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XIX Jornadas en Ingeniería Eléctrica y Electrónica
24 JIEE, Vol. 19, 2005
DISEÑO E INSTALACION DE UN SISTEMA INTELIGENTE DE ALERTA
TEMPRANA PARA EL CASO DE UNA RUPTURA DE LA PRESASALFEFACCHA
Marci llo Omar, Enríquez Wilson, Jua Ethelwoldo, Pinajota Eddy,
Cáceres VinicioDepartamento de Geofísica, Escuela Poli técnica
Nacional
RESUMEN
Se diseñó un Sistema Digital de Alerta Tempranaplanteando
diferentes posibilidades de falla de lapresa Salve Faccha (Quito
Ecuador).
Dentro del Convenio de Cooperación suscritoentre la EMAAP-Q y la
Escuela PolitécnicaNacional a través del Departamento de
Geofísicase vienen efectuado trabajos relacionados con el“Sistema
de Alarma para Crecidas que seoriginarían en la Presa Salve Faccha
y quepodrían afectar a la Población de Oyacachi”.
Uno de estos trabajos es el desarrollo,implementación y pruebas
del sistemaelectrónico y de decisión de la alerta, que es
unproyecto desarrollado enteramente en el área deInstrumentación
del Instituto Geofísico.
Este es un sistema pionero y único en su tipototalmente creado
en la EPN que ha sido acogidopor la EMAAP-Q y que al momento de
presentarel presente documento, el proyecto esta instaladoy
funcionando.
El modelo electrónico del sistema diseñado einstrumentación
utilizada se la desarrollótomando en cuenta los siguientes
criterios:
• El tipo de presa• La topografía del terreno para
la
transmisión• La ubicación del pueblo en la
cordillera• El tipo de sistema de alerta que
demandaba la población de Oyacachi.1
SISTEMA IMPLEMENTADO
Luego de un análisis exhaustivo de variasposibilidades de diseño
del sistema de alertapresentadas al interior del área de
1 [email protected]
instrumentación, se optó por el sistema de alarmasuministrado
por la ruptura en secuencia de cablesextendidos a lo largo de la
presa, basados ennuevos microcontroladores (PICs). La ruptura
de
uno o varios cables es captada por un sistemainteligente, con
tarjetas electrónicas autónomas endonde el microcontrolador
atendiendo a unasecuencia lógica, transmite a través de la
repetidorauna señal de alarma al equipo de recepciónubicado en la
parroquia Oyacachi, en donde otromódulo electrónico una vez
comprobada la alarmadispara un sistema de audio que cubre toda
lazona poblada.
Este sistema es totalmente autónomo y trabaja enbase a baterías
alimentadas con paneles solarespor lo que se activaran
independientemente de laexistencia o no de energía eléctrica.
Una vez activada la alarma la población deberáseguir los planes
de contingencia establecidos
Este diseño es totalmente seguro y la posibilidad deocurrencia
de falsas alarmas es casi nula, si seconserva como se ha
instalado.
DISEÑO E INSTALACION DEL SISTEMA DE ALERTA
Concepción General y Descripción del Sistema
Integrado.Consideraciones Generales De acuerdo a lo
expuesto anteriormente, seconsideró para realizar el diseño de un
Sistema deAlerta Temprana las diferentes posibilidades defalla de
la presa Salve Faccha.
El modelo electrónico del sistema diseñado einstrumentación
utilizada se la desarrolló tomandoen cuenta los siguientes
criterios:
• El tipo de presa
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• La topografía del terreno para latransmisión
• La ubicación del pueblo en la cordillera• El tipo
de sistema de alerta que
demandaba la población de Oyacachi
Luego de un análisis exhaustivo de variasposibilidades de diseño
del sistema de alertapresentadas al interior del área
deinstrumentación, se opto por el sistema dealarma suministrado por
la ruptura en secuenciade cables extendidos a lo largo de la
presa,basados en nuevos microcontroladores (PICs).La ruptura de uno
o varios cables es captada porun sistema inteligente, con tarjetas
electrónicas
autónomas en donde el microcontroladoratendiendo a una secuencia
lógica, transmite através de la repetidora una señal de alarma
alequipo de recepción ubicado en la parroquiaOyacachi, en donde
otro módulo electrónico unavez comprobada la alarma dispara un
sistema deaudio que cubre toda la zona poblada.
Este sistema es totalmente autónomo y trabajaen base a baterías
alimentadas con panelessolares por lo que se
activaranindependientemente de la existencia o no deenergía
eléctrica.
Una vez activada la alarma la población deberáseguir los planes
de contingencia establecidos
Este diseño es totalmente seguro y la posibilidadde ocurrencia
de falsas alarmas es casi nula, sise conserva como se ha instalado
y entregado.
Diseño del Sistema
El diseño del Sistema de Alertas Tempranas para laPresa Salve
Faccha se basó en los siguientesaspectos:
• Estructura y posibles escenarios de falla de
laPresa.
• La ubicación geográfica y posibles escenariosde
inundación por falla de la Presa en el Pueblode Oyacahi
• Tecnología electrónica de punta disponible almomento del
diseño.
El diseño de este sistema contempla básicamente 3subsistemas
complementarios:
• Subsistema de monitoreo de sensores en laPresa Salve
Faccha
• Subsistema inteligente y autónomo deidentificación,
filtrado y generación de alertasen el Pueblo de Oyacachi.
• Estación de repetición para la comunicaciónentre la
Presa Salve Faccha y Oyacachi.
Subsistema de Monitoreo
El Sistema de Monitoreo en la presa, verifica elestado de 15
sensores de rompimiento instaladoslongitudinalmente en la pared de
la represa (figura1), cada sensor esta constituido de un cable
derompimiento de 70 m de longitud, sostenido por unpromedio de 5
soportes equidistantes a un altura de0.8 m de la superficie y
empotrados a la pared de lapresa.
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Figura 1. En color azul se observan algunos delos 15
sensores de rompimiento en la pared de la
Presa Salve Faccha.
El monitoreo de estos 15 sensores esta a cargode un sistema
electrónico que constabásicamente de 6 módulos basados
enmicrocontroladores PicMicrocontroller, queademás del sondeo de
los sensores se encargadel manejo de una lógica de comunicación
entrelos diferentes módulos sustentada en el envío demensajes,
replicas y comprobación de lasmismas. Los módulos son de dos
clases:
MÓDULOS PRINCIPAL/MADRE: Son losdispositivos encargados de
manejar lassecuencias y lógica de los protocolos decomunicación en
este subsistema (figura 2)controlando dos módulos hijos.
Figura 2. Módulo Principal/Madre
MÓDULOS PERIFERICO/HIJO: Son losdispositivos encargados de
manejar lassecuencias y lógica de los protocolos decomunicación y
el estado de cuatro cables derompimiento.
La secuencia y lógica de comunicación (figura 3),basada en
mensajes que son enviados por los
módulos madre cada 5 minutos hacia un buscomún que comparten dos
módulos periféricos yque marca el inicio de un ciclo de
comprobacióntotal del sistema, este mensaje es escuchado porlos
periféricos y solo uno de ellos, el que espreguntado, responde con
el estado de lossensores a su cargo, si el periférico y la
madreconsideran que no hay ningún problema con lossensores esta
comunicación MADRE-HIJO setermina y se establece ahora comunicación
con elotro periférico, una vez que la comunicación contodos los
periféricos está terminada la estaciónMadre envía por radio un
mensaje del estado de los
sensores con un código que indica que el sistemaesta en estado
normal. En el caso que unarespuesta de uno de los periféricos sea
que existauno o mas sensores rotos, la estación MADREentra en un
estado de alerta, la secuencia decomunicación se inicia nuevamente
con el periféricoque genera la alerta con un protocolo especial
deemergencia, los ciclos de comprobación del estadoglobal del
sistema se hacen ahora cada minuto y elmensaje que se envía vía
radio con un códigoespecial que indica que el sistema ha entrado a
unestado de alerta.
Figura 3. Secuencias de Comunicación en elSubsistema de
Monitoreo
Globalmente el subsistema de monitoreo consta de2 módulos
principales (figura 4) ubicados en losextremos superiores a un
costado de la presa ycuatro módulos periféricos que se ubican en
lasparedes laterales a un costado de la presa (figura5).
MENSAJE DEPREGUNTA DEESTADO:MADRE/HIJO
MÓDULO MADRE MÓDULO DE TX
MÓDULO HIJO
MENSAJE DETRANSMISIÓN:MADRE/TX
MENSAJE DERESPUESTA DE ESTADO:HIJO/MADRE
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Figura 4. Diagrama de conexión entre estaciones
PRINCIPAL Y PERIFÉRICOS
Figura 5. Diagrama general del Subsistema deMonitoreo de
Sensores.
SUBSISTEMA DE DISPARO DE ALERTAS
Este subsistema, instalado en el Pueblo deOyacachi (en la
terraza de la Casa Comunal), esun dispositivo inteligente de
recepción, filtrado eidentificación de mensajes y generación
dealarmas sonoras. Mismo que tiene comoelemento principal un módulo
inteligente basadoen un dispositivo electrónico soportado por
unmicrocontrolador PicMicrocontroller, que permiteel manejo e
identificación del protocolo decomunicación que genera el
Subsistema deMonitoreo de Sensores en la Presa SalveFaccha. Además
de la recepción e identificaciónde estos mensajes este dispositivo
inteligentepuede mediante una serie de algoritmos
lógicosidentificar posibles secuencias de rupturas desensores que
indiquen una falla en la represa,estos algoritmos lógicos están
basadosprincipalmente en secuencias físicas que seestudiaron, bajo
las cuales la información de lossensores puede indicar una
verdadera ruptura en
la presa, los mensajes de alerta que no pasan losalgoritmos de
identificación son descartados y
considerados como rupturas accidentales en lossensores.
Este subsistema consta básicamente de undispositivo inteligente
de identificación y generaciónde alertas, un amplificador de
señales sonoras300W y un juego de 8 bocinas de núcleo de
100W(figura 6). El dispositivo inteligente una vezidentificada la
señal de alerta dispara una señal queoscila entre 300 y 700 Hz
Figura 6. Esquema del Subsistema de Generaciónde
Alertas
ESTACIÓN DE REPETICIÓN
Dada la geografía donde el sistema debía serdesplegado se hizo
necesaria la implementación deuna estación repetidora que fue
instalada en elCerro Rosas Pungo desde donde se tiene línea devista
a los dos puntos de interés: la Presa SalveFaccha y el Pueblo de
Oyacachi.La estación repetidora recibe la señal desde losmódulos
principales en la Presa Salve Faccha y lareorienta hacia Oyacachi a
través de un moduloelectrónico de repetición y viceversa
garantizandode esta manera la comunicación entre lossubsistemas de
monitoreo y de disparo de alarmas.
INSTALACIÓN Y PRUEBA
A comienzos del año anterior 2004, y con el equipoconstruido y
probado en el laboratorio, seempezaron con las pruebas de
campo.
PERIF. #1
PERIF. #2
ESTACIONPRINCIPAL A
PERIF. #3
PERIF #4
ESTACIONPRINCIPAL B
MÓDULOPRINCIPAL
TX
PERIFÉRICOS 1
PERIFÉRICO 2
SENSORES
SENSORES
DISPOSITIVO INTELIGENTE DEIDENTIFICACIÓN Y GENERACIÓN
DE ALERTAS
UNIDAD DE AMPLIFICACIÓNDE 300 w
RX
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Las primeras pruebas se las realizaron sobre elSubsistema en la
Presa Salve Faccha, se
revisaron los protocolos de comunicación entrelos módulos
PRINCIPAL y PERIFÉRICOS, y seobtuvo la respuesta esperada en
estos.
El segundo grupo de pruebas se hizo paracomprobar el
funcionamiento de la vía detransmisión entre la presa Salve Faccha
yOyacachi a través de la repetidora en el CerroRosas Pungo. Con el
sistema total enlazado seprocedió a verificar el funcionamiento
mediante lasimulación de una serie de eventos de ruptura
desensores, el Sistema Inteligente pudo discriminarentre las
secuencias que simularon eventos de
ruptura verdaderos y rupturas de sensores poragentes
externos.
Una vez con el Sistema total en funcionamientose probaron los
niveles de sonido en diferentespartes del pueblo y se comprobó, con
ayuda delos moradores del mismo que el sonidogenerado por el
amplificador de 300W y las 8bocinas cubren a satisfacción la
superficie delpueblo.
El día 9 de marzo del 2005 se realizó una pruebade
funcionamiento del equipo conjuntamente confuncionarios de la
EMAAP-Q. A las 12:30 horasse simulo una ruptura en el sistema de
detecciónen la presa lo que disparó una alerta en
Oyacahi,contándose con la presencia de las autoridadesdel pueblo
como consta en el acta de verificacióny funcionamiento del
mismo.
Dadas las condiciones del clima en la PresaSalve Faccha se
recomienda realizar unprograma de mantenimiento anual en
lossensores de rompimiento y en el equipoelectrónico
CONCLUSIONES
De las pruebas que se han realizado sobre elsistema se concluye
que este trabaja en óptimascondiciones y está listo para entrar
enfuncionamiento continuo.
Cualquier falla en la presa será detectada por lossensores de
ruptura y activará la alarma enOyacachi.
El sistema de audio instalado en la recepción enla parroquia
Oyacachi tiene la suficiente
cobertura para alertar a toda la población aledaña.
El sistema diseñado e instalado es totalmenteautomático y
altamente confiable, cualquiermodificación al mismo lo puede
convertir envulnerable.
El sistema diseñado por el Instituto Geofísico esúnico en su
tipo, pionero y exclusivo para estaaplicación con tecnología de
punta.
Gracias al diseño de este sistema se ha logradogenerar un
conjunto de herramientas tecnológicasque permitirán la ejecución de
nuevos proyectos enel país a bajo costo y fácilmente adaptables a
la
realidad nacional.
BIOGRAFÍAS
Marcillo Lara Omar.
Nació en Quito el 6 de Septiembre de 1977.Estudios superiores
los realizó en la EscuelaPolitécnica Nacional en el Departamento de
Física,obtuvo su título como Físico en el 2003. DesdeJunio 2002
trabaja como investigador en elDepartamento de Geofísica de la
EscuelaPolitécnica Nacional y realiza desarrollo dehardware y
software orientado al monitoreovolcánico. Actualmente trabaja en
proyecto pionerousando nuevas tecnologías en el desarrollo
deequipos para monitoreo volcánico en base alinfrasonido,
conjuntamente con investigadores de laUniversidad de Harvard y la
Universidad de NewHampshire.
Cáceres Arteaga Vinicio José
Nació en Cuenca el 15 de Agosto de 1942, obtuvoel título de
Tecnólogo en Electrónica yTelecomunicaciones en la Escuela
Politécnica
Nacional en 1973, trabajó en el Ministerio de ObrasPúblicas
desde 1965 a 1973 como Laboratorista deSuelos, en el Observatorio
Astronómico desde 1973hasta 1984 y, en el Departamento de Geofísica
dela Escuela Politécnica Nacional desde 1984 a lapresente fecha
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Enríquez López Wilson.
Nació el 8 de febrero de 1962 en TulcánEcuador, sus estudios
secundarios los realizó enel Instituto Superior Bolívar, los
superiores en laEscuela Politécnica Nacional facultad deIngeniería
Eléctrica (Telecomunicaciones) donde
se graduó de Ingeniero en Electrónica yTelecomunicaciones. Sus
estudios de postradolos realizó en la Universidad de
CantabriaEspaña obteniendo el Título de Magíster enIngeniería de
Comunicaciones en 1997.Otroscursos realizados en Geological Survey
USAWashington en Instrumentación Electrónica,Universidad de Hawaii
en Técnicas de Monitoreo,Ciudad de Panamá, Panamá en
Instrumentaciónde bajo costo, etc., ha presentado trabajos
enBrasil, Colombia USA, etc. Actualmente sedesempeña como Jefe del
Área técnica delDepartamento de Geofísica de la EPN. yprofesor
principal de la Escuela Politécnica
Nacional Area de Telecomunicaciones.
Pinajota Duchi Eddy Alfredo
Nació en Quito el 27 de Abril de 1977, obtuvo eltitulo de
Tecnólogo en Electrónica yTelecomunicaciones en la Escuela
PolitécnicaNacional en el 2004, trabajo en EQUIPAS (1994-1995),
realizando mantenimiento de equiposmédicos, BIEMED (1997-1998),
enmantenimiento y reparación de tarjetas
electrónicas industriales, ESFOT (1998-2001),como auxiliar de
Laboratorio de Software y, en elDepartamento de Geofísica de la
EscuelaPolitécnica Nacional desde 2001 hasta lapresente fecha.
