otros gases por ser obtenido de
materia orgánica y de modo que las plantas necesitan CO2 se tiene la ventaja de
suministrarlo directamente de la combustión al invernadero sin riesgos tóxicos para las
plantas, en parte del problema de los residuos diferentes al CO2 como el H2S que resulta
tóxico y corrosivo se soluciona con filtros para este acido purificando el biogás y
manteniéndolo apto para el empleo en el invernadero.
Para el planteamiento apropiado, fue necesario contemplar las variables de
temperatura, humedad PH y CO2 las cuales actúan directamente en beneficio o afectación
el desarrollo de crecimiento de las plantas, es por eso que se propuso usar diferentes
163
sensores que cumplen con los requisitos de medición, para tener un control más exacto
sobre las mediciones de las variables.
Fue necesario hacer el diseño de la red de comunicación Devicenet apta para trabajo en
bajo nivel, es decir en nivel de campo sin mayor perturbación para los bajos rangos de
miliamperios y bajo voltaje de medida que entregan los sensores, lo cual se podría perder
o medir erróneamente con arreglos simples sin redes de comunicación que protejan las
señales.
El tipo de control PID propuesto en este trabajo para el sistema de calefacción se realizó
a partir de que se debe controlar la posición de la válvula para regular el flujo de biogás, se
tiene el fin de poder regular el gasto de biogás para su combustión de acuerdo a la
demanda de energía calorífica dentro del invernadero monitoreada por los sensores, la
manipulación de flujo de este gas es simple es decir solo se requiere regular el flujo sin
tomar en cuenta presiones altas ya que la presión del gas en el biodigestor es la misma del
lugar donde se encuentre instalado ( Presión atmosférica 785mbar).
El sistema de calefacción tiene diferente puntos en los cuales se puede implementar más
de un tipo de control como pudiera ser la velocidad de los ventiladores en función de la
combustión, es por eso que se propone el sistema automático con PLC previendo una
mejora del sistema a futuro, así mismo, como se tiene contemplado adaptar el
biodigestor en el lugar del invernadero y en vista de que se requiere de un rango de
temperatura para acelerar el proceso de producción del biogás fue la elección de
controlador lógico Programable para que se pueda ocupar en más de un sistema diferente
del invernadero.
En el desarrollo de la investigación para este trabajo fue difícil encontrar información
acerca de la aplicación directa de combustión de biogás a plantas, por lo que para el
empleo de este gas con fin a invernaderos se recomienda hacer el análisis previo de la
fuente de obtención del biogás para descartar ácidos no convenientes a los fines
164
requeridos (En caso de ser de rellenos sanitarios o que la degradación de materia prima
contenga residuos químicos).
Los resultados esperados para este plan de automatización es obtener ganancias mayores
que en un sistema sin clima, la inversión en equipo para la automatización del clima puede
ser en un principio alta, sin embargo la recuperación monetaria se verá en el tiempo ya
que se estaría obteniendo un combustible en costo menor a 50% que el costo del gas LP
por ejemplo.
El análisis de costos realizado refleja la remuneración de la inversión en 4 años y medio
aproximadamente, y ganancias de más de doscientos cincuenta mil pesos anules libres de
gastos, la contaminación del gas por excretas en el medio ambiente sin ser quemado se
reduce al emplearlo como combustible, así mismo de la producción de biogás se puede
obtener energía eléctrica por medio de máquinas de combustión teniendo un punto más a
favor para implementar un sistema autosustentable para el invernadero.
165
BIBLIOGRAFÍA
Tesis, y Libros
[1] Tesis UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Zacatecas, Zac., Carlos
Alejandro Guerrero Méndez
[7] BoletínUNAM-DGCS-195 Ciudad Universitaria. 29 de marzo de 2013
[10] MANUAL PARA LA PRODUCCION DE BIOGAS / Instituto de Ingeniería Rural
/I.N.T.A. – Castelar / Ing. A. M. Sc. Jorge A. Hilbert
[11] GUÍA PARA EL APROVECHAMIENTO O QUEMA DEL BIOGÁS EN RELLENOS
SANITARIOS (Agencia de Protección Ambiental (EPA) de los Estados Unidos de
América - Comisión de Cooperación Ecológica Fronteriza México - USA (COCEF) -
Asociación Internacional de Administración de Ciudades y Condados (ICMA)-
Latinoamérica. ( 2011 )
[2] Revista BTP Boletín Técnico Porcino BIODIGESTORES N° 5 Mayo 2007
[12] U.S. EPA Estudio De Biogás / Reconstruyendo de las Lecciones
Aprendidas para Promover la Tecnología de Digestión Anaeróbica para el
tratamiento del Estiércol en México www.irrimexico.org/biogas/u-s-epa-estudio-
de-biogas/ (IRRI instituto Internacional de recursos renovables, sistema biobolsa)
[13] Cuadernos temáticos de bioenergía. PRODUCCION DE BIOGAS EN MEXICO
Estado Actual y perspectiva. Edición diciembre 2012 - Red Mexicana de
bioenergía A.C. Autores : Bernd Weber - Marcelo Rojas Oropeza – Miguel Torres
Bernal – Liliana Pampillon González
[15] Guía del cultivo del tomate en invernaderos / Revista university
Mississipistate Publicación 2419
[16] CALEFACCIÓN DE INVERNADEROS EN EL SUDESTE ESPAÑOL Autores: J.C.
López, P. Lorenzo, E. Medrano, M.C. Sánchez-Guerrero, J. Pérez, H.M. Puerto y M.
Arco.
[17] Documentos de prácticas sobre Fundamentos de Automatización Industrial
Realizadas por : Ing. Eloy Irigoyen Gordo y Darío Orive Revillas
166
[18] Documentos de apuntes sobre instrumentación y Elementos de control de la
unidad 1- 6 de la materia Elementos de transmisión y control de la Carrrera ICA.
Referentes al libro INSTRUMENTACION INDUSTRIAL de Antonio CreusSole 6ª
Edición.
[19] Manual de producción de tomate rojo bajo condiciones de invernadero para el
valle de mexicali, baja california Raúl Nuño Moreno noviembre 2007
[20] Libro Ingenieria de Control de W. Bolton 2ª Edicion
PAGINAS WEB.
[3] www.proceso.com.mx/?p=3293762
[4] www.energiamadre.com/biocombustibles-biogas.php
[5 ]www.elcaudillo.com.mx/index.php/ciencia-y-tecnologia-articulos/9962-
produce-ciudad-de-mexico-hasta-dos-millones-de-m3-en-biogas
[6] www.dgcs.unam.mx/boletin/bdboletin/2013_195.html
[8 ]www.mopesa .com
[9] www.bionatur.comhttp://www.freshplaza.eshttp://www.almerimex.com
[14]www.infoagro.com / información sobre los parámetros a considerar en el
control climático de un invernadero
[21] www.cfe.com.mx
167
Anexos
1.1 Diseño de la red Devicenet Del invernadero con el software: Integrated
Architecture Builder
Tablas de cotización en USD del sistema de Red Devicenet.
NETWORKS
Cant. Referencia Descripción Precio unidad Total Price
DeviceNet001 : Trunk
1 1485A-C2 DEVICENET, DEVICENET MEDIA, ACCESORIO KWIKLINK,
ELEMENTO DE RESISTENCIA 5.76 5.76
1 1485A-T1M5 DEVICENET, DEVICENET MEDIA, ACCESORIO KWIKLINK,
TERMINADOR, MACHO, TIPO MINI 31.10 31.10
1 1485C-P1A Thick Cable, Grey PVC, 8 Amp or 4 Amp NEC (31.0m reqd.) Included in
Bulk Cable
Section
Included in Bulk
Cable Section
1 1485C-P1C Thin Cable, Yellow CPE, 4 Amp (1.0m reqd.) Included in
Bulk Cable
Section
Included in Bulk
Cable Section
3 1485C-P1N5-M5 DEVICENET, DEVICENET MEDIA, CONECTOR, MACHO Y HEMBRA,
MACHO / HEMBRA CONECTOR, 1 M 60.80 182.40
5 1485G-P1M5-C DEVICENET, DEVICENET MEDIA, REDONDO, CONJUNTOS DE
CABLE, RECTO MINI MACHO A CONDUCTOR, 1 M 46.10 230.50
6 1485P-P1N5-MN5KF DEVICENET, DEVICENET MEDIA 65.00 390.00
1 1485T-P2T5-T5 DEVICENET, DEVICENET MEDIA, POWERTAP, CONEXIÓN TRUNK
CON FUSIBLE DE 7, 5 A 240.00 240.00
1 1606-XLDNET8 DeviceNet Power Supply - 192W, 24V DC, 8.0 A Included in
Hardware
Section
Included in
Hardware
Section
2 1732D-OB8EM8 ARMORBLOCK 16 SALIDAS DE 0,5A @ 24 VCC PARA DEVICENET
CONECTORES M8 PARA E/S Included in
Hardware
Section
Included in
Hardware
Section
168
3 1738-ADN12 ADAPTADOR DEVICENET M12 Included in
Hardware
Section
Included in
Hardware
Section
1 1764-LRP PROCESADOR LRP PARA MICROLOGIX 1500, CON 2 PUERTOS
SERIE Y 12 K DE MEMORIA Included in
Hardware
Section
Included in
Hardware
Section
5 871A-TS5-D1 SISTEMAS DE CONEXIÓN, CC MICRO, CONECTOR, AXIAL, CABLE
DIÁ. 6 - 8 MM, 18 AWG, NEMA 6, IP67, QD 5 PINES MICRO M12, 1
RANURA
40.50 202.50
3 871A-TS5-N3 SISTEMAS DE CONEXIÓN, TIPO MINI, CONECTOR, AXIAL, CABLE
DIÁ. 12 - 14 MM, 16 AWG, NEMA 6, IP67, QD 5 PINES MINI 48.50 145.50
1 871A-TS5-NM1 SISTEMAS DE CONEXIÓN, TIPO MINI, CONECTOR, AXIAL, CABLE
DIÁ. 4.5 - 7 MM, 16 AWG, NEMA 6, IP67, QD 5 PINES MINI 46.20 46.20
2 871A-TS5-NM3 SISTEMAS DE CONEXIÓN, TIPO MINI, CONECTOR, AXIAL, CABLE
DIÁ. 12 - 14 MM, 16 AWG, NEMA 6, IP67, QD 5 PINES MINI 48.50 97.00
Subtotal: 1570.96
AuxPwr001 : AuxPower_0
Cant. Referencia Descripción Precio unidad Total Price
2 1485A-CAP DEVICENET, DEVICENET MEDIA, ACCESORIO KWIKLINK, TAPÓN
DE TERMINACIÓN (LÍNEA TRONCAL) 5.64 11.28
2 1485T-P1E4-C1 DEVICENET, DEVICENET MEDIA, KWIKLINK, FLAT MEDIA SYSTEM,
CONECTOR POR ENERGÍA AUXILIAR AISLANTE POR
DESPLAZAMIENTO, CABLE DROP, 24 VCC, 8 A, CABLE CONEXIÓN
FINAL, 1 M
112.00 224.00
1 1606-XLE120E 120W. XLE POWER SUPPLY 267.00 267.00
1 1738-ADN12 ADAPTADOR DEVICENET M12 Included in
Hardware
Section
Included in
Hardware
Section
1 871A-TS4-N2 SISTEMAS DE CONEXIÓN, TIPO CC MICRO, CONECTOR 43.80 43.80
AuxPwr001 Combined Segments
1 1485C-P1L KwikLink Auxiliary Power Cable: 4 Conductor, PVC Cable, Black,
Unshielded (1.0m reqd.) Included in
Bulk Cable
Section
Included in Bulk
Cable Section
169
AuxPwr002 : AuxPower_0
Cant. Referencia Descripción Precio unidad Total Price
2 1485A-CAP DEVICENET, DEVICENET MEDIA, ACCESORIO KWIKLINK, TAPÓN
DE TERMINACIÓN (LÍNEA TRONCAL) 5.64 11.28
2 1485T-P1E4-C1 DEVICENET, DEVICENET MEDIA, KWIKLINK, FLAT MEDIA SYSTEM,
CONECTOR POR ENERGÍA AUXILIAR AISLANTE POR
DESPLAZAMIENTO, CABLE DROP, 24 VCC, 8 A, CABLE CONEXIÓN
FINAL, 1 M
112.00 224.00
1 1606-XLE120E 120W. XLE POWER SUPPLY 267.00 267.00
1 1738-ADN12 ADAPTADOR DEVICENET M12 Included in
Hardware
Section
Included in
Hardware
Section
1 871A-TS4-N2 SISTEMAS DE CONEXIÓN, TIPO CC MICRO, CONECTOR 43.80 43.80
AuxPwr002 Combined Segments
1 1485C-P1L KwikLink Auxiliary Power Cable: 4 Conductor, PVC Cable, Black,
Unshielded (1.0m reqd.) Included in
Bulk Cable
Section
Included in Bulk
Cable Section
Subtotal: 546.08
AuxPwr003 : AuxPower_0
Cant. Referencia Descripción Precio unidad Total Price
2 1485A-CAP DEVICENET, DEVICENET MEDIA, ACCESORIO KWIKLINK, TAPÓN
DE TERMINACIÓN (LÍNEA TRONCAL) 5.64 11.28
2 1485T-P1E4-C1 DEVICENET, DEVICENET MEDIA, KWIKLINK, FLAT MEDIA
SYSTEM, CONECTOR POR ENERGÍA AUXILIAR AISLANTE POR
DESPLAZAMIENTO, CABLE DROP, 24 VCC, 8 A, CABLE
CONEXIÓN FINAL, 1 M
112.00 224.00
1 1606-XLE120E 120W. XLE POWER SUPPLY 267.00 267.00
1 1738-ADN12 ADAPTADOR DEVICENET M12 Included in
Hardware Section Included in
Hardware
Section
1 871A-TS4-N2 SISTEMAS DE CONEXIÓN, TIPO CC MICRO, CONECTOR 43.80 43.80
AuxPwr003 Combined Segments
1 1485C-P1L KwikLink Auxiliary Power Cable: 4 Conductor, PVC Cable,
Black, Unshielded (1.0m reqd.) Included in Bulk
Cable Section Included in Bulk
Cable Section
Subtotal: 546.08
170
Hardware
Cant. Referencia Descripción Precio unidad Total Price
Cant. Referencia Descripción Precio unidad Total Price
PS001
1 1606-XLDNET8 DeviceNet Power Supply - 192W, 24V DC, 8.0 A 687.00 687.00
Subtotal: 687.00
MicroLogix1500_005
1 1761-NET-DNI INTERFACE DEVICENET (DNI) N/A N/A
1 1764-24AWA BASE DE MICROLOGIX 1500, ALIMENTACIÓN 220VCA, 12E
110VCA, 12S RELÉ 744.00 744.00
1 1764-LRP PROCESADOR LRP PARA MICROLOGIX 1500, CON 2 PUERTOS
SERIE Y 12 K DE MEMORIA 489.00 489.00
Subtotal: 1233.00
ArmorBlock001
Cant. Referencia Descripción Precio unidad Total Price
1 1732D-OB8EM8 ARMORBLOCK 16 SALIDAS DE 0,5A @ 24 VCC PARA DEVICENET
CONECTORES M8 PARA E/S 217.00 217.00
Subtotal: 217.00
ArmorBlock002
Cant. Referencia Descripción Precio unidad Total Price
1 1732D-OB8EM8 ARMORBLOCK 16 SALIDAS DE 0,5A @ 24 VCC PARA DEVICENET
CONECTORES M8 PARA E/S 217.00 217.00
Subtotal: 217.00
ARMPT C,D,E,F,G,H,I
Cant. Referencia Descripción Precio unidad Total Price
1 1738-ADN12 ADAPTADOR DEVICENET M12 469.00 469.00
1 1738-IE2CM12 MODULO DE 2 E. ANALOGICAS DE INTENSIDAD CON
CONECTORES M12 344.00 344.00
2 1738-IE2VM12 MODULO DE 2 E. ANALOGICAS DE VOLTAJE CON CONECTORES
M12 344.00 688.00
1 1738-IE4CM12 24VDC 4 ANALOG CURRENT INPUTS WITH M12 CON 615.00 615.00
1 1738-IR2M12 MODULO DE 2 E. RTD CON CONECTORES M12 367.00 367.00
171
1 1738-OE2VM12 MODULO DE 2 S. ANALOGICAS DE VOLTAJE CON CONECTORES
M12 367.00 367.00
Subtotal: 2850.00
ARMPT A,B
Cant. Referencia Descripción Precio unidad Total Price
1 1738-ADN12 ADAPTADOR DEVICENET M12 469.00 469.00
1 1738-IE2CM12 MODULO DE 2 E. ANALOGICAS DE INTENSIDAD CON
CONECTORES M12 344.00 344.00
1 1738-IE2VM12 MODULO DE 2 E. ANALOGICAS DE VOLTAJE CON CONECTORES
M12 344.00 344.00
Subtotal: 1157.00
ARMPT J,K,L,M,N
Cant. Referencia Descripción Precio unidad Total Price
1 1738-ADN12 ADAPTADOR DEVICENET M12 469.00 469.00
1 1738-IE2VM12 MODULO DE 2 E. ANALOGICAS DE VOLTAJE CON CONECTORES
M12 344.00 344.00
1 1738-IE4CM12 24VDC 4 ANALOG CURRENT INPUTS WITH M12 CON 615.00 615.00
2 1738-IR2M12 MODULO DE 2 E. RTD CON CONECTORES M12 367.00 734.00
Subtotal: 2162.00
Consolidated Network Spool Cables
1 1485C-P1A50 Thick Cable Spool, Grey PVC, 8A (4A NEC), NEMA 4/6P, IP67 (50
m) (31.0m total reqd.) 354.00 354.00
1 1485C-P1C50 Thin Cable Spool, Yellow CPE, 4 A, NEMA 4/6P, IP67 (50 m) (1.0m
total reqd.) N/A N/A
1 1485C-P1L75 DEVICENET, DEVICENET MEDIA, KWIKLINK, CABLE POR ENERGÍA
AUXILIAR, CABLE BAJO (CLASE 1), 24 VCC, 8 A, PARA AUX. POWER
TRUNK, PVC, NEGRO, BOBINA 75 M
593.00 593.00
Subtotal: 947.00
Gran total : 12679.20 USD.
172
1.2 Documentación del proyecto DEVICENET (Plataformas para el proyecto)
1.2.1 Platforma 'PS001'
Datos sobre rendimiento: N/A
Información sobre layout:
Ranura # Referencia Información adicional
N/A 1606-XLDNET8
1.2.2 Platforma 'MicroLogix1500_005'
Datos sobre rendimiento:
Fuente
Alimentación
mA disponibles
en 5V
mA disponibles
en 24V
Max 5V Max 24V
1764-24AWA 1870 400 2250 400
173
Información sobre layout:
Ranura # Referencia Información adicional
0 1764-24AWA conectado a red 'DeviceNet001' con dirección 0
0 1764-LRP conectado a red 'DeviceNet001' con dirección 0
0.1 1761-NET-DNI conectado a red 'DeviceNet001' con dirección 0
1.2.3 Platforma 'ArmorBlock001'
Datos sobre rendimiento: N/A
Información sobre layout:
Ranura # Referencia Información adicional
0 1732D-OB8EM8 nodo '.' conectado a red 'DeviceNet001' con
dirección 1 nodo 'Aux' no conectado
174
1.2.4 Platforma 'ArmorBlock002'
Datos sobre rendimiento: N/A
Información sobre layout:
Ranura # Referencia Información adicional
0 1732D-OB8EM8 nodo '.' conectado a red 'DeviceNet001' con
dirección 2
nodo 'Aux' no conectado
1.2.5 Platforma 'ARMPT C,D,E,F,G,H,I'
175
Datos sobre rendimiento:
Fuente
Alimentación
mA disponibles
en 5V
mA disponibles
en 24V
Max 5V Max 24V
0 0 0 0
Información sobre layout:
Ranura # Referencia Información adicional
N/A 1738-ADN12 nodo '.' conectado a red 'DeviceNet001' con
dirección 4
nodo 'Aux' conectado a red 'AuxPwr003' con
dirección 0
1 1738-IR2M12
2 1738-IE4CM12
3 1738-IE2VM12
4 1738-OE2VM12
5 1738-IE2VM12
6 1738-IE2CM12
1.2.6 Platforma 'ARMPT A,B'
176
Datos sobre rendimiento:
Fuente
Alimentación
mA disponibles
en 5V
mA disponibles
en 24V
Max 5V Max 24V
0 0 0 0
Información sobre layout:
Ranura # Referencia Información adicional
N/A 1738-ADN12 nodo '.' conectado a red 'DeviceNet001' con
dirección 3
nodo 'Aux' conectado a red 'AuxPwr002' con
dirección 0
1 1738-IE2CM12
2 1738-IE2VM12
1.2.7 Platforma 'ARMPT J,K,L,M,N'
Datos sobre rendimiento:
Fuente
Alimentación
mA disponibles
en 5V
mA disponibles
en 24V
Max 5V Max 24V
0 0 0 0
177
Información sobre layout:
Ranura # Referencia Información adicional
N/A 1738-ADN12 nodo '.' conectado a red 'DeviceNet001' con
dirección 5
nodo 'Aux' conectado a red 'AuxPwr001' con
dirección 0
1 1738-IR2M12
2 1738-IE4CM12
3 1738-IR2M12
4 1738-IE2VM12