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Control automatico de un cultivo hidroponico.
Thomas Parra Arboleda1 Pablo Lopez Garces2 Andres Cruz Pardo3 Felipe Gutierrez Estrada4
Abstract— Este documento presenta el desarrollo de unproceso de control automatico para un cultivo hidroponico decannabis medicinal. Dado el interes creciente en este campo,se considera un proceso industrial digno de ser explorado. Acontinuacion se estudia el proceso, se propone una solucion deplanta fısica, y se procede a automatizarla en la medida en quese considera factible.
I. INTRODUCCION
Fig. 1. Logo de la companıa
La empresa se dedica a producir cannabis por medio de
un cultivo hidroponico con sistema de extraccion y curado
de los cogollos para el comercio de los mismos.
Basados en el Decreto 613 de 2017 por el cual se
reglamento la Ley 1787 de 2016, se legalizo en Colombia
la siembra, el cultivo y la transformacion del cannabis para
la produccion de derivados psicoactivos y no psicoactivos
con fines medicos y cientıficos.
El decreto anterior abre una amplia gama de posibilidades
para la explotacion comercial de los derivados del cannabis.
1Thomas Parra Arboleda, Ingenierıa mecanica, Universida EAFIT,Medellin, Colombia. [email protected]
2Pablo Lopez Garces,Ingenierıa mecanica, Universidad EAFIT,Medellin,Colombia. [email protected]
3Andres Cruz Pardo, Ingenierıa mecanica, Universidad EAFIT,Medellin,Colombia. [email protected]
2Felipe Gutierrez Estrada, Ingenierıa mecanica, UniversidadEAFIT,Medellin, Colombia. [email protected]
El resultado es una demanda creciente que incentiva a la
industria y conduce a planteamientos como el que se hace
en el presente documento. Un mercado significativo es el
de los laboratorios cosmeticos y medicinales, motivo por el
cual se define como el objetivo.
El nivel de control de calidad necesario para suministrar a
una industria cientıfica y tecnologica es muy superior al que
demanda una de caracter estrictamente comercial. Un cultivo
hidroponico se presta para satisfacer esta necesidad gracias
a la precision y el control que proporciona durante el ciclo
de vida de la planta. Unir esto con un proceso automatico
abre aun mas posibilidades para mejorar el control de calidad
y reducir el riesgo asociado con la perdida de un cultivo.
Este riesgo no es insignificante, ya que si los contenidos
de sustancias psicoactivas exceden los niveles legales, las
autoridades deben responder destruyendo el lote fallido.
Reducir la mano de obra, mas que ayudar en costos, reduce
la incidencia del error humano en la calidad del producto.
A. Objetivo general:
• Disenar e implementar un proceso automatizado para
un cultivo hidroponico de cannabis.
B. Objetivos especıficos:
• Definir claramente las variables que involucra el proceso
para optimizar al maximo su diseno.
• Minimizar el uso de mano de obra para efectos de
reducir a su mınima expresion los margenes de error
del proceso.
• Compatibilizar los procesos de tal forma que los
volumenes de cosecha sean acordes con la capacidad
de procesamiento y almacenamiento del producto final.
Para lograr los anteriores objetivos se plantea la
automatizacion de un cultivo hidroponico y todo lo que este
conlleva, desde la siembra de la semilla, el cultivo de la
planta, la extraccion de los frutos y el procesamiento de los
mismos para su posterior comercializacion.
La siembra de la semilla se hara con un robot directamente
en las materas flotantes; sin trasplante. Las plantas germinan
y florecen en un ambiente optimo donde se controlan por
medio de sensores y actuadores las siguientes variables: el
PH del agua, el oxıgeno disuelto en el agua, la temperatura
del agua, los nutrientes de la misma y la luz que les llega
a las plantas. Para la extraccion de los frutos (cogollos),
primero las plantas deben ser sacadas del tanque por
medio de un robot, para luego ponerlas en un sistema
de varias estaciones en serie con maquinas y operarios
que proceden a realizar la separacion de los frutos de la
planta. Cuando ya se obtienen los frutos estos pasan a
curarse en una habitacion donde se controla la humedad
y la temperatura por medio de sensores y actuadores.
Por ultimo son empaquetados por medio de un sistema
de actuadores neumaticos. Se va a automatizar porque el
proceso tiene unas etapas que involucran variables con un
nivel de precision tan alto (como las del ambiente en que
germinan, florecen, y las de curado), que no es dado pensar
que su manejo sea ejecutado por el ser humano, ası mismo
por el tipo de proceso que controla estas variables, o sea,
continuo, implica su automatizacion.
Otra razon para automatizar los demas procesos que
involucran la cosecha y el procesamiento para la obtencion
de los frutos es por el hecho de que puede devenir en
un mejoramiento en el tiempo de produccion, beneficio
economico e incremento del volumen de produccion anual.
En este informe se contiene aspectos tales como
la descripcion del proceso de forma detallada, la
instrumentacion de sensores y actuadores usados en
el proceso, los protocolos de cada subsistema, las
implementaciones de las MEF en los distintos PLC,
conclusiones, referencias y anexos.
II. DESCRIPCION DEL PROCESO
A. Proceso productivo
Fig. 2. Diagrama de flujo de materia
Fig. 3. Layout
Fig. 4. Descripcion del proceso
Este es un proceso industrial de cultivo hidroponico de
marihuana medicinal. El producto que se obtiene es una
flor seca con alto contenido de CDB (10-15%) [3]. Las
dos operaciones principales son la gestion del cultivo y el
procesamiento de la flor. Los procesos fuertemente autom-
atizados son la siembra, el crecimiento, la cosecha, y el
curado del producto. Los procesos que son manuales, pero
con la asistencia de maquinas, son los del corte de la flor, la
remocion del tallo y la limpieza de la flor.
El proceso comienza por la siembra del cultivo, el cual se
hace con robot y directamente en las materas flotantes; sin
trasplante. Las plantas germinan y florecen en un ambiente
controlado. Las variables son el pH del agua, el oxıgeno dis-
uelto, la temperatura, el fertilizante, y la luz. Para cosechar,
el mismo robot extrae las materas del agua y las transporta a
una zona donde operarios calificados remueven de la planta
las ramas con las flores. Estas luego pasan a un proceso
industrial de limpieza en el que se les remueve la rama, las
hojas y los pelos con la asistencia de maquinas. Las flores son
empaquetadas en cajas hermeticas para posteriormente entrar
a un almacen donde se curan en un ambiente controlado para
temperatura y humedad. Finalmente las cajas con las flores
salen del almacen de curado y entran al proceso de empaque,
el cual se realiza en la misma caja, tapandola por medio de
una maquina.
B. Subprocesos
Fig. 5. Diagrama de subprocesos
Siembra:
• Las matrices de siembra entran vacıos, uno a la vez, a
la estacion de carga.
• Las matrices de siembra entran vacıos, uno a la vez, a
la estacion de carga.
• El Robot de Riel levanta las materas y las pone sobre
el flotador en el estanque.
• La Maquina Dosificadora administra arcilla y semillas
a las materas por gravedad.
• El flotador sale de la estacion de carga y permanece en
el estanque hasta la cosecha.
Cultivo: Se controlan las variables crıticas para el ciclo
de vida de la planta. Como el cultivo es hidroponico, basado
en el sistema de cultura del agua profunda, esto se hace por
medio de la recirculacion de agua en el estanque; para esto
se usa una bomba. Por medio de valvulas, se administran
agentes que controlan el pH, el oxıgeno disuelto en el agua
y los nutrientes. La temperatura del agua se controla por
medio de una resistencia, tambien a la salida de la bomba.
Para precipitar la floracion se regula la exposicion a la luz
por medio de lamparas UV.
Cosecha:
• Los flotadores entran cargados, uno por uno, a la
estacion de extraccion (se extrae la matera con la planta
del tanque).
• El Robot de Riel se desplaza hasta la estacion de
extraccion.
• El Robot de Riel levanta las materas del flotador, las
lleva a la zona de descarga y las deposita.
• Los operarios desplantan y proceden a cortar los tallos
y ramas que contienen flores.
Limpieza:
• Se mete la rama en una maquina especializada llamada
Mother Bucker ,que la remueve de la flor.
• Se pasa la flor por una maquina especializada llamada
Twister T2 que le remueve las hojas.
Almacenamiento:
• Las flores se almacenan en cajas hermeticas
Curado:
• Se llevan las flores en cajas a un almacen de curado
que tiene control de temperatura y humedad.(las cajas
se almacenan en una banda transportadora tipo espiral)
• Se seca la flor por etapas hasta que se llega al contenido
de agua deseado (12-15%).
Empaque:
• Se tapan las cajas por medio de un actuador tipo piston
que toma las tapas y las pone a presion. Resultando un
producto curado y seco, listo para su distribucion
Notas:
• El trasporte de las flores despues de la extraccion de las
ramas se da mediante bandas transportadoras, durante
todos los siguientes procesos
• La siembra se hace en paralelo con la cosecha para
siempre tener plantas en el agua creciendo. El cul-
tivo no es perpetuo porque aumenta los costos de las
instalaciones sin aportar un beneficio en terminos de
ventas. El ciclo de la marihuana escogida es de 2
meses, y la demanda se puede suplir de manera continua
almacenando grandes cantidades de producto.
• Basta con tener un solo robot para siembra y descarga
porque la velocidad de cosecha esta limitada por la
velocidad con la que los operarios pueden cortar las
flores. La maquina tiene tiempo de sobra para hacer todo
el proceso de descarga y siembra mientras los operarios
cosechan (retirar las materas del agua > llevarlas a la
zona de descarga > depositar > regresar a la zona de
carga > poner nuevas materas en el agua > y cerrar el
ciclo volviendo a la zona de descarga).
• Para que los flotadores de materas puedan desplazarse
en el estanque, se necesita que haya un espacio libre
en todo momento. El movimiento transversal se hace
con motores electricos en la periferia del estanque,
con llantas que ruedan contra el flotador, mientras
que el movimiento longitudinal se hace con pistones
neumaticos.
C. Justificacion Layout
Gran parte de las decisiones del layout estan basadas en
la observacion detallada de procesos industriales existentes,
como los usados por Los Suenos [1] y Viscon Hydroponics
[2]. El tanque se diseno de tal manera que las canoas que
contienen las materas circulen por el mismo. Por esta razon
los actuadores que ayudan a generar esta circulacion se
encuentran en la periferia del tanque (motores y pistones).De
esta manera se puede utilizar un solo robot que pone las
materas y tambien las quita (cuando las plantas ya estan
florecidas), designando la zona de carga de materas como
la parte superior derecha del tanque y el zona de extraccion
de las materas con las plantas ya florecidas como la parte
superior izquierda del tanque. El robot se mueve por medio
de un riel el cual tambien esta conectado con la zona de
corte de la planta (parte superior izquierda del layout) esta
se ubica de tal manera de que el robot se mueva de forma
lineal evitando movimientos innecesarios. A partir de este
punto el proceso se da de forma secuencial, por lo que
las maquinas y bandas transportadoras se ponen en serie,
rodeando el tanque para ahorrar un mayor espacio. El cuarto
de bombas es posible ubicarlo en otro punto pues no ocupa
un espacio muy grande, en el layout se encuentra en ese
punto con el fin de apartarlo un poco de las demas maquinas
y elementos usados para el proceso de produccion, logrando
un mayor entendimiento.
III. INSTRUMENTACION
A. SCADA
Fig. 6. Diagrama SCADA
B. Sensores y actuadores por bloque del diagrama de flujo
materia
1) Siembra
• Actuadores:
– 6 motores de circulacion
– 6 motores de posicionamiento(robot)
– 4 pistones neumaticos de circulacion
– 5 dosificadores de arcillas y 5 dosificadores de
semillas
• Sensores:
– 4 Sensores de proximidad para las matrices de
siembra (flotadores)
2) Crecimiento
• Actuadores:
– Bomba
– Valvula de oxigeno
– Valvula de abono
– Resistencia
– Valvula de pH acido
– Valvula de pH basico
– Luces
• Sensores:
– Sensor de temperatura
– Sensor de pH
– Sensor de oxigenacion
3) Cosecha
• Actuadores:
– Robot
4) Corte
• Mano de obra humana
5) Remocion de ramas
• Actuadores:
– The Mother Bucker
– Banda transportadora Mother Bucker a Twister-
T2
6) Corte de hojas
• Actuadores:
– Twister-T2
– Banda que sale de Twister-T2 y llega a la banda
de elevacion.
7) Almacenamiento
• Actuadores:
– Banda de elevacion
8) Curado
• Actuadores:
– Compuerta entrada y compuerta de salida
– Ventilador
– Resistencia
– Humidificador y dehumidificador
• Sensores:
– Sensor de temperatura
– Sensor de humedad
9) Empaquetado
• Actuadores:
– Piston neumatico
• Sensores:
– Sensor de proximidad
C. Justificacion de los PLC
Se seleccionaron 3 PLC como un justo medio entre tener
la mınima cantidad de controladores necesaria y que estos
se encontraran cerca de los procesos que controlan. A pesar
de que se podıan asignar todas las terminales de los PLC
1 y 2 a un solo PLC FX3G-40MT/ESS con 24 entradas y
16 salidas, esto resultarıa en cables especialmente largos, lo
cual se considero suboptimo.
Todos los procesos directamente asociados a los
movimientos y ritmos del robot de riel fueron asignados
al PLC1. Estos consisten de 3 maquinas de estado finito:
la maquina dosificadora; la maquina de los actuadores
perifericos del tanque; la maquina del robot de riel.
Los procesos se encuentran estrechamente relacionados
—comparten banderas—, lo que significa que integrarlos en
un solo PLC reduce la cantidad de informacion compartida
entre controladores y aumenta la fiabilidad del sistema.
Los procesos asociados a la regulacion del cultivo y su
crecimiento fueron asignados al PLC2. El razonamiento
detras de esta decision fue que los actuadores se encontraban
en el cuarto de maquinas, y los sensores, dada la extension
del tanque principal, no tienen predileccion por ningun
controlador; estando relativamente igual de lejos de todos.
El PLC3 controla todos los procesos asociados a
la cosecha y el curado del producto. Nuevamente, el
motivo es que los procesos se encuentran interrelacionados
y los actuadores y sensores estan cerca los unos de los otros.
Por el numero de entradas y salidas integradas necesarias,
los PLC 1, 2 y 3 son un Mitsubishi FX3G-14MT/ESS y dos
FX3G-40MT/ESS respectivamente. Se eligieron unidades de
la lınea ESS por su rango de voltaje de 100-240VAC para
suministro de potencia.
D. Tabla de sensores
Sensor Tipo Variable Senal PLC Terminal Anexo
Proximidad Capacitivo sensor Q1 ADC 1 D1 1Proximidad Capacitivo sensor Q2 ADC 1 D2 1Proximidad Capacitivo sensor Q3 ADC 1 D3 1Proximidad Capacitivo sensor Q4 ADC 1 D4 1
Oxıgeno Optico Oxigeno ADC 2 D1 2Temperatura Resistivo Tagua1 ADC 2 D2 3Temperatura Resistivo Tagua2 ADC 2 D3 3Temperatura Resistivo Tagua3 ADC 2 D4 3Temperatura Resistivo Tagua4 ADC 2 D5 3Temperatura Resistivo Tagua5 ADC 2 D6 3Temperatura Resistivo Tagua6 ADC 2 D7 3Temperatura Resistivo Tagua7 ADC 2 D8 3Temperatura Resistivo Tagua8 ADC 2 D9 3Temperatura Resistivo Tagua9 ADC 2 D10 3pH Resistivo pH1 ADC 2 D11 4pH Resistivo pH2 ADC 2 D12 4pH Resistivo pH3 ADC 2 D13 4pH Resistivo pH4 ADC 2 D14 4pH Resistivo pH5 ADC 2 D15 4pH Resistivo pH6 ADC 2 D16 4pH Resistivo pH7 ADC 2 D17 4pH Resistivo pH8 ADC 2 D18 4pH Resistivo pH9 ADC 2 D19 4
Presencia Optico pos1 Digital 3 X004 1Temperatura Resistivo Temperatura ADC 3 D1 3Humedad Capacitivo Humedad ADC 3 D2 5
E. Tabla de actuadores
Actuador Tipo Variable Senal PLC Terminal Anexo
Valvula Compuerta comp arcilla Digital 1 Y001 6Valvula Compuerta comp semilla Digital 1 Y002 6Motor Servo Industrial motores tanque DAC 1 Y003 7Valvula Poppet pistones tanque Digital 1 Y004 6Motor Servo Industrial servo X DAC 1 M1 7Motor Servo Industrial servo Y DAC 1 M2 7Motor Servo Industrial servo Z DAC 1 M3 7Bomba Centrıfuga Bomba DAC 2 Y001 8Valvula Poppet Voxigeno DAC 2 Y002 6Valvula Poppet Vabono Digital 2 Y003 6Termico Resistencia Resistencia DAC 2 Y004 9Valvula Poppet VpHa DAC 2 Y005 6Valvula Poppet VpHb DAC 2 Y006 6Lampara Mercurio UV LUV Digital 2 Y007 10Quita tallos The Mother Bucker TMB Digital 3 Y001 11Banda Transportadora B1 Digital 3 Y002 12Despajadora Twister T2 TT2 Digital 3 Y003 13Banda Transportadora B2 Digital 3 Y004 11Banda Transportadora Be Digital 3 Y005 11Valvula Compuerta Ce Digital 3 Y006 6Bomba Axial Ventilador DAC 3 Y007 8Calentador Resistivo Resistencia DAC 3 Y010 9Humidificador Ultrasonico Hm Digital 3 Y011 14Deshumidificador Condensador dHm Digital 3 Y012 15Valvula Compuerta Cs Digital 3 Y013 6Banda Transportadora B3 Digital 3 Y014 16Valvula Pneumatica Ci Digital 3 Y015 6
IV. GRAFICOS ACTUADORES Y SENSORES
Poblacion de actuadores por variable fisica
13%
17%
17%
1% 3%
38%
1%1%
6%1%1%1%
valvula pneumatica
valvula compuerta
motor
bomba
resistencia
lampara UV
quita tallos
despajadora
banda transportadora
humidificador
deshumidificador
ventilador
Fig. 7.
Poblacion de sensores por tipo de salida
96%
4%analogos
digitales
Fig. 8.
Poblacion de sensores por tipo de variable fisica
15%
4%
38%
35%
4%4% proximidad
oxigeno
temperatura
pH
presencia
humedad
Fig. 9.
Poblacion de actuadores por tipo de entrada
26%
74%
analogos
digitales
Fig. 10.
V. PROTOCOLO
A. General
1) Mientras la planta este en funcionamiento se mantiene
encendida la senal operacion.
2) Cuando el supervisor activa la senal siembra el
robotRiel empieza a retirar las materas que se en-
cuentran en el agua, las transporta a la zona de corte
regresa a depositar las nuevas materas en las matrices
de siembra.
3) Cuando el robotRiel deja las primeras materas en la
zona de corte se activa la senal cosecha.
4) Mientras la senal operacion este activa el cuarto de
maquinas del tanque permanece en funcionamiento
para controlar las variables necesarias para el crec-
imiento de las plantas en el agua.
5) Cuando la senal cosecha se activa se encienden las ban-
das transportadoras hasta el cuarto de curado ası mismo
como las maquinas The mother bucker y Twister T2.
6) Despues de terminado el proceso de cosecha los oper-
arios encargados de cortar activan la senal finCosecha
y el estado del cultivo cambia a preCurado
7) La banda de elevacion se enciende indefinidamente
hasta que el estado del cultivo sea curado
8) El estado curado se activa cuando el sensor Sc per-
manezca desactivado por mas de 30 segundos
9) La banda de elevacion se detiene cuando el estado del
cultivo sea curado.
10) Al iniciar el proceso de curadose cierra la compuerta
de entrada y se encienden las maquinas del cuarto de
curado para controlar la temperatura y la humedad.
11) Pasados 10 dıas desde que se inicia el proceso de
curado el estado del cultivo cambia a empaque
12) Al iniciar la etapa de empaque se abre la compuerta
Ce se enciende la banda de empaque B3
13) En la banda se empaque se tiene un sensor p1 que
cada que detecta una caja activa un piston Ci el cual
tiene las tapas que sellaran las cajas.
siembraMEF1: Las materas entran sin arcilla, son detec-
tadas mediante la bandera flag.hay.matera del robot riel, una
vez esta sea detectada la compuerta se abrira para empezar a
dosificar arcilla, se cerrara cuando el temporizador alcance el
tiempo de dosificacion de arcilla.Al cerrarse la compuerta de
dosificacion de arcilla se empiezan a distribuir las semillas
hasta que el temporizador alcance el tiempo de sembrado. Al
acabar esta operacion se manda la bandera flag.matera.llena
para la MEF de los motores perifericos del estanque
Fig. 11. Controlador siembraMEF1
Fig. 12. Siembra MEF 1
• La compuerta dosificadora de arcilla CompArcilla se
abre si FlagHayMatera = 1 . FlagMateraLlena = 1 .
Operacion = 1
• La compuerta dosificadora de arcilla CompArcilla se
cierra si Temporizador = tArcilla + Operacion = 0
• La compuerta dosificadora de semillas CompArcilla se
abre si FlagHayMatera = 1 . FlagMateraLlena = 1 .
Operacion = 1
• La compuerta dosificadora de semillas CompSemilla se
cierra si Temporizador = tSemilla + Operacion = 0
siembraMEF2: Cuando se activa la bandera FlagFlotQ1 =
1, no hay banderas asociadas a los sensores 2 y 4 y la bandera
flagMateraLlena = 1 los pistones empiezan a moverse hasta
que se activen las banderas FlagFlotQ2 y FlagFlotQ4, luego
se pasa a un estado de transicion en donde un temporizador
se activa, cuando temporizador = tRetorno los motores se
activan hasta mover las piezas a las posiciones Q1 y Q3
activando las banderas FlagFlotQ1 y FagFlotQ3, estos se
apagan y luego los pistones empiezan a trabajar, de esta
manera se completa el ciclo y se se garantiza que siempre
hayan dos espacios libres en el estanque.
Fig. 13. Controlador siembraMEF2
Fig. 14. Siembra MEF 2
• Los pistones neumaticos PistonTanque se activan si
FlagFlotQ1 = 1 . FlagFlotQ2 = 0 . FlagFlotQ3 = 1
FlagFlotQ4 = 0 . FlagMateraLlena = 1 . Operacion =
1
• Los motores perifericos del tanque MotorTanque se
activan si temporizador = tRetorno . FlagDescarga =
1
• Los pistones neumaticos PistonTanque se apagan si
FlagFlotQ1 = 0 . FlagFlotQ2 = 1 . FlagFlotQ3 = 0
FlagFlotQ4 = 1 . Operacion = 0
• Los motores perifericos del tanque MotorTanque se
apagan si (FlagFlotQ1 = 1 . FlagFlotQ2 = 0 .
FlagFlotQ3 = 1 FlagFlotQ4 = 0) . Operacion = 0
siembraMEF3: Se programa un robot de riel con 3 servos
industriales sensibles al voltaje que dependiendo de la inten-
sidad de voltaje lo transcribe en una posicion, el servo en X
cuenta con 4 posiciones, el servo en Y con 3 al igual que
el servo en Z, la maquina de estados finitos cuenta con 15
estados secuenciales que controlan el cambio de posicion
mediante temporizadores, esto para cargar , descargar y
transportar las materas.
Fig. 15. Controlador siembraMEF3
Fig. 16. Siembra MEF 3
• Los servos ServoX, ServoY, ServoZ cambian su
posicion cuando el temporizador Temporizador lee
los diferentes tiempos tMinX,tmaxX,tY,tZ y mediante
unos estados secuenciales cada servo va tomando tu
posicion respectiva.
• En el estado 5 se activa la bandera FlagFlotQ1 = 1
• En el estado 6 se activan las banderas FlagHayMatera
= 1, FlagMateraLlena = 0
• En el estado 10 se activa la bandera FlagDescarga =
1.
crecimientoMEF1: La bomba recircula el agua presente en
el tanque ademas de ser la encargada de enviar los nutrientes,
agentes de pH (acidos o causticos).Bombea el oxıgeno y a la
salida de esta hay una resistencia que se encarga de controlar
la temperatura del agua.
Fig. 17. Controlador crecimientoMEF1
Fig. 18. Crecimiento MEF 1
• La Bomba Bomba se enciende si operacion
• La Bomba Bomba se apaga si !operacion
crecimientoMEF2: La valvula de oxigenacion se abre
cuando el nivel de oxıgeno en el agua es bajo permitiendo
que el sistema de Venturi entre en funcionamiento.
Fig. 19. Controlador crecimientoMEF2
Fig. 20. Crecimiento MEF 2
• La ValvulaOxi de oxigenacion se abre si !Omin . Omax
. 0 . Operacion
• La ValvulaOxi de oxigenacion se cierra si Omax . I +
! Operacion
crecimientoMEF3: La valvula se abre cada cuatro horas
durante 30 segundos mientras aplica la cantidad necesaria de
nutrientes para las plantas.
Fig. 21. Controlador crecimientoMEF3
Fig. 22. Crecimiento MEF 3
• La valvula de abono Va se abre si /t=4h . 0 . Operacion
• La valvula de abono Va se cierra si /t=4h30s . I + !
Operacion
crecimientoMEF4: Se instala una resistencia en la salida
de la bomba para calentar el agua en caso de que los sensores
muestren la medida mınima de temperatura admisible.
Fig. 23. Controlador crecimientoMEF4
Fig. 24. Crecimiento MEF 4
• La resistencia R se enciende si !Tmin.!Tmax. 0 . Op-
eracion
• La resistencia R se apaga si Tmin . I + ! Operacion
crecimientoMEF5: Las valvulas de pH acido (Va) y de
pH basico (Vb) son las encargadas de controlar el PH del
agua el cual debe estar en un rango especıfico para el optimo
crecimiento de las plantas. Se tienen tres estados , el estado
normal, el estado aumentando pH y el estado reduciendo
pH. El estado aumentando pH se activa cuando el pH del
agua esta demasiado acido. El estado reduciendo pH se activa
cuando el pH del agua esta demasiado alcalino.
Fig. 25. Controlador cremimientoMEF5
Fig. 26. Crecimiento MEF 5
• La valvula de pH alcalino Vb se abre si acido .
Operacion
• La valvula de pH alcalino Vb se cierra si nor-
mal+!operacion
• La valvula de pH acido Va se abre si alcalino .
Operacion
• La vavula de pH acido Va se cierra si nor-
mal+!Operacion
crecimientoMEF6: Las plantas de cannabis presentan 3
etapas de crecimiento donde necesitan diferentes condiciones
de luz para su apropiado crecimiento. Teniendo en cuenta que
cada variedad necesita un tiempo diferente para cada etapa se
debe establecer previamente cual variedad se esta cultivando
y ası mismo la cantidad de dıas por etapa.
Fig. 27. Controlador crecimientoMEF6
Fig. 28. Crecimiento MEF 6
• La valvula de pH acido Luv se abre si Operacion.
((SG+SS+VS)./t=6h+FS./t=12h)
• La valvula de pH acido Luv se cierra si !Operacion.
((SG+SS+VS)./t=24h+FS./t=24h)
cosechaMEF1: Se encuentra el sistema de transporte de
las flores desde la maquina the mother bucker (TMB) hasta
la Twister T2 (TT2) por medio de dos bandas transportadoras
(B1,B2).
Fig. 29. Controlador CosechaMEF1
Fig. 30. Cosecha MEF 1
• Los actuadores B1,B2,TMB,TT2 se encienden si
Cosecha.0
• Los actuadores B1,B2,TMB,TT2 se apagan si
!Cosecha.I
cosechaMEF2: EL ciclo de precurado se da siempre y
cuando no se haya acabado el subproceso de cosecha.
Fig. 31. Controlador CosechaMEF2
Fig. 32. Cosecha MEF 2
• El proceso de precurado preCurado empieza y el
proceso de cosecha Cosecha termina si finCosecha.0
• El proceso de precurado preCurado termina y el pro-
ceso de cosecha Cosecha empieza si !finCosecha.I
cosechaMEF3: Esta banda tiene la funcion de recibir los
cogollos que vienen de la Twister T2 para almacenarlos en
cajas que posteriormente seran transportadas al cuarto de
curado al cual ingresan por la parte superior del mismo para
ser depositadas en la espiral de curado. Mientras el estado
del cultivo sea “cosecha” la banda se mueve la longitud de
una caja cada 5 min mientras se llena de cogollos por medio
de la banda que viene de la Twister T2. Cuando finaliza el
estado de “cosecha”( los operarios terminaron de cortar) ,
la banda cambia su comportamiento y comienza a moverse
a una velocidad constante hasta llegar a llenar de cajas la
espiral de curado.
Fig. 33. Controlador CosechaMEF3
Fig. 34. Cosecha MEF 2
• La banda de elevacion Be se enciende si 0.(cosecha./t=5
min + PreCurado)
• La banda de elevacion Be se apaga si 1.(cosecha. /t=5
min10s. Precurado + !cosecha)
cosechaMEF4: La compuerta de entrada que se encuentra
en la parte superior del cuarto de curado se abre cuando el
cultivo se encuentra en el estado de “cosecha” hasta que
la espiral de curado este llena para iniciar el proceso de
curacion. Y esta permanece cerrada durante el tiempo de
curado.
Fig. 35. Controlador CosechaMEF4
Fig. 36. Cosecha MEF 4
• La compuerta de entrada Ce se abre si 0.cosecha
• La compuerta de entrada Ce se abre si I.curado
cosechaMEF5: La compuerta de salida permanece cerrada
mientras que el estado del cultivo sea diferente de “empaque”
Fig. 37. Controlador CosechaMEF5
Fig. 38. Cosecha MEF 5
• La compuerta de salida Cs se abre si 0.empaque
• La compuerta de entrada Cs se abre si I.!empaque
cosechaMEF6: La humedad en el cuarto de curado se con-
trola por medio de un humidificador y un deshumidificador.
Esto con el fin de que el curado de las flores se realice de
manera optima, ya que es parte fundamental del resultado
final del producto.
Fig. 39. Controlador CosechaMEF6
Fig. 40. Cosecha MEF 6
• El humidificador Hm se enciende si seco.curado
• El humidificador Hm se apaga si normal + !curado
• El deshumidificador dHm se enciende si
humedo.curado
• El deshumidificador dHm se apaga si normal + !curado
cosechaMEF7: El ventilador debe permanecer encendido
durante todo el tiempo de curado, ya que se necesita una
completa circulacion del aire para ası controlar la humedad
uniformemente.
Fig. 41. Controlador CosechaMEF7
Fig. 42. Cosecha MEF 7
• El ventilador V se enciende si 0.curado
• El ventilador V se apaga si I.!curado
cosechaMEF8: Esta banda transportadora es la encargada
de transportar las cajas con los cogollos curados desde el
cuarto de curacion a la zona de despacho y entre este trayecto
se encuentra con el mecanismo de sellado.
Fig. 43. Controlador CosechaMEF8
Fig. 44. Cosecha MEF 8
• La banda transportadora B3 se enciende si 0.empaque
• La banda transportadora B3 se enciende si I.!empaque
cosechaMEF9: Para el paso de sellado se tiene un mecan-
ismo que actua de manera lineal para sellar cajas colocando
una tapa. Este mecanismo se activa cuando el sensor de
posicion detecta una caja en la banda y ya sabiendo la
posicion de esta y la velocidad de la banda se acciona en
sincronıa con la misma sellando las cajas. Para que este
sistema ponga una nueva tapa se utilizara un mecanismo que
va dispensando las tapas a medida que el sistema regresa a
su posicion inicial.
Fig. 45. Controlador CosechaMEF9
Fig. 46. MEF9
• El cilindro Ci pasa a la posicion final si 0.empaque. p1
• El cilindro Ci pasa a la posicion final si I.!empaque.
!p1
cosechaMEF10: Para controlar la temperatura del cuarto
de curado se implementa una resistencia colocada al frente
del ventilador para facilitar la conveccion forzada.
Fig. 47. Controlador CosechaMEF10
Fig. 48. MEF10
• La resistencia del cuarto de curado R pse enciende si
curado . 0 . !tmax . !min
• La resistencia del cuarto de curado R pse enciende si
1(tmax+!curado)
Se aclara que al utilizar el sımbolo ! con cualquier variable
o estado este representa negacion.
VI. IMPLEMENTACION
Para programar las MEF y poder correrlas dentro de los
PLC seleccionados se hizo uso de GX Works2 de Melsoft;
el software por defecto de las unidades Mitsubishi. Estas se
crearon como bloques de funcion dentro del entorno User
Library, lo cual permite organizar el espacio de trabajo de
una manera conveniente y con una jerarquıa clara entre
las variables globales y las locales. Tambien facilita la
estandarizacion de los nombres de las variables locales. La
programacion es tipo Flip-Flop, y los estados se separaron
por ladders, asegurando la calidad legible del codigo.
PLC Variables Descripcion
#1 siembra Variable que acciona las opera-ciones que se encuentran en el es-tado siembra
#1 flag matera llena Declara que la matera tiene arcillay semilla
#1 flag hay matera Declara que el robot ya puso lamatera
#2 Operacion Bandera de encendido de toda laplanta
#2 SGER Estado actual de la planta (timpode crecimiento)
#2 SS Estado actual de la planta (timpode crecimiento)
#2 Vs Estado actual de la planta (timpode crecimiento)
#2 FS Estado actual de la planta (timpode crecimiento)
#3 Cosecha Variable que me activa los procesosde limpieza y transportacion de laplanta
#3 preCurado Da la senal para que ingresen lascajas al cuarto de curacion.
#3 empaque Da la senal para que se comienceel sellado de las cajas
TABLE I
TABLA DE VARIABLES DESCONOCIDAS
En lugar de implementar banderas de tiempo para las
transiciones, se opto por usar temporizadores en serie y en
paralelo con los comandos Set y Reset para los estados.
Dondequiera que fuera necesario usar una bandera, esta se
declaro como una variable global accesible por todos los
bloques de funcion.
Todos los PLC reciben una bandera por medio de SCADA
llamado Operacion, el cual indica el estado de la planta
como conjunto; si Operacion tiene un valor de cero, ningun
proceso en la planta puede correr. A su vez, cada PLC, con la
excepcion del PLC2, tiene una bandera tipo comando que ha-
bilita sus procesos especıficos: siembra; cosecha; precurado;
curado; empaque. El PLC2 carece de este comando porque
el funcionamiento principal de la planta es el crecimiento,
entonces se considera un estado redundante.
A. I.H.M
Fig. 49. IHM1
Fig. 50. IHM1.1
Fig. 51. IHM2
Fig. 52. IHM2.1
VII. CONCLUSIONES
Se ha mostrado y justificado un proceso automatico para
un cultivo hidroponico de cannabis medicinal. Se han selec-
cionado sensores, actuadores, y controladores, los cuales se
han programado tentativamente. Queda propuesto elaborar en
mayor detalle las entradas y las salidas, prestando atencion
especial a la conversion de las variables y los rangos de estas.
El trabajo elaborado en el presente documento se considera
como un paso significativo hacia una prueba de concepto en
un prototipo funcional.
REFERENCES
[1] La granja de cannabis al aire libre mas grande del mundo.[2] Automated hydroponic system, Aug 2016.[3] Swiss dream cbd, Jun 2019.
VIII. ANEXOS
Sensor de
posicion
OD Value
OD2-P250W150I0 x 4 anexo 1
Voltaje 12v
Consumo de
energia <2.88w
tipo de
coneccion Macho, M-12,8-pin, swivel connector unit
Indicador barra de grafica de distancia, hasta 8 LEDs
Peso 70 g
Rating de
proteccion IP67
Rango de
medicion 100mm-400mm
Precision 75 um
Linearidad ~750 um
Frecuencia
de medida <1.33 kHz
Tiempo de
salida > 0.75 ms
Fuente de
luz Laser rojo
Tipo de
salida Analoga 16 bit, 1 x MF
Temperatura
operacional en
interiores ´-20C-60C
Sensor de
temperatura
Dallas semiconductors
DS18B20 x1 Anexo 3
Temperatura
operacional 125C a -55C
Voltaje 3.0-5.5 V
Precision ~0.5C de 85 a -10C
Tipo de
salida
Analoga 9 a 12 bits
Sensor de
oxigeno
Pure aire
Waterproof O2/CO2 Monitor
Anexo 2
Temperatura
operacional -40 to +50C
Voltaje 24VDC 300mA
Precision 1% de la escala total
Tipo de
salida Analoga 4-20 mA
Rating de
proteccion IP67
Sensor de pH
Sensorex
S8300 Modular pH Sensor x9 Anexo 4
Temperatura
operacional 0-100⁰ CVoltaje 12V
Material Ryton Polyphenylene Sulfide
Tipo de
salida Analoga 4-20 mA
Tiempo de
respuesta 95% en 1 segundo
sensor de
humedad
PCE
MWM 240-A Anexo 5
Temperatura
operacional 145C a -20C
Voltaje de
alimentacion 24 V DC
Precision ~0.5C de 85 a -10C
Tipo de
salida
Analoga 4-20mA
Entradas 2 x digitales 24 V DC
Tipo de
proteccion
(sensor) Ip 65
Tipo de
proteccion
(Unidad
electronica) ip 54
Peso 6 Kg
Actuador robot
Riel
Teknik clear path
CPM-MCVC-2321P-RLN Anexo 7
Temperatura
operacional 0-70C
Voltaje 24-75 VDC
Peso 0.9 Kg
Tamaño de
la carcasa Nema 23-59.18 mm cuadrados
Maxima
potencia 0.9 hp
Maximo torque 1.7 N-M
Valvulas
Parker
D1VW SERIES Anexo 6
Tamaño
nominal NFPA D03, CETOP 3, NG6
Presion maxima 3000 PSI DC/AC
Tipo de
operación Solenoide
Bombas AQUA60W Anexo 8
Altura elevacion
maxima 2.8 m
Caudal maximo 1650 L/hora
Diametro Media pulgada
Voltaje de
alimentacion 127 V
Resistencia
Sigma thermal
Immersion Heaters Anexo 9
material Aleacion acero-carbono, 304ss
Densidad de
watts 2-60 watts por pulgada
Tipo de
regulacion de la
temperatura Paneles de control SCR
Lampara UV Viqua H Pro 50 Anexo 10
Presion de
funcionamiento 15-125 psi
Temperatura de
funcionamiento 0-40C
Humedad max 100%