control automatico de un cultivo hidrop´ onico.´

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.



• 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.



• 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.



• 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.



• 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.



• 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


• 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.



• 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.



• 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.



• 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.



• 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”



• 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.



• 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.



• 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.



• 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. 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. 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%

control automatico de un cultivo hidrop´ onico.´

Documents