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SIAR

UNIVERSIDAD CASTILLA-LA MANCHA

Castilla-La Mancha Nº 13

HOJA INFORMATIVA

OCTUBRE 2006

La Automatización del Riego 1. La automatización En el manejo de un sistema de riego es fundamental determinar el momento más adecuado para regar y la cantidad de agua a aplicar (dosis bruta) en función, entre otros factores, del estado de humedad del suelo o de la planta (Fig. 1) y de la uniformidad en el reparto de agua del sistema. Para el óptimo manejo del riego es conveniente disponer de sistemas automáticos de control, que pueden ayudar a conseguir mejoras sustanciales como: ahorro de mano de obra, agua y energía, mayor eficiencia de riego, control de operaciones anexas al riego (facturación del agua consumida), reducción de costes de instalación y mantenimiento (detección de fallos y la protección de los diferentes componentes del sistema de riego), posible aumentos de producción, reducción del uso de productos químicos, así como frutos y plantas más equilibradas en todos los sentidos. La automatización del riego puede hacerse a varias escalas y en distintas partes de las instalaciones:

b)

a)

Figura 1. a) Dendómetro, para valorar indirectamente el estado hídrico de la planta, b) Watermark para medir indirectamente la humedad en el suelo

1. Automatización individual del riego en parcela, normalmente con un programador (Figs. 2 y 6) y un conjunto de válvulas hidráulicas o electroválvulas (Fig. 4). 2. Automatización general de una red de riego a la demanda y su gestión, normalmente con un ordenador central y una red en anillo de unidades de campo que controlan cada uno de los hidrantes o unidades de control remoto (Fig. 2) 3. Regulación y control de la estación de bombeo para adaptar la demanda de caudal y presión a las necesidades de la red (reduce el coste energético) 4. Automatización integral del sistema para programar los riegos, la fertirrigación, etc.

c)

a)

Figura 2. a) Ordenador central de control de una zona regable, b) Programa de gestión del riego, c) programador de campo para riego en parcela b)


2. Nivel de automatización La elección del nivel de automatización debe hacerse siguiendo criterios técnicoeconómicos, según las características de la explotación y las preferencias del agricultor. El mínimo nivel de automatización sería la apertura y cierre de válvulas hidráulicas para realizar las posturas de riego. El máximo nivel sería el control total de la instalación, de la humedad del suelo, del estado hídrico de la planta, del clima (Fig. 7), etc., incluyendo los sistemas de adquisición de datos para una adecuada gestión del regadío. Estos niveles condicionan también la cualificación profesional del personal que la maneje y la dependencia de un servicio técnico que solucione los posibles problemas de la instalación. 3. Sistemas de control Los componentes de los sistemas de control son: •

Sensores y/o transductores, como: tensiómetros, manómetros, presostatos, medidores de caudal, detectores de nivel (Fig. 3), etc. Actuadores, como: interruptores, electroválvulas (Fig. 4), válvulas motorizadas, bombas (de agua y fertilizante), Figura 3. Sensores: Equipo para medida indirecta variadores de velocidad, arrancadores electrónicos (Fig. EnviroScan de la humedad en el suelo 10), etc. Acondicionadores de señal, para que la entienda el sistema.

Unidades de control (programadores, ordenadores (Fig. 2), etc.)

Además es necesario desarrollar sistemas de protección (para el caso de tormentas, sobretensiones, etc) y alarmas, que avisen de cualquier tipo de anomalía en el funcionamiento. Los sistemas de control utilizados para el riego pueden ser en bucle abierto o en bucle cerrado (Fig. 5). La diferencia entre ellos es que en los de bucle cerrado se establece una comunicación recíproca entre el controlador y los sensores, tomando decisiones y aplicándolas al sistema de riego. Los sistemas abiertos simplemente ejecutan una Figura 4. Actuador: Válvula hidráulica acción, como ocurre por ejemplo al programar la secuencia con regulador de presión y caudal temporal de los riegos. SISTEMA DE CONTROL EN BUCLE ABIERTO

SISTEMA DE CONTROL EN BUCLE CERRADO

PERTURBACIONES

CONDICIONES DESEADAS

UNIDAD DE CONTROL

A C T U A D O R E S

PROCESO PERTURBACIONES

•LA SALIDA NO TIENE EFECTO SOBRE EL CONTROL • LA PRECISION DEPENDE DE LA CALIBRACION • LAS PERTURBACIONES MODIFICAN EL PROCESO •EJEMPLO: APERTURA DE UN HIDRANTE

PERTURBACIONES

CONDICIONES DESEADAS

UNIDAD DE CONTROL

A C T U A D O R E S

S E N S O R PERTURBACIONES E S

PROCESO

•RELACION PREESTABLECIDA ENTRE LA SALIDA Y ALGUNA ENTRADA DE REFERENCIA • PUEDEN RESULTAR SISTEMAS INESTABLES • EJEMPLO: REGULACIÓN ESTACIONES DE BOMBEO

Figura. 5 Esquema de un sistema de control en bucle abierto y en bucle cerrado

A) Sistemas de control abiertos Son los más utilizados en la actualidad, controlando básicamente el tiempo en el que se produce el riego o el volumen de agua a aplicar, pero sin tener en cuenta los restantes factores que influyen en el riego como nivel de humedad en el suelo, estado de las plantas, condiciones de viento, etc. Comúnmente se les conoce como programadores de riego (Fig. 6). El programador conecta o desconecta el sistema de riego en función del "programa" que establezca el usuario, en el que se fijan: las horas y los días en que deben iniciarse los riegos y la duración de los mismos (automatización por tiempo), el volumen de agua que tiene que descargar el sistema (automatización por volumen) o una combinación de los mismos (automatización por volumen y tiempo).


Los sistemas de control en bucle abierto tienen la ventaja de que no son muy caros. Su principal inconveniente es que no responden automáticamente a los cambios de las condiciones ambientales o del cultivo, necesitando reajustes de forma permanente para alcanzar altos niveles de eficiencia. B) Sistemas de control en bucle cerrado En este caso el usuario define una estrategia general de control para que, basándose en ella, el sistema elabore y ejecute las decisiones en cuanto al momento adecuado para el riego y la cantidad de agua a aportar. Este tipo de sistemas requieren la comunicación Figura 6. Programador de riego en parcela permanente de los sensores con el controlador (Fig. 7) (lo que permite conocer cómo se desarrolla el proceso) y del controlador con los actuadores (lo que permite tomar la decisión de riego y ejecutarla en caso necesario). El controlador del sistema suele ser un ordenador con los programas (algoritmos) empleados para la elaboración de decisiones. Los sistemas de control en bucle cerrado requieren la adquisición de datos y de parámetros ambientales tales como, temperatura del cultivo, humedad del suelo, temperatura del aire, radiación, velocidad del viento, humedad relativa, etc. (Fig. 7). El estado del sistema (por ejemplo la medida del estado hídrico del suelo o de la planta) es comparado con un estado de referencia y se elabora una decisión y, en su caso, una actuación sobre la base de esa comparación.

a)

c)

b)

Figura 7: a) Dendómetro, medidor indirecto del estado hídrico en la planta, b) Watermark, medidor indirecto de la humedad en el suelo; c) Estación agro meteorológica

La principal limitación de estos sistemas de control es que hay que encontrar la mejor localización de los sensores de suelo, de planta, o de la estación climática para que sea representativo del sistema a partir del cual realizar su control. 4. Disposiciones de los sistemas de control en el riego Dependiendo de la extensión y características de la instalación se necesita la disposición de una o más unidades de control. Las principales disposiciones de los sistemas de control en el riego son: a) Los centralizados. Disponen de una sola unidad central (UC) de control a donde llegan las señales de los sensores y desde donde se envían señales hacia los actuadores. Es el caso típico de un programador que controla el riego y la fertirrigación de una finca.

de

UNIDAD DE CONTROL SECUNDARIA

UNIDAD DE CONTROL SECUNDARIA

UNIDAD DE CONTROL SECUNDARIA

UNIDAD DE CONTROL PRINCIPAL

b) Con unidades secundarias. El control se distribuye por zonas o áreas. Cada unidad secundaria (US) controla varias unidades de campo (Uc) (normalmente hidrantes). A su vez todas las unidades secundarias se conectan con la unidad central (UC). La principal ventaja de este sistema es que la Figura 8. Esquema de disposición en anillo automatización se puede acometer en etapas, estableciendo unidades de control secundario por zonas, y una vez automatizadas todas, realizar el control centralizado. Sería el caso de una gran finca o zona regable de riegos colectivos con comunicación por radio entre las unidades secundarias y la unidad central. UNIDAD DE CONTROL SECUNDARIA

UNIDAD DE CONTROL SECUNDARIA


c) En red o anillo. El sistema es semejante al anterior pero las conexiones entre US son ahora en anillo (quedando todas interconectadas entre sí) (Fig 8). Ello permite que en la práctica cualquiera de las unidades de control actúe como unidad principal del sistema, lo que posibilita al operador poder realizar acciones de carácter general o local desde cualquiera de los citados puntos. Es el caso típico de las redes colectivas de riego que utilizan el sistema de comunicación por cable. En las disposiciones en red o anillo todos los mensajes son recibidos por todas las unidades de control, pero sólo una de ellas reconocerá la dirección como propia y, una vez comprobado que el mensaje es correcto, ejecutará la instrucción ordenada, y enviará una respuesta con el resultado de ejecutar la instrucción recibida. Si una llamada no tiene respuesta, o esta es errónea, se genera una señal de alarma después de varios intentos. 5. Sistemas de comunicación La comunicación entre las unidades de control y las de campo puede realizarse mediante: -

Líneas físicas de comunicación en serie o paralelo. En este caso se tiende simultáneamente el cable de comunicación y de alimentación eléctrica, a no ser que se utilicen paneles solares o grupos no autónomos (baterías, etc.) para la alimentación.

-

Línea telefónica, usando comunicaciones en serie.

-

Radio enlace (Fig. 9).

Centro de control Estación remota de telecontrol

Tu rb in a

Co nt ad or so G rd El en ec er e tr P al re ov sió álv n ul aG en er al Se n

Usuario

1 na Zo n a 2 Zo n a 3 Zo n a 4 Zo

C In ont di ad El vi or ec du e I n t ro al s d i vá es vi lv du u al las es

Hi dr au lic

a

Figura 9 Ejemplo de automatización vía radio

La elección del sistema de comunicación puede estar condicionada por factores económicos, orográficos o estructurales. Así por ejemplo, cuando el tendido puede realizarse junto con otras obras de infraestructura, puede resultar interesante el uso de las líneas físicas. Cuando la unidad de control tenga que conectarse a varios periféricos dispersos podría resultar más económico el enlace por radio, con un alcance de hasta unos 20 km, o una combinación de enlace radio y líneas físicas. La utilización de la radio puede implicar un incremento considerable del consumo eléctrico por terminal remoto. 6. Características a exigir a un sistema de telecontrol. Para su correcto funcionamiento es preciso que cumpla los siguientes requisitos: •

Robustez de los elementos que se van a instalar ya que el medio donde van a trabajar es hostil para los elementos que lo componen (cambios de temperatura, de humedad, polvo, tormentas, etc.)


Seguridad de los elementos de comunicación y procesos de funcionamiento del sistema.

Antivandalísmo, protegiendo convenientemente u ocultando los equipos.

Sistema de alimentación autónoma, bien a través del cable o con pilas, baterías, placas solares, etc.

Mantenimiento sencillo y económico, que pueda ser realizado a un primer nivel por los responsables de la supervisión, manejo y conservación de las instalaciones de riego, con la previa formación y capacitación de ese personal.

Fácil de adaptar a posibles modificaciones o ampliaciones.

Uso de estándares comerciales, facilitando la sustitución, por averías o por fin de su vida útil, de elementos `por otros iguales o de otras marcas existentes en el mercado, impidiendo la dependencia absoluta de un único fabricante, aspecto este a tener muy en cuenta también en el sofware (programas de gestión del sistema).

7. Control electrónico de bombas. La utilización de convertidores electrónicos para el accionamiento de bombas, tanto en el arranque (arrancadores electrónicos) como en la parada y en la regulación de su velocidad de giro (variadores), es cada vez mas generalizada en los nuevos regadíos, sobre todo en redes colectivas de riego a la demanda (Fig. 10).

a)

b)

BOMBA 1

BOMBA 2

BOMBA 3

Sensor de Presión y/o caudal

VARIADOR DE VELOCIDAD

ARRANCADOR ELECTRONICO

ARRANCADOR ELECTRONICO

c)

UNIDAD DE CONTROL

Figura 10 a) Variador de velocidad; b) Estación de bombeo; y c) Esquema de funcionamiento de una estación de bombeo

La regulación de un sistema de bombeo se realiza normalmente midiendo la presión de salida, el caudal o ambos a la vez (Fig. 11), debiendo elegir uno u otro tipo en función de las necesidades, y buscando siempre garantizar el suministro de presión y caudal necesarias en todos los puntos de la instalación. La utilización de grupos de bombas en paralelo (normalmente entre 3 y 10) en las que unas funcionan en régimen nominal (equipadas con arrancador electrónico para un funcionamiento más estable y duradero), y otras a través de grupos de velocidad variable, resultan Figura 11. Caudalímetro de soluciones muy interesantes desde el punto de vista eléctrico e ultrasonido y transductor de presión. hidráulico, con las siguientes ventajas principales: 

Mínimas pérdidas de energía al adaptarse el sistema a la curva de demanda de la red.



Mantenimiento constante del rendimiento de las bombas en valores próximos al óptimo.



Disminución del riesgo de averías al haber varias bombas, normalmente iguales e intercambiables.



Eliminación de sobrepresiones y depresiones en los arranques y paradas de las bombas

Como principal inconveniente estaría su mayor precio inicial, pero se compensa con creces a los pocos años de funcionamiento. Lo importante es que esté bien elegido el tipo de bomba, su número y el número de variadores de velocidad para que la estación de bombeo trabaje realmente con alto rendimiento en las condiciones de demanda de agua durante todo el periodo de


utilización. En el ejemplo de las Figuras 12 y 13 se pone de manifiesto que la estación de bombeo trabaja un gran número de horas con bajo caudal (todos los meses excepto de junio a septiembre), para los que las dos bombas con variador de velocidad y funcionamiento simultáneo funcionan con bajo rendimiento. En estas condiciones pueden plantearse posibles modificaciones para que la regulación del bombeo se adapte mejor a la demanda real, reduciendo los costes de la energía eléctrica. 25

Frecuencia (%)

20 15 10 5 0 10 110 210 310 410 510 610 710 810 910

b)

Q (l/s)

a)

€/kWh

Figura 12. a) Equipo de medida de los parámetro eléctricos de una estación de bombeo (voltaje, consumo, micro cortes, armónicos, etc.); b) Frecuencia de los caudales suministrados por la estación de bombeo a la red de riego a la demanda de Tarazona de la Mancha (Albacete) en la campaña de riego 2004. 0,06 0,058 0,056 0,054 0,052 0,05 0,048 0,046 0,044 0,042 0,04 0

200

400

600

800

1000

Q (l/s)

Figura 13. Relación entre caudal bombeado y el precio medio del kWh (€) en la red de riego a la demanda de Tarazona de la Mancha (Albacete). Se observa un mayor coste a pequeños caudales porque la estación de bombeo trabaja con menor rendimiento a esos caudales

8. Las válvulas hidráulicas y otros elementos de regulación y control En los sistemas de control de riego, uno de los actuadores más importantes son las válvulas hidráulicas (Figs. 4, 14, 15 y 16), especialmente diseñadas para control remoto, aunque también pueden accionarse de forma manual actuando sobre la válvula de tres vías (Fig 15 a). Otros sensores y actuadores que también juegan un papel importante en estos sistemas de a) control del riego son los contadores (Fig. 16, 17 y 18), y en menor medida los reguladores de presión, limitadores de caudal y otros dispositivos especiales (Figs. 4 y 16). Cuando el control remoto de la válvula hidráulica se realiza mediante una orden eléctrica se llama electroválvuala (Fig. 4 y 16). Para ello utiliza un solenoide que, al recibir una corriente eléctrica, b) c) desplaza la aguja interna que controla los distintos circuitos hidráulicos de maniobra de la válvula (Fig. 15 a). Lo normal es que el solenoide Figura 14. a) Válvula de doble funcione a 12 ó 24 V, en corriente continua o alterna, cámara; b) Válvula de contralavado; y consumiendo entre 5 y 15 W. Existen solenoides biestables que c) Válvula de accionamiento rápido solo consumen energía en los cambios de posición, y que son muy importantes en muchos casos, por su bajo consumo. La otra forma de control remoto es mediante una orden hidráulica, a través


de un microtubo que va directamente a la válvula de 3 vías, conectada en su posición “auto”, Fig 15. a) Normalmente es más barato el accionamiento por microtubo que por cable eléctrico, y con menos problemas de funcionamiento y conservación, pero su distancia está limitada a unos 200300 m para accionamiento directo y a cerca de 1 km con ayuda de válvulas de accionamiento rápido (Fig. 14 c) u otros dispositivos similares que se activan con poco volumen de agua transportado por los microtubos. Estas últimas son imprescindibles cuando existen grandes diferencias de cota debido a la topografía irregular, evitando los problemas de la presión estática en los circuitos de maniobra, pudiendo funcionar con distintos tipo de muelles según las necesidades. solenoide

Válvula de 3 vías

b)

a) Figura 15. a) Esquemas de funcionamiento de válvulas hidráulicas: a) válvulas con cierre directo por el diafragma; b) válvulas con cierre por disco sobre un asiento c)

b)

d)

a) Figura 16. Ejemplos de hidrantes con pilotos reductores de presión y limitadores de caudal en redes colectivas de riego a la demanda: a) con válvula volumétrica y b) con contador y válvula separados; c) Piloto regulador de presión; y d) válvula con indicador del grado de apertura.

9. Riego secuencial con válvulas volumétricas. Estas válvulas constan de un contador de agua tipo Woltman (Fig. 17) de eje vertical y una válvula hidráulica integrados en el mismo cuerpo. El caso más sencillo de este tipo de riego es colocar una válvula volumétrica (VV) en cada unidad de riego y accionarlas manualmente o de forma automática (Fig. 16 a). Un mayor nivel de automatización es utilizar el riego secuencial, en donde varias VV están conectadas mediante un microtubo de control, utilizando pilotos de cinco vías. En esta situación se produce el riego en forma escalonada una vez activada la primera válvula y fijados los volúmenes a aplicar en Figura 17. Válvula volumétrica todas ellas. Mientras riega la primera VV, esta envía una señal de presión a través de la válvula de cinco vías, que mantiene cerradas las demás. Cuando finaliza el riego de la primera, se abre automáticamente la segunda, manteniendo las demás cerradas, y así sucesivamente.

10. Automatización integral del sistema de riego Abarcar desde:

 La programación del riego (indicando la dosis y el momento de aplicación) utilizando distintos tipos de sensores:

Figura 18. Contador Woltman


   

• De seguimiento de la humedad del suelo (tensiómetros, Watermark (Fig. 7 b), etc.) • De medida del nivel de estrés en un cultivo (temperatura, flujo de sabia, (Fig. 7 a) etc.) • Estimando las necesidades del cultivo (evapotranspiración) en base a parámetros climáticos (fig. 7 c) y del cultivo La programación y aplicación de la fertirrigación (Fig. 19) (imprescindible en riego por goteo), utilizando sondas de conductividad, de medida del pH, etc. La ayuda al manejo del riego (parando el riego ante condiciones adversas, en caso de vientos fuertes, por ejemplo) La seguridad de las instalaciones: alarmas y protecciones Otros usos: Sistemas de protección antihelada, con sensores de temperatura que controlan la puesta en marcha y la parada del sistema de riego antihelada (Fig. 20).

Figura 19 a) Ejemplo de instalación automatizada para control de solución nutritiva y b) Esquema de los elementos de inyección de fertilizantes

Figura 20 Ejemplo de instalación de riego antihelada

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