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Caso de éxito · FACE-IT · Ny-Ålesund, Svalbard

12 tanques árticos, cuatro escenarios. Los regulan PLC M-Duino 42+.

En Ny-Ålesund, en el archipiélago de Svalbard (Noruega), FACE-IT estudia un agua ártica más cálida, dulce y turbia.

12mesocosmos en la costa de Ny-Ålesund, Svalbard
3 + 9mesocosmos de control y mesocosmos experimentales
3mesocosmos regulados por cada PLC
2válvulas de regulación por mesocosmos: temperatura y agua dulce

El agua del Ártico se vuelve más cálida, más dulce y más turbia.

FACE-IT lo reproduce en nueve de doce tanques.

FACE-IT estudia los efectos del calentamiento global en los fiordos del Ártico. En Ny-Ålesund, en el archipiélago de Svalbard (Noruega), instaló 12 mesocosmos: tanques al aire libre en condiciones controladas. Tres son mesocosmos de control. El experimento se aplica en los otros nueve. Industrial Shields propuso varios PLC M-Duino 42+. Cada PLC regula tres mesocosmos con dos válvulas por tanque y lee sensores en un bus RS-485. El PLC maestro registra los datos y se comunica con un ordenador de control por WebSocket.

En campo

Los tanques, las válvulas y el armario.

Fotos reales del caso original, con los créditos publicados con él.

Doce tanques de mesocosmos tapados en la costa de un fiordo en Ny-Ålesund, Svalbard, con montañas nevadas al fondo
Los mesocosmos en la costa de Ny-Ålesund, en el archipiélago de Svalbard (Noruega), con las tapas puestas. © Cale Miller
Un tanque de mesocosmos abierto, lleno de agua de mar, en la costa de Svalbard, con el fiordo y las montañas detrás
Un mesocosmos abierto, con el fiordo detrás. © Anaïs Lebrun
Tanques blancos de mesocosmos junto a un banco de nieve en Ny-Ålesund, con un palé de válvulas y mangueras delante
Los mesocosmos junto a la nieve, con el colector de válvulas delante. © Frédéric Gazeau
Colector de válvulas con actuadores naranjas, válvulas manuales rojas y mangueras negras sobre un palé de madera
El colector de válvulas antes de la instalación. Cada mesocosmos tiene una válvula de temperatura de 3 vías y una válvula de agua dulce de 2 vías. © Frédéric Gazeau
Armario de control con PLC de Industrial Shields en carril DIN, cables de red y bornas
El armario de control con los PLC de Industrial Shields y las bornas de campo. © Frédéric Gazeau
Esquema del experimento con mesocosmos: condiciones de control, RCP 4.5 2100, RCP 8.5 2100 solo calentamiento y RCP 8.5 2100 fiordo
El diseño del experimento: condiciones de control y tres escenarios para el año 2100, con tres mesocosmos cada uno. © Steeve Comeau

El reto

Cuatro condiciones del agua. Tres tanques cada una.

FACE-IT quiere estudiar los efectos del calentamiento global: más temperatura del agua, menos salinidad y turbidez. El diseño del experimento tiene cuatro grupos de tres mesocosmos. RCP 4.5 y RCP 8.5 son escenarios de gases de efecto invernadero del IPCC, aquí para el año 2100. Cada tanque debe mantenerse en las condiciones de su grupo.

01

Condiciones de control

Tres mesocosmos funcionan en condiciones de control. Son la referencia de los otros nueve.

02

RCP 4.5, 2100

Agua más cálida (+2 °C), turbia y más dulce.

03

RCP 8.5, 2100, solo calentamiento

Agua más cálida (+4 °C). Solo cambia la temperatura.

04

RCP 8.5, 2100, fiordo

Agua más cálida (+4 °C), muy turbia y más dulce.

El cliente: FACE-IT

La rápida desaparición del hielo marino es un claro indicador de la crisis climática mundial. Los frentes glaciares y el hielo marino son focos de biodiversidad. Trabaja con mesocosmos en Ny-Ålesund, en el archipiélago de Svalbard (Noruega). El objetivo general de FACE-IT es permitir la cogestión adaptativa de los sistemas socioecológicos de los fiordos del Ártico frente a los rápidos cambios de la criosfera y la biodiversidad. Buscaba un PLC fácil de programar y de integrar con sensores.

Cómo funciona

Tres bucles: regular, medir, supervisar.

Los PLC hacen tres trabajos: mantener cada tanque en su escenario, leer los sensores del agua de tres tanques y enviar los datos al ordenador de control. Los datos vienen del caso. El comportamiento de los paneles es una simulación ilustrativa.

Bucle 1 · Temperatura y agua dulce

Dos válvulas mantienen cada tanque en su escenario.

Cada mesocosmos tiene su propia válvula de regulación de temperatura de 3 vías y su propia válvula de regulación de agua dulce de 2 vías. Las dos reciben una señal analógica del PLC. Más agua dulce significa menos salinidad. Los sensores dan al PLC los valores reales del agua para compararlos con el objetivo. El caso no publica las consignas ni el algoritmo de control. Una forma habitual de hacerlo: un lazo PI por válvula.

  • Válvula de 3 vías: temperatura del agua
  • Válvula de 2 vías: agua dulce, es decir, salinidad
  • Señal analógica del PLC a cada válvula
  • Consignas y algoritmo: no publicados
M-Duino 42+Válvula 3 vías0 %Válvula 2 vías0 %+0,0°CRS-485
+0,0 °CTemperatura frente al control
menorSalinidad frente al control
turbiaTurbidez en el diseño
Válvula de temperatura de 3 vías · señal analógica
Válvula de agua dulce de 2 vías · señal analógica

Simulación ilustrativa. Consignas de ejemplo, tiempos a escala, sin el programa de la instalación. El caso no dice cómo se produce la turbidez. Se mide en el bus RS-485.

Relacionado: control de clima por zonas en el simulador de invernadero

Bucle 2 · Un PLC, tres tanques

Cada PLC regula tres mesocosmos.

El trabajo está repartido: cada PLC regula tres mesocosmos. Con dos válvulas por tanque, son seis señales analógicas de válvula por PLC. Varios sensores en un bus RS-485 miden la temperatura, la salinidad y la turbidez. El caso no publica el protocolo del bus, los modelos de sensor ni el cableado. El panel consulta el bus con tramas de ejemplo.

  • 3 mesocosmos por PLC
  • 6 señales analógicas de válvula por PLC, 2 por tanque
  • Bus RS-485: temperatura, salinidad, turbidez
  • Protocolo y direcciones: no publicados
M-Duino 42+Tanque 1Tanque 2Tanque 3
A0.5
A0.6
A0.7
A1.5
A1.6
A1.7

Bus RS-485 (tramas de ejemplo)

    Tramas de ejemplo. A0.5 a A1.7 son las salidas analógicas del M-Duino 42+; el pin de cada válvula es un ejemplo. El caso no publica el protocolo del bus ni las direcciones de los sensores.

    RS-485 con PLCs basados en Arduino y ESP32

    Pack de proyecto: enfriadores de laboratorio en un bus RS-485, con código

    Bucle 3 · Registrar y supervisar

    El PLC maestro registra. El ordenador supervisa.

    El PLC maestro registra los datos en una tarjeta µSD y se comunica con un ordenador de control. Los PLC se conectan al ordenador por sus puertos RJ45, con el protocolo WebSocket. En el ordenador, una aplicación escrita en C# monitoriza y controla el experimento.

    • PLC maestro: registro de datos en una tarjeta µSD
    • PLC al ordenador: RJ45 (Ethernet), WebSocket
    • Aplicación en C#: monitorizar y controlar
    • Formato e intervalo de los mensajes: no publicados
    PLC maestroM-Duino 42+WebSocketOrdenadorapp en C#Tarjeta µSD0

    WebSocket (mensajes de ejemplo)

      Mensajes de ejemplo. El caso no publica el formato de los mensajes ni el intervalo de registro.

      Arquitectura del sistema

      Con tres mesocosmos por PLC, los doce tanques usan cuatro PLC.

      Cada PLC mueve dos válvulas por tanque con señales analógicas y lee los sensores del agua en un bus RS-485. Doce mesocosmos a tres por PLC son cuatro PLC. El PLC maestro registra en una tarjeta µSD. Todos los PLC llegan al ordenador de control por sus puertos RJ45 con WebSocket, y una aplicación en C# monitoriza y controla el experimento.

      Arctic mesocosms in Ny-Ålesund, Svalbard, regulated by M-Duino 42+ PLCs for the FACE-IT projectOrdenador de controlaplicación en C#WebSocketRJ45PLC maestroM-Duino 42+ · 3 mesocosmos123PLC 2M-Duino 42+ · 3 mesocosmos456PLC 3M-Duino 42+ · 3 mesocosmos789PLC 4M-Duino 42+ · 3 mesocosmos101112Tarjeta µSDBus RS-485: temperatura · salinidad · turbidezAnalógica: 2 válvulas por tanque12 mesocosmos: 3 de control + 9 de experimentoSegún la descripción del caso. Los cuatro PLC salen de 12 mesocosmos a 3 por PLC. Los rangos de señal y el protocolo del bus no se publican.Ordenador de controlaplicación en C#WebSocketRJ45PLC maestro3 mesocosmosPLC 23 mesocosmosPLC 33 mesocosmosPLC 43 mesocosmosTarjeta µSD · PLC maestroVálvulasRS-485Analógica: 2 válvulas por tanque12345678910111212 mesocosmos: 3 de control + 9 de experimentoSegún la descripción del caso. Los cuatro PLCsalen de 12 mesocosmos a 3 por PLC. Losrangos de señal y el protocolo no se publican.
      Medidas y datosSeñales de válvula y órdenesDetalle que el caso no publica
      Señales y datos
      FlujoEntreTipoFunción
      Temperatura, salinidad y turbidez del aguaEntreSensores → PLCTipoBus RS-485FunciónMiden el agua de cada mesocosmos
      Válvula de temperaturaEntrePLC → válvula de 3 víasTipoSeñal analógicaFunciónFija la temperatura del agua de cada mesocosmos
      Válvula de agua dulceEntrePLC → válvula de 2 víasTipoSeñal analógicaFunciónFija el agua dulce que entra en cada mesocosmos
      Registro de datosEntrePLC maestro → tarjeta µSDTipoAlmacenamiento localFunciónGuarda los datos del experimento en el armario
      SupervisiónEntrePLC ↔ ordenador de controlTipoWebSocket, RJ45FunciónDatos al ordenador, órdenes a los PLC
      InterfazEntreOrdenador de controlTipoAplicación en C#FunciónMonitorizar y controlar el experimento

      Por qué funciona

      Por qué Industrial Shields ganó el proyecto.

      Programación con el Arduino IDE

      El caso da dos factores para la elección. El primero es la plataforma de programación: los PLC M-Duino se programan con el Arduino IDE y el paquete de placas de Industrial Shields.

      Programación flexible

      El segundo factor del caso es la flexibilidad de programación. Aquí un mismo modelo de PLC lee los sensores RS-485, mueve las señales analógicas de las válvulas y se comunica por WebSocket con el ordenador.

      Margen para crecer

      Los PLC son modulares. La página original del caso indica que las especificaciones se pueden ampliar más adelante.

      Hardware utilizado

      Los PLC M-Duino 42+ regulan los mesocosmos.

      M-Duino Ethernet PLC Arduino 42, PLC industrial basado en Arduino Mega con 42 E/S

      M-Duino Ethernet PLC Arduino 42

      Un PLC industrial con un Arduino Mega 2560 original, 26 entradas y 16 salidas, Ethernet, RS-485 y RS-232, para carril DIN. En este experimento cada unidad regula tres mesocosmos: mueve dos señales analógicas de válvula por tanque y lee los sensores del bus RS-485.

      Entradas
      26: 12 analógicas/digitales (0-10 V, 10 bits), 14 digitales optoaisladas, 4 con interrupción
      Salidas
      16: 6 analógicas/digitales/PWM (0-10 V, 8 bits), 10 digitales optoaisladas
      Ethernet
      W5500, 10/100 Mbit, RJ45
      Serie y buses
      RS-485, RS-232, TTL, I2C, SPI
      Integrado
      Reloj de tiempo real, ranura microSD
      Alimentación
      De 12 a 24 Vdc
      Montaje
      Carril DIN TS35, IP20

      El PDF del caso cita el M-Duino 42+. La página del caso de 2021 dice M-Duino 42. Esta ficha de producto vende la versión actual, el M-Duino 42+. El caso no publica módulos adicionales.

      Preguntas sobre este caso

      ¿Qué es un mesocosmos?

      Un mesocosmos es un montaje experimental al aire libre y en condiciones controladas que investiga el entorno natural. Contiene partes clave de un ecosistema y muestra los procesos básicos que tienen lugar en él. En este caso, FACE-IT instaló 12 mesocosmos en la costa de Ny-Ålesund, en el archipiélago de Svalbard (Noruega).

      ¿Quién hace este experimento y qué estudia?

      FACE-IT. Su objetivo general es permitir la cogestión adaptativa de los sistemas socioecológicos de los fiordos del Ártico frente a los rápidos cambios de la criosfera y la biodiversidad. El experimento estudia los efectos del calentamiento global en el agua: más temperatura, menos salinidad y turbidez.

      ¿Qué significan RCP 4.5 y RCP 8.5 aquí?

      RCP significa Representative Concentration Pathway (trayectoria de concentración representativa), un escenario de gases de efecto invernadero que usa el IPCC. RCP 8.5 es la trayectoria de más emisiones. El diseño del caso tiene tres grupos para el año 2100: RCP 4.5 (2 °C más cálida, turbia, más dulce), RCP 8.5 solo calentamiento (4 °C más cálida) y RCP 8.5 fiordo (4 °C más cálida, muy turbia, más dulce). Otros tres mesocosmos funcionan en condiciones de control.

      ¿Cómo controla el PLC la temperatura y la salinidad de cada tanque?

      Cada mesocosmos tiene una válvula de regulación de temperatura de 3 vías y una válvula de regulación de agua dulce de 2 vías, las dos con una señal analógica del PLC. Más agua dulce significa menos salinidad. Unos sensores en un bus RS-485 miden la temperatura, la salinidad y la turbidez. Las consignas y el algoritmo de control no se publican. Más información: Funciones básicas de las salidas analógicas de un PLC industrial.

      ¿Cómo se comunican los PLC con el ordenador de control?

      Por sus puertos Ethernet RJ45, con el protocolo WebSocket. Un WebSocket mantiene abierta una conexión TCP en los dos sentidos, así que el ordenador recibe datos y envía órdenes por el mismo enlace. El PLC maestro también registra los datos en una tarjeta µSD (ver Conceptos básicos: tarjeta SD en un PLC industrial). En el ordenador, una aplicación en C# monitoriza y controla el experimento.

      ¿Puede un M-Duino 42+ mover las válvulas de tres tanques?

      En este caso cada PLC regula tres mesocosmos. Con dos válvulas por tanque, son seis señales analógicas. El M-Duino 42+ tiene seis salidas analógicas (0-10 V) y RS-485 para el bus de sensores. El caso no publica el rango de señal de las válvulas, así que comprueba que tus actuadores aceptan 0-10 V, o añade un convertidor de señal. Más información: RS-485 con PLCs basados en Arduino y ESP32.

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