subestaciones electricas , elementos y caracteristicas
Documento sistema de intrusión, detección y extinción de incendio.
1. Escuela Colombiana de Carreras de Industrias JECC-2014-I
SISTEMA ANTI-INTRUSIÓN, DETECCION Y EXTINCIÓN DE
INCENDIO
Daniel F. Ramírez, Edwin G. Novoa y Carlos Forero Baron.
danifernandoramirez@hotmail.com, ew0984@hotmail.com, carlosforero86@gmail.com
Escuela Colombiana de Carreras Industriales
Bogotá, Colombia.
Resumen - En este documento se presenta el funcionamiento y las
características principales de un sistema de detección y extinción
de incendio y un sistema de intrusión, sus diferentes aplicaciones,
funciones, respuestas y estructura simplificada con el objetivo de
comprender los claros beneficios de este sistema en la actualidad y
los adelantos en esta rama de la electrónica, que abarca seguridad,
confort, confiabilidad y comodidad para el usuario.
Índice de términos- Hardware, software, descripción de Hardware,
Agente Limpio, extinción, detección, control de acceso, intrusión,
alarma.
I. INTRODUCCIÓN
El ser humano siempre ha utilizado de su gran capacidad para
crear en pro de su beneficio, comodidad y seguridad aunque a
veces parezca contra producente y los resultados muchas veces
digan lo contrario, pero a pesar de todo es posible ver claramente
como en los últimos 50 años los avances tecnológicos
acrecentados han revolucionado la vida del ser humano,
cambiando trascendentalmente sus costumbres, cultura,
actividades e ideales.
Los sistemas de detección y extinción, la seguridad electrónica
serán criterios fundamentales para el diseño de nuestro prototipo al
igual que la norma NFPA que describe condiciones físicas de
Instalación, cálculos requeridos que validan cada uno de los
sistemas de notificación por área, la presentación en planos del
trazado, distribución y conexión de los dispositivos con sus
respectivas direcciones, las especificaciones de elementos y
equipos con sus cantidades de obra y presupuesto estimado de
suministro e instalación, que a su vez son la base para el desarrollo
del montaje y puesta en marcha.
Es necesario que en nuestro país los colombianos cambien la
perspectiva en cuanto a temas de seguridad y prevención una vez
se reglamente la Ley general de Bomberos, sancionada por el
presidente Juan Manuel Santos el 21 de agosto del año pasado.
Será obligatorio tener un extintor, una escalera y un hacha, además
de zonas de ventilación y pasillos amplios en los inmuebles. A
partir de la fecha de reglamentación de la medida que tendría lugar
a mediados o finales del 2013-, habrá un año, aproximadamente,
para hacer ajustes a las construcciones. Eso incluye a viviendas,
bares, restaurantes, salas de cine, teatros y grandes superficies. En
los edificios de más de cuatro pisos "deberá instalarse una red
hidráulica -tubería que permite montar gabinetes de incendios-,
detectores de humo, amplios pasillos y sistemas de evacuación
lumínicos para demarcar las salidas". Las remodelaciones tendrán
los mismos requerimientos.
Para las casas o los edificios de menos de cuatro pisos (incluye
bares, restaurantes y pequeñas salas de cine) las exigencias
cambian. Así lo explica el capitán Andrés Miranda, coordinador
nacional del Cuerpo de Bomberos: "Deberán instalar un sistema
con detectores de humo, extintores y escalera". Para los nuevos
proyectos urbanísticos, el constructor deberá tener en cuenta que
así como es indispensable diseñar los baños o la zona social, es de
vital importancia instalar una red hidráulica que garantice la
seguridad de los residentes. "Es obligatorio presentar en el diseño
los sistemas de prevención de incendios, que deben, además,
contar con la revisión técnica de los bomberos y con su
aprobación", afirma Rojas.
Para grandes superficies, como centros comerciales, fábricas,
bodegas, teatros o cinemas superiores a 400 metros cuadrados,
"tendrán que diseñar salidas de emergencia, áreas de ventilación
natural o artificial, puertas batientes, sistemas hidráulicos,
detectores de humo, escaleras y extintor", explica capitán Miranda,
quien recalca que los gastos de adecuación correrán por cuenta del
constructor o del propietario.
"Adecuar una bomba, un tanque y un sistema hidráulico podría
costar entre 30 y 100 millones de pesos", explica. Si las
construcciones son patrimonio cultural, tendrán que hacerse
estudios técnicos a la hora de implementar las adecuaciones para
no dañar o deteriorar su arquitectura. Según el congresista Rojas,
"Colombia es el único país que estaba rezagado en una política
pública de prevención frente a los países de América Latina; por
eso, este avance hay que mirarlo no como una imposición
negativa, sino como una noticia muy positiva". Por lo pronto, la
Dirección Nacional de Bomberos está elaborando los planes,
programas y folletos que entregará masivamente con el fin de que
los ciudadanos se vayan educando sobre el tema y poniéndolo en
práctica.
El oficio será acreditado como una profesión la nueva Ley General
de Bomberos ofrecerá más garantías para los integrantes de este
cuerpo de socorro y les dará la oportunidad de convertir su oficio
en una carrera profesional. La norma (Ley 1575 de 2012), que fue
presentada por el Presidente de la República y que tiene como
antecedente una ley promulgada en 1996, establece la creación de
2. Escuela Colombiana de Carreras de Industrias JECC-2014-I
la Dirección Nacional de Bomberos, como Unidad Administrativa
Especial, con autonomía administrativa y adscrita al Ministerio del
Interior. Aníbal Fernández de Soto, viceministro del Interior y
quien preside la junta nacional del Cuerpo de Bomberos, le explicó
a el Periódico “EL TIEMPO: " La actividad que realizan los
bomberos, considerada como una labor de alto riesgo, tendrá
seguridad social y una cobertura de un seguro de vida durante el
tiempo en que ejecuten su labor". A partir de ahora habrá una
escuela nacional de formación y una carrera que los acredite como
profesionales [1].
Como ya es sabido el enfoque y propósito de este documento es
poder presentar de forma clara soluciones alternativas al problema
de la inseguridad y de cómo es posible dar solución a través de
sistemas y mecanismos electrónicos que han sido adoptados como
herramienta clave para generar una sensación de seguridad en el
cliente ó usuario. Para tener ideas y conceptos claros es necesario
dar un vistazo a la norma Nfpa 72 (código nacional de alarmas de
incendio).
1-2 Propósito.
1-2.1* El propósito de este código consiste en definir los medios
para el inicio, transmisión, notificación y anuncio de señales; los
niveles de desempeño; y la confiabilidad de los diversos tipos de
sistemas de alarma de incendio. Este código define las
características asociadas con estos sistemas y también proporciona
la información necesaria para modificar o actualizar un sistema
existente con el fin de que cumpla con los requisitos de una
determinada clasificación. La intención de este código es
establecer los niveles de desempeño requeridos, la extensión de las
redundancias, y la calidad de las instalaciones, pero no así
establecer los medios por los cuales se lograrán estos
requerimientos.
1-2.2 Cualquier referencia o referencia implícita a un tipo
determinado de hardware se incluye con el único Propósito de
brindar claridad y no deberá ser interpretada como su aprobación.
1-2.3 A menos que se especifique lo contrario, no se espera que las
provisiones de este documento se apliquen a instalaciones, equipos
o estructuras existentes o cuya construcción hubiera sido aprobada
antes de la fecha en la cual entró en vigencia este documento,
excepto en aquellos casos en los cuales la Autoridad competente
determine que la situación implica un claro riesgo para la vida
humana o para los bienes.
1-3 Generalidades.
1-3.1 Este código clasifica a los sistemas de alarma de incendio de
la siguiente manera:
(a) Sistemas de alarma de incendio para el hogar;
(b) Sistemas de alarma de incendio de predios
protegidos/instalaciones protegidas;
(c) Sistemas de alarma de incendio de estaciones de
Supervisión:
1. Sistemas de alarma de incendio auxiliares
a. Tipo energía local
b. Tipo teléfono paralelo
c. Tipo en derivación (shunt)
2. Sistemas de alarma de incendio de estaciones de supervisión
remotas
3. Sistemas para estaciones de supervisión en la
Propiedad
4. Sistemas de alarma de incendio de estación Central
5. Sistemas de alarma de incendio municipales.
1-3.2 Los dispositivos o sistemas que tengan materiales o formas
diferentes a los detallados en este código podrán ser examinados y
probados de acuerdo con los objetivos de este código. Serán
aprobados si se determina su equivalencia.
1-3.3 Salvo que se defina de otro modo en el texto, el alcance y el
significado de los términos utilizados en este código son los
mismos que aquellos de la norma NFPA70, Código Eléctrico
Nacional®.
1-4 Definiciones. Para los propósitos de este código, los siguientes
términos se definen de la siguiente manera:
Reconocer (Acknowledge). Confirmar que un mensaje o señal ha
sido recibido, por ejemplo presionando un interruptor o
seleccionando un comando de un programa.
Sistema Multiplex Activo (Active Multiplex System). Sistema
multiplex en el cual se emplean dispositivos de señalización tales
como transponders para transmitir las señales de estado de cada
dispositivo iniciador o circuito de dispositivo iniciador dentro de
un intervalo de tiempo prescrito, de modo que la falta de recepción
de dicha señal pueda ser interpretada como una señal de falla.
Condición Adversa (Adverse Condition). Cualquier condición
producida en un canal de comunicaciones o transmisión que
interfiere con la correcta transmisión y/o interpretación de las
señales de cambio de estado en la estación de supervisión (Ver
también Señal de falla).
Detector de Humo (Smoke Detector). Dispositivo que detecta las
partículas visibles o invisibles generadas durante la combustión
[2].
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II. DESARROLLO DEL PROTOTIPO
El sistema Anti – intrusión, detección y extinción de incendios
representado en el prototipo propuesto consta de 3 zonas de trabajo
(Fig. 1 y Fig. 2), cada zona protegida con un sensor detector de
humo y un aspersor de agua en caso de incendio, un sensor
magnético en las puertas Utilizado en caso de intrusión el cual
activa una alarma.
Fig. 1 Zona de trabajo vista desde arriba
Fig. 2 Zona de trabajo vista desde abajo
Actuadores mecánicos (salidas) : aspersores
Actuadores eléctricos (salidas): motor de las bombas de
agua, alarma de aviso de intrusión.
Sensores (entradas): sensor para detección de humo MQ-3,
sensores Magnéticos o de apertura para las puertas.
A. Etapa de detección
Para la etapa de detección se tienen en cuenta los dispositivos de
notificación aprobados por la norma NFPA, Detector de Humo
(Smoke Detector). Dispositivo que detecta las partículas visibles o
invisibles generadas durante la combustión.
Sensor magnético utilizado en los sistemas de alarmas y control de
acceso en áreas domiciliarias, comerciales, industriales. Este
sensor le permitirá activar el sistema de seguridad. Estos
elementos se colocan en puertas y/o ventanas según la necesidad,
otorgando seguridad al área deseada. [3].
B. Sensor de Humo
El sensor de humo que se utilizo es el MQ-2, este es un sensor de
gas semiconductor que detecta la presencia de gas inflamable y
humo en concentraciones de 300 ppm (partículas por millón) a
10.000 ppm. El sensor de tensión analógica y sencilla interfaz
requiere un solo pin de entrada analógica del microcontrolador. El
MQ-2 detecta la concentración de gases inflamables y humo en el
aire y outputs su lectura como una tensión analógica. La
concentración rango de detección de 300 ppm a 10.000 ppm es
adecuado para la detección de fugas. El sensor puede funcionar a
temperaturas de -10 a 50 ° C y consume menos de 150 mA a 5 V.
Conexión de cinco voltios en cualquiera de las clavijas A o B
provoca que el sensor emita una tensión analógica en las otras
clavijas. En la siguiente imagen se muestran especificaciones de
conexión:
Fig.3 Sensor MQ2
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C. Etapa de extinción
En la extinción se han considerado varios factores y antecedentes
que han marcado la historia de nuestro planeta, para nuestro
prototipo se ha adaptado una bomba de parabrisas de carro con el
fin de generar presión y simular la aspersión del agente limpio o
agua. A continuación una breve explicación que relata la evolución
en los agentes limpios:
Los halones son hidrocarburos halogenados que tienen la
capacidad de extinguir el fuego mediante la captura de los
radicales libres que se generan en la combustión. Hasta que se
determinó que producían daños a la capa de ozono, fueron los
productos extintores más eficaces para combatir el fuego, ya que,
sumado a su alto poder de extinción, fácil proyección y pequeño
volumen de almacenamiento, presentan una toxicidad muy baja,
buena visibilidad y no provocan daños sobre los equipos
electrónicos y eléctricos sobre los cuales se descargan, al no dejar
residuo. Los más utilizados como agentes extintores fueron el
halón 1301 para instalaciones fijas y el halón 1211 para extintores
portátiles, cuya composición se muestra en la tabla 1.
TABLA 1
Halones utilizados como agentes extintores
Denominación Formula Nombre
Halón 1301 BrCF3 Trifluorbromometano
Halón 1211 BrCCIF2 Difluorbromoclorometano
El ozono es un gas natural que cubre la atmósfera de la tierra con
una capa fina. Dicha capa es de gran importancia para la defensa
de la vida ya que actúa como filtro de los rayos solares. A partir de
1984 se detectó, principalmente sobre la Antártida, una importante
reducción de la concentración de ozono y la consecuente pérdida
de espesor de la capa de ozono. Posteriormente se ha observado el
aumento de la magnitud de su destrucción y una situación similar,
aunque menos pronunciada, sobre el Ártico.
Este fenómeno se produce, principalmente, por el efecto
destructivo que tienen los CFC (compuestos
clorofluorocarbonados) y los halones sobre las moléculas de ozono
a nivel estratosférico. Son complejas y múltiples las reacciones
químicas que describen este fenómeno; todas ellas configuran el
llamado "ciclo de destrucción catalítica del ozono". Se sabe que un
punto fundamental está representado por la liberación de átomos
de cloro (CI) o de bromo (Br) de los CFC y de los halones
respectivamente por acción de la radiación ultravioleta.
CF3Br + rad UV →CF3 + Br
Estos átomos de cloro y/o bromo reaccionan repetida y
eficazmente con las moléculas de ozono destruyéndolas.
Br + O3 →BrO + O2
Los átomos de cloro y bromo oxidados se reciclan y vuelven a
reaccionar con ozono.
CIO + BrO →O2 + Br + Cl
Los halones, con una estructura semejante a la de los CFC, pero
que contienen átomos de bromo en vez de cloro, son aún más
dañinos, como se desprende de los valores de potencial de
agotamiento del ozono (ODP): el halón 1211 tiene un ODP de 3 y
el 1301 un ODP de 10, frente a un ODP de 1 de los CFC.
Gases sustitutos de los halones técnicas alternativas
En este campo, de permanente investigación, se persigue el
objetivo de disponer de un conjunto de sustitutos químicos,
mezclas de gases inertes o técnicas alternativas de los halones que
eviten dañar o inutilizar los equipos, tengan iguales propiedades de
extinción y sean inocuos para las personas si se tiene que usar en
áreas ocupadas, pero también que no sean dañinos para el
medioambiente. En la actualidad, y en líneas generales, podemos
agrupar los diferentes sustitutos de los halones en:
-Agentes extintores gaseosos sustitutivos de los halones. También
se denominan agentes limpios porque no dejan rastro después de
utilizarlos y no son conductores de la electricidad. Podemos
distinguir dos clases:
-Los agentes inertes: Suelen ser mezcla de gases constitutivos del
aire tales como nitrógeno, argón y/o dióxido de carbono. Lo que se
pretende conseguir con esta clase de gases, al utilizarlos como
agentes extintores, es disminuir la concentración del oxígeno del
aire del lugar donde se ha producido el fuego a una proporción
inferior al 12%, con objeto de extinguir el mismo por sofocación.
-Los agentes halogenados: Este tipo de gases al entrar en contacto
con el fuego se descomponen en radicales e iones, los cuales
reaccionan con los procedentes del combustible. Esas reacciones
químicas son endotérmicas, de forma que evitan que se produzca
la reacción en cadena. Por consiguiente, extinguen el fuego por
inhibición.
-Técnicas alternativas. Aparte de las alternativas gaseosas para los
halones, nuevos sistemas tales como las tecnologías de
nebulización de agua y aerosoles en polvo se desarrollan como
alternativas de los equipos de lucha contra incendio que contienen
halones.
5. Escuela Colombiana de Carreras de Industrias JECC-2014-I
-Sistemas tradicionales. Antes del advenimiento de los halones y
conjuntamente con su empleo, se utilizaban polvos químicos, CO2,
rociadores (sprinklers) y espumas. Estos productos y sistemas
siguen siendo válidos para la protección contra incendios y en la
actualidad son un adecuado remplazo. Es tarea del experto y en
cada caso particular, encontrar el sistema más adecuado a través
del estudio de los materiales a proteger, el volumen del recinto, la
disponibilidad de lugar de almacenamiento del producto extintor,
las características del edificio, etc.
Para la evaluación de los gases extintores propuestos como
sustitutos de los halones se han desarrollado numerosos programas
en los que se estudia tanto su poder de extinción como su efecto
sobre las personas, las cosas y el medioambiente. La agencia de
estado americana para la protección ambiental (EPA) ha
desarrollado el programa SNAP (Significant New Alternatives
Policy) para evaluar los agentes extintores que los diferentes
productores han propuesto en sustitución de las sustancias
contempladas en el Protocolo de Montreal y establecer cuáles se
pueden considerar aceptables. El programa SNAP se ha
concentrado en los aspectos relativos a la toxicidad, la eficacia
extintora, las propiedades químico-físicas, la vida atmosférica y el
potencial incremento del efecto invernadero. La Norma 2001 de la
NFPA (National Fire Protection Association) trata los agentes
sustitutos para los sistemas de inundación total que son aceptados
según los parámetros utilizados por la EPA. En particular, define
los criterios de proyección, uso y mantenimiento de las
instalaciones que utilizan los nuevos agentes extintores limpios.
Además, a nivel internacional, existe la norma ISO 14520:1998
sobre "Sistemas de extinción de incendios mediante agentes
gaseosos". Consta de 15 partes, cada una de ellas dedicada a las
propiedades físicas y sistemas de diseño de un agente extintor,
excepto la primera que trata los requisitos generales. Los agentes
extintores que contempla son: FC 31, FC-2-1-8, FC-3-1-10, FC-5-
1-14, HCFC mezcla A, HCFC 124, HFC 125, HFC 227ea, HFC
23, HFC 236fa, IG-01, IG-100, IG-55 e IG 541. En España se han
adoptado 8 partes de esta norma en la UNE 23570:2000 [4].
D. Etapa de Potencia
En la etapa de potencia se utilizó una configuración en Emisor
común pues es la manera más sencilla de manejar un elemento
electromecánico pequeño con un circuito digital, es utilizado un
transistor como interruptor. Así el circuito digital solo prende y
apaga el transistor (eso sí se puede) y el transistor es el que prende
y apaga el motor.
Casi todos los dispositivos electromecánicos (aunque sean
pequeños) son muy inductivos. ¿Qué significa eso?: que no
permiten ser apagados de golpe. Es decir, cuando tú desconectas
un motor eléctrico que está funcionando, el motor (debido a que es
un dispositivo inductivo) trata todavía de mantener por una
fracción de segundo la corriente circulando a través de él (es más o
menos como si se resistiera a morir). Y durante este pequeñísimo
tiempo puede generarse una chispa en la parte del circuito que
realizó la desconexión. Esta chispa puede muy fácilmente dañar
circuitos electrónicos.
Según el tamaño del motor y según la corriente que esté utilizando,
esta chispa puede o no ser visible, pero siempre existe a menos que
se coloque en paralelo con el motor un diodo de protección. Este
diodo tiene como finalidad servir de "desahogo" para esta corriente
residual que aparece después de que se apaga el motor. Así que,
muy en resumen, este es el circuito que necesitamos para prender y
apagar un motor eléctrico pequeño de corriente directa desde un
circuito digital[5]:
Fig.4 Circuito Configuración emisor común.
Fig.5.Diseño general etapa de potencia.
Q1
TIP31C
R1
1kΩ
S1
MOTOR
M
D1
1N4002
Q2
TIP31C
R2
1kΩ
S2
MOTOR
M
D2
1N4002
Q3
TIP31C
R3
1kΩ
S3
MOTOR
M
D3
1N4002
Q4
TIP31C
R4
1kΩ
D4
1N4002
FPGA BASYS SIGNAL
FPGA BASYS SIGNAL
FPGA BASYS SIGNAL
FPGA BASYS SIGNAL
VCC 12V
U1
SONALERT
200 Hz
6. Escuela Colombiana de Carreras de Industrias JECC-2014-I
E. Etapa de Control
El control se realizó por medio de la tarjeta FPGA Basys2 este Kit
de Desarrollo es un diseño de circuito y la plataforma de
aplicación que cualquiera puede utilizar para ganar experiencia en
la construcción de circuitos digitales reales. La tarjeta Basys2 está
construida alrededor de una matriz de Xilinx Spartan- 3E
compuertas programable de campo y un controlador USB Atmel
AT90USB2, ofrece hardware completo, listo para su uso adecuado
para la aplicación de los circuitos que van desde dispositivos
lógicos básicos a los controladores complejos. Una gran colección
de dispositivos integrados de E / S y todos los circuitos FPGA de
apoyo requeridos están incluidos, por lo que un sinnúmero de
diseños se pueden crear sin la necesidad de ningún otro
componente.
Cuatro conectores de expansión estándar permiten diseños para
crecer más allá de la tarjeta Basys2 usando paneles, placas de
circuitos diseñados por el usuario, o Pmods (Pmods son módulos
de E / S digitales que ofrecen A / D y D / A, los conductores de
automóviles, entradas de sensor analógico de bajo costo y, y
muchas otras características). Las señales de los conectores de 6
pines están protegidos contra daños por ESD y cortocircuitos,
garantizando una larga vida útil en cualquier entorno. La junta
Basys2 funciona a la perfección con todas las versiones de las
herramientas Xilinx ISE, incluidas el Web Pack libre. Se envía con
un cable USB que suministra alimentación y una interfaz de
programación, por lo que no hay otras fuentes de alimentación o
cables de programación son obligatorios.
Fig.6 Tarjeta Basys2.
Diseño General de la Interfaz Señales de Entrada (sensores)
Sensores magnéticos de apertura:
Se implementó un divisor de voltaje que garantiza 3.3vdc de salida
Fig.7 Diseño sensor magnético de apertura.
Sensores de humo:
Los sensores de humo MQ – 2 montados sobre baquela poseen una
salida digital a 3.3 vcc por lo que no es necesario realizar algún
tipo de procesamiento de la señal que el emite y podemos realizar
la conexión directa a la FPGA BASYS2.
Fig.8 Parte posterior del sensor de humo.
7. Escuela Colombiana de Carreras de Industrias JECC-2014-I
F. Implementación
En la maqueta se representa una oficina call center dividida en tres
zonas de trabajo y un cuarto de control donde se encuentran las
motobombas y su sistema de automatización el cual consta de la
interfaz de potencia, señales de entrada y la tarjeta de control
FPGA BASYS2:
Fig.9 Implementación.
III. DESCRIPCIÓN DE HARDWARE
A través del software Xilinx V 13,4 se realizo el Diseño de la
máquina de Estados implementado sobre la tarjeta BASYS2, se
utilizaron varias herramientas que permitieron facilitar el
desarrollo del proyecto como la descripción de hardware a través
del diseño esquemático, la cual nos permite generar un circuito
uniendo módulos a partir de códigos realizados en vhdl.
Fig.10 Tabla de definición de estados.
Fig.11 Diagrama de estados
Fig.12 Tabla de transición de estados.
Fig.13 Diseño esquemático.
9. Escuela Colombiana de Carreras de Industrias JECC-2014-I
de maquinaria para plásticos y metalmecánica y en elaboración de
proyectos de automatización. Experiencia en trabajo en alturas
con un curso aprobado en nivel avanzado y conocimiento en
normas básicas de seguridad industrial.
B. Carlos Forero Baron
Nacido en Bogotá, colombia, el 26 de
junio de 1986, Estudiante de Ingenieria
electrónica en la Escuela Colombiana
de Carreras Industriales, actualmente
cursa octavo semestre. Tecnólogo en
mantenimiento Eléctrico y Electrónico
industrial, con conocimiento y
experiencia en diseño y montaje de
tableros de control eléctricos,
automatización sensores, conocimientos
de plc’s lectura e interpretación de planos eléctricos y electrónicos,
como su debido mantenimiento.