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

> =>

„

Rl

> >

R

t10

K /

/

10K

VC

C +

15V

T

CI

-s

<47

0 p(

R

4 <

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Del

Con

vers

or d

e F

/V

1k

D

VC

C¿ 8

TL08

2

G

10K

82K

R2

OK

/> > k

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> 10

K> p

-Ct 001u

P^í

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7 5 2

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C1

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H

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10K

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T

D

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2.13

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ama

circ

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^V

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V^qp

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1

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Vf)R

3 "

2V[

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1 K

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re

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I ^

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G

"

Icar

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DIO

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1

r 2 4

-20

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 .

TaíjnaHie Dictiénaiy • ; , ;; : 1 : : " ; " ; E3JÍ

r Main í*" iDejaJá f" Alatms f DetálsícAlafms T Memt-fer;

Mew Restóte £efeí& Sa^e

Tagname; |P

Gfoup: ...

Comment]

i" Log Date

Ifüal Valué:

Deadband;

HVW3000

r LogEveíiíí

<< Select.. ¿> Cancef Cfose

Type: ... UO Integet

("" Re,~:!oi«y í*" Re-ídv^íitt;

P Helentíve Valué P Heteníive Paíameíers

- •]0 MinEU: jo MaxEU: |1QO

¡0 MinRaw: -C ^,. , l

EngUnk |l ^üc aquí J

S -Access Ñame;... PLCS

Ítem: JVW30ÜG

r JJse Tagnanie as ítem Ñame

32768 MaxRaw.]32767

¡ Coi ivetston t

| í*" Linear i

; r ¿quaieRoot j

Loq Deadband: 1 0. _V.. " .

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

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12 -

1110

7 J

6

5

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pH EN EL LIQUIDO DE RIEGO

17:31:55.000

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llm3Jr

Minutes i... .„ __^i ,,„

íoom OUL

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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.

125

14

13 .

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11

ID J

pH EN EL LIQUIDO DE RIEGO

18:16:45.783* £

< i 18:li5:03 > ¡ Zootn fe | 13ml8s Zoom Out < 18:23;21 >

4 hcoirs j 1 hour j < < ! < ! Minuto j > | > >J 30 minutes j i 10 inmuls£ ; j> |>3 *j

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

PROGRAMA DEL PLC SIMATIC S7200 CPU 224

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2002

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R

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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

100

1;V"í '*;'"•'

50

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750

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. 350

-15 '.••: 20 25 /••; 30_,,../: 35." '40 45:•[; j v ^ j. •":-. :.•'-•.•Múilíplierlnlet Pressure, PS!

¡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

2 @ 0 Vac,

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

5.62

2 @ 0 Vac.'0.00

2.81

4.22

5.62

6.33

6.68

7.03

2 © 0 Vac.

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"^

r/..ir-;!.'.;1:-,174

:::í¿¡

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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

2@OVac.D.OO

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"

PR

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RA

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JNT

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RU

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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

PR

OG

RA

MA

[¡¿

TE

RR

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N2

VD

2504

-

1.0-

-VD

2508

VD

2508

-

•VD

2500

-

VD

2512

V

3350

.1

i>*h

-<

)0.

02

VD

2512

V

3350

.2

•Nh-

C

)-0.02

V3350.1

V3350.2

-VD

2512

V3350.3

ES

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PO

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bre

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