Construcción de un Simulador Climático de Invernaderos Mediante

Construcción de un Simulador Climático de Invernaderos Mediante Instrumentos Virtuales
"La aplicación SCADA y los módulos de control del
simulador han sido desarrollados con el entorno de
programación NI LabVIEW, utilizándose una
arquitectura Productor/Consumidor basada en
eventos. En ella se incorporan todos los sensores y
actuadores de climatización más habituales en la
producción bajo invernadero de España"
- Adriana C. Guimaraes, Departamento de Ingeniería Agrícola y Forestal. Universidad de
Valladolid.
El Reto:
Lea el Caso
En este trabajo se presenta el desarrollo de un simulador lógico y físico del clima de invernaderos, con el objetivo de poder ser empleado en la
formación de técnicos agrícolas en las técnicas y nuevas tecnologías actualmente utilizadas para el control y manejo de estos sistemas. Además de de Estudio
Completo
la finalidad formativa, la aplicación SCADA desarrollada para soportar el simulador está perfectamente operativa para ser empleada en el control
real de invernaderos.
La Solución:
La solución fundamental del presente trabajo ha sido el desarrollo de una plataforma SCADA flexible integrada en un simulador lógico para el control
climático de invernaderos. El trabajo se ha completado con un simulador físico que constituye el banco de ensayos de algoritmos y estrategias de
manejo de los invernaderos.
Autor(es):
Luis M. Navas - Departamento de Ingeniería Agrícola y Forestal. Universidad de Valladolid.
Joaquín M. Vera - Departamento de Ingeniería Agrícola y Forestal. Universidad de Valladolid.
J. Alberto Martín - Departamento de Ingeniería Agrícola y Forestal. Universidad de Valladolid.
Adriana C. Guimaraes - Departamento de Ingeniería Agrícola y Forestal. Universidad de Valladolid.
Luis M. Cárcel - Departamento de Ingeniería Agrícola y Forestal. Universidad de Valladolid.
El sector de la producción agrícola bajo invernadero es uno de los entornos productivos agropecuarios más desarrollados tecnológicamente,
en donde se emplean soluciones y técnicas de una complejidad similar a las utilizadas en cualquier otro sector industrial (a este tipo de
invernaderos se les conoce como “invernaderos industriales”). Este hecho, junto a la gran importancia económica de este sector productivo
en España (España es el segundo país del mundo en superficie cultivada bajo plástico y el primer productor europeo de hortalizas y plantas
ornamentales en invernaderos), hacen que la formación de los técnicos agrícolas en el manejo de invernaderos utilizando nuevas
herramientas de control sea imprescindible.
Sin embargo y a pesar de la importancia antes mencionada, el nivel de automatización y control de nuestras instalaciones de invernaderos es
inferior al de otros países de nuestro entorno, como Francia, Holanda o Dinamarca, en los que, cada vez con mayor frecuencia, el control
automático de los invernaderos y la monitorización de los mismos se realizan con soluciones programables desde PC. Por ello, para
continuar impulsando este sector productivo en España, es necesario seguir modernizando nuestras explotaciones de invernaderos y mejorar
la capacitación de los técnicos que las operan, objetivo principal al cual atiende este trabajo. No obstante lo anterior, el simulador climático
creado tiene completamente operativas todas sus funcionalidades, por lo que constituye una autentica aplicación SCADA para ser utilizada
en tareas de control de instalaciones reales de invernaderos.
Objetivos
Los invernaderos son estructuras cuyo objetivo es proveer las condiciones climáticas adecuadas para un crecimiento vegetal satisfactorio a lo
largo de todo el año. Para conseguir dichas condiciones, las variables de estado del sistema con las que se ha de trabajar son temperatura,
humedad relativa, concentración de CO 2 y nivel de irradiación solar, todas ellas referidas al ambiente interior. Estas variables de estado del
proceso climático constituyen las variables manipuladas, con las cuales se intentan corregir las desviaciones en las dos variables objetivo del
crecimiento vegetal: Ritmo de asimilación fotosintética y ritmo de transpiración.
El objetivo fundamental del presente trabajo ha sido el desarrollo de una plataforma SCADA flexible integrada en un simulador lógico para el
control climático de invernaderos. El trabajo se ha completado con un simulador físico que constituye el banco de ensayos de algoritmos y
estrategias de manejo de los invernaderos.
La plataforma SCADA de simulación ha sido diseñada lo suficientemente completa y flexible para que se pueda adaptar a los dispositivos y
configuraciones de manejo de climatización más frecuentes (cubre aproximadamente el 90 % de las soluciones de sensores y dispositivos de
climatización existentes hoy en el mercado). El sistema permite, como características básicas, la adquisición y registro de datos, introducción
de consignas, monitorización de los procesos y gestión de las alarmas. Las utilidades añadidas más importantes consisten en la posibilidad
de empleo de distintas estrategias y algoritmos de control en la misma plataforma, habiéndose implementado hasta el momento tres
opciones: control feedback, control feedback-feedforward y control predictivo multivariable.
Material y métodos
La aplicación SCADA y los módulos de control del simulador han sido desarrollados con el entorno de programación NI LabVIEW,
utilizándose una arquitectura Productor/Consumidor basada en eventos. En ella se incorporan todos los sensores y actuadores de
climatización más habituales en la producción bajo invernadero de España, entre los que cabe citar los siguientes:
Actuadores de climatización: calefacción por aire caliente (aerotermos), calefacción por agua caliente, ventilación natural y forzada,
humidificación por nebulización (a baja y alta presión), refrigeración activa mediante cooling system y pantallas evaporativas, suministro
de CO2 mediante inyección directa, iluminación fotosintética y fotoperiódica, pantallas térmicas y mallas de sombreo.
Sensores: temperatura interior y exterior, humedad relativa interior y exterior, radiación solar exterior e interior, sensor fotoeléctrico,
velocidad y dirección del viento, sensor de lluvia y sensor de concentración de CO 2.
Respecto al soporte físico del sistema, la solución hardware implementada está basada en una arquitectura de control distribuido, de modo
que un ordenador central supervisa el proceso en su conjunto, comunicándose por red Ethernet con unidades remotas E/S, para las cuales
se han elegido los módulos NI FieldPoint, que a su vez se comunican con los sensores y actuadores del sistema.
Resultados
El usuario del simulador, a través de un sinóptico de proceso, queda informado de los datos actuales de los sensores y del funcionamiento de
los actuadotes, y, dependiendo de su nivel de acceso a la aplicación, podrá acceder a
la visualización de históricos (en forma gráfica, tabla de datos instantáneos o máximos y mínimos), la gestión de alarmas, el control manual
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la visualización de históricos (en forma gráfica, tabla de datos instantáneos o máximos y mínimos), la gestión de alarmas, el control manual
del invernadero, la configuración de sensores, actuadores, consignas, alarmas y algoritmos de control, y la administración de los usuarios.
También se ha incorporado la capacidad de envío de alarmas por mensaje SMS de las incidencias que el usuario considere más importantes.
Para validar el funcionamiento de la plataforma SCADA se ha construido un simulador físico del clima de los invernaderos conectado a los
canales E/S de los módulos FieldPoint. Este simulador genera señales eléctricas análogas a las que envían los transductores de parámetros
climáticos. Las salidas se llevan a un bastidor con actuadores digitales (leds) y analógicos (indicadores), que representan los distintos
actuadores climáticos del invernadero.
Información del Autor:
Luis M. Navas
Departamento de Ingeniería Agrícola y Forestal. Universidad de Valladolid.
Bastidor con el simulador físico del clima de los invernaderos.
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Sinóptico del simulador climático de invernaderos, en el que se muestran los valores medidos por los sensores y el estado el los actuadores.
Legal
Este caso de estudio (este "caso de estudio") fue desarrollado por un cliente de National Instruments ("NI"). ESTE CASO DE ESTUDIO ES PROPORCIONADO
"COMO ES" SIN GARANTÍA DE NINGUN TIPO Y SUJETO A CIERTAS RESTRICCIONES QUE SE EXPONEN EN LOS TÉRMINOS DE USO EN NI.COM.
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