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    El Proyecto Cooperativo ‘Ecosistema 4.0’ consigue automatizar y digitalizar un cultivo hidropónico autónomo y sostenible, alimentado con energía renovable solar fotovoltaica.

    De este modo, se integran diferentes tecnologías disruptivas de la Industria 4.0 como: Realidad Aumentada, Monitorización y Control a tiempo real en la Nube (Cloud Connect), IoT (Internet of Things), Fabricación Aditiva, Virtualización y Diseño 3D, y vuelo con drones, obteniendo sinergias con los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS).

    Fusionamos estas tecnologías con las energías renovables, en un ecocultivo sostenible y digitalizado, buscando la mejora continua en la innovación educativa.

    A continuación, se explican los cuatro bloques fundamentales que conforman el proyecto.

    1 CULTIVO HIDROPÓNICO

    Un cultivo hidropónico es aquel que se desarrolla sin necesidad de sustrato o tierra. El soporte necesario de la planta se lo proporciona un material distinto del suelo y que puede ser inerte o no. En nuestro caso se opta por unos cestos modelados y fabricados en PLA (ácido poliláctico) con impresoras 3D, si bien existe una gran variedad de diferentes soluciones como cultivos en virutas de madera, fibra de coco u otras. El objetivo es conseguir un cultivo al cual le lleguen todos y cada uno de los elementos necesarios para su correcto desarrollo como
    son: luz, oxígeno, agua y nutrientes.

    El agua es el medio de transmisión de todos estos elementos necesarios hasta las plantas. En un depósito contenedor se ubican 20 litros de agua con los nutrientes necesarios. Una bomba de presión de 25W 230V situada en el fondo del contenedor, a la cual se conecta un
    circuito de tuberías posibilitan una correcta recirculación y oxigenación. En las tuberías horizontales del circuito de diámetro 90 mm se ubican las cestas de PLA y en su interior las plantas de fresas. El nivel de agua está controlado y en todo momento se encuentra próximo
    a la mitad del tubo propiciando que la raíz de la planta quede parcialmente sumergida. Se pueden observar, por tanto, dos partes claramente diferenciadas en las raíces. Por una parte, está la parte que queda fuera del agua o aeróbica y, por otra, la que queda dentro del agua o anaeróbica. Ambas son necesarias para la alimentación y oxigenación de la planta.

    Se pueden consultar documentos que datan el origen del cultivo hidropónico en la civilización Azteca, si bien su explotación a mayor escala comienza en los años 50. En la actualidad, es una técnica poco conocida y relativamente poco extendida para los beneficios que puede aportar a la sociedad. Debido a la alta capacidad de producción por superficie de cultivo, el mejor aprovechamiento de recursos hídricos, facilidades en cuanto a recolección y procesado de producto, y reducción de plagas asociadas al cultivo en tierra, lo convierten en un método de cultivo idóneo para el presente y futuro de nuestra sociedad.

    Un cultivo más eficiente puede ayudar en la consecución de los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de la siguiente forma:

    Hambre cero

    Incrementar la capacidad productiva de alimentos.

    Agua limpia y saneamiento

    Reducción del consumo de agua.

    Producción y consumo responsables

    Control de productos empleados en el cultivo.

    Vida de ecosistemas terrestres

    Reducción de la superficie dedicada a cultivo.

    Los motivos expuestos previamente hacen que consideremos que el estudio y difusión de la tecnología del cultivo hidropónico, pueda favorecer la sostenibilidad y la resolución de problemas presentes y futuros ofreciendo una alternativa tecnológica al cultivo tradicional.

    2 SOLAR FOTOVOLTAICA

    Ecosistema 4.0 se alimenta energéticamente mediante un sistema fotovoltaico aislado de la red de distribución eléctrica. De este modo, se le puede considerar como una celda autónoma que se puede llevar y ubicar en cualquier lugar, incluso donde no exista energía eléctrica o
    sus cortes sean habituales. El bloque fotovoltaico está formado principalmente por los siguientes elementos:

    • 4 módulos fotovoltaicos de 495 Wp
    • 2 estructuras 1×6
    • 1 inversor/regulador/cargador 48V/5000W
    • 1 batería de Litio 48V-5,12 kWh

    Los cuatro módulos que conforman el sistema generador fotovoltaico suponen una potencia de 1,98 kWp. Se ubican en la cubierta del Aula-Taller 6 del CFGS en Energías Renovables del IES Navarro Santafé de Villena sobre una estructura que les facilita un ángulo de inclinación de 30⁰ y un azimut de 13⁰. Esta potencia, orientación e inclinación les permite alcanzar una producción anual de 3.229,12 kWh.

    Esta producción estimada se ha obtenido a partir de la aplicación online Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS). A continuación, se indican los principales datos y resultados obtenidos de PVGIS:

     

     

     

     

     

     

     

     

    Por otro lado, los 4 módulos se conectan en serie consiguiendo el conjunto una tensión en circuito abierto VOC= 42,6V x 4 módulos = 170,4V y una intensidad de cortocircuito ISC=12,21A. Esta manera de conectarlos es necesaria para que a la entrada de continua del
    inversor/cargador/regulador se disponga de un valor de voltaje dentro del rango MPPT de este equipo, que en este modelo se sitúa entre 120V y 450 V. A la salida del inversor disponemos de 230V 50Hz en corriente alterna.

    Por último, la potencia de Ecosistema 4.0 son 100W y su consumo son 2,4 kWh/día por lo que la batería de Litio de 5,12 kWh le facilita aproximadamente una autonomía de 48 horas sin producción fotovoltaica. El conjunto de los módulos, el inversor/cargador/regulador y la batería de Litio disponen de una caja de protecciones para la parte de continua y la de alterna de la instalación.

    3 AUTOMATIZACIÓN

    El control automático del cultivo hidropónico está compuesto por un sistema secuencial, en el que se alternan una serie de etapas modeladas según la metodología GRAFCET que controlan el modo de funcionamiento del cultivo, y un sistema combinacional en el modo
    manual para activar las salidas de forma independiente o conjunta según determine el usuario. Todo ello implementado en un relé programable LOGO! de SIEMENS mediante un programa de control realizado con el Software LOGO! Soft Comfort V8.3.

    Modos de funcionamiento del automatismo:

    Al poner en funcionamiento el sistema, este carece de modo de funcionamiento. En esta situación, el sistema parado responde con un parpadeo magenta. En ese momento el usuario tendrá la opción de seleccionar entre modo manual o automático. Si selecciona modo manual, el sistema responderá con un parpadeo azul, a la espera de que el usuario accione el pulsador azul para confirmar que efectivamente quiere activar el modo manual. Si por el contrario acciona el modo automático, el sistema responderá con un parpadeo verde, a la espera de que el usuario accione el pulsador verde para confirmar que efectivamente quiere activar el modo automático. Una vez se inicia el modo manual, el sistema espera tanto consigna de tiempo de funcionamiento de bomba como color y tiempo de encendido.

    En cualquier momento, a menos que el sistema se encuentre sin modo de funcionamiento, si los parámetros de control (pH, Oxígeno, Conductividad o Temperatura) salieran de niveles admisibles, el sistema realizará un parpadeo alternativo entre el color del modo de
    funcionamiento y rojo. En caso de activar una alarma por parada de emergencia, o por los parámetros extremos, el sistema entra en modo error, parará todo funcionamiento y encenderá la luz en color rojo fijo. Para volver a poner en funcionamiento el sistema es
    necesario rearmarlo.

    Cuando el sistema se para por activación del interruptor de parada de emergencia, el sistema entra en un estado en el que es necesario desenclavar la seta de emergencia. Permanecerá el indicador rojo encendido fijo. Al desenclavar el interruptor se apagará la luz roja y se
    enciende azul con parpadeo. Se deberá rearmar actuando sobre el pulsador azul. El sistema llega a estado de parada (Magenta intermitente) momento en que se deberá seleccionar Manual-Automático (Verde-Azul).

    Para pasar de manual a automático y al contrario el sistema de pasar previamente por paro. En el modo manual se podrá seleccionar el color y tiempo de encendido de la tira led. Al tratarse de una tira LED RGB (Rojo, Verde y Azul) dispone de 8 posibles combinaciones de
    color. También se puede seleccionar el tiempo de funcionamiento de la bomba y activar la misma.

    La iluminación artificial funciona cuando el sensor crepuscular detecta que el nivel de luminosidad baja por debajo de un nivel establecido.
    También existe la posibilidad de realizar un encendido de los elementos que componen el sistema a través de un asistente de voz, el cual accede al sistema por medio del software NODE-RED instalado en la pasarela de SIEMENS SIMATIC IoT2050.

    El control explicado previamente puede ser accionado y monitorizado desde la pantalla táctil SIEMENS KTP400 Basic PN, cuya programación se ha realizado en el software TIA PORTAL, y se comunica con el autómata por protocolo propietario S7.

    4 DIGITALIZACIÓN

    Conseguimos una Agricultura de Precisión o Agricultura 4.0, al introducir la Digitalización al proyecto.

    Nuestra hoja de ruta hacia la Transformación Digital parte de una reflexión particular sobre cómo puede afectar la introducción de nuevas tecnologías al prototipo, ya automatizado.

    La implementación tecnológica no es el objetivo principal de esta transformación digital. Tan solo es el medio para conseguir objetivos preestablecidos.

    Es importante conocer dichas tecnologías, para entender su potencial y explotar las posibilidades y valor añadido que pueden aportar.

    Realidad Aumentada, Monitorización y Control en la Nube, Fabricación Aditiva, Vuelo con Drones, Simulación y Diseño 3D e Internet de las Cosas, son las Tecnologías Disruptivas de la Industria 4.0 elegidas para:

    Digitalizar ‘Ecosistema 4.0’

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