ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
ESCUELA DE INGENIERÍA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL
DE pH PARA CAMA DE CULTIVO EN UN INVERNADERO
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN
ELECTRÓNICA Y CONTROL
RAÚL HERNÁN PROANO BAUZ
DIRECTOR: Dr Luis Corrales
Quito, Diciembre 2002
DECLARACIÓN
Yo RAÚL HERNÁN PROAÑO BAUZ, declaro bajo juramento que el trabajoaquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentada paraningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referenciasbibliográficas que se incluyen en este documento.
A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedadintelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional,según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento ypor ia normatividad institucional vigente.
Raúl H. Proaño Sauz
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Raúl Proaño Bauz, bajo
mi supervisión.
Dr. Luis Corrales
AGRADECIMIENTO
Doy gracias a DIOS por permitirme culminar ia carrera de ingeniería yayudarme en toda mi vida como ser humano.
Agradezco a mis Padres Margarita Bauz y Raúl Proaño Velasco, y a mishermanos Ramiro Proaño y Verónica Proaño por depositar su fe y confianzaen mis tareas y ayudarme en todo lo largo de mi carrera.
Agradezco a los profesores de la Carrera de Ingeniería por forjarme en elaprendizaje de la ciencia y tecnología y un agradecimiento muy especial alDirector de la Escuela de Ingeniería Ing Jorge Molina al haberme facilitado elinstrumental necesario para la realización del presente Proyecto.
Agradezco al Dr Luis Corrales por su acertada dirección y colaboración con laculminación del presente proyecto.
tía
DEDICATORIA
Dedico este trabajo a mis Padres, que con su ejemplo de superación y lealtadguiaron mi camino desde pequeño. Dedico además este trabajo al sectoragrícola de bajos recursos, para que les sirva como una herramienta detrabajo y de esta forma llegar al bien común de la sociedad de nuestro país.
CONTENIDO
RESUMEN.. i
PRESENTACIÓN , ., ., i¡¡
CAPITULO 1
HIDROPONIA: GENERALIDADES
1.1 DEFINICIÓN 1
1.2 CLASIFICACIÓN DE LA HIDROPONÍA... .......... 2
1.3 ELEMENTOS DE LA HIDROPONÍA.......... 3
1.3.1 Sustratos y recipientes. 4
1.3.2 Solución nutritiva...... :. 7
1.3.3 Drenaje.. 9
1.3.4 Sistemas de riego.... .. 9
1.4 CONCEPTO DEL pH E IMPORTANCIA EN LA FERTIRRIGACIÓN...
1.4.1 Definición de pH........... 10
1.4.2 Importancia del pH para los cultivos 11
1.4.3 El pH en la solución de fertirrigación,. .......... 11
1.4.4 pH del agua de riego 12
1.5 MEDICIÓN DE PH........ 16
1.5.1 Elementos de medición 17
1.5.1,1 Sistema de electrodos... 17
1.5.2 Electrodo de vidrio para medidas de pH.... 22
1.5.3 Medidas potenciométricas directas............. 26
1.5.3.1 Definición operacional de pH.... 28
1.5.3.2 Relación entre el valor de pH y la temperatura de la
solución.... 30
1.6 PROPUESTA DE DISEÑO 33
CAPITULO 2
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DELTRANSMISOR DE pH.
2.1 MÓDULO DE ACONDICIONAMIENTO..... 41
2.1.1 Compensación de Temperatura.. 44
2.2 ETAPA OPTOACOPLADORA.... 50
.2.2.1 Acoplamiento de la señal 52
2.2.2 Conversión de frecuencia a voltaje 54
2.3 DISEÑO DE LA ETAPA DE TRANSMISIÓN.. . 56
Z3.1 Fuente controlada de corriente y escalamiento de señal 57
CAPITULO 3
DISEÑO DEL SCADA PARA CONTROL DEL pH
3.1 IMPLEMENTACIÓN DEL HMI DE CONTROL EN INTOUCH. 65
3.1.1 Desarrollo de la interfaz gráfica para control del pH 68
3.1.2 Mando y supervisión del PLC con Intouch 81
3.1.2.1 Establecer comunicación entre el Software Step7-
Mícro/Win y el PLC..... 81
3.1.2.2 Establecer comunicación entre Intouch y el PLC........ 87
3.2 CONTROL DE pH UTILIZANDO EL PLC SIMATIC S7200... 90
3.2.1 Control de pH. en el agua de riego 90
3.2.2 Implementacíón física del circuito cerrado para el control
de pH. en el agua de riego...... 100
3.2.3 Diagrama de flujo del programa ¡mplementado en el PLC
Simatic s7200... 102
3.2.4 Diagrama de control implementado en ei tablero de
mando y diagrama de conexiones en ei PLC... 108
CAPITULO 4
PRUEBAS Y RESULTADOS DEL SISTEMA
4.1 PRUEBAS DEL TRANSMISOR DE pH. 113
4.2 PRUEBAS DEL SISTEMA QUE CONTROLA EL PH EN EL
AGUA DE RIEGO..... 114
4.2.1 Pruebas realizadas a las pantallas del HMI...................... 115
4.2.2 Pruebas del Control del Proceso.... ., 116
CAPITULO 5
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 CONCLUSIONES 125
5.2 RECOMENDACIONES, , 127
BIBLIOGRAFÍA
ANEXOS
A. PROGRAMA DEL PLC SIMATIC S7200 CPU 224.B. CARACTERÍSTICAS DEL PLC SIMATIC S7200 CPU 224.C. ESPECIFICACIONES DEL SENSOR DE pH.D. CARACTERÍSTICAS DE LOS TUBOS "VENTURY"
RESUMEN
E! presente trabajo consiste en diseñar y construir un sistema que permita
hacer el control de pH en una cama de cultivo en un invernadero, para lo cual
se utilizó un PLC y una PC. En el PLC se desarrolló el algoritmo para controlar
el pH, mientras que en ia PC, con la ayuda de la plataforma de desarrollo
Intouch, se diseñó e implemento una HMI que se ajuste a las características
que se esperan de este tipo de programas, como es: que sea "amigable" y
"seguro" para el operador del sistema y así facilité el ajuste de las diferentes
variables que intervienen en ei sistema de control.
El control de! pH en la cama de cultivo se hace suministrando una solución
con un pH determinado. Se aplica el principio que dice que una vez que dicha
solución entra en contacto con el suelo, existe un intercambio iónico entre
estos y dependiendo de las características Físico-Químicas del sueio capta el
valor de pH.
Se tomó como referencia el hecho que dice que las características Físico-
Químicas del suelo, permiten obtener el valor de pH del líquido a aplicarse al
suelo de cultivo. Gracias a este análisis se puede llegar a la conclusión de que
para llegar a un determinado valor de pH en el suelo, el pH del líquido a ser
aplicado no necesariamente debe ser igual al del primero.
Para el control dei pH en el liquido a aplicarse en la cama de cultivo se inyecta
pequeñas dosis de ácido o base según sea el caso El cambio de la variable pH
en una solución es rápido (aproximadamente de 0.5 segundos, dependiendo
del volumen de ia solución y de su concentración) para lo que se utilizó un
algoritmo basado en un control PID ímplementado en un PLC. Para sensar el
valor de pH en la solución se utiliza un sistema de electrodos, que por medio de
un transmisor de 4 a 20 mA diseñado para el efecto, se ingresa la señal de
corriente al módulo analógico del PLC para el respectivo tratamiento y llevar a
cabo el control.
Como ya se mencionó, para la supervisión y control del pH se diseño una HMI
en base a Intouch en una PC. Esta ofrece un ambiente amigable, para dar
valores de ajuste o calibración a ias variables del proceso. También posibilita
llevar un registro sobre el valor de pH en la solución para facilitar su análisis
posterior.
Para establecer la comunicación entre el PLC y el PC se utiliza la versión
demo de! protocolo S7200PPI el cual solo necesita ser cargado en el PC para
establecer dicha comunicación.
El sistema diseñado para medir el pH presenta un error del 1.65%. Este valor
es aceptable según lo que se desprende de la lectura de información técnica de
otros equipos que hacen una labor similar. El tiempo que tarda el sistema en
llegar desde un valor dado al de consigna es aproximadamente de 13 minutos
y el error que se tiene con respecto al valor de pH deseado y el valor de pH
que presenta la solución final que esta lista para ser suministrada al suelo de
cultivo es del 2%.
1.11
PRESENTACIÓN
El constante desgaste del suelo terrestre y la falta de alimentos para satisfacer
las necesidades básicas de nutrición del ser humano han llevado a desarrollar
técnicas en el campo agrícola que tratan de mejorar la calidad y la cantidad de
los productos, sin importar las condiciones climáticas de la zona donde se los
cultiva. Entre los resultados obtenidos se cuenta ahora con invernaderos que
tienen como objetivo "aislar" a la planta en desarrollo del medio ambiente,
protegiéndola de posibles plagas y ofreciéndole un ambiente adecuado para su
desarrollo. Así, una de las ventajas de utilizar un invernadero es que se puede
cultivar plantas no propias de la zona o sembrar ciertas plantas fuera de su
época "natural" o "normal" de cultivo. Así, por citar un caso, se puede sembrar
papas en una zona tropical o melones en zonas de clima frío. Considerando y
tomando en cuenta estas necesidades, en la Escuela Politécnica Nacional se
está llevando a cabo una serie de proyectos que pretenden proveer a los
agrónomos y científicos una herramienta "amigable" y automática que facilite el
control de las diferentes variables que intervienen en ei interior de un
invernadero, afectando de alguna manera el desarrollo de un cultivo. El sistema
les permitiría analizar el efecto de ciertas variables guardando información en
forma automática para su posterior análisis y'evaluación. De entre otras
variables, éste proyecto se concentra en el control del pH del suelo de cultivo.
Tener un control de pH en la cama de cultivo de un invernadero ayuda a
mejorar el crecimiento de una planta, teniendo influencia directa en el sistema
radical de alimentación de la misma, así como también en la disponibilidad de
nutrientes para su alimentación, por lo que teniendo el control de esta variable
la práctica ha demostrado que se mejora la productividad del invernadero en
volumen y calidad del producto cosechado.
IV
Para cumplir con éste propósito, en éste proyecto en el Capitulo 1 se analizan los
factores que inciden para obtener un óptimo desarrollo de la planta, dentro de los
cuales se enfatíza de manera exclusiva el efecto del pH en el suelo de cultivo. Se
complementa la explicación con una descripción de los tipos de suelo utilizados en una
cama de cultivo. También se trata sobre los sensores para medir pH y del efecto de la
variación de la temperatura en la medición del mismo.En el Capítulo 2 se
describen ios circuitos diseñados para obtener una señal de corriente
normalizada de 4 a 20 mA en función de la señal de voltaje que se obtiene a la
salida del sensor de pH que a su vez depende del valor medido en el liquido a
regarse a la cama de cultivo.
En el Capítulo 3 se describe el sistema SCADA que realiza el mando y
supervisión de todas las variables que intervienen en el control de pH
medíante la utilización de INTOUCH y un PLC, permitiendo de esta manera
llevar un registro de las variables más relevantes en un tiempo determinado,
así como dar la automatización necesaria al proceso
El Capitulo 4 trata sobre las pruebas realizadas al transmisor y a todo el
sistema que hace el control de pH en el líquido de riego.
Y, finalmente, en el Capitulo 5 se derivan las conclusiones que se obtuvo "del
presente proyecto y se enuncian recomendaciones que posibilitarían mejorar
el funcionamiento de todo e! sistema de control que aquí se propone.
CAPITULO 1
BÜODROPONÍA: GENERALIDADES
CAPITULO 1
EODROPONÍA: GENERALIDADES
En el crecimiento de una planta son muchos los factores que inciden en
para tener un óptimo desarrollo en la misma, entre los cuales se puede
mencionar a ia temperatura, aeración, radiación, pH, humedad, electro
conductividad entre otros.
Obtener una técnica aplicada a un cultivo hidropónico para mantener los
niveles de pH dentro de rangos adecuados y preestablecidos en una
instalación de invernadero es el objetivo del proyecto donde se permita el
mando, supervisión, registro y control de dicha variable mediante una
interface hombre-máquina de acceso de una manera fácil a usuarios
predefinidos
1.1 DEFINICIÓN
La palabra hidroponía se deriva del griego Hydro -^ agua, y Ponos -^
labor io que significa trabajo con agua, y ésta definición se utiliza
actualmente para describir todas las formas de cultivo sin suelo.
Los medios que se utilizan para el cultivo pueden ser: grava, arena, piedra
pómez, aserrines, arcillas, carbones, cascarilla de arroz a los que se les
añade una solución nutritiva que contiene todos ios elementos esenciales
necesarios para ei normal crecimiento y desarrollo de ia planta.
Otra técnica para e! cultivo de plantas, llamada hiponia, emplea verdaderos
estanques de agua en movimiento, con estrictos controles en el suministro
de nutrientes, oxígeno y temperatura para el desarrollo de inmensas masas
radiculares, responsables del crecimiento y producción de la planta, como
ejemplo de ésta técnica se tiene super-tomateras, capaces de producir en
solo 6 meses cosechas de 13.000 tomates en áreas menores a 200 m2.
En el proceso de absorción de los nutrientes desde el suelo, las raicillas
encargadas de absorber la solución nutritiva deben penetrar en el mismo;
una vez en él, deben expandirse para actuar sobre las partículas de suelo,
romperlas .diluirlas y transformar las sustancias nutritivas encontradas
dentro del terreno y absorber la solución obtenida, para incorporarla al
tejido vegetal. En el proceso de asimilación, las raicillas absorbentes deben
competir con todos los seres orgánicos e inorgánicos presentes en su
camino hacia las partículas de suelo.
En la absorción de las soluciones nutritivas de los cultivos hidropónicos las
raíces de las plantas son humedecidas con una solución nutritiva que
contiene las mismas sales disponibles para las plantas cultivadas en
tierra.
La diferencia entre una y otra forma de cultivar esta en el tiempo, calidad y
trabajo de absorción de la solución nutritiva por las raíces.
1.2 CLASIFICACIÓN DE LA HIDROPONÍA
Los elementos presentes en una solución nutritiva son iguales en uno u otro
sistema de cultivo hidropónico, pero el tipo de medio escogido para la
ubicación de las raíces, determina una clasificación de la hidroponía, así:
- Raíz en sólido.
- Raíz en líquido.
- Raíz en gaseosos.
• Raíz en sólido
En este tipo de cultivo las raíces se ubican en un medio sólido como arena,
gravilla, escoria de carbón, ladrillo molido, arcilla expandida, etc. El medio
seleccionado depende de la zona de cultivo; así, en lugares volcánicos se
emplea la piedra pómez, en regiones industriales la escoria de carbón, en
zonas agrícolas la cascarilla del arroz; ias diferentes clases de arenas son
empleadas en zonas urbanas. Los retales de ladrillos libres de materiales de
construcción son también empleados como una alternativa.
• Raíz en líquido
La raíz aparece sumergida en un medio líquido que contiene nutrientes
necesarios para la planta; para este tipo de cultivo se cuenta con varios
sistemas, entre ellos:
N.F.T. Técnicas de cultivo en flujo laminar donde las raíces extendidas
sobre canales reciben láminas delgadas de agua con nutrientes varias
veces al día.
Hypónico: A cada planta se le provee una bandeja con agua, para un amplio
desarrollo de raíces. La solución nutritiva suministrada se pone en continuo
movimiento y la calidad de elementos nutrientes se controla estrictamente.
Potes: Las raíces sumergidas en un medio nutritivo contenido en un pote o
recipiente alcanzan su desarrollo hasta el espacio permitido por el recipiente,
la aireación es constante.
• Raíz en gas
Se denomina también aeropónico, donde las raíces de las plantas se
encuentran suspendidas y son aumentadas por la solución nutritiva en forma
de neblina.
El medio toma en cuenta la disponibilidad de medios o sustratos, cantidades
de agua, costos de montaje, especies a cultivar entre otros.
1.3 ELEMENTOS DE LA HIDROPONIA
Los elementos de un cultivo hidropónico son los ubicados en la parte
radicular de la planta, estos son:
- Sustratos.
- Recipientes.
- Solución nutritiva.
- Oxígeno.
1.3.1 SUSTRATO Y RECIPIENTES
En un cultivo hidropónico se denomina sustrato a un medio material
normalmente sólido en el cual se desarrollan las raíces del cultivo, los
sustratos suelen estar confinados en contenedores que pueden adoptar
distintas formas (abiertas o cerradas), volúmenes (cubos, prismas, cilindros)
y aspectos (a- granel, bolsas, sacos).
Los sustratos deben proporcionar al cultivo todo lo que el requiere y que
normalmente toma por la raíz; agua, nutrientes minerales y oxígeno, son los
componentes más importantes que ios vegetales normalmente absorben por
ésta raíz.
Los sustratos deben contribuir proporcionando también:
1) Oscuridad absoluta para el buen desarrollo del sistema radicular.
2) Temperatura óptima para que la raíz pueda llevar a cabo todas las
funciones que tiene encomendadas como: absorción de nutrientes
minerales, transpiración y movimiento de la savia bruta por el xilema,
respiración celular íntimamente relacionada con la absorción y transporte
de nutrientes, acumulación de sustancias de reserva en algunos cultivos
y síntesis de fitohormonas.
3) Un ambiente propicio para el establecimiento de una microflora favorable
para el cultivo (rizosfera).
4) Un ambiente desfavorable para el desarrollo de microorganismos u otros
agentes que puedan actuar como transmisores o reservorio de plagas y
enfermedades.
Según su origen los sustratos pueden ser orgánicos e inorgánicos;
1) Sustratos orgánicos: Dentro de este grupo se tiene: turbas (negra, rubia,
neutralizada, enriquecida, etc.), sphangum, fibra de coco, sub-productos
agroindustriaies (cascarilla de arroz), residuos forestales (acículas de
coniferas y corteza de pino) y subproductos orgánicos.
2) Sustratos inorgánicos: Pueden ser de origen natural poco o nada
transformados (grava, arena, picón) o transformados (arlita, lana de roca,
perlita, vermiculita).
Un buen sustrato debe reunir las siguientes propiedades físico-químicas:
• Gran capacidad de retención de agua fácilmente disponible, con objeto de
que la planta extraiga el agua necesaria para sus funciones, con el menor
gasto energético posible.
• Aireación suficiente, con el fin de que el oxígeno disuelto en el agua sea un
factor importante para el crecimiento y el buen funcionamiento del sistema
radicular.
• Una granulometría (tamaño de partículas) equilibrada, que garantice el
cumplimiento de las propiedades anteriormente mencionadas. El hecho de
que la granulometría de un sustrato cambie con el tiempo, obliga a la
renovación del sustrato después de un determinado número de años.
• Una densidad baja, lo que hace deseable que el sustrato sea un producto
ligero.
• Una porosidad elevada, de forma que permita una buena aireación y una
elevada capacidad de retención de agua.
• Una estructura estable, que impida la dilatación o contracción del medio.
• Una capacidad de intercambio catiónico compatible con el tipo de
fertirrigación aplicado al cultivo: alta si la fertirrigación es intermitente, y
baja si es permanente.
• Baja salinidad y alta disponibilidad de sustancias nutritivas asimilables.
• Poder tampón (capacidad de amortiguamiento), especialmente para
mantener el pH del medio.
• Velocidad de descomposición lenta.
• Que esté libre de semillas o reservónos de plagas (insectos, larvas o
huevos), enfermedades (hongos, bacterias), nematodos y otros patógenos
o sus vectores.
• Que sea fácil de desinfectar y estable ante los agentes que se pueden
utilizar para desinfectarlo (vapor de agua, solarización, productos
fitosanitarios).
• Estable frente a cambios físicos (temperatura), químicos (pH) y
ambientales.
Los cultivos realizados en un sustrato, según el manejo ai que se ven
sometidos, pueden funcionar por inundación periódica del sustrato ya sea
por subirrigación con recogida del retorno en la misma balsa donde se
guarda la solución nutritiva, o distribuyendo la solución nutritiva mediante
sistemas de goteo. Los sustratos que se caracterizan por su baja capacidad
para retener el agua y los nutrientes (grava, arlita) requieren un aporte de
agua y soluciones nutritivas en forma casi continua. Los sistemas más
utilizados (lana de roca, perlita, fibra de coco, arena) que se caracterizan por
su mayor capacidad de retención de agua, permiten utilizar riegos menos
frecuentes.
Existe una gran cantidad de materiales y sustratos que permite reaiízar
multitud de combinaciones a la hora de instalar un sistema de cultivo sin
suelo, a continuación algunos de los sistemas más tradicionales:
• Cultivo en grava mediante subirrigación.
• Cultivo en arlita (material ligero, utilizado como aislante en la construcción),
un material con baja capacidad de retención de agua, con aporte
superficial de solución nutritiva.
• Cultivo en bancadas, con un sustrato (arena, perlita, turba, fibra de coco)
confinado entre muretes o contenedores construidos con distintos
materiales (ladrillo, hormigón, fibra de vidrio, PVC, polipropileno).
• Cultivo en sacos rellenos con un sustrato orgánico (turbas, cortezas de
árboles, aserrín, fibra de coco), mineral poco transformado (grava, arena,
picón) o mineral muy transformado (lana de roca, perlita) y sintéticos
(poliestireno).
• Cultivo en contenedores de múltiples capacidades de 1 a 100 L de formas
cúbicas, cilindricas, troncopiramidales y materiales polietileno, PVC,
poiiestireno expandido, fibra de vidrio, cerámicos.
• Sistemas cerrado con recuperación de solución, mediante tuberías o
canaletas de retorno, sobre cualquier tipo de sustratos.
1.3.2 SOLUCIÓN NUTRITIVA
La composición y correcto balanceo de nutrientes es un punto importante en
el éxito de las cosechas. Las soluciones deben contener todos los nutrientes
que cada especie cultivada normalmente extrae del suelo.
Al elaborar soluciones a partir de reactivos fertilizantes simples, debe
considerarse la disponibilidad de estos en el mercado, su facilidad de
almacenamiento, solubilidad y costo.
La preparación de las soluciones nutritivas está sujeta a dos elementos:
El agua: para la preparación de las soluciones nutritivas se puede utilizar
agua de pozo, de lluvia bien limpia purificada, de acueducto urbano, o
destilada. El agua de arroyos o de ríos debe asegurar una limpia pureza en
lo referente a materiales orgánicos, así como un contenido no muy elevado
de sales minerales.
Los nutrientes: son de mucha importancia y esenciales para el crecimiento
de la planta. Están divididos en macro-nutrientes que son requeridos en
mayor cantidad por las plantas y los micro-nutrientes requeridos en menor
cantidad.
Así se tiene como elementos macro-nutrientes:
- Carbono
- Hidrógeno
- Oxígeno
- Nitrógeno
- Fósforo
- Potasio
- Calcio
- Azufre
- Magnesio
Y como elementos micro-nutrientes:
Hierro
Manganeso
- Boro
- Zinc
- Cobre
- Molibdeno
- Cobalto
- Cloro
- Oxigeno
Es muy importante la respiración de las raíces. Estas al igual que cualquier
otro organismo formado por células vivas, necesitan oxígeno para respirar.
Este debe llegar desde la superficie a través de los poros abiertos del
sustrato.
La adecuada selección del medio de siembra optimiza el acceso del oxígeno
a cada una de las raíces de la planta. El acceso del oxígeno depende
mucho del recipiente ya que es necesario que se mantenga un buen
drenaje.
1.3.3 DRENAJE
Es una condición esencial en casi todos los cultivos, el exceso de humedad
traducido en encarchamientos permanentes, ocasiona la muerte del sistema
radicular y por consecuencia la de la planta. El drenaje o evacuación de todo
el exceso de la solución nutritiva, permite la penetración de oxigeno para la
respiración y desarrollo de las raíces, así como la eliminación de excedente
de sales.
Se debe mantener un sistema de cultivo que se inunde y drene
intermitentemente y no uno que permanezca inundado.
10
Los sustratos orgánicos como la cascarilla de arroz, viruta de madera
requieren de un excelente drenaje, pues de lo contrario entran rápidamente
en descomposición.
Los sustratos minerales como: arcilla, piedra pómez, escorias de carbón son
más seguros para ei suministro de oxígeno a las raíces.
^ 1.3.4 SISTEMAS DE RIEGOw
Existen dos tipos de riego: el sistema abierto y el cerrado los que serán
utilizados de acuerdo a las condiciones que ofrezca el medio, el costo de los
nutrientes, el equipo a utilizarse, así como también la conveniencia de
reciclar la solución ya utilizada .
^
Sistema abierto: es aquel en el cual la solución nutritiva que se aplica a las
plantas es justamente la necesaria y el drenaje no es reutilizado. La cantidad
tfque se drena es mínima, pues se aplica a la planta solamente lo necesario
para el consumo diario, evitando así el desperdicio de nutrientes.
Sistema cerrado: en este la solución circula a través del cultivo y va a parar a
un tanque desde el cual puede ser reutilizada. En este caso se debe tener
una composición cuidadosamente formulada con el fin de evitar desbalances
nutricionales. Esta solución puede ser utilizada indefinidamente siempre que
se reponga el agua y los nutrientes que vayan consumiendo las plantas.
É1.4 CONCEPTO DE pH E IMPORTANCIA EN FERTIRRIGACIÓN
1.4.1 DEFCSICIÓN DE PH
El pH es un valor variable entre O y 14 que indica la acidez o la alcalinidad
de una solución. El mantenimiento del pH apropiado en el flujo del riego
ayuda a prevenir reacciones químicas de fertilizantes. Un valor de pH
11
elevado puede causar obstrucciones en los diferentes componentes de un
sistema de fertirrigación debido a la formación de precipitados. Un adecuado
pH asegura una mejor asimilabilidad de los diferentes nutrientes
especialmente fósforo y micro-nutrientes.
Las sustancias capaces de liberar iones hidrógeno (H+) son acidas y las
capaces de ceder grupos hidroxilo (OH-) son básicas o alcalinas. De este
modo por ejemplo el ácido nítrico al adicionarlo al agua se ioniza aportando
iones hidrógeno o protones a la solución.
El agua puede comportarse como un ácido o como una base:
Las letras pH son una abreviación de potencial hidrógeno y se introdujeron
para referirse a concentraciones muy pequeñas de iones hidrógeno. Se
define como el logaritmo cambiado de signo de la actividad de los iones
hidrógeno en una solución:
A 25°C, el producto iónico del agua pura |H+|x|OH-| es 1CT14, con lo que en
un medio neutro |H+|=|OH-|-1cr7. Un medio ácido será aquel en el que
|H+|>|OH-| y uno básico aquel en e! que |H+|<|OH-|. Es decir en una
solución acida |H+|>10"7 - pH < 7, en una neutra |H+|=10"7 - pH=7 y en una
básica |H+|<1CT7-pH>7.
12
1.4.2 IMPORTANCIA DEL PH PARA LOS CULTIVOS
El pH de la solución nutriente en contacto con las raíces puede afectar al
crecimiento vegetal de dos formas:
• El pH puede afectar la disponibilidad de los nutrientes. Para que el
aparato radical pueda absorber los distintos nutrientes, éstos obviamente
deben estar disueltos. Valores extremos de pH pueden provocar la
precipitación de ciertos nutrientes con lo que permanecen en forma no
disponible para las plantas.
• El pH puede afectar al proceso fisiológico de absorción de los nutrientes
por parte de las raíces: todas las especies vegetales presentan rangos
característicos de pH en los que su absorción es idónea. Fuera de este
rango la absorción radicular se ve dificultada y si la desviación en los
valores de pH es extrema, puede verse deteriorado el sistema radical o
presentarse toxicidades debidas a la excesiva absorción de elementos
fitotóxicos
1.4.3 EL pH EN LA SOLUCIÓN DE FERTIRRIGACIÓN. DISPONIBILIDAD
DE NUTRIENTES
El pH en las soluciones de fertírrigación, debe permitir la disolución en su
totalidad de los nutrientes sin dañar las raíces, evitando de este modo la
formación de precipitados, algunos de los cuales pueden presentarse en
forma de finísima suspensión invisible al ojo humano que pueden causar
obturaciones en los sistemas de riego e indisponibilidad para la absorción
radical de dichos nutrientes.
El hierro es ei elemento esencial cuya solubilidad resulta más afectada por
el pH, a menos que se adicione diariamente o en forma quelatada; se
encuentra en forma iónica disponible para la planta en menos del 50% por
13
encima de pH 7, mientras que a pH 8 no queda nada disponible debido a su
precipitación en forma de hidróxido férrico FeOH3. Por el contrario por
debajo de pH 6.5 más del 90% del hierro permanece disuelto y disponible
para las plantas. E! manganeso sigue una dinámica similar al hierro.
En el rango de pH 5.0-6.5 la totalidad de los nutrientes se mantienen en
forma directamente asimilable para las plantas. Por encima de pH 6.5 ia
formación de precipitados puede causar importantes problemas y por debajo
de pH 5 puede verse deteriorado el sistema radical, sobre todo en cultivo
hidropónico, donde el poder tamponador del sustrato suele ser muy
pequeño.
1.4.4 pH DEL AGUA DE RIEGO
La mayoría de las aguas de riego que se manejan muestran un pH superior
al óptimo. La cantidad de ácido a aportar para llevar el pH al rango deseado
depende principalmente de la concentración del ion bicarbonato presente en
el agua de riego, ya que reacciona con el mismo según:
HCO~ + H+<¿> H20 + CO
De esta forma, el ion bicarbonato actúa de tampón amortiguando los
cambios de pH del agua de riego, y cuando su concentración es elevada se
precisa mayor cantidad de ácido para su neutralización y ajuste del pH al
valor deseado.
El factor pH es muy importante no sólo para el proceso exclusivo de
fertirrigación, también tiene un importante papel en el uso de plaguicidas a
través del riego (quimigación). Aguas de naturaleza alcalina pueden romper
las moléculas de ciertos plaguicidas reduciendo su actividad química,
mediante un proceso denominado hidrólisis alcalina, sobre todo si los
14
productos permanecen en tanques de mezcla durante un tiempo prolongado
y si la temperatura ambiental es elevada.
El ajuste y control del pH de la solución evita la formación de precipitados y
consiguientes obturaciones en los sistemas de riego, se ahorrará en mano
de obra para ia limpieza de emisores, se alcanzará una mayor durabilidad en
los componentes de la instalación de riego y, sobre todo se logra un estado
óptimo para la nutrición mineral de los cultivos que se traducirá en un
aumento de la productividad y calidad de las cosechas. Ei ajuste del pH en
los cultivos hidropónicos, se lo hace en ef entorno donde se desarrollan las
raíces, con el fin de asegurar una correcta nutrición vegetal.
En la siguiente Tabla 1.1 se indica el rango de pH óptimo para distintos
cultivos:
HORTALIZAS
Hortícolas
Acelga
Apio
Berenjena
Boniato
Bróculi
Calabaza
Cebolla
Col
Col de Bruselas
Coliflor
Escarola
pH óptimo
6.0-7.5
6.1-7.4
5.4-6.0
5.1-6.0
6.0-7.2
5.6-6.8
6.0-7.2
6.0-7.5
5.7-7.2
6.0-7.2
5.6-6.8
FRUTALES
Espárrago
Espinaca
Fresa
Guisantes
Judías
Lechugas
Maíz dulce
Melón
Nabo
Pepino
Pimiento
Rábano
Remolacha
Tomate
Zanahoria
6.3-7.5
6.3-7.1
5.0-6.2
5.9-7.3
5.8-6.8
5.8-7.2
5.6-6.8
5.7-7.2
5.7-6.7
5.7-7.2
6.3-7.8
6.1-7.4
6.0-7.6
5.8-7.2
5.7-7.0
Frutales
Albaricoque
Almendro
Avellano
Café
Castaño
Encina
Grosellero
pH óptimo
6.0-6.8
6.0-6.8
6.0-7.0
5.0-7.0
5.0-6.5
4.8-6.0
6.0-7.0
16
Limonero
Manzano
Melocotones
Membrillero
Naranjo
Nogal
Olivo
Peral
Pino
Platanera
Pomelo
Vid
6.0-7.5
5.3-6.7
5.3-6.8
5.5-7.2
6.0-7.5
6.2-7.8
6.0-7.8
5.6-7.2
5.0-6.0
6.0-7.5
6.0-7.5
5.3-6.7
OTROS
Extensivos
Alfalfa
Algodón
Alpiste
Altramuz
Arroz
Avena
Batatas
Cacahuete
Caña de
azúcar
Cáñamo
pH óptimo
6.5-7.8
5.0-6.2
6.0-7.0
5.0-7.0
5.0-6.5
5.2-7.1
5.3-6.5
5.3-6.5
6.0-7.8
6.2-7.2
17
Cebada
Centeno
Colza
Dáctilo
Girasol
Habas
Lenteja
Lino
Maíz
Mijo
Mostaza
Patatas
Soja
Sorgo
Tabaco
Trébol violeta
Trigo
6.4-7.8
5.3-6.8
5.8-7.1
5.6-7.2
6.0-7.2
7.4-8.1
5.0-7.0
5.5-7,5
5.5-7.5
5.1-6.8
6.0-8.0
5.0-5.8
6.1-7.2
5.8-7.5
5.5-7.3
6.0-7.5
5.5-7.2
Tabla 1.1 Rangos de pH en el suelo óptimos para distintos cultivos
18
1.5 MEDICIÓN DE pH
La determinación cualitativa del valor de pH en alimentos y víveres es
probablemente una de las mediciones mas desarrolladas en el planeta, ya
que su conocimiento está ligado a las condiciones orgánicas que presenta
un ser viviente. Para realizar la medición del valor de pH se emplean
muchas formas, dando siempre un único valor de una única solución sin
alteraciones exteriores, las mismas que siempre deberán dar resultados que
estén dentro del siguiente rango, sea que se presente un estado alcalino o
de acidez.
Acido Neutral Alcalino
pH 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
La titulación de un elemento como ácido o alcalino depende de la
concentración de iones H+ en e! mismo, de acuerdo a la Tabla 1.2.
Rango
Acido
Alcalino
PH
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
H* concentración (mol/1)
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
0.00001
0.000001
0.0000001
0.00000001
0.000000001
0.0000000001
0.00000000001
0.000000000001
0.0000000000001
0.00000000000001
OH^concenlraciónCmol/l)
0.00000000000001
0.0000000000001
0.000000000001
0.00000000001
0.0000000001
0.000000001
0.00000001
0.0000001
0.000001
0.00001
0.0001
0.001
0.01
0.1
1
Tabla 1.2 Concentraciones en mol/l en una solución y su correspondiente
valor de pH.
19
Es muy importante el control y ia regulación de este parámetro en procesos
químicos y biológicos. Con un control exacto es posible tener:
- Manufacturación con atributos definidos.
- Producir productos a bajo costo.
- Prevenir daños en el medio ambiente, materiales y en el humano.
- Satisfacer con normas internacionales en determinados procesos.
1.5.1 ELEMENTOS DE MEDICIÓN
A continuación se revisan algunas alternativas para medir el pH
1.5.1.1 Sistema de electrodos
En un sistema de medición de pH es necesario un electrodo de referencia
y un electrodo indicador, que en la mayoría de los casos se usa como una
combinación de ellos.
- Electrodos de Referencia
Es un electrodo que nos da un potencial conocido y constante. Lo ideal en
este tipo de electrodos es que el mismo cumpla con los siguientes
requerimientos:
- Que sea reversible.
- Que presente un potencial que sea constante en el tiempo.
- Que vuelva al potencial original después de haber estado sometido a
corrientes pequeñas.
- Que presente poca histéresis con ciclos de temperatura.
20
Comerciaimente existen electrodos muy próximos a los requerimientos
mencionados anteriormente, entre otros los más comunes son :
- Electrodo de calomelanos
- Electrodo de plata - cloruro de plata.
• Electrodo de Calomelanos
Consiste de mercurio en contacto con una disolución saturada de cloruro de
mercurio que también contiene una concentración conocida de cloruro de
potasio. Las semi-celdas de calomelanos se puede representar como:
Hg Hg2Cl2(sat), KCl(xM)
La concentración molar de cloruro de potasio viene dada por x. El potencial
de electrodo depende de la concentración de cloruro x, por lo tanto este
valor debe especificarse en la descripción del electrodo.
El inconveniente que presenta este electrodo es que cuando la temperatura
cambia el potencial varía lentamente, debido al tiempo requerido para que
restablezca el equilibrio de solubilidad para el cloruro de potasio. El
potencial del electrodo de calomelanos saturado a25°C es 0.2444 V.
El sistema de electrodos se ilustra a continuación en la Figura 1.1.
21
Cable
L
Tul>o tnreríor que contie-nií
una pasfo de Hg, HgaCía,)-
solución saturada de KCl
Solución ia turada de KCl
Vidrio poroso
(o fibra de
amianto)
Pequeño orificio
Junta de
vidria
Mmerllodo
Figura 1.1 Electrodos de referencia calomelanos
El cuerpo de cada electrodo consiste en un tubo externo de vidrio o plástico
que tiene una longitud de 5 a 15cm y de 0.5 a 1.0 cm de diámetro. Una pasta
de mercurio - cloruro de mercurio esta contenida en un tubo interno el cual
está en contacto con la solución de cloruro de potasio saturada del tubo
externo a través de una pequeña abertura. Para el electrodo (a), el contacto
con el sistema del electrodo indicador (electrodo de vidrio), se logra
mediante un disco de porcelana, una fibra porosa poroso colocada al final
del tubo externo. Este tipo de unión tiene una resistencia de 2000 a 3000 £1 y
una capacidad limitada de transportar la corriente, la contaminación de la
disolución de analito debida a la pérdida de cloruro de potasio es mínima.
El electrodo tipo camisa que se muestra en la Figura 1.1 (b) tiene una
resistencia mucho menor, pero tiende a ceder pequeñas cantidades de
22
cloruro de potasio a la muestra. Antes de utilizar el electrodo se afloja y
hace girar el vidrio esmerilado, de manera que una gota o dos de la
disolución de KCI fluyan a través del agujero y humedezcan toda la
superficie inerte del esmerilado. De esta manera se establece un mejor
contacto eléctrico con la disolución de analito. El electrodo tipo es
particularmente para medidas en disoluciones no acuosas y muestras
pastosas de sedimentos, de soluciones viscosas y suspensiones coloidales.
• Electrodo de plata- cloruro de plata.
Este tipo de electrodo es el más usado, el mismo consiste en un electrodo
de plata sumergido en una disolución de cloruro de potasio que ha sido
saturada de cloruro de plata.
El electrodo es preparado con una disolución de cloruro de potasio
saturada a 3.5 M. Los modelos comerciales son similares en apariencia
externa y se parecen a los electrodos de calomelanos, pero en el electrodo
de plata - cloruro de plata, el tubo interno se sustituye por un hilo de plata
que está recubierto de una capa de cloruro de plata; este hilo está
sumergido en una disolución de cloruro de potasio que está saturada con
cloruro de plata. Para ambos tipos de electrodos se utilizan uniones
similares.
Este electrodo tiene la ventaja que se pueden utilizar a temperaturas
cercanas a los 60 °C, mientras que los calomelanos no. Por otro lado, los
iones de mercurio reaccionan con ciertos componentes minoritarios de ias
muestras más que los iones de plata, que pueden reaccionar con proteínas.
Estas reacciones pueden obturar la unión entre el electrodo y la disolución
de análisis.
23
• Precauciones en ta utilización de los electrodos de referencia.
En la utilización de los electrodos de referencia se debe considerar que el
nivel del líquido interno se mantenga siempre por encima del de la
disolución de la muestra para prevenir la contaminación de la disolución
del electrodo por obturación de la unión debido a la reacción de la solución
del analito con los iones plata o mercurio de !a disolución interna.
Si se mantiene el nivel de liquido por encima del de la disolución de analito,
es inevitable que se contamine algo de la muestra, pero en la mayoría de los
casos la contaminación es tan poca que no es importante. Sin embargo en
la determinación de algunos iones, tales como el cloruro, el potasio, la
plata y el mercurio se deben tomar a menudo precauciones para evitar
esta fuente de error. Una manera frecuente de evitar es poner un segundo
puente salino entre el analito y el electrodo de referencia.
• Electrodos indicadores
En la determinación del valor de pH de una disolución, el segundo y el más
importante elemento es el electrodo indicador, que responde rápidamente y
reproduciblemente a los cambios de actividad del Ion del analito. A pesar de
que ningún electrodo indicador es absolutamente específico en su
respuesta, hoy en día son asequibles algunos que son marcadamente
selectivos. Hay dos tipos de electrodos indicadores metálicos y de
membrana.
• Electrodos indicadores metálicos.
El potencial en un electrodo metálico se produce debido a la tendencia a una
reacción de oxido— reducción en la superficie del electrodo.
Entre los electrodos indicadores metálicos tenemos lo siguientes:
- Los electrodos de primera especie.
- Los electrodos de segunda especie.
- Los electrodos de tercera especie.
- Los electrodos redox.
En el presente trabajo se estudiaran el electrodo indicador tipo membrana,
que es ei que utiliza para realizar la medición en la solución con fertilizantes
y poder realizar el control de pH en la misma,
• Electrodos indicadores de membrana.
El potencial observado es una especie de potencial de unión que se forma
en la membrana que separa la disolución de analito y la disolución de
referencia.
A los electrodos indicadores de membrana se los suele llamar electrodos de
iones ISE debido a la alta selectividad de numerosos cationes y aniones, o
también se refieren a ellos como electrodos de pión, debido a que su
respuesta se da normalmente como una función de pH, pCa o pNCh.
Tipos de electrodos de membrana selectivos de iones:
• Electrodo de membrana cristalino.
1 Cristal único, para F".
2 Policristalina o mezcla de cristales, para S2"y Ag+.
• Electrodos de membrana no cristalina.
1. Vidrio, para Na + y H+.
2. Liquido, para Ca2+y portadores neutros.
25
3. Líquido inmovilizado en un polímero rígido, para Ca2+ y NOa".
Una membrana debe presentar algo de conductividad aunque sea pequeña,
generalmente esta conducción se debe a la migración de iones sencillos
cargados en el interior de la membrana.
1.5.2 ELECTRODO DE VIDRIO PARA MEDIDAS DE pH.
El electrodo consiste en una membrana de vidrio delgada y sensible al pH,
al extremo de un tubo de vidrio de paredes gruesas o de plástico el mismo
es llenado con una solución de ácido clorhídrico saturada con cloruro de
plata, en donde se sumerge un alambre de plata que se conecta a través de
un cable externo a un terminal de un dispositivo para la medida de potencial.
Al pH metro
Electrodo decalomelanossaturado
Solución depH desconocido
Hilo de Ag
Membranade vidriodelgada
Eíecírodo de vidrio
Vidrio deparedes gruesas
Membrana devidrio delgada
HCI 0,1 Msaturado conAgCl
Figura1.2 Sistema de electrodos para la medición de pH
En la Figura 1.2 se observa que la celda contiene dos electrodos de
referencia cada uno con un potencial constante e independiente del pH.
26
Uno de estos electrodos de referencia es el electrodo de calomel externo, el
otro es el electrodo interno de plata - cloruro de plata, que es un
componente del electrodo de vidrio pero que no es sensible al pH y donde la
membrana en el extremo del electrodo es la sensible a cambios de pH. El
siguiente esquemático representa a la celda en la Figura 1.3:
Electrodo de Solución
Referencia 1 externa
SCE
Erefl
Electrodo de vidrio
Solución interna
= a2f[Cl> , AgCl (sat) Ag
E2
Electrodo de referencia 2
Eref2
Potencial Límite
Figura 1.3 Esquemático de una celda de vidrio y calomel en la medición de
PH
En la Figura 1.3 se muestra los potencíales que se forman en una celda
cuando se está determinando el pH con un electrodo de vidrio, Eren y Eref2,
son los potenciales de los electrodos de referencias, el tercer potencial es el
potencial de unión Ej a través del puente salino que separa el electrodo de
referencia de ia disolución de analito. Los potenciales de unión se
encuentran en todas las celdas utilizadas para medidas de la concentración
de ion. El cuarto y el más importante potencial es el potencial límite Eb el
cual varía con el pH de ia solución analizada.
27
El electrodo de referencia únicamente proporcionan los contactos eléctricos
con las soluciones para que los cambios en el potencial límite se puedan
medir.
El potencia! de un electrodo de vidrio tiene dos componentes: el potencial fijo
de un electrodo de plata - cloruro de plata Erefa y el potencial Eb que
depende del pH. Existe un potencial que llamado potencial de asimetría, que
se encuentra en la mayoría de electrodos de membrana, el cual cambia
lentamente con el tiempo, la causa de este cambio no ha podido ser
establecida con claridad.
• Potencial Límite.
Como se muestra en ia Figura 1.3 este potencial consta de dos potenciales
E-i y E2 cada uno esta asociado con una de las dos interfaces, solución
interna y externa.
Eb =E} -E2 ec 1.1
En la ecuación E-i y E2 están relacionadas con las actividades de los iones
hidrógeno en cada cara por relaciones del tipo Nernst (ec. Termodinámica).
r . 0.0592. a\ .A =7i log-— ec 1.2
„ . 0.05921 a 2E = — • - lo '— ec 1.3
28
Donde:
- ji y ja son constantes.
- a-i y a2 son las actividades del H+ en las disoluciones de los lados
externo e interno de la membrana.
- a'i y 32 son las actividades de H+ en las superficies externa e
interna del vidrio que constituye la membrana.
Cuando las dos superficies de la membrana tienen el mismo número de
posiciones cargadas negativamente desde donde H+ se pueda disociar, ji y
J2 son idénticas, y también lo son 82 y a^de este análisis se tiene que:
Eb = El~E2=Q.Q592log- ec 1.4a.,
El potencial límite Eb depende sólo de las actividades del ion hidrógeno de
las disoluciones a ambos lados de la membrana.
Para los electrodos de vidrio de pH la actividad de los iones hidrógeno en la
disolución interna aa se mantiene constante de donde Eb resulta:
Eb = £'+0.0592logflr1
Eb = Ll~O.Q592]og
*L =-0.05921og¿z2
De lo anterior se concluye que el potencial límite es una medida de la
actividad del ion hidrógeno en la disolución externa.
29
El potencial de un electrodo indicador de vidrio E¡nd tiene tres componentes:
el potencial límite, el potencial del electrodo de referencia interno de Ag-AgCI
Eref y un pequeño potencial de asimetría, entonces se tiene:
Eitld=Eb+Er(!f2+Easí ec1.6
Sustituyendo Eb se tiene: Eind =£ +Q.Q592}oga} +Eref2
Si L = Ll+Ere2 -i-E^. el potencial indicador es igual a:
Eind=L-Q.Q592pH ec1.7
* 1.5.3 MEDIDAS POTENCIOMÉTRICAS DIRECTAS.
La determinación de un ion o de una molécula mediante una medición
potenciométrica directa, requiere sólo la comparación del potencial
desarrollado por el electrodo indicador, tubo de vidrio en la solución con el
potencial obtenido cuando se sumerge en una solución estándar. Una de las
ventaja de este método potencio métrico es de que las mediciones son
rápidas y se adaptan fácilmente al control automático y continuo de las
f-1 actividades de los iones.
Para realizar una medición potencio métrica se considera un convenio de
signos, muy útil en análisis químico, al electrodo indicador se considera
siempre como cátodo y el electrodo de referencia como ánodo.
30
El potencial de una celda, llamamos así ai conjunto solución electrodo de
referencia y electrodo indicador (vidrio), es la suma de un potencial de
electrodo indicador, un potencial de electrodo de referencia y un potencial de
unión:
En base a la respuesta de un electrodo indicador se tiene que para medición
de cationes el potencial es;
£terf=Z-0.05921og—
Eind =L~0.0592pX ec 1.9
Donde: ax es la actividad del catión.
De las ec. 1.9 y ec 1,8 se obtiene que la función pX es igual a:
áa - (EJ ~ Eref + ¿) , ,ec1.10.0592
Para medir aniones se tiene:
E,elda - (Ej - Enf + L)= celda J rtf J_
0.0592
1 1Jl
Al resolver las ec 1.10 y 1.11 se tiene que para los cationes el potencial de
celda es:
ed.12
y para aniones
Ecelda = Ej-Eref+L + Q.V592pA ec. 1.13
La mediciones potencio métricas de pH, el pH de un lampón estándar
utilizado para el calibrado se basa generalmente en la actividad de los iones
hidrógeno.
1.5.3.1 Definición operacional de pH.
Es muy importante que el pH se defina de una manera que sea fácilmente
reproducible en diversos momentos y por varios laboratorios en el mundo.
La definición operacional se basa en el calibrado directo del medidor con
unos tampones estándar cuidadosamente establecidos seguido de la
determinación potenciométrica del pH de soluciones desconocidas.
En un sistema de vidrio-colomeianos a 25° el pH medido con una solución
tampón será:
Ecelda - (Ei - Erg, 4- L)PHs = — 2C L ec1.14
0.0592
32
De la misma forma cuando los electrodos están sumergidos en una solución
de pH desconocido y a 25°C se tiene;
Eit~(Ej-Eref+L)pHu- J- ec 1.15
0.0592
Restando la ec 1.15 de la ec 1.14 se encuentra que:
rr rr (Eu-Es) . ..pHu=pHs-- ¿ ec 1.16
0.0592
De lo anterior se observa que para que dos sistemas midan un mismo valor
de pH en una misma solución, estos deben estar previamente calibrados con
j| soluciones estándares o tampón, y una vez calibrado se puede hacer
mediciones con soluciones de pH desconocido.
Eléctricamente se hace lo mismo, pero se lo realiza mediante circuitos
electrónicos, que serán expuestos más adelante,
• Errores que afectan a las medidas de pH con electrodos de vidrio.
*L— Las diversas limitaciones que tiene el electrodo de vidrio hace que se
produzca cierto tipo de errores lo mimos que son:
1. Error alcalino. Los electrodos de vidrio modernos son algo sensibles a
los iones de los metales alcalinos a valores de pH superiores 11 O 12.
33
2. Error ácido. A pH menores que 0.5, los valores obtenidos con un
electrodo de vidrio tienden a ser elevados.
3. Deshidratación. La deshidratación del electrodo puede dar lugar a un
funcionamiento inestable y a errores, por lo que es necesario siempre
remojar el electrodo con agua destilada.
4. Variación del potencial de unión. El potencial de unión entre el estándar y
la muestra da una imprecisión en la medida, generalmente no se obtiene
valores absolutos más exactos que 0.01 unidades de pH.
5. Error en el tampón estándar. Cambios en la composición durante el
almacenamiento o cualquier imprecisión en la preparación se propaga
como error en las medidas de pH. Ocurre muy frecuentemente la
acción de bacterias sobre los componentes orgánicos de los tampones
las cuales son motivo de deterioro sobre la solución.
6. Error en disoluciones con fueras iónicas bajas. Se ha encontrado que
pueden presentarse errores importantes de 1 o 2 unidades de pH ,
cuando se mide el pH de baja fuerza iónica, esto se presenta en aguas
de lagos y arroyos. Este problema es superado utilizando electrodos de
uniones de difusión libre (FDJ).
1.5.3.2 Relación entre el valor de pH y la temperatura de la solución.
La temperatura a la que se realiza la medición tiene influencia en los
potenciales existentes en el electrodo como también en la actividad iónica
de la solución, lo mismo que hace que por naturaleza el pH de la misma
cambie. Cada medición en una solución a una temperatura específica tiene
un comportamiento del pH diferente. La razón de esto es que la disociación
de una solución depende de la temperatura y causa cambios en la
concentración de iones H+. El cambio de pH es real, no es un error de
medida a continuación en la Tabla 1.3 se muestra ejemplos de cómo el pH
cambia en una solución a diferentes temperaturas;
SOLUCIÓN
0.001 mol/l HCI
0.001 mol/l NaOH
Fosfato sol Jampón
Temperatura
20°C
pH = 3.00
pH = 11.17
pH=7.43
30°C
pH = 3.00
pH = 10.83
pH =7.40
Tabla 1.3 Ejemplos de cómo el pH cambia en una solución a diferentes
temperaturas:
El valor más exacto de lectura del pH se tiene cuando la temperatura de
calibración y medición son las mismas.
Se debe tomar en cuenta que la temperatura también afecta a la respuesta
del electrodo tomando en consideración la ec. 1.14 el potencial del electrodo
de medición es
Ece¡da = Eo- Q.0592pH ec 1.17
Donde:
- Eo es el potencial que resulta de la suma de varios potenciales parciales
que intervienen en el electrodo Eas¡, Eref, etc.
1- pH = , a es la actividad de H
- 0.0592 este valor es cierto solo cuando la temperatura permanece
constante y corresponde a 25°C,
35
La factor 0.0592 corresponde al valor calculado de la siguiente forma, a
25°C:
Donde;
EN=2.3RTF
EN potencial de Nernst
R es la constante universal de los gases.
F Constante de Faraday.
T temperatura en grados kelvin.
EN es llamado el potencial de Nernst y representa el cambio de potencial por
unidad de pH, como se observa el valor de EN depende de la temperatura,
asi para diferentes temperaturas se tiene:
- A O °C EN = 54.2 mV
- A 25 °C EN= 59.2 mV
- ASO °C EN =64.1 mV
Los cambios que se producen debido a la variación de EN con la
temperatura, en el potencial de salida del electrodo se presentan a
continuación:
T2 mediciónTI calibración
T2>T1
error de medición
-mV
Figura 1.4 Gráfico de la variación de la pendiente del potencial en función
pH con la temperatura.
36
Este error de medición, no existe cuando la temperatura de calibración y
medida son las mismas, pero si son diferentes una compensación de la
inclinación de la curva en el sistema acondicionador, es necesario.
• Compensación de temperatura cuando Ejs no es igual a OmV.
E¡s es el punto de intersección donde convergen todos las líneas calibradas,
el que a cualquier temperatura tenga esta convergencia, que en la practica
es en pH = 7 y Omv, tiene que ver con el tipo del electrodo y la calidad de
éste, hoy en día, la fabricación de electrodos a mejorado mucho y se logra
una respuesta bastante cercana a la ideal. A pesar de ello es necesario
dotar al sistema acondicionador otra compensación para corregir si se da el
caso ya que con el tiempo la práctica a demostrado que el electrodo pierde
cierta exactitud por lo que siempre se debe hacer una calibración cada
cierto tiempo.
A continuación se muestra una posible no convergencia que puede darse en
una medición:
+mvMedición a cierta temperatura
Intersección no deseada
Intersección ideal
mv
Figura 1.5 Gráfico del cambio de intersección en el punto pH = 7 y O mv que
pueden presentar ciertos electrodos.
37
Para obtener una respuesta adecuada de la señal medida es necesario
compensar el cambio de la pendiente por efectos de la temperatura así
como del punto de intersección para un pH=7 a cualquier temperatura, para
el primero es necesario dar una ganancia para variar la pendiente de la
señal medida en base a soluciones estándar a un a temperatura
determinada y para el segundo se suma voltaje de offset para llegar a un
punto de equilibrio respecto del valor pH-7.
Las variaciones que se tiene en la medida dan un margen de error pequeño
para cambios en el orden de las unidades de temperatura, aumentando el
mismo al producirse alteraciones bruscas como de 20° C a 70° C, cambios
que en una plantación sometida a! medio ambiente no se producen y menos
en un invernadero. De cualquier forma se debe hacer una calibración
periódica ya que el electrodo tiene desgaste con el tiempo y la utilidad de
este. Para laboratorios donde se requiere de una alta exactitud la práctica de
calibración se la hace cada día ya que el electrodo esta sometido al
intercambio iónico entre diferentes soluciones que pueden causar un rápido
desgaste de este.
1.6 PROPUESTA DE DISEÑO
Según las características Físico-Químicas que presentan los suelos de
cultivo utilizados en hidroponía, el pH de este es controlado mediante el pH
del liquido de riego a aplicarse sobre el mencionado suelo, de esta forma al
regar el líquido en el suelo de cultivo se dan reacciones químicas que
permiten que el suelo vaya adquiriendo cierto valor pH según el pH de la
solución de riego.
Puesto que las características Físico-Químicas del suelo influyen en el pH
del mismo, es necesario conocer estas propiedades para determinar el pH
del líquido de riego y de esta forma llegar al valor de pH deseado en el
38
suelo de cultivo de una manera ágil y eficiente. A continuación se propone
como hacer el control de pH en el líquido de riego
El diseño parte desde un cierto liquido (agua) de riego en el que se presente
un cierto pH e! cual es medido por el sistema de electrodos (las
características del sensor se presentan en el ANEXO C) y según esta
medición el sistema de control a diseñarse permitirá corregir, si es
necesario, el valor del pH en el mencionado liquido y alcanzar el valor de
consigna deseado, para luego dar el paso de la solución fina! a la cama de
cultivo por medio de los goteros de riego.
E! sistema de control se hará en base a un PLC, donde se implementará el
algoritmo de control, mientras que la visualización del proceso estará a cargo
de una HMI, que a más de permitir fijar el valor de consigna deseado,
permitirá fijar ciertos parámetros que sean necesarios para el funcionamiento
del proceso. De esta forma se establece la propuesta de diseño de lo que
será el sistema de control de pH en una cama de cultivo en un invernadero.
A continuación se presenta el diagrama de bloques del mencionado proceso
en la Figura 1.6
39
SENSOR-300 a +300 mV
4 - 20 mA
PLC
Irv
PC
Figura 1.6 Diagrama de bloques del proceso propuesto para elcontrol de pH en el liquido de riego
40
A continuación se explica el diagrama de bloques del proceso propuesto:
Bloque A: representa el líquido de riego a partir del cual se va a hacer el
control de pH.
Bloque B: el sensor mide el pH en e! liquido de riego y con la señal de
voltaje de -300 a +300 mV que éste entrega, se hace el respectivo
tratamiento a dicha señal para obtener valores normalizados de 4 a 20 mA
según lo que mida el sensor.
Bloque C: la señal normalizada de 4 a 20 mA ingresará al PLC y al mismo
tiempo se establecerá la comunicación entre el computador y el mencionado
PLC. Al establecer la comunicación entre PC y PLC medíante el software
apropiado, se dará la orden de empezar a ejecutar el algoritmo de control
implementado que esta almacenado en la memoria del PLC.
Bloque D: se visualizará la ejecución del proceso mediante la HMi que
corresponda, según el tipo de usuario y se tendrá acceso a datos del mismo
mediante el programa implemeníado en el PLC.
Bloque E: mediante el uso de diferentes HMIs se podrá tener acceso a
datos las variables del proceso según el tipo de usuario, así se podrá fijar
consignas, llevar históricos, gráficos de la variable medida, etc. y aderyíás
como ya se dijo la visualización del proceso.
Esta propuesta de diseño para el control del pH en el líquido de riego se
desarrollará en los siguientes capítulos.
*
CAPITULO 2
DISEÑO E IMPLEMENTACION DEL TRANSMISOR DE pH
41
CAPITULO 2
DISEÑO EIMPLEMENTACIÓN DEL TRANSMISOR DE pH.
En este capítulo se describen los circuitos diseñados para obtener una señal de
corriente normalizada de 4mA a 20mA en función de la señal de voltaje que se
obtiene a la salida del sensor de pH. A continuación, en ia Figura 2.1, se
presenta ei diagrama de bloques que sirven para dar el tratamiento apropiado a
la señal de voltaje y llegar al objetivo deseado,
MODULO DE ACONDICIONAMIENTO
SENSOR FILTROPASABAJOS
ETAPA DEACOPLAMIENTO
ETAPA DEAMPLIFICACIÓNYCOMPENSACIÓN
CONVERTIDOR DEVOLTAJE AFRECUENCIA
MODULO DE TRANSMISIÓN
CAR
GA
- '^ i
i
,
FUENTECONTROLADA DECORRIENTE
ESCALAMIENTODE SEÑAL
!i
i
i
ETAPAOPTOACOPLADORA
'S\ 7
CONVERTIDORDEFRECUENCIA AVOLTAJE
Figura 2.1 Diagrama de bloques dei Transmisor de pH
42
La función de cada bloque se describe a continuación.
Filtro pasa bajos. Permite la eliminación de ruido de alta frecuencia, que
generalmente acompaña a la señal que viene desde el sensor.
Etapa de acoplamiento. Es utilizado para acoplar la impedancía interna que
presenta el sensor hacía los circuitos que intervienen en las etapas
subsiguientes.
Etapa de Amplificación y de Compensación. En ésta etapa se da una
ganancia a la señal para facilitar su manejo posterior. Se aprovecha ésta etapa
para lograr que haya una relación óptima entre el voltaje y el pH.
Convertidor de voltaje a frecuencia. En ésta etapa se obtiene un tren de
pulsos con una frecuencia proporcional ai voltaje proveniente de la etapa de
amplificación y compensación.
Etapa optoacopladora. Tiene como función transferir ópticamente el tren pulsos
al circuito transmisor pero obteniéndose al mismo tiempo referencias distintas
para los circuitos de acondicionamiento y transmisión.
Convertidor de frecuencia a voltaje. Tiene como función proveer un voltaje
proporcional a la frecuencia de ios pulsos recibidos.
Escalamiento de señal. Tiene como objetivo proporcionar una señal de voltaje
tal que se logre una corriente de 4 a 20 mA desde la fuente de corriente.
43
Fuente controlada de corriente. Su función es entregar una corriente
normalizada de 4 a 20 mA en función del voltaje obtenido de la etapa de
escalamiento.
2.1 MODULO DE ACONDICIONAMIENTO
Este módulo esta formado por: el sensor, el filtro pasabajos, etapa de
acoplamiento y la etapa de amplificación y compensación los mismos que
permiten obtener un voltaje con relación al valor de pH medido en la solución.
En el Capítulo 1 se estudió con detalle el funcionamiento de! electrodo para
medir pH. E! dispositivo en mención trabaja como una fuente de voltaje de
milivoltios y presenta una resistencia interna que depende del tipo de material
usado en la construcción de la membrana.
El electrodo utilizado es el de vidrio/calomelanos, que presenta una resistencia
interna de alrededor de 20 Mfl Este valor indica que el sistema de electrodos
tiene una impedancia interna elevada y que requiere de un circuito de
acoplamiento que presente una impedancia mayor a la del sensor. A
continuación, en la Figura 2.2, se presenta el equivalente eléctrico del sistema de
electrodos:
R i
Figura 2.2 Equivalente eléctrico de un sistema de electrodos para medir
PH
44
Donde: Ri = resistencia interna « 20 MQ, y
2.Es = Eo
FpH ec2.1
R = constante universal de los gases.
T = Temperatura en grados Kelvin
F = constante de faraday.
EN= 2.3RT/F
Para el acoplamiento de la señal entregada por el medidor de pH se utiliza el
circuito de la Figura 2.3, el cual es un amplificador de ganancia unitaria,
también llamado amplificador de aislamiento. El terminal del electrodo de vidrio
se aplica a la entrada positiva, y puesto que el voltaje entre las terminales
positiva y negativa del amplificador operacional puede considerarse igual a cero,
siempre que trabaje en la zona lineal, el voltaje de salida es igual al de entrada,
tanto en magnitud como en signo. Es por esto que a este circuito se le conoce
como seguidor de voltaje.
Esta configuración es utilizada por su alta resistencia de entrada a lo cual
también contribuye el que se emplee un amplificador con elemento de entrada
tipo FET, cuya resistencia de entrada esta por los 1012 M£l
ELECTRODO DE VIDRIO
ELECTRODO DEREFERENCIA
VCC+lSvo
LF444
1
OVCC -15 v
Figura 2,3 Circuito de acoplamiento para el sensor de pH,
45
Filtro RC Pasabajos.
Con el propósito de atenuar el ruido, que puede provenir de diversas fuentes
principalmente ruidos inducidos del medio externo y teniendo en cuenta que la
velocidad de respuesta del sensor (al cambiar el valor de pH de la solución
medida) suele ser de hasta 50ms, se decide diseñar un filtro pasabajos con una
frecuencia de corte de 20 Hz.
La frecuencia de corte esta dada por:
ec2.2
Así, para el circuito de la Figura 2.3, los valores de resistencia y capacitor para
tener una frecuencia de corte de 20 Hz son:
- Seleccionando un capacitor de 340 pF el valor de resistencia se calcula:
1~2*n*340*l(T12*20
R = 2340513 8.69Q
El valor escogido de resistencia es R = 24MQ
Con el filtro implementado se eliminó el ruido de frecuencias superiores a 20 Hz,
y se obtuvo una señal relativamente pura del sistema de electrodos de
medición.
A la salida del circuito de la Figura 2.3 se tiene entonces un voltaje en mV en
función de! pH medido. Se logró así tener una señal filtrada, sin ruido y lista para
su acoplamiento a las etapas siguientes.
46
2.1.1 COMPENSACIÓN DE TEMPERATURA
La compensación por cambios de temperatura durante la medición del pH es
necesaria debido al efecto que tiene la temperatura en la medición. Un cambio
en el orden de los 20°C puede producir un error de aproximadamente 0,3
unidades de pH.
El valor de pH en una solución cambia al variar la temperatura por dos razones:
La primera se debe al efecto de la disociación de iones H+en dicha solución
produciendo un cambio natural del valor de pH de la misma. La segunda razón
se debe al cambio del potencial Eo y al valor dado por 2.3RT/F que depende de
los parámetros del sensor. El efecto total produce un cambio en la pendiente
dada por de la ecuación 2.1 lo que introduce un error en la medición. Para
compensar el cambio de la pendiente se diseñó el circuito de la Figura 2.4 que
al mismo tiempo da una ganancia a la señal medida.
Es
R1=Z5K
POT1
1K
POT2Ik
R3 = 25KR4 = 10K
VCC-HSvO
R2 = 47K
e
K
**
1
OVCC -15v
Salida de pH :0/Ov - 14/l<3v
R6 = 1QK
ÓVCC-lSv
Figura 2.4 Circuito de compensación de temperatura para el sensor de pH.
47
En el circuito de la Figura 2.4, el primer amplificador tiene una ganancia positiva
y mayor que uno, lo que permite amplificar el nivel de voltaje de la señal de
voltaje Es que viene desde el circuito acoplador. La ganancia del circuito
depende de! valor de la resistencia que marque el POT1, de acuerdo a la
ecuación 2.3
ec2.3
Donde: Es es el voltaje que entrega el sensor,
POT1a es parte de la resistencia de POT1 en serie con la
resistencia R2
POT1b es parte de la resistencia de POT1 en serie con la resistencia
R1
Vo1 voltaje a la salida del amplificador.
Según la ecuación 2.1, al multiplicar Es por el factor de ganancia
R2 + POTlaRl + POrib
Figura 2.5.
.. . . . _ , . , , ,se tiene un cambio de pendiente tal como se muestra en la
48
4-
3-
2-
1
-1 -
-2-
pH
1 2 3 4 5 6 7 9\10 11' 1-2 13 14
Figura 2.5 Cambio de la pendiente ai variar la ganancia del amplificador.
Variando la pendiente y utilizando soluciones tampón de valores de pH- 4 y
pH=7 se puede calibrar el circuito. También se puede utilizar este circuito para
compensar manualmente el error producido cuando existen cambios bruscos de
temperatura en el orden de los 30 °C, en el caso de que estos se produzcan.
En la misma Figura 2.5 es posible observar que no existe un punto de
intersección entre todas las rectas con diferentes pendientes, esto ocurre debido
a que e! sensor de pH no tiene un punto de equilibrio fijo en pH-7, sino que
cambia ya sea por desgaste del electrodo o por someter ai electrodo a altas
temperaturas. Para corregir esto se utiliza el segundo amplificador en donde se
suma un voltaje a la señal modificada con respecto a la pendiente. El voltaje de
salida de este amplificador se calcula según la ecuación 2,4.
VCCVo=2,*-R3 + POT2 + R4
(m-\-POT2á)-VO\c 2.4
Donde:
Vo1 es el voltaje a la salida del primer amplificador
50
que para este valor ei voltaje siempre va a ser e! mismo, esto dependerá del nivel
de referencia calibrado con e! segundo amplificador.
Como ya se mencionó debido a cambios bruscos en la temperatura, por ejemplo
una alteración del ambiente de trabajo de 20 °C a 60°C, o también un cambio en
las propiedades del electrodo hacen que e! potencial Eo (ecuación 2.1) se altere
con el tiempo. Por esto es necesario realizar una calibración cada cierto lapso
de tiempo. Es que no se debe olvidar que el funcionamiento de los componentes
que conforman el electrodo pueden alterarse, debido especialmente a la pérdida
de solución interna con el movimiento de iones H+, y dar medidas erróneas. Para
el circuito de la Figura 2,4 se puede tener una lectura de voltaje traducida
directamente a valor de pH según la ecuación 2.4;
FOTl + 230769*l(T3(250Q + Pp07.2l) ec 2.4
v - -
Compensación deT. Calibración N. Referencia
Donde:
- Pporil es la resistencia de una parte dei PROTI
- Ppon2 es la resistencia del restante de PPOT-K
es la resistencia de una parte PPOT2.
Se vuelve a recalcar que todo equipo de medición de pH debe ser previamente
calibrado y la medición será más exacta mientras esta se haga bajo las mismas
condiciones de temperatura a las que se hizo la calibración. Se debe recalibrarel
51
sistema cuando las condiciones ambientales, particularmente la temperatura,
haya cambiado en el orden de los 20°'C.
2.2 ETAPA OPTOACOPLADORA
Después de dar el tratamiento adecuado a la señal de voltaje que entrega el
sensor de pH en el modulo de acondicionamiento, el voltaje DC que se obtiene
de este último puede ser utilizado para controlar la etapa de la fuente de
corriente, pero existen situaciones en las que es necesario aislar física y
eléctricamente dos circuitos, generalmente para proteger a uno de ellos de altos
voltajes o corrientes presentes en el otro. En otras ocasiones se busca proteger
también a un potencial operador o usuario, reduciendo los niveles de voltaje y
corriente a niveles menos peligrosos.
En el presente trabajo se ha considerado necesario aislar el modulo de
acondicionamiento del modulo de transmisión para proteger a los circuitos
internos del primer modulo y al sensor de posibles fallas en la etapa de
transmisión, especialmente en los conductores que llevan la información desde el
lugar donde se realiza la medición hasta el sistema de adquisición de datos. Los
conductores pueden estar a la intemperie, y pueden romperse o algo muy
peligroso para los circuitos internos y para el sensor mismo, podría hacer
contacto físico con conductores que conduzcan voltajes elevados (11 Ov, 220v o
más) que afectarían el normal funcionamiento de los circuitos internos del
modulo de acondicionamiento. Cuando se trata de enlazar etapas sin que exista
conexión eléctrica entre estas, la información de la señal de voltaje o comente
puede ser transferida por medios ópticos o inductivos (transformador).
En el presente trabajo se seleccionó el enlace opto-electrónico para e!
acoplamiento de señal, porque ofrece mejores características de respuesta a la
frecuencia de la señal transferida y, algo muy importante, los opto-acopladores
52
se pueden adquirir con relativa facilidad en el mercado local. Si bien es posible
acoplar el voltaje entregado por el modulo de acondicionamiento por enlace
óptico, la practica recomienda (Manual de Automatízacíón-Turck, Industrial
Electronics- Thomas Kissell) convertir la señal a pulsos de voltaje. Al optar por
esta conversión nuevamente el enlace opto-electrónico es mejor alternativa que
el transformador por la mejor respuesta del primero
Para obtener la señal de pulsos desde la señal de voltaje obtenida en la etapa
de amplificación y compensación, se diseño el circuito de la Figura 2.7. Este
circuito cambia la frecuencia del tren de pulsos en concordancia con la señal de
voltaje que se aplique al mismo (Vin).
VCC +15v
'10 K
Vin 0-1 Ov
100 KRIN **•
\• 0.1 uf
C1N
7,-—
^s
7
n^ c
7
5
.1 uft <
<
<
I *<
2
U2
INR/C
RE
LM1
>R1
>10K.
R•>10K
>POT1
1
OUT Tren de pulsos
75 K 0 1 ufRL > ^~T* CL "'
f 22 K J
R2* <
3 <R2 > 47 K
1 J
VCC+ISv
10 KPOT2
;c-isv
Figura 2.7 Circuito convertidor de voltaje a frecuencia basado en el LM131.
53
El circuito de la Figura 2.7 esta basado en el integrado LM131, donde la señal de
voltaje obtenida desde el modulo de acondicionamiento ingresa al pin IN de
integrado a través de un filtro formado por la resistencia RIN y e! capacitor CIN
con el propósito de atenuar el posible ruido proveniente de las etapas anteriores.
Por otro, lado a través del circuito formado por las resistencias RL, R2, R2', el
potenciómetro Pot2,el capacitor CL y que se conectan al pin Out (pin de salida
de comente) se obtiene un voltaje en el pin THRES que puede ser calibrado,
mediante el potenciómetro Pot2 para variar la frecuencia en la salida FREQ del
conversón
Además de poder cambiar la frecuencia con el potenciómetro Pot2, este junto
con la resistencia Rt y el capacitor Ct, definen, el ancho del pulso de voltaje.
La resistencia R1 y el potenciómetro Pot1 permiten la calibración del valor de la
corriente en el pin OUT. Obviamente, esta calibración también afectará a la
frecuencia de ios pulsos de voltaje a la salida del conversor puesto que influye
de manera directa en el voltaje presente en el pin THRES.
La frecuencia de lo pulsos en la configuración presentada se obtiene con la
siguiente ecuación:
ec*sala 2.Q9RLRíCf-
2.2.1 ACOPLAMIENTO DE LA SEÑAL
Luego de convertir la señal de voltaje que entrega el modulo de
acondicionamiento a un de tren de pulsos se procedió a diseñar el circuito de
acoplamiento, para lo cual se seleccionó el opto acoplador MOC1006 por sus
55
7/^ 15-0.6
~ / " 0.025
Al circular esta corriente por el diodo el transistor trabaja en corte y saturación y
así transfieren los pulsos.
La configuración formada por el transistor del opto acoplador y el transistor Q1
2N1711 permite aumentar rapidez para pasar del estado de corte a saturación y
viceversa. La amplitud de los pulsos en la segunda etapa depende de la fuente
de voltaje utilizada para esta. Si la fuente es de 15 voltios los pulsos serán
aproximadamente también de 15 voltios.
2.2.2 CONVERSIÓN DE FRECUENCIA A VOLTAJE
El objetivo de esta etapa es volver a recuperar el voltaje DC desde los pulsos
entregados por la etapa de acoplamiento (transistor Q1 de la Figura 2.8). De
esta forma, con el voltaje continuo original se controlará la fuente de corriente.
Para la obtención de la seña! de voltaje continuo se realizó el proceso inverso a!
de la conversión de voltaje a frecuencia. Poder realizar el proceso inverso es
una de las facilidades que presenta el LM131.
El circuito que hace la conversión de frecuencia a voltaje se presenta a
continuación en la Figura 2,9.
56
R1
VCC+15V
_T
Rt Tren de Pu'sos 470 pf R4? 10K
OK ,>> '
- i
> 10K|>
— . Ct
O.Oluf
R-; t
7í>
2
>
U2
!N
I :>
our
HIICAPNP
1
3b |
•==• .--i
Voltaje DC
» í ! .Cl < R0
• 1uf >
I
Rs
H 10KPOT
Figura 2.9 Circuito convertidor de frecuencia a voltaje continuo
En el circuito de la Figura 2.9 las resistencias R1 y R2 permiten fijar el voltaje
mínimo de los pulsos de entrada en el pin THRES a partir del cual el LM131
hará la conversión. Por otro lado, el capacitor Ct y la resistencia Rt definen la
constante de tiempo para que los circuitos internos del LM131 trabajen en
sincronismo con los pulsos de voltaje en la entrada THRES. De esta forma se
obtiene a la salida en el Pin OUT una corriente cuyo valor depende de los pulsos
recibidos. Esta corriente se hace circular por Ro para obtener el voltaje
proporcional a la frecuencia del tren de pulsos.
Para aumentar o disminuir e! voltaje que se obtiene a la salida dei conversor en
la resistencia Ro para un tren de pulsos de cierta frecuencia se manipula el
potenciómetro Pot el cual cambia el valor de ia fuente de corriente interna del
LM131
57
El voltaje que se obtiene a la salida del circuito se calcula con la siguiente
ecuación:
VoltajeDC = 2.09fnRtCtRO ec. 2.6
De la ecuación 2.6 se observa que el voltaje continuo de salida del convertidor
varía lineaimente con respecto a la frecuencia de la señal de entrada.
2.2 DISEÑO DE LA ETAPA DE TRANSMISIÓN
Ai transmitir señales de voltaje a distancias significativas uno de los problemas
que se presenta es la atenuación producida por la resistencia de los cables de
interconexión. Para evitar el problema de la atenuación es conveniente transmitir
por medio de una señal de corriente como se muestra la Figura 2.10:
Figura 2.10 Transmisor cuatro hilos
58
En la Figura 2.10 se muestra las conexiones de un transmisor de cuatro hilos,
donde la impedancia los cables utilizados se representan por una resistencia, la
misma que aumenta a medida que la distancia entre el transmisor y e! sistema de
adquisición también io hace.
El transmisor diseñado en el presente trabajo utiliza cuatro hilos: dos de
alimentación y dos de transmisión, donde los primeros se utilizan para polarizar
los circuitos utilizados dentro del transmisor.
2.3.1 FUENTE CONTROLADA DE CORRÉENTE Y ESCALAMIENTO DE SEÑAL
Luego de haber obtenido la señal de voltaje continuo por medio del circuito
conversor de frecuencia a voltaje se procedió al diseño de la fuente de corriente
controlada por voltaje la que se presenta a continuación en la Figura 2.11
AC
LM317T(A) VOA LM317T(B) VOBr-T NÍH- 3
^\^
2200 up"-w ci
VIN VOUT
ADJ
•I-'\X^/ 3
2
R2
ZbUIJ
, 3
C3^,
R1I POT
5k
~"vepH 1)+ ^>i — s.I -*
_
rh
VIN VOUT
ADJ
1DOuF— * 1
2
Vref
Icarga
N /
I 1 K, C Rref POTC
i
<<
i
3
i
fib
> 10 Q.
E. DIODO
SALIDA
r~ 24-20 nV\a 2.11 Fuente de corriente controlada por voltaje
59
El circuito de la Figura 2.11 esta formado de dos partes: la primera es una fuente
regulada de voltaje basado en el LM317 (A), obteniéndose a la salida un voltaje
DC regulado VOA, y la segunda una fuente de corriente controlada por voltaje
basada en el mismo integrado LM317 (B), pero haciendo que este trabaje como
una fuente de corriente.
Para tener control sobre la comente transmitida se suma el voltaje de
referencia fijo de 1.25 v que entrega el regulador de voltaje LM-317T (B) con el
VepH obtenido de la etapa de escalamiento que cambia en función de la señal
medida.
La corriente a ia salida se obtiene de la siguiente manera:
Vcont = Vref + VepH ec. 2.7
Donde:
Vcont : voltaje de control
Vref :1.25
VepH : voltaje con información de pH
Vcont - ./carga = ec. 2.8
o ~rt rRref
[carga : corriente en la carga R
Rref. ; Resistencia de referencia
60
De la ec 2.8 se tiene que la comente en la resistencia de carga no depende del
valor de esta.
Así para obtener la corriente mínima de 4 mA que corresponde a un vaior de pH
igual a cero y teniendo un voltaje VepH también igual a cero, se tiene que:
Si la corriente es de 4mA, despejando de la ec 2.8, la resistencia de referencia
es igual a:
/carga 0.004
Este valor de resistencia es calibrado mediante el potenciómetro de precisión
POTC.
Para una corriente de 20 mA, que corresponde a un valor de pH igual a 14, el
valor del voltaje de control resulta:
El voltaje VepH, despejando de la ec 2.7 es igual a:
VepH = Vcont - Vref = 6.25v - 1.25v = 5v
61
Por lo tanto, el valor de VepH que deberá proveer e! convertidor de frecuencia a
voltaje debe variar de O a 5v.
Puesto que el convertidor no entrega éste rango de voltaje fue necesario diseñar
y construir un circuito de "escalamiento" que sea capaz de hacerlo. Además, éste
circuito evitará sobrecargar a la etapa de conversión de frecuencia a voltaje.
La Figura 2.12 muestra el circuito de escalamiento que permite calibrar la señal
de voltaje para obtener ei rango deseado:
VCC +
Del Conversor de T?/V
1kTL082
7VepH-o
Figura 2.12 Circuito de escalamiento de señal desde el convertidor de F/V
El circuito de la Figura 2,12 permite ajustar la señal obtenida desde la etapa de
conversión de frecuencia a voltaje mediante el potenciómetro POTF, para que a
la salida (VepH) se tenga el valor máximo permitido de 5v para un valor de
pH=14 y Ov para un valor de pH= 0. De esta forma se logró ajustar la corriente
entre 4 y 20 mA para el rango de pH medido de O a 14.
62
Como es obvio, idealmente al estar trabajando con una fuente de corriente, se
espera que para cualquier valor de resistencia de carga la corriente se
mantenga constante. En la práctica sin embargo se presentaron dificultades
cuando esta resistencia aumenta, esto se debe a que el voltaje VOB no es
suficiente para valores de resistencia alta, io que produce una caída en la
corriente de salida. Por esta razón se tuvo la necesidad de fijar el valor limite de
la resistencia de carga permitida, para lo cual se consideró que dicha
resistencia de carga esta formada por la resistencia de los conductores que
llevan la información hacia el PLC más la impedancia de entrada de 250Q del
mismo (impedancia que presentan todos los PLCs en su entrada analógica de
corriente).
Para encontrar el voltaje VOB necesario, se considera la máxima resistencia de
carga, la resistencia Ref., la resistencia de 10 Q (resistencia utilizada para
realizar mediciones de voltaje que permitan evaluar la corriente de salida) y la
máxima corriente de salida de 20mA, lo que da el mínimo voltaje VOB necesario
para el funcionamiento normal de la fuente de corriente, así se tiene:
Donde: Rcarga resistencia de carga
Ref. Valor de la resistencia de referencia
Rinptc impedancia de entrada del PLC
Reo resistencia total de los conductores
Para calcular el valor de la resistencia de los conductores la práctica y las
referencias bibliográficas (Control de Procesos Industriales, Antonio Creus)
recomiendan que se lo haga para una distancia entre los 500m y IQOOm, y
63
utilizando conductor tipo AWG&18, se tiene una Rco= 21.358Q para 1000m, de
esta forma se tiene que el VOB mínimo es igual a:
FOB=11.86v
Por lo tanto el .voltaje VOA debe ser mínimo de 15v, el cual es obtenido al ajustar
R1(POT). Para obtener el voltaje VOA las hojas de datos proporcionan ia
siguiente ecuación, que es valida desde 1.25v y 37 v.
— (Rl + RZ)R2 ^ }
Para el caso eventual en que se desea aumentar la resistencia de carga, se
deberá también aumentar el voltaje de entrada VOA, para evitar que la corriente
decrezca bruscamente; así, para una máxima resistencia de carga de 600Q se
tiene:
VOB = (600 -i- 312 +10) * 0.02 = 18.44v
Para este caso el voltaje VOA debe ser mínimo de 21 v.
A partir de los valores aquí calculados se escogió que el voltaje del secundario
del trasformador utilizado sea de 24 V, con lo que se tiene a la salida un voltaje
de 32V DC aproximadamente. De ésta forma se dispone de una fuente de voltaje
regulado que permita ajustar el voltaje VOA, según la necesidad eventual de
cambio de la máxima resistencia de carga permitida.
EL
EC
TR
OD
O
DS
V
IDR
IO
EL
EC
TR
OD
O
DS
RE
FE
RE
NC
IA
VC
C+
15V
O
LF44
4
1
R1
=2
.3<
Ó VC
C-1
5V
PO
T1
1K
PO
T2
1k
R3
= Z
5K
VC
C+
15V
O
U1B
LF44
4
R2
= 4
7K
ÓV
CC
-15V
R4
=1
10R
5 =10
K
R6
=10
K
U1C
LF44
4
ÓV
CC
-15v
A
VC
C +
15V
B
VC
C +
15 V
•15
V
Fig
ura
2.1
3
Dia
gram
a ci
rcui
tal
del
tran
smis
or d
e pH
.65
B
VC
C +
R3
^10
v
> > 2.
5 K
> =>
„
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> >
R
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K /
/
10K
VC
C +
15V
T
CI
-s
<47
0 p(
R
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Con
vers
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e F
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1k
D
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C¿ 8
TL08
2
G
10K
82K
R2
OK
/> > k
»
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K> p
-Ct 001u
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1 ^
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1 3 6
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DC
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VI
5.1K
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10K
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^V
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1 (
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1
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mA
m
Fig
ura
2.13
D
iagr
ama
circ
uita
l de
l tr
ansm
isor
de
pH (
cont
inua
ción
)
CAPITULO 3DISEÑO DEL SCADA PARA EL CONTROL DE pH
66
CAPITULO 3
DISEÑO DEL SCADA PARA EL CONTROL DEL pH.
En este capítulo se describe el sistema SCADA que realiza el mando y
supervisión de todas las variables que intervienen en el control de pH
mediante la utilización de INTOUCH y un PLC, permitiendo de esta manera
llevar un registro de las variables más relevantes, así como dar la
automatización necesaria al proceso.
Por medio de la utilización de HMIs diseñados en Intouch y haciendo uso de
las facilidades de operación que presentan los PLCs en la adquisición de
datos, manejo de variables y, algo muy importante, la flexibilidad en la
implementación de algoritmos de control, es posible realizar el sistema
SCADA para el control de la fertirrigación de las plantas en ei invernadero
que se utiliza en este proyecto.
El objetivo del sistema SCADA es permitir conocer el estado de las
variables y saber cuando están fuera de los rangos establecidos para el
control del pH; así como también posibilitar hacer el análisis de las
variables del proceso, mediante la provisión de históricos de sus variables
más relevantes. .
En el proyecto presente, el SCADA se diseñará específicamente para que
sea posible controlar las diferentes variables que tienen efecto en el control
del pH en una cama de invernadero,
Más detalladamente, la función dei INTOUCH en la PC será permitir la
visualización, llevar registros y la toma de acciones por parte del usuario
según lo observado en los HMIs de la planta, mientras que la función del
PLC será la de tomar acciones sobre los actuadores, en función de la
67lectura del pH que este hace por medio de su entrada analógica, y del
algoritmo implementado para el control y además de los parámetros
establecidos por el usuario u operador mediante los HMIs desarrollados en
la PC.
El PLC utilizado para realizar lo antes mencionado es el SIMATIC S7200
CPU 224 el cual fue escogido por sus características, entre ellas, que
permite ampliar sus módulos de entradas y salidas tanto discretas como
análogas de corriente y voltaje. Además tiene la posibilidad de
comunicación con INTOUCH. Cabe señalar que la decisión para seleccionar
este PLC fue tomada entre todos los involucrados en otros proyectos
destinados a controlar otras variables en el mismo invernadero. Luego de
determinar el número de entradas y salidas que satisfacía a todos, se busco
la alternativa más económica y el resultado fue el PLC ya indicado.
3.1 IMPLEMENTACIÓN DEL HMI DE CONTROL EN
INTOUCH.
Intouch es la plataforma de desarrollo que se emplea para crear las
interfaces hombre máquina, HMI, basados en un PC, consiste de dos
elementos principales: WindowMarker y WindowViewer. A continuación,
para que sirva como una referencia rápida, se explican las características
más relevantes de esta plataforma de desarrollo,
WindowMarker es el ambiente de desarrollo que contiene todas las
funciones para animación, presentación de displays, funciones lógicas,
base de datos, entre otras.
WindowViewer es el ambiente utilizado para la animación de lo-creado en
WindowMarker, para de esta forma monitorear los datos capturados o
mostrados en sus HMIs y para ejecutar acciones para controlar actuadores.
68
A continuación, en la Tabla 3.1, se describe los requerimientos mínimos de
hardware y software sugeridos para Intouch.
Hardware o Software Requerimiento Mínimo Sugerido
CPU Pentiun 100MHz PIISOOMHZomás
Memoria 64 MB de RAM 8 MB de RAM para
5000 tags, 56 MB de
RAM para 32000 tags
y 128 MB de RAM
para 60000 tags
Espacio libre en disco Por lo menos 100 MB 500 MB
Sistema Operativo Microsoft Windows NT
Versión 4.x
Microsoft Windows 95
o más
Microsoft Windows NT
Versión 4.x
Microsoft Windows 95
o más
Protocolo de Red Protocolos soportados
por Microsoft
Windows NT o
Windows 95/98.
TCP/IP
Display VGA color Super VGA con 256
colores y 800 x 600
pixels de resolución o
más alta.
Tabla 3.1. Requerimientos mínimos de hardware y software para el Intouch.
Tagname dictionary. Para el seguimiento de las variables del proceso,
Intouch requiere de información acerca de todas las variables que se vayan
creando mientras se desarrolla una aplicación. Las variables creadas más
69
otras que vienen definidas en el Intouch se guardan en una base de datos a
la que se conoce con el nombre "Diccionario de Etiquetas (Tagname
Dictionary)". A cada variable creada o predefinida se la identifica con una
"etiqueta (tagname)", Intouch puede manejar variables o tagnames de tipo
memoria discreta, memoria real, I/O entero, I/O discreto, entre otros.
El nombre de cada variable puede ser configurado para que acepte valores
mínimos, máximos, emitir situaciones de alarma, etc.
En la Figura 3.1 se presenta ia ventana de dialogo que da acceso al así
denominado diccionario de etiquetas (tagname dictionary).
Main (*" Delails <~'Alarms <~" Deta1ls<&'Alarms (^ Member?
New Restore Select... Cancel Cióse
Comment; ApplicationVersion
r* Log E yénU
Figura 3.1 Cuadro de dialogo para la selección y parametrización de un
Tagname.
Por medio de esta ventana de diálogo es posible definir el nombre del
tagname, el tipo de variable, entre otros. La acción que realizará la variable
al correr la aplicación es muy variada y se ia puede seleccionar desde la
ventana que se muestra en la Figura 3.2.
70
1 . . .. •
• Qb¡ect type: Rectangle Piv-.-/ 1 .i¡<<-
. i . . . . . . . • • -•
-A^Vh¿-| ';. .OO
Cancel
í
1
1
1
i uuun UMNS
Useí Inputs
P Discrete
'P ' Anafog
P: String
Síiders
p-" Vertical J
P Horizontal
Touch Pushbuttons
P. Discrete Valué
P Actíon
P ShowWindow
P HideWindow
P;., Discrete
P'! Analog
P:1 DíscreteA/arm
P-:; Analog Álarm
ni * i ^*ULtcul oi¿c
P- Height
Pr Width. . . .Miscellaneous "
P : Visíbílity
P' Blink
P ; 0 rientatíon
r?.- Disable
p, Discrete
P ; Analog
JP; DiscreíeAíarm
P Analog Alarmi
P:': Vertical '
:P Horizontal
w ,-,. ,Valué Display " •
P'' Dhcic-te
'P' Artcito/r
:r-í ' bíríñg" "
• p - "Aí-.c/Qd
r - r • . , . 11 Dií'-rc,l«A'5rrm j
P Án^ViAl^rú
r-L . í-'li
P : Veítícal
. P Horizontal
Figura 3.2 Ventana de dialogo para activación de efectos relacionados a un
tagname.
Como se observa en la Figura 3.2 existe una gran variedad de opciones de
las cuales se explicarán, mas adelante, las que se emplearon en este
proyecto.
3.1.1 DESARROLLO DE LA INTERFAZ GRÁFICA PARA CONTROL DEL pH
Para el mando de supervisión y control del pH fue necesario crear varias
pantallas que siguiendo una secuencia lógica orienten de la forma más
simple e intuitiva a los posibles usuarios del sistema.
Para el desarrollo de la interfaz se empezó por identificar y crear tres tipos
de usuarios:
71
El acceso como ADMINISTRATOR da la posibilidad de chequear y
manipular todas las variables que intervienen en el control de la planta, por
lo que deberá acceder de esta forma solo el personal que conozca ei
funcionamiento y el efecto de cada variable sobre el control de la planta en
su totalidad.
El acceso como OPERADOR está diseñado para que pueda manejar las
variables de riego y dosificación por lo que las personas que acceden de
esta forma deben tener conocimiento de regadío y fertilización.
El acceso como AYUDANTE permite la observación del funcionamiento de
la planta pero sin poder manipular las variables que intervienen en el control.
Adicionalmente, da la posibilidad de manejar lo relacionado a históricos de
las variables más relevantes.
72La Figura 3.3 muestra el HMI de ingreso principal a los diferentes tipos de
acceso.
Figura 3.3 HMI principal para ingreso de operador y clave
El HMI principal tiene el objetivo de proporcionar a un usuario, entre otras
cosas, la opción de seleccionare! tipo de usuario y su clave ai resto de ías
interfaces diseñas para la supervisión, mando y obtención de históricos
necesarios en el control de pH. Se han definido los tres usuarios antes
indicados, con sus respectivas claves.
También se tiene la opción de reintentar el ingreso del nombre de! tipo de
usuario así como el de su clave, en caso que ocurra un mal ingreso de
datos. Para salir de la aplicación se debe dar un clic en salir.
73Sí el ingreso del tipo de usuario y clave son los correctos se da paso a la
pantalla siguiente del HMI, caso contrario, se mantiene en ei HMI principa!.
Para configurar el tipo de usuario, código de acceso (clave) y nivel de
acceso, la Figura 3.4 muestra el cuadro de diálogo que Intouch presenta
para el efecto.
Configure Uséis
User Mame:
Administra torAYUDANTEMoneÍÜPERADOR
Password; (INVOP
Access Level: [6000
Figura 3.4 Configuración de usuarios, código y nivel de acceso
Para el ingreso del tipo de usuario y de la clave de éste, se utiliza
tagnames que permiten cumplir con esta función específica, en la Figura
3.5, se presenta los tagnames utilizados para el efecto.
; Objecltj'pe: BuUonOK
Cancel
lnput-> Stríng Tagname
Xagname:
r Key equivalent
r cui r None
lo Usen [
p .Echo Characters? - -í*"- Yes f~ No Yes & No jnput Only
74
Ob'iecUype: Button Ptev Link . Next UnkOK
Cancel
Input -> Slring T agríame
Jagname:
- JCey equívalent -
j~ Ctd T Shift Key... "| None
M.sg to Usen
-£cho Characters?-
Yes
r£cho Characters?—i
^ Yes r-No
Keypad?
Yes ^ No Input Only
Figura 3.5 Ventana para la creación de los Tagnames para el operador y su
clave.
Como ya se dijo anteriormente, cuando los datos del usuario y su clave
son correctos, se da paso a la pantalla siguiente (Figura 3.6) que permite
acceder a las diferentes pantallas utilizadas en el presente proyecto.
*
75
AJUSTEY CALIBRACIÓN
DEL CONTROLADOR
CONTROL (EC)ELECTROCONDUCTMDAD
PLANTA - EC
LECTURAS DE ECE HISTÓRICOS
Ajuil* Ícl-P«¡nt EC
CALIBRACIÓNY AJUSTE PIÓCONTROLADOR
Figura 3.6 Acceso a las pantallas de control y supervisión.
La pantalla que se presente y las opciones en la misma dependen del tipo
de usuario con que se ingreso. Así, al acceder como Administrador
(Administrator) se tiene acceso a las pantallas que muestran todas las
variables del proceso, sin restricción alguna, mientras que si se ingresó
como Operador o Ayudante se restringen el manejo de ciertas variables.
La visualización y/o acceso a las opciones de las pantallas dependientes del
tipo de usuario que ingresó, se realiza programando con los llamados
Action Script con los que se evalúa el nivel de acceso y se presenta el HMI
según el resultado de la evaluación. En la Figura 3.7 se muestra lo
programado para la presentación correspondiente a la PLANTA PH2 O
PLANTA PH.
76
5;:ÍTouch -> Action¡ Script
: Filé -£"dit .'insett Help.
círK^r.eqüíyaíent-
T Cfrl I" Shíft None
[FSAccessLevel < GOOOTHENShow "PUNTA PH 2";
ENDIF;IFSAccessLeyel >3DOOTHEN
Show "PLANTA PH";ENDIF;
Scripts used: 1
TREN.
EÍODIF
ELSE | AND
'ELSEÍF| ' OR
Ñor
<
='<-=,
, :
™-
0
X
>•/:'
>
;
Eonyejt
Vaüdate-
rFunctíons
MalK..
Add-ons...
Mise...
InTfáckÜLE
Figura 3.7 Programación de un Action Script
A continuación se explica la función que cumplen las pantallas cuando se
ingresa como administrador (Administrator). Como ya se mencionó
anteriormente, las pantallas se diferencian en el acceso a ciertas variables,
presentadas según el tipo de usuario.
- PANTALLA DE LA PLANTA - SetPoint pH
Esta interfaz permite la vísualización total de la planta y de los componentes
que intervienen en eí control. También se tiene la posibilidad de cambiar el
Punto de Consigna (SetPoint) de! pH con cuyo valor el algoritmo de control
toma decisiones respecto a cuando inyectar una solución acida o básica a
líquido de riego que va hacia e! sembrío. A continuación, en la Figura 3.8,
se presenta la pantalla representativa de toda la Planta.
LVAL. DE PULSOS
TANQUE DE MEZCLASOLENOIOE DE CIRCULACIÓN
Figura 3,8 HMI que representa a ia planta para el control de pH
La ¡nterfaz permite observar el estado y/o accionar de cada uno de los
elementos que intervienen en el control como es el caso de las válvulas de
pulsos, bombas, entre otros.
El funcionamiento de la planta tomando como referencia el HMI total es
como sigue: el agua que puede proceder desde un pozo, rió, reservorio u
otra fuente, pasa por medio de un filtro, el cual se utiliza para el filtrado del
líquido y proteger a los diferentes equipos que intervienen en el proceso de
los efectos perjudiciales de posibles partículas sólidas orgánicas o
minerales contenidas en el agua que ingresa al proceso. El agua que
ingresa es depositada en un tanque, el que se utiliza con el objetivo de tener
78
una rápida homogenizacíón del la mezcla total. Una vez que liega el agua
al nivel adecuado en el tanque, se apaga la bomba de llenado y se activa la
bomba de circulación, donde cuyo objetivo es el de permitir la recirculación
del agua y una vez que se llega al valor de pH deseado en el liquido de
riego, esta bombeará la solución final hacia los goteros de riego ubicados en
la cama de cultivo del invernadero. El control de pH en la cama de cultivo se
hace suministrando al suelo una solución de cierto valor de pH y debido al
intercambio iónico que se da entre la solución y las partículas que contiene
el suelo, este va adquiriendo el valor de pH deseado. Para controlar el paso
del agua se io hace por medio de ios solenoides llamados de recirculación y
de riego, los cuales son manejados por el PLC en función del algoritmo
implementado, de tal manera que el solenoide de recirculación permite el
paso de! líquido hasta que no se haya alcanzado el valor de pH deseado,
mientras que el solenoide de riego permanece cerrado. AI llegar al valor de
pH deseado en la solución de riego se cierra la válvula de recirculación y se
abre el solenoide de riego, con lo que se permite el paso de la solución final
hacia los goteros de riego ubicados en la cama de cultivo..
Mientras no se alcance en ei líquido de riego e! valor de pH deseado, este
se mantendrá en recirculación hasta que se llegue al objetivo deseado, para
dosificar la solución acida o básica según sea el caso, se hace que el liquido
fluya por medio de inyectores "ventury" con la finalidad de que
aprovechando la funcionalidad que tiene el inyector que permite el ingreso
de otro liquido sin que exista fuga por pare del liquido que fluye por su
interior, se inyecte la solución que corresponda y para controlar el paso de
la solución a dosificarse se utiliza válvulas de pulsos, donde el tiempo que
estas trabajan son manejadas por el PLC de acuerdo con lo evaluado por
ei algoritmo de control implementado .
Para tener el control sobre e! volumen del liquido a suministrase a la
plantación, se utiliza un hidrómetro ubicado junto a! filtro por donde ei agua
ingresa a! proceso. La función que cumple el hidrómetro es la de emitir
pulsos conforme el agua ingresa al proceso, esta información es ingresada
79al PLC y al ser procesada, se tiene el dato del volumen total ingresado, con
lo cual el algoritmo de control evalúa el volumen de agua que ingresa y
permite el ingreso de más agua mientas no se llegue al volumen total
deseado.
Las medición del valor de pH en el líquido de riego se hace en la tubería
conectada en el nivel inferior del tanque.
Las soluciones acidas y básicas son almacenadas en tanques
independientes que capacidad inferior con respecto al volumen del tanque
de mezclado, estos tanques van conectados por medio de filtros a las
válvulas de pulsos para la respectiva dosificación al líquido de riego.
Además de poder observar todo el proceso en la pantalla del HMI de la
planta Figura 3.8, al correr la aplicación se puede visualizar mediante esta
interfaz, el accionar de cada uno de los elementos utilizados en el mismo.
Para retornar al menú anterior se debe dar un clíc en el botón "MENÚ
PRINCIPAL".
• PANTALLA DE AJUSTE Y CALIBRACIÓN
La pantalla de ajuste y calibración permite dar valores a las constantes del
algoritmo de control, así en la Figura 3.9 se tiene la pantalla del HMI en
mención y para fijar el valor deseado del Set-poínt se puede variar este valor
al dar clic sobre ei control asignado a esta variabie y que esta ubicado bajo
nombre de la misma, para aumentar el valor se da cüc sobre el botón que
muestra una flecha hacia arriba y para disminuir se da cüc en el botón con
flecha hacia abajo, de idéntica forma se procede para cambiar los valores
derajuste de ganancia (Kc), ajuste de la variable de integración Ki, ajuste de
la variable de derivación (Kd) y ajuste del tiempo de muestreo del PID entre
otras variables. La razón por la cual fue necesario utilizar un P/D, es que
80éste permitirá hacer dosificaciones de la solución acida o básica, según sea
el caso al liquido de riego, en función del error que exista entre el valor de
pH medido en el liquido y el valor de consigna (SET-POINT). Con un
controiador PID siempre que el error sea pequeño la dosis correctiva
también será pequeña, con lo que se logra dar al liquido de riego
dosificaciones finas calculadas por el PID.. También se puede dar valores
con respecto a: volumen de liquido a regarse a la plantación en m3,
volumen de liquido a controlarse en litros, caudal de las bombas manejadas
en l/s, tiempos de inyección del fertilizante en ms, entre otros, la Figura 3.9
muestra la interfaz en mención.
A.IUSTF YCAURHACIpN DE I. CMTRPJAQQ8
=##.#
SET-POINT (0-14)
¡TIEMPO INTEGRAL (O - 100) min GANANCIA (O - 10)
'Ej ###.### H ###.###
TIEMPO DERIVATf A) (p - 100) mfn MUESTREO (1 - ICO) ms
###.###
LIMITES DE pH EN LA CAMA DE CULTIVO
LIMITE SUPERIOR
###.###
LIMITE INFERIOR
0 ##«##
*
AYUDARANGOS DE pH
PARA DIFERENTESTIPOS DE CULTIVO
ERRORINTERVALO POSITIVO
MENÚ PRINCIPAL
Volumen de riego m
}'~"! TTTf • frTT
'DE PULSOS POR m3
í ##.##
VOLUMEN PARCIAL DE UQUIDO A CONTROLAR [ litros
CAUDAL DE BOMBA DE CIRCULACIONp/s]
DOSIFICACIÓN
VOL DE DOSIFICACIÓN CAUDAL DEL INYECTOR (l/s)MÁXIMA luiros}
##.##
L_J¡_
Figura 3.9 HMI de ajuste y calibración de parámetros.
• HMI Históricos y Lecturas
Esta interfaz permite llevar el histórico de la variable pH medida en la
solución a regarse. Una de las facilidades que se incluyó es la de poder
cambiar los intervalos de tiempo con que se desea registrar la variable, en
función del número de muestras tomadas. Puesto que se puede llegar a
tomar un máximo de 500 muestras, es posible cambiar el intervalo del*£ip tiempo de muestreo que va desde el orden de los segundos, pasando por
los minutos y horas hasta llegar a tomar 500 muestras en un intervalo de
365 días. Los valores de ia variable son registrados en un archivo del tipo
nombre.csv el cual es visualizado mediante el programa Excel,
También se muestra el valor de la variable pH medida en la solución a
regarse, con un rango de O a 14 unidades de pH. En la Figura 3.10 se
muestra un ejemplo de la pantalla de valores históricos del pH.$
82
HISIUKiCO UtLpH
.trl.í Jai Cc?>Xü itrio»
LCCTURADCLpll
30:CC 31:30 33:CC 34;
30: CC 31:30 33 ¡CC 31:
VM ', t-KiCu j 1 UMJH
& .• r>t»: J>nnu: f ftnrus ¡
stcrcc^cstos
MhNUHWNCIh'AL
Figura 3.10 Pantalla de Histórico y Lectura del pH.
Cabe advertir que para registrar los datos del valor de pH medido en el
archivo nombre.csv, debe estar activa la aplicación Hisdata.exe que es la que
logra el enlace con el protocolo DDE para transferir los datos registrados en
Intouch a la hoja electrónica Microsoft Excel. Para grabar el archivo con un
nombre especifico, si bien se puede grabar e! archivo directamente en C:, es
recomendable grabarlo en una carpeta que se cree específicamente para
este propósito. Una vez realizado esto, basta con añadir la ruta
correspondiente . En la Figura 3.11 se muestra la manera como se graba el
archivo DATOS.CSV en la carpeta de nombre HISTÓRICOS.
ilSave^oFilej Filenamá [fflilBB,
Figura 3.11 Acceso a ruta de almacenamiento de datos.
83
3.1.2 MANDO Y SUPERVISIÓN DEL PLC CON INTOTJCH
3.1.2.1 Establecer comunicación entre el Software StepV- Micro/Win y el PLC
Para poder realizar el mando y supervisión del proceso mediante ei PLC es
necesario tener previamente programado al PLC con el algoritmo de control.
Los programas desarrollados para el PLC son realizados por medio del
software STEP 7-Micro/Win y para descargar estos a! PLC, se debe
establecer la comunicación entre el PLC S7-200 y el PC por medio del cable
PC/PPI, La Figura 3.12 muestra la conexión física entre el PC y el PLC .
"•
-1 l-i-L-r— < >
HH
-
Cable
08-232
Figura 3.12 Conexión de un PC al PLC.
Para establecer la comunicación entre el PLC S7-200 y el software STEP 7-
MicroAA/in que está en la PC, se emplea ei protocolo PPI el cual establece
una comunicación punto a punto. Se trata de un protocolo que utiliza un bit
de inicio, ocho bits de datos, un bit de paridad par y un bit de parada
PPI es un protocolo maestro/esclavo. Los maestros (otras CPUs, unidades
de programación SIMATIC o visualizadores de textos TD 200) envían
peticiones a tos esclavos y éstos últimos responden. Los esclavos no inician
84mensajes, sino que esperan a que un maestro les envíe una petición o
solicite una respuesta.
El protocolo PPI no limita la cantidad de maestros que pueden comunicarse
con un PLC cualquiera que actúe de esclavo, pero en el caso de una red no
puede haber más de 32 maestros.
Para establecer la comunicación entre el PLC y el PC se deben cumplir con
ciertos requerimientos de hardware que se necesita para el efecto, a
continuación se detailan estos requerimientos.
1. Ajustar los interruptores DIP del cable PC/PPI para escoger la velocidad a
la que se hará la transferencia entre el PLC y el PC. Se debe seleccionar
también las opciones "11 bits" y "DCE" en el cable PC/PPI.
2. Conectar el extremo RS-232 ("PC") del cable PC/PPI ai puerto serial de
comunicaciones de la PC (COM1 ó COM2).
3. Conectar el extremo RS-485 ("PPI") del cable PC/PPI al puerto de
comunicaciones de la CPU.
justes de loe inteiruploras DíPn O, nnriba - 1):
PPI
Cable PC/PPíaislado
Vü deirtfiíj \tt ÜíTtfWJPTcn 4 iM¿K (XX) y ; HRi19.2* 001
010 .NTrpnupTon b i DTE2.4* 103 O = ÜCfcf.£K !Q1
PC
Figura 3.13 Configuración del cable PC/PPI para la comunicación entre la
PC y el PLC.
85
Además de lo indicado anteriormente, se deben establecer ciertos
parámetros estándares de la interfaz de comunicación entre el PLC y ei PC
por medio del software STEP 7-MICRO/WIN, para lo cual se debe seguir los
siguientes pasos:
1. En la ventana de STEP 7-Micro/WIN, hacer clic en el icono "Comunicación" o
elegir el comando de menú Ver > Comunicación. Aparecerá e! cuadro de
diálogo "Enlaces de comunicación". En este cuadro hacer doble clic en el
Icono del cable PC/PPI. y aparecerá el cuadro de diálogo "Ajustar interfaz
PG/PC" . En la Figura 3.14 se muestra ei cuadro de dialogo en mención
Enlaces do cofmmfcadón
Configurar la comunicación
Hagacoma
Hagapnrárrinicie»
Parar
Qirecci
ülrecc
ttódult
Prniur
^JUBÍW «mlerfa» PCVPC'(V5,0)
V¡H tle
CaUu POPPJPunción. 0
í irío d& acceso t*> la apücadñi;
Mcftt'WlN — sCaWoPC-pPiíPPIJ |rj
(Estándar pwa MicmWlHl
Píifínutiifi/íiCliiií ili:G7Jlda;
Cabio PCíPPI (PPI)
CPS61HPROF1DUS)CPsen(MPi)CP5611ÍPPI)CP5G11[PROFIBUS)PC iiltenwj ílGCiíH
Paramotrizacsán dol íiablo I il/Pi'lwra una red PPJ)
1
pjonimíüiíBs,. |
Wr
-" • t 1
, ijtt&aiai... 1
_ 1
Acoplar Cancelar
Figura 3.14 Cuadro para configurar comunicación
862. Hacer clic en el botón "Propiedades" para acceder al cuadro de diálogo
donde se visualizan las propiedades estándar de la ¡nterfaz de
comunicación como se muestra a continuación en la Figura 3.15,
VIH <J« acceso
- cabla PC/PPI(PPI)
Conexión locaí
IxBí
f PíoptofÍ3cio& Ool equipo
Brocctóni
Xnneout:i
0 _I^J^^ 1 1
fj Red mub'maQsiro
-tacttid cío transiarencfo:
Díioccón do osiación más alta:
i
1° § 1
] IB £J j
1
[ÍS5T¿]_ I> .__H__
Acoplar J Cancelar I Ayuda |
Cancelar Ayuífa
Figura 3.15 Cuadro de diálogo "Propiedades interfaz PLC/PC"
En el área "Propiedades del equipo" de la ficha "PPI", se elige un número en
el cuadro "Dirección", Este número indica qué dirección debe tener STEP 7-
Micro/WIN 32. Para el PC en el que se está ejecutando STEP 7~Micro/W!N
32 la dirección es O por tratarse de un solo equipo.
El "Timeout" representa el tiempo durante el cual los drivers de
comunicación deben intentar establecer enlaces. E! valor de Timeout debería
ser suficiente.
Para determinar si desea que STEP 7-MicroAA/IN 32 intervenga en una red
multi-maestro. Puede dejar marcada la casilla "Red multimaestro", a menos
87que esté utilizando un módem o Windows NT 4.0. En ese caso, la casilla no
se puede marcar, puesto que STEP 7-MicroAA/IN 32 no maneja esta
funcionalidad.
Se debe también ajustar la velocidad de transferencia utilizada para la
comunicación de STEP 7 Micro/WIN y el PLC. E! cable PPI soporta
velocidades de 9,6 kbít/s y 19,2 kbít/s, las cuales son previamente
seleccionadas en el cable de comunicación y que deben estar en
concordancia entre lo establecido en el cable y en el programa STEP 7
Micro/WIN.
Para configurar el hardware que utiliza el PC se hace clic en la ficha
"Conexión local" para seleccionar el puerto COM al que está conectado el
cable PC/PPL Si utiliza un módem, se selecciona e! puerto COM al que esté
conectado el módem y se marca la casilla de verificación "Utilizar módem". A
continuación en la Figura 3.16 se muestra el cuadro de dialogo para
"Conexión local"-.
VÍ8 (Je acceso
PP] | Cometón toca! |
Puerto £OM:
fTT ütiíizür móííom
J folimrtar I Cancelar j ftyttda ¡
Conectar ftyvKla
Figura 3.16 Cuadro de diálogo " Propiedades-cable PC/PPI", ficha Conexión
local
Para verificar la comunicación con el PLC S7-200, se sigue los siguientes
pasos:
1 En la pantalla de STEP 7-Micro/WIN 32, hacer clic en el icono
"Comunicación" o elegir el comando de menú Ver > Comunicación.
Aparecerá e! cuadro de diálogo "Enlaces de comunicación" donde se
indica que no hay ninguna CPU conectada.
s?-
2 En el cuadro de diálogo "Enlaces de comunicación", hacer doble clic en e!
icono "Actualizar, STEP 7-Micro/WIN verifica si hay PLCs S7-200
(estaciones conectadas), hasta la dirección de estación más alta indicada
en la configuración de los parámetros de comunicación. Si el PLC esta
conectado aparecerá un icono del CPU, en el cuadro de diálogo "Enlaces
de comunicación", como se muestra en la Figura 3.17
Enlaces de comunicación
Configurarla comunicación
Haga doble cíít en eí icono que représenla la CPUcon te que desea establecer la comunicación.
Haga doble ci¡c en el icono del módulo paracambiar los parámetros de comunicación.
Haga doble clic en el icono del imódem para ajustarlos paicirpetfos del mismo o para marca*" un nün^eroe iniciar la comunicación con el roódem.
Parámetros de comunicación
¡nlúla
Dilección lo&il
Módulo
Vekxiídad <Jetransferencia
Multó
O
Cable PC.-PPUCQM1J
PPl
3,6 kbifs
ti b¡l¿
PC.'PPi
CPU224Dirección: 2
Figura 3.17 Cuadro de dialogo "Enlaces de comunicación"
89
De esta forma queda establecido el enlace dei PLC S7-200 con el STEP7
Micro/WIN.
3.1.2.2 Establecer comunicación entre Intouch y el PLC
Para establecer la comunicación entre INTOUCH y el PLC es necesario
cumplir con ciertos requerimientos de software y hardware. En lo referente
al software, es indispensable tener habilitado el protocolo DDE y el
servidor S7-200 PPIDDE que son los que permiten la comunicación entre el
PLC Siemens SIMATIC® S7-200 e Intouch. En lo referente al hardware, se
utiliza tai como ya se indicó el cable de enlace PC/PPI que une el pórtico
RS-485 de! PLC y el pórtico seria! RS-232 del PC.
Adicionalmente, es necesario configurar ciertos parámetros de un tagname
en el Intouch y la memoria donde se aloja la variable a supervisar o manejar
en el PLC.
Para que un tagname sea utilizado como entrada o salida de datos se debe
configurar el tipo de memoria a supervisar o controlar en el PLC. Así, para
el presente proyecto, las localidades de memoria utilizadas son dei tipo VW
donde V es un identificador del área de memoria que dispone el PLC para
alojar las variables utilizadas en un programa, mientras que W indica el
tamaño de ía localidad de memoria que son de 16 bits. Además, se debe
especificar la dirección de esta, así, una localidad de memoria puede
identificarse como VW3000. El tamaño de la memoria de datos que maneja
el PLC alcanza hasta tos 5K. En Intouch las variables que se pueden
emplear son del tipo real interna, enteras I/O, discretas I/O, las cuales
fueron suficientes para llegar al objetivo deseado en este proyecto.
90A continuación, en la Figura 3.18, se muestra el cuadro de diálogo donde se
configura el tagname con la etiqueta PHVW3000, tipo entrada/salida Entera
(Integer). Además de fijar los rangos que puede tomar esta variable, en
este cuadro también es posible definir la localidad de la memoria en el PLC
donde se realizará la lectura o escritura de la variable, asi se tiene que para
el tagname PHVW3000 la localidad de memoria correspondiente es la
VW3000 que se debe ingresar en "ítem" de la ventana de dialogo .
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Figura 3.18 Cuadro de diálogo para configuración de un tagname
Para la lectura o escritura de las variables es necesario establecer la
comunicación entre Intoch y eí PLC, para lo cual se deben configurar ciertos
parámetros en Access Ñame La misma Figura 3.18 muestra como
acceder al cuadro de configuración.
En ei cuadro de la Figura 3.19 se muestra el nombre que se da a la
aplicación utilizada para establecer la comunicación entre los tagnames de
91entrada y salida de datos en forma general entre el Intouch y el PLC. Para
crear un Nombre de Acceso (Access Ñame) se selecciona Add. Para
modificar ei nombre se debe escoger Modify y para borrarlo se emplea
Delete
Access Mames
PLCS
Figura 3.19 Ventana de dialogo aplicaciones para la creación de enlaces de
comunicación.
<fe Al ingresar por medio de Add se accede a la ventana de configuración
(Figura 3.20) que permite seleccionar:
*
Modify Access Ñame
Access Mame: ]|PLCS
Node Ñame:
Application Ñame:[S7200PPI
T opio N ame:
[S7DEMO
- Whích 0otoco! to use -
F DDE SUteünK
r When to advise server
l £*" Advise all Ítems Advise only active Uems
Figura 3.20 Cuadro de dialogo para configurar la comunicación entre
Intouch y el PLC Simatíc S7200.
92
Access Ñame: nombre con el cual se identifica la aplicación que permite
establecer comunicación, .Application Ñame es el nombre del servidor
utilizado para enlazarse con el protocolo DDE. Topic Ñame es un
identificador del nombre del programa que permite la ejecución de la
Application Ñame .
De esta forma se logró establecer la comunicación entre Intouch y el PLC ,
permitiendo hacer ei manejo y la supervisión de las variables mas relevantes
en el control de pH mostradas en las respectivas interfaces.
3.2 CONTROL DE pH UTILIZANDO EL PLC SIMATIC S7200
Ya se indicó el control del pH en una cama de invernadero se hace
controlando la solución con nutrientes que se aplicará al suelo de cultivo.
Así, en función de las características del suelo de cultivo se debe aplicar la
solución con un cierto valor de pH para que de esta forma el valor del pH en
el suelo llegue al valor deseado. Puesto que el grado de precisión y
rapidez para llegar a un cierto valor depende del algoritmo de control que se
ímpiemente, a continuación se justifica el que aquí se encontró como el más
apropiado.
3.2.1 CONTROL DE pBL EN EL AGUA DE RIEGO
Para el control de pH en el líquido de riego básicamente se hace circular
agua desde una fuente (desde un río, desde un pozo¡ desde un tanque de
reserva, etc.) en un circuito cerrado en el que se inyecta una solución acida
o básica de acuerdo al valor de pH medido y al valor de pH que se desee
llegar en el mencionado liquido. El flujo de! agua dentro de! circuito cerrado
se mantendría mientras no se haya alcanzado el valor de pH deseado.
Una vez que se alcanzó e! valor de pH deseado se da el paso de la solución
93final a los goteros de riego. En la Figura 3.21 se muestra un esquema de
esta parte del proceso.
Ingreso de agua
Hacía los goteros de negó
MediciónDosificación
Figura 3.21 Lazo de circulación para control de pH.
Como se observa en la Figura 3.21, el liquido de riego debe circular en un
solo sentido. También se observa que la medición y la dosificación se hace
en esta trayectoria cerrada.
E! valor de pH del líquido que circula en el circuito cerrado, se mide a través
de un sistema de electrodos para medir pH. La información sobre el valor
de pH es transmitida, mediante el transmisor de corriente (diseñado para el
efecto en el Capitulo 2), al PLC para que en base al algoritmo
implementado se pueda hacer el control de esta variable.
La dosificación de la solución acida o básica consiste en suministrar el
volumen de solución que corresponda a un cierto volumen de líquido de
riego. La inyección de ia solución a dosificarse se hace a través de
inyectores tipo "Ventury" cuya función es la de permitir el flujo del liquido de
riego a través de él y por otro lado la de permitir el ingreso de la solución
94dosificada para la mezcla con el líquido de riego. Para un normal
funcionamiento del inyector "Ventury" debe existir diferencia de presiones
entre la entrada y la salida, de tal forma que la presión de entrada sea mayor
que la de salida, por esta razón la presión y ei caudal de la bomba de
circulación deben cumplir con los requerimientos mínimos de presión y
caudal que demanda el inyector para el normal funcionamiento.
A medida que el valor de pH en la solución se acerque al valor de consigna,
el control hará dosificaciones más finas para evitar sobrepasar el valor
deseado.
Por otro lado, es necesario entender que las mediciones de pH en base a las
cuales se decide inyectar más o menos solución, no deben hacerse
inmediatamente después de que se inyectó solución al líquido de riego. Es
necesario dejar que la mezcla se vuelva homogénea para en ese momento
medir la concentración y tomar la acción correctiva pertinente.
Como ya se dijo a medida que el valor de pH en la mezcla se acerca al valor
de pH deseado (fijado por e! set-point), la dosificación de la solución se
hace en cantidades pequeñas, con el propósito de controlar mejor la mezcla
y evitar sobrepasar el valor de consigna prefijado. Con este método de
dosificación se logra evitar el uso de servo-válvulas, que tiene un costo alto,
y se utiliza más bien válvulas de pulsos que permiten el paso de la solución
en cantidades pequeñas tratando de simular el funcionamiento de una
servo-válvula.
Para controlar la cantidad de la dosis de solución, se genera un cierto
número de pulsos (de cierta duración) calculados por el PID. En este tipo de
dosificación es recomendable que la duración de los pulsos esté en el
orden desde los 100 ms hasta los 2 segundos. Es importante manejar este
tiempo con precisión ya que de éste dependerá la eficiencia y rapidez con
que se llegue a alcanzar el valor deseado de pH en la mezcla de agua con
95nutrientes a aplicarse al suelo de cultivo. Para regular el tiempo de duración
del pulso que se aplica a la válvula de pulsos se tiene la pantalla de ajuste y
calibración y, como ya se dijo, el número de pulsos es calculado por el
algoritmo de control en base al PID implementado
Como también ya se mencionó, para inyectar la solución en la tubería se
emplea inyectores tipo "ventury", que permiten el paso de la solución
fertilizante tal cómo lo haría un chisguete. A continuación en la Figura 3.22
se muestra el circuito cerrado de control con el equipo necesario para su
implementación física.
LVAL. DE PULSOS
TANQUE DE MEZCLA
Figura 3.22. Lazo de control con el equipo necesario para su ¡mplementacíon
96
El lazo está formado por:
Bomba de llenado. Su función es la de bombear el agua desde un
reservorío hasta el lugar donde se realizará la mezcla hasta alcanzar el
valor de pH deseado.
Filtro, Tiene como función retener cualquier tipo de impurezas que suelen
venir en el agua.
Hidrómetro. Tiene como función emitir pulsos para regular la cantidad de
agua que ingresa ai tanque de mezcla y de esta forma tener control sobre el
volumen tota! del líquido de riego aplicado a la cama de cultivo
Tanque de mezcla. La función de! tanque de mezcla es de alojar un cierto
volumen de liquido para sobre el mismo hacer el control del valor de pH.
Sensor de nivel. Permite detectar el nivel de liquido en el tanque. Es un
sensor de nivel de tipo discreto. Según la información del sensor que se
envía al PLC, éste, en función del algoritmo de control, decide ia
secuencia a seguir.
Vaso porta sondas. Es el dispositivo donde se coloca el electrodo de pH
para la respectiva medición.
Bomba Booster. Es la bomba encargada de realizar la recirculación de!
líquido dándole la presión necesaria para su ingreso a los inyectores
ventury. Además, permite bombear la solución final a los goteros de riego
una vez que se alcanzó el valor de pH deseado.
97Válvulas de Pulsos. Su función es dar paso a la solución a dosificarse en
tiempos muy cortos de duración y a frecuencias de cierre y apertura entre
O.SHz hasta los 100Hz.
Inyectores Ventury. Su función es permitirla inyección de las soluciones
acida o básica y además permite el flujo del líquido de riego a través de él
Válvula check. Es utilizada como medio de seguridad, para evitar la
circulación dei líquido en sentido contrario.
Solenoide de Circulación. Permite el paso dei liquido hacia el sector del
circuito cerrado donde se ubican ios inyectores ventury, cuando éste
todavía no alcanza el valor de pH deseado. Una vez que la mezcla alcanza
el valor de pH requerido esta válvula se cierra y la mezcla está lista para ser
enviada hacia las camas de cultivo,
Solenoide de Riego. Permite el paso de ia mezcla a los goteros de riego
cuando ésta alcanzó el valor de pH fijado.
Además se utilizan tanques donde están depositadas las soluciones acida y
básica. A ia salida de cada tanque va un filtro el cual sirve para retener
impurezas que pueden estar en las soluciones, con lo que se logra evitar
taponamientos en el inyector ventury.
El funcionamiento total del proceso se inicia llenando el tanque de mezcla
con ei agua que proviene desde el reservorio, para lo cual se utiliza la
bomba de llenado. Mientras se llena el tanque los solenoides de
circulación y de riego cierran el paso al agua. Una vez que el sensor de
nivel detecta que el líquido en el tanque ha alcanzado el nivel máximo
(Nmáx), se apaga la bomba de llenado y se abre el solenoide de
recirculación, luego de io cual se enciende la bomba de recirculación
98(Bomba Booster), empujando el liquido hacia ios inyectores ventury para
empezar la inyección de la solución requerida. Como ya se dijo
anteriormente, la dosificación se la hace por medio de las válvulas de pulsos
con pulsos de corta duración, donde el volumen de solución a inyectarse es
calculado por el algoritmo de control tipo P1D utilizado para el efecto.
Luego de que se ha inyectado la solución al líquido de riego, este va hacia
el tanque de mezcla, que es el sitio donde se completa la combinación tota!
de líquido y la solución. A la salida del tanque de mezcla se lee el valor de
pH del liquido y en base a éste valor se continua o no con la mezcla hasta
alcanzar el valor de pH deseado. Luego de alcanzar este valor se cierra el
solenoide de recirculación y se da el paso del liquido mezclado a los
goteros de riego ubicados en las camas de cultivo dando fin al proceso de
control del pH.
Para controlar el volumen del líquido total a suministrarse a la cama de
cultivo se utiliza el hidrómetro, el cual trabaja con pulsos. Puesto que para
un determinado número de pulsos corresponde un cierto volumen de líquido,
es posible determinar el volumen de líquido ingresado al tanque de mezcla
para de esta forma controlar el volumen del líquido de riego deseado.
Como ya se mencionó anteriormente, la inyección de las soluciones acida o
básica, según sea el caso, se hace para un cierto volumen de líquido; es
decir, se trata de dosificar un cierto volumen de solución para cierto
volumen de líquido (agua). Generalmente esta relación está en el orden de
mi (mililitros) de solución por litros de agua o litros de solución por m3 de
agua. Como se ve, el volumen de la solución siempre es menor que el
volumen del liquido, y la relación dependerá de la concentración de las
soluciones manejadas. La relación máxima de m! de solución a inyectarse
por litros de agua puede ser ajustada por el administrador u operador
(ingeniero agrónomo) desde la pantalla del HMI "ajuste y calibración"en
función del análisis de cuantos litros de solución se requiere inyectar como
i
99máximo al agua de riego. Este valor de la relación es utilizado por el PID,
para controlar las válvulas pertinentes.
La Figura 3.23 presenta un gráfico que ilustra del volumen de liquido
controlado con relación a la solución inyectada.
Volumen Xp deÁcido inyectado
Volumen Xdeliquido
Figura 3.23 Representación gráfica dei volumen a controlar y el volumen
de inyección
El volumen XT que corresponde ai líquido de riego es ingresado medíante
la pantalla de "ajuste y calibración". Para obtener el tiempo (tr) durante el
cual se llega a este volumen, es necesario conocer el flujo promedio de
agua que circula a través de! inyector, que viene como dato del fabricante,
cuando se cumplen las condiciones de presión y caudal necesarias para que
trabaje el inyector, cuyo valor se ingresa en la misma pantalla de "ajuste y
calibración"-. A continuación se presenta el cálculo que se hace en el PLC
para la obtención del tiempo (tf)
FM*N
Donde;
XT es volumen en litros
FM es e! flujo promedio del liquido que circula por el inyector
N Número de inyectores utilizados, para nuestro caso N=3
Vaie indicar que el tipo de inyectores utilizados deben tener todos las
mismas características.
En función de este intervalo de tiempo se hace la dosificación, la cuai es
calculada por el PíD en función del máximo volumen de solución (Xpmax)
permitido. La razón de tener un máximo volumen de dosificación es porque
las soluciones utilizadas para la mezcla no siempre tienen ia misma
concentración, por lo que si se utiliza una solución con alta concentración,
ei valor de pH en el líquido de riego puede cambiar bruscamente y pasar de
acida a básica (o viceversa) en la primera dosificación, provocando grandes
oscilaciones. Por otro lado, al utilizar soluciones de baja concentración, el
tiempo para llegar a alcanzar ei valor de pH deseado puede ser muy
grande. Para dotar de versatilidad al sistema frente a estos problemas, se
decidió que lo conveniente era dar la posibilidad de manejar la variable de!
volumen máximo de solución inyectada al liquido de riego, pudiéndose fijar
el volumen máximo de dosificación en función de la concentración de las
soluciones que se disponga. Adicionalmente, con esta opción se da
fiexibilidad al sistema para que el mismo pueda trabajar con diferentes
equipos, particularmente cuando el caudal que estos manejan sea muy
diferente. Así, en la práctica no es lo mismo inyectar un cierto volumen de
solución con una cierta concentración en una tubería de Yz pulgada, que en
una tubería de 1 pulgada o más.
Para obtener el volumen de la solución a dosificarse, se utiliza la salida Y
del PID que está entre O y 1 según el error existente, y según el máximo
volumen de solución a inyectarse se tiene:
101
Donde: Y es la salida del P1D que esta entre O y 1 .
Xpmax máxima relación permitida
Para inyectar en la tubería el volumen Xp calculado, se debe considerar el
caudal de inyección del inyector ventury, de donde se obtiene el tiempo total
que deberá actuar la válvula de pulsos para llegar a dosificar el volumen
calculado por el PID.
Como ya se mencionó anteriormente, para la inyección mediante pulsos se
da la posibilidad a! sistema de ajustar el tiempo de duración que tendrán
estos, y el sistema emite estos pulsos hasta llegar a dosificar el volumen
caiculado por el PID; es decir, si el tiempo del pulso fijado por el usuario es
pequeño en relación al calculado, se emite pulsos hasta alcanzar el volumen
de solución que corresponda, y si el tiempo del pulso fijado por e! usuario
es mayor al calculado, el algoritmo ignora el valor ingresado y escoge el
tiempo total calculado. A continuación se presenta el calculo que se hace
para uno o varios pulsos.
# pulsos *toni pltjso= ——Qmy
Donde:
Qiny es el cauda! del inyección
Ton tiempo de encendido del pulso.
Xp volumen de solución a inyectarse en el liquido de riego
El caudal de inyección del inyector (Dato que proporciona el fabricante) y el
valor del tiempo de cada pulso es ingresado mediante el HMl de "ajuste y
102calibración", y dependiendo de este valor el PLC hace el cálculo del número
de pulsos. De esta forma se tiene la posibilidad de tener varios pulsos de
corta duración o un solo pulso de mayor duración.
Tai como ya se indicó, esta posibilidad de que el usuario pueda manipular
algunas variables es con la finalidad de volver al sistema más versátil. De
todas maneras, el sistema tiene puestos ciertos valores "por defaulf de
acuerdo a los equipos con los que el invernadero, que aquí se hace
referencia, funcionará.
3.2.2. IMPLEMENTACIÓN FÍSICA DEL CIRCUITO CERRADO PARA ELCONTROL DE pH. EN EL AGUA DE RIEGO
Para implementar físicamente el circuito cerrado en el que debe mezclarse el
líquido de riego con los fertilizantes para iiegar a un vaior de pH dado,
como es obvio, se debe armar este con todo el equipo mencionado en
páginas anteriores; pero, desafortunadamente los recursos económicos para
el proyecto financiados por la Escuela Politécnica Nacional no estuvieron
disponibles, por lo que se optó en hacer funcionar ciertas partes del proceso
en forma automática hasta donde alcanzaron los recursos económicos del
autor, con elementos de características semejantes a los elementos que se
consideran como óptimos, mientras que otra parte del proceso se hace
funcionar en forma manual, procurando que las acciones a tomarse estén en
concordancia con el estado en que se encuentren las salidas discretas del
PLC, según la secuencia decidida por el aigoritmo de control implementado.
Así, la parte del proceso que funciona automáticamente esta comprendida
por: la bomba de recirculación, el sistema de dosificación y la detección del
nivel mínimo y máximo de! líquido en el tanque de mezcla, mientras que la
parte del proceso que se hace que opere manualmente esta comprendida
por: e! llenado del tanque de mezcla, el abrir y cerrar las válvulas de riego y
recirculación del líquido.
103Para dosificar la solución acida o básica en el líquido de riego se debió
emplear inyectores tipo "ventury". El paso de la solución se controlaría
mediante electro-válvulas de 12 V DC. Para abaratar costos, en vez de
comprar ios inyectores se los construyó, pero al final no dieron el resultado
esperado. Buscando una solución se pudo observar que se obtenía un
resultado adecuado cambiando la ubicación de la bomba, después de los
inyectores, tal como se muestra a continuación en la Figura 3.24
SENSOR DE NIVELTRANSMISOR
3 , PH 4 - 2O mA
Sentido de circulación
Figura 3.24. Circuito cerrado que sigue el líquido de riego para el control de
PH
Como se observa en la Figura 3.24, el circuito cerrado mantiene sus
características de diseño, con la diferencia que ahora en lugar de empujar el
líquido hacia los inyectores, se absorbe desde ellos y se aprovecha este
efecto de absorción para inyectar en el líquido de riego la solución acida o
básica según sea el caso. De esta forma fue posible obtener la respectiva
mezcla y homogeneización del liquido de riego con la solución dosificada.
104
3.2.3 DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROGRAMA EVDPLEMENTADO EN ELPLC SIMAT1C S7200
El diagrama que se presenta a continuación representa los pasos seguidos
para realizar el control del proceso utilizando al PLC como unidad remota y
al software de Intouch para el mando y supervisión
105
-oESCALAMIENTO DE VARIABLES ENVIADAS
DESDE Y AINTOUCH
TRANSFERENCIA DE VARIABLES AL PLC DESDE EL HMI AJUSTE Y CALIBRACIÓN: Cauda] del bomba derecirculación, caudal de inyección, tiempo de pulso, caudal de] inyector venlury. constantes del PID
INGRESO DEL VOLUMEN DESEADO Y DE L MÁXIMO VOLUMEN DE INYECCIÓN(AL INGRESAR UN NUEVO DATO DE VOLUMEN SE BORRA EL CONTADOR)
NO
ACnVARPROCESO DE INYECCIÓN
pH. medido x ~1 y pH Set-pomt x -1
ACTIVARPROCESO DE
RIEGOY
VACIADO DELTANQUE
EJECUTAR PID YEL CALCULO DE
LA RELACIÓN DEINYECCIÓN 1/m3
EJECUTAR PID YEL CALCULO DELA RELACIÓN DEINYECCIÓN 1/m3
ACTIVARINYECCIÓN DE
SOLUCIÓN BASE
ACTIVARINYECCIÓN DE
SOLUCIÓN
o
Figura 3.25 Algoritmo de control de pH para el líquido de riego aplicada auna cama de cultivo en un invernadero
106
Diagrama de flujo de la rutina de activación del proceso de riego y vaciado
del tanque.
DESACTIVAR VÁLVULAS DEPULSOS
ABRIR VÁLVULA DE RIEGOCERRAR VÁLVULA DE
CIRCULACIÓN
SI
APAGAR BOMBA DECIRCULACIÓN
CERRAR VÁLVULA DE RIEGO
Figura 3.26 Algoritmo de activación de válvulas para hacer el riego
A continuación se describe la estructura del algoritmo desarrollado.
Escalamiento de variables enviadas desde y al Intouch.
Ejecutar escalamiento de variables para manejar PID
Escalar constantes Kp, Ki, KdT a valores entre O y 1.
Leer la señal analógica de corriente de 4 a 20 mA desde el transmisor
depH.
Convertir el valor de corriente a pH.
Escalar el valor de pH entre O y1.
Transferencia de las variables del proceso al PLC desde el HMI de ajuste y
calibración
Ingresar variables del proceso mediante el HMI.
Ingreso del volumen deseado
107Ingresar máximo volumen de inyección
Ingresar tiempo de pulso
Ingresar caudal de inyección
Ingresar volumen de referencia deseado
Ingresar tiempo de muestreo
Ingresar el caudal que circula a través del inyector.
VoL In - vol riego ?
Si es cierto ir a activar contador.
caso contrario
ira activar bomba de llenado.
Activación de la bomba de llenado
Activar bomba de llenado
Tanque lleno ?
Si es cierto apagar la bomba de llenado e ir al proceso de inyección,
caso contrario
regresar a chequear volumen ingresado.
Activar contador
Volumen ingresado=volumen de riego
Apagar la bomba de llenado
Activar contador.
Contador =1 ?
Si el contador es igual a 1 terminar e! proceso,
caso contrario
108
regresar al inicio.
Activar proceso de inyección
Invocar subrutinas que hacen el control de inyección
pH. medido £ pH consigna ?
Si pH. medido £ pH Set-point ejecutar control
caso contrario
activar sistema de riego
pH Set-poínt > pH medido
Si pH Set-point > pH medido
ir a ejecutar cálculos para inyección de solución básica,
caso contrario
ir a ejecutar cálculos para inyección de solución acida
pH, medido x -1 y pH Set-point x -1
Multiplicar por-1 el valor de pH. escalado
Almacenar en memoria para su utilización en el PID.
Multiplicar por-1 el valor de Set-point
Almacenar en memoria para su utilización en el PID,
Calcular (Set-point- pH.medido) con !as nuevas variables almacenadas
en memoria.
109
Ejecutar PID y el calculo de la relación de inyección l/m3
Ejecutar PID con valores predefinidos.
Considerar la máxima relación de inyección permitida con la salida Y
del PID.y calcular eí volumen de solución a inyectarse
Activar inyección de solución base
Calcular el tiempo de dosificación según el volumen de dosificación
calculado y el caudal de inyección del inyector "ventury".
Calcular el número de pulsos considerando el tiempo de duración que
tendrán estos, para liegar a dosificar el volumen de solución calculado
Activar inyección de solución ácido
Calcular el tiempo de dosificación según el volumen de dosificación
calculado y el caudal de inyección del inyector "ventury
Calcular el número de pulsos considerando el tiempo de duración que
tendrán estos, para llegar a dosificar el volumen de solución calculado
Activar proceso de riego y vaciado del tanque
pH. medido = pH Set-point
Abrir válvula de riego
Vaciare! tanque
Fin
Para acceder al programa ímplementado en el PLC, por favor referirse al
Anexo A
110
3.2.4 DIAGRAMA DE CONTROL IMPLEMENTADO EN EL TABLERO DE
MANDO Y DIAGRAMA DE CONEXIONES EN EL PLC .
Con el propósito de poder hacer las diferentes conexiones de bombas,
electro-válvulas, alimentación de voltaje del PLC, etc se implemento el
tablero de mando que está diseñado para que el sistema en su totalidad
pueda trabajar de dos modos, el primero hace que el proceso trabaje
automáticamente, donde todas las acciones sobre el mismo son tomadas
por el PLC, según el algoritmo de control implementado, mientras que el
segundo brinda la posibilidad de que el accionamiento de bombas y electro-
vávulas haga manualmente un operador que desee hacer ciertas tareas
como probar el funcionamiento correcto del equipo o para hacer un lavado
de tuberías para dar mantenimiento al mismo.
Ei cambio de modo de operación se hace por medio de un selector
accionado mediante llaves, dando de esta forma seguridad física al sistema
de control. A continuación, en la Figura 3.27, se muestra el diagrama de
control y en la Figura 3.28 se muestra el diagrama de conexiones del PLC
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112
Identificación de la nomenclatura utilizada.
En ei tablero de mando.
TBp Térmico de la bomba principal
TBb Térmico de la bomba de recirculacíón
SNA Contacto del sensor en nivel alto
SNB Contacto del sensor en nivel bajo
RNA Relé de nivel alto
RNB Relé de nivel bajo
RMA Relé de modo automático
Pp Pulsante de paro
PBp Pulsante para accionar !a bomba principal
K1 Bobina del contactor de accionamiento de la bomba principal
PBb Pulsante para accionar la bomba de recirculación
K2 Bobina del contactor para accionar de bomba de recirculación.
PRie. Pulsante para accionar la electro-válvula de riego
R1 Bobina de la electro-válvula de riego
Prec. Pulsante para accionar la electro-válvula de recirculación
R2 Bobina de la electro-válvula de recirculación
PE1 Pulsante que acciona la electro-válvula para dosificar solución
acida
E1 Bobina de la electro-válvula para dosificar ácido
PEZ Pulsante que acciona la electro-válvula para dosificar solución
básica
E2 Bobina de la electro-válvula para dosificar solución básica,
H1ÍH2,H3]H4 Focos indicadores
En el PLc.
113
Gn Negativo de la fuente externa de 12 voltios de continua
E Positivo de ia fuente externa de 12 voltios de continua
F Salida a ¡a bobina de la electro-válvuia para la dosificación de ácido
G Salida a la bobina de la electro-válvula para la dosificación de base
LAC! Linea (fase) de 120 V
N Neutro
A Salida a la bobina del contactor para accionar la bomba principal
B Salida a la bobina del contactor para accionar la bomba de recír-
cu I ación
C Salida a la bobina de la electro-válvuia de riego
D Salida a la bobina de la electro-válvuia de recirculacíón
Gp Entrada de pulsos.
De esta forma se logró hacer que ei sistema de control de pH en el líquido
de riego funcione de acuerdo a lo concebido en el diseño, a pesar de no
contar con todos los elementos requeridos por las causas ya mencionadas.
A continuación en el capitulo 4 se trata sobre las pruebas que se realizaron a
todo el sistema diseñado para el control de pH en e! líquido de riego a
aplicarse en la cama de cultivo de un invernadero
i
t
CAPITULO 4PRUEBAS Y RESULTADOS DEL SISTEMA
114
CAPITULO 4
PRUEBAS Y RESULTADOS DEL SISTEMA
Este capitulo trata sobre las pruebas realizadas al transmisor y a todo el
sistema que hace el control de pH en el líquido de riego.
4.1 PRUEBAS DEL TRANSMISOR DE pH
La prueba principal por la que se empezó fue tratar de obtener del
transmisor
de pH una corriente DC de 4mA a 20mA en función del pH medido por el
sistema de electrodos. Para tal efecto el transmisor debe estar previamente
calibrado.
Para calibrar el transmisor de pH se utilizan soluciones con un valor de pH
conocido. Esto es, se emplean las llamadas soluciones buffer que tienen
valores de 4 y 7 de pH. Como la respuesta del sensor es lineal (Catalogo
Cole-Parmer) y además los dispositivos electrónicos utilizados para la
construcción del transmisor se encuentran operando en su zona lineal
entonces bastará con obtener dos valores de pH para dos soluciones y
definir una recta que represente la corriente de salida en función del valor
de pH medido en la solución. Es importante hacer énfasis en que la
respuesta del transmisor será la mejor mientras las condiciones del medio en
las cuales se hace la medición sean las mismas a las de la calibración.
Para obtener el valor de la señal de corriente DC que corresponde al valor
de pH medido en una solución, se emplea la siguiente ecuación:
ec4.1
115
Donde I: corriente en mA
pH: valor en unidades de pH
Así, de acuerdo con la ec. 4.1 y lo obtenido en la práctica con soluciones
de valores de pH diferentes se tiene:
Tabla 4.1 Valores de pH medidos y calculados
Solución
5
7.5
8.5
Valor medido
(mA)
9.85
12.81
13.49
Valor
calculado
(mA)
9.71
12.57
13.71
Error
%
1.44
1.91
1.6
.De acuerdo a ios valores medidos y calculados, se observa que existe un
error promedio en el orden de 1.65 %, valor que se consideró aceptable de
acuerdo a la aplicación que aquí se reporta. Vale indicar que para minimizar
el mismo, se utilizó en la construcción del transmisor resistencias con
tolerancias menores al 2%.
4.2 PRUEBAS DEL SISTEMA QUE CONTROLA EL PH EN ELAGUA DE RIEGO
Las pruebas que se diseñaron y desarrollaron para comprobar el
comportamiento correcto de! sistema de control de pH se orientaron a:
1) hacer una evaluación de las diferentes pantallas diseñados para los HMI
116
y 2) a obtener ia respuesta adecuada desde el controlador en función de su
algoritmo de control,
4.2.1 PRUEBAS REALIZADAS A LAS PANTALLAS DEL HMI
Como es obvio, todo software debe ser lo más amigable posible para el
usuario tal que pueda orientar al mismo en ei manejo de sus funciones.
Para esto es necesario que las diferentes pantallas que se ponga a
disposición del posible usuario tengan una apariencia y lógica de manejo
similares en lo posible a lo que éste encuentra en la realidad. Para
comprobar si se tuvo éxito en este objetivo, se pidió a varios usuarios a que
sin explicación previa naveguen por las diferentes pantallas guiados por la
apariencia de las mismas. Cabe indicar que en un 70 % se había logrado el
objetivo de desarrollar una HMI amigable. Para el 30% restante, los
comentarios de los voluntarios hicieron notar que eran necesarios ciertos
ajustes, los mismos que inmediatamente fueron ¡mplementados.
Se probó la seguridad del sistema ingresando a las pantallas con diferentes
privilegios y comprobando que solo los tres tipos de usuarios definidos
tengan acceso a lo que se programó para cada uno de ellos. Terminadas
estas pruebas iniciales, se pasó a probar el sistema de control como tal.
4.2.2 PRUEBAS DEL CONTROL DEL PROCESO
Estas pruebas estuvieron orientadas a obtener una respuesta del sistema
frente a cambios en la variable medida (pH en el líquido de riego) y al valor
de consigna (Set-Point) fijado. A continuación, en la Figura 4.1, para
comodidad del lector, se muestra e identifica el equipo que en particular
interviene en el circuito cerrado donde se mezclan las soluciones con el
agua de riego hasta llegar al pH deseado.
117
SENSOR DE NIVELTRANSMISOR
4 - 20
Figura 4.1 Equipo instalado para el circuito cerrado donde se mezclan las
soluciones con el agua de riego hasta llegar al pH deseado.
Para realizar esta prueba, y por las limitaciones económicas que se
explicaron debidamente en su oportunidad, el tanque de mezcla, el cual
tiene una capacidad de 60 galones se procedió a llenar manualmente con
agua hasta el nivel marcado con Nmáx (30 galones), haciendo las funciones
de la bomba de llenado. Para poder llevar el registro del volumen de agua
que ingresa ai circuito cerrado, se empleó un generador de pulsos, cuya
señal de salida imita a la señal de pulsos que emitiría un hidrómetro en
función del volumen de líquido que ingresa. Una vez que se energizó el
sistema se observó que la salida Q0.4 del PLC utilizada para manejar la
bomba de llenado se desactivaba, y no volvía a ser activada, al llegar a
contabilizarse un cierto número de pulsos que equivale a un cierto volumen
de líquido de riego ingresado. El valor del volumen de liquido de riego
deseado, es ingresado mediante la pantalla del HMI de ajuste y calibración.
Si se desea ingresar más agua al proceso, se ingresa un nuevo dato de
118
volumen de agua mediante la referida pantalla del HMI de Ajuste y
Calibración.
Tal como se ha indicado, el nivel bajo y el nivel alto del líquido en el tanque
de mezcla se detecta con un sensor tipo discreto (comercialmente llamado
RADAR). Este cierra un contacto cuando se tiene un bajo nivel del liquido y
otro contacto, independiente, cuando se tiene un nivel alto del líquido en el
tanque de mezcla. El estado de los contactos se ingresa a las entradas
discretas del PLC. Se hizo una prueba con la que se comprobó que cuando
el algoritmo de control en el PLC detecta nivel bajo en la entrada 10.2 por
medio de los sensores ya mencionados, se da la orden de activación de la
bomba de llenado por medio de su salida Q0.4. Al detectarse el nivel alto
en la entrada 10.3 del PLC, se apaga la bomba de llenado y se activa la
bomba de recirculación por medio de la salida Q0.5. Al estar activada la
bomba de recirculación, el sistema de control empieza a hacer lecturas y
reacciona frente a la información sobre el valor del pH disponible en las
entradas respectivas del PLC. Según lo evaluado por el algoritmo de
control, se activan las salidas de conmutación rápida del PLC QO.O y Q0.1
para el control de las electro-válvulas, ya sea para inyectar solución acida
o solución básica, y puesto que el sistema está diseñado para manejar
válvulas solenoides normalmente cerradas, se activa la salida Q0.7 que
maneja a la válvula solenoide de recirculación, para permitir la circulación
del liquido dentro del circuito cerrado, mientras que se mantiene desactivada
la salida Q0.6 que maneja la válvula solenoide de riego.
Al llegar al valor de pH deseado se verificó que el sistema deja de dosificar
y al mismo tiempo desactivó la salida Q0.7 del PLC, para proceder a! cierre
manual de la válvula de recirculación, y activar la salida Q0.6 del PLC , que
procede a la apertura de la válvula de riego.
Con el propósito de observar como actúan las salidas del PLC se utilizó
lámparas piloto conectadas a las salidas respectivas del mismo. También se
119
añadieron luces indicadoras en las respectivas pantallas del HMI, para
poder visualizar el estado de los elementos utilizados en el proceso. El
resultado final de todas estas pruebas demostró que el sistema estaba
funcionamiento correctamente.
Para probar la efectividad del algoritmo de control de! pH se hizo dos
pruebas; la primera consistió en que a partir del liquido de riego con pH bajo,
y hacer que alcance un pH alto, y la segunda prueba que a partir de liquido
de riego con pH alto, este alcance un pH bajo. Así, en la primera prueba el
liquido de riego presentaba un pH bajo (pH=6), mientras que el Set-Point se
fijo en un pH alto (pH=7.5). Para esta prueba las constantes del PID, el
volumen parcial del líquido a controlar, así como el tiempo de duración del
pulso entre otros parámetros, se fijaron en:
Constantes del PID:
Kp= 0.9
Ki = 70 min
Kd= 0.7 min
Tiempo de Maestreo = 4 s
El volumen parcial del líquido a controlar y el flujo del inyector (Fl), se fijaron
en:
Volumen = 2 litros
Fl = 0.025 l/s
El Volumen de dosificación máxima (Vdosi), caudal de inyección (Cl) y
duración del pulso de inyección (Tp), se fijaron en:
Vdosi = 0.2 litros
120
Cl = 0. Ollitros/s
Tp = 200 ms
La respuesta que se obtuvo con estos parámetros fijados, fue la inyección de
solución básica, y los pulsos para el manejo de la electro-válvula, que se
tuvieron a la salida Q0.1, se muestran en la Figura 4.2.
Tiempo reque-rido para quecircule 2 litrosde líquido deriego
Inyección desoluciónbásica
Inyección desolución acida
40s
21itros
Figura 4.2 Conmutación a la salida Q0.1 del PLC para el control
de pH en el liquido de riego.
Para obtener el cambio de pH en el líquido de riego se utilizó solución de
hidróxido de sodio, con lo que el valor de pH en el liquido cambió,
acercándose al valor de pH fijado por el set-point.
121
Tal como fue concebido el algoritmo de control, a medida que el vaior
medido se acerca al de consigna disminuye eí número de pulsos. Para un
vaior de pH en el líquido igual a 7 se obtuvo un nuevo número de pulsos de
conmutación, los cuales se muestran a continuación en la Figura 4.3:
'JÍ
Tiemporequerido paraque circule 2litros de liqui-do de riego
Inyección desoluciónbásica
Inyección desoluciónbásica
Inyección desolución acida
40 s
2 litros
n n n
Figura 4.3 Conmutación a la salida Q0.1 del PLC cuando el valor de pH es
igual a 7
Una vez que se alcanzó el valor de pH de 7.4 se observó que se desactivó el
sistema de dosificación y se dio el paso del líquido a la cama de cultivo. El
error del pH que se midió en este caso fue del 1.53%, el cual es aceptable
puesto que un error con este valor no es critico para el pH del suelo y para
el normal desarrollo de la planta. De hecho, muchas plantaciones pueden
tolerar una variación del pH en el suelo de cultivo de alrededor de 1 a 1.5
unidades de pH.
122
Una vez que se alcanzó el valor de pH deseado se comprobó que se dio el
paso del liquido de riego a la cama de cultivo, para lo cual el PLC activa la
salida Q0.6 utilizada para ei manejo de la electro- válvula de riego y al
mismo tiempo desactiva la salida Q0.7 utilizada para el manejo de la electro
- válvula de recirculación
M13
12 -
1110
7 J
6
5
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2 .
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O .
pH EN EL LIQUIDO DE RIEGO
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llm3Jr
Minutes i... .„ __^i ,,„
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17:43:30,000 {
17:43:30
30 minuté;
Figura 4.4 Lectura del valor de pH en el líquido de riego, cambio de 6 a 7.5
unidades de pH
En la Figura 4.4 se observa como va cambiando el valor de pH en el líquido
de riego, el tiempo que demora el sistema en llegar a estabilizarse es de 12
min. El tiempo de estabilización es grande debido a que el caudal de ¡a
bomba utilizada es pequeño (0.05 l/s) comparado con el volumen de agua
total (30 galones) que recircula, lo cual hace que el sistema sea lento.
123
Tal como ya se indicó, una segunda prueba se hizo a partir del líquido de
riego con pH alto (pH=7.5), mientras que el set-point se fijó en un valor de
pH bajo (pH=5). Las condiciones del sistema para esta prueba fueron ías
mismas que para la primera prueba.
Para cambiar el pH del líquido en esta prueba, se comprobó que
efectivamente se activa la electro-válvula que permite el paso de solución
acida para lo cual se utilizo ácido clorhídrico. El resultado que se obtiene en
la salida QO.O de conmutación rápida del PLC se muestra a continuación en
la Figura 4.5.
Tiempo reque-rido para quecircule 21¡trosde líquido deriego
Inyección desoluciónbásica
Inyección desolución acida
40 s
antros
Figura 4.5 Conmutación a la salida QO.O del PLC cuando el valor de pH en el
liquido de riego es igual a 7.5
Igualmente, a medida que el valor de pH del líquido de riego se acerca ai
valor de consigna la dosificación disminuye, y el nuevo número de pulsos
124
que se obtiene a la salida QO.O para un valor de pH- 5.6, se muestra en la
Figura 4.6
Tiempo reque-rido para quecircule 2 litros
riego
Inyección desoluciónbásica
Inyección desolución acida
40 s
2 litros
n n n n n n n
Figura 4.6 Conmutación a la salida QO.O del PLC cuando el valor de pH en el
liquido de riego es igual a 5,6.
El sistema dejo de dar pulsos cuando el valor de pH en el líquido de riego
era igual a 5.1, con lo que se obtuvo un error del 2%, que igual que en la
primera prueba, error no produce un efecto grave en el suelo de cultivo y el
normal desarrollo de la planta no se altera.
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14
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pH EN EL LIQUIDO DE RIEGO
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< i 18:li5:03 > ¡ Zootn fe | 13ml8s Zoom Out < 18:23;21 >
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Figura 4.7 Lectura del valor de pH en el líquido de riego, cambio de 7.5 a 5
unidades de pH
En la Figura 4.7 se observa el cambio del valor de pH en el liquido de riego,
donde el tiempo de estabilización es de 13 min. Este nuevo resultado
confirma que el sistema es lento tal como se mencionó en la prueba anterior
De esta forma se comprobó que el sistema modifica el número de pulsos
de conmutación en la salidas QO.O y Q0.1 del PLC, según lo que mida el
sensor de pH y lo evaluado por el algoritmo de control, con lo cual se ratifica
que el sistema de control trabaja de acuerdo a lo establecido.
CAPITULO 5CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
126
CAPITULO 5
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Luego de efectuadas las pruebas al sistema, de ios resultados obtenidos y
de la experiencia adquirida al realizar este proyecto, se extraen a
continuación las conclusiones siguientes.
5.1 CONCLUSIONES
> En términos generales, y a pesar de que se tuvo que improvisar
mecanismos que reemplacen a ios dispositivos que no pudieron ser
parte del proyecto, se puede concluir que los objetivos globales de este
trabajo fueron cumplidos. El sistema es capaz de reaccionar
correctamente al valor de pH de la mezcla y genera las señales
electrónicas que le permiten controlar los actuadores que llevan el pH
de la mezcla al valor deseado. Efectivamente, cuando la mezcla era
básica y se quería llevar la misma a un valor ácido, el sistema envió las
órdenes correctas al actuador que libera la solución acida. De igual
forma si se quiere llevar la mezcla a un pH básico.
> Se comprobó también que el controlador PID desarrollado reacciona
correctamente según lo programado. Cuando la diferencia entre el valor
de consigna y el medido es muy grande, envía un tren de pulsos más
numeroso para llevar la solución al valor deseado lo más rápido
posible. Cuando e! valor medido del pH se acerca al de consigna, se
comprobó que el controlador genera un tren de pulsos más corto para
evitar sobrepasar el valor deseado,
> Otro de los objetivos del proyecto fue proveer de un sistema que permita
almacenar los datos del pH para tener históricos de dicho valor y poder
127
realizar algún tipo de análisis. La selección de la plataforma de
desarrollo Intouch demostró ser la correcta por la facilidad que ofrece la
misma para crear bases de datos que pueden incluso ser leídas por
aplicaciones como el EXCEL, para facilitar los análisis que serán
realizados por físicos e ingenieros agrónomos,
> Además, este trabajo permitió conocer con profundidad y detalle las
facilidades que ofrece el Intouch para desarrollar la interfaz gráfica
(HMI) de un SCADA, por lo que se puede concluir que esta plataforma
es ideal para este tipo de tareas.
> Las facilidades que se presentan al desarrollar un sistema SCADA en
una PC para el control de un proceso son muchas, es que a más de ser
amigable y seguro para el manejo del proceso por parte de un usuario,
le permite visualizar de manera rápida y global el estado de
funcionamiento de los elementos utilizados en el mismo, y poder actuar
inmediatamente en caso se requiera realizar ajustes a las variables
utilizadas para el control del mismo.
> Controlar las variables que intervienen en el desarrollo de las plantas en
un invernadero mediante el uso de un PLC, en conjunto con una PC
(con la ayuda de Intouch) para la supervisión, mando y control de las
variables, resultó en un sistema bastante versátil, puesto que se puede
acoplar el sistema para el manejo de un pequeño o gran invernadero
mediante la correcta adecuación o adaptación de las variables de
configuración del sistema.
> Por el desempeño demostrado por el PLC para el control del pH en la
solución de riego, se puede concluir que representa una muy buena
alternativa, puesto que da seguridad operativa al sistema propuesto y
128
presenta ciertas facilidades que permiten optimizar el algoritmo de
control para lograr una respuesta rápida y eficiente.
El sistema pudo medir el pH con un error del 1.65%. Este valor es aceptable
según lo que se desprende de la lectura de Información técnica de otros
equipos que hacen una labor parecida. El tiempo que tarda el sistema en
llegar desde un valor dado (en un volumen de líquido de riego de 30
galones) al de consigna es aproximadamente de 13 minutos. De los
resultados obtenidos se puede concluir que se cumplió con los objetivos del
proyecto,
A continuación se procede a listar una serie de sugerencias que se
extrajeron producto de la experiencia adquirida durante la ejecución de este
trabajo.
5.2 RECOMENDACIONES
> Para mejorar la respuesta del transmisor se recomienda utilizar, en la
construcción de éste, resistencias de tolerancia de 2% o menor,
concretamente en la etapas de conversión de voltaje a frecuencia y
viceversa, puesto que esto hará que el error sea cada vez mas
pequeño. Esto se puede recomendar después de observar los
resultados que se obtuvieron en este proyecto.
> Para que la medida que da el transmisor en función de la señal medida
por el sistema de electrodos sea la correcta, se recomienda hacer
calibraciones periódicas al sensor y componentes relacionados, puesto
que como se trata de una medición hecha en base al intercambio de
iones de ios electrodos, estos tienden a desgastarse y el potencial que
se tiene a la salida cambia. Dependiendo del tipo de soluciones
129
utilizadas y la frecuencia con que se hacen las mediciones se
recomienda hacer la calibración cada 10 a 15 días.
> Para empezar a calibrar el transmisor es recomendable empezar con la
solución buffer de pH-7 puesto que es el punto de equilibrio donde el
pH es el mismo a cualquier temperatura. Luego, para definir un
segundo punto, utilizar una solución buffer de pH=4, con lo que se logra
definir la recta de valores de pH.
> El trabajo en e! diseño y construcción de este sistema permite afirmar
que un sistema parecido, si no el mismo, se podría emplear para
controlar otros parámetros de la solución que influyan en el normal
desarrollo de la planta. Por ejemplo, se podría pensar en la dosificación
de vitaminas para fortalecer a la planta frente a una posible plaga, para
lo cual sería necesario implementar el respectivo sensor, un inyector
"ventury " y una válvula de pulsos en paralelo a los ramales de
dosificación de las soluciones acida y básica. Por ultimo, se añadiría
esta otra opción de control en el algoritmo de control en el PLC.
> Para hacer pruebas iniciales en cuanto a la comunicación entre Intouch
y el PLC, se recomienda hacer pequeños programas que permitan
resolver los diferentes problemas que se presentan durante la fase de
diseño y pruebas. De esta manera, al mismo tiempo que se solucionan
problemas pequeños concretos, los pequeños bloques de programa
desarrollados pueden ser utilizados en otras partes del programa total
sin ningún inconveniente.
> En el presente proyecto se controla una de las variables que influyen en
el crecimiento de las plantas en un invernadero. Existen otros proyectos
destinados a controlar otras variables como son radiación,
temperatura, y humedad, por lo que se recomienda unir todos estos.
~ 130
> El monto al que asciende el costo del equipo mencionado
anteriormente, luego de que se buscó la alternativa más económica,
es de USD 1500, sin incluir al sensor de pH que la empresa
Israriego ha prestado para este proyecto. Este sensor sería
conveniente comprarlo pues presenta un cierto desgaste que obliga
a hacer calibraciones frecuentes. El costo del sensor de pH oscila
entre los USD 200 y USD 300 dependiendo de la calidad de este.
*
BIBLIOGRAFÍA
[1] WILLIAM D. COOPER, Instrumentación Electrónica Moderna y Técnicas
de Medición, Prentice-Hall, México, Segunda Edición, 1993.
[2] COUGHLIN ROBERT, Amplificadores Operacionales y Circuitos
Integrados Lineales, Prentice-Hall, México, Quinta Edición, 1999.
[3] THOMAS KISSELL, Industrial Electronics, Prentice-Hall, México,
Tercera Edición, 1999
[4] TURCK, Manual de Automatización-Turck, User's Guide, USA 1999
[5] SIMATIC SISTEMA DE AUTOMATIZACIÓN, Manual del sistema S7 200,
Edición N° 2, 2000, referencia 6ES7298-8FA21-8DHO.
[6] WWONDERWARE CORPORATION, User's Guide, Wonderware
FactorySuite, USA 1999.
[7] LEARY/SKOOG, Análisis Instrumental, McGraw-Hill, México, Cuarta
Edición, 1994.
[8] HOBART WILLARD, Métodos Instrumentales de Análisis, Ed.
Iberoamericana, México, Segunda Edición, 1991.
[9] SKOOG, Análisis Instrumental, McGraw-Hili, México, Segunda Edición,
1990.
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/rffp://www. i lo. org/public/english/protection/safework/a índex. hím
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ANEXO A
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% MEC:
Mazzei Injector CorporationMazzeí ínjecíor Corporation designs, manufacíurers,and globalíy markeís a diversified line of highefficiency, differenfial pressufe Injecfors andapplicaílon sysíems, Due to íhe extreme accuracyand performance demanded, over 80 injecíormodels of differing íype and consíruction areavaílable, Mazzei® Injectors offer dramatic¡mprovement ío exlsíing eductors utiiízing advancedengineering concepts, theories, and principiesinvolving pressures and veiocííies of liquids and gases.Currenííy operating successfuliy ¡n íhousands ofinstallations worldwide, Mazzei® Injectors (paíented)offer accuraíe, economlcal, and írouble freemeíhods lo injecí virtualty any liquid or gas subsíanceinto a pressurized fluid síream. The engineering staffassisís cusíomers with applicaiions, design, andInjector selection,
/1AZZEI® INJECTOR
IrUS Pal. 4123800
, - ' ' Can. Pat. 1083503¿L, SUCTION
PORT"% Function
Hdw Mazzei® Injecíors WorkThe Injecíor relies on ¡ts efficiení abiliíy to créate avacuum at íhe suction port for desired sucíion ofmaíerial ío occur. Thís is accomplished when arninimal amouní of differential pressure (AP) exist _
beíween the inlet and ouflet sides of íhe Injecíor, Themajoriíy of Mazzei® Injecfors are highly efficiení,requiríng less than 20% differeníial to iniíiafe suction,
When a pressurized operating (motive) fluid, such aswater, eníers the Injecíor Inlet, ¡f consíricís íoward íheínjection chamber and changes inío a high veiociíyjet stream. The increase in velocity íhrough íheinjecíion chamber; as a resulí of the differeníialpressure, results-in a decrease in pressure in thechamber. This pressure drop enables an addiíivemaíerial ío be drown through íhe sucíion porí and isdynamically enírained inío íhe motive stream. As íhejet strearn is diffused toward the Injector outleí, iísvelocity is reduced and ií is reconveríed ¡nto pressureenergy (but ai a pressure level iower than injector inletpressure),
Performance TestingPerformance data and.oíher technical inforrnaiion asdescribed wiíhin the Performance Tables located iníhis catalog have been prepared from actualindependent test resulís. They are consideredaccuraíe and reliable. Mazzei Injecíor Corp.,however, assumes no responsibilíty for the accuracyof performance informaíion under varied fieldcondiíions.Tesíing was conducíed ai an eievaíion ofapproximaíeiy 90 meters above sea level. Wateríemperature of both moíive and liquid sucíion was•approximaíeiy 15.5°C, Liquid (water) suction wasmeasured at O lift. Insírumenís and gauges used iníhe measuring were calibraíed ío an accuracy of lessthan + or-2%.
Mazze! Injector In operaflon demonstroilng ihe Injectton of alr ¡nto o water system. NOTE the thorough mlxlng action taklng place Justobwnsfreom of the suction port as the alr Is entrained Into the water flow. Uquld suction works the same way.
Mociels 484-A, 584 684Inlet & Ouíleí; 3/4" MNPT oriSO-R (BSPT)Sucíion Porí: Builí-In back check valve wiíh Kel-F
seaí, Teflon ball, and Hastelloy-C spring. Capwiíh 1/4" MNPT and 1/4" hose shank.
Shipping Weighí: 0.09 kg.
_ Models 878, 978, 1078, 885-XInlet & Outlet: V MNPT or ISO-R (BSPT)Sucíion Porí: 1/2" FNPTC-83P Check Valve: 1/2 MNPT wiíh O-ring seal
(íhreads ío sucíion parí) Kel-F seaí, Teflon ball,and Hastelloy-C spring.
Cap: 1/2" MNPT & 3/8" hose shank.Shipping Weighí: 0.24 kg.
_ Models 1583-A, 1584-A, 1585-X
inleí & Ouílet: 1 1/2" MNPT or 1SO-R (BSPT)Sucíion Porí: 1/2" MNPT & 1/2" Hose barb shank.
Builí-in check valve wiíh Teflon ball, Kel-F seaíand Hasíelloy-C spring.
Shipping Weighí: 0.43 kg,
_ Models 2081 -A, 2083-X
Inlet & Ouíleí: 2" MNPT or ISO-R (BSPT)Sucíion Port: 1 1/4" MNPT or ISO-R (BSPT) wlth
1 1/4" x 1/2" Bell Reducer and C-83P CheckVaive (1/2" íhreads wiíh 3/8" hose shank)
Shipping Weighí: 0.73 kg.
t
Models 4090, 4090-X, 4091Inleí & Ouílef: 4" MNPT or ISQ-R (BSPT)Dual Suction Porís; 2" MNPTShipping Weighí: 5.0, kg.
Note: Check valves and Kynar® 2" caps forsucíion porí are noí included with íhese models.They are avaüable in íhis caíalog.
1•3WÍ —"*y.í¡ _•"':•. "'"'LlI—'——*•'•'—•' ••—— -"•'*•*•«&]/ i 1¿./(7cm
Model 4091
Inleí & Ouíleí; 4" ASA FlangeDual Sucíion Porís; 2" ASA FlangeConsíructíon: 31 ó Síainless SíeelShipping Weighí: 46 kg,
Noíe: Check valves are noí includedwith íhis model,
338cm 5
,_ Model 8094
Inlet & Outlet: 8" ASA FlangeDual Suction Ports: 2' FNPTConstruction: 31ó Sfainless SteelShipping Weight: 113 Ibs (51 kg)
Note: Check valves are not ¡ncludedwith this model:
Millimeíers
Metric Pipe Threod ConversionsPipe Size
MNPT-BSPTInches
20253240
1/23/4
11 1/4
Millimeíers
506390
110
MNPT-BSPT .Inches
1 1/2234
MIC:
Suction Kit AssembliesSuction Kit Assemblies ínclude a complete set ofsuction line parts for connecting Mazzei Injectors toa fluid system. Kit assemblies are avaílabie for allmodels and sizes of Mazzei Injectors.
MAZZEIINJECTOR
Key Description
1 Tubing ClarnpSuction 2 Tube Connector
Une 3 Meíering ValveAssernbly 4 Tubing (Length Approx, 10 ft.)
5 Strainer Assernbly
PARTNO.Shipping Weight
K-184(Suction Line Assy)
.32 Kg
K-181(Suction Líne Assy}
.54 Kg
K-183(Suction Line Assy)
.i.04Kg
K-282(Suction Line Assy)
2.45 Kg
FORUSEWITH(Injector Models)
384, 484A584. 684
878, 885X978, 1078
1583A.1584A1585X
2081 A, 2083X
Description of Materials Included
SUCTION UNE ASSEMBLY(Suction Tubing, Metering Valve, Strainer, & Connecling Fittings)
Tubing — clear vinyl. '/*" ID, 3 meters longMV-25 - 1/4" metering valve, with tube connections (Polypro & Teílon)S-84 - strainer (Polypro with 1/4" P.E. lube conneclor)Tube Clamps - (Acetal Copolymer) (2 used)
Tubing — clearvinyl, %" ID, 3 meters longMV-50 - 1/2" melering valve (Polypro & Teflon)TA-537 - male tube connectors (P.E.)
(connects valve to tubing) (2 used)S-84FV - foot valve strainer, with 3/8" tube connector (Polypro)Tube Clamps - (Acetal Copolymer) (4 used)
Tubing — clear vinyl, W ID, 3 meters longMV-50 - 1/2" metering valve (Polypro & Teílon)TA-550 - male lube connectors (P.E.)
(connects valve lo tubing) (2 used)S-84 - strainer (Polypro with 1/2" P.E. tube connector)Tube Clamps - (Aceta! Copolymer) (4 used)
Tubing — clear vinyl, 1" ID, 3 meters longC-86 - 1-1/4" check valve, (P VC) (connects to injeclor)BV-100 — i" metering valve, (PVC) (connects to checX valve)MA-10- 1" male hose connector (PVC) (connects valve to tubing)S-87 - strainer (P.E. with 1" PVC tube connector)Tube Clamps -¡#1 6 SS)
We can custom build for your needs.
mazzei
%$/¿Ryi t$fáj:/.-&¿IÍI^I^_^LML^
1 Determine the water flow rate through theiMazzeP injector. This is found in thePerformance Tabtes of the Mazzei*Injector catalog, based on the inlet andoutlet water pressures.
O Determine the desired injector outlet"* pressure or the back pressure. NOTE:
Pressure losses in piping between theinjector outlet and nozzle inlet must beíaken into account.
2 Use the churls provided to determine the^ MTM water flow rate at íhe required inlet
pressure. If there is no dírect match, usemúltiple MTM's.until a match is found.
líXAiMPLlí: For an aeration system,recommended is a single Model 4091Mazzei* Injector used at 30 psig Enletpressure and 5 psig outlet pressure.Water flow under these conditions is320 gpm. To account for the pressureloss in a short pipe run of 1 psig, use4 psig for the Multiplier. Under theseconditions, as seen in the graph, one#25 Multiplier has a flow rate of about40 gpm. The number of #2-5 MTM'srequiredwouldbe:(320)/(40)=S.
Éá£
Modelé
#22#25#45
ThreadSize""
r'MNPTorISO-R.BSPf"
rf MNPT or ÍSO-R,"BSPT"2" MNPÍor iSÓ-R^BSPf2"MNPTorISO-RJBSPT
|175
1150,
j .125
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1;V"í '*;'"•'
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¡aa^KSjasESEQEiSi-sasci1 'í
;_FLOWiRAJf_PER^IVlULT!PLIERJ.GPrvlModeI#,45Noz2le
.No";Gas Phase
Bas/LiquidRalio 0.4/1
O * 5 ^ 10 15 2 0 - ; ' 25 30 35 40 45"
I M u l U p l i e r Inlet Pressure, PS1
mazzei injector Corporation13
MAZZEI PERFORMANCE TABLE; | Liquid Motive (Water) I Liquid Suction (Water): 4.22 - 9.84 Kg/CmZ ¡/í ^ 4 n n TfzT' ¿" 4 "
OperatingPressure
¡njectorInlet
(Kgtan2)
4.22
[kg/cm
4.92
[kg/cm
5.62
[kg/crr
6.33
(kg/cm
7.03
[kg/cm
8.44
[kg/crr
9.84
[kg/cr
InjectorOutlet
(Kg/crn2)0.00
0.70
1.41
1.76
2.11
2.46
2.81
3.16
2 @ 0 Vac.]0.00
0.7Ü
1.41
2.11
2.45
2.81
3.15
3.52
3.87
2 @ 0 Vac.
0.00
1.41
2.11
2.46
2.31
3.16
3.52
3.87
4.22
4.57
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0.00
1.41
2.11
2.81
3.16
3.52
3.87
4.22
4.57
4.92
5.27
2 @ 0 Vac.
0.00
1.41
2.81
3.52
4.22
4.57
4.92
5.27
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2.81
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5.62
6.33
6.68
7.03
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0.00
2.81
4.22
4.92
5.62
6.33
7.03
7.73
3.44
2 @ 0 Vac.
/ ^=-A/' O •— ~- /•. Suction Capacíty of Mazzei Injectors at Various Operating ConditionsV Model 878 /MoliveFíowUm49.2
49.2
49.2
49.2
49.2
49.2
48.8
47.7
46.6
53.0
53.0
53.0
53.0
53.0
53.0
52.2
51.9
51.1
50.3
56.4
56.4
56.4
56.4
56.4
56.4
56.0-
55.6
54.9
54.1
53.7
59.8
59.8
59.8
59.3
59.8
59.3
59.3
59.4
58.7
57.9
57.5
57.2
62.8
62.8
62.8
62.8
62.8
62.8
52.5
62.1
61.3
60.2
68.1
68.1
63.1
68.1
67.8
67.0
66.6
65.9
73.8
73.8
73.8
73.8
73.8
73.3
73.4
72.7
71.9
Vacuum%ofTola I1001001001001001001001000
100100100100100100100100
1000
100
100100
100
100100100100100
LiquidSuction
Um3.79
3.79
3.79
3.79
3,79
3.79
3.28
1.70
(3.59)3.79
3.79
3.79
3.79
3.79
3.79
3.60
2.84
1.39
(4.23)3.79
3.79
3.79
3.79
3.79
3.79
3.79
3.15
1.89
97 0.57
0100100100100100100100100100100860
1001001001001001001001001000
1001001001001001001000
(4.72)3.79
3.79
3.79
3.79
3.79
3.79
3.79
3.79
2.96
1.58
0.38
(5.35)3.79
3.79
3.79
3.79
3.79
3.79
3.60
2.84
1.51
(6.06)3.79
3.79
3.79
3.79
3.15
1.89
0.88
(7.32)100 3.79
10010010010010010010088
3.79
3.79
3.79
3.79
3.79
3.79
2.52
0.44
71.5 0 (8.59)
Model 1078MotiveFlowUm70.0
70.0
70.0
70.0
70.0
69.6
68.9
67.0
65.5
74.9
74.9
74.9
74.9
74.9
74.5
73.3
73.1
72.3
71.2
82.1
82.1
82.1
82.1
B2.1
82.1
81.0
30.2
79.5
78.3
77.6
86.7
86.7
86.7
86.7
86.7
86.7
86.7
55.5
84.8
84.0
82.5
81.8
Vacuum%ofTola!100100
100
100
100
1001001000
100100100100
1001001001001000
100100100
100
100100100100
100
970
100
100
100
100
100100100100
100100
880
92.0 10092.0
92.0
92.0
92.0
91.6
90.8
90.1
88.6
87.1
99.2
99.2
99.2
99.2
97.7
96.9
95.8
95.0
100100
100
100100
100
100100
0100
100
1001001001001000
106.7 100106.7106.7106.7106.7106.7106.4105.2104.1
100
100100100100100
10089
103.3 0
LiquidSuclion
Um4.73
4.73
4.73
4.73
4.73
4.54
3.79
2.21
(3.59)4.73
4.73
4.73
4.73
4.73
4.42
3.79
2.52
1.26
(4.23)4.73
4.73
4.73
4.73
4.73
4.73
4.48
3.85
2.65
0.82
(4.72)4.73
4.73
4.73
4.73
4.73
4.73
4.73
4.29
3.53
2.27
0.57
(5.35)4.73
4.73
4.73
4.73
4.73
4.73
4.10
3.47
1.89
(6.06)4.73
4.73
4.73
4.73
3.47
2.40
0.95
(7.25)4.73
4.73
4.73
4.73
4.73
4.73
4.10
3.15
0.76
(8.52)
Model 1583Motivarlovr'Um
140.0140.0140.0140.0140.0
138.5135.5132.5130.2153.3153.3153.3153.3153.3151.4149.1146.9144.2143.8162.8162.8162.8162.8162.8162.0160.9159.0157.1155.2154.4172.2172.2172.2172.2
v-172.2172.2
170,71.169.2167:7-165.8
163.5181.7181.7181.7181.7181.7.
V130.5 ]177-.9176.0174.1172.6196.8
196.8
196,8
196.1193.0191.1
189.3
Vacuum
Total100100100100100100100980
100100100100
100
100100100
500
100
100
100
100
100100
10010098680
100100100100
100
100100
100—100—
98
0100100
100
100100 .
10010098970
1001001001009897
0212.7 100212.7212.7212.7212.7212.7210.8208.9
206.3
1001001001001009897
LiquidSuclion
Um11.4
11.4
11.4
11.4
11.4
10.2
7.94.1
(3.49)11.4
11.4
11.4
11.4
11.4
10.4
8.55.41.3
14.01)11.4
11.4
11.4
11.4
11.4
11.0
9.57.94.10.9
(4.65)11.4
11.411.411.411.4/1
11.4
_10-9.1 .,
—6.9
"-3.5
(5.28)11.4
11.4
11.4
11.4 -3.1.4-,-1,10.4,8.5
•5.7
2.2(5.85)11.4
11.4
11.4 .10.7
6.93.B
(7.04)11.4
11.4
11.4
11.4
11.4
11.4
10.1
5.4
0 (8.38)
Model 2081MoliveFlowUrn420420420420420416413405390454454
454454454454450443431
424
484
484484
484
484
484
484481469466454511511511511511511511507503496492488545545545
,545
545545541537530515598598598594590583575568
Vacuum%ofTola I1001001001001001001001000
100100100100100
100100100
980
100
100100100
100
100100
100
100980
100
100
100
100100
100100
100100100420
100
100
100
100100
100100
100
1000
100
100
100100100100530
LiquidSuclion
Um31.5
31 531.5
31.5
31.5
27.8
25.9
12.6
(3.52)31.5
31.5
31.5
31.5
31.5
31.5
30.3
23.3
7.6(4.09)31.5
31.5
31.5
31.5
31.5
31.5
31.5
29.0
20.2
6.9(4.72)31.5
31.5
31.5
31.5
31.5
31.5
31.5
31.5
25.9
is.a1.3
(5.35)
31.5
31.5
31.5
31.5
31.5
31.5
29.6
21.4
11.4
(5.92)31.5
31.5
31.5
30.3
22.1
12.0
1.9(7.11)
Model 4090MotiveFlowUm840
840840840
840
840
829829814897897897897897B97397897897874
Vacuum% ofTotal
LiquidSuction
Um98 132959090898881500
1321321321291146826
(3.38)100 | 13296949090888672300
9S6 1009969SS
996
996'
569969969969
9461060
1060
1060
1060
1050
1060
1060
1060
1050
1060
1030
1136
1136
1136
1136
1136
1136
1136
1105
1105
1090
989292909Q888856
132132132132125985715
(3.95)132132132132
1321321065126
0 (4.53)100 1369594929090SO888838
0S696909090888068100
136136136136136129956115
(5.08)
13213213213213210668302
(5.66)
I
•
iModel <!U91
MotiveFlowUm1741
1741
1741
1741
1741
1741
1711
1692
1646
1874
1874
1874
1874
1874
1874
1855
1821
1779
1775
Vacut..: ! (-,„.. J
Tola ! i.:'.:.100 l?a100 \~".100 ird100 i;-t¡100100
i. 'e1T4
98 15992 1CG0 1.3 5S,
100 17410C
100
10C10C10C10098680
2014 100'
2014
2014
2014
2014
2014
200220022002
100
1"^
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1 .••-.:
100 | ! -
100 i;j100 1 ,'010010C969ü
1942 781895 02154
2154
lOC1C-
2154 K.2154
2154
2154
2154
2135
208920742021
20062271
2271
2271
2271
2271
2271
22452210
2195
2127
:'•?' '-•Vj-
r-.W
f-l cv
U:*..
- •'.';• •«; r •-.- iICO9896938878
!-,->
'.51
143
:-i¿13210653
0 | (5.56)100100100100100
100
se9:64
0
159159159159159159
t/ :<623 i
Outlet Pressure=Mo(ive ílow pressure downstream of injector Um=Líters par minute Vacuum=Negative pressure crealed al O suction flowAir Suction=Flow o( gas (air) into suction port at atmospherjc pressure (STP) Kg/Cm2=KÍIograms per square centimeler Motive Flow=FIow líirougrí injsclor (water)Liquid Suction=Ftow of fluid (water) ¡nto trie suction port at atmospheric pressure (STP) Inlet Pressure=Motive flow pressure upstream of injecíor
19
MAZ2EI PERFORMANCE TABLELiquid Motive (Water} / Liquid Suctíon (W
/ ' sll - ' t0.35 - 3.52 Kg/Cm2
Opera tlngPressure
InjeclorInlel
(Kg/cm2)
0.35
[kg/cm
0.70
[kg/cm
1.05
[kg/cfr
1.41
[kg/or
1.76
[kg/or
2.11
[kg/cm
2.46
[kg/cm
2.81
[kg/cm
3.16
(kg/cm
3.52
(kg/cn
InjeclorOutlet
(Kg/cm2)0.00
0.07
0.14
0.21
0.28
2 @ 0 Vac.]0.00
0.14
0.35
0.49
0.56
2 @ 0 Vac.'0.00
0.35
0.49
0.70
0.34
2 @ 0 Vac.
0.00
0.35
0.70
0.84
1.05
0.35
0.70
1.05
1.41
2 @ 0 Vac.
0.00
0.35
0.70
1.05
1.41
1.76
1 © 0 Vac.
0.00
0.35
0.70
1.05
1.41
1.75
2@OVac. ]0.00
0.35
0.70
1.05
1.41
1.76
2.11
2 @ 0 Vac.]0.00
0.35
0.70
'1.051.41
1.76
2.11
Z462 @ 0 Vac,]
0.00
0.70
1.05
1.41
1.76
Z112.46
2.81
2 © 0 Vac]
-s/ Suition Capacity of Mazzei Injectors ai Various Operating ConditionsModel 384-X
MotiveFlowUm2.75
2.65
2.46
2.38
3.71
3.52
3.37
4.54
4.35
4.16
5.49
4.92
Vacuum
Total402312
07436
094
28
093
65
4.73 | 06.06 1005.68 .5.49
5.37
6.62
6.25
6.05
8917
LiquidSuctíon
Um0.35
0.50
0.09
(0.18)1.14
0.76
(0.32)1.45
0.38
(0.46)1.70
0.82
(0.53)1.39
1.07
0.19
0 (0.77)1009563
5.87 | 07.08 1006.74
6.55
6.43
6.32
7.46
7.19
6.S6
5.35
6.74
7.33
7.68
7.53
7.34
7.23
7.19
8.14
7.95
7.76
7.65
7.57
988730
2.08
1.32
0.63
(0.99)2.21
1.58
1.07
0.19
0 (1,16)100939374
010098943733
0100979073
0 •
2.21
1.77
1.26
0.57
(1.34)2.21
1.89
1.53
0.95
0.16
•(1.51)2.21
1.70
1.14
0.57
(1.73)
Model 885-XMoliveFlowUm17.4
17.0
16.7
15.9
15.1
24.2
23.1
21.6
20.1
28.4
26.5
25.7
25.0
24.2
32.2
30.3
28.8
28.4
28.0
36.0
34.4
32.6
31.0
30.7
38.2
37.9
36.3
34.8 •
34.1
40.5
40.5
39.4
38.2
37.1
36.3
Vacuum%ofTotal3124143
LiquidSuction
Um
4.43.21.9
0.9
0 | (0.25)959246
09593
81
14
0100939051
0100988851
0100989792
010099989584
042.4 10042.4
42.0
41.3
40.5
39.4
10098979368
38.6 044.7
44.7
44.7
44.3
42.8
41.6
40.9
46.6
46.6
46.2
45.8
45.0
43.5
10010098969269
01009897959385
42.8 0
6.35.0Z2
(0.49)7.34.43.21.6
(0.77)7.66.32.81.3
(0.99)8.26.94.71.6
(1.20)8.5
7.65.73.2
(1.41)8.8
8.26.94.41.9
(1.65)B.B
8.5
7.96.03.51.1-.
(1-90)8.38.53.27.35.02.8
(2.1113.88.5
8,26.34.41.9
(2.39)
Model 1585-XMoliveFlowUm54.9
49.2
45.4
43.9
Vacuum%ofTotal
7742
233
42.4 072.7
69.3
59.4
57.5
85.9
78.7
77.6
74.6
73.1
98.4
93.1
85.9
82.1
80.2
105102
95.8
92.7
91.6
113112106
100
97120120119114107
104
126
126
125123
119
113
112
131
131
131
130126121
119136136135132127125
124
9786
37
098
88
4710
0
58
955616
LiquidSuction
L/m11.7
8.26.31.9
(0.23)15.8
12.6
6.3
(0.46)18.6
12.0
10.7
2.8
(0.77)21.1
16.4
10.1
4.7
0 (0.99)99979022
01009855
66
0
100
98•- 96
9240
010099
979488
25
0
22.1
18.5
13.2
5.0
(1.20)22.1
21.1
17.0
10.1
(1-37)22.1
21.4
20.5
15.5
5.7
(1.62)22.1
22.1
21.1
18.3
1Z3
Z5
(1.87)100 22.1
99 22.1
989539
67
0
21.4
19.9
16.4
8.2
(2.08)100 | 22.1
98
56933758
22.1
20.8
18.9
1Z55.0
0 (2.32)
Model 2083-XMoliveFlowUm
4038
Vacuum%ofTotal244
37 05552
5167
597572
718480
3913
058
073IB
084
35
78 09187
8952
85 098 ' 939591
9110210097
6516
0
947538
96 0107106102
101
111
109107 .
558053
0
976218
106 0
LiquidSuclion
Um257
(0.11)3112
(0.25137
(0.35)4114
(0.49)50
28
(0.60)54
40
(0.70)5941
15
(0.85)62
4428
(0.95)685033
(1.05)713411
(1-23)
Model 4090-XMotiveFlowUm
Vacuum%ofTotal
SucuotíUm
*
341 31341
318439439439
34
0543710
I5í>125
10 35;22712515
397 0 ;¿iu-500 61 25?500
469
560
560
560
34 K4
0 (0 70 178 303
' 58 TC.3
24
522-- 0 (OSdf609
609
509
590
659
659
659659
85 30368 2-íd
41 155
o (i o?:38 3ÜU
78 27354 15920 7»
636 | 0 t1 131' 708
703708708
90 3 Id8566•11
673746746746746746
731
783
783783783
0S5
' 90857627
096856837
303265151
(134)318
318
26516938
(155)318318227121
768 0 (1 73)
Outlel Prassure=Motive [low pressure downstream of infectar Um=Lilers per minute Vacuum=NegalÍve pressure created at O suction ílowAir Suction=Flow oí gas (air) ¡nto suction port at atmospnerjc pressura (STP) Kg/Cm2=Kilograms per squara cenlimeter Molive Flow=Flcw tnrough mjoctcr (water)Liquid Suction=Flow ot (luid (water) inlo the suctiotl port at atmospherlc pressure (STP) Inlet Pres5ure=Mottva [low pressura upslteam oí ¡njeclor
20
ANEXOCESPECIFICACIONES DEL SENSOR DE pH
*'*»:
pfí tltUíKUUES
pHELECTRODESpH ¡s the measure of íheacidííy or alkaliníty of asoluíion. It is defined as íhenegatiye logarithm of hydro-gen ion acíivity. A pH valuédescribes the relative quantity of hydrogenions (H+) contained ¡n a solution. The greaíerthe conceníration of H* (íhe more acídic thesoluíion}, the lower the pH.
A standard pH measuring system consiste ofthree elements:
1) a pH-sensitive membrane
2} a reference half-cell eiectrode, and
3) a pH meíer or controller
To successfully measure pH, you need boíha sensíng half-cell elecírode and a referencehalf-cell electrode. These two half-cell elec-írodes can be combined ío form a single"combination" electrode (see below).
THE ELECTRODE PAIRSensíng and reference half-cell electrodesmusí be used íogeíher ío compleíe íhe pHcircuií. The elecírode palr offers you versalilitybecause you can choose each half-cell sepa-rately to best frt your application. Below ¡s adecription of each half-cell and some of íhetypes available.
SENSING HALF-CELL ELECTRODES are therneasuring poríion of ihe eiectrode systemand coníain íhe pH-sensitíve membrane (usu-ally glass). Several íypes of glass membranesare available.
—General-purpose glass for a wide pH rangeuplo2l2°F{100°C).—Blue glass for pH 0-13 and temperatures ío230°F{110°).—Amber glass for pH 0-14 and íemperaíuresío 230°F (110°C). Feaíures low sodlum error(Na* can be misread as H+ ai pH 12 andhigher in soluíions wlth a high concentraronof Na+).
REFERENCE HALF-CELL ELECTRO DES areavailable in single- and double-junction síyles.Economical single-juncíion elecírodes areideal for general-purpose applicaíions. Usedouble-junction electrodes with viscous solu-íions íhat contaln sulfídes, heavy meíals, oriris buffers.
Reference electrodes also differ in íhe type ofiníernal element used. Two popular styles aredescribed beiow.
—Silver/silver chloride (Ag/AgCl) Is very stabieup ío 230°F (110°C); suitabie for aimost allapplications.—Calomel (Hg/HgaCl2) has a íemperaíure Hmftof 158°F (70°C). Use wiíh soluíions íhat areincompatible wüh Ag/AgCl and cause clog-ging of íhe reference juncííon.
COMBINATION ELECTRODESCombinaílon elecírodes provide the conve-nience of a sensing half-cell and a referencehalf-cell in a single probé. They allow you íomeasure small samples and are perfect foruse in places where two electrodes will not ftt.
Industrial electrodes can beinsertad in mounting assemblies
(model 05993-83 snown)for submersinle use.
We offer a wide variety of pH elecírodesío meeí your íoughest demands. Foryour convenience, our "pH eiecírodes"secíion has been organizad ¡nío twogeneral caíegories—indusírial and labo-ratory electrodes, See below and airighí for a complete descrípíion of eachcaiegory.
INDUSTRIAL ELECTRODESUse indusírial elecírodes wiíh pH con-írollers ío monitor and conírol íhe pH ofa soluíion. These rugged, long-Iasíingelecfrodes are often permanentlymouníed into housing assemblies forcontinuous duíy. Mosí indusírial elec-írodes are sealed, glass-body combina-íion elecírodes wiíh eiíher single ordouble juncíions.
TEMPERATURE COMPENSARON \srequired for accuraíe, repeaíable mea-suremenís. Because pH valúes are sen-sitive to íemperaíure (see graph below),most pH applications require some formof íemperature compensaíion (eífherautcmatic, fixed, or manual). If your pHconíroller has auiomafic íemperaíurecompensaíion (ATC), order an electrodethat contains íhe same ATC element
Typical pH electrode response as afunctíon of temperature
C(56.16mV/pH)
PREAMPLIFIERSare used wiíhdaía acquisiíion sysíems íoreduce íhe high impedance ofíenassociaíed wiíh pH electrode sig-náis. They can transmií signáis asfar as 1000 feet wiíhout an exter-nal power supply. Preamplifierswüh built-in íemperaíure compen-saíion provide a íemperature-adjusíed ouípuí signal; use wiíhInstrumenís íhat do noí have íem-peraíure compensaíion.
SELF-CLEANING electrodes have afíat surface ío mínimlze elecírode
coaíing. Fluid flows across íhe surface,providlng a cleaning acíion ío exíendelecírode life.
¡ntroduction
LABORATORY ELECTRODESUse laboraíory elecírodes wiíh pH meters íoiniermitíently íest íhe pH of a soiution. Theyfeaíure glass or epoxy bodies and come ineither half-cell or combination styles,
We've further categorlzed our laboratoryelecírodes according ío fermeníaíion, ion-selective, general-purpose laboraíory, andspecialty applicaíions. For íips on properelecírode mainíenance, see "Use and care oflaboratory pH electrodes" on page 735.
FERMENTARON ELECTRODES are used con-íínuously for several days ai a time. Theyresemble ¡ndusírial elecíródes because theyare rugged, can be hooked up ío some pHconírollers, and are either autoclavable or ¡n-siíu sierilizable. See page 728 for addiíionalinformaíion on fermeníaíion electrodes.
ION-SELECTIVE ELECTRODES determine íheconcentraíion of a specific ¡on. We offer solid-sfate, gas sensing, and liquid membraneelecirodes. See page 743 for a compleíedescripiion of ion-seieclive electrodes.
TñBLEOFCOttJENTSIndustrial electrodes..:.......«;.í..l720-727
:Preamptffied electrodes ....;;..720-721"...Ferrnentatíon[etectrodes.»... '.:;.728-732 ,Specialtyelectradesx.--»i»...i»»....v.733Laboratory electrodes..:.-»...™.-734-742
. lón-selective e!ectrbdes....;.......743^747r
.Büffers..:;.;..,...;... »;........:..;;.* .:.... } ;Áccessoriesí....,........„.;............;748-750
pH ÍHIectrode Anatorpy
A Guide to Laboratory pH Ele<rtrodes
1} Cabla2) Cap3) FUI hola4) Body-glass
or epoxy5) Ouler
referencecfiamberíllladwllhInterna!ílllsolullon
6)Ag/AgCIwlra
7) Annularralerencelundlonallowsreíerencesolullonto leak
B J I n n e rrelerencechambor
9)0uterrelerencechamber
J O ) p Hsen'slngbulé .
Electrode Application GuldeUse Iba gulda below lo halp solect the eieclrodethal beal (Ha your appllcallon. or cali ourApplication Speclallsts íor more speclflcrecommendallons or clarlllcallon.Biológica! saniplos, prolelns, and lrÍ3 buífer
Galomel (Hg/HgjCI¡) or double-JunclíonPhannaceutlcala
Caiomel (Hg/Hg3C[2) or double-JuncllonHydroíluorlc pcld
Anllmony or HF electrodoLow lonlc slrenglh aamples, acld rain, bollarfoed water and dlsllllod wator
SUnE-FLOWorlSFET'Drlnklng wolar
Standard Ag/AgCI wllh slngle-juncllonWasle water
Double-JuncllonSolullons wllh hcavy nieláis
Double-JuncllonSolí sampfcs
Solí eieclrode or double-junctlonpH>9 and lilgh Na'
Amber glass bulb. Ag/AgCIHlgh or rapldly chantj lng temperaturas
ROSS'Frults, ch&ese, ond meül
Spear-lip, Ag/AgCl, or ISFET'Flal surtaces, papar, skln
Flül-surlaceNonaqueoua sampics, solventa, and alcollols
SURE-FLOW or doublQ-JuncUonVlscous somples, slurrles, emulslons andolb, palnls and Inks
SURE-rLOW. doublo-luncllon, or 1SFETT
Laboratory p'H Electrodos ,;').' .Table of Cbrlténts / . - , t , ., ,;'
• .r-.if ...T W.rif. • •• ' ri i¡í';
» Buííers .,.„',.' ...MÍÍ-W3.\ ' i" ,_• ;' ¡.ii i n .Mf i j : i ' • • 'j ¡, •
> A c c e s s o r l s s i-.-...: i.; 1174 !
> Generál-Puf^osa laoorafory ,- if.)ii. .í'¡ i
Spéciaíty
•ISFGT'—Ion spoclüc lleld ülíacl translslorS, SUne-FLOV/—Roy 1M Odón nosearcli, Inc.
Electrode Care
Always keep your pH electrodo molsí. Werecomniend Ihal you store your eléclrode Ineiíher a commerclally prepared slorage solu-llon. A M KCI, pH A or pH 7 buffer solution.
Prior lo using your eieclrode ior Ihe firsl time,(ollow these ihree sleps to condilion yourelectrode:
1) nemove the prolecllvé cap or rubber bootírorn Ihe electrode and rinse wlth distllledwater to remove ány drléd salís.
2) Place ihe electrodo tn pH 4 or pH 7 bufíerand soak íor 20 minutes. \: Never condition ór siore a pH etec-
trode In dlslilled or deionlzéd water — iongterm sxposure to puré water wül damage Iheglass membrana.
3) Aííer condiltoning Ihe sensor íor 20 min-utes. rlnse the eieclrode wilh dislilled water.The electrodo Is now ready to calíbrate.
y*
ANEXOD
CARACTERÍSTICAS DE LOS TUBOS "VENTURY"
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ANEXO B
CARACTERÍSTICAS DEL PLC SIMATIC S7200 CPU 224Y
DEL MODULO ANALÓGICO DE AMPLIACIÓN
Datos técnicos S7-200
A.4 Datos técnicos de la CPU 224 (firmware 1.1)
Tabla A-4 Datos técnicos de la CPU 224 DC/DC/DC y de la CPU 224 AC/DC/Relé
DescripciónNs de referencia
CPU 224 DC/DC/DC6ES7 214-1AD21-OXBO
CPU 224 AC/DC/Relé6ES7 214-1BD21-OXBO
Tamaño físico
Dimensiones (I x a x p)
Peso
Pérdida de corriente (disipación)
120.5 mm x 80 mm x 62 mm
360 g
7W
120.5 mm x 80 mm x 62 mm
410 g
10W
Características de la CPU
Entradas digitales Integradas
Salidas digitales Integradas
Contadores rápidos (valor de 32 bits)TotalContadores de fase simple
Contadores de dos fases
•Salidas de impulsos
Potenciómetros analógicos
Interrupciones temporizadas
Interrupciones de IIanco
Tiempos de filtración de entradas
Capturar Impulsos
Reloj de tiempo real (precisión del reloj)
Tamaño del programa (almacenadopermanentemente)
Tamaño del bloque de datos (almacenadope rmane ntemonte):
Almacenamiento permanenteRespaldo por condensador de alto rendimientoopila
N° de módulos de ampliación
E/S de ampliación digitales (máx)
E/S analógicas (máx.)
Marcas internasAlmacenamiento permanente al apagarRespaldo por condensador de alto rendimientoopila
Temporizadores (total)Respaldo por condensador de alto rendimientoopila1 ms10ms100 ms
Contadores (total)Respaldo por condensador de alto rendimientoo pila
Velocidad de ejecución booleana
Velocidad de ejecución de Transferir palabra
Velocidad de ejecución detemporizadores/contadores
Velocidad de ejecución de aritmética de precisiónsimple
Velocidad de ejecución de aritmética en comaflotante
Tiempo de respaldo por el condensador de altorendimiento
14 entradas
10 salidas
6 contadores rápidos6, con una frecuencia de reloj máx. de30 kHz c/u4, con una frecuencia de reloj máx. de20 kHz c/u
2 a una frecuencia de Impulsos de 20 kHz
2 con resolución de 8 bits
2 con resolución de 1 ms
4 flancos positivos y/o 4 flancos negativos7 márgenes de 0,2 ms a 12,8 ms
14 entradas de captura do Impulsos
2 minutos por mes a 23° C7 minutos por mes 0° C a 55° C
4096 palabras
2560 palabras
2560 palabras2560 palabras
7 módulos256 E/S
32 entradas y 32 salidas
255 bits112 bits256 bits
256 temporizadores64 temporizadores
4 temporizadores16 temporlzadores236 temporizadores
256 contadores256 contadores
0,37 us por operación
34 us por operación
50 us a 64 ps por operación
46 us por operación
100 jis a 400 jas por operación
t|'p.190h,mfn. 120ha40° C
14 entradas
10 salidas
6 contadores rápidos6, con una frecuencia de reloj máx. de30 kHz c/u4, con una frecuencia de reloj máx. de20. kHz c/u
2 a una frecuencia de impulsos de 20 kHz
2 con resolución de 8 bits
2 con resolución de 1 ms
4 flancos positivos y/o 4 flancos negativos7 márgenes de 0,2 ms a 12,8 ms
14 entradas de captura de impulsos
2 minutos por mes a 25° C7 minutos por mes 0° C a 55° C
4096 palabras
2560 palabras
2560 palabras2560 palabras
7 módulos256 E/S
32 entradas y 32 salidas
256 bits112 bits256 bits
256 temporizadores64 temporizadores
4 temporizadores16 temporizadores236 temporizadores
0,37 us por operación
34 us por operación
50 us a 64 por us operación
46 ¡is por operación
100 jis a 400 us por operación
típ. 190h,mín. 120 h a 40° C
A-16Sistema de automatización S7-200 Manual de sistema
A5E00066099-02
Datos técnicos S7-20Q
Tabla A-4 Datos técnicos de la CPU 224 DC/DC/DC y de la CPU 224 AC/DC/Relé (continuación)
DescripciónN2 de referencia
CPU 224 DC/DC/DC6ES7 214-1AD21-OXBO
CPU 224 AC/DC/Relé6ES7 214-1BD21-OXBO
Comunicación integrada
Nc de puertos
Puerto eléctrico
Aislamiento (señal externa a. circuito lógico)
Velocidades de transferencia PPl/MPI
Velocidades de transferencia Freeport
Longitud máx. del cable por segmentohasta 38,4 kb¡t/s187,5kbit/s
N° máximo de estacionesPor segmentoPor red
N° máximo de maestros
Modo maestro ppl (NETR/NETW)
Enlaces MPl
Cartuchos opcionales
Cartucho de memoria (almacenamientopermanente)
Cartucho de pila (tiempo de respaldo de datos)
1 puerto
RS-485
Sin aislamiento
9,6, 19,2y187,5kbit/s
0,3, 0,6, 1,2, 2,4, 4,8, 9,6, 19,2 y 38,4 kbit/s
1200 m1000 m
32 estaciones126 estaciones
32 maestros
Sf
4 en total; 2 reservados: 1 para PG y 1 OP
Programa, datos y configuración
tlp. 200 días
1 puerto
RS-485
Sin aislamiento
9,6, 19,2 y 187,5 kbit/S
0,3, 0,6, 1,2, 2,4, 4,8, 9,6, 19,2 y 38,4 kblt/s
1200 m1000 m
32 estaciones126 estaciones
32 maestros
Sf
4 en total; 2 reservados: 1 para PG y 1 OP
Programa, datos y configuración
tlp. 200 días
Alimentación
Tensión de línea (margen admisible)
Corriente de entrada (sólo CPU) / carga máx.
Extra-corriente de serie (máx.)
Aislamiento (corriente de entrada a lógica)
Tiempo de retardo (desde la pérdida de corrientede entrada)
Fusible Interno (no reemplazable por el usuario)
-f5 alimentación para módulos de ampliación(máx.)
Alimentación para sensores DC24 V
Margen de tensión
Corriente máxima
Rizado corriente parásita
Corriente límite
Aislamiento (alimentación de sensor a circuitológico)
DC 20,4 a 28,8 V
HO/700mAaDC24V
10AaDC28,8V
Sin aislamiento
mrn.10msdeDC24V
2 A, 250 V, de acción lenta
660 mA
DC 15,4 a 28,8 V
280 mA
Igual que línea de entrada
600 mA
Sin aislamiento
AC 85 a 264 V47 a 63 Hz
30/100mAaAC240V60/200mAaAC120V
20 A a AC 264 V
AC 1500 V
80 ms de AC 240 V, 20 ms de AC 120 V
2 A, 250 V, de acción lenta
660 mA
DC 20,4 a 28,8 V
280 mA
Menos de 1 V pico a pico (máx.)
600 mA
Sin aislamiento
Sistema de automatización 37-200 Manual de sistemaA5E00066099-02 A-17
Datos técnicos S7-200
Tabla A-4 Datos técnicos de la CPU 224 DC/DC/DC y de la CPU 224 AC/DC/Relé (continuación)
DescripciónN2 de referencia
CPU 224 DC/DC/DC6ES7 214-1AD21-OXBO
CPU 224 AC/DC/Relé6ES7 214-1BD21-OXBO
Características de las entradas
N° de entradas integradas
Tipo de entrada
Tensión de entrada
Tensión máx. continua admisible
Sobretensión transitoria
Valor nominalSeñal 1 lógica (mín.)
Señal O lógica (máx.)
Aislamiento (campo a circuito lógico)
Separación galvánica
Grupos de aislamiento de:Tiempos de retardo de las entradas
Entradas filtradas y entradas de interrupción
Entradas de relo¡ de los contadores rápidos
Fase simple
Nivel 1 lógico = DC15 V a DC 30 V
Nivel 1 lógico = DC 15 V a DC 26 VContadores A/B
Nivel 1 lógico = DC 15 V a DC 30 V
Nivel 1 lógico = DC 15 V a DC 26 V
Conexión de sensor de proximidad de 2 hilos(Bero)
Corrlenle de fuga admisible
Longitud del cable
No apantallado (no HSC)
Apantallado
Entradas HSC, apantalladas
N" de entradas ON simultáneamente40° C
55° C
14 entradasSumidero de corriente/fuente (tipo 1 IEC)
DC30V
DC 35 V, 0,5 s
DC 24 V a 4 mA, nominal
mfn. DC15Va2,5mA
máx. DC 5 V a 1 mA
AC 500 V, 1 minuto
8y6E/S
0,2 a 12,8 ms, selecclonable por el usuario
20kHz
30kHz
10kHz
20kHz
máx. 1 mA
300 m
500 m
50 m
14
14
14 entradas
Sumidero de corriente/fuente (tipo 1 IEC)
DC30V
DC 35 V, 0,5 s
DC 24 V a 4 mA, nominal
mrn.DCl5Va2,5mA
máx. DC 5 V a 1 mA
AC 500 V, 1 minuto
8y6E/S
0,2 a 12,8 ms, selecclonable por el usuario
20kHz
30kHz
10kHz
20kHz
máx. 1 mA
300 m
50 m
50 m
14
14Características de las salidas
N" de salidas Integradas
Tipo de salida
Tensión de salida
Margen admisible
Valor nominal
Señal 1 lógica a corriente máximaSeñal O lógica a 10 K fí de carga
Corriente de salida
Señal 1 lógica
N° de grupos de salidas
N° de salidas ON (máx.)Por grupo - montaje horizontal (máx.)
Por grupo - montaje vertical (máx.)
Corriente máx. por común/grupoCarga LEDs
Resistencia estado ON (resistencia contactos)
Corriente de derivación por salidaSobrecorriente momentánea
Protección contra sobrecargas
10 salidas
Estado sóldc-MOSFET
DC 20,4 a 28,8 V
DC24V
mrn. DC 20 V
máx. DC 0,1 V
0,75 A
2
10
5
5
3,75 A
SW
0.3Q
máx. 10 ¡OA
máx, 8 A, 100 ms
no
10 salidas
Relé, contacto de baja potencia
DC5a30VóAC5a250V
2.00 A
3
10
4/3/3
4/3/3
8A
30 W DC/200 W AC
0,2 n, máx. si son nuevas
7A al estar cerrados los contactos
A-18Sistema de automatización S7-200 Manual de sistema
A5E00066099-02
Datos técnicos S7-200
Tabla A-4 Datos técnicos de la CPU 224 DC/DC/DC y de la CPU 224 AC/DC/Reié (continuación)
DescripciónN9 de referencia
CPU 224 DC/DC/DC6ES7 214-1AD21-OXBO
CPU 224 AC/DC/Relé6ES7 214-1BD21-OXBO
Aislamiento (campo a circuito lógico)
Separación galvánica
Resistencia de aislamiento
Aislamiento bobina a contacto
Aislamiento entre contactos abiertos
En grupos de:
Carga Inductiva, apriete
Repetición disipación de energfa< 0.5 LI2 x frecuencia deconmutación
Límites tensión de bloqueo
Retardo de las salidas
OFFaON(QO.OyQO,1)
ONaOFF(QO.OyQCU)
OFFaON(Q0.2hastaQ1.1)
ON a OFF (O0.2 hasta Q1.1)
Frecuencia de conmutación (salida deimpulsos)
QO.O y I0.1
Relé
Retardo de conmutación
Vida útil mecánica (sin carga)
Vida útil contactos a carga nominal
Longitud del cable
No apantallado
Apantallado
AC 500 V, 1 minuto
5E/S
1 W, en todos los canales
L+ menos 48V
máx. 2(is
máx. 10 (ls
máx. 15 JOs
máx. 100 \ls
máx. 20 kHz
100 Mil, mín. si son nuevas
AC 500 V, 1 minuto
AC 750 V, 1 minuto
4E/S/3E/S/3E/S
150 m500 m
máx 1 Hz
máx. 10ms10.000.000 ciclos abiertos/cerrados
100,000 ddos abiertos/cerrados
150 m
500 m
Sistema de automatización S7-200 Manual de sistemaA5E00066099-02 A-19
Datos técnicos S7-2QQ
A.11 Datos técnicos de los módulos de ampliación EM 231, EM 232 y EM 235de entradas y/o salidas analógicas
Tabla A-11 Datos técnicos de los módulos de ampliación EM 231, EM 232 y EM 235 de entradas y/o salidasanalógicas
Descripción
N*de referencia
EM 231, 4 entradas analógicasx12btts
6ES7 231-OHC20-OXAO
Datos de las entradas
EM 232, 2 salidas analógicasX 12 bits
6ES7 232-OHB2Q-OXAO
Datos de las salidas
£M 235, 4 entradas analóglcas/4 salidas analógicasx12btls
6ES7 235-OKD20-OXAO
Datos de las entradas Datos de las salidas
Datos generales
Dimensiones (I x a x p)PosoPérdida de corriente(disipación)
Cantidad de E/S físicas
Consumo de corrienteDe +DC 5 V (del bus deampliación)DeL+
Margen de tensión L+,clase 2 o alimentación desensores DC
Indicador LED
Datos de las entradas anal
Formato palabra de datosBipolar, margen máx.Unipolar, margen máx.
Impedancla de entrada
Atenuación Illtro de entrada
Tensión de entrada máxima
Corriente de entradamáxima
Resolución
N° de entradas analógicas
Aislamiento (campo acircuito lógico)
Tipo de entrada
[Márgenes de las entradasTensión (unipolar)
Tensión (bipolar)
Corriente
Resolución de las entradasTensión (unipolar)Tensión (bipolar)Comente
Tiempo de conversiónanalógica/digital
Respuesta de salto de laentrada analógica
Rechazo en modo común
Tensión en modo común
71 ,2 mm x 80 mm x 62 mm183 g2W
4 entradas analógicas
20 mA
60 mA
20,4 a 28,8
Alimentación DC 24 V,ON — correcta,OFF = sin corriente DC 24 V
ágicas
(v. figura A-21)-32000 a +32000Oa32000
£10 MU
-3db@3,1 kHz
DC30V
32 mA
Convertidor A/D de 1 2 bits
4
Ninguno
Diferencial
Oa lOV, O a 5 V
±5V,±2,5V
0 a 20 mA
(v. tabla A-5)
<250}is
1 ,5 ms a 95%
40 dB, DC a 60 Hz
Tensión de señal más(ensfón en modo común(debe ser ¿12 V)
46 mm x 80 mm x 62 mm148g
2W
2 salidas analógicas
20 mA
70 mA (ambas salidas a20 mA)20,4 a 28,8
Alimentación DC 24 V,ON = correcta,OFF = sin corriente DC 24 V
71 ,2 mm x 80 mm x 62 mm186 g2W
4 entradas analógicas, 1 salida analógica
30 mA
60 mA (salida a 20 mA)
20,4 a 28,8
Alimentación DC 24 V,ON = correcta,OFF = sin corriente DC 24 V
(v. figura A-21).-320003+32000O a 32000
>10MÍ1
-3 db @ 3,1 kHz
DC30V
32 mA
Convertidor A/D de12 bits
4
Ninguno
Diferencial
OalOV, Oa5V,0 a 1 V, 0 a 500 mV,OalOOmV, OaSOmV
±10V,±5V,±2,5V,±1 V,±500mV,±250mV,±loOmV,±50mV,±25mV
Oa20mA
(v.tablaA-13)
< 250ps
1 ,5 ms a 95%
40 dB, DC a 60 Hz
Tensión de señal mástensión en modo común(debe ser ¿ 12 V)
Sistema de automatización S7-200 Manual de sistemaA5EOOOG6099-02 A-39
Datos técnicos S7-200
EM231
Fuente de comente
EM232
Fuente de tensión
Entrada libre
RA A+ A- RB B+ B- RC C+ C- RD D* D-
ro I raE?ra No utilizado
Ü
No utilizado
Alimentación DC 24 Vy terminales comunes
Alimentación DC 24 Vy terminales comunes
EM235
Fuente de corriente
Fuente de tensión C
Entrada libre
RA A-i- A- RB B-t- B- RC Gf O RD D+ D-
M L+ i MD VO 10 Galn Offset Configuración
Aumentación DC 24 Vy termínales comunes
nnnnnn
o o
Figura A-19 Identificación de terminales de conexión páralos módulos de ampliación EM 231, EM 232 yEM235
Sistema de automatización S7-200 Manual de sistemaA5E00066099-02 A-41
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