Introducción

El clima y el tiempo atmosférico afectan en forma directa el entorno del ser humano, ya que intervienen en diversos aspectos tales como biológicos, sociales y económicos. Por un lado el clima permite conocer el promedio a largo plazo de los elementos del tiempo atmosférico, y este último por su parte, permite conocer el comportamiento atmosférico a corto plazo (uno o varios días). De ahí la importancia de su estudio para contar con información representativa que pueda ayudar en el desarrollo de diversas actividades tales como: desarrollo urbano, agricultura, ganadería, transporte, salud, esparcimiento, prevención de desastres, pronóstico del tiempo, calentamiento global y cambio climático, entre otros.

A continuación se definen algunos conceptos básicos, por ejemplo según ^{Ahrens et al. (2012)} la meteorología (del griego meteoros "alto en el cielo" y logos tratado) es la ciencia interdisciplinaria que estudia el estado del tiempo, el medio atmosférico, los fenómenos allí producidos y las leyes que lo rigen, y la cual hace uso la estación meteorológica como instrumento de medición de los elementos meteorológicos. La Organización Meteorológica Mundial (OMM) define al elemento meteorológico como una variable atmosférica o fenómeno que caracteriza el estado del tiempo en un lugar específico y en un tiempo dado (temperatura del aire, presión, viento, humedad, tormentas, nieblas, ciclones o anticiclones, etc.). La temperatura se define como una magnitud física que caracteriza el movimiento medio de las moléculas en un cuerpo (WMO, 1992).

La humedad relativa como "la razón expresada en porcentaje, entre la presión de vapor observada y la tensión del vapor saturante a la misma temperatura y presión" (^{WMO, 1998}). La precipitación como el producto líquido o sólido de la condensación del vapor de agua que cae de las nubes o el aire y se deposita en suelo, incluye nieve, escarcha, precipitación de la neblina y el rocío (^{WMO, 2008}).

La radiación solar es la energía en forma de ondas electromagnéticas proveniente del sol y que recibe la tierra. La presión atmosférica es la fuerza que se ejerce por unidad de superficie como resultado del peso de la atmósfera por encima del punto de medición (^{WMO, 2008}). ^{Mozarrela (1972)} define el viento como una cantidad vectorial tridimensional con pequeñas fluctuaciones aleatorias en espacio y tiempo superpuesto a un flujo organizado a mayor escala, y por otro lado ^{Günter (2002)} lo define como "la compensación de las diferencias de presión atmosférica entre dos puntos".

En México, se depende principalmente de estaciones meteorológicas de manufacturación extranjera, por lo que resulta necesario el desarrollar sistemas competitivos aprovechando nuevas tecnologías y así contar con la capacidad de desarrollo e implementación a nuevos requerimientos, siendo el PLC una de esas alternativas tecnológicas y que se implementó en el presente trabajo.

Respecto a las funciones con que debe contar una estación meteorológica deben tener 1) sensores meteorológicos que proporcionen una señal electrónica; 2) electrónica para convertir la señal del sensor a un valor digital; 3) medios de almacenamiento para respaldo en sitio; y 4) hardware de telecomunicaciones para transmisión de la información, de manera preferente (^{Tanner, 1990}).

El controlador lógico programable (PLC) se define como un sistema electrónico operado digitalmente, diseñado para uso en un entorno industrial, el cual usa una memoria programable para el almacenamiento de instrucciones para implementar funciones específicas tales como lógicas, secuenciales, temporización, conteo y aritméticas, para controlar a través de entradas y salidas, digitales o analógicas, varios tipos de máquinas o procesos (^{NEMA, 2005}). Los componentes típicos en un sistema PLC son: procesador, memoria, fuente de alimentación, sección de interfaz de entrada/salida, interfaz de comunicación, y el dispositivo de programación (^{Boltón, 2009}). La Figura 1 muestra el arreglo básico.

Figura 1 Estructura básica de controlador lógico programable (PLC). 

El PLC es capaz de trabajar tanto con señales digitales como analógicas, siendo las primeras variables con dos niveles bien diferenciados que representan los estados lógicos "falso" y "verdadero" y que solo los PLC's trabajan con 0 V cd y 24 V cd respectivamente. Por otro lado las señales analógicas son variables que varían en el tiempo en forma análoga a alguna variable física, que transportan información e incluyen cantidades físicas tales como voltaje, corriente e intensidad (^{Ambardar, 2002}).

En cuanto a la clasificación de los PLC's sobresalen principalmente dos criterios, el primer criterio es de acuerdo a su estructura, se dividen en compacto y modular, donde el compacto posee todos sus elementos integrados en un módulo principal, mientras que el modular contiene a sus elementos de forma individual y que unidos conforman el controlador. El segundo criterio de clasificación es de acuerdo a su capacidad de procesamiento. Se clasifican en gama baja, media y alta, en donde la gama baja comprende un máximo de 128 entradas/salidas y hasta 4K de instrucciones; la gama media comprende un máximo de 512 entradas/salidas y hasta 16 K de instrucciones; y por último la gama alta que soporta más de 512 entradas/salidas y más de 16K instrucciones (^{Peña, 2003}). Según estos criterios el PLC CX1020 que se utilizó en el presente proyecto es del tipo modular y de gama alta de acuerdo a sus características (^{Beckhoff, 2013}).

Materiales y métodos

Para el diseño y construcción del sistema de adquisición se utilizó un controlador lógico programable (PLC -Programmer Logic Controller) CX1020y módulos de entrada digital y analógica marca Beckhoff; fuente de alimentación de 24 Vcd marca Weidmüller; sensor de radiación solar modelo LI-200 marca LICOR; sensor de temperatura del aire y humedad relativa modelo HO2NVSTA1 marca Veris; pluviómetro TE525 marca Campbell Scientific; sensor de velocidad del viento modelo 03101y sensor de dirección del viento modelo 03301, ambos marca Campbell Scientific.

Se construyó una estructura de aluminio ranurado, sobre el que se montaron los sensores meteorológicos y el gabinete de control con protección contra agua IP65 (de acuerdo a ^{IEC 60529, 2001-2002}). Dentro del gabinete se instalaron los componentes como: PLC, fuente de alimentación, tarjetas de entradas digitales y analógicas, interruptor termo-magnético y algunos otros componentes complementarios como clemas (bornes de conexión), riel din para montaje de elementos, canaleta para canalización de cableado y conectores glándula para canalización a exterior (Figura 2 y ³).

Figura 2 Componentes en gabinete de control (vista interna). 

Figura 3 Estación meteorológica automática con base en PLC (vista externa). 

Para la comunicación entre el PLC y los módulos de entrada se utilizó el EtherCAT, el cual es un protocolo que utiliza un "EtherType" oficialmente asignado dentro de la trama de Ethernet (^{Ethercat, 2013}), que trabaja sobre redes Ethernet y donde el EtherType es un campo de dos octetos dentro de la trama Ethernet que se utiliza para indicar la naturaleza del protocolo cliente (IEE 802.3, 2005). Se contó también con un punto de acceso inalámbrico marca TP-Link para realizar una conexión a distancia desde una computadora central, donde se ejecutó una aplicación de monitoreo en tiempo real de los valores leidos y que cuenta con una base de datos MySQL para su almacenamiento y posterior consulta (Figura 4).

Figura 4 Cuadro de dialógo de la aplicación de monitoreo en tiempo real. 

Se utilizó el Software "TwinCAT System Manager" para configurar los módulos de entrada digital y analógica, así como establecer el protocolo de comunicación Ethercat entre el PLC CX1020 y los módulos mencionados, así mismo para configurar el enlace entre el hardware y el programa de usuario. También se utilizó el software "TwinCAT PLC Control" para la realización del código de programa, el cual se editó con el lenguaje de programación "texto estructurado" (ST-Structure Text) que funciona bajo la norma IEC 61131-3 (^{John, 2010}; ^{IEC, 2013}). La aplicación de monitoreo en tiempo real se realizó con el software Visual Basic Express 2010 y la comunicación entre el programa de PLC y esta aplicación se realizó por medio de la especificación ADS de Beckhoff, por medio de un componente que se instaló en Visual Basic Express 2010. La Figura 5 muestra un esquema general del flujo de información.

Figura 5 Diagrama del flujo de información. 

Resultados y discusión

El desarrollo del sistema de adquisición de datos meteorológicas una vez que se concluyó, se probó al sensar diferentes variables atmosféricas con los sensores correspondientes. Se registraron los datos de 2013 en la base de datos MySQL; asimismo, se registraron las lecturas de los instrumentos de referencia, y posteriormente se realizó la comparativa. Es necesario, indicar que dicha comparativa sólo indica que tan similares o diferentes son los sensores que se comparan, dado que el sistema de adquisición de datos funcionó al sensar y enviar los datos.

Temperatura: este caso se compararon las lecturas del sensor HO2NVSTA1 contra la temperatura del psicrómetro ventilado tipo Assman. Se tomaron lecturas durante cuatro días, a cada hora, entre las horas comprendidas de 9:00 am a 3:00 pm y la información obtenida se ajustó a una regresión lineal, donde se obtuvo el modelo mostrado en la Figura 6. Se obtuvo un coeficiente de determinación R²= 0.9583 que indica que existe una buena relación entre las mediciones de los sensores.

Figura 6 Relación entre en la temperatura de sensor (H02NVST1) y el termómetro seco del psicrómetro. 

Se planteó la prueba de hipótesis H₀: b₁=0 y H_a: b₁≠0 (donde b1 es la pendiente según modelo y= b₀+b₁x). H₀ supone que la pendiente de la recta de la regresión lineal es igual a cero, o lo que es lo mismo, que las dos variables están incorrelacionadas. Se obtuvo (Cuadro 1) que el valor- p= 1.81E-19 < nivel de significación (0.05) por lo tanto se rechazó la hipótesis nula y se acepta la hipótesis alternativa que establece que la pendiente b₁≠0 y por ende existe correlación.

Cuadro 1 Regresión lineal de medición de temperatura. 

Así también se realizó una prueba t (Cuadro 2) y se planteó la prueba de hipótesis H₀: μ₁= μ₂ y H_a: μ₁≠ μ₂ (donde μ₁ y μ₂ son las medias de las muestras). H₀ supone que no hay diferencia estadísticamente significativa entre las medias de las muestras de temperatura. Se obtuvo que |t_calculada|= 0.9138 < t_tablas= 2.0048 y que el valor-p= 0.3648 > 0.05, por lo tanto se acepta la hipótesis nula y se afirma que no hay diferencia estadísticamente significativa entre las medias de las muestras para un nivel de significancia α= 0.05.

Cuadro 2 Prueba t para medición de temperatura. 

Humedad relativa: se compararon las lecturas del sensor HO2NVSTA1 contra la humedad que se calculó a partir de la temperatura de los termómetros del bulbo seco y húmedo del psicrómetro ventilado tipo Assman, con su corrección de la tensión de vapor de agua por la presión atmosférica (^{Herrera et al., 2012}). El modelo de ajuste se muestra en la Figura 7. Se obtuvo un coeficiente de determinación R²= 0.8352 que indica que existe una relación aceptable entre las dos mediciones.

Figura 7 Relación entre la radiación de sensor (H02NVST1) y el actinógrafo. 

Se planteó la prueba de hipótesis H₀ b₁=0 y H_a: b₁≠0. H supone que las dos variables están incorrelacionadas. Se obtuvo (Cuadro 3) que el valor-p= 1.79E-08 < nivel de significación (0.05), por lo tanto se rechazó la hipótesis nula y se acepta la hipótesis alternativa que establece que la pendiente b₁≠0 y por consiguiente existe correlación entre las dos muestras.

Cuadro 3 Regresión lineal de medición de humedad relativa. 

Asimismo, se realizó una prueba t (Cuadro 4) y se planteó la prueba de hipótesis H₀: μ₁= μ₂ y H_a: μ₁≠ μ₂. H₀ que supone que no hay diferencia estadísticamente significativa entre las medias de las muestras de humedad relativa. Se obtuvo que |t_calculada|= 1.1797 <t_tablas= 2.0243 y que el valor-p= 0.2454 > 0.05, por lo tanto se acepta la hipótesis nula y se afirma que no existe diferencia estadísticamente significativa entre las medias de las muestras para un nivel de significancia α= 0.05.

Cuadro 4 Prueba t para medición de humedad relativa. 

Radiación: las lecturas del sensor de radiación se comparó contra el actinógrafo bimetálico tipo Robitzsch (Figura 8). A partir de la gráfica del actinógrafo se determinó el área bajo la curva para periodos de una hora por medio de un integrador de área foliar, y posteriormente se realizó conversión a cal/cm² a partir del factor de conversión (1 cm²= 19.22 cal/cm²⁾, para finalmente convertir a W/m² (1 cal/cm²= 41868 W/m²⁾. A pesar que ambos instrumentos trabajan en diferente rango del espectro, el primero dentro de la radiación global y el segundo dentro de la radiación fotosintéticamente activa (PAR), ambas respuestas están relacionadas (coeficiente de determinación R²= 0.9815).

Figura 8 Relación entre humedad relativa y la estimada con el psicrómetro tipo "Asmman". 

Se planteó la prueba de hipótesis H₀: b₁=0 y H_a: b≠0. H₀ que supone que las dos variables no presentan correlación. Se obtuvo (Cuadro 5) que el valor-p= 6.82E-11 < nivel de significación (0.05) por lo tanto se rechazó la hipótesis nula y se acepta la hipótesis alternativa que establece que la pendiente b₁≠0 y por consiguiente existe correlación entre las dos muestras.

Cuadro 5 Regresión lineal de medición de radiación. 

Precipitación: se midió la cantidad de lluvia precipitada en dos días con el sensor TE525 y el que utiliza la estación automática Campbell Scientific, obteniendo los valores similares (con una variación menor de 3%) que se indican en el Cuadro 6.

Cuadro 6 Medición de lámina de precipitación. 

Dirección y velocidad del viento. En este caso no se compararon la magnitud y dirección del viento debido a que los sensores se configuran de manera diferente. Uno se configura para medir direcciones del viento de 0 a 355 grados (modelo 03301, de la estación automática con base en PLC) y el otro de 0 a 360 grados. En términos de velocidad instantánea del viento se obtuvo una variación en promedio de 0.2m/s de velocidad con respecto a la estación de referencia.

Así el desarrollo del sistema de adquisición de datos con base en PLC permite el sensado de las variables meteorológicas citadas además de transmitirlas vía Wi-fi para su almacenamiento u otro uso.

Evaluación económica

Se realizó una comparativa económica entre la estación desarrollada contra una estación comercial Campbell Scientific, tomando sólo en cuenta los componentes para la medición de las mismas variables y monitoreo en tiempo real. El Cuadro 7 muestra el costo de la estación desarrollada con PLC (costo en pesos mexicanos), y el costo equivalente en Campbell Scientific fue de $13 928 dólares americanos. Si se considera un precio del dólar igual a 13 pesos (octubre de 2013), se tiene un costo equivalente de $181 064.00 pesos para la estación Campbell Scientific y de $72 971.40 para la desarrollada con PLC, con lo que se tiene una diferencia de más de $100 000.00 pesos, y con lo cual se concluye que el presente trabajo representa una alternativa económica a las estaciones automáticas comerciales.

Cuadro 7 Precios de componentes de estación desarrollada con PLC. 

Conclusiones

El sistema de adquisición de datos meteorológicos que se desarrolló sensa y registra de manera correcta la lectura de los elementos meteorológicos: temperatura, humedad, radiación, precipitación, velocidad y dirección del viento, por lo que constituye una alternativa a una estación meteorológica. La estructura modular del hardware del sistema ayuda a un fácil reemplazo de componentes en caso de daño; asimismo, la capacidad de procesamiento permite no solo realizar funciones de adquisición, sino que posee la capacidad de realizar otras funciones como control de riego, cálculo de evapotranspiración, etc.