Una de las mayores preocupaciones actuales de los viticultores es el impacto negativo del cambio climático sobre el comportamiento de la vid. Ya que justamente uno de los desafíos de estos, en el mundo, es producir uva con una calidad consistente y demandada por las bodegas elaboradoras de vino, y con una relación precio-cantidad-calidad que les permita a los productores una actividad rentable. La cantidad de calor recibido por las uvas en el viñedo influye en la composición química de las mismas y en la calidad del vino que se obtendrá con ellas. Este proyecto se propone estudiar los efectos de diferentes temperaturas (superiores a la ambiente) en el rendimiento y la calidad de las uvas y vinos. La información generada servirá para sustentar científicamente las prácticas vitícolas relacionadas con el microclima de los racimos, las cuales generan modificaciones en la canopia y en las condiciones de maduración de las uvas.
En conjunto con los Doctores e ingenieros de INTA - Luján de Cuyo se inició el desarrollo de un sistema de control de temperatura con fines de estudiar el impacto del aumento de la temperatura sobre las plantas.
1.- INTRODUCCIÓN AL SISTEMA DESARROLLADO
1.1- OBJETIVO GENERAL
La finalidad de este
proyecto es evaluar el impacto del cambio climático sobre el comportamiento de
la vid a fin de adaptar el manejo del cultivo para minimizar las potenciales
consecuencias negativas.
1.2- OBJETIVO PARTICULAR
Diseñar un sistema (hardware
y software) de control de temperatura al interior de una cámara de intercambio
de gases para planta de vid que permita simular diferentes escenarios
climáticos modificando la temperatura a valores preestablecidos.
1.3 FUNCIONAMIENTO
El sistema desarrollado realiza control de temperatura que consiste en subir la temperatura en el interior de una cámara, sobre un rango fijo superior a la temperatura ambiental. Por ejemplo, si la temperatura ambiental es de 20°C y si el seteo está fijado en 5°C, entonces el sistema llevará la temperatura dentro de la cámara a 25°C.
A continuación podemos ver el diagrama en bloques del proyecto:
A continuación podemos ver el diagrama en bloques del proyecto:
Fig. 1 - La unidad de control toma
mediciones de los sensores de humedad y temperatura para actuar sobre el motor
y enviar todas las lecturas de estado a una estación central.
La
unidad de control electrónico es la encargada de adquirir la lectura de los
distintos sensores, registrarla en una memoria con estampa de tiempo, mostrar
la lectura en un LCD y emitir la señal de control para mantener la temperatura
de la cámara constante. Además debe establecer la comunicación con la estación
de control. La cámara contiene a la vid
y los sensores de temperatura y humedad. Esta es ventilada por el motor el cual
entrega su caudal de aire a una resistencia calefactora. La señal de control de la UCE pasa por el
módulo transductor el cual acondiciona los niveles de esta para que la resistencia funcione
correctamente. La estación de control esta comunicada vía RS-232 o vía WIRELESS
con la UCE y a través de un programa el usuario puede interactuar con la UCE. Con este objetivo, en el INTA EEA Mendoza se han
desarrollado en los últimos años cámaras de intercambio de gases para plantas
enteras de vid para utilizar en el campo. Estas cámaras permiten realizar
mediciones de las funciones básicas del comportamiento de la planta
(fotosíntesis y consumo en agua). Este instrumento se quiere utilizar como un
modelizador capaz de simular condiciones climáticas de temperatura elevada. El
objetivo de este proyecto es desarrollar el equipo necesario para sensar y
controlar la temperatura a valores preestablecidos, la humedad y el flujo de
aire dentro de estas cámaras. Para el productor esto puede significar un
importante aporte para el incremento de la calidad de sus frutos, la
rentabilidad y sostenibilidad del mismo.
2. COMPONENTES DEL SISTEMA DE CONTROL
Por
lo tanto se puede describir el sistema de acuerdo con la función de cada
componente de la siguiente manera:
2.1 UNIDAD CENTRAL
La
parte principal del sistema de control se le asignó a un microcontrolador. Sus
funciones son la de procesar la información obtenida, leer los diferentes
sensores, transmitir y recibir los datos, y activar los elementos actuadores.
En base a estas tareas se decidió elegir un modelo de microcontrolador que
fuera adecuado para estas tareas, es decir, con tamaño de memoria medio, unidad
de transmisión y recepción, y bajo costo. Es decir, se optó por un
microcontrolador del cual se hizo un uso eficiente de los recursos ofrecidos,
dado que se ocupó más del 50% de la capacidad de almacenamiento y se utilizaron
todos los puertos para realizar las operaciones con el exterior. Tal
microcontrolador fue el 16F877 de la familia de MICROCHIP, perteneciendo al
grupo de la gama media, algunas de sus características se muestran en la fig.
2.
Fig. 2 -
Microcontrolador
Una prestación
destacable es la unidad
UART (unidad transmisora receptora asíncrona), la cual
permite la comunicación serial con la computadora a través de los módulos
transceptores XBEE. Es posible crear un protocolo de comunicación, elegir la
velocidad de comunicación, y realizar un tipo de comunicación full dúplex
(flujo de datos en ambos sentidos).
2.2 RESISTENCIA CALEFACTORA
El
elemento calefactor es el emisor del flujo calorífico que tiene por objeto
incrementar la temperatura en el interior de la cámara, acorde a la comparación
entre la temperatura de referencia y la medida en el interior de la cámara. Este
componente es una resistencia que eleva su temperatura permitiendo llegar a la
radiación de calor en el entorno. En este caso se halla en el interior de una
tubería, por donde circula aire forzado mediante un motor. Se diseñó un soporte
para la resistencia calefactora tal y como muestra la fig. 3. Este molde está
construido con alambre y cerámicas aislantes, el cual soporta temperaturas de
hasta 280 ºC.
Fig. 3 – Molde resistencia
Componentes utilizados para la
regulación de energía en el calefactor
La cadena de
elementos previa a la activación del componente calefactor se puede observar en
la fig. 5 y consta de una etapa aisladora, un control PID más un circuito
proporcional al tiempo, y una etapa para manejar la alta potencia.
Fig. 5 - Circuito
para manejar la resistencia calefactor
La etapa de
aislamiento consta de un opto-acoplador MOC3041, el cual cuenta con un circuito
detector de cruce por cero, de tal manera que el TRIAC sea activado cuando la
señal de línea pase por cero. Luego de la etapa de aislamiento viene un
generador de tiempo proporcional más un control proporcional, derivativo e
integral (PID). El circuito generador de tiempo proporcional recibe la señal de
salida del controlador PID (señal de control) y la transforma en un pulso cuya
duración es proporcional a la señal de control, de esta manera el TRIAC
permanecerá activado de acuerdo a la señal que reciba del controlador. Finalmente,
la etapa de potencia se encarga de suministrar energía a la resistencia
calefactora durante un tiempo necesario. De esta manera la temperatura será
incrementada en el interior de la cámara acorde con la temperatura ambiental
medida en el exterior.
2.3 SENSOR DE TEMPERATURA
Siguiendo con el esquema, vemos el
componente encargado de obtener las mediciones de humedad y de temperatura en
el interior de la cámara.
Se trata de un sensor digital fabricado por la empresa SENSIRION. Uno
de los modelos de sensor es el SHT71, con el cuál realizamos nuestro trabajo.
Fig. 6 - Sensor de
temperatura SHT71
2.4 CÁMARA DE INTERCAMBIO GASEOSO
La
cámara de intercambio de gases (fig. 7) consta de dos semicírculos de aluminio
envueltos por un plástico denominado PROPAFILM. Este material permite el paso
de la totalidad de la radiación solar, permitiendo a la planta recibir su
energía. Los dos semicírculos permiten el encierro de una planta entera de vid
en el viñedo.
Fig. 7 - Cámara de intercambio de gases.
La
cámara consta con un ventilador que toma el aire ambiente y lo envía al
interior de la cámara mediante dos caños inferiores (Fig. 8). El flujo de aire
permite mantener la temperatura interior de la cámara similar al ambiente. El
sistema consta con un analizador de gases que permite la medición de variables
de funcionamiento de la planta (fotosíntesis y consumo de agua). El objetivo
del presente trabajo es mantener una diferencia de temperatura del aire entre
el exterior y el interior colocando una resistencia calefactora en el interior
del caño de entrada (Fig. 8). Se diseñará el sistema de control y censado para
mantener la diferencia de temperatura a los valores establecidos.
Fig. 8 – Cañería conductora de aire hacia el
interior de la cámara de intercambio de gases para vid.
2.5 MOTOR FORZADOR DE AIRE
El motor forzador de aire tiene
como función forzar el ingreso de aire por la tubería y atravesar el componente
calefactor. Refiriéndonos
específicamente al relé ocupado en nuestro trabajo, se observa en la figura
como es el funcionamiento. Hace uso del principio electromagnético, es decir,
al aplicar sobre la bobina una tensión alterna originada en el motor, vemos
como uno de sus contactos es afectado por el campo magnético desarrollado por
la corriente circulante en la bobina, provocando la circulación de una
corriente de bajo nivel. Gracias a ese nivel, es posible obtener una forma de
controlar el buen funcionamiento del motor.
2.6 MÓDULO TRANSCEPTOR
Estos son dos módulos que se encargan de
transmitir la información inalámbricamente desde la estación de control a la UCE. Para esto se
utilizan los módulos X-BEE pertenecientes a la empresa MAXSTREAM,
los cuales tienen una distancia máxima de comunicación en línea de vista de
unos 100m (Fig. 9).
Fig. 9 – comunicación
2.7 MÓDULO CONTROLADOR DE POTENCIA
Este módulo es el transductor de la
señal de control que va desde la
UCE a la resistencia calefactora. Cabe aclarar que el
microcontrolador no es capaz de entregar la energía necesaria a la resistencia
calefactora. Es por esto que el módulo incluye un TRIAC capaz de manipular
altas corrientes. En la fig. 9 podemos ver el módulo calefactor que no está
incluido en el gabinete del módulo de control
para separarlo de los altos niveles de potencia. En este modulo
encontramos el optoacoplador y el TRIAC.
Fig. 10 – Módulo
calefactor
2.8 RELOJ CALENDARIO DS1307
Con fines de
establecer una referencia sobre el tiempo para cada medición, implementamos el
reloj DS1307 para acompañar a cada medición con una estampa de tiempo
correspondiente. De esta manera se sabe la cronología de las mediciones. El algoritmo de control programado ejecuta los
comandos para obtener las mediciones de humedad y temperatura, instantáneamente
registra el tiempo en el cual se han realizado dichas mediciones. Finalmente,
envía tanto a las mediciones del sensor como al tiempo correspondiente hacia la
memoria externa 24LC256, donde quedarán registrados ambos datos.
Fig. 11 – DS1307
El DS1307 opera como
un dispositivo esclavo sobre el bus serial. Para acceder a su información de
tiempo debe implementarse un algoritmo de control desde el microcontrolador, de
esta manera será posible iniciarlo y programarlo.
3. CONTROL PID
El esquema de un control PID es mostrado en la siguiente figura:
Fig. 14 - Diagrama para un
control PID
Un PID (Proporcional
Integral Derivativo) es un mecanismo de control por realimentación que se
utiliza en sistemas de control industriales. Un controlador PID corrige el
error entre un valor medido y un valor deseado, calculando la señal correctora
para aplicarla al modulo correspondiente. El algoritmo de cálculo del control
PID se da en tres parámetros distintos: el proporcional, el integral, y el
derivativo. El valor Proporcional determina la reacción del error actual. El
Integral genera una corrección proporcional a la integral del error, esto
asegura que al aplicar un esfuerzo de control suficiente, el error de
seguimiento se reduce a cero. El Derivativo determina la reacción del tiempo en
el que el error se produce. La suma de estas tres señales se usa para ajustar
el proceso, y va hacia los circuitos encargados de regular la energía
suministrada al calentador.
La respuesta del
controlador puede ser descrita en términos de respuesta del control ante un
error, el grado al cual el controlador llega al SETPOINT y el grado de
oscilación del sistema. El uso del PID para control no garantiza control óptimo
del sistema o la estabilidad del mismo. Por lo tanto, la fórmula matemática que
describe al controlador PID es la
siguiente:
4. SOFTWARE DE OPERACIÓN
LABVIEW
constituye un revolucionario sistema de programación gráfica para aplicaciones
que involucren adquisición, control, análisis y presentación de datos.
Este lenguaje de programación se utilizó para crear la interfaz PC-usuario tal y como muestra la fig. 2. En la fig. 3 podemos ver el diagrama en bloques del mismo programa. Este es en donde realmente se programa en lenguaje G.
Este lenguaje de programación se utilizó para crear la interfaz PC-usuario tal y como muestra la fig. 2. En la fig. 3 podemos ver el diagrama en bloques del mismo programa. Este es en donde realmente se programa en lenguaje G.
Fig.
2 – Panel frontal
5. COMUNICACIÓN ENTRE PC - UCE
El módulo opera dentro de la banda ISM (Industrial,
SCIENTIFIC AND MEDICAL) utilizando una frecuencia de 2.4 GHZ.
5.1 COMPROBACIÓN DE COMUNICACIÓN
Para comprobar el funcionamiento de los
módulos es necesario utilizar el módulo XBEE con conexión USB descripto
anteriormente. Mediante el software X-CTU, provisto por DIGI es posible
programar los módulos XBEE, actualizar sus firmwares y realizar todas las
pruebas necesarias para verificar el buen funcionamiento de los mismos.
Fig.
6 – X-CTU
Seguidamente se debe programar el firmware en
cada uno de los dispositivos XBEE que se van a utilizar. Es importante tener
actualizadas las versiones de los firmwares; para esto se debe presionar el
botón “Down-load new versions…”. Una vez finalizada la actualización, se debe
seleccionar el firmware a grabar y presionar el botón “Write”.
6. MÓDULO DE CONTROL CENTRAL
Concentra las mediciones y operaciones de
control, luego de procesarlas. Para la conexión de los sensores primero se debe
desenroscar los fijadores de cables, luego pasar los cables de los sensores
teniendo en cuenta la Fig. 3.
Fig.
7 – Fijadores de cables
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