TESIS DE GRADO - Dspace ESPOCH

TESIS DE GRADO - Dspace ESPOCH
ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE
CHIMBORAZO
FACULTAD DE MECÁNICA
ESCUELA DE INGENIERÍA DE
MANTENIMIENTO
“ESTUDIO DEL CONTROL DOMÓTICO DE LA
SEGURIDAD, CONFORT Y EFICIENCIA ENERGÉTICA
PARA LAS INSTALACIONES DEL EDIFICIO DE LA
ESCUELA DE INGENIERÍA DE MANTENIMIENTO,
MEDIANTE EL USO DE MICROCONTROLADORES.”
NINACURI GUACHI JORGE WILFRIDO
SÁNCHEZ ROSERO NÉSTOR IVÁN
TESIS DE GRADO
Previa a la obtención del Título de:
INGENIERO DE MANTENIMIENTO
RIOBAMBA – ECUADOR
2013
ESPOCH
Facultad de Mecánica
CERTIFICADO DE APROBACIÓN DE TESIS
2012-07-20
Yo recomiendo que la Tesis preparada por:
JORGE WILFRIDO NINACURI GUACHI
Titulada:
“ESTUDIO DEL CONTROL DOMÓTICO DE LA SEGURIDAD, CONFORT Y
EFICIENCIA ENERGÉTICA PARA LAS INSTALACIONES DEL EDIFICIO
DE LA ESCUELA DE INGENIERÍA DE MANTENIMIENTO, MEDIANTE EL
USO DE MICROCONTROLADORES”
Sea aceptada como parcial complementación de los requerimientos para el Título de:
INGENIERO DE MANTENIMIENTO
Ing. Geovanny Novillo
DECANO DE LA FAC. DE MECÁNICA
Nosotros coincidimos con esta recomendación:
Ing. Marco Santillán
DIRECTOR DE TESIS
Dr. Marco Haro
ASESOR DE TESIS
ESPOCH
Facultad de Mecánica
CERTIFICADO DE APROBACIÓN DE TESIS
2012-07-20
Yo recomiendo que la Tesis preparada por:
NÉSTOR IVÁN SÁNCHEZ ROSERO
Titulada:
“ESTUDIO DEL CONTROL DOMÓTICO DE LA SEGURIDAD, CONFORT Y
EFICIENCIA ENERGÉTICA PARA LAS INSTALACIONES DEL EDIFICIO
DE LA ESCUELA DE INGENIERÍA DE MANTENIMIENTO, MEDIANTE EL
USO DE MICROCONTROLADORES”
Sea aceptada como parcial complementación de los requerimientos para el Título de:
INGENIERO DE MANTENIMIENTO
Ing. Geovanny Novillo A.
DECANO DE LA FAC. DE MECÁNICA
Nosotros coincidimos con esta recomendación:
Ing. Marco Santillán
DIRECTOR DE TESIS
Dr. Marco Haro
ASESOR DE TESIS
ESPOCH
Facultad de Mecánica
CERTIFICADO DE EXAMINACIÓN DE TESIS
NOMBRE DEL ESTUDIANTE: JORGE WILFRIDO NINACURI GUACHI
TÍTULO DE LA TESIS: “ESTUDIO DEL CONTROL DOMÓTICO DE LA
SEGURIDAD,
CONFORT Y EFICIENCIA ENERGÉTICA
PARA
LAS
INSTALACIONES DEL EDIFICIO DE LA ESCUELA DE INGENIERÍA DE
MANTENIMIENTO, MEDIANTE EL USO DE MICROCONTROLADORES”
Fecha de Examinación: 2013-05-22
RESULTADO DE LA EXAMINACIÓN:
COMITÉ DE EXAMINACIÓN
APRUEBA
NO
APRUEBA
FIRMA
Ing. Hernán Samaniego
(PRESIDENTE TRIB. DEFENSA)
Ing. Marco Santillán
(DIRECTOR DE TESIS)
Dr. Marco Haro
(ASESOR)
* Más que un voto de no aprobación es razón suficiente para la falla total.
RECOMENDACIONES:
El Presidente del Tribunal certifica que las condiciones de la defensa se han cumplido.
f) Presidente del Tribunal
ESPOCH
Facultad de Mecánica
CERTIFICADO DE EXAMINACIÓN DE TESIS
NOMBRE DEL ESTUDIANTE: NÉSTOR IVÁN SÁNCHEZ ROSERO
TÍTULO DE LA TESIS: “ESTUDIO DEL CONTROL DOMÓTICO DE LA
SEGURIDAD,
CONFORT Y EFICIENCIA ENERGÉTICA
PARA
LAS
INSTALACIONES DEL EDIFICIO DE LA ESCUELA DE INGENIERÍA DE
MANTENIMIENTO, MEDIANTE EL USO DE MICROCONTROLADORES”
Fecha de Examinación: 2013-05-22.
RESULTADO DE LA EXAMINACIÓN:
COMITÉ DE EXAMINACIÓN
APRUEBA
NO
APRUEBA
FIRMA
Ing. Hernán Samaniego
(PRESIDENTE TRIB. DEFENSA)
Ing. Marco Santillán
(DIRECTOR DE TESIS)
Dr. Marco Haro
(ASESOR)
* Más que un voto de no aprobación es razón suficiente para la falla total.
RECOMENDACIONES:
El Presidente del Tribunal certifica que las condiciones de la defensa se han cumplido.
f) Presidente del Tribunal
DERECHOS DE AUTORÍA
El trabajo de grado quepresentamos, es original y basado en el proceso de investigación
y/o adaptación tecnológica establecido en la Facultad de Mecánica de la Escuela
Superior Politécnica de Chimborazo. En tal virtud, los fundamentos teórico-científicos y
los resultados son de exclusiva responsabilidad de los autores. El patrimonio intelectual
le pertenece a la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo.
f) Jorge Wilfrido Ninacuri Guachi
f) Néstor Iván Sánchez Rosero
DEDICATORIA
Dedico la presente tesis a mi familia, ya que por su apoyo moral y económico he podido
alcanzar mi meta profesional.
A la memoria de mi hermana Melva Betty (+), quien fue un pilar fundamental en el
inicio de mi carrera estudiantil, sé que hoy estarías orgullosa de mí, al ver realizado tu
gran sueño.
Jorge Wilfrido Ninacuri Guachi
La presente tesis se la dedico a mis padres, Néstor y Mariana, por ser el instrumento de
Dios para darme la vida, en virtud a la confianza e invalorable apoyo que siempre me
han brindado, siendo mis primeros maestros y amigos a la vez y que gracias a los
valores que con su ejemplo me han inculcado, hoy me honra ofrecerles el culmen de
este trabajo como pago a todo su esfuerzo y dedicación.
A mis hermanas Ximena y Evelyn, quienes han sido las participes de mis penas y
alegrías y que con afán me han acompañado todos estos años de estudio impulsándome
a seguir siempre adelante.
A la memoria de mi hermano Fabián, cuyo recuerdo lo mantengo latente y que a pesar
de no estar presente ha constituido un pilar fundamental de inspiración en la lucha diaria
por alcanzar mis sueños.
Néstor Iván Sánchez Rosero
AGRADECIMIENTO
Agradezco a Dios el ser Supremo y Omnipotente por darme la vida, a la Virgen Niña
María de Jerusalén por sus bendiciones en los momentos más difíciles de mi vida.
A mi madre, mi padre y mis hermanos por su apoyo incondicional, siendo mis motivos
principales para esforzarme cada día más y hoy culminar una etapa más en mi vida.
Jorge Wilfrido Ninacuri Guachi
A Dios, maestro, guía y protector de mi camino, quien con su infinito amor me ha
preservado de todo mal, permitiéndome llegar al culmen de esta etapa muy importante
en mi vida.
A mis padres y hermanas quienes me apoyaron incondicionalmente, siendo mis
primeros maestros y amigos, gracias por su lucha, entrega y perseverancia depositada,
para hacer de mí un hombre de bien.
A mis maestros, compañeros y amigos, a quienes considero mi segunda familia pues de
ellos aprendí el verdadero valor de la amistad, confianza y lealtad.
Néstor Iván Sánchez Rosero
CONTENIDO
Pág.
1.
1.1
1.2
1.3
1.3.1
1.3.2
INTRODUCCIÓN
Antecedentes.....................................................................................
Justificación………………………………………………………....
Objetivos………………………………………………………….....
Objetivo general………………………….……………………….....
Objetivos específicos………………………………………………..
2.
2.1
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.4
2.2.5
2.3
2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.3.4
2.4
2.4.1
2.4.2
2.4.3
2.5
2.6
2.6.1
2.6.2
2.6.3
2.7
2.7.1
2.7.2
2.8
MARCO TEÓRICO
Concepto de edificio inteligente………………………………….....
Características de un edificio inteligente…………………………....
Integración…………………………………....................................
Interrelación………………………………………………………...
Facilidad de uso…………………………………………...……......
Fiabilidad…………………..………………………..………….......
Actualización……………..……………………………..……..........
Objetivos de un edificio inteligente…………………………...........
Arquitectónicos.………………..………….……………………......
Tecnológicos………..…………………………………………........
Ambientales………..……………………………………………......
Económicos………..……………………………...…………….......
Ventajas de un edificio inteligente…………………………............
Desde el punto de vista general........................................................
Desde el punto de vista de los administradores……………….........
Desde el punto de vista de los usuarios……………………………..
Desventajas de un edificio inteligente........….……………….........
Niveles de inteligencia…………………………….………………...
Inteligencia mínima o básica....………………………………….....
Inteligencia media....……………………………………………......
Inteligencia máxima o total..………………………………………..
Componentes de un edificio inteligente……………………….…....
Aspecto funcional……………………………………………….......
Aspecto estructural………………………..……………………......
Normativa Técnica Ecuatoriana relacionada a la construcción,
seguridad, confort y eficiencia energética de edificios…….............
Escaleras...…………………………………………………………..
Ventanas…………………………………………….……………….
Accesos……………………………………………………………....
Puertas……………………………………………………………....
Área higiénico-sanitaria………………………………………….....
Artefactos sanitarios…………………………………………………
Eficiencia energética………………………………………………...
Componentes de un sistema domótico en los edificios……………..
Topologías de cableado………………………………………….....
Topología en bus o línea…………………………………………….
Topología en estrella………………………………………………..
2.8.1
2.8.2
2.8.3
2.8.4
2.8.5
2.8.6
2.8.7
2.9
2.10
2.10.1
2.10.2
1
2
3
3
3
4
4
4
4
5
5
5
6
6
6
6
7
7
7
8
8
8
8
9
9
10
10
10
13
15
16
17
18
21
24
25
25
28
29
30
30
2.10.3
2.11
2.12
2.12.1
2.12.2
2.12.3
2.12.4
2.12.5
2.12.6.
2.12.7
2.12.8
2.13
3.
3.1
3.1.1
3.1.2
3.2
3.2.1
3.2.2
3.3
3.3.1
3.3.2
3.3.3
3.3.4
3.3.5
3.3.6
4.
4.1
4.1.1.
4.1.2
4.2
4.2.1
4.2.2
4.3
4.3.1
4.3.1.1
4.3.1.2
4.3.1.3
Topologías mixtas…………………………………………………...
Tecnologías disponibles en el mercado para la implementación de
edificios inteligentes con tendencias actuales de estandarización….
Los microcontroladores……………………………………………..
Definición……………………………………………………………
Introducción a los microcontroladores………………………….....
Arquitectura harvard y la arquitectura tradicional de los
microcontroladores...........................................................................
Ventajas y desventajas………………………………………………
Estructura y recursos de los microcontroladores…………...………
Recursos de los microcontroladores………………...………………
Recursos especiales…………………………….……………………
La familia PIC…………………………………….…………………
Circuito integrado 555………………………………………………
ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE EDIFICIOS
INTELIGENTES EN LA ESCUELA DE INGENIERÍA DE
MANTENIMIENTO
DE
LA
FACULTAD
DE
MECÁNICA DE LA ESPOCH
Estudio de los planos arquitectónicos de los edificios………………
Descripción de los edificios de la Facultad de Mecánica………..…
Descripción del edificio de la escuela de Ingeniería de
Mantenimiento……………………………………………………..
Análisis de los requerimientos estructurales y la funcionalidad de
los edificios.........................................................................................
Aspecto estructural…………………………………………….…….
Aspecto funcional………………..…………………………..………
Estudio de los sistemas de control domótico para el edificio………
Sistema inteligente de iluminación………………...…….……….…
Sistema inteligente de climatización………………………………...
Sistema de control de cargas………………………………………..
Sistema inteligente de seguridad…………………………………...
Sistema inteligente para detección de incendios y generación de
rutas de evacuación….…………………...………………………………
Diseño estructural adicional del edificio para su funcionamiento…
DESARROLLO DE PROTOTIPO CON CONTROL
DOMÓTICO PARA SISTEMA DE ILUMINACIÓN PARA
EL ÁREA ADMINISTRATIVA EN EL EDIFICIO DE LA
ESCUELA DE INGENIERÍA DE MANTENIMIENTO
Análisis…………………………..…………………………………
Diagramas de caso de uso……………………………………….…
Especiaciones de caso de uso……………………………………………
Diseño del sistema………………………………..…...…………….
Diagrama de secuencia…………………………………….………..
Diagrama de colaboración………………………………….……..
Implementación del sistema de iluminación…………..……………
Selección de dispositivos…………………………………………….
Selección del PIC…………………………………………………..
Selección del PIC específico………………….……………………
Sensores a utilizar en el sistema……………………………………..
30
31
31
31
33
33
34
35
35
37
38
40
42
43
43
44
44
45
45
47
49
51
54
57
57
59
60
61
61
62
63
63
63
63
64
67
4.3.2
4.3.3
4.3.4
4.3.5
4.3.6
4.3.7
4.3.8
4.3.9
4.4
4.4.1
4.4.2
4.5
4.5.1
4.5.2
4.5.3
4.5.4
4.6
4.6.1
4.6.2
Diseño de fuente de alimentación……………..……………………
Diseño de sistema de control máster………………………………..
Diseño de control de luminosidad…………………..……………....
Diseño de sistema de potencia……………………………………....
Desarrollo del sistema de acceso......................................................
Diseño de la PCB del sistema de iluminación.……………….……
Montaje de los sistemas………………………………………………
Instalación de los sistemas………………….…….…………………
Pruebas…………………………………………………….………...
Calibración y ajustes de dispositivos…………………….…………
Puesta a punto y en funcionamiento de los sistemas………………..
Costo-beneficio del proyecto…………....……………………..……
Costo del sistema de control domótico de iluminación……………..
Costo del sistema domótico de acceso………………………………
Relación de costo al desarrollar los sistemas con otro tipo de
controladores....................................................................................
Beneficio del proyecto…..….……………………………………….
Análisis de resultados e impactos…………………………………...
Resultados de la implantación……………………………………...
Impactos de la implantación………………………………………..
5.
5.1
5.2
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Conclusiones…………………………………….…………….…….
Recomendaciones……………………………..……………………
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BIBLIOGRAFÍA
LINKOGRAFÍA
ANEXOS
PLANOS
69
70
71
77
77
79
81
84
84
85
85
86
86
88
88
93
94
94
96
97
98
LISTA DE TABLAS
Pág.
1
Colores de seguridad y significado...................................................
19
2
Señales de seguridad.........................................................................
21
3
Cuadro comparativo de tecnologías disponibles en el mercado para
implementación de edificios inteligentes..........................................
4
32
Especificaciones de caso de uso sistema de control domótico de
iluminación.......................................................................................
61
5
Costos del sistema de control domótico de iluminación..................
86-88
6
Costo sistema de acceso...................................................................
89
7
Costo del sistema de iluminación utilizando otro tipo de controlador.
90
8
Costo del sistema de acceso con otro tipo de tecnología en el
mercado…………………………………………………………….
92
9
Propuesta comercial de los sistemas................................................
92
10
Ahorro energético generado………………………………………..
95
LISTA DE FIGURAS
Pág.
1
Medidas de escaleras en edificios............................................................ 17
2
Medidas de una ventana en edificios........................................................ 18
3
Dimensiones de una puerta para edificios................................................. 23
4
Dimensiones para una puerta automática................................................. 23
5
Arquitectura Harvard de un microcontrolador.......................................... 34
6
Arquitectura tradicional de un microcontrolador...................................... 34
7
Estructura interna básica de un microcontrolador.................................... 36
8
Diagrama de pines del CI 555.................................................................... 41
9
Elementos básicos de un sistema inteligente en edificios.......................... 46
10
Diagrama de caso usuario del sistema de control domótico de
iluminación................................................................................................ 60
11
Diagrama de secuencia del sistema de control domótico de iluminación 62
12
Diagrama de colaboración del sistema de control domótico de
iluminación............................................................................................... 63
13
Diagrama en bloques del sistema del sistema de control domótico de
iluminación...............................................................................................
65
14
Diagrama de pines del PIC 16F876A...................................................... 67
15
Diagrama de bloques del PIC16f876A.................................................... 68
16
Sensor de movimiento PIR........................................................................ 69
17
Diagrama de pines de los CI de la familia de reguladores 78XX............ 70
18
Diagrama de flujo del sistema de control domótico de iluminación........ 72
19
Diagrama de conexión de señales digitales al PIC................................... 73
20
Divisor de tensión.................................................................................... 74
21
Panel de control del sistema de iluminación............................................. 83
LISTA DE ABREVIACIONES
RAM
Random Access Memory (Memoria de Acceso aleatorio)
ROM
Read Only Memory (Memoria de sólo Lectura)
PROM
REPROM
Programmable Read Only Memory (Memoria de sólo Lectura
Programable)
Reprogrammable Read Only Memory (Memorias de sólo lectura
reprogramables)
EEPROM
Memoria programable y borrable eléctricamente.
PIC
Peripheral Interface Controller (Controlador de Interface periférico)
CMOS
Metal oxido semiconductor complementario
CPU
Unidad de procesamiento central
LCD
Display de cristal liquido
D/A
Digital/análogo
I/O
Entradas y salidas
MCLR
Master clear o reset externo
PWM
Salida modulada de ancho de pulso
VDD
Voltaje de corriente directa (5V+)
VSS
Voltaje de corriente directa (0V o GND)
LED
Diodo emisor de luz
NEC
Código Eléctrico Nacional
NEMA
Normas Eléctricas Alemanas
GND
Puesta a tierra
Vin
Voltaje de entrada
Vout
Voltaje de salida
NTE
Normativa Técnica Ecuatoriana
INEN
Instituto Ecuatoriano de Normalización
CPE
Código de Práctica Ecuatoriano
C.E.C
Código Ecuatoriano de la Construcción
IC
Circuito Integrado
PLC
Controlador lógico programable
PCB
Printed circuit board (placa de circuito impreso)
LISTA DE ANEXOS
A
Diagrama esquemático sistema de control domótico de iluminación
B
PCB del sistema de control domótico de iluminación
C
Diagrama de fuerza y control del sistema de acceso
D
Programa del PIC
E
Tabla de valores nominales de resistencias disponibles en el mercado
F
Características del regulador 78R12
G
Manual de usuario sistema de control domótico de iluminación
RESUMEN
Se ha realizado un Estudio con Control Domótico de la Seguridad, Confort y Eficiencia
Energética para el Edificio de la Escuela de Ingeniería de Mantenimiento. Su objetivo es
obtener un documento que permita conocer la normatividad, estándares de
funcionamiento y construcción de los edificios inteligentes y que sustente la
importancia de su aplicación.
Se realizó un análisis técnico de los planos arquitectónicos del edificio considerando su
aspecto funcional y estructural, con lo que determinamos las características de
automatización, monitoreo y comunicaciones requeridas, para lograr un nivel de
inteligencia favorable tal que satisfagan las exigencias domóticas.
Con los estudios realizados, se elaboró el circuito de control y potencia con nuevos
diseños eléctricos y electrónicos creando así el sistema de control domótico de
iluminación y acceso, el cual basado en las normas establecidas por el INEN, se pone en
funcionamiento en el área administrativa e ingreso principal al edificio. Para facilitar su
operación y control, se elabora un manual de usuario, cuya información contiene las
principales instrucciones de operación y mantenimiento.
Los resultados de las pruebas realizadas en base a los sistemas desarrollados e
implementados, se han evidenciado en el ahorro de recursos en comparación con otras
tecnologías disponibles en el mercado. Un mayor ahorro sería factible, cuando esta
tecnología se la aplique a un mayor número de edificios. Mejorando también el nivel de
seguridad y confort de los usuarios y así contribuir con la conservación del medio
ambiente.
ABSTRACT
A Study with Domotic Control of Security, Comfort and Energetic Efficiency is carried
out for the Maintenance Engineering school building. Its objective is obtaining a
document permitting to know the normativity, functioning and construction standards of
the intelligent buildings sustaining the importance of its application.
A technical analysis of the architectural design of the building was carried out
considering its functional and structural aspect with which the automation and
monitoring features and communications required were determined to reach an
intelligence level favorable to meet the domotic requirements.
Whit the studies a control and power circuit is elaborated with new electric and
electronic designs thus creating the domotic control system of illumination and access,
which based on the established norms by the INEN is put into functioning in the
administrative and main entrance to the building area. To facilitate its operation and
control, a user´s manual whose information contains the principal operation and
maintenance instructions, is elaborated.
The results of the tests carried out on the basis of the developed and implemented
systems have been evident in the resource saving as compared to other technologies
available in the market. A major saving would be feasible when this technology would
be applied to a major number of buildings, improving at the same time the security and
comfort level of the users thus contributing to the environment conservation.
CAPÍTULO I
1.
INTRODUCCIÓN
1.1
Antecedentes
Desde la invención del circuito integrado, el desarrollo constante de la electrónica
digital ha dado lugar a dispositivos cada vez más complejos, entre ellos los
microcontroladores, que son circuitos integrados que incorporan todos los bloques
funcionales de un sistema microprocesador en un único encapsulado, los cuales
interpretan (decodifican) combinaciones de bits (instrucciones) y generan señales
digitales internas y/o externas, para ejecutar de manera continua una secuencia de
instrucciones (programa) que permita controlar un sistema o subsistema electrónico.
El microcontrolador es el núcleo de un sistema electrónico versátil de bajo coste y
reducido tamaño que es capaz de detectar las señales de entrada y generar las salidas de
un equipo, sistema o instrumento, características que permiten la fácil implantación de
sistemas de “inteligencia” distribuida a lo largo de sistemas más complejos, es por tal
razón que son los semiconductores más abundantes de todos en la actualidad.
Con la utilización de los microcontroladores se ha logrado la introducción de nuevas
tecnologías de información (NTI) hacia los edificios, viviendas y varias obras de la
Ingeniería Civil, como consecuencia a la necesidad de adaptar el hábitat del hombre, a
objeto de brindarle mayores niveles de seguridad, confort , eficiencia energética,
ahorros económicos en la operación y mantenimiento,
facilitarle el proceso de
integración comunicacional con el entorno; la modularidad de los espacios y equipos, y
la posibilidad de dar un mayor ciclo de vida a un edificio, dicha tecnología
implementada ha dado lugar a la denominación de edificios inteligentes.
El presente trabajo de graduación va encaminado a contribuir con las necesidades de un
edificio, a fin de que el mismo pueda ser considerado inteligente mediante el estudio y
la implementación de sistemas de control domótico en las instalaciones la Escuela de
Ingeniería de Mantenimiento, con la utilización de microcontroladores cuya finalidad es
garantizar el confort, seguridad y eficiencia energética de la edificación.
-1-
1.2
Justificación
La evolución tecnológica de diferentes disciplinas, como la microelectrónica, las
telecomunicaciones, la informática, la arquitectura y la automática, ha posibilitado una
interacción de las mismas que ha desembocado en el concepto de edificio inteligente.
Actualmente los modulares de la Facultad de Mecánica y por ende el edificio de la
Escuela de Ingeniería de Mantenimiento no disponen de tecnología adecuada al nivel
académico, técnico e Institucional, para lo cual es necesario un estudio adecuado sobre
edificios inteligentes, para poder disponer de información académica-tecnológica e
incorporar a las instalaciones de la Escuela y Facultad mencionada, para disponer de
edificios acorde al prestigio y exigencias de los diferentes organismos administrativos y
de regulación de la Institución y Estado.
Para la implementación del sistema de control domótico de iluminación como una
aplicación práctica que será implementado en el edifico de la Escuela de Ingeniería de
Mantenimiento se utilizará microcontroladores en vista de ser más económico y versátil
para la mayoría de aplicaciones, ya que en los mismos se puede integrar el control,
procesamiento y la adquisición de datos de los sistemas.
Los beneficiarios de este proyecto es el personal administrativo de la Escuela de
Ingeniería de Mantenimiento ya que es el área donde se implementará el sistema tanto
de control domótico de iluminación, acceso y seguridad, los mismos que estarán
vinculados mediante un sistema de monitoreo.
Por otra parte el presente proyecto servirá de base fundamental para continuar con la
implementación en otras edificaciones de la facultad o Institución, fuera de las
instalaciones mencionadas, en empresas públicas o privadas, la finalidad es integrar
sistemas de seguridad, confort y eficiencia energética a sus instalaciones tanto en el área
de producción y administrativas, las mismas que van encaminadas a brindar un mejor
servicio para sus clientes y mejorar las condiciones y ambiente laboral para sus
empleados, así como, ayudar con la preservación del medio ambiente.
-2-
1.3
Objetivos
1.3.1
Objetivo general. Realizar un estudio del control domótico para la seguridad,
confort e eficiencia energética para las instalaciones del edificio de la Escuela de
Ingeniería de Mantenimiento, mediante el uso de microcontroladores.
1.3.2
Objetivos específicos
Realizar un estudio de las normativas de un edificio inteligente.
Realizar un estudio de sistemas de control domótico que garanticen la seguridad,
confort y eficiencia energética en el edificio de la Escuela de Ingeniería de
Mantenimiento.
Desarrollar una alternativa de control domótico de iluminación y acceso para el edificio
de la escuela de Ingeniería de Mantenimiento.
Diseñar los circuitos de control y potencia para un sistema de control domótico de
iluminación y acceso al edificio de la escuela de Ingeniería de Mantenimiento.
Construir y verificar el buen funcionamiento del sistema de control domótico de
iluminación y acceso en el edificio de la escuela de Ingeniería de Mantenimiento.
-3-
CAPÍTULO II
2.
MARCOTEÓRICO
2.1
Concepto de edificio inteligente
Previo al análisis, es fundamental conocer algunos conceptos para una mejor
comprensión:
Inteligencia.Capacidad para aprender o comprender. Suele ser sinónimo de intelecto
(entendimiento), pero se diferencia de este por hacer hincapié en las habilidades y
aptitudes para manejar situaciones concretas y por beneficiarse de la experiencia
sensorial.
Automatización. Sistema de fabricación diseñado con el fin de usarla capacidad de las
máquinas para llevar a cabo determinadas tareas anteriormente efectuadas por seres
humanos, y para controlar la secuencia de las operaciones sin intervención humana.
Definición. Según el Intelligent Building Institute (Instituto de Edificios Inteligentes),
Washington, D.C., E.U. Un edificio inteligente es aquel que proporcione un ambiente de
trabajo productivo y eficiente a través de la optimización de sus cuatro elementos
básicos: estructura, sistemas, servicios y administración, con las interrelaciones entre
ellos. Los edificios inteligentes ayudan a los propietarios, operadores y ocupantes, a
realizar sus propósitos en términos de costos, confort, comodidad, seguridad,
flexibilidad y comercialización. [1]
2.1
Características de un edificio inteligente
2.1.1
Integración. Todo el sistema es controlado por equipos informáticos, de esta
manera, los usuarios no deben preocuparse por el funcionamiento de los diversos
equipos autónomos.
2.1.2
Interrelación. Unade las principales características que debe ofrecer una
estructura inteligente, es que su sistema tenga la capacidad de relacionar diferentes
elementos que componen el entorno de la edificación y obtener una gran versatilidad así
como variedad de respuestas en la toma de decisiones. Así, por ejemplo, es sencillo
-4-
relacionar el funcionamiento del acondicionador de aire con el de otros
electrodomésticos, o con la apertura de ventanas.
2.1.3
Facilidad de uso. Para el personal que se encarga de monitorear todos los
fenómenos que ocurren en la edificación, es esencial que con una sola mirada al sistema
de monitoreo pueda estar completamente informado del estado de la estructura, si desea
modificar algo, sólo necesitará ejecutar comandos sencillos y de fácil interrelación para
realizar dicha modificación.
2.1.4
Fiabilidad. Los sistemas de información deben ser muy fiables, ya que es la
red neuronal de funcionamiento. Deben ser máquinas muy potentes, rápidas y precisas.
Por lo tanto, debe existir un sistema de respaldo de energía tan confiable que garantice
un desempeño de 24 horas, los 365 días del año. Además un sistema de mantenimiento
preventivo y predictivo de los equipos es de gran importancia y juega un papel
primordial en las operaciones de la edificación.
2.1.5
Actualización. La puesta al día del sistema debe ser sencilla. El aparecimiento
de nuevas versiones y mejoras pueden beneficiar a cualquier instalación existente en el
equipo, sin realizar ninguna modificación ya que toda la lógica de funcionamiento se
encuentra en el software y no en los equipos instalados.
La inteligencia de un edificio empieza cuando, una vez automatizado, es dotado de un
sistema que contiene aplicaciones de alto nivel que gestionan dicha automatización y
proporcionan servicios más avanzados como los sistemas inteligentes; para
complementar, los edificios inteligentes presentan características que hacen posible su
denominación y se presentan mediante factores y criterios importantes como su
inteligencia artificial, su ambiente inteligente y la conservación del medio ambiente.[2]
La Inteligencia Artificial. Se refiere al comportamiento por parte del sistema domótico o
inmótico, mediante técnicas como redes neuronales, sistemas expertos, algoritmos
evolutivos, etc., las cuales permiten una respuesta automática y óptima en diferentes
situaciones sin la orden directa del usuario.
El ambiente inteligente. Se entiende como un entorno en donde los usuarios interactúan
con el sistema mediante diversos dispositivos integrados y enlazados entre sí, para la
realización de labores específicas. Las técnicas que se pueden emplear en este tipo de
-5-
entorno suelen localizarse dentro de conceptos como; la computación móvil, el
reconocimiento y adaptación de usuarios y de información con interfaces multimodales;
y la computación ubicua que emplea una tecnología de cálculo y comunicación
integrada con el usuario.
La interacción positiva con el medio ambiente. Es un aspecto reciente que se está
desarrollando en las nuevas construcciones y edificaciones, ya que se busca producir el
mínimo impacto y aprovechar los recursos de la naturaleza para implementar sistemas
pasivos de iluminación y climatización, pudiéndose complementar con sistemas
electromecánicos con el fin de lograr un ambiente confortable para los usuarios y
ayudar a la conservación del medio ambiente.
2.2
Objetivos de un edificio inteligente
2.2.1
Arquitectónicos
·
Satisfacer las necesidades presentes y futuras de los ocupantes, propietarios y
operadores del edificio.
·
La flexibilidad, tanto en la estructura como en los sistemas y servicios.
·
La funcionalidad del edificio.
·
La modularidad de las instalaciones del edificio.
·
Mayor confort para el usuario.
·
La no interrupción del trabajo de terceros en los cambios o modificaciones.
·
El incremento de la seguridad.
·
El incremento de la estimulación en el trabajo.
2.2.2
Tecnológicos
·
La disponibilidad de medios técnicos avanzados de telecomunicaciones.
·
La automatización de las instalaciones.
·
La integración de servicios
2.2.3
·
Ambientales
El ahorro energético.
-6-
·
2.2.4
El cuidado del medio ambiente.
Económicos
·
La reducción de los altos costos de operación y mantenimiento.
·
Beneficios económicos para el cliente.
·
Incremento de la vida útil del edificio.
·
La posibilidad de cobrar precios más altos por la renta o venta de espacios.
·
La relación costo-beneficio.
·
El incremento del prestigio de la compañía.
2.3
Ventajasde un edificio inteligente
2.3.1
Desde el punto de vista general
Desempeño. Se refiere al papel que juega la iluminación en la productividad del usuario.
Para ello es necesario considerar el tamaño de los objetos con los cuales se realiza la
actividad, la edad del usuario, el tiempo que se destina a desarrollar la actividad y el
contraste existente entre la actividad y su entorno, a fin de definir los niveles de
iluminación recomendados para cada área.
Comodidad. Los empleados que se sienten cómodos realizan mejor sus labores. Tener
niveles de iluminación adecuados favorece que los espacios se vean más atractivos y
naturales.
Administración de energía. En el diseño de iluminación se debe considerar la
localización de productos que sean más eficientes con la energía eléctrica y con los
niveles de operación recomendados. Aunque algunas veces el costo inicial de estos
productos es más elevado que los productos convencionales, el costo de operación y
mantenimiento es menor.
Status. Genera un mayor status de vida por el hecho de integrar alta tecnología al común
vivir de la sociedad actual, haciendo que el usuario se acerque un paso más al futuro.
Protección. Estos sistemas generan mecanismos de autoprotección enfocada hacia la
seguridad de los ocupantes, dando herramientas para que los usuarios generen
-7-
situaciones preestablecidas que induzcan a pensar que el inmueble se encuentra ocupado
en un momento determinado o que se generen avisos de emergencia hacia el exterior del
mismo, en el evento de cualquier tipo de problema que se presente.
2.3.2
Desde el punto de vista de los administradores. Un edificio inteligente
proporciona a sus administradores un conjunto de facilidades para su mantenimiento,
como la comunicación hacia dentro y hacia fuera del edificio permitiendo un control
eficiente y económico, vigilancia, seguridad contra fuego, monitoreo, sistema de alarma
(aviso a los ocupantes dentro del edificio, a la policía, a los bomberos y hospitales).
2.3.3
Desde el punto de vista de los usuarios. Un edificio inteligente ofrece a los
usuarios, en su lugar de trabajo, un ambiente seguro, diseñado ergonómicamente y en
función de las personas para aumentar su productividad y estimular su creatividad.
Provee también servicios sofisticados de computación y telecomunicaciones. En hoteles
y residencias debe proporcionar un ambiente que sea confortable y más humano,
evitando así los entornos fríos e impersonales.
2.4
Desventajas de un edificio inteligente
Se podría decir que las desventajas son realmente pocas con respecto a las ventajas,
pero se pueden mencionar las siguientes:
·
El precio de la construcción de un edificio inteligente es demasiado alto con
respecto a una edificación normal.
·
Al ser relativamente nueva su aplicación, se pueden experimentar fallos en los
sistemas.
·
Se puede producir el aislamiento del usuario.
·
Se puede dar un grado de dificultad al usuario, dependiendo del nivel de
automatización del sistema.
·
2.5
Se requiere de personal técnico para la operación y mantenimiento.
Niveles de inteligencia
La inteligencia de un edificio es una medida:
-8-
·
De la satisfacción de las necesidades de los habitantes y su administración.
·
De la posibilidad de respetar y adaptarse al medio ambiente que lo rodea.
Los elementos que deben considerarse como parte del programa arquitectónico de un
edificio inteligente independientemente del género al que éste se refiera son:
·
La protección. Contra contingencias contra accidentes caseros hasta problemas en
edificios de varios niveles de oficinas desde la intrusión, el robo, el plagio, el
clima, el incendio, entre otros.
·
Diseño Arquitectónico lógico. Los edificios altos resuelven necesidades y
problemas del programa arquitectónico, sin embargo crean nuevos problemas
como su desalojo en un tiempo razonable, la falta de ventilación al no existir
ventanas que puedan abrirse. Por lo que es lógico plantear como parte de su
programa la existencia de elevadores eficientes en cualquier contingencia, al igual
de niveles de refugio a prueba de contingencias, rutas y datos de acceso para
bomberos, giro de puertas en el sentido de salida, pasamanos en escaleras y
rampas, una adecuada señalización en escaleras y puertas para salidas de
emergencia.
·
Acabados y decoración. Básicamente habría que considerar el control de los
materiales combustibles, empleando retardantes en los acabados del edificio, y
dejando claramente indicadas la localización de rampas y escaleras.
Analizados las características anteriores, podemos decir que existen tres grados de
inteligencia, catalogados en función de la automatización de las instalaciones o desde el
punto de vista tecnológico:
2.5.1
Inteligencia mínima o básica. Un sistema básico de automatización del
edificio, el cual no está integrado. Existe una automatización de la actividad y los
servicios de telecomunicaciones, aunque no están integrados.
2.5.2
Inteligencia media. Tiene un sistema de automatización del edificio totalmente
integrado. Sistemas de automatización de la actividad, sin una completa integración de
las telecomunicaciones.
-9-
2.5.3
Inteligencia máxima o total. Los sistemas de automatización del edificio, la
actividad y las telecomunicaciones, se encuentran totalmente integrados. El sistema de
automatización del edificio se divide en: sistema básico de control, sistema de seguridad
y sistema de ahorro de energía.
El sistema básico de control. Es el que permite monitorear el estado de las instalaciones,
como son: eléctricas, hidrosanitarias, elevadores y escaleras eléctricas, y suministros de
gas y electricidad.
El sistema de seguridad. Protege a las personas, los bienes materiales y la información.
En la seguridad de las personas, destacan los sistemas de detección de humo y fuego,
fugas de gas, suministro de agua, monitoreo de equipo para la extinción de fuego, red de
rociadores, extracción automática de humo, señalización de salidas de emergencia y el
voceo de emergencia. Para la seguridad de bienes materiales o de información, tenemos
el circuito cerrado de televisión, la vigilancia perimetral, el control de accesos, el
control de rondas de vigilancia, la intercomunicación de emergencia, la seguridad
informática, el detector de movimientos sísmicos y el de presencia.
El sistema de ahorro de energía. Es el encargado de la zonificación de la climatización,
el intercambio de calor entre zonas, incluyendo el exterior, el uso activo y pasivo de la
energía solar, la identificación del consumo, el control automático y centralizado de la
iluminación, el control de horarios para el funcionamiento de equipos, el control de
ascensores y el programa emergente en puntos críticos de demanda.
2.6
Componentes de un edificio inteligente
Para poder clasificar los componentes que debe reunir un edificio inteligente se tomó en
cuenta sus características y los servicios que debe ofrecer. Éstos se pueden abordar
desde dos puntos de vista: Funcional y Estructural. [3]
2.6.1
Aspecto funcional. De acuerdo al punto de vista funcional, la capacidad de
soporte del edificio se puede evaluar en términos de cuatro elementos básicos:
Estructura, Sistemas, Servicios, Administración.
-10-
Un edificio "inteligente" es aquel que optimiza cada uno de estos cuatro elementos y las
relaciones entre ellos.
Estructura del edificio. La estructura del edificio comprende los componentes
estructurales del edificio, los elementos de arquitectura, los acabados de interiores y los
muebles.
Los aspectos estructurales importantes dentro de un edificio inteligente son:
·
El edificio debe gastar el mínimo necesario de energía, por lo que es importante su
situación y orientación, así como la composición de sus elementos estructurales
(techo, pisos, ventanas y paredes).
·
La manera en la que se aprovecha la luz solar, tomando en cuenta su impacto
sobre la visibilidad (por ejemplo en las pantallas de video) y la calidad de la luz
necesaria para trabajar.
·
El espacio suficiente para proveer pisos y techos falsos, para permitir acceso
rápido al cableado.
·
La previsión del peso que tendrán que soportar pisos y techo a futuro, para alojar
equipos electrónicos, antenas, etc.
·
Las fuentes de poder auxiliares (para respaldos) y fuentes de poder de "no
interrupción" (baterías para el No-Break) que alimentarán a los equipos.
·
Los conductos y registros adecuados para cableados y conexiones.
En lo que se refiere a acabados interiores, éstos se deben escoger en función de su
calidad estética, sus relaciones de escala, iluminación, características de electricidad
estática y acústica, se prefieren elementos que amortigüen el sonido; además, se deben
tomar en cuenta los aspectos ergonómicos.
Sistemas del edificio. Los sistemas del edificio son los que proveen principalmente un
ambiente hospitalario para los usuarios y equipos. Los principales sistemas de un
edificio son:
·
Confort: calefacción, ventilación, agua caliente y aire-acondicionado
·
Control de cargas
·
Elevadores
-11-
·
Control de acceso
·
Seguridad
·
Telecomunicaciones
·
Iluminación
·
Emergencia y rutas de evacuación
Todos estos elementos dependen directamente del diseño del edificio, ya que debe haber
flexibilidad para soportar cambios. Para minimizar los gastos energéticos es
recomendable monitorear y controlar todos los sistemas que consuman energía. Estos
sistemas pueden estar formados por dispositivos conectados por una red al procesador
central, que se encargará de mantener un registro de consumo, control y optimización.
Servicios del edificio. Los servicios del edificio satisfacen las necesidades directas de
los usuarios, de la manera más eficiente y económica, preservando la utilidad de la
estructura a largo plazo.
Los servicios que presenta un edificio inteligente son los siguientes:
·
Comunicación (voz, datos y video).
·
Automatización de oficinas.
·
Facilidades de salas de reuniones y salas de cómputo para uso compartido.
·
FAX y fotocopiado.
·
Correo electrónico.
·
Limpieza y mantenimiento.
·
Estacionamientos y transporte.
·
Directorio del edificio.
Todos estos servicios se proporcionan de forma centralizada, optimizando así el
consumo de energía.
Administración del edificio. En lo referente a la administración, se proveen herramientas
para controlar y administrar todo el edificio, dar mantenimiento, tomar decisiones en
casos de emergencia, etc. En muchos edificios modernos, son parte de la
responsabilidad de los administradores del edificio, los sistemas de seguridad, energía,
control de fuego, comunicaciones, sistemas de información y el cableado respectivo.
-12-
2.6.2
Aspecto estructural. Desde el punto de vista estructural se pueden distinguir
tres factores clave en el concepto de edificio inteligente, que completan su definición:
flexibilidad del edificio, integración de servicios, diseño exterior e interior.
Flexibilidad de un edificio. Un edificio flexible se caracteriza por dos atributos:
·
La capacidad de incorporar nuevos o futuros servicios.
·
La posibilidad de permitir reubicaciones de personal o restructuraciones internas,
sin que ello sea muy complicado.
Integración de servicios. La integración de servicios presenta dos variantes:
·
Integración del control, gestión y mantenimiento de todos los sistemas y servicios
del edificio. Todas las señales son controladas por un solo equipo.
·
Integración de las infraestructuras de cableado; combinando, en un determinado
soporte físico, las señales de varios sistemas distintos (que son aquellas
controladas por un solo equipo).
Dentro de los servicios del edificio se tienen cuatro áreas generales:
1.
·
Área de automatización del edificio
Sistemas Base de Soporte de la Actividad. Son las instalaciones que se encargan
de proveer el conjunto de servicios básicos para un ambiente confortable para el
desarrollo de las actividades (agua, gas, electricidad, iluminación, climatización,
etc.).
·
Sistemas de Seguridad. Se encarga de proteger las vidas humanas y sus bienes, y
comprende: prevención o acciones antes del problema, protección o acciones
durante el problema, investigación o acciones durante y después del problema.
·
Sistemas de Control y de Gestión de la Energía. Su función es la de optimizar el
consumo de energía del edificio.
2.
Área de automatización de la actividad
Dependiendo de la actividad que se llevará a cabo en el edificio, existirán facilidades y
servicios para dar soporte a dicha actividad. La selección correcta e implementación de
estos servicios se reflejará directamente en la productividad, eficiencia y creatividad en
-13-
las oficinas. Algunos de estos servicios serían: acceso a servicios telefónicos avanzados,
procesadores de textos, datos, gráficas, etc., impresoras de alta calidad, plotters,
scanner, soporte al proceso de toma de decisiones, otros.
3.
Área de telecomunicaciones
Las telecomunicaciones son un aspecto decisivo en los edificios inteligentes ya que son
parte medular de los servicios que ofrecen. Los principales factores que hay que tener
en cuenta en relación al diseño del sistema de telecomunicaciones son:
·
Proveer un espacio suficiente y acondicionado para los equipos centrales y
secundarios.
·
Proveer espacio suficiente y de acceso fácil para el cableado.
·
Aceptar la necesidad de un constante esfuerzo en la planificación, documentación
y mantenimiento posterior, relativo a estos temas.
·
4.
Diseñar con flexibilidad el sistema de telecomunicaciones.
Área de planificación ambiental
Un edificio inteligente debe ofrecer prestaciones encaminadas a conseguir un ambiente
laboral atractivo que facilite y estimule el trabajo. Estas prestaciones van desde un
diseño adecuado del lugar de trabajo y el establecimiento de un nivel alto de seguridad,
hasta la disponibilidad de salas para reuniones, conferencias, capacitación y descanso.
Referente a ello, hay algunos aspectos a considerar:
·
La posibilidad de zonificar o personalizar los servicios, tales como iluminación,
confort, seguridad, etc.
·
La planificación, uso y redistribución de espacio (incluyendo criterios estéticos,
zonas de descanso, descentralización de los centros de cálculo, espacios de
archivo, etc.).
·
La ergonomía del lugar de trabajo.
·
La creación de un entorno de seguridad (escaleras y otros medios de evacuación el
lugar, señalización, medios de protección ante siniestros, etc.).
-14-
·
Los servicios e instalaciones que no son estrictamente necesarios para el
desempeño de la actividad principal de la empresa (restaurante, cafetería,
guardería, cajeros automáticos, etc.).
Diseño exterior e interior. El tercer factor clave en la definición de edificio inteligente
es el diseño, en el cual se distinguen en dos grandes áreas:
·
Diseño exterior (diseño arquitectónico).
·
Diseño interior (relacionado con arquitectura, ergonomía y planeación del
espacio).
2.7
Normativa Técnica Ecuatoriana relacionada a la construcción, seguridad,
confort y eficiencia energética de edificios
La seguridad, el confort, y la eficiencia energética son unos de los principios básicos de
la mayoría de regulaciones de construcción, por tanto todas las consideraciones
relacionadas con ésta materia deberán realizarse en base al Código Ecuatoriano de la
Construcción y lo establecido por el INEN.
En el Ecuador tradicionalmente el segundo consumidor de energía luego del sector
transportista es el sector domiciliario, esto se debe a que la mayor parte de problemas o
necesidades de confort, seguridad, etc., no son atendidas desde la concepción misma de
las edificaciones.
Existen consideraciones que son las principales causas por las que las personas evitan
invertir mayores recursos económicos y materiales en la construcción de edificaciones
pues resuelven sus necesidades de seguridad y confort haciendo uso de artefactos o
equipos que demandan gran cantidad de consumo energético y que a la larga genera
mayores gastos de los que incurriría una adecuada edificación entre las principales
tenemos:
·
El subsidio a la electricidad y al GLP.
·
El desconocimiento de las escuelas de formación y universitaria acerca de los
conceptos de bioclimatismo y uso pasivo de la energía solar, eólica, geotérmica,
etc.
-15-
·
El déficit de vivienda sumada a los niveles de pobreza en el Ecuador.
·
La falta de un marco legal que regule la eficiencia en las edificaciones durante su
vida útil.
Por tal motivo en los siguientes párrafos se plantea las principales características con las
que deben cumplir cada una de las partes de las edificaciones en base a la Normativas
vigentes en el Ecuador.
2.7.1
Escaleras. El riesgo de accidentes por caídas de personas dentro de edificios es
grande, y gran parte de estos accidentes guarda relación con las escaleras, por tanto a
continuación se citan algunas consideraciones importantes a tomar en cuenta dentro de
la construcción de escaleras:
Según la norma NTE INEN 2249:2000 establece las dimensiones mínimas y las
características generales que deben cumplirlas escaleras en los edificios de la cual se
menciona a continuación las más importantes:
Dimensiones. Las dimensiones que se deben considerar en una escalera son:
·
Ancho. Las escaleras deben tener un ancho mínimo de 1 000 mm. Si la separación
de los pasamanos a la pared supera los 50 mm, el ancho de la escalera deberá
incrementarse en igual magnitud.
·
Contrahuella (a). Todas las contrahuellas deberán tener una altura ≤ a 180 mm.
·
Huella (b). Las dimensiones de las huellas, deben ser las que resulten de aplicar la
fórmula:
2a + b = 640 mm
(1)
b = 640 mm - 2 a
En donde:
a = contrahuella, en mm
b = huella, en mm
(ver Figura 1).
Tramos rectos. Las escaleras podrán tener tramos continuos sin descanso de hasta diez
escalones como máximo. [4]
-16-
Descansos. Los descansos deben tener el ancho y la profundidad mínima coincidiendo
con el ancho de la escalera.
Las escaleras o los escalones aislados, deben disponer de una iluminación que permitan
distinguirlos claramente. Cuando la iluminación no es suficiente y en especial para
escalones aislados, estos deben adicionalmente, presentar textura de color y contraste
que los diferencie del pavimento general.
Figura 1. Medidas de escaleras en edificios
Fuente: Norma NTE INEN 2249
Pasamanos. Las escaleras deberán tener pasamanos a ambos lados y que cumplan con la
NTE INEN 2244, continuos en todo su recorrido y con prolongaciones horizontales no
menores de 300 mm al comienzo y al final de aquellas.
Se deben colocar pasamanos a 900 mm de altura recomendándose la colocación de otro
a 700 mm de altura. Las alturas se medirán verticalmente desde la arista exterior
(virtual) de la escalera, con tolerancias de ± 50 mm.
2.7.2
Ventanas. Según la norma NTE INEN 2312:2001 accesibilidad de las personas
con discapacidad y movilidad reducida al medio físico edificios. Establece los requisitos
que deben cumplir las ventanas de los edificios públicos y privados, a continuación se
resumen las más importantes.
Dimensiones. Las dimensiones de las ventanas están condicionadas por los siguientes
parámetros: la altura del nivel del ojo en posición sedente, lo cual se sitúa en 1 200 mm;
el nivel visual de una persona ambulante a una altura de 1 600 mm; y el ángulo de
visión de 30°. Cuando el antepecho de la ventana tenga una altura inferior a 850 mm se
debe considerar la colocación de elementos bajos de protección o pasamanos.
-17-
Alcance manual. Se debe evitar anteponer a las ventanas elementos que sobrepasen los
600 mm que reduzcan las posibilidades de alcance y control manual de los mecanismos
de acción de las ventanas. (Ver Figura 2).
2.7.3
Accesos. Se recomienda, según el clima, tanto para espacios públicos como
privados, que el acceso principal sea un espacio cerrado que se constituya en una
esclusa de separación, creando un pequeño colchón de aire inmóvil que disminuya las
pérdidas de aire caliente o frío del interior del edificio, así como también disponer de
una adecuada señalización para indicar las condiciones de accesibilidad a todas las
personas, indicando además aquellos lugares donde se proporciona orientación,
asistencia e información.
Figura 2. Medidas de una ventana en edificios
Fuente: Norma NTE INEN 2312
Tipos de señales. Existen distintos tipos de señales en función del destinatario: visuales,
táctiles y sonoras ya sea de información habitual o de alarma.
Señales Visuales. Las superficies no deben tener o causar reflejos que dificulten la
lectura del texto o identificación del pictograma. Se debe diferenciar el texto principal,
de la leyenda secundaria.
Las señalizaciones visuales deben estar bien iluminadas y claramente definidas en su
forma, color (contrastante) y grafismo, en base a las siguientes tablas:
-18-
Señales Táctiles. Las señales táctiles deben elaborarse en relieve suficientemente
contrastado, no lacerante y de dimensiones abarcables, y ubicarse a una altura accesible.
Las señales táctiles de percepción manual, deben ubicarse a alturas comprendidas entre
800 mm y 1 000 mm.
Señales Sonoras. Las señales sonoras deben ser emitidas de manera distinguible e
interpretable.
Tabla 1. Colores de seguridad y significado
COLOR
SIGNIFICADO
EJEMPLOS DE USO
Señal de parada
Signos de prohibición
Alto
Este color se usa también para prevenir
Prohibición
fuego y para marcar equipo contra
incendio y su localización
Atención
Indicación de peligros (fuego,
Cuidado
explosión, envenenamiento, etc.)
Peligro
Advertencia de obstáculos
Rutas de escape, salidas de emergencia,
Seguridad
estación de primeros auxilios
Obligación de usar equipos de
Acción
protección personal.
obligada *
Localización de teléfono.
(*) El color azul se considera color de seguridad sólo cuando se utiliza en
conjunto con un círculo.
Fuente: Norma INEN 2312
Ubicación de las señales. La señalización dentro de las instalaciones de un edificio
deberán poseer las siguientes características.
-19-
·
Las señales visuales ubicadas en las paredes, deben estar preferiblemente a la
altura de la vista (altura superior a 1 400 mm).
·
En los casos que se requiera una orientación especial para personas no videntes,
las señales táctiles o de bastón se deben disponer en pasamanos o en cintas que
acompañen los recorridos.
·
Las señales táctiles o de bastón que indiquen la proximidad de un desnivel o
cambio de dirección, deben realizarse mediante un cambio de textura en el
pavimento en todo el ancho del desnivel, en una longitud de 1 000 mm antes y
después de dicho desnivel y/o cambio de dirección.
·
En el exterior de los edificios públicos y privados, debe existir el símbolo de
accesibilidad, que indique que el edificio es accesible o franqueable.
Dimensiones de los textos. Las dimensiones de los textos deben estar de acuerdo con a
la siguiente relación, la relación entre la mayor distancia L, desde la cual la señal para
indicar la condición de accesibilidad puede ser entendida y el área mínima A de la señal
se da en la siguiente fórmula:
A = L2/2 000
(2)
En donde: A y L están expresadas en metros cuadrados y metros respectivamente. Esta
fórmula se aplica para distancias menores de 50 m.
Las letras deben tener dimensiones superiores a 15 mm, mientras que para las personas
con baja visión, se recomienda el empleo de letras de 15 mm a 40 mm de altura y 1 mm
de relieve. Las señalizaciones mediante cambio de textura en los pisos deben tener una
longitud superior a 1 000 mm.
Señales de alarma. Las señales de alarma deben cumplir lo siguiente:
·
Deben estar diseñadas y localizadas de manera que sea de fácil interpretación y
destacadamente perceptibles.
·
Las señales de alarma audibles deben producir un nivel de sonido de 80 dB y
nunca deben exceder los 100 dB.
-20-
Tabla 2. Señales de seguridad
FIGURA
DESCRIPCIÓN
Fondo blanco circulo y barra inclinada rojos. El símbolo de
seguridad será negro, colocado en el centro de la señal, pero
no debe sobreponerse a la barra inclinada roja. La banda de
color blanco periférica es opcional. Se recomienda que el
color rojo cubra por lo menos el 35% del área de la señal.
Fondo azul. El símbolo de seguridad o el texto serán
blancos y colocados en el centro de la señal, la franja blanca
periférica es opcional. El color azul debe cubrir por lo
menos el 50% del área de la señal. En caso de necesidad,
debe indicarse el nivel de protección requerido, mediante
palabras
y números
en una
señal
auxiliar
usada
conjuntamente con la señal de seguridad.
Fondo amarillo. Franja triangular negra. El símbolo de
seguridad será negro y estará colocado en el centro de la
señal, la franja periférica amarilla es opcional. El color
amarillo debe cubrir por lo menos el 50% del área de la
señal.
Fondo verde. Símbolo o texto de seguridad en blanco y
colocada en el centro de la señal. L a forma de la señal debe
ser un cuadrado o rectángulo de tamaño adecuado para
alojar el símbolo y/o texto de seguridad. El fondo verde.
Debe cubrir por lo menos un 50% del área de la señal. La
franja blanca periférica es opcional.
Fuente: Norma INEN 2312
2.7.4
Puertas. Según la NTE INEN 2309:2001 ''Accesibilidad de las personas al
medio físico, edificios. Espacios de acceso, Puertas”, lanorma establece las
dimensiones mínimas y las características generales que deben cumplir las puertas, que
-21-
se requieran en las edificaciones para facilitar el acceso, a continuación se resumen las
características más importantes.
Puertas. Son elementos usados en las edificaciones, cuya función es la de abrir, cerrar el
paso y acceder a viviendas, inmuebles y edificaciones en general; y entre éstas, aislar y
comunicar los ambientes.
Puertas abatibles. Son las que tienen una hoja rígida de apertura en un solo sentido por
rotación alrededor de un eje vertical situado en uno de los largueros. Pueden ser de
apertura derecha o izquierda según giren en el sentido de las agujas del reloj o en
sentido contrario, respectivamente.
Puertas corredizas. Son las que tienen una o varias hojas rígidas, de apertura con
traslación horizontal en un plano. Pueden ir entre tabiques, muros o adosadas a éstos.
Puertas automáticas. Son las que funcionan con un sistema de accionamiento
automático, el que puede ser por conmutador eléctrico, radar, rayos infrarrojos, etc.
Puerta de vaivén. Puerta de una o dos hojas rígidas, de apertura en cualquier sentido,
por rotación, alrededor de un eje vertical situado en uno de los largueros o en ambos.
Puerta plegable. Son puertas que constan de dos o más hojas articuladas entre sí que se
recogen hacia uno de los largueros mediante un sistema de rieles superior y/o inferior.
Dimensiones. Las puertas, a más de los requisitos de la norma NTE INEN 1995, deben
tener las siguientes dimensiones: ancho libre mínimo de 900 mm y la altura 2050 mm.
(Ver Figura 3).
Puertas automáticas. Las puertas de apertura automática deben estar provistas de un
sensor de detección elíptica cuyo punto extremo estará situado a 1 500 mm de distancia
de la puerta en una altura de 900 mm del piso terminado en un ancho superior al de la
puerta en 600 mm a cada lado de esta. (Ver Figura 4)
El tiempo de apertura estará determinado por el sensor, por tal razón es indispensable la
colocación de estos, tanto en el interior como en el exterior.
“Los edificios públicos preferiblemente deben tener puertas automáticas corredizas”.
-22-
Detector de piso. Las alfombras o moquetas de activación deben ser de 1 500 mm de
largo por un ancho superior al de la puerta en 600 mm a cada lado de esta, además estas
alfombras deben estar provistas de puntos sensibles en toda la superficie, el sistema
debe activarse con 20 kg de peso.
Puertas giratorias. Este tipo de puertas no es accesible para personas con discapacidad
y movilidad reducida. Donde se instale una puerta giratoria, debe colocarse una puerta
alternativa de entrada para personas con discapacidad y movilidad reducida de acuerdo
a las NTE INEN correspondientes.
Figura 3. Dimensiones de una puerta para edificios
Fuente: Norma INEN 2309
Figura 4. Dimensiones para una puerta automática
Fuente: Norma INEN 2309
-23-
2.7.5
Área higiénico-sanitaria. Según la NTE INEN 2 293:2001 Accesibilidad de las
personas con discapacidad y movilidad reducida al medio físico. Área Higiénicosanitaria, establece los requisitos que debe cumplir un edificio en sus instalaciones
sanitarias, a continuación se resumen las características más importantes.
Distribución. La dotación y distribución de los cuartos de baño, determina las
dimensiones mínimas del espacio para que los usuarios puedan acceder y hacer uso de
las instalaciones con autonomía o ayudados por otra persona; se debe tener en cuenta los
espacios de actividad, tanto de aproximación como de uso de cada aparato y el espacio
libre para realizar la maniobra de giro de 360°, es decir, una circunferencia de 1 500
mm de diámetro, sin obstáculo al menos hasta una altura de 670 mm, para permitir el
paso de las piernas bajo el lavabo al girar la silla de ruedas.
En baños públicos, los recintos deben estar separados según el sexo; cuando forman un
núcleo compactado, la solución correcta debe disponer de dos recintos independientes
para baños especiales con acceso directo.
Dimensiones. Dentro de las instalaciones de un edificio y en especial público se deberán
considerar las siguientes dimensiones que se resumen a continuación y las establecidas
en esta norma en estudio:
Lavabo. La aproximación al lavabo debe ser frontal u oblicua para permitir el
acercamiento de la silla de ruedas. El espacio inferior debe dejarse libre hasta una altura
mínima de 670 mm y una profundidad de 600 mm. La altura mínima de colocación es
800 mm y la máxima de 900 a 950 mm dependiendo si el usuario es niño o adulto; y su
forma de utilización es sentada o de pie.
La grifería y llaves de control del agua, así como los accesorios (toalleros, jaboneras,
interruptores, tomacorrientes etc.), deben ubicarse por encima del plano de trabajo, en
una zona alcanzable, en un radio de acción de 600 mm.
Inodoro. Las formas de aproximación al inodoro deben ser frontales, oblicuas y laterales
a derecha o izquierda, según la forma en que se vaya a realizar la transferencia desde la
silla de ruedas, con relación a la ubicación y tipos de apoyo. Las reservas de espacio
están condicionadas según las posibilidades de acceso.
-24-
Urinarios. El tipo de aproximación del usuario debe ser frontal. En los urinarios
murales para niños, la altura debe ser de 400 mm y para adultos de 600 mm. Los
mecanismos de descarga del agua deben accionarse mediante operación mano mando u
otros mecanismos que empleen tecnología de punta.
Barras de apoyo. Todas las barras de apoyo que facilitan el acceso deben ser continuas
y estables a fin de facilitar el ingreso de personas con discapacidad a los espacios, sus
medidas y especificaciones se detallan en la presente norma en estudio. (Ver: NTE
INEN 2 293:2001 Accesibilidad de las personas con discapacidad y movilidad reducida
al medio físico. Área Higiénico-sanitaria.).
Ventilación. El sistema de ventilación debe proporcionar una renovación del aire
equivalente a 5 volúmenes por hora.
2.7.6
Artefactos sanitarios. Según la NTE INEN 1571:2011 segunda revisión,
“Artefactos sanitarios”, establece los requisitos que deben cumplir los artefactos
sanitarios en un edificio, a continuación se resumen las características más importantes
a cumplir.
Consumo de agua y características hidráulicas. El consumo promedio de agua máximo
por descarga a todas las presiones de prueba para inodoros y urinarios, ensayado de
acuerdo con la NTE INEN 1570, debe cumplir con:
·
4,8 litros por descarga para inodoros de alta eficiencia.
·
6,2 litros por descarga para inodoros de bajo consumo.
·
1,9 litros por descarga para urinarios de alta eficiencia.
·
3,8 litros por descarga para urinarios de bajo consumo.
Para el caso de inodoros de doble descarga, el consumo de agua máximo debe ser 4,8
litros por descarga en promedio.
Tiempo de ciclo. El tiempo de ciclo no debe exceder 3,2 min a cualquier presión estática
entre 0,14 y 0,55 MPa.
2.7.7
Eficiencia energética. Según la NTE INEN 2506:2009 eficiencia energética en
edificaciones requisitos, establece los requisitos que debe cumplir un edificio para
-25-
reducir a límites sostenibles su consumo de energía y conseguir asimismo que una parte
de este consumo proceda de fuentes de energía renovable.
Esta norma se aplica a edificios de nueva construcción, y a edificios cuyas
modificaciones, reformas o rehabilitaciones sean superiores al 25% del envolvente del
edificio, con excepción de:
·
Edificios y monumentos protegidos oficialmente por ser parte de un entorno
declarado o en razón de su particular valor arquitectónico o histórico.
·
Construcciones provisionales con un plazo previsto de utilización igual o inferior
a dos años.
·
Edificios utilizados como lugares de culto y para actividades religiosas.
·
Instalaciones industriales, talleres y edificios agrícolas no residenciales.
·
Edificaciones que por sus características deban permanecer abiertas.
Sistema de aprovechamiento de luz natural. Conjunto de dispositivos, cableado y
componentes destinados a regular de forma automática el flujo luminoso de una
instalación de iluminación, en función del flujo luminoso aportado a la zona por la luz
natural, de tal forma que ambos flujos aporten un nivel de iluminación fijado en un
punto, en donde se encontraría el sensor de luz.
Existen dos tipos fundamentales de regulación:
·
Regulación toda o nada. La iluminación se enciende o se apaga por debajo o por
encima de un nivel de iluminación prefijado.
·
Regulación progresiva. La iluminación se va ajustando progresivamente según el
aporte de luz natural hasta conseguir el nivel de iluminación prefijado.
Sistema de detección de presencia. Conjunto de dispositivos, cableado y componentes
destinados a controlar de forma automática, el encendido y apagado de una instalación
de iluminación en función de presencia o no de personas en la zona.
Existen cuatro tipos fundamentales de detección:
·
Infrarrojos.
·
Acústicos por ultrasonido.
-26-
·
Por microondas.
·
Híbrido de los anteriores.
Sistema de temporización. Conjunto de dispositivos, cableado y componentes
destinados a regular de forma automática, el apagado de una instalación de iluminación
en función del tiempo de encendido prefijado.
Zonas de representación. Espacios en los que el criterio de diseño, la imagen o el estado
anímico que se quiere transmitir al usuario con la iluminación, son preponderantes
frente a los criterios de eficiencia energética.
Zonas de no representación. Espacios en los que el criterio de diseño, la imagen o el
estado anímico que se quiere transmitir al usuario con la iluminación, queda relegado a
un segundo plano frente a otros criterios como el de iluminación, el confort visual, la
seguridad y la eficiencia energética.
Aislamiento térmico en la envolvente del edificio. La envolvente de los edificios limitará
adecuadamente la demanda energética necesaria para alcanzar el confort térmico en
función de:
·
Clima y uso del edificio.
·
Características de aislamiento e inercia, permeabilidad al aire y exposición a la
radiación solar de materiales usados en la construcción de cubiertas, paredes y
ventanas del edificio.
Para el cálculo y determinación de los aspectos físicos de los literales a) y b), del
numeral de esta norma, se debe tomar en cuenta la publicación del INEN: Asoleamiento
y sus aplicaciones para el diseño climatológico de la vivienda en el Ecuador - INEN, y
el Anexo A de la presente norma.
Adecuada forma y orientación del edificio. La forma de un edificio interviene de
manera directa en el aprovechamiento climático del entorno, esto a través de dos
elementos básicos: la superficie y el volumen.
Iluminación eficiente. Los edificios dispondrán de:
-27-
·
Instalaciones de iluminación adecuadas a las necesidades de sus usuarios y que
cumplan con el reglamento técnico ecuatoriano RTE-INEN-036 Eficiencia
energética, lámparas fluorescentes compactas, rangos de desempeño energético y
etiquetado.
·
Sistemas de control que permitan ajustar el encendido a la ocupación real de la
zona, toda zona dispondrá al menos de un sistema de encendido y apagado
manual, cuando no disponga de otro sistema de control, no aceptándose los
sistemas de encendido y apagado en tableros eléctricos como único sistema de
control.
·
Las zonas de uso esporádico dispondrán de un control de encendido y apagado por
sistema de detección de presencia o sistema de temporización.
Uso de energías renovables
Contribución solar mínima de agua caliente sanitaria. En edificios de cualquier uso en
los que exista una demanda de agua caliente sanitaria y/o climatización de piscina
cubierta, se deberá proveer un porcentaje de contribución solar mínima anual, en
función de:
·
Nivel de demanda de agua caliente sanitaria.
·
Tipo de fuente energética de apoyo.
·
Condición climática.
Contribución mínima fotovoltaica de energía eléctrica. Los edificios de usos indicados,
a los efectos de esta sección, incorporarán sistemas de captación y transformación de
energía solar por procedimientos fotovoltaicos que superen los límites de aplicación
establecidas. La incorporación de mencionados sistemas de captación y transformación
de energía solar, deben regirse a las normas técnicas ecuatorianas vigentes para
colectores solares y sistemas fotovoltaicos.
2.8
Componentes de un sistema domótico en los edificios
Para conseguir esto, el sistema de control debe estar comunicado con el entorno. Esta
comunicación debe facilitar:
-28-
·
Información sobre el estado del edificio (sensores).
·
Elementos que ejecuten las acciones del sistema de control (actuadores).
·
Sistemas de control.
·
Infraestructura de comunicaciones.
El Sensor. Tiene la función de recoger la información de la instalación, con el objetivo
de que el sistema de control pueda tomar decisiones en base a esta información. Los
sensores pueden ser continuos o discretos; y las señales que generan, analógicas o
digitales.
Los actuadores. Son los elementos que actúan sobre el medio que se está controlando, y
ejecutan las órdenes generadas por el sistema de control; al igual que los sensores,
pueden tener un funcionamiento continuo o discreto, y se pueden controlar mediante
señales analógicas o digitales.
Normalmente, los sistemas de control no pueden actuar directamente sobre los
actuadores debido a los niveles y tipos de señales que pueden generar. Los dispositivos
que adaptan las señales de control a los niveles y tipos que aceptan los actuadores se los
conoce como interfaces.
Los sistemas de control. Son los encargados de recoger la información de lo que está
pasando en el sistema o proceso y generar las ordenes de control para llevar al sistema
al punto de funcionamiento deseado.
Los sistemas de control se caracterizan por el número de entradas analógicas y digitales,
el número de salidas analógicas y digitales, y las capacidades de comunicación que
tienen para implementar el sistema de control, se puede utilizar autómatas programables
(PLC’s), sistemas basados en microcontroladores (PIC’s), aunque la tendencia actual es
crear sistemas específicos para el control inteligente de las instalaciones donde existe la
supervisión de un PC.
La infraestructura de comunicación. Hace referencia a cómo se comunican los sensores
y actuadores con el sistema de control. Son las vías por las que camina la información
que permite gestionar el sistema.
-29-
Por tanto, al hablar de la infraestructura de la instalación, se hace referencia al cableado
de la misma y cómo este cableado se distribuye. Según el sistema que se elija y su
diseño, se pueden reducir mucho los costos de la instalación. Además está la propia
alimentación de los sensores y actuadores, sin la cual no funcionarían.
2.9
Topologías de cableado
La topología es la forma en que se instala un cableado en un edificio o área
determinada. No es que haya muchas formas de hacerlo, pero cada forma implica una
serie de consideraciones que afectan a la velocidad y calidad de la transmisión de la
información que fluye por el cable. Las topologías más conocidas son, la topología en
línea o BUS, en estrella, y múltiple o mixta. [5]
2.9.1
Topología en bus o línea. Quizás la más importante debido a ser la pionera en
cuanto a su uso en los primeros sistemas inteligentes de climatización, esta topología
consiste en lanzar un cable bifilar a lo largo de una línea que recorre los diferentes
dispositivos a los que se pretende mandar o de los que se pretende extraer información.
2.9.2
Topología en estrella. En este caso, cada elemento de campo tiene asignado su
cable; es decir, desde el núcleo central de proceso de datos sale una línea a cada sensor
o actuador del sistema gobernado.
De aquí que la topología en estrella se denomina también topología centralizada. Esta
topología permite independizar e identificar rápidamente las averías, multiplica la
velocidad de transmisión de la información, incrementa la seguridad del edificio y
posibilita su expansión mediante la creación de subnúcleos.
2.9.3
Topologías mixtas. Las topologías mixtas resultan de la combinación de las
topologías en bus y estrella, así se tiene:
·
Mixta Bus / Estrella. Por ejemplo, en un edificio de varias plantas, puede existir
una topología centralizada en cada planta. Los centros de recepción de cada planta
recogen las señales existentes en ellas, y a su vez deben estar interconectados
entre sí. A veces bastará con una línea que una los centros de planta para
establecer la comunicación pretendida, y así, la topología de cableado en cada
-30-
planta quedará en estrella, mientras que la topología de comunicación entre
cuadros de planta será en línea.
·
Mixta Estrella / Estrella o Súper Estrella. Si en el ejemplo anterior, los centros de
recepción de cada planta se unen respecto de un núcleo central mediante nuevas
ramas diferentes (una para cada planta) se llega a una topología compuesta por un
supernúcleo y varios subnúcleos.
2.10
Tecnologías disponibles en el mercado para la implementación de edificios
inteligentes con tendencias actuales de estandarización
La estandarización se refiere al hecho de que un sistema de automatización de un
edificio sea compatible con elementos físicos y lógicos de otros fabricantes.
En los sistemas tradicionales el emisor y el receptor están unidos físicamente, por lo que
se requiere que exista una infraestructura previa en la edificación para poder
implementarse.
En la tabla 3 se describen los estándares y/o tecnologías de automatización más
utilizadas e importantes en la actualidad, en el mercado europeo y americano.
2.11
Los microcontroladores
2.11.1
Definición. Un microcontrolador es un circuito integrado, en cuyo interior
posee toda la arquitectura de un computador, esto es CPU, memorias RAM, EEPROM,
y circuitos de entrada y salida.
Un microcontrolador de fábrica, no realiza tarea alguna, este debe ser programado para
que realice desde un simple parpadeo de un LED hasta un sofisticado control de un
robot. Un microcontrolador es capaz de realizar la tarea de muchos circuitos lógicos
como compuertas AND, OR, NOT, NAND, conversores A/D, D/A, temporizadores,
decodificadores, etc. simplificando todo el diseño a una placa de reducido tamaño y
pocos elementos. [6]
-31-
Tabla 3. Cuadro comparativo de tecnologías disponibles en el mercado para
implementación de edificios inteligentes
Tecnología
Tipo de
Protocolo
Soporte
Físico
CARACTERÍSTICAS
Velocidad
transferencia
X10
Estándar
Red Eléctrica
60bps (USA)
50bps
(EUROPA)
EHS
Abierto
Red Eléctrica,
Par trenzado
2.4Kbps
48Kbps
BATIBUS
Abierto
Par trenzado
4800bps
KONNEX
Abierto
UTP, RF,
Par trenzado
LONWORKS
Estándar
Todos
BACNET
Abierto
Coaxial, Par
Trenzado
9600bps
1200bps/24000
2.4 Kbps
78 Kbps a
1.28Mbps
5.4 Kbps
1Mbps a
100Mbps
CEBUS
Abierto
Todos
10000bit/s
Tecnología
VENTAJAS
Alcance
Según longitud de
red
Según longitud de
cable
200m a1500m
1000m
6000m
1500m a
2700m
100m
Depende del
medio
DESVENTAJAS
X10
No necesita de nuevos cables.
Mayor confiabilidad.
EHS
Compatibilidad de equipos.
Baja velocidad de transmisión.
Configuración automática y posibilidad
Complejidad en instalaciones
de ampliación.
BATIBUS
Red centralizada con posibilidad de
Baja velocidad de transmisión.
diversas topologías.
KONNEX
Fácil instalación y configuración.
Mayor distancia de transferencia.
Compatibilidad entre equipos.
Baja velocidad de
transmisión
Alta velocidad de transmisión. Estándar
global y fácil programación
Tecnología costosa
Fácil integración de elementos.
Equipos
mercado.
No requiere de controladores centrales.
Expansibilidad de la red.
Tecnología económica.
No
cumple
normativas
europeas.
Baja velocidad de transmisión
LONWORKS
BACNET
CEBUS
Baja velocidad de
Transmisión.
escasos
en
Fuente: http://dspace.espoch.edu.ec/bitstream/123456789/595/1/18T00429.pdf
-32-
el
2.11.2
Introducción a los microcontroladores. Los microcontroladores son
diseñados para reducir el costo económico y el consumo de energía de un sistema en
particular. Por eso el tamaño de la unidad central de procesamiento, la cantidad de
memoria y los periféricos incluidos dependerán de la aplicación.
Un microcontrolador difiere de una unidad central de procesamiento normal (CPU),
debido a que es más fácil convertirla en una computadora en funcionamiento, con un
mínimo de circuitos integrados externos de apoyo. La idea es que el circuito
integrado se coloque en el dispositivo, enganchado a la fuente de energía y de
información que necesite, y eso es todo. Un microprocesador tradicional no le
permitirá hacer esto, ya que espera que todas estas tareas sean manejadas por otros
chips. Hay que agregarle los módulos de entrada y salida (puertos) y la memoria para
almacenamiento de información.
Un microcontrolador típico tendrá un generador de reloj integrado y una pequeña
cantidad de memoria de acceso aleatorio y/o ROM/EPROM/EEPROM/flash, con lo
que para hacerlo funcionar todo lo que se necesita son unos pocos programas de
control y un cristal de sincronización.
2.11.3
Arquitectura
harvard
y
la
arquitectura
tradicional
de
los
microcontroladores
Arquitectura Harvard. La arquitectura Harvard dispone de dos memorias
independientes una, que contiene sólo instrucciones y otra, sólo datos. Ambas
disponen de sus respectivos sistemas de buses de acceso y es posible realizar
operaciones de acceso (lectura o escritura) simultáneamente en ambas memorias.
Arquitectura tradicional. Aunque inicialmente todos los microcontroladores
adoptaron la arquitectura clásica o tradicional de von Neumann, en el momento
presente se impone la arquitectura Harvard. La arquitectura de von Neumann se
caracteriza por disponer de una sola memoria principal donde se almacenan datos e
instrucciones de forma indistinta. A dicha memoria se accede a través de un sistema
de buses único (direcciones, datos y control). [7]
-33-
Figura 5. Arquitectura Harvard de un microcontrolador
Fuente:
http://trabajoteorico1computacion1.wikispaces.com/Origen+del+Computador
Figura 6. Arquitectura tradicional de un microcontrolador
Fuente:
http://trabajoteorico1computacion1.wikispaces.com/Origen+del+Computador
2.11.4
Ventajas y desventajas
Ventajas
·
Un microcontrolador integra en un único encapsulado una o varias decenas de
elementos distintos con lo cual se obtiene una disminución en el volumen del
hardware y el circuito impreso.
·
Gran fiabilidad de los sistemas ya que al disminuir el número de componentes
el numero potencial de fuentes de error en los diseños también disminuye.
Desventajas
-34-
·
El nivel de programación de un microcontrolador por el almacenamiento de
programas que lo hace funcionar para realizar algún cambio es necesario borrar
todo el programa o según la aplicación la sustitución del mismo lo cual hace
incurrir en nuevos gastos.
·
Al igual que cualquier sistema programado es necesario disponer de
herramientas y medios de desarrollo para diseñar, desarrollar y comprobar los
sistemas lo cual requieren de una inversión que implica en el costo final.
2.11.5
Estructura y recursos de los microcontroladores
Estructura de un microcontrolador. El microcontrolador es un computador dedicado
a diversas aplicaciones. En su memoria sólo reside un programa destinado a gobernar
una aplicación determinada; sus líneas de entrada/salida soportan el conexionado de
los sensores y actuadores del dispositivo a controlar, y todos los recursos
complementarios
disponibles
tienen
como
única
finalidad
atender
sus
requerimientos. Una vez programado y configurado el microcontrolador solamente
sirve para gobernar la tarea asignada.
El propósito fundamental de los microcontroladores es el de leer y ejecutar los
programas que el usuario le escribe, es por esto que la programación es una actividad
básica e indispensable cuando se diseñan circuitos y sistemas que los incluyan. El
carácter programable de los microcontroladores simplifica el diseño de circuitos
electrónicos.
Permiten modularidad y flexibilidad, ya que un mismo circuito se puede utilizar para
que realice diferentes funciones con solo cambiar el programa del microcontrolador.
En la figura 7 se muestra la estructura interna básica de un microcontrolador la
estructura interna varía de acuerdo al número de E/S, recursos, puertos de
comunicación y periféricos para el cual fue diseñado.
2.11.6
Recursos de los microcontroladores. Algunas de las características y
recursos generales y comunes a casi todos los PIC’s son:
-35-
·
Están fabricados con tecnología CMOS. Aunque los dispositivos CMOS son
más lentos que los TTL, son ideales para los microcontroladores porque
requieren de menor consumo de energía. Es posible implementar sistemas que
solo se alimenten de baterías corrientes. La tecnología CMOS, como sabemos,
también significa que los transistores, al ser mucho menos, ocupan mucho
menor espacio en el chip.
Figura 7. Estructura interna básica de un microcontrolador
Fuente: Datasheet Microchip
·
Memorias. Entre las principales memorias de un microcontrolador posee son:
de programa (FLASH, OTP o ROM), memoria de datos estática (SRAM) y
memoria EEPROM internas.
·
Puertos de E/S. Son bidireccionales configurables independientemente pin por
pin.
·
Suministro de alta corriente en los puertos de E/S.
-36-
·
Timer’s. Temporizadores de alta precisión o contadores de pulsos externos.
·
WatchDog. Monitoriza que el PIC funcione adecuadamente a lo que se
esperaba y no se cuelgue.
·
ICSP (In Circuit Serial Programming). Permite realizar la programación del
PIC utilizando una interface serial con muy pocos pines.
·
Bits de Configuración. A veces llamados fuses, permiten establecer un
determinado modo de funcionamiento del PIC, como el tipo de oscilador que
utilizará o si el código grabado podrá o no ser leído después de la
programación.
2.11.7
Recursos especiales. Cada fabricante oferta numerosas versiones de una
arquitectura básica de microcontrolador. En algunas amplía las capacidades de las
memorias, en otras incorpora nuevos recursos, en otras reduce las prestaciones al
mínimo para aplicaciones muy simples, etc. La labor del diseñador es encontrar el
modelo mínimo que satisfaga todos los requerimientos de su aplicación. De esta
forma, minimizará el coste, el hardware y el software.
Los
principales
recursos
específicos
y
periféricos
que
incorporan
los
microcontroladores son:
·
Módulos PWM. Generadores de ondas PWM (Pulse Width Modulation). Son
particularmente útiles para controlar la velocidad de los motores DC.
·
Conversores Analógico-Digital, ADC. Para recibir señales analógicas
provenientes de los sensores y elementos de mando.
·
Puerto Serial Síncrono, MSSP. Para la comunicación con dispositivos que
utilizan los buses I2C o SPI.
·
Puerto Paralelo Esclavo, SPP. Por ejemplo, para conectarse directamente con el
puerto paralelo del PC.
·
USART,
Transmisor
Receptor
Síncrono
Asíncrono
Universal.
Para
comunicarse mediante los protocolos RS232 con cualquier dispositivo que
también lo soporte. Por ejemplo, podemos conectar nuestro PIC al puerto serie
del PC o a cualquier otro microcontrolador con USART.
·
Módulo Comparador Analógico. Nos puede ahorrar un OP-AMP y algo más.
-37-
·
Módulo CAN. Para facilitarle al PIC su conexión con otros microcontroladores
en una pequeña red LAN con un protocolo robusto para trabajar en condiciones
extremas.
·
Módulo USB. Casi todos los dispositivos digitales modernos presentan
interface USB. Con esto podemos diseñar sistemas que no tengan nada que
envidiarles.
·
Puertos para comunicación Ethernet.
·
Hay una enorme cantidad de otros buses y periféricos disponibles para la
industria automotriz (linbus) o de medios audiovisuales como el i2s, IEEE
1394. Es usuario se los encontrará cuando trabaje en alguna área especializada.
2.11.8
La familia PIC. Hay diversos criterios que se pueden asumir para clasificar
los microcontroladores, las clasificaciones más usuales son:
Según la longitud del bus de datos. Microcontroladores de 8 bits, de 16 bits o de 32
bits. A mayor longitud del bus de datos, mayor será la eficiencia del
microcontrolador en operaciones con datos grandes. Pero al mismo tiempo la
complejidad del chip y por ende su costo también aumentará.
Según sus recursos. Los hay desde los que tienen los recursos mínimos hasta los que
cuentan con los periféricos más sofisticados, como módulos CAN (para
comunicaciones robustas entre varios microcontroladores), módulos para conectarse
a los ordenadores vía USB o funciones hardware para el procesamiento digital de
señales, para trabajar con datos multimedia. Los microcontroladores con esta última
capacidad se conocen con el nombre de DSP (Digital Signal Processor).
Según el set de instrucciones
·
Con instrucciones CISC (Complex Instruction Set Computer). El set de
instrucciones CISC es inherente a los primeros microcontroladores que
aparecieron en el mundo, los cuales estaban inspirados en los procesadores de
los grandes computadores de la época. Es complejo porque consta de muchas
instrucciones, complicadas y difíciles de recordar a la hora de programar en
lenguaje ensamblador. Además, al crecer el número de instrucciones también
-38-
crecerán los códigos de las instrucciones, lo cual deriva en una mella en la
eficiencia del microcontrolador.
·
Con instrucciones RISC (Reduced Instruction Set Computer). Estos
microcontroladores cuentan con instrucciones sencillas y en un número
mínimo. Ello permite que la programación en ensamblador sea una labor
cómoda y esté al alcance de todos. Sin embargo, cuando se desarrollan
proyectos mucho más complejos, el uso del lenguaje ensamblador se torna cada
vez más engorroso. Entonces se prefiere optar por los compiladores de alto
nivel, para los cuales un set RISC no es obstáculo.
Según su arquitectura interna
·
Microcontroladores
con
arquitectura
de
VON
NEUMANN.
Estos
microcontroladores tienen una memoria única que constituye tanto el segmento
de memoria de programa como el de datos. Con un solo bus de comunicación
entre dicha memoria y el procesador no es posible realizar diversos accesos a la
vez.
·
Microcontroladores con arquitectura Harvard. En esta estructura los
microcontroladores disponen de dos memorias, una que contiene el programa y
otra para almacenar los datos. De este modo el CPU puede tener acceso
simultáneo
a
ambas
memorias
utilizando
buses
diferentes.
Más
específicamente, el CPU puede leer la siguiente instrucción de programa
mientras está procesando los datos de la instrucción actual. Actualmente todos
los microcontroladores se inclinan por esta arquitectura.
Según el fabricante. Hay muchas marcas de microcontroladores en el mercado. A
veces un mismo tipo de microcontrolador lo suelen proveer diversos fabricantes, por
lo que ésta no es una clasificación estrictamente metódica.
·
Los microcontroladores PICMICRO o PIC de microchip. Sin lugar a dudas,
son los microcontroladores que han fascinado al mundo en los últimos años. Su
facilidad de uso, comodidad y rapidez en el desarrollo de aplicaciones,
abundante información y libre disposición de herramientas software
proporcionada por Microchip le han permitido ganar terreno rápidamente en el
-39-
mercado de los microcontroladores a nivel mundial, hasta convertirse en los
microcontroladores más vendidos en la actualidad.
Los buenos resultados que le dieron a Microchip la estrategia de proveer
libremente a los usuarios de muchas herramientas software para el desarrollo
de proyectos con sus productos hicieron que los otros fabricantes de
microcontroladores también la adoptaran, aunque parece que la ventaja de
Microchip en el mercado está ya marcada y tal vez se acentúe más en el futuro.
·
Los microcontroladores AVR de ATMEL. Uno de los productos estrella de
Atmel son microcontroladores AVR. Comparado con otros microcontroladores
de 8 bits, en distintos modelos por supuesto, pueden tener memoria de
programa
flash
reprogramable,
capacidad
ICSP
(In
Circuit
Serial
Programming), puertos configurables como E/S pin a pin, interfaces de
comunicación serial RS232 e I2C, módulos generadores de onda PWM, etc.
·
Los microcontroladores de FREESCALE. Freescale tiene una producción de
microcontroladores basados en la arquitectura los productos de Motorola y
dotándoles de todo el arsenal tecnológico de la actualidad. Salvo el prestigio
legado no tienen nada nuevo en su hardware que no se pueda hallar en otros
microcontroladores.
·
Los módulos BASIC STAMP de PARALLAX. Los Basic Stamp nos son una
nueva familia de microcontroladores; son módulos montados sobre otros
microcontroladores. Cuentan con un microcontrolador, un circuito oscilador, el
circuito de interface con el puerto serie del ordenador, una memoria externa
para almacenar el programa y un regulador de tensión; todo en una pequeña
tarjeta directa y/o fácilmente conectable a los ordenadores.
·
Los microcontroladores 8051 de INTEL. Intel era otro de los gigantes de los
microcontroladores y µPs. Sus productos más conocidos eran los famosos
8051, 80151 y 80251, pero actualmente ya no tiene interés en fabricarlos.
2.12
Circuito integrado 555
El dispositivo 555 es un circuito integrado monolítico de bajo coste y elevadas
prestaciones, encontrando sus principales aplicaciones como multivibrador estable y
monoestable, conformador y/o detector de pulsos, oscilador, etc., tiene en cualquiera
-40-
de los casos, como características principales la necesidad de muy pocos
componentes auxiliares y la facilidad de cálculo y diseño de sus circuitos asociados.
El 555 convencional consta internamente de 23 transistores, 2 diodos y 12
resistencias de las cuales 3 son de 5000 ohms por eso tiene el nombre de 555. Este
circuito tiene una capacidad suficiente para impulsar directamente LEDs,
zumbadores, bobinas de relé, parlantes, piezoeléctricos y otros componentes,
además, es directamente compatible con circuitos integrados digitales estándares, que
es otra de sus grandes ventajas. En la figura 8 se muestra el diagrama de distribución
de pines de este elemento electrónico.
Figura 8. Diagrama de pines del CI 555
Fuente: Datasheet Texas Instruments
-41-
CAPÍTULO III
3.
ESTUDIODE IMPLEMENTACIÓN DE EDIFICIOS INTELIGENTES
EN LA ESCUELA DE INGENIERÍA DE MANTENIMIENTO DE LA
FACULTAD DE MECÁNICA DE LA ESPOCH
En este capítulo se realizará el estudio de los diferentes sistemas de control domótico
que debe tener un edificio inteligente para la Escuela de Ingeniería de
Mantenimiento, el cual abarca el sistema inteligente de iluminación, el sistema de
climatización, el sistema de control de cargas, el sistema inteligente de seguridad,
sistema inteligente para detección de incendios y generación de rutas de evacuación;
los cuales involucran hardware y software de los sistemas de control.
Particularmente la propuesta de diseño se centrará en los aspectos relacionados con
la infraestructura existente del edificio, con el software y control, los cuales deberán
cumplir con estándares de seguridad, confiabilidad y fiabilidad muy alta a fin de
evitar fallos en su implementación y funcionamiento, así como, cumplir con las
respectiva normatividad que establece el INEN y el CEC, se realizará el análisis de
la implementación de un sistema inteligente, mediante el cual el operador podrá
controlar, monitorear y conocer si los dispositivos o el sistema global está o no en
funcionamiento; además con la información que se registre del dispositivo instalado
(sensor), el sistema automáticamente generará reportes mostrando las condiciones
actuales y dando sugerencias para solucionar posibles problemas. Como caso
práctico se diseñará e implementará el software para el sistema inteligente de
iluminación el mismo que se aplicará a las áreas administrativas del edificio existente
de la Escuela.
3.1
Estudio de los planos arquitectónicos de los edificios
Como se sabe un edificio puede ser considerado inteligente siempre y cuando cumpla
con características de automatización, monitoreo y comunicaciones que lo gobierne y
se genere un nivel de inteligencia que satisfaga las necesidades de los usuarios y
conlleve a cumplir los objetivos de su diseño y construcción, en el presente estudio
se realizará un análisis comparativo del edificio en su diseño, para implementar
sistemas inteligentes de control y monitoreo a su infraestructura.
-42-
3.1.1
Descripción de los edificios de la Facultad de Mecánica. La Facultad de
Mecánica con sede en el Campus Central de la Escuela Superior Politécnica del
Chimborazo en la cuidad de Riobamba, actualmente cuenta con diferentes bloques de
edificios y talleres
funcionales
distribuidos para las cuatro Escuelas que la
conforman, no disponen de una tecnología actualizada en su infraestructura tanto en
oficinas, aulas, salas de audiovisuales, talleres, área higiénico-sanitaria y otros
departamentos del personal administrativo y de servicios, razón por la cual la falta de
sistemas de control y monitoreo , así como, de comunicaciones hace que los edificios
no cumplan con las características de seguridad, confort y eficiencia energética que
rigen las normas locales e internacionales y los mismos no puedan ser considerados
como edificios inteligentes.
3.1.2
Descripción del edificio de la escuela de Ingeniería de Mantenimiento. El
presente proyecto trata de un estudio para la implementación de edificio inteligente
en la Escuela de Ingeniería de Mantenimiento, para lo cual se ha considerado el
edificio existente actualmente ubicado en la manzana 80, bloque 27 de la de la
Facultad de Mecánica de la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo el mismo
que utiliza un terreno con un área rectangular de 372,69 m2, distribuido de la
siguiente manera:
·
Planta baja: laboratorio de Control y Manipulación de Automatismos,
laboratorio de Electrotecnia, servicios higiénicos, sala de audiovisuales (salón
azul), hall y laboratorio de Termodinámica Aplicada.
·
Planta alta: laboratorio de Electrónica, laboratorio de Control Industrial y
Máquinas Eléctricas, conserjería, hall, sala de profesores, salón de Computo,
Secretaría y Dirección.
En un total de 791,17 m2 de construcción.En el plano 1 se muestra la distribución
interna del edificio de las dos plantas.
-43-
3.2
Análisis de los requerimientos estructurales y la funcionalidad de los
edificios
Tomando en cuenta las diferentes normativas, características, sistemas y niveles de
inteligencia con el que debe contar un edificio para ser considerado inteligente se
analiza el aspecto estructural y funcional con el que debe contar el edificio de la
Escuela de Ingeniería de Mantenimiento.
3.2.1
Aspecto estructural. En el Capítulo II se mencionó los aspectos estructurales
que se debe contemplar en un edificio inteligente, los cuales se rigen de acuerdo a
normativas y estándares establecidos por diferentes organismos de control y
regulación de la construcción, así como, un diseño interdisciplinario del edificio, la
flexibilidad, la integración de servicios y el diseño exterior e interior son las
características más relevantes en un edificio inteligente, con lo cual se puede
establecer que el edificio existente de la Escuela de Ingeniería de Mantenimiento fue
diseñando con muy pocas posibilidades de ofrecer servicios con avanzada tecnología
a sus usuarios, por lo que se deduce que carece de aspectos estructurales importantes,
de entre los cuales se puede mencionar:
·
Falta de flexibilidad, ya que el edificio no puede incorporar nuevos servicios
sin modificaciones en su estructura, no permite realizar reubicaciones de los
espacios y actualmente las fachadas, áreas higiénicas sanitarias y accesos se
encuentran sus acabados en malas condiciones debido a la falta de
mantenimiento y falta de aplicación de normatividad en la construcción del
mismo.
·
El edificio no dispone de una integración de servicios, ya que no existen
sistemas de control automático de iluminación, confort, seguridad, eficiencia
energética e infraestructura con cableado y sistema de comunicaciones
adecuado.
·
El edificio no dispone de una planificación ambiental estratégica, ya que no
cuenta con las debidas señalizaciones en las diferentes áreas que lo conforman,
además debido a la falta de sistemas de control automáticos y la integración de
servicios hacen que la ergonomía en el lugar de trabajo y el entorno de
-44-
seguridad no sean tecnificados y adecuados para los usuarios y afecten al
confort durante la permanencia dentro de las instalaciones.
Considerando estos aspectos y que existen una serie de factores que no son
mencionadas se recomienda de un estudio más detallado desde la planificación del
edificio, en este caso el edificio se encuentra en funcionamiento y con las
características antes mencionadas, por ende la incorporación de nuevos sistemas
tendrán una mayor incidencia en el factor económico, con esto no se quiere decir que
no es factible realizar un proyecto de esta dimensión, ya que se generará un valor
agregado para los usuarios, que se determina en imagen social de la Escuela.
3.2.2
Aspecto funcional.Desde el punto de vista funcional, la capacidad de soporte
del edificio se puede evaluar en términos de cuatro elementos básicos: estructura,
sistemas, servicios y administración. Estos cuatro elementos y las relaciones entre
ellos, se deduce que el edificio carece de aspectos funcionales, de entre los cuales se
puede mencionar:
·
El edificio en su estructura actual dispone de una situación y ubicación
adecuada para aprovechar la luz natural, así como, espacios suficientes para
alojar dispositivos electrónicos y de comunicaciones, pero no posee sistemas
de control que minimicen el consumo de energía, garanticen la seguridad y el
confort, no dispone de sistemas o fuentes de suministro eléctrico alternativo
para emergencias y no dispone de conductos y registros adecuados para
realizar nuevas conexiones.
·
Por otra parte el edificio al no disponer de sistemas de seguridad no posee
señalización y equipos adecuados para actuar en caso de emergencias o
siniestros, además, no dispone de un sistema de información para administrar
de manera efectiva las diferentes actividades y servicios de los usuarios.
3.3
Estudio de los sistemas de control domótico para el edificio
El término inteligente no solo se refiere a la automatización de las actividades y
funciones de los actuadores de un edificio, si no que de acuerdo al aspecto estructural
y funcional deben contener sistemas de monitoreo y comunicaciones sofisticadas e
-45-
integradas que en conjunto con los sistemas inteligentes de control, se generan
niveles de inteligencia artificial que conllevan a no solo automatizar las instalaciones
si no también permitan realizar actividades como:
·
Tomar las decisiones oportunas en caso de emergencia.
·
Predecir y auto diagnosticar las fallas que se produzcan en el edificio.
·
Tomar las acciones adecuadas para resolver las fallas detectadas.
·
Controlar las actividades y el funcionamiento de las instalaciones del edificio.
·
Realizar y reportar informes a los operadores y usuarios.
Mediante estos antecedentes podemos establecer los elementos básicos para que un
sistema pueda ser considerado inteligente en las instalaciones de un edificio.
Figura 9. Elementos básicos de un sistema inteligente en edificios
Fuente: Autores
El Nivel Físico, contiene todos los dispositivos, como son: sensores de temperatura,
humedad, luminosidad, presencia, detectores de fuego y sismos, alarmas; además de
los aparatos de automatización, el cableado e instalaciones básicas del edificio.
-46-
El sistema de monitoreo, se encarga de verificar periódicamente todos los
dispositivos recogiendo información sobre su desempeño. Esta información es
enviada al sistema inteligente de control y comunicaciones para ser utilizada en la
toma de decisiones.
Sistema de Control Inteligente, se encarga de controlar, supervisar y decidir sobre el
funcionamiento de las instalaciones del edificio. Para ello analiza la información
proveniente del monitoreo y comunicaciones, para en base a ello tomar las decisiones
pertinentes y ordenar las acciones en el nivel físico donde se encuentran los
actuadores.
Los servicios integrados generan reportes periódicos acerca del funcionamiento del
sistema, actividades de mantenimiento, reportes de llamadas de emergencia, etc., que
facilitan al usuario y los operadores llevar una documentación de el normal
funcionamiento del edificio.
3.3.1
Sistema inteligente de iluminación. El ahorro energético es una de los
objetivos fundamentales de un edificio inteligente, es por tal motivo necesario que el
sistema conste de un software y hardware según lo que establece la “NTE INEN
2506:2009 Eficiencia energética en edificaciones. Requisitos”, a fin de conseguir un
consumo de energía mínimo para lo cual es necesario considerar las siguientes
características:
·
Adecuada forma y orientación del edificio, se dispone de una forma y
orientación adecuada que permite un buen aprovechamiento climático del
entorno.
·
El sistema de control debe permitir ajustar el encendido a la ocupación real de
la zona, es necesario un control para encendido y apagado manual y
automático, para las zonas de uso esporádico será fundamental el uso de
sistemas de detección de presencia o sistemas de temporización.
·
Es necesario desarrollar sistemas que utilicen energía alternativa como la luz
solar, esto ayudará a minimizar el consumo de energía eléctrica.
·
El aprovechamiento de la luz natural es indispensable en todas las áreas del
edificio con excepción de lugares de audiovisuales y computo que afecta la
radiación del sol.
-47-
Funcionamiento software. El sistema no debe estar orientado a solo controlar
dispositivos electrónicos y eléctricos, sino que además debe facilitar información del
sistema, para que el operador visualice en un esquema de distribución los
dispositivos del sistema que permitan adquirir información para realizar actividades
de mantenimiento, así como, reportes del estado actual y fallos del sistema.
Es necesario el desarrollo de un sistema experto en donde se consideren las
especificaciones de los fabricantes de los dispositivos de control y actuadores, con la
finalidad de proporcionar al sistema la información de las condiciones de trabajo
normales, para que si algún dispositivo saliera de los parámetros normales de
funcionamiento, se emita una señal de alerta y un diagnóstico de la posible falla, para
que el operador sea quien determine las acciones preventivas o correctivas.
Diseño hardware. En el sistema inteligente de control de iluminación es importante
conocer las condiciones técnicas que deben cumplir los sensores y actuadores, la
selección de los mismos y su distribución en el edificio (plano eléctrico).La presente
propuesta no pretende ser una guía exacta del diseño, pero ayudará como una
referencia para la implementación del sistema a futuro.
No se considera el rediseño de las instalaciones eléctricas, el sistema de ductos, el
tipo de lámparas y demás dispositivos necesarios para implementar este sistema.
Analizando las diferentes necesidades de los usuarios y las normas vigentes locales
que regulan la construcción en el país, se establecen las siguientes condiciones de
funcionamiento que deberá cumplir el sistema:
·
El sistema encenderá las luces cuando detecte presencia de personas y el nivel
de luminosidad sea bajo en las oficinas, laboratorios, aulas y pasillos, caso
contrario las apagará, el mando será automático o manual mediante
interruptores y sensores.
·
Las luces de los pasillos y las áreas higiénicas sanitarias deberán encenderse
cuando ha llegado la noche o cuando el nivel de iluminación sea bajo; y
apagarse cuando no detecte presencia en la planta y contara con la
temporización adecuada a fin de evitar encendidos y apagados continuos que
afectan a los sistemas electrónicos.
-48-
·
Actuar en conjunto con otros sistemas que conforman el edificio para
garantizar la seguridad del personal y bienes del edificio.
En base a las condiciones de funcionamiento planteadas, el sistema inteligente de
iluminación se compone de los siguientes dispositivos:
·
Sensor de movimiento.
·
Sensor de luminosidad.
·
Controladores.
3.3.2
Sistema inteligente de climatización. Al igual que el sistema inteligente de
iluminación, el ahorro energético es uno de los objetivos fundamentales del edificio
inteligente, es por tal motivo necesario que el sistema conste de un software y
hardware según lo que establece la “NTE INEN 2506:2009 Eficiencia energética en
edificaciones. Requisitos”, a fin de conseguir un consumo de energía mínimo pero a
su vez garanticen el confort de los usuarios, para lo cual es necesario considerar las
siguientes características:
·
El aislamiento térmico de la envolvente del edificio limitará adecuadamente la
demanda energética al fin de alcanzar un buen confort para sus usuarios.
·
Las ventanas deben ser simples con doble vidrio y con tres vidrios a fin de
aprovechar al máximo la energía solar, así como, producir la ventilación
adecuada de los espacios.
·
Muchos de las oficinas e instalaciones educativas no serían confortables si no
contaran con un sistema de control permanente de ambiente interior. Se ha
demostrado que el desempeño laboral y bienestar de las personas está
dependiente en ocasiones por la temperatura ambiente.
Funcionamiento software. El sistema se encargará de la adquisición de datos de la
temperatura constantemente, para enviarlos al sistema de control el mismo que
generará alarmas de falla o mal funcionamiento del sistema.
El sistema deberá regular la temperatura interior de los espacios del edificio,
manteniéndola a un nivel óptimo que ayuden a los usuarios eliminar las condiciones
que provocan sueño, fatiga y estrés.
-49-
El sistema debe permitir conocer el estado de la temperatura en cualquier instante de
tiempo a través del sistema de monitoreo, para saber un histórico de las diferentes
variaciones y saber cuándo los sistemas han empezado a salir fuera de un régimen de
operación normal y así poder realizar actividades de mantenimiento en los sistemas
que ayuden a garantizar la confiabilidad y fiabilidad del sistema ante emergencias.
Para el desarrollo de este sistema es recomendable utilizar un control difuso con
lógica borrosa ya que la excesiva acumulación de datos no garantiza en qué momento
el sistema puede estar con problemas y las informaciones nuevas que se obtienen
pueden pasar por alto varias características de vital importancia en el normal
funcionamiento del sistema.
Diseño hardware. Como se conoce el edificio carece de flexibilidad ya que en su
diseño no se consideró la implementación de nuevos sistemas, con lo cual no se
dispone de obra civil como ductos de E/S para aire acondicionado, cuarto especial
para ubicación de equipos de calefacción y ventilación, que faciliten la
implementación de un sistema de climatización, ante esto es necesario la búsqueda
de alternativas que no influyan en cambios físicos en la infraestructura del edificio.
Por otra parte es necesario considerar que la mayoría de la infraestructura del edificio
son laboratorios y sus espacios son amplios razón
por la cual para poder
implementar el sistema de climatización resultaría muy elevado y estas áreas no son
utilizadas de manera permanente, lo cual resulta no factible la inversión en este
sistema en las áreas mencionadas pero si se puede aplicar a las áreas administrativas
y oficina de docentes en donde el área es reducida y de uso constante.
Analizado los diferentes factores y buscando la mejor alternativa sin que éstos
afecten a la infraestructura del edificio el sistema debe cumplir para su
funcionamiento con las siguientes condiciones:
·
El sistema de climatización recopila información del medio, en tiempo real,
mediante sensores de temperatura.
·
Esta información es transmitida al sistema inteligente de climatización para que
en base al valor de temperatura ingresado por el operador del sistema en
-50-
función de las necesidades, enviará una señal al sistema de acondicionamiento
de aire para que en forma automática suba o baje el nivel de temperatura.
·
En caso de incendio, los equipos serán inmediatamente apagados en forma
automática por el sistema.
·
Los equipos del acondicionamiento de aire pueden ser encendidos o apagados
de forma manual o automática.
En base a las condiciones de funcionamiento planteadas, el sistema inteligente de
climatización debe estar formado por los siguientes dispositivos:
·
Sensores de temperatura.
·
Sistema de acondicionamiento de aire superficial, por no disponer de la
infraestructura física para una instalación fija.
·
3.3.3
Controladores.
Sistema de control de cargas. La constante demanda social en la búsqueda
del bienestar de las personas, la creciente y necesaria preocupación por el aumento
de consumo energético y su contaminación asociada, así como el deseo de la
población, empresas, y gobierno por el uso de las denominadas energías alternativas,
hacen de la eficiencia energética una necesidad actual y de futuro.
Es una realidad, que el precio de la energía va en aumento y que las leyes sobre
emisión de gases de efecto invernadero (CO2) cada vez son más estrictas, en el
Ecuador esto pasa desapercibido debido al subsidio a la energía eléctrica por parte
del Gobierno Nacional y a que no existe una entidad que regule y controle la
contaminación del medio ambiente.
Por tales motivos el sistema de control de cargas deberá permitir incrementar el uso
eficiente y racional de los recursos utilizados en el edificio, ya que con ello podemos
equilibrar la economía con el medio ambiente.
Funcionamiento software. El sistema debe permitir medir el consumo de todos los
dispositivos eléctricos, en donde se pueda ver claramente la transparencia del flujo de
energía y los costos en el proceso administrativo tales como: representación gráfica
de datos en energía, asignación correcta de costos, administración de cargas,
-51-
visualización del plano del edificio con las instalaciones eléctricas tanto de
iluminación, control y fuerza el mismo que ayudara al personal de operación y
mantenimiento tener un plano global y claro de la infraestructura eléctrica y su
funcionamiento.
El sistema mediante un análisis histórico o estadístico deberá generar un reporte del
consumo de energía eléctrica por áreas el mismo que deberá ser expresado en
términos económicos a fin de concientizar a los usuarios el ahorro energético.
Es necesario que el sistema monitoree todas las instalaciones de manera continua a
fin de reportar también las fallas en el sistema ya sea por corte de suministro
eléctrico, huecos de tensión, cortocircuitos, sobrecargas, etc., su finalidad será
proteger otros equipos e instalaciones que son afectados por las fallas mencionadas.
Diseño hardware. El sistema de control deberá tener prioridad en la
conexión/desconexión de las cargas eléctricas es quizá la parte más importante en lo
que se refiere a la gestión de la energía, ya que con eso se garantiza la seguridad del
personal, así como de los bienes del edificio.
Se trata de establecer un orden de prioridades en la actuación de los dispositivos de
control de energía; de tal manera que partiendo de una tasa máxima de consumo
simultáneo se convenga dar prioridad dentro de las distintas líneas de alimentación
eléctrica, a los dispositivos más necesarios. Este objetivo se consigue con un sistema
autónomo que tome lectura del consumo de energía de cada circuito de la instalación
y corte el suministro de energía a las cargas de acuerdo a las prioridades que se
establezcan.
Las instalaciones del edificio deberán tener sistemas autónomos con sistemas
eléctricos que cumplan con las normativas nacionales e internacionales que
establecen como mínimo las siguientes condiciones:
·
Los dispositivos eléctricos en las áreas administrativas, salón de audiovisuales
y área higiénico-sanitaria, deberán garantizar la seguridad del personal y
operadores y cumplir con las especificaciones fijadas por las normas IEC
-52-
60898 ya que son instalaciones residenciales en donde no opera personal
idóneo en electricidad.
·
Los laboratorios de Control y Manipulación de Automatismos, Electrónica,
Máquinas Eléctricas y Control Industrial, Electrotecnia y Termodinámica
Aplicada tienen un ámbito con características industriales, los elementos
eléctricos deben cumplir con lo fijado por la norma IEC 60947 ya que en este
caso existe suministro en media y/o alta tensión y deberá ser operado y
mantenido los sistemas por personal idóneo en electricidad
·
Para la selección de los dispositivos eléctricos se deberán tomar en cuenta al
menos los siguientes aspectos:
a)
Funciones de salida protección, interrupción, conmutación.
b)
Características de la red: tensión, frecuencia, cantidad de polos, potencia de
cortocircuito de la red.
c)
Características de la carga: corriente nominal de consumo, factor de potencia.
d)
Continuidad de servicio deseada.
e)
Características del lugar de instalación: polución, temperatura, altura.
·
Todos los sistemas eléctricos deberán poseer sistemas de protección con
elementos para cortocircuitos, sobrecargas, pérdida de fases y cualquier riesgo
eléctrico ya que una corriente que excede los 30mA por un tiempo mayor a
500ms puede poner en riesgo a los usuarios, si ésta no es quitada a tiempo para
lo cual se deben considerar al menos los siguientes aspectos:
a)
La puesta a tierra de todas las partes expuestas que pueden ser conductoras del
equipamiento en la instalación, constituyendo una red equipotencial. La
desconexión automática de la sección de la instalación involucrada, de manera
tal que los requerimientos de tensión de contacto (Uc) y el tiempo de seguridad
sean respetados.
b)
Las instalaciones deberán poseer interruptores diferenciales debidamente
seleccionados para asegurar protección de personas contra los riesgos de la
corriente eléctrica en baja tensión, como consecuencia de un contacto indirecto
o directo.
-53-
c)
Las instalaciones deberán poseer interruptores termo magnético debidamente
seleccionado para asegurar la protección del personal y los bienes ante
sobrecargas y cortocircuitos.
d)
Los tomacorrientes deberán cumplir con las especificaciones de la norma IEC
60884-1, que establece el uso de tomacorrientes tripolares (F+N+T),
comúnmente conocidos como tomacorrientes polarizados, los mismos que
deberán ir colocados en forma horizontal con el neutro en la parte superior.
e)
Los tableros de distribución general e interna deberán cumplir con lo
establecido por las normas: IEC 60439-3.
3.3.4
Sistema inteligente de seguridad. Un edificio inteligente debe poseer un
sistema de seguridad tal que garantice el normal desempeño de las actividades y
servicios y la protección de los usuarios, así como de los bienes que posee en sus
instalaciones, frente a esto el sistema debe ser capaz de actuar ante la desconfianza e
inseguridad colectiva que está en el medio que lo rodea.
De acuerdo al análisis realizado, se ha determinado que no existe vigilancia exclusiva
de las instalaciones físicas, bienes materiales, etc., del edificio de la escuela de
Ingeniería de Mantenimiento; existe un desconocimiento total de las personas que
ingresan a un sitio determinado y que pudieran causar daños o hurtos en las
dependencias a las que ingresan.
Por otra parte los laboratorios existentes en el edificio son de uso común para las
cuatro escuelas de la facultad y éstos poseen tecnología de punta que son donados
por parte de los estudiantes de la escuela de Ingeniería de Mantenimiento mediante la
ejecución de temas de tesis. La pérdida de elementos de los laboratorios afecta al
normal desarrollo de prácticas y estudio por parte de otros o nuevos estudiantes, para
lo cual es necesario que el sistema de seguridad reporte las mencionadas anomalías
para tomar acciones frente a los usuarios que no ayudan a preservar los bienes.
Con los antecedentes mencionados anteriormente es necesario que el sistema
inteligente de seguridad este diseñado para cumplir con las diferentes funciones que
aseguren las tres áreas básicas de seguridad: la prevención (medidas para evitar un
ataque), la alarma (detección o aviso de un ataque) y la reacción (acciones a tomar
ante un ataque para evitar sus efectos).
-54-
En la actualidad los sistemas de seguridad en general, se encuentran individualizados
en varios sistemas como: control de accesos, video vigilancia, sistemas antirrobo,
entre otros. Éstos deben ser integrados con la finalidad de precautelar la seguridad
patrimonial del edificio de la escuela de Ingeniería de Mantenimiento.
Funcionamiento software. El sistema integrará los sistemas de video-vigilancia,
control de accesos y antirrobo. Deberá registrar en una base de datos la información
pertinente del personal autorizado para ingresar a cada una de las instalaciones del
edificio.
El sistema realizará las tareas de video-vigilancia y antirrobo, si se detecta una
irregularidad dentro de las instalaciones del edificio, el sistema deberá congelar una
imagen para realizar un proceso de reconocimiento de rostros y generará un reporte
en el cual se indique, el sitio donde ocurrió el suceso en investigación, la fecha, la
hora, información del individuo en cuestión (en caso de ser encontrado en la base de
datos).
En las áreas que requieran un mayor grado de seguridad como, laboratorios, sala de
audiovisuales, oficinas, el sistema deberá llevar un control de acceso a estos lugares,
ya sea por medio de sistemas de acceso con claves de teclado, detectores de huellas o
identificación mediante una cámara ubicada estratégicamente para este fin, el sistema
realizará el reconocimiento de claves, huellas o rostro para determinar si es personal
autorizado para ingresar. Una vez que se realiza esta comprobación, el sistema
registrará el nombre del individuo, la hora de ingreso, la hora de salida y la sala a la
que ingresa.
Para realizar este sistema inteligente se plantea el uso de redes neuronales artificiales
como elemento encargado de la identificación de los usuarios y garantizar el correcto
desempeño del sistema de seguridad.
Diseño hardware. En esta propuesta se realiza un análisis de las condiciones de
funcionamiento de los sistemas de video-vigilancia, control de accesos y antirrobo, el
estudio de las características técnicas de los componentes que intervienen, la
selección de los mismos y la disposición en el edificio.
-55-
El sistema de video vigilancia, deberá:
·
Monitorear las 24 horas del día y 365 días del año.
·
Las imágenes deberán ser grabadas en forma digital en disco duro.
·
El sistema permitirá recuperar las grabaciones cuando sea necesario,
ingresando parámetros como, fecha y hora.
·
En los pasillos se instalarán cámaras de video ubicadas estratégicamente.
·
En los laboratorios o salas de audiovisuales de instalarán cámaras fijas en una
ubicación estratégica
El sistema de control de accesos deberá:
·
Permitir solo el ingreso a personal autorizado hacia las instalaciones con bienes
de valor del edificio.
·
Actuar de manera oportuna desactivando todos los mecanismos de seguridad
de los accesos en las instalaciones en caso de emergencias tales como
incendios o evacuación por fenómenos o desastres naturales.
El sistema antirrobo deberá:
·
Detectar intrusos o una acción de atraco (ingresar al interior del edificio en
forma violenta, forzando puertas y ventanas).
·
Retraer la acción de atraco, mediante el encendido y apagado de luces de
manera aleatoria y temporizada con el fin de simular la presencia de personas
en el edificio.
·
Emitir una alarma que ponga en alerta al personal de seguridad de turno.
En base a las condiciones de funcionamiento planteadas, los dispositivos necesarios
para implementar el sistema son:
·
Cámaras de video fijas que tengan un adecuado ángulo de toma de imagen
mínimo de 120° a fin de supervisar toda el área de las instalaciones.
·
Sensor de rotura de cristales.
·
Sensores de movimiento, se recomienda utilizar los sensores del sistema de
iluminación, ya que cumplen las mismas funcionalidades y se reduce costos.
-56-
3.3.5
Sistema inteligente para detección de incendios y generación de rutas de
evacuación.Este sistema a más de servir para la prevención es aquel que asegura la
integridad del personal y los bienes ante siniestros ocasionados por el fuego que es
producto de varias razones tales como: fallas humanas, fallas en instalaciones
eléctricas, falta de mantenimiento en los equipos eléctricos, al disponer del
laboratorio de Termodinámica aplicada en el edificio se pueden ocasionar fugas de
gases o aire que contienen atmosferas combustibles y por causas naturales como
rayos, el sistema deberá ser diseñado para la protección de bien más valioso en las
instalaciones, la vida humana de los usuarios.
Funcionamiento software. El sistema inteligente, una vez que ha detectado el
incendio mediante la infraestructura de hardware, debe ser capaz de:
·
Tomar decisiones necesarias en caso de emergencia.
·
Controlar las actividades y el funcionamiento del edificio.
·
Predecir y diagnosticar las fallas que ocurran dentro del edificio.
·
Realizar un reporte y enviarlo al sistema de comunicaciones para que este
realice una llamada hacia las instituciones de servicios de emergencia:
bomberos, policía o cruz roja.
Diseño hardware. El sistema deberá contemplar las medidas de seguridad adecuadas
cuyas funciones principales serán:
·
Activar sistemas de iluminación de emergencia.
·
Activar alarmas de señalización óptica y acústica.
·
Establecer medidas de control en los diferentes sistemas del edificio como
ejemplo quitar el suministro eléctrico.
Para lograr el control del fuego además será necesario que el edificio cuente con la
debida señalización de evacuación, puertas de emergencia, así como, equipos de
sofocación del fuego como extintores de CO2 y polvo químico seco (PQS).
3.3.6
Diseño estructural adicional del edificio para su funcionamiento. De
acuerdo con la Normatividad Técnica Ecuatoriana es importante considerar los
siguientes parámetros en las instalaciones del edificio:
-57-
·
Disponer de rampas de acceso para personas con discapacidad, en los
graderíos, así como, entradas principales.
·
Disponer de pasamanos en los pasillos de acceso de la planta baja hacia la
segunda planta con las debidas señalizaciones.
·
Disponer de señalización adecuada de las diferentes áreas del edificio tanto en
accesos, pasillos oficinas especificando usos de equipos, salidas de emergencia,
advertencias y señales de alarma y prevención.
-58-
CAPÍTULO IV
4.
DESARROLLO DE PROTOTIPO CON CONTROL DOMÓTICO DE
ILUMINACIÓN
Y
ACCESO
PRINCIPAL,
PARA
EL
ÁREA
ADMINISTRATIVAEN EL EDIFICIO DE LA ESCUELA DE INGENIERÍA
DE MANTENIMIENTO
En este capítulo se realiza un desarrollo práctico de sistema de control domótico del
tema de tesis propuesto “Estudio del Control Domótico de la Seguridad, Confort y
Eficiencia Energética para las Instalaciones del Edificio de la Escuela de Ingeniería
de Mantenimiento, mediante el uso de microcontroladores.” El mismo que trabajará
mediante el uso de un microcontrolador (PIC) como unidad central de control el
mismo que permitirá controlar el sistema de iluminación del área administrativa del
edificio de manera automática con sensores de movimiento y manualmente mediante
selectores, el cual permitirá controlar las luces de manera óptima garantizando el
ahorro energético.
Por otra parte se plantea realizar un control automático del acceso principal al
edificio, utilizando normas y especificaciones del INEN.
Los componentes de desarrollo del sistema de control son:
·
Análisis de requisitos: Descripción de lo que debería hacer el sistema.
·
Diseño: Cómo se realizará el sistema en la fase de implementación.
·
Implementación: La producción del sistema e instalación del mismo.
·
Pruebas: Calibración, ajustes y la verificación del sistema.
4.1
Análisis
Previa a una evaluación de las instalaciones eléctricas del sistema de iluminación del
edificio en estudio se ha podido determinar las condiciones de las mismas, mediante
la cual se determinó los principales requerimientos de un sistema de control
domótico para su diseño e implementación.
-59-
Para especificar los requerimientos del sistema se realizan diferentes análisis de la
infraestructura actual del edificio a fin de poder, aplicar la normativa especificada
por la NTE INEN 2506:2009 EFICIENCIA ENERGÉTICA EN EDIFICACIONES
REQUISITOS, así como, estándares internacionales que regulan y controlan las
instalaciones eléctricas en edificaciones, cuyo propósito es garantizar la seguridad, confort y
ahorro energético para los usuarios.
Para el sistema de acceso se considera lo impuesto por la NTE INEN 2309:2001
''Accesibilidad de las personas al medio físico, edificios. Espacios de acceso,
Puertas”.
Inicialmente se desarrolla el sistema de control domótico de iluminación y luego se
procede con el sistema de acceso.
4.1.1
Diagramas de caso de uso. Con el presente diagrama se definen los
conjuntos de funcionalidades que debe cumplir el sistema de control domótico para
el sistema de iluminación el mismo que ayudará satisfacer los requerimientos y
necesidades para los usuarios.
A continuación en la figura 10 se presentan el diagrama de caso planteado para el
usuario del sistema inteligente de iluminación.
Figura 10. Diagrama de caso usuario sistema de control domótico de iluminación
Fuente: Autores
-60-
4.1.2
Especificaciones de caso de uso. Aquí se describe los diferentes eventos que
serán generados por el sistema de iluminación en el cual la interacción del usuario
hará que el sistema cumpla con las condiciones para el cual es diseñado según el
modo de funcionamiento elegido.
En la tabla 4 se muestra las especificaciones necesarias para el sistema de control
domótico de iluminación.
Tabla 4. Especificaciones de caso de uso sistema de control domótico de iluminación
IDENTIFICADOR
PASO O ACCIÓN-
SEL 1
Selector modo de
funcionamiento del sistema
MANUAL/AUTOMÁTICO
Encendido del sistema
MANUAL: El sistema arranca directamente la
iluminación.
AUTOMÁTICO: el sistema funciona mediante el PIC
y sensores.
NORMAL: El sistema está controlado por el PIC,
sensores de movimiento y luminosidad, en este caso el
sistema funciona si existen personas en el área y si los
niveles de luminosidad son bajos o por la noche si no
se cumplen las condiciones anteriores el sistema apaga
la iluminación automáticamente después de un tiempo
considerable de espera.
SEL 2
Selector modo de
funcionamiento del PIC
NORMAL/PRESENCIA
ON/OFF SISTEMA
AUTOMÁTICO
RESET
PRESENCIA: El objetivo de este modo es brindar
seguridad al edificio activando el circuito de
iluminación cuando exista presencia de personas en el
edificio y las actividades administrativas no sean
normales como en periodo de receso o feriados
simulando presencia de personal en el edificio.
Permite activar y desactivar el sistema de control del
PIC.
Este pulsador nos permitirá reiniciar el sistema, en
casos de emergencias o por mala manipulación o uso
del sistema así como después de realizar actividades
de Mantenimiento.
Fuente: Autores
4.2
Diseño del sistema
Determinado los requerimientos y los casos de uso por parte de los usuarios del
sistema de iluminación se desarrolla a continuación el diagrama de secuencia,
-61-
colaboración y clases cuya finalidad será definir el funcionamiento del sistema, así
como, los requerimientos de los elementos eléctricos, electrónicos actuadores,
sensores y controladores que requiere el sistema para su elaboración e
implementación.
4.2.1
Diagrama de secuencia. El diagrama de secuencia representa la interacción
entre los elementos del sistema de manera secuencial en el tiempo. El responsable de
los inicios de los ciclos es el usuario ya que es quien interactúa directamente con el
sistema, con este diagrama observamos el comportamiento del sistema a partir de los
eventos generados por los actores.
Figura 11. Diagrama de secuencia del sistema de control domótico de iluminación
Fuente: Autores
-62-
4.2.2
Diagrama de colaboración. Los diagramas de colaboración son todas las
especificaciones de los métodos, mediante el cual se muestran los objetos y mensajes
que son necesarios para cumplir con un requerimiento o propósito.
Se puede elaborar para una operación o para un caso de uso, con el fin de describir el
contexto en el cual su comportamiento este inmerso.
Figura 12. Diagrama de colaboración del sistema de control domótico de iluminación
Fuente: Autores
4.3
Implementación del sistema de iluminación
Una vez establecidos los requerimientos del sistema de control domótico de
iluminación procedemos con su desarrollo hardware y software para lo cual es
necesario una serie de pasos secuenciales, los mismos que nos ayudarán a llegar a
nuestro objetivo los cuales se describen a continuación.
4.3.1
Selección de dispositivos
4.3.1.1 Selección del PIC. El sistema utilizará como controlador principal un
microcontrolador (PIC), su selección depende de las siguientes características:
·
Documentación existente. Este es un factor importante si se quiere conocer
bien el tipo de microcontrolador elegido y su entorno de desarrollo, la mayor
cantidad de información disponible corresponde a los microcontroladores PIC
de Microchip.
-63-
·
Herramientas de desarrollo disponibles y su precio. Uno de los factores que
más importancia tiene a la hora de seleccionar un microcontrolador entre todos
los demás es el soporte tanto software como hardware de que dispone. Un buen
conjunto de herramientas de desarrollo puede ser decisivo en la elección, ya
que pueden suponer una ayuda inestimable en el desarrollo del proyecto. A
pesar de que el uso de los microcontroladores resultas ser muy económico
como fuente de control en los sistemas frente a otros dispositivos de control
como un logo o PLC, es necesario saber determinar los requerimientos ya que
el precio del PIC afectará en el costo final del producto.
·
Selección de la familia del microcontrolador. Una vez analizados las
características anteriores se toma como opción para el desarrollo del presente
proyecto utilizar un PIC de Microchip, utilizando como soporte para su
programación el lenguaje C mediante el compilador CCS. El compilador CCS
presenta varias ventajas frente a otros compiladores utilizados para la
programación de PIC’s ya que dispone de librerías definidas en su software que
son compatibles con la mayoría de microcontroladores del mercado, evitando
errores durante las configuraciones que son necesarias en otros tipos de
compiladores, esto ayudará a optimizar tiempo en el desarrollo del proyecto.
4.3.1.2 Selección del PIC específico. Para poder elegir el PIC especifico es
necesario analizar las características mencionadas anteriormente y los siguientes
aspectos que se detallan a continuación:
·
Entradas, salidas y recursos internos. Uno de los aspectos de los
microcontroladores es que la circuitería externa, para determinar las
necesidades de entradas y salidas así como los recursos del sistema partimos
del diagrama de bloques de tal forma que sea sencillo identificar la cantidad y
tipo de señales a controlar. En la figura 13 se muestra el diagrama en bloques
del sistema control domótico de iluminación.
·
Número de salidas necesarias. Es necesario 4 salidas para indicadores, 3 para
el control del sistema de fuerza y 7 para la interfaz de comunicación con el
usuario o LCD.
·
Número de entradas necesarias. Es necesario 1 entrada para el encendido y
apagado del sistema, 1 para la selección de modo, 2 para la entrada de los
-64-
sensores de movimiento de las 2 áreas a implementar (secretaria, dirección) y 1
para la señal del sensor de luminosidad, todas estas entradas son digitales para
lo cual será importante dentro del programa del PIC con figurar esta
característica.
Figura13. Diagrama en bloques del sistema control domótico de iluminación
Fuente: Autores
·
Número y tamaño de los temporizadores necesarios. Es necesario el uso de 4
temporizadores.
·
Velocidad y consumo. El sistema estará alimentado mediante una fuente de
alimentación y de acuerdo a las necesidades del sistema deberá despertar ante
la activación de una señal (una interrupción) de varios sensores y ejecutar el
programa adecuado y procesarlo en un tiempo minino para lo cual es necesario
de una velocidad alta (Oscilador externo 20 MHz) y un consumo normal.
·
Memoria: Para determinar las necesidades de memoria de nuestra aplicación
debemos separarla en memoria volátil (RAM), memoria no volátil (ROM,
Flash, etc.) y memoria no volátil modificable (EEPROM). Este último tipo de
memoria puede ser útil para incluir información específica de la aplicación
como un número de serie o parámetros de calibración. En cuanto a la cantidad
de memoria necesaria de la aplicación y hacer una estimación de cuánta
memoria volátil y no volátil es necesaria se considera el aspecto del programa
que manejara el PIC el mismo que se desarrolla utilizando lenguaje de
programación en C con el compilador de CCS.
-65-
·
Ancho de palabra. El microcontrolador debe disponer de un ancho de palabra
que satisfaga los requerimientos de la aplicación. Un PIC de 8 bits supone la
mejor elección ya que el programa a desarrollar sólo controla entradas y salidas
y no utiliza cálculos complejos ni accede a grandes bases de datos.
·
Disponibilidad. Los microcontroladores de mayor disponibilidad en el mercado
local son los de Microchip de la serie 16FXXX razón por la cual podemos
elegir de esta gama un dispositivo que se acople a nuestras necesidades.
·
Diseño del circuito y de la PCB. La selección de un microcontrolador concreto
condicionará el diseño del circuito de manera que debe tenerse en cuenta que
quizá usar un microcontrolador barato encarezca el resto de componentes del
diseño.
Determinados los diferentes requerimientos e identificadas las condiciones del
sistema será importante elegir un PIC tal que se acople lo mejor al sistema, de lo cual
se elige un PIC de la familia de Microchip de la serie 16FXXXX ya que los mismos
satisfacen en gran parte los parámetros y características mencionadas anteriormente.
Tomando en cuenta los parámetros de software, memoria, ancho de palabra el PIC
específico a utilizar para esta aplicación es el 18F876A.
El PIC 16F876A. Es un microcontrolador de Microchip de entre sus principales
características podemos citar:
·
Velocidad de operación hasta 20 MHz con oscilador externo.
·
Oscilador interno RC (resistencia condensador) de 4 MHz calibrado de fábrica
al ±1 %.
·
Procesador con arquitectura HARVARD.
·
Instrucciones de un ciclo excepto los saltos (200nS por instrucción a 20 MHz.
·
Resistencias PULL-UP programables en el puerto B.
·
Pin 1 MCLR programable como reset externo o pin de entrada.
·
Rango de operación desde 2V. hasta 5.5V.
·
22 pines de I/O.
·
Temporizador Perro guardián WDT independiente del oscilador.
·
Programable con bajo voltaje LPV (5V.).
-66-
·
Programación serial en Circuito ICSP por 2 pines: RC6 reloj y RC7 datos.
·
Código de protección programable por sectores.
·
Memoria de programa FLASH 8K por 14 bit de palabra.
·
Memoria de datos EEPROM de256 bytes x 1.000.000 ciclos escritura/borrado
de 100 años retención.
·
2 circuitos comparadores análogos con entradas multiplexadas.
·
3 Timers, Timer 0 a 8 bits, Timer 1 a 16 bits y Timer 2 a 8 bits.
·
Módulos CCP, Captura compara 16 bits, y PWM, modulación de ancho de
pulso 10 bits.
·
Módulo de comunicación serial USART/SCI.
·
Capacidad de corriente para encender LED's directamente (25 mA I/O) por
cada pin.
En la figura 14, se presenta la distribución de pines del microcontrolador
seleccionado para el sistema.
Figura 14. Diagrama de pines del PIC 16F876A
.
Fuente: Datasheet Microchip PIC series 16F8XXX
En la figura 15, se presenta el diagrama de bloques que posee en su estructura interna
el microcontrolador.
4.3.1.3 Sensores a utilizar en el sistema. Se utilizarán sensores de movimiento PIR
MOTION a 5 VCC, fotocelda para el control de luminosidad, para el sistema de
-67-
potencia se utilizarán relés a 12 VCC y para la interfaz de mensajes con el usuario un
LCD 16 x 2.
Sensor de movimiento PIR MOTION. Corresponde a las siglas PASIVE INFRA RED
es un dispositivo piro eléctrico (detector de calor).Lo que mide es el cambio de calor,
no la intensidad de calor. El calor medido es el calor irradiante cercano al infrarrojo
que no es visible. El sensor PIR cuanta con 3 terminales, 2 para alimentación y uno
de salida (detección de movimiento).
Figura 15. Diagrama de bloques del PIC16f876A
Fuente: Datasheet Microchip
-68-
Este sensor detecta movimiento mediante un promedio del calor irradiado en el
tiempo. Como respuesta al cambio el sensor cambia el nivel lógico de su PIN (0-1).
Este sensor es de bajo costo y tamaño, por lo que se utiliza en sistemas de alarmas,
iluminación y robótica.
El PIR está fabricado de un material cristalino que genera carga eléctrica cuando se
expone a la radiación infrarroja. Los cambios en la cantidad de radiación producen
cambios de voltaje que son medidos por un amplificador. Este sensor contiene unos
filtros especiales llamados LENTES FRESNEL que enfocan las señales infrarrojas
sobre el elemento sensor. Cuando las señales infrarrojas del ambiente donde está el
sensor cambian, el amplificador activa las salidas, para indicar movimiento, esta
salida permanece activa durante unos segundos lo que permite que el
microcontrolador sepa si hubo movimiento. Este dispositivo posee una distancia de
detección de 5-7 m de manera que apunte a la parte frontal o centro del sensor y de
3-4 m de desde el centro del sensor en un ángulo de 140 grados, en la figura 16, se
muestra la fotografía del sensor utilizado en el desarrollo del sistema.
Figura 16. Sensor de movimiento PIR
Fuente: Datasheet sensores infrarrojos MOTOROLA
4.3.2
Diseño de fuente de alimentación. Según las características de los diferentes
dispositivos sensores, actuadores y controladores a emplearse en el sistema es
necesario disponer de fuentes de alimentación estabilizadas a dos voltajes fijos 12
VCC y 5VCC las mismas poseen las siguientes características:
·
Utiliza un trasformador reductor de voltaje 120/220 VCA a 12-0-12 VCA con
toma central (center tap).
·
Utiliza diodos rectificadores en configuración tipo puente, circuitos integrados
de la familia 78XX como estabilizadores de voltaje.
-69-
Para la estabilización del voltaje de 12 VCC y 5 VCC que alimenta los diferentes
dispositivos de control, sensores, indicadores y fuerza en la tarjeta del sistema se
utiliza el circuito integrado 7812 y 7805 respectivamente, estos sensores son
reguladores lineales utilizados para primero rectificar y después regular el voltaje
cuya finalidad mejorar el funcionamiento de los elementos electrónicos. Además es
una denominación de la familia de reguladores de tensión positiva, de tres
terminales, en la figura 17 se muestra el diagrama de pines.
Figura 17. Diagrama de pines de los CI de la familia de reguladores 78XX
Fuente: Datasheet LM78XX National Semiconductor
4.3.3
Diseño de sistema de control máster. Seleccionado el PIC se procede con el
diseño software y hardware de la tarjeta electrónica del sistema, con el primero
procedemos con la elaboración del programa del PIC el mismo que se lo realiza en
lenguaje de programación en C y compilador de CCS, el segundo consiste con la
parte física mediante la cual acoplaremos los diferentes sensores, controlador y
actuadores para que el sistema cumpla su función para su desarrollo utilizaremos las
herramientas de PROTEUS, el ISIS para el desarrollo del diagrama esquemático y la
simulación y el ARES para la elaboración de la placa con los componentes y
ruteados .
Los diagramas de flujo este diagrama nos ayuda con el desarrollo del programa del
PIC que es la parte software del sistema.
En la figura 18 se muestra el diagrama de flujo del sistema que una vez desarrollado
es fundamental para el desarrollo software que es el programa del PIC que se
quemara y pondrá en ejecución en su memoria interna, así como, para su utilización
en las simulaciones y pruebas.
-70-
En el anexo A se muestra el diagrama esquemático del control máster de la tarjeta
electrónica del sistema el mismo que se encarga de la adquisición y procesamiento de
las señales para la toma de decisiones según el requerimiento del usuario, así como,
para el desarrollo hardware del sistema, entendiendo como la parte hardware el PCB
del sistema con su respectivo ruteado y componentes.
4.3.4
Diseño de control de luminosidad. El sistema de control de luminosidad es
el encargado de determinar el nivel de luz presente en el ambiente mediante el cual
se lograra distinguir la claridad y la oscuridad y así permitir que el sistema solo
trabaje cuando los niveles de iluminación sean bajos o por las noches.
En el anexo A se muestra el diagrama esquemático del sistema de control de
luminosidad el mismo que consiste en la utilización del circuito integrado 555 como
dispositivo de control, la LDR como dispositivo sensor y un divisor de tensión como
medio de acople de señal digital obtenida hacia el PIC
El circuito integrado 555 es utilizado para detectar pulsos enviados por la LDR y
conforma pulsos de señal digital en su pin de salida para acoplarla hacia una de las
entradas del microcontrolador mediante un divisor de tensión.
Divisor de tensión. Uno de los periféricos del microcontrolador son sus I/O ya sean
estas digitales o analógicas las mismas que deben ser configuradas en el programa
del compilador, así como, en las conexiones de los elementos electrónicos pero están
limitadas a dos condiciones importantes que se describen a continuación:
·
Las entradas se configuran de acuerdo a dos tipos de conexiones 1 lógico (5 V)
cuando existe presencia de señal y cuando cambia de estado el voltaje se desvía
a tierra y se forma el 0 lógico (0V), de la misma manera se puede configurar
las entadas del PIC de manera contraria el funcionamiento.
·
La corriente máxima a soportar por PIC en sus pines de entrada o salida es de
25 mA.
En la figura 19 se muestra el diagrama de conexión y la forma de acoplar señales
digitales de medios de control o sensores al microcontrolador.
-71-
Figura 18. Diagrama de flujo del sistema de control domótico de iluminación
Fuente: Autores
-72-
Figura 19. Diagrama de conexión de señales digitales al PIC
Fuente: Autores
El diseño del divisor de tensión se basa en la selección de resistencias tal que limiten
el voltaje y corriente de entrada al pin del PIC ya que se puede diseñar divisores de
tensión con bobinas para aplicaciones de control en donde el amperaje es importante
para el funcionamiento de elementos tales como contactores, motores, etc.
Conocido las características de acoplar señales digitales al PIC y el funcionamiento
del control de luminosidad a través del CI 555 en cuyo pin de salida se obtiene
12VCC y éste no puede ser soportado por el microcontrolador se acopla esta señal
mediante un divisor de tensión tal que reduzca el voltaje obtenido a una señal digital
de 5VCC.
El divisor de tensión se obtiene al conectar dos resistencias en serie y el cálculo de
los valores respectivos se detalla a continuación:
·
El valor del voltaje de entrada al PIC es de 5VCC por lo cual en la resistencia
de entrada de señal deberá caer 7VCC (E1).
·
Las resistencias a utilizar en la tarjeta deberán ser de valores estándares que
existan en el mercado.
·
La intensidad de corriente que circulará por este circuito será:
·
IT=ET/RT =E1/R1
(3)
-73-
Este valor no debe superar los 25mA de corriente máxima que soporta los pines del
PIC.
Una vez determinados todos los parámetros fundamentales del sistema se determinan
los datos en función de la figura 20en donde se muestra el diagrama esquemático del
divisor de tensión.
Figura 20. Divisor de tensión
Fuente: Autores
Datos:
R1=?
R2=?
ET=12V
V1=7V
V2=5V
IT=I1=I2=?
Solución:
De acuerdo a los datos obtenidos solo tenemos el valor de los voltajes totales y
parciales con dos incógnitas la corriente y la resistencia del circuito.
Uno de los parámetros para este circuito es que los valores de las resistencias deben
ser estándares ya que solo estas existen en el mercado (ver Anexo E.).
Tomamos el valor para R1 un nominal de 10kΩcon lo cual calculamos el valor de la
intensidad a circular por el divisor.
-74-
= (4)
Dónde:
I = Intensidad del circuito
V= Caída de voltaje en R1
R= Valor de la resistencia R1
De la fórmula 4 tenemos.
=
=
7
= 0,0007A = 0,7
10000
La corriente que circulara por el divisor de tensión es 0,7mA la cual puede ser
soportada por el pin del PIC
El valor de R2 es igual:
=
(5)
Dónde:
I = Intensidad del circuito
V2 = Caída de voltaje en R2
R2 = Valor de la resistencia 2
Remplazando los valores en la fórmula 5 tenemos:
=
5
= 7142,8 ≅ 7,2 Ω
0,0007
Como sabemos debemos utilizar resistencias disponibles en el mercado entonces
buscaremos una que se nos aproxime por debajo del valor nominal ya que si
-75-
utilizamos una por arriba ingresara un valor mayor a 5V lo cual provocaría que el
PIC se dañe, entonces el valor para R2 según la tabla del anexo E es de 6,8kΩ.
Entonces nuestra solución será:
R1=10kΩ
R2=6,8kΩ
Con lo cual obtenemos los siguientes cálculos reales a los cuales trabajara el PIC en
su entrada de acople de la señal de luminosidad.
=
=
=
+
x
(6)
(7)
Dónde:
Req: Resistencia equivalente del circuito.
R1: Valor de la Resistencia 1.
R2: Valor de la resistencia 2.
V1 = Caída de voltaje en la resistencia 1.
V2 = Caída de voltaje en la resistencia 2.
VT = Voltaje de ingreso al divisor de tensión.
Remplazando los valores en las formulas 6, 7, 8 respectivamente tenemos que:
=
+ R = 10000 + 6800 = 16800Ω
-76-
(8)
=
x
=
=
12x10000
= 7,14V
16800
=
12 6800
= 4,86
16800
La corriente que circulará por el PIC es:
=
4.3.5
=
= 0,00071 = 0,71
Diseño de sistema de potencia. El sistema de potencia permite acoplar el
sistema de control con los actuadores (lámparas) y manejan voltajes y corrientes
superiores al sistema de control, como sabemos la señal del PIC es una señal digital
muy débil que solo sirve para activar indicadores como diodos LED, LCD o
dispositivos de bajo consumo ante ello será necesario amplificar la señal y mediante
un dispositivo de manejo de potencia ya sea semiconductor o electromecánico
facilitar el funcionamiento de la iluminación.
Para la amplificación de la señal se utiliza un transistor bipolar NPN el mismo que
utiliza una configuración emisor común y para el manejo de potencia un relé a 12
VCC en su bobina y en sus contactos principales 120VCA que nos servirá para
controlar un contactor que será el encargado de gobernar el control de la iluminación.
En el anexo 1se muestra el diagrama esquemático del sistema amplificación y control
de potencia del sistema.
4.3.6
Desarrollo del sistema de acceso
Control domótico de acceso principal al edificio de la Escuela de Ingeniería de
Mantenimiento. El control domótico de acceso va aplicado a poner en
funcionamiento la puerta de entrada principal al edificio de la Escuela de Ingeniería
de Mantenimiento, el cual consta de las siguientes características importantes:
-77-
·
La utilización de un motor de corriente continua acoplado a un reductor de
velocidad mecánico mediante banda y polea.
·
Utilización de dos trasformadores reductores de voltaje: el primero para el
sistema de fuerza 120/220 Vca a 12-0-12 Vca con una corriente de 10
amperios, el segundo 120/220 Vca a 12-0-12 Vca con una corriente de 3
amperios.
·
Un encapsulado de diodos rectificadores onda completa a 10A.
·
Un encapsulado de diodos rectificadores onda completa a 3A
·
Logo 230RC SIEMENS.
·
Sensores de movimiento PIR 360 grados 120 VCA.
·
Interruptores magnéticos para detectar la posición de la puerta
·
Relé 12Vcc a 10 A (RL3).
En el anexo 2 se muestra el diagrama esquemático de control y de fuerza de la puerta
de ingreso principal al edificio, el mismo que su función es la de poner en marcha al
motor de DC cuando detecte presencia de personas en su área, pasado un tiempo
determinado y si no existe otra persona la puerta se cierra automáticamente
cumpliendo su ciclo de apertura y cierre.
Además se consideran procedimientos de inicio tal como puerta cerrada, esperará un
tiempo determinado y se cerrara automáticamente para iniciar el ciclo de
funcionamiento normal. Puerta semi abierta de igual forma que la anterior condición
con la diferencia que en este caso primero la puerta se abrirá completamente y luego
se cerrará para iniciar el funcionamiento normal.
Por otra parte este sistema enviará una señal al sistema de monitoreo del edificio que
a través de su integración con el sistema de seguridad que permitirá conocer el
funcionamiento normal del edificio.
Los procedimientos de selección de dispositivos, sensores y controladores se realizan
de similar forma utilizando los pasos descritos anteriormente para la selección de
elementos para el sistema de iluminación.
Es necesario considerar que el presente sistema se basa en los requisitos que debe
cumplir una puerta automática de acuerdo a la NTE INEN 2309, pero no estará
-78-
integrado completamente al otros sistemas del edificio debido a las malas
condiciones que presenta el edificio en sus infraestructura de cableados y diseños
eléctricos.
Normalmente este sistema deberá estar integrado a través del sistema de monitoreo y
comunicaciones a los dispositivos de emergencia en caso de incendios o siniestros la
puerta deberá permanecer abierta y en caso de activarse la alarma de seguridad esta
deberá bloquearse encender luces intermitentemente, realizar una llamada telefónica
a organismos de protección como el sistema integrado nacional de seguridad (ECU
911).
Para el control del acceso se utiliza el LOGO! 230RC de SIEMENS en vista de poder
con el integrar en mayor forma la seguridad del sistema para evitar accidentes a los
usuarios.
Es necesario recalcar que el mismo sistema se lo puede realizar mediante control
electrónico, con fotocélulas y reguladores 78R12 abaratando costos, así como, la
utilización del PIC para el mando, pero presenta muchas desventajas en el momento
de acoplar sensores razón por la cual el LOGO facilita esta condición garantizando
seguridad a los usuarios, además permite utilizar dispositivos sensores estándares y
de fácil compra en el mercado. (ver Anexo C).
4.3.7
Diseño de la PCB del sistema de iluminación. La PCB no es más que el
desarrollo de la tarjeta electrónica para lo cual existen varios programas de
computadora que nos ayudan con el diseño de las mismas, en nuestro caso utilizamos
ARES de PROTEUS ya que tienen una vinculación con lo esquemático del sistema
desarrollado en este último y facilita la elaboración de placas electrónicas por sus
librerías incluidas del programa.
Para el desarrollo de la PCB es necesario comprobar que el sistema tenga un
completo funcionamiento para lo cual es una secuencia ordenada de procedimientos
que resumimos a continuación.
·
La selección adecuada de los dispositivos sensores, controladores y actuadores.
-79-
·
El desarrollo del diagrama esquemático y programa del PIC para su respectiva
simulación.
·
El armado en la Project Board. Esto nos ayudará a asegurar el funcionamiento
de un sistema en la parte física y realizar cambios y ajustes de componentes.
·
Diseño de las pistas o ruteados utilizando programas computarizados o
manualmente, en nuestro caso utilizamos una herramienta del PROTEUS el
ARES que como se mencionó anteriormente tiene vinculaciones de librerías
del ISIS que facilitan los desarrollos de los PCB.
·
Una vez diseñados los ruteados se procede a determinar el tamaño de la placa
para recortar la baquelita así como con la impresión del lado de componentes y
del cobre en papel fotográfico.
·
Recorte del papel fotográfico con sus respectivos bordes es importante dejar al
menos 0,5 cm de borde por cada lado a fin de poder fijar el papel a la baquelita
para los posteriores procedimientos.
·
Limpieza total de la placa de cobre.
·
Apoyar el papel fotográfico de manera que la cara contiene el tóner (figura
impresa) quede en contacto con el cobre.
·
Pasar la plancha caliente o una prensa con calor uniforme sobre el papel
fotográfico y el cobre de manera que se caliente uniformemente.
·
Dejar enfriar y separar el papel fotográfico de la placa ("pelar").
·
Sumergir la placa en el ácido (cloruro férrico) para eliminar corrosión) el cobre
no necesario.
·
Tras la fase de corrosión sólo queda el cobre de las pistas.
·
Limpiar bien la placa con disolvente.
·
Revisar bien para eliminar posibles cortocircuitos entre pistas.
·
El circuito impreso está listo para el montaje de componentes electrónicos.
En el anexo B se muestra el PCB del sistema domótico de iluminación tanto del lado
de componentes, el lado del cobre y una imagen en 3D obtenida del programa
informático ARES en donde se diseñó la tarjeta electrónica.
La tarjeta del sistema de acceso se realiza mediante el uso de baquelita perforada
cuyo montaje facilita las interconexiones de los elementos y en vista de usar
-80-
dispositivos con alto consumo de corriente, estos deben ir con disipadores de calor
adicional al ventilador que va sobrepuesto al tablero.
4.3.8
Montaje de los sistemas
Montaje de la tarjeta electrónica. Es importante para el montaje del sistema proceder
de forma ordenada y correcta por etapas para evitar problemas a futuro en especial en
los trabajos de sueldas y empalmes de componentes para evitar sueldas frías que
afectan al funcionamiento normal del sistema. A continuación se citan las diferentes
etapas que conforman el sistema y la secuencia ordenada de montaje:
·
Fuentes de alimentación. Se procede con el montaje de los diodos
rectificadores, condensadores y reguladores 7805, 7812 terminado con este
procedimiento se comprueba voltajes y corrientes de entrada y salida.
·
Montaje del sistema de control máster. Se procede son el montaje de los
sócalos para el PIC 16F876A que es el corazón del sistema, resistencias,
condensadores, oscilador externo con un
cristal de 20MHz, borneras y
conectores para el acoplamiento de entradas y salidas. Todo esto ayudara con
la configuración y conexiones del microcontrolador con el exterior para
procesar las señales y la toma de decisiones para actuar con los actuadores.
·
Montaje del control de luminosidad. Se procede con el montaje de sócalo para
el CI555, resistencias, potenciómetro y fotocelda (LDR) que configuran al
circuito integrado mencionado anteriormente que trabaje como detector de
señal y mediante el divisor de tensión suministrar una señal digital a una de las
entradas del PIC.
·
Montaje del sistema de potencia. Se procede a realizar el montaje de los
transistores, diodos rectificadores, resistencias y Relés 12Vcd /10A, borneras
de salida.
Para el montaje del sistema de acceso se siguen los mismos pasos descritos
anteriormente ya que las etapas son similares al sistema de iluminación, con la
diferencia que como controlador principal se utiliza el LOGO! SIEMENS 230 RC
que trabaja en función de las señales obtenidas de los sensores de movimiento
colocados en la parte de entrada y salida de la ´puerta del edificio y los contactos
magnéticos ubicados al inicio y final de la puerta.
-81-
Los sistemas de potencia del se maneja directamente a través de cableados mediante
el uso de cable flexible 18 AWG, terminales tipo aguja, borneras para la parte de
control de relés, contactores y transformadores y la conexión a los actuadores las
lámparas en el caso del sistema de iluminación, y el motor en el caso del sistema de
acceso se realiza con la utilización de cable flexible 12 AWG y cale gemelo flexible
10 AWG respectivamente
Montaje del sistema mecánico de la puerta de acceso. El sistema mecánico es la
parte principal del sistema de acceso a la cual aplicaremos el control domótico, a fin
de lograr automatizar este proceso, para lograr esto se realizaron los siguientes pasos:
·
Se procede a la elaboración de la puerta en vidrio templado, con ángulos y base
de aluminio y la imprimación del logotipo de la escuela.
·
Una vez instalada la puerta se procede a determinar el peso de la puerta a fin de
saber el motor requerido para lograr la apertura y cierre de la misma.
Realizadas las mediciones se determina que posee un peso de 60 libras.
·
Se selecciona el motor de ¼ de HP de corriente continua el mismo que trabaja
a un voltaje de 12VCC, corriente de 10 A y provee 1800 rpm para lo cual es
necesario realizar una reducción de velocidad mediante poleas y banda, ya que
si se trabaja a su total capacidad podría ocasionar un accidente o destruir el
vidrio de la puerta por el golpe. (ver Plano 3)
·
La transmisión del movimiento reducido se acopla a través de la polea
transmitida a un engranaje que gira en un eje acoplado a dos rodamientos sobre
una cremallera que convierte en un desplazamiento lineal el movimiento
circular, logrando así la apertura y cierre de la ´puerta en función del sentido de
giro del motor.
·
Una vez instalado todos los elementos se realizan las cajas de soporte y
protección necesarias para que el sistema esté en funcionamiento.
Montaje de tablero de control del sistema de iluminación. Una vez completado el
montaje de la tarjeta electrónica y realizado los diferentes comprobaciones de
funcionamiento se realiza se procede con el montaje del tablero de control para el
cual utilizamos una caja metálica 40x30x20 en el cual se instala un Riel DIN, Breaker
120VCA, contactores 120 A 120 LS, borneras para cableado de fuerza, conmutador
-82-
de sistema de funcionamiento (AUTO/MANUAL) 110Vca, interruptor para el
encendido y apagado del sistema automático selector para modo de funcionamiento
del sistema.
En la figura 21 se muestra el panel de control para el usuario.
Figura 21. Panel de control del sistema de iluminación
Fuente: Autores
Montaje del tablero del sistema de acceso. Se procede a ubicar riel DIN para las
borneras, encapsulados de diodos rectificadores en su respectivo disipador de calor,
LOGO! SIEMENS, fusibles, trasformadores y cableados de fuerza y control.
-83-
4.3.9
Instalación de los sistemas. Se procedió a dar un mantenimiento correctivo
a las instalaciones eléctricas dentro del edificio debido a que al revisar las conexiones
no eran las adecuadas, es así que no se contaba con sistemas independientes para
cada oficina y adicional se procedió a reinstalar el sistema eléctrico de las luces
independizando los sistemas y ubicar canaletas para realizar nuevos cableados de
sensores ya que la infraestructura existente en el edificio no cuenta con proyección
de renovación en sus instalaciones.
Una vez realizadas las modificaciones necesarias en las instalaciones eléctricas se
procedió a suspender el interruptor de comando del encendido y apagado de la
lámparas y conectar los retornos directamente a los contactos principales del
contactor ubicado en el tablero de control (ver Plano 2), poniendo así en
funcionamiento el sistema para sus posteriores pruebas y ajustes.
Para el sistema de control de acceso se realizó las readecuaciones del sistema
eléctrico se procedió a instalar un tomacorriente de 120Vca en función de una
botonera de mando ON/OFF a fin de suministrar o no de energía al tablero para su
funcionamiento por parte de los usuarios, seguido se ubican los sensores y finales de
carrera en la puerta con sus cableados respectivos de control, así como, el sistema de
fuerza para el motor.
4.4
Pruebas
Terminada la instalación de los sistemas se pone en funcionamiento los sistemas en
una etapa de prueba en la cual se determinará:
·
Sensibilidad de los sensores.
·
Tiempos de los temporizadores e interrupciones.
·
Posibles fallas en la tarjeta del sistema.
·
Fallas del microcontrolador u otros dispositivos electrónicos.
4.4.1
Calibración y ajustes de dispositivos. Dentro del sistema los dispositivos
que necesitan de ajustes y calibración son:
-84-
LDR (fotocelda). Este dispositivo como se mencionó anteriormente funciona
mediante la variación de luz es por tal razón su utilización en el control del nivel de
luminosidad, inicialmente se acoplo directamente su señal a través del IC 555, pero
debido a que en el medio ambiente en donde se le pone a trabajar varia
continuamente los niveles de luminosidad hace que esta detecte señales falsas
activando y desactivando las lámparas de manera imprevista, para lo cual fue
necesario incluir en el programa del PIC un temporizador a fin de que una vez que
inicie los niveles de luminosidad a bajar se estabilice la señal y encienda las luces
solo si de verdad el nivel de luz es bajo o por la noche siempre y cuando exista
presencia de personas en el área.
Sensores de movimiento. Los sensores de movimiento son los encargados de
suministrar la señal al PIC y de dar a conocer si existe o no presencia de personas en
el área debido a esto es necesario un ajuste en su timer en un tiempo de 9-12
segundos aproximadamente y sensibilidad al máximo, con tiempos en los
temporizadores del PIC para controlar el encendido de las lámparas de 20 minutos
cada vez que detecta movimiento estos temporizadores se ponen a cero es decir
vuelven a contar por 20 minutos más, el sistema de iluminación se apagará 20
minutos después del último movimiento detectado en el área logrando así un ahorro
energético ya que las luces se apagarán de manera automática cuando ya no exista
presencia de personas en el área.
4.4.2
Puesta a punto y en funcionamiento de los sistemas. Calibrado los diferentes
sensores, controlador y actuadores del sistema es necesario un monitoreo del
funcionamiento de los sistemas por un lapso de tiempo a fin de garantizar su correcto
desempeño, ante esto es necesario realizar varios pasos que citamos a continuación:
·
Ubicación adecuada de los sensores.
·
Determinación de tiempos en que ocurre un movimiento del personal en el
interior de las oficinas y de la necesidad de iluminación de acuerdo al nivel de
luminosidad.
·
El tiempo adecuado que una persona necesita para ingresar al edificio y evitar
ser atrapado por la puerta.
·
Colocación de señaléticas.
-85-
·
4.5
Elaboración de manuales de usuario del sistema.
Costo-beneficio del proyecto
Como se conoce existe en el mercado nacional gran oferta de equipos que pueden ser
utilizados para realizar este tipo de proyectos pero a la hora de elegir un producto es
fundamental el costo y garantías que estos ofrecen para lo cual se desarrolla; además,
un prototipo con la utilización del microcontrolador como elemento de control.
4.5.1
Costo del sistema inteligente de iluminación. En la tabla 5 se muestra el
costo del sistema inteligente de iluminación el mismo incluye todos los gastos que se
realizaron para su diseño, montaje, instalación, calibración y funcionamiento en las
instalaciones administrativas del edificio de la Escuela de Ingeniería de
Mantenimiento.
Tabla 5. Costos del sistema de control domótico de iluminación
COSTOS DE IMPLEMENTACIÓN SISTEMA DE CONTROL
DOMÓTICO DEILUMINACIÓN
VALOR
VALOR
CANT
DESCRIPCIÓN
CODIGO
UNIT.
TOTAL
TARJETA ELECTRÓNICA
1
PIC
16F876A
$ 5,49
$ 5,49
1
Zócalo
28 pines
$ 0,90
$ 0,90
1
NE 555
CI 555
$ 0,27
$ 0,27
1
Zócalos
8 pines
$ 0,05
$ 0,05
1
LCD
16x2 VE
$ 15,10
$ 15,10
4
Diodos
1N5399/ 3A
$ 0,14
$ 0,56
4
Diodos
1n4004 / 1A
$ 0,07
$ 0,28
1
Diodo LED
5mm- HB - Rojo
$ 0,13
$ 0,13
1
Diodo LED
5mm - HB - verde
$ 0,13
$ 0,13
1
Diodo LED
5mm- HB - Azul
$ 0,13
$ 0,13
1
Diodo LED
5mmHB Amarillo
$ 0,13
$ 0,13
-86-
Tabla 5. (Continuación)
2
1
1
3
2
2
2
1
7
7
5
4
1
1
3
1
1
4
1
2
13
3
1
4
Disipadores
Regulador
Regulador
Condensadores C
Condensadores C
Condensadores E
Condensadores E
Baquelitas
Resistores
Resistores
Resistores
Resistores
Resistores
Fotorresistencia
Relés
Cristal
Potenciómetro
Transistores
Trasformadores
Cable plano
Borneras
Sensor movimiento
Pulsador
Terminal head S
TO220 P
$ 0,45
LM7805
$ 0,40
LM7812
$ 0,60
20pF/ 50V
$ 0,07
27pF/50V
$ 0,07
2200 µF/ 25V
$ 0,36
20pF/ 50V
$ 0,07
Fibra Color Verde $ 4,46
220 Ω
$ 0,30
100 kΩ
$ 0,30
10 kΩ
$ 0,30
1 kΩ
$ 0,30
6,8 Ω
$ 0,30
20 mm
$ 1,65
12V /5p
$ 0,58
20 MHz
$ 0,49
100 kΩ
$ 0,22
2N3904
$ 1,25
12V / 2A
$ 5,80
16 hilos
$ 1,12
2 pines
$ 0,22
PIR
$ 14,73
NA
$ 0,50
Con head female s $ 0,45
Con head female
4
Terminal head S
$ 0,36
sim
20
bornera 2P
BOR 2P
$ 0,22
ELEMENTOS Y MATERIALES ELÉCTRICOS
2
Contactor
110 A 120 LS
$ 20,48
1
Selector
2 Posiciones
$ 2,79
1
Breaker
Riel DIN
$ 4,10
100
Cable Flexible
12 AWG
$ 0,53
200
Cable
Timbre
$ 0,15
50
Cable Flexible
18 AWG
$ 0,16
5
Borneras
Riel DIN
$ 1,52
100
Cable
Flexible
$ 0,53
50
Cable
Flexible
$ 0,16
1
Riel DIN
Perforado
$ 2,15
1
Gabinete metálico
Liviano 40x30x20 $35,15
1
Switch
2 posiciones
$ 1,38
1
Switch
3 posiciones
$ 3,38
2
Sensores PIR
Presencia
$ 14,00
50
Terminales
Aguja
$ 0,07
7
Terminales
Hembra
$ 0,10
4
Taco fisher
N 10
$ 0,04
4
Tirafondo
1/4 X 2
$ 0,06
1
Brocas
Para metal
$ 3,85
HERRAMIENTAS Y MATERIALES VARIOS
1
Malla
Chupasuelda
$ 0,85
1
Cautín
25W
$ 9,06
-87-
$ 0,90
$ 0,40
$ 0,60
$ 0,21
$ 0,14
$ 0,72
$ 0,14
$ 4,46
$ 2,10
$ 2,10
$ 1,50
$ 1,20
$ 0,30
$ 1,65
$ 1,74
$ 0,49
$ 0,22
$ 5,00
$ 5,80
$ 2,24
$ 2,86
$ 44,19
$ 0,50
$ 1,80
$ 1,44
$ 4,40
$ 40,96
$ 2,79
$ 4,10
$ 53,00
$ 30,00
$ 8,00
$ 7,60
$ 53,00
$ 8,00
$ 2,15
$ 35,15
$ 1,38
$ 3,38
$ 28,00
$ 3,50
$ 0,70
$ 0,16
$ 0,24
$ 3,85
$ 0,85
$ 9,06
Tabla 5. (Continuación)
1
1
1
1
25
10
100
2
Rollo
Pinza
Pinza
Pomada
canaleta
canaleta
Taco Fisher
Tornillos Triple
Pato
Brocas
5
Taype
1
1
20
15
8
3
2
5
22
1
5
10
Cinta Espiral
Silicón
Correas Plásticas
Tornillos mm
Placa ciega veto
Cajetín plástico
Cajetín plástico
Cloruro férrico
Rodelas de caucho
Balastro
Impresiones Laser
Transporte de envió
Reinstalación
eléctrica
100
1
Estaño
Cortadora
1PK
Soldar
Blanca 20x12
Blanca 13x7
F6
$ 5,00
$ 3,39
$ 4,24
$ 3,00
$ 1,57
$ 1,36
$ 0,05
$
$
$
$
$
$
$
1x8
$ 0,05
$ 5,00
cemento de 1/4
3M 3/4 x 10
yardas
Blanca pequeña
Transparente
Blanca
4 x 20
Pla35482
Rectangular
Octogonal
Onzas
M2
Lámpara
PCB
Varios
Área
administrativa
TOTAL
$ 1,25
$ 2,50
$ 0,43
$ 2,15
$ 1,90
$ 2,10
$ 0,10
$ 0,06
$ 1,00
$ 0,49
$ 0,66
$ 0,50
$ 0,02
$ 14,00
$2,00
$ 3,00
$ 1,90
$ 2,10
$ 2,00
$ 0,90
$ 8,00
$ 1,47
$ 1,32
$ 2,50
$ 0,44
$ 14,00
$ 10,00
$ 30,00
$ 150
5,00
3,39
4,24
3,00
39,25
13,60
5,00
$ 150
$ 727,29
Fuente: APM tienda tecnológica, PROCOINEC Electricidad
4.5.2
Costo del sistema domótico de acceso. En la tabla 6 se muestra el costo de
los elementos y materiales que se utilizó para la implementación del sistema, es
necesario recalcar que al costo se añade el precio del LOGO 230 RC a fin de
determinar el valor de inversión pero este dispositivo fue donado mediante gestión
por parte de la Escuela de Ingeniería de Mantenimiento en donde se desarrolla el
presente proyecto.
-88-
Tabla 6. Costo sistema de acceso
COSTOS DE IMPLEMENTACIÓN SISTEMA DE CONTROL ACCESO
VALOR
VALOR
CANTIDAD
DESCRIPCIÓN
UNIT.
TOTAL
TARJETA ELECTRÓNICA
1
Rectificador tipo puente 10ª
$ 1,42
$ 1,42
1
Rectificador tipo puente 4ª
$ 0,45
$ 0,45
2
Porta fusibles
$ 0,44
$ 0,88
1
Fusible 15 A
$ 0,08
$ 0,08
1
Fusible 2 A
$ 0,09
$ 0,09
2
Relay 12Vdc 5 pines
$ 1,60
$ 3,20
1
Regulador LM 7805
$ 0,40
$ 0,40
2
Sensor PIR motion
$ 16,00
$ 32,00
10
Borneras riel DIN cable 12AWG
$ 1,52
15,20
4
Capuchón 14 AWG
$0,07
$ 0,28
1
Ventilador 120 VCA
$ 8,03
$ 8,03
MICROSWICH contacto
$ 7,00
$ 14,00
2
magnético NA
2
Baquelita 10x10 perforada
$ 0,90
$ 1,80
1
LOGO 230! RC SIEMENS
$130,00
$130,00
1
TRANSF 12V 10A
$ 45,00
$ 45,00
1
Transformador 12V 2A
$ 5,80
$ 5,80
EQUIPO Y MATERIAL ELÉCTRICO
5
Cable UTP (mts)
$ 0,35
$1,75
3
Cable multipar 6 pares (mts)
$ 0,80
$ 2,40
100
cable flexible #16 AWG (mts)
$0,25
$ 25
2
Gabinete metálico (40x30x20)
$ 34,00
$ 68,00
50
Cable gemelo 10 AWG (mts)
$ 1,66
$ 83,00
1
Toma triple de pared (2P+ T)
$ 1,23
$ 1,23
5
Terminales varios
$ 0,25
$ 1,25
SISTEMA MECÁNICO
1
Soportes y bases para motor
$ 100,00
$ 100,00
3
Transporte de envío
$ 2,00
$ 6,00
1
Cremallera de 1,5 m
$ 5,00
$ 45,00
2
Chumaceras
$ 5,00
$ 10,00
1
Banda de transmisión
$ 4,00
$ 4,00
1
Puerta de Aluminio
$ 400,00
$ 400,00
8
Cable de acero (mts)
$ 2,00
$ 16,00
Arenado sobre vidrio (logotipo
$ 50,00
$ 50,00
1
Escuela)
2
Ángulos con base
$ 5,00
$ 10,00
2
Poleas de aluminio
$ 0,00
$ 10,00
30
Tornillos varios
$ 0,10
$ 3,00
1
Motor DC ¼ HP
$ 250,00
$ 250,00
1
Piñón mecanizado en duraron
$ 5,00
$ 5,00
TOTAL
$ 1350,26
Fuente: APM tienda tecnológica, PROCOINEC Electricidad, Autores
-89-
4.5.3
Relación de costo al desarrollar los sistemas con otro tipo de
controladores. En la tabla 7 se muestra el costo de los elementos necesarios para
realizar una similar aplicación del sistema con otros tipos de elementos
controladores.
Para esto se toma en cuenta el valor del controlador en el mercado y se toma como
referencia el precio de los otros materiales utilizados en el proyecto en desarrollo,
con lo cual se saca el costo total de realizar una similar aplicación con otro tipo de
tecnología, comparados estas propuestas se establece un costo comercial del sistema
a fin de saber cómo incursionaría en el mercado el producto bajo que expectativas y
competitividad para los clientes.
Tabla 7. Costo del sistema de iluminaciónutilizando otro tipo de controlador
COSTO DEL SISTEMA AL REALIZAR CON LOGO! 12/24 RC SIEMENS
Costo LOGO! 12/24RC SIEMENS
$ 140,00
Módulo de expansión logo señales analógicas LOGO! AM2
$ 89,00
Software LOGO! Soft Comfort V7
$ 62,00
Cable PC-LOGO!
$ 92,00
Fuente de poder LOGO! Power110/220VCA-24VDC 2.5ª
$ 90,00
Costo de fuente de adaptación sensores
$ 10,62
Costo sensores
$ 46,34
Costo materiales eléctricos
$ 285,96
Costo de herramientas y materiales varios
$ 127,67
Otros gastos
$ 190,00
TOTAL $ 1.133,59
COSTO DEL SISTEMA AL REALIZAR CON PLC S7200 SIEMENS
Costo PLC S7200 CPU 222 AC/DC/Relé SIEMENS
$ 335,00
Módulo de expansión PLC 2 señales analógicas tipo RTD EM231
$ 356,00
Software SIMATIC Step 7 MicroWin
$ 450,00
Cable interfaz PPI comunicación y programación S7 200/PC
$ 180,00
Costo de fuente de adaptación sensores
$ 10,62
Costo sensores
$ 46,34
Costo Materiales eléctricos
$ 285,96
Costo de herramientas y materiales varios
$ 127,67
Otros gastos
$ 190,00
TOTAL $ 1.981,59
Fuente: Lista de precios Ecuador Enero 1 del 2013 SIEMENS
(www.siemens.com/industry), Autores
-90-
Analizando los costos de utilizar otro tipo de controlador para realizar la aplicación
podemos determinar las siguientes características, ventajas y desventajas del sistema
desarrollado:
·
El diseño del sistema es reducido con lo cual se gana espacio en el momento de
realizar los montajes y cableados y la instalación, este factor es importante ya
que se incurriría en mayor gastos económicos al utilizar un tablero con
mayores dimensiones y más material eléctrico, además se pierde estética al
sobreponer en una oficina un tablero con grandes dimensiones y si se lo ubica
en una área diferente incurre en nueva inversión económica y de tiempo el
hacer sistemas de fuerza y control.
·
El sistema permite acoplar señales de sensores estándares y se puede
acondicionarla o configurarla de acuerdo a nuestras necesidades sea
internamente en el PIC o externamente con pocos elementos electrónicos que
son de bajo coste. Los dispositivos lógicos programables en muchas ocasiones
no permiten acoplar cualquier tipo de sensor o señal sin que estos no sean
compatibles con su software, al utilizar sensores de la misma marca estos son
de costo más elevado y no existen con facilidad en el mercado, lo cual afecta
en el precio final del producto el costo, así como, la importación o gastos de
envió de los dispositivos.
·
En el PIC se pueden configurar los pines como entrada o salida y esta como
digital o analógica, sin que esto afecte el desarrollo de la tarjeta electrónica de
un sistema. En los dispositivos lógicos programables las entradas y salidas
están determinadas y si se requiere de un mayor número es necesario utilizar
módulos de expansión los cuales su precio muchas de las veces son similares al
del controlador.
·
Para la programación del PIC se utiliza un solo software y un solo tipo de cable
de comunicación estándar. Los dispositivos lógicos programables requieren de
independiente software y cable para su programación y comunicación.
·
Como desventaja de un PIC frente a los dispositivos lógicos programables
podemos citar, el PLC o LOGO están listos para ser usados, el PIC requiere del
desarrollo del PCB que muchas de las veces la falta de experiencia del
diseñador provoca la pérdida de tiempo y materiales que afectan al precio final
del producto.
-91-
A continuación en la tabla 8 se analiza el precio del sistema de acceso al utilizar
tecnología que se dispone en el mercado nacional.
Propuesta comercial. Analizados los precios de los costos de materiales, equipos y
accesorios que se necesitan para la implementación de los sistemas, así como,
comparando los precios de los otros proveedores y estimando el tiempo necesario
para diseñar, elaborar, instalar y poner en funcionamiento el sistema con la mano de
obra necesaria y herramientas se puede determinar un precio comercial para incurrir
en el mercado.
A continuación en la tabla 9 se muestra el precio del sistema de iluminación y acceso
con el que se lanzaría los productos al mercado.
Tabla 8. Costo del sistema de acceso con otro tipo de tecnología en el mercado
COSTO DEL SISTEMA DE ACCESO
COSTO SISTEMA METÁLICA SUNTAXI
$ 3.500,00
COSTO SISTEMA TELMATICS
$ 4.200,00
Fuente: Proformas METÁLICA SUNTAXI PUERTAS
AUTOMÁTICAS,TELMATICS TELECOMUNICACIONES Y
AUTOMATIZACIONES
Tabla 9. Propuesta comercial de los sistemas
PROPUESTA COMERCIAL SISTEMA DE CONTROL DOMÓTICO DE
ILUMINACIÓN
$ 727,29
Costo del sistema
Costo mano de obra
Diseño sistema
Montaje e instalación sistema
$ 300,00
$ 600,00
TOTAL
$ 1.627,29
PROPUESTA COMERCIAL SISTEMA DE CONTROL DE ACCESO
$ 1.245,39
Costo del sistema
Costo mano de obra
Diseño sistema
Montaje e instalación sistema
TOTAL
Fuente: Autores
-92-
$ 300,00
$ 500,00
$ 2.045,39
Como se puede apreciar de acuerdo al análisis de las diferentes tablas de costos
resulta más económico desarrollar sistemas con tecnología propia ya que utilizar
sistemas o equipos importados incrementan los precios del producto final.
En el mercado se tendría que realizar un estudio de mercado tal que nos ayude a
determinar los potenciales clientes, fortalezas y debilidades de los sistemas a fin de
garantizar la satisfacción del cliente de adquirir un producto económico pero con
gran garantía y calidad y sobre todo con alta tecnología.
El tiempo estimado para el diseño, elaboración, instalación y calibración en caso de
requerir instalar un nuevo sistema es de 5-10 días laborables con un total de personal
de 1 técnico y 1 ayudante, se debe recalcar que el precio es solo la implementación
del sistema en caso de requerir readecuaciones, mantenimiento y reparación de los
cableados eléctricos u otros trabajos adicionales como la elaboración de la puerta se
adicionará el costo respectivo, el cliente pagará mencionados valores, el costo del
sistema domótico es independiente.
Con este análisis se puede conocer que se genera muchos beneficios el desarrollo del
presente proyecto de grado, no solo para la Escuela en donde se desarrolla e
implementa el sistema, sino también para sus creadores, así como, la sociedad en
general.
4.5.4
Beneficio del proyecto. Comparado los costos que incurrirían el desarrollar
la aplicación realizada en el presente proyecto podemos decir que los beneficios
obtenidos son:
Beneficios primarios, directos o de la población beneficiaria
Imagen social. Al disponer de tecnología en las instalaciones de un edificio y éstas
alcancen un nivel de inteligencia aceptable en sus actividades y comunicaciones, se
los puede considerar como inteligentes. El disponer de este tipo de edificaciones hace
que una organización, empresa o institución gane prestigio ante la sociedad en
general, genera seguridad y confort para sus usuarios, se genera ahorro con la
eficiencia energética y se logra el cuidado del medio ambiente.
-93-
Contribución de tecnología e investigación. Como se analizó en los costos el
desarrollar tecnología propia es importante ya que al ser un país en vías de desarrollo
es fundamental no seguir importándola, sino más bien utilizar el conocimiento
adquirido en las aulas a fin de dar soluciones a los problemas de carácter científico e
industrial y no depender de otros países que explotan los recursos del estado.
Ahorro energético. La aplicación de los sistemas de control domótico van
encaminados a no solo a dar seguridad, confort o imagen a un edificio, sino que
también éstos deben reducir los costos de operación y mantenimiento, incrementar la
vida útil y generar rentabilidad a los usuarios, esto se logra con el ahorro energético
que es un factor fundamental de un edificio inteligente, cabe destacar que además de
la economía se contribuye a la conservación del medio ambiente.
Seguridad. La preservación de bienes e integridad del personal, ante situaciones de
peligro como: incendios, apagones de energía, robos, etc., que son generadas ya sea
por desastres naturales o por negligencia de las personas. Ante esto al implementar
los sistemas de seguridad y el sistema de detección de incendios y rutas de
evacuación se garantiza estar al pendiente de acontecimientos anormales a las
actividades cotidianas del personal logrando así preservar los bienes de la Escuela y
sobre todo la vida humana de las personas que utilizan las instalaciones.
Beneficios secundarios o indirectos. Un beneficio indirecto que se obtiene con el
desarrollo del presente proyecto es; el conseguir haber desarrollado un sistema
domótico que se puede aplicar a edificios, fuera de la institución
y obtener
rentabilidad para sus desarrolladores. De acuerdo a la propuesta comercial y
realizado un buen estudio de mercado, se podría incursionar con el producto
atrayendo clientes para la venta posterior, con lo cual se crearían fuentes de trabajo
para otras personas.
4.6
Análisis de resultados e impactos
En vista de no poder alcanzar una inteligencia máxima o total donde están integradas
el control y las comunicaciones, debido a la falta de infraestructura en las
instalaciones del edificio y no cubrir el edificio en su totalidad con la
-94-
implementación de los sistemas, los resultados obtenidos son bajos, ante esto es
necesario analizar los objetivos alcanzados con el presente proyecto.
4.6.1
Resultados de implantación. A más de la imagen social y confort generado
con el proyecto una de las características de mayor logradas es el ahorro energético.
Tabla 10. Ahorro energético generado
AHORRO ENERGÉTICO
cantidad de lámparas cubiertas por el
proyecto
Cantidad
10
horas promedio de funcionamiento normal
anterior
horas promedio de funcionamiento
innecesario anterior
horas promedio de funcionamiento normal
actual
Horas promedio de funcionamiento
innecesario actual
CONSUMOS
Consumo anterior energía eléctrica
Consumo actual energía eléctrica
Potencia
total en
vatios
400
40
Días
mes
Horas
1000
20
5
10
240
1
24
10
800
20
4
10
0
0
0
0
Horas
funcionamiento de iluminación
Potencia
en
vatios
Meses
año/días
laborables
mes
10/20
Meses año
kW/h
496
320
176
ahorro con la implementación
AHORRO ESTIMADO AL IMPLEMENTAR EL SISTEMA EN TODO EL
EDIFICIO
potencia potencia
en
total en
cantidad de lámparas estimadas en las 8 áreas de número
vatios
vatios
> impacto
56
40
2240
Horas promedio de funcionamiento normal sin
1000
sistema domótico
kW/h=P*t
Horas promedio de funcionamiento innecesario sin
240
donde:
sistema domótico
Horas promedio de funcionamiento normal con
P=Potencia
800
activa en
sistema domótico
kW;
Horas promedio de funcionamiento innecesario con
0
sistema domótico
t=Tiempo
en horas
CONSUMOS
kW. H
Consumo de energía eléctrica sin sistema domótico.
2400
Consumo actual energía eléctrica con sistema
1972
domótico.
AHORRO CON LA IMPLEMENTACIÓN
448 (44.8kW. h/mes)
TOTAL
Fuente: Autores
-95-
Este ahorro no es muy significativo aparentemente porque el área de implementación
es reducida en comparación al ser implementado en todo el edificio o en toda la
institución educativa, en donde ya sería mayor los resultados que se obtuvieran, a
continuación en la tabla 10 hacemos un análisis del beneficio generado.
Áreas de impacto. Se considera las áreas en que posee mayor número de luminarias y
en donde se analizó el tiempo estimado de funcionamiento innecesario de la
iluminación, las mismas son: Lab. de Termodinámica, Lab. de Control y
Automatización Industrial, Lab. de Electrotecnia, Lab. de Electrónica, Lab. de
Control Industrial y Máquinas Eléctricas, Lab. de Computo y Salón azul. No se
considera el área administrativa ya implementada. Además se debe mencionar que el
ahorro se ha calculado solo para iluminación y no influye el consumo de otros
elementos conectados a tomacorrientes u otro tipo de cargas como motores que
además de la potencia activa generan pérdidas debido a la potencia reactiva.
4.6.2
Impactos de la implantación. Una vez concluido con los diseños,
instalación, calibración y puesta en marcha de los sistemas y analizados los
resultados y beneficios alcanzados con la instalación de los mismos; uno de los
logros que se evidencia con mayor énfasis es el ahorro energético ya que de aquí se
deriva la mayoría de aspectos y objetivos relacionados a un edificio inteligente.
Por otra parte, al inicio, el costo de la implementación de los sistemas se puede decir
que es de un costo elevado, pero la inversión realizada se recupera a largo plazo ya
que el ahorro energético beneficia económicamente al usuario y ayuda a preservar el
medio ambiente al no usar energía innecesaria. Además conociendo que en nuestro
país la energía es subsidiada por el estado, si se eliminara dicho subsidio, el costo
sería muy elevado y con esto la inversión resultaría ser baja en comparación al precio
a pagar por el suministro eléctrico. Es por tales motivos que el desarrollo del sistema
de control domótico de iluminación resulta ser muy eficiente y supera las
expectativas de la investigación planteada.
-96-
CAPÍTULO V
5.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1
Conclusiones
Se implementó sistemas de control domótico a la infraestructura del edificio de la
Escuela de Ingeniería de Mantenimiento, tomando
en cuenta la Normatividad
vigente por el INEN, en donde se establece los requisitos y estándares con que debe
cumplir la edificación.
Los sistemas inteligentes contemplados en este proyecto pueden ser implementados
en edificaciones nuevas con un análisis y diseño adecuados, con el fin de integrar el
control y comunicaciones, en el caso de edificios existentes se deberán estudiar los
planos y diagramas y determinar si es factible o no el gasto en este tipo de
tecnología.
El sistema domótico de iluminación desarrollado mediante el uso de PIC permite no
solo realizar el control de las lámparas, si no que en él se ha creado un programa tal
que garantice la eficiencia energética del área en donde fue instalado.
La programación del PIC se realizó en lenguaje C con el compilador de CCS, el uso
de este software facilitó el desarrollo del sistema, ya que incluye varias librerías de
configuración. En caso de realizar modificaciones o cambios al programa es
importante verificar minuciosamente las configuraciones e inicializaciones para
evitar problemas en su funcionamiento.
Se utilizó el LOGO! 230RC de SIEMENS para el control de acceso (apertura-cierre)
automático al edificio, la utilización de este dispositivo permitió integrar mejor las
señales de los diferentes sensores, garantizando así el funcionamiento del sistema y
la seguridad para sus usuarios.
Los sistemas desarrollados no siempre pueden ser estándares, todo depende de la
necesidad que se requiere dar solución, cualquier toma de decisiones, es necesario
tener un conocimiento muy profundo del problema a tratar y no se pueden tomar
-97-
acciones de control en base a suposiciones, los sistemas deben calibrarse y
comprobarse adecuadamente su funcionamiento en el lugar donde estos funcionarán.
5.2
Recomendaciones
Un edificio deberá contar a más de sus sistemas inteligentes con un medio auxiliar de
suministro eléctrico, su finalidad es mantener operativos los sistemas de emergencia
y seguridad, garantizando la preservación de los bienes y personal, frente a apagones
o siniestros que se pueden presentar de manera inesperada.
Utilizar fuentes estabilizadas de alimentación esto ayuda la preservación y vida útil
de los dispositivos electrónicos, de forma especial de los circuitos integrados y
microcontroladores que son muy vulnerables a los cambios de corriente.
Identificar el tipo de corriente que circula por las pistas o las etapas de control y
fuerza. Esta última deberá ser de mayor dimensión a fin de que en el momento del
ensamble y funcionamiento no se levante el cobre del circuito impreso en la
baquelita, por el calor que genera la circulación de corriente y el funcionamiento de
los dispositivos.
Realizar pruebas y simulaciones antes de elaborar los PCB para evitar errores en el
momento de su desarrollo.
Operar el tablero de control previo la lectura del manual de instrucciones. Su
finalidad es evitar accidentes al personal y daños del sistema.
Observar normas y procedimientos de seguridad, del manual de usuario o estándares
para realizar actividades de mantenimiento o calibración de los sistemas.
Acoplar nuevos elementos de control al sistema de acceso a fin de dar mayor
confiabilidad al sistema, tales como control de suministro eléctrico. Esto ayudará a la
conservación y alargamiento de su vida útil.
-98-
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http://www.programarpicenc.com/libro/programacion-pic-en-c-mikroc
.html
2013-03-21
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