diversas opciones para la óptima climatización ... · - control por autómatas progra-mables...

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28 149-DICIEMBRE 2000HORTICULTURA

Las condiciones climáticas favora-bles en invernadero permiten aumentarla producción y la calidad. Por ello, losinvernaderos están equipados con tec-nologías cada vez más sofisticadas decalefacción y refrigeración, y con siste-

mas de automatización y control cadavez más complejos. El objetivo de esteartículo es describir los niveles de au-tomatización que se pueden emplear enel control de los actuadores de un in-vernadero (ventanas, equipos de cale-facción, refrigeración), así como lasnuevas tendencias hacia las que avanzaeste tipo de tecnologías.

De una forma simplificada, sepueden definir cinco niveles en loscuales se puede situar la automatiza-ción de un invernadero (y muchos ca-

Diversas opciones para la óptima climatización

Automatismosde control del clima

en invernaderosEl control de las condiciones climáticas en invernadero permite aumentar laproducción y la calidad. La automatización define cinco niveles tecnológicos

progresivos, que se describen y discuten en este artículo.

Dpto. de Ingeniería Rural. Escuela TécnicaSuperior de Ingenieros Agrónomos de Madrid

[email protected].

R.M. Benavente, J.L. García,L.M. Navas, F. Elena y M. Pastor

Conjunto de ordenador y cuadro eléctrico(con un controlador en su interior)utilizados en control de invernaderos.

sos, de cualquier instalación agraria):- Sin control automático: las ope-

raciones se realizan de forma manual.Esto es habitual en muchos invernade-ros cuyo equipamiento de climatiza-ción se reduce a la apertura y cierremanual de ventanas.

- Control por horario: las opera-ciones se realizan de forma automáticaa la hora marcada por el usuario. La in-formación se transmite, en general, deforma eléctrica desde los contactos orelés de salida del automatismo a elec-troválvulas, relés exteriores o contac-tores, que arrancan y paran el equipocorrespondiente. No se tienen en cuen-ta variables climáticas.

- Control por termostatos y auto-matismos similares: las operaciones serealizan en función de una variableclimática, con un valor de consigna, yen general con diferencial o solapa-miento en la actuación. La actuación se

AUTOMATISMOS PARA INVERNADERO

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transmite, como en el caso anterior,desde un relé de salida del termostato aun relé exterior o un contactor, y alequipo correspondiente. La actuacióndepende de una sola variable climática,generalmente la temperatura.

- Control por autómatas progra-mables (PLC) o controladores análo-gos: el autómata posee una inteligenciacentralizada que recibe la informacióndesde el invernadero (a través de lasentradas del autómata) y opera sobrelos actuadores (a través de las salidas).

Suele haber un número elevado desalidas; en muchos casos, el número deentradas y salidas, analógicas o digita-les, es prácticamente ilimitado, puestoque se pueden ampliar.

Las salidas envían la actuación co-rrespondiente a los equipos a través derelés y contactores.

En este caso, se pueden realizarprogramas complejos de actuación, quepueden depender a la vez de variosparámetros climáticos y de un horario.

En las siguientes páginas describi-mos con mayor amplitud las ventajas einconvenientes de cada uno de los ni-veles de control descritos. Sin embar-go, se debe tener en cuenta que nosiempre un nivel superior de automati-zación es preferible; en cada instala-ción puede ser suficiente un determina-do nivel, de acuerdo con sus exigenciasy presupuesto.

Control por horarioEl control por horario supone un

primer paso en la automatización de lainstalación; se trata de un paso impor-tante, porque permite al usuario desen-tenderse del encendido y apagado deun determinado equipo, o ausentarsede la instalación durante determinadosperíodos, sabiendo que el equipo va a

Arriba: complejas tecnologías de control climático en invernaderos forman parte de laoferta comercial de las empresas españolas. A la derecha, termostatos electrónicos(cortesía de la empresa de automatización Cromoelectra, S.L.).

De forma simplificada,

se pueden definir cinco niveles

de automatización

de un invernadero: sin control

automático, control por horario,

control por termostatos

y automatismos similares,

control por autómatas

programables o controladores

análogos y control distribuido

- Control distribuido: en este caso,existe habitualmente un ordenador cen-tral conectado a una serie de contro-ladores o autómatas, colocados en cadasector.

Desde el ordenador central se vi-sualiza y almacena la información y sepueden enviar órdenes a los distintossectores.

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actuar en el horario establecido. Es ha-bitual utilizarlo en el control del riego,y puede usarse con otros sistemas (ne-bulización, pantalla térmica, ...).

Este tipo de control puede reali-zarse con muchos automatismos, desdelos más sencillos a los más complejos.En el mercado existen interruptores ho-rarios (también denominados progra-madores horarios o relojes de progra-mación) de pequeño coste que permi-ten encender y apagar un receptor eléc-trico en el horario establecido. De for-ma más específica existen programado-res de riego que activan una serie deelectroválvulas en los intervalos quefije el usuario. También puede realizar-se un control por horario programandoautómatas y controladores o con con-trol desde ordenador.

Si el receptor eléctrico sobre elque se opera es de pequeña potencia(menos de 0.5 amperios, o según el au-tomatismo, hasta menos de 16 ampe-rios) se puede abrir y cerrar el circuitodel receptor o actuador directamentedesde el automatismo utilizado (inte-rruptor horario, contactos de salida delautómata, etc.). Sin embargo, esto noes habitual en invernaderos; lo más fre-cuente es utilizar elementos interme-

dios (contactores y/o relés) entre el au-tomatismo que marca el encendido/apagado y el actuador.

los contactores y los relés estriba enque los segundos funcionan con nivelesde intensidad eléctrica más pequeños,pero pueden incorporar funciones adi-cionales más complicadas, como retar-dos a la conexión o a la desconexión.

Es muy habitual que el automatis-mo correspondiente (por ejemplo unprogramador) envíe una señal de inten-sidad pequeña a un relé o a un contac-tor; estos elementos, al recibir la señal,cierran o abren el circuito correspon-diente y arrancan o paran el actuador(por ejemplo una electroválvula o unabomba de riego). A veces se usan am-bos. El automatismo actúa sobre unrelé y éste sobre un contactor, que fi-nalmente es el que arranca el actuador.

Un interruptor horario con una sa-lida puede valer entre 3.000 y 10.000pts.; con dos salidas, entre 6.000 y20.000 pts. Cada relé puede costar en-tre 2.000 y 3.000 pts.; cada contactor,dependiendo de la potencia, entre3.000 y 10.000 pts. En definitiva, laautomatización de dos equipos con in-terruptores horarios puede tener uncoste entre 10.000 y 40.000 pts, inclu-yendo instalación y cableado.

Control por termostatosLos termostatos son automatismos

que, en función de la temperatura,abren o cierran uno o varios relés desalida propios.

Pueden actuar con o sin diferen-cial (solapamiento o histéresis). Si elcontrol se realiza con un termostato sindiferencial, el actuador arranca o paraen función de la temperatura medidapor el termostato, cuando esta tempera-tura cambia por encima o por debajode la consigna fijada. Se puede utilizar,por ejemplo, en el control de sistemasde calefacción por agua caliente.

Otros termostatos cuentan con undiferencial, es decir, hay una diferenciaentre la temperatura a la que se abre yse cierra el circuito de actuación. Pue-den utilizarse para operar sobre cual-quier tipo de generador de calor o frío,o sobre la ventilación; el diferencial re-duce el número de arranques y paradasdel sistema. Los termostatos más sofis-ticados (termostatos programables)permiten introducir, además del dife-rencial, una curva de consigna variablea lo largo del día. Esta curva tambiénse puede programar en muchos siste-mas de control con autómatas u orde-

Gráfico 1:Distintos niveles de automatización de un invernadero.Ejemplos con distintos equipos

Los contactores son interruptoresautomáticos que, al recibir una señaleléctrica de pequeña intensidad (del or-den de un amperio), abren o cierranuna serie de circuitos de mando o depotencia (de hasta cientos de ampe-rios), abriendo o cerrando sus contac-tos correspondientes. Los relés funcio-nan de manera similar, abriendo o ce-rrando uno o varios circuitos al recibiruna señal eléctrica. La diferencia entre

El control por horario supone

un primer paso

en la automatización

del invernadero. Permite

desentenderse del encendido

y apagado de un determinado

equipo y habitualmente se usa

en el control del riego,

nebulización, pantalla

térmica, etc.

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nadores. Todos los tipos de termostatosactúan, al menos, sobre un relé de sali-da que opera directa o indirectamente(a través de un relé externo adicional oun contactor) sobre el actuador corres-pondiente (válvulas de tres vías, venti-

Gráfico 2:Esquema eléctrico de control utilizando un interruptor horarioGráfico 3:Esquema eléctrico de control utilizando un termostato

Gráfico 2: a la hora fijada, dichointerruptor cierra su contacto de salida,

dando tensión al relé. Éste, a su vez, cierrael circuito del receptor, en este caso una

electroválvula. Si el interruptor horario noda tensión directamente a la electroválvulaes porque, una vez calculada, la intensidad

eléctrica que consume ésta resultasuperior a la que puede suministrar el

contacto de salida del interruptor horario.De ahí la necesidad de instalar un relé

intermedio.Gráfico 3: en función de la temperatura

medida por el sensor y el valor deconsigna, el termostato cierra su contacto

o relé de salida, dando tensión alcontactor. Éste, a su vez, cierra el circuito

del receptor, en este caso uno o variosmotores trifásicos. El termostato no puede

dar tensión directamente a los motoresporque la línea es trifásica. De ahí la

necesidad de instalar un contactorintermedio.

Autómata programable (en la parte superior) con pantalla visualizadora y conjuntode interruptores (en la parte inferior).

ladores, bombas, etc.). Algunos puedenoperar sobre dos o más relés de salidacon consignas independientes (por ejem-plo, un termostato con un sólo sensor

de temperatura, y una salida para lasventanas y otra para la calefacción, condos consignas diferentes). Las ventajasde la utilización de termostatos, res-

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pecto al control por horario, derivan deque el equipo calefactor o refrigeradorsólo se pone en marcha cuando el in-vernadero lo necesita, en función de sutemperatura.

Esto evita pérdidas innecesarias deenergía por operar, dentro del horariomarcado, cuando la temperatura del in-vernadero no necesita cambios.

Parece razonable utilizar un con-trol por termostatos en invernaderosque tengan pocos equipos actuadores(por ejemplo, si el único equipo que sequiere automatizar son las ventanas, olas ventanas y la calefacción), y sólo sepretende que operen en función de latemperatura.

En estas condiciones, se puedecontrolar con uno o varios termostatosincluso grandes superficies.

Si se desea que intervengan másparámetros climáticos (la humedad o elviento) o hay que controlar muchosequipos distintos en función del clima,parece recomendable pasar a utilizarun control con autómatas o controla-dores.

En invernaderos con varios secto-res y distintas necesidades de tempera-tura (por ejemplo, en calefacción) seríanecesario utilizar un sensor de tempe-ratura, un termostato y una consignadistinta para cada sector, o pasar a unesquema de control más complejo conautómatas. En determinadas situacio-nes puede ser necesario utilizar higros-

tatos, aparatos que funcionan igual quelos termostatos pero operando en fun-ción de la humedad relativa del aire.

En este caso, el sistema de controlactivaría un sistema de humidificacióndel aire (por ejemplo, nebulización) sila humedad baja por debajo de un de-terminado valor de consigna.

Un termostato electrónico con unasalida puede valer alrededor de 12.000pts.; con dos salidas, entre 20.000 y40.000 pts. La automatización de dosequipos con termostatos puede tener uncoste entre 25.000 y 60.000 pts.

Control por autómatasprogramables (PLC)o controladores análogos

Un autómata programable es unequipo electrónico diseñado para con-trolar, en tiempo real, procesos secuen-ciales, en un medio industrial (o agrí-cola). Recibe también el nombre dePLC o Controlador Lógico Programa-ble. Estos equipos pueden realizar unagran variedad de funciones lógicas (tem-porizaciones, conteos, cálculos y regu-laciones). Disponen de terminales deentrada a los que se conectan sensores,finales de carrera o pulsadores, y ter-minales de salida a los que se conectanbobinas de contactores o relés, electro-válvulas o lámparas. En función de lainformación que recogen en las entra-das y de su programación, estos equi-pos actúan de una forma u otra sobrelas salidas.

Las salidas y entradas pueden serdigitales o analógicas. Si son digitalessólo pueden dar o recibir dos valores(circuito abierto/cerrado, SI/NO). Sison analógicas, pueden dar o recibircualquier valor de forma continua ocasi continua, entre 0 y 100% de su es-cala. Con estas definiciones, un ter-mostato normal sería un automatismocon una entrada analógica (la tempera-tura) y una salida digital (su relé de sa-lida). Los autómatas programables mássencillos y baratos tienen sólo entradasy salidas digitales. Con un nivel supe-rior de coste, pasan a tener entradasanalógicas; los más sofisticados y carostienen también salidas analógicas. Enel sector de invernaderos existen equi-pos similares a los autómatas con fun-ciones específicas para el control de in-vernaderos, diseñados por casas comer-ciales. A estos equipos se les suele lla-mar controladores, aunque su estructu-

Gráfico 4:Esquema eléctrico de control con autómata programable

El autómata recibe informacióndesde las entradas digitales(por ejemplo interruptores manualeso interruptores de final de carrera)y desde las entradas analógicas(en este caso un sensor de temperatura).El autómata, en función de estainformación y de su programa, decideel estado de sus salidas digitales,actuando sobre las bobinas de reléso contactores. Éstos abren o cierranlos circuitos eléctricos de los receptores,que paran o arrancan.

Las ventajas de la utilización

de termostatos respecto

al control por horario derivan

de que el equipo calefactor

o refrigerador sólo se pone

en marcha cuando

el invernadero lo necesita,

en función de su temperatura,

lo cual evita pérdidas

innecesarias de energía

por operar, dentro del horario

marcado, cuando

la temperatura del invernadero

no necesita cambios

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ra física es análoga a la de un autóma-ta. Un grupo de autómatas progra-mables tienen un número determinadode entradas y salidas que no se puedeampliar. Son en general los más senci-llos y económicos. Otros autómatas,por el contrario, pueden ampliar el nú-mero de entradas y salidas. Las venta-jas de los autómatas programables so-bre un control basado en termostatosson varias, lo que no quiere decir quesiempre sean preferibles. En general,cuanto más complejo sea el sistema yel tipo de control, más ventajas tendráun autómata frente a un termostato:

- Si los programas de actuación sonrelativamente complicados, por ejemplouna pantalla térmica que opere en fun-ción de la temperatura y la radiaciónsolar, resulta más complejo realizar elcontrol con termostatos y circuitoseléctricos, mientras que es relativamen-te sencillo realizar la programación conun autómata.

- Si el invernadero tiene muchosactuadores con distintas consignas detemperatura (varios sistemas de cale-facción, pantallas, ventanas, varios sis-temas de refrigeración) será necesarioun termostato para cada uno (o al me-nos varios termostatos), mientras queun autómata con un sólo sensor detemperatura puede actuar sobre todoslos actuadores. En este caso un autó-mata puede resultar incluso más econó-mico.

- Los autómatas centralizan la in-formación en un solo punto, por lo quees más sencillo coordinar la actuaciónentre los distintos equipos que operansobre la temperatura.

- Si el autómata puede conectarsea un ordenador, es posible trasladar fá-cilmente la información centralizada alordenador, de manera puntual o conti-nua.

- Como desventajas, señalar quesu coste suele ser superior al del con-

trol por termostatos. Los autómatas degama baja, más sencillos y baratos, nosuelen tener entradas analógicas; sólocuentan con entradas y salidas digita-les. En invernaderos suele ser necesariaal menos una entrada analógica para lamedida de temperatura. Los autómatascon entradas analógicas suelen ser degama media o alta, y por tanto son decoste superior, aunque algunos autóma-tas pequeños ya incorporan este tipo deentradas. Además, los invernaderos, apartir de un cierto nivel, requieren tam-bién salidas analógicas, sobre todo pa-ra control proporcional de válvulas.

- La programación de los autóma-tas es en general complicada, máscompleja en cualquier caso que con untermostato, y suele requerir un técnicoespecializado.

Los autómatas de gama más baja,sólo con entradas y salidas digitales,tienen un coste superior a las 15.000pts, que sube al aumentar el número de

Cuadro eléctrico, conectado a un ordenador, utilizado en el control de un invernadero holandés.

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entradas y salidas. Puedenutilizarse como programado-res horarios; tienen gran fle-xibilidad y un número de sa-lidas mayor que los inte-rruptores horarios normales.

Los autómatas con en-tradas analógicas pasan a te-ner un coste superior a las50.000 pts.; los autómatasde gama alta, en función desu capacidad y número deentradas y salidas, puedenllegar a valer en torno a las300.000 pts (o incluso cifrassuperiores).

El tipo de invernaderodonde puede ser más acon-sejable utilizar un autómatao controlador, sin utilizar or-denadores, sería un inverna-dero pequeño con muchosequipos a controlar y convarios parámetros climáticosimplicados en el control (tem-peratura, humedad relativa,viento). En invernaderosgrandes con estas condicio-nes, de dimensiones supe-riores a una hectárea, proba-blemente pasaríamos a usarun ordenador en un esquemade control distribuido.

El coste de la automati-zación de un invernaderogrande o de uno pequeño, sitienen la misma variedad deequipos climatizadores, esmuy similar.

En un invernadero de500 m2 y presupuesto aproxi-mado de 5 millones de pese-tas, el coste de autómata +ordenador (en torno a unmillón de pesetas) puede serexcesivo; en un invernaderode 10.000 m2 y presupuestode 100 millones, ese costeno es particularmente impor-tante.

Control distribuidoEn el control distribui-

do, una serie de automatis-mos, colocados en diferentessectores gestionan el controlde su sector correspondien-te. Cada uno puede funcio-nar de forma autónoma. Ade-más, todos ellos están co-

nectados a un controladorcentral donde se centralizala información, se coordinanlas actuaciones, y se envíanórdenes a los distintos secto-res.

La disposición más ha-bitual es la conexión de unordenador central a una se-rie de autómatas o contro-ladores, colocados en cadasector.

Cada autómata gestionasu sector, según el esquemadescrito en el apartado ante-rior; pero además todos losautómatas envían de formacontinua la información quereciben y las actuacionesque realizan al ordenadorcentral. En ocasiones, el es-quema puede reducirse a unsólo autómata y un ordena-dor. Las ventajas de contarcon un ordenador centralson varias:

- La ventaja fundamen-tal del control distribuidoestriba en que, si el ordena-dor se bloquea, cada sectorsigue funcionando con nor-malidad controlado por supropio controlador o autó-mata. Desde este punto devista, el esquema posee to-das las ventajas de los autó-matas más las que se añaden

Las ventajas

de los autómatas

programables sobre

un control basado

en termostatos

son varias, lo cual no

quiere decir

que siempre sean

preferibles. En general,

cuanto más complejo

sea el sistema

y el tipo de control,

más ventajas tendrá

un autómata frente

a un termostato

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a continuación, a cambio delcoste del ordenador, progra-mas y conexiones.

- La información de losdiversos sectores está cen-tralizada, lo que permite alusuario revisar la situacióngeneral de la explotación enun sólo punto y en muy po-co tiempo. La gestión dealarmas se simplifica.

- La comunicación delusuario con el sistema decontrol es mucho más fácilque en un autómata, porqueel ordenador dispone de ele-mentos (teclado, pantalla)que simplifican la tarea.

Con autómatas, o seprograma el sistema con con-solas u ordenadores portáti-les, o se debe contar con unapantalla de comunicación decoste elevado.

Además, el ordenadorsuele contar con programasde supervisión, control y ad-quisición de datos (SCADA)que facilitan la comunica-ción. Por ello, resulta muysencillo para el usuario cam-biar consignas, horarios ocualquier programa de ac-tuación de los equipos desdeel ordenador, sin necesidadde una formación técnica es-pecífica.

- Las posibilidades derealizar programas de con-trol complejos son inclusosuperiores a las de un autó-mata y, en general, la pro-gramación es más fácil.

- La capacidad de alma-cenamiento de datos del or-denador es mucho mayorque la del autómata, en fun-ción del disco duro que con-tenga. Resulta interesante enmuchos casos tener registrosgrabados del funcionamien-to del invernadero en los úl-timos días o meses; con unordenador es sencillo alma-cenar y consultar esta infor-mación. El autómata no estádiseñado para esta función ysu capacidad de almacena-miento es muy limitada.

- El ordenador ofrece la

posibilidad de acoplar fácil-mente programas comercia-les de ordenador (gestióneconómica, modelos climá-ticos o de producción) a lainformación que se recibedesde el invernadero, lo quesimplifica la toma de deci-siones.

- Se puede conectar elordenador a los autómataspor cableado, o por teléfonoo radio; además, se puedeconectar el ordenador cen-tral con otros ordenadorestambién por internet, teléfo-no o radio.

Como se aprecia por susventajas, cuando el sistemaes suficientemente grande ycomplejo, resulta más inte-resante utilizar un esquemade control distribuido en lu-gar de un único autómata ovarios autómatas actuandoaisladamente. Un sistema decontrol distribuido con unordenador, dos autómatas ylos sensores, conexiones yprogramas necesarios puedetener un coste desde mediomillón a millón y medio depesetas.

Aunque la disposiciónhabitual consiste en un orde-nador conectado a una seriede autómatas o controlado-res, también se puede dise-ñar un sistema de controldistribuido con un ordena-dor central conectado a unaserie de termostatos en cadasector. La presente revisiónha sido realizada dentro delos siguientes proyectos deinvestigación:

- Proyecto europeoF A I R 6 - C T 9 8 - 4 3 1 0 :Management and control forquality demostration (MAC-QUD).

- Proyecto CICYTAGF97-0979: Desarrollo deun sistema de control inte-gral de invernaderos paracultivos realizados sobresustratos autóctonos con re-ciclaje de nutrientes.

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