INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

“UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS”

“PROPUESTA DE UN SISTEMA DE CONTROL E

INSTRUMENTACIÓN PARA UNA ESTERILIZADORA DE VAPOR GRADO HOSPITALARIO”

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

PRESENTA:

RAYMUNDO PÉREZ ABEJA

ASESOR: ING. JOSÉ ANGEL MEJÍA DOMÍNGUEZ

MÉXICO, D. F. 2009

1

Agradecimientos:

“Ustedes me llaman Maestro y Señor; y tienen razón, porque soy Maestro y Señor.” Juan 13: 13

"Les digo esto desde ahora para que, cuando suceda, ustedes crean que Yo Soy”Juan 13:19

Al Señor Jesucristo; Señor creador y dador de la vida, que me permitió alcanzar el anhelo de mi corazón; Gracias Dios mio. A mi madre; la señora Balbina Abeja Cortes; quien supo infundir en mi corazón el respeto y temor de Dios; así como la enseñanza de mis primeras letras; guía fiel y refugio en las mayores necesidades de cariño. Dios te bendiga Madre. A mi esposa Verónica; por su apoyo en todo este tiempo; sueños y esperanzas compartidos; guarda fiel en todo tiempo del cuidado de sus pequeños, con mi amor te dedico este trabajo. A mis hijos: A Abraham; por tantas tardes y noches esperando la llegada de tu papá, por la bendición tan grande que has traído contigo a mi vida desde que naciste. Te llevo en mi corazón para siempre. A Josué; por tu alegría, por tus ganas de vivir y tantos sueños e ilusiones que tienes; pero sobre todo por ese gran amor que Jesús puso en ti, esfuérzate y se valiente. A Daniel; por que tienes un corazón bueno y sencillo, por tus oraciones de niño que cuidan de cada uno de tu familia; el Señor te recompensara. A Abigail; por que eres enviada por Dios; en ti se cumple el significado de tu nombre “Padre de alegría”, eres el regalo de Dios a tiempo y con su propósito, todos te queremos mucho. A mi hermano Benito; a quien reconozco como un verdadero hermano, capaz de negarse a si mismo para dar vida a los demás; hermano, el titulo que recibo; mucho esta escrito con tu sudor, con tu trabajo, con tu esfuerzo, aun esta hecho de tus propias ilusiones; pero sobre todo esta hecho de ese inmenso amor con el que nos alimentaste; verdadero reflejo del amor de Dios; con respeto te dedico este trabajo. A la Ing. Claudia Cárdenas; ejemplo de honestidad y profesionalismo, gracias por haberme brindado la enorme oportunidad de trabajar junto a ti, gracias por tu paciencia y consejos, así como por ese enorme amor que tienes por toda la gente que te rodea; Que Dios te bendiga. A mis hermanos; por que cada uno de ustedes me ayudaron de alguna forma , sea en lo económico, sea en lo material o sea simplemente con su compañía, también les pertenece este triunfo y esta carrera que hoy concluye. Gracias A la memoria de mi padre.

2

TITULO: PROPUESTA DE UN SISTEMA DE CONTROL E INSTRUMENTACIÓN PARA UNA ESTERILIZADORA DE VAPOR GRADO HOSPITALARIO. OBJETIVO GENERAL: DESARROLLAR UN SISTEMA DE CONTROL E INSTRUMENTACIÓN QUE CUMPLA CON LOS ESTANDARES DE CALIDAD Y ASEGURE LA EFICIENCIA DEL PROCESO DE ESTERILIZACIÓN CON VAPOR EN UN EQUIPO DE GRADO HOSPITALARIO. OBJETIVO PARTICULAR: DETERMINAR LOS ELEMENTOS PRIMARIOS NECESARIOS PARA LOGRAR UN SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO EN UNA ESTERILIZADORA DE VAPOR, ASÍ COMO PROPONER UN SISTEMA DE CONTROL PARA MANTENER EL EQUIPO EN CONDICIONES DE SEGURIDAD Y OPERACIÓN, BAJO LOS PARÁMETROS PROGRAMADOS DE FUNCIONAMIENTO. INDICE:

1. INTRODUCCIÓN (3)

2. SITUACIÓN ACTUAL DEL EQUIPO DE ESTERILIZACIÓN CON VAPOR (9)

3. PROPUESTA TECNOLÓGICA DE INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL PARA EL EQUIPO DE ESTERILIZACIÓN CON VAPOR (18)

4. APLICACIÓN DE LA PROPUESTA AL EQUIPO DE ESTERILIZACIÓN CON

VAPOR (50)

5. ESTUDIO COSTO BENEFICIO. (61)

6. CONCLUSIONES (67)

7. GLOSARIO (69)

8. BIBLIOGRAFÍA. (73)

9. ANEXO. (74)

3

1. INTRODUCCIÓN. ANTECEDENTES HISTÓRICOS.

La esterilización en la época moderna comienzan con los trabajos de Pasteur en los años de 1864 y 1865, sobre la fermentación y la generación espontánea; estos tuvieron importantes consecuencias para la medicina, ya que Pasteur opinaba que el origen y evolución de las enfermedades eran análogos a los del proceso de fermentación. Es decir, consideraba que la enfermedad surge por el ataque de gérmenes procedentes del exterior del organismo, del mismo modo que los microorganismos no deseados invaden la leche y causan su fermentación. Este concepto, llamado teoría microbiana de la enfermedad, fue muy debatido por médicos y científicos de todo el mundo. Uno de los principales razonamientos aducidos en su contra era que el papel desempeñado por los gérmenes en la enfermedad era secundario y carecía de importancia; la idea de que organismos diminutos fueran capaces de matar a otros inmensamente mayores le parecía ridícula a mucha gente. No obstante, los estudios de Pasteur mostraban que estaba en lo cierto, y en el transcurso de su carrera hizo extensiva esta teoría para explicar las causas de muchas enfermedades ese mismo año Pasteur desarrolla la pasteurización, un proceso de calentamiento de un líquido, en particular de la leche, para destruir las bacterias perjudiciales, sin producir cambios materiales en la composición, en el sabor, o en el valor nutritivo del líquido; abriendo formalmente la esterilización de alimentos de forma científica; este proceso consiste del calentamiento de un líquido hasta una temperatura que oscila entre 55 y 70 °C con el fin de inhibir la fermentación del vino y de la leche. La leche se pasteuriza al calentarla a 63 °C durante 30 minutos, luego se enfría con rapidez, y se envasa a una temperatura de 10 °C. La cerveza y el vino se pasteurizan al ser calentados a unos 60 °C durante unos 20 minutos; también se hace, según un método más reciente, calentando a 70 °C durante 30 segundos y envasando en condiciones estériles.

FIGURA NÚMERO 1. LUIS PAUSTER.

4

En ese milagroso año de 1865 se introducen los primeros antisépticos utilizados en cirugía, se deben al cirujano británico Joseph Lister quien nuevamente revoluciona la cirugía al introducir el uso de antisépticos para reducir las infecciones contraídas en el quirófano en al año de 1865. Aplicando ácido carbólico en el instrumental y directamente en las heridas, consiguió reducir la mortalidad desde un 50% hasta un 15% en cuatro años. Después de cientos o miles de años el hombre estaba en el camino correcto en su batalla contra los microorganismos logrando cada vez mejores procesos de esterilización de alimentos, heridas e instrumentos quirúrgicos. Los ingenieros de la época idearon los primeros sistemas para lograr que se cumplieran los objetivos descritos por Pauster; diseñando esterilizadoras cerradas de tipo vertical, las cuales constaban de un recipiente acerado de tipo cilíndrico, integrado de una tapa; para permitir un cierre hermético, un seguro a través de tornillos alrededor de la tapa, un contenedor interno, utilizado para colocar el material a esterilizar y una mirilla de vidrio que permitía verificar el nivel de agua. El sistema era calentado por un sistema de resistencias eléctricas en la parte inferior del cilindro, al momento de evaporarse el agua, la cámara interna quedaba presurizada con vapor de agua saturado; el único sistema de control con que contaba, era un presostato que se encargaba de cortar la energía eléctrica de las resistencias, al momento de alcanzar el valor pre-establecido; evitando con esto algún accidente por exceso de presión interno, además de contar con una válvula de alivio de presión.

FIGURA NÚMERO 2. ESTERILIZADORA TIPO VERTICAL.

Estos sistemas prevalecieron hasta mediados del siglo XX, cuando al finalizar la segunda guerra mundial el control electromecánico estaban en pleno auge, y apenas se vislumbraba el comienzo de la revolución electrónica; principalmente en las potencias vencedoras del conflicto, tales como E.U, Reino Unido y Rusia. Las esterilizadoras de este tiempo comenzaron a modificarse para procesar una cantidad cada vez mayor de instrumental, ropa y accesorios médicos de tal manera que el tamaño de las cámaras de esterilización fue aumentando por que las necesidades de la población civil por los servicios hospitalarios iba en aumento; hasta obtener volúmenes efectivos de la cámara de esterilizado como:

5

• 95 litros • 281 litros • 461 litros • 850 litros

FIGURA NÚMERO 3. ESTERILIZADORA TIPO HORIZONTAL, CO N LA CAMISA (JAQUET) EXPUESTA.

Las nuevas esterilizadoras se construían igualmente de acero inoxidable, pero a diferencia de su predecesora la figura geométrica era cubica, lo cual implica puertas de acceso a la cámara de forma rectangular; y cuyos seguros de cierre se basaban en los mecanismos utilizados en los submarinos, es decir utilizaban un volante que al momento de girarlo desplazaba rayos o brazos que se insertaban en el marco de la cámara, realizando un sello perfecto, permitiendo aumentar el valor de la presión interna de esterilización hasta más de 30 PSI, esta presión tan alta logra el efecto de disminuir el tiempo necesario para la esterilización de instrumental y equipo quirúrgico; haciendo aun más eficiente el ya saturado quirófano.

FIGURA NÚMERO 4. VISTA FRONTAL DE ESTERILIZADORA DE VAPOR.

6

El principio básico de funcionamiento estriba en generar el vapor en calderas externas; es decir hace innecesario que el equipo cuente con resistencias eléctricas para generara el vapor; este se mandaba hacia una camisa o reservorio que envolvía a la cámara de esterilización y que se inyecta a la misma cámara en el momento de la esterilización propiamente dicho.

FIGURA NÚMERO 5. ESTERILIZADORA CON REGULADOR DE PR ESIÓN Y CAJA DE CONTROL INSTALADO EN LA PARTE SUPERIOR.

El sistema de control utilizado se basa en la utilización de un pequeño motor de CA, acoplado a un moto reductor del cual sale una flecha, la cual tiene como función el poder activar; a través de levas; los interruptores eléctricos que activan a cada una de las válvulas solenoides.

FIGURA NÚMERO 6. VISTA DEL PROGRAMADOR DE LAS FASES DE ESTERILIZACIÓN .

7

El sistema ya expuesto es el más básico imaginable; pero presenta desventajas como:

• Es un sistema analógico. • La rotura de algún elemento del sistema afecta totalmente al proceso de esterilización

sin contar con ningún medio de diagnostico que indique la fase de esterilizado que se interrumpe.

• El sistema de seguridad consiste únicamente en la actuación de sistemas mecánicos aplicados en la puerta, válvulas de sobrepresión y válvulas de suministro de vapor y agua.

• La única forma de verificar que el sistema cumplió con los parámetros requeridos de esterilización consiste en una grafica de tipo circular que indica si dentro de la cámara se alcanzo la temperatura deseada o no, esto a través de un bulbo sensor relleno de gas, que desplazaría la aguja del graficador de tipo circular marcando el aumento de la temperatura en la cámara, el tiempo invertido en el ciclo de esterilización y la dinámica del proceso.

• El gasto de agua y vapor son muy altos llegando a gastar hasta 15 gpm de agua con valores pico de de hasta 280lts/min de vapor.

FIGURA NÚMERO 7. CONTROL COMPLETO CON MANOMETROS. I NDICADORES DE FASE DEL EQUIPO, SELECTOR Y PROGRAMADOR.

Las ventajas de este equipo radica en:

• Bajo costo de mantenimiento y que consiste en 2 visitas al año, para cambio de empaques de puertas, reemplazo de válvulas solenoides dañadas, corrección de fugas de agua y vapor, lubricación de la puerta, limpieza de trampas de vapor y reemplazo de válvulas de no retorno; calibración de sistema graficador de temperatura y pruebas de funcionamiento de válvulas de seguridad.

• Alta durabilidad debido a que las cámaras de esterilización, camisa y puerta de acceso se garantizan por el fabricante por un tiempo de 50 años, realizando las pruebas de certificación recomendado por ellos llamada pruebas hidrostáticas. Esto

8

se debe a que la parte antes mencionadas se construyeron con acero cedula 316 y cumple con la norma para recipientes sujetos a presión.

FIGURA NÚMERO 8. REGISTRADOR CIRCULAR DE TEMPERATUR A.

IMPORTANCIA DE LA ESTERILIZACIÓN. Dentro de un hospital existen decenas o incluso cientos de procedimientos diarios que exigen el uso de instrumentos limpios y estériles, no es de extrañar que en las últimas décadas la preocupación por la aparición de nuevas enfermedades aumente la exigencia en cuanto a los procedimiento de esterilización de material quirúrgico y en especial del instrumental ya sea que se utilice en cirugías, instalación de catéteres, saturación de heridas, lavado mecánico aséptico, exploración vaginal, retiro de puntos, disecciones, etc. El área de procesamiento, esterilización y distribución en el campo del cuidado de la salud, se le conoce más comúnmente como central de equipos y esterilización (CEyE), o como central de suministros y las funciones realizadas por el personal incluyen las siguientes:1) limpieza, descontaminación, procesamiento (inspección, ensamble y empaque) y esterilización de suministros y equipos reutilizables de cuidados a pacientes y 2) distribución de estos suministros y equipos a las unidades que utilizan. Hasta los años 40, los suministros médicos/quirúrgicos eran en su mayoría, procesados y mantenidos en los departamentos y en las áreas de cuidados de pacientes en las que se iba a utilizar. Bajo este sistema, había mucha duplicación de esfuerzos y equipo, y era difícil mantener altos estándares consistentes de técnicas de esterilización y calidad de productos en toda la institución al cuidado de la salud. A medida que se incrementó la variedad de procedimientos quirúrgicos, se hizo evidente que se necesitaba un procesamiento centralizado para aumentar la eficiencia, economía y seguridad de los pacientes. El trabajo de los científicos W. B Underwood y John J. Perkins fue muy útil para fomentar que las instituciones al cuidado de la salud establecieron un departamento distinto y separado, la central de equipos y esterilización, con expertos especializados y con la responsabilidad directa de proporcionar suministros médicos y quirúrgicos limpios y esterilizados a las áreas de cuidados de los pacientes denominada hoy en día CEyE, (Central de Equipos y Esterilización).

9

La CEyE generalmente está dividida en cinco áreas principales: descontaminación, procesamiento (inspección, ensamble y empaque), esterilización, almacenamiento estéril y distribución. Descontaminación es el área en donde el equipo y los suministros reutilizables para cuidado de los pacientes se limpian y califican como seguros. Esto puede hacerse manualmente o con equipo mecánico, dependiendo del artículo que está siendo descontaminado y los recursos del departamento. Se utilizaran detergentes químicos y desinfectantes como parte del proceso, independientemente de que se utilicen medios manuales o mecánicos de desinfección. Procesamiento es el área en la que los suministros, los instrumentos y las charolas, ya descontaminados y limpios, se preparan para el procesamiento adicional, almacenamiento o distribución. El área de esterilización de CEyE es donde los artículos empacados se someten a un proceso que destruye todos los microorganismos. Esto puede realizarse con diversos métodos, pero el más común es a través de esterilización por vapor y oxido de etileno 2. SITUACIÓN ACTUAL DEL EQUIPO DE ESTERILIZACIÓN C ON VAPOR. Actualmente las modernas autoclaves están integradas por los siguientes elementos (figura número 9).

1) Válvula de seguridad. 2) Manómetro de la cámara. 3) Manómetro de la camisa. 4) Puerta de autoclave. 5) Manija de puerta. 6) Cámara de esterilización 7) Línea de evacuación de condensado de la cámara. 8) Termómetro. 9) Línea de evacuación de condensado de la camisa. 10) Salida de vapor al final de ciclo. 11) Restricción de paso de vapor con esterilización de líquidos. 12) Línea de evacuación de vapor con esterilización de líquidos. 13) Línea de evacuación de vapor durante ciclo de esterilización rápida. 14) Línea de alimentación de vapor. 15) Válvula de admisión de aire con filtro. 16) Camisa. 17) Válvula de regulación de ingreso de vapor. 18) Línea de alimentación de vapor. 19) Trampa de vapor. 20) Desagüe.

10

FIGURA NÚMERO 9. CONSTITUCIÓN DE UNA AUTOCLAVE.

DESCRIPCIÓN DE LOS COMPONENTES:

1) Válvula de seguridad. Dispositivo que impide que la presión del vapor aumente por

encima de determinado valor, por lo general son calibradas para accionar a 40 psi. Los fabricantes las instalan tanto en la cámara de esterilización como en la camisa.

2) Manómetro de la cámara. Dispositivo mecánico que indica cual es la presión de vapor en la cámara de esterilización.

3) Manómetro de la camisa. Dispositivo mecánico que indica cual es la presión dentro de la camisa de esterilización.

4) Puerta de autoclave. Dispositivo que permite aislar la cámara de esterilización del ambiente exterior. Normalmente dispone de seguros que impiden su apertura cuando la cámara se encuentra presurizada; dispone también de empaques para evitar que el vapor salga de la cámara cuando el equipo esta en operación. Hay puertas de operación manual y puertas cuya apertura y cierre se controlan mediante mecanismos electromecánicos.

5) Manija de puerta. Dispositivo que en algunos equipos permite al operador abrir o cerrar la puerta. Los equipos de gran capacidad, por lo general, disponen de mecanismo motorizados para accionar la puerta.

6) Cámara de esterilización. Espacio en donde se colocan los objetos o elementos a ser esterilizados. Cuando la puerta se cierra la cámara queda aislada del exterior. Cuando el proceso de esterilización esta en marcha se llena de vapor presurizando gradualmente. Este es el alojamiento donde se colocan los paquetes a esterilizar (comúnmente conocidos como “cargas”), construida en forma cúbica con capacidad de 461 a 850

11

lts. Comúnmente pueden ser fabricadas de forma cuadrada, rectangular o elíptica, y deben contar con la certificación A.S.M.E. con acabado electro pulido tipo espejo, fabricadas de acero inoxidable tipo SA-240-316L (316Ti) o SA-240-304l (316Ti), con esquinas redondeadas, para su fácil limpieza. Cámara exterior o chaqueta de acero inoxidable tipo SA240-304L, Sa-240-316L El esterilizador cuenta con válvulas de seguridad calibradas en la cámara y generador. Puerta(s) de placa de acero inoxidable tipo SA-240-316L ó SA-240-304L: Puertas de seguridad con opciones a escoger, desde manuales: sistema radial (brazos) y/o sistema de cierre rápido sin palanca de seguridad (rock), abatibles de cualquier lado: automáticas: deslizables vertical y/o horizontal. Aislamiento térmico con fibra de vidrio aislante de 25 mm. De espesor, con cubierta de aluminio. Tubería y conexiones de cobre o acero inoxidable. Drenaje sanitario 100% a prueba de reflujo. Empaque de silicón que asegura la hermeticidad de la cámara. Con dispositivo en cámara para validación con termopares.

7) Línea de evacuación de condensado de la cámara. Conducto que permite recoger el condensado que se forma en la cámara de esterilización como consecuencia de los procesos de transferencia de calor, que ocurren entre el vapor y lo objetos que están siendo esterilizados. Sensor de temperatura. Instrumento que indica la temperatura a la que se realiza los procesos de esterilización en la autoclave, en la gran mayoría de aplicaciones aun se utiliza el bulbo sensor relleno de gas o liquido; aunque por el tipo de proceso se pueden utilizar elementos primarios tales como el PT 1000, que permite trabajar perfectamente con las temperaturas propias de una esterilizadoras este elemento se coloca en la parte mas fría de la cámara (en la parte inferior frontal del equipo), y tiene como objetivo medir la temperatura de esterilización a la cual esta funcionado el equipo, una vez alcanzada la temperatura de operación.

8) Línea de evacuación de condensado de la camisa. Conducto que permite extraer el condensado que se forma en la camisa como resultado de los procesos de transferencia de calor entre el vapor y las paredes de la camisa.

9) Salida de vapor al final del ciclo. Cuando se termina un ciclo de esterilización el vapor es extraído de la autoclave mediante procedimientos controlados.

10) Restricción de paso de vapor para ciclo de esterilización de líquidos. Dispositivo mecánico que restringe el paso del vapor cuando se efectúa un ciclo de esterilización de líquidos, para permitir que la temperatura descienda de forma controlada, evitando que hiervan los líquidos esterilizados.

11) Línea de evacuación de vapor con esterilización de líquidos. Camino que sigue el vapor cuando se efectúa un proceso de esterilización de líquidos y pasa a través del dispositivo descrito anteriormente.

12) Línea de evacuación de vapor durante ciclo de esterilización rápida. Camino que sigue el vapor cuando se efectúa un ciclo de esterilización rápida.

13) Línea de alimentación de vapor. Conducto que alimenta con vapor la autoclave. Dicha línea dispone de controles y accesorios para que el vapor llegue a la autoclave, en las condiciones estipuladas para llevar a cabo el ciclo de esterilización.

12

14) Válvula de admisión con filtro. Dispositivo que permite el ingreso de aire filtrado al finalizar el ciclo de esterilización.

La válvula homogeniza la presión de la cámara de esterilización con la presión atmosférica.

16) Camisa. Espacio ubicado alrededor de la cámara de esterilización a través del cual circula vapor, con el fin de transferir calor a la cámara y disminuir la formación de condensado. Se encuentra conectada a la cámara y al desagüe a través de líneas controladas mediante electro válvula. La camisa de vapor es el elemento encargado de contener o alojar el vapor suministrado por la caldera del hospital, esta camisa literalmente envuelve al cubo de la cámara de esterilización, puede decirse con toda certeza que esta camisa: comúnmente conocida por su nombre en ingles (Jaquet) como chaqueta, es el reservorio de donde se alimentara la cámara de esterilización; esto se logra al momento de activar la válvula solenoide que permita el paso del vapor de la camisa a la cámara de esterilización.

17) Válvula de regulación de ingreso de vapor. Dispositivo mecánico que controla la presión con la que ingresa el vapor a la autoclave. Dependiendo del ciclo seleccionado, la presión y, por consiguiente, la temperatura. A mayor presión, mayor temperatura. A menor presión, menor temperatura.

18) Línea de alimentación de vapor. Conducto que trae el vapor desde la caldera o el generador de vapor a la autoclave.

19) Trampa de vapor. Dispositivo diseñado para aprovechar al máximo la energía térmica del vapor. Su función es evitar que el vapor salga del sistema. La trampa solo deja salir el condensado que se forma en la cámara, camisa y conductos de la autoclave.

20) Desagüe. Línea recolectora del condensado que produce la autoclave.

FIGURA NUMERO 10.MODERNO EQUIPO DE ESTERILIZACION.

13

FUNCIONAMIENTO DEL EQUIPO. El vapor saturado bajo presión es el método más económico y confiable de esterilización. Se basa en el contacto directo del vapor con todas las superficies del instrumental, al igual que con cada hilo, fibra o partícula de material poroso sujeto al proceso de esterilización. El vapor penetra y calienta a través del proceso de condensación. En la esterilización de objetos blandos o textiles, el vapor primero entra en contacto con las capas exteriores del textil. El frió del textil causa que una película de vapor se condense, dejando una pequeña cantidad de agua en el textil. Luego, el calor se absorbe en el textil hasta que alcanza la temperatura del vapor circundante. Este vapor pasa a través de cada capa, condensando y calentando hasta que toda la masa de textil ha sido alcanzada. Este mismo proceso de condensación y calentamiento aplica a dispositivos que están siendo sometidos únicamente a esterilización de la superficie, tales como instrumentos, objetos de metal y objetos de vidrio. El vapor no puede penetrar estos dispositivos, así que el frió del metal o del vidrio condensa el vapor hasta que las superficies se calientan a la temperatura del vapor. Parámetros de Ciclos de Esterilización por vapor. Los parámetros (condiciones) necesarios para efectuar un buen proceso de esterilización por vapor son el tiempo, temperatura y la presencia de vapor saturado. El vapor debe ser lo suficientemente caliente para desplazarse a través de la carga así como para destruir todos los microorganismos en el tiempo asignado de esterilización. La temperatura del vapor se aumenta al incrementar la presión en la cámara cerrada. El vapor saturado es la condición en la que toda el agua presente en la cámara del esterilizador se encuentra en la fase de vapor y no en la fase liquida. El motivo por el cual se debe utilizar vapor saturado para la esterilización es asegurar que el vapor liberará su calor rápidamente y al contacto con un objeto frió se condense rápidamente. El vapor que ingresa en el esterilizador debe contener entre 2 y 3 % de agua en forma líquida; el exceso de agua en forma líquida repercutirá en cargas mojadas que necesitan más tiempo de secado. El vapor con menos del 2% de agua puede sobrecalentarse, causando una falla en la esterilización debido a una falta de trasferencia de calor al contenido de la carga. Debido a esto, los esterilizadores de vapor están diseñados para eliminar el aire de la cámara al principio del ciclo. Los esterilizadores deben cargarse correctamente para asegurar la libre circulación de vapor por todas las superficies de los artículos que están siendo esterilizados, para evitar la acumulación de líquido, y eliminar el aire atrapado. La esterilización por vapor se utiliza para la mayoría de los objetos de metal, los objetos de hule, charolas quirúrgicas, paquetes de textiles, artículos de vidrio y algunos objetos de plástico rígido. Estos objetos pueden soportar la alta temperatura, la presión y la humedad asociada con la esterilización de vapor. La esterilización de vapor se controla más fácilmente, es menos costosa y generalmente presenta menos riesgos o inseguridad a los

14

pacientes que otros métodos de esterilización. Por ende, la esterilización por vapor debe utilizarse preferentemente. FORMA DE OPERACIÓN. Para lograr operar este equipo se procede de la siguiente manera:

1) Se introduce la carga dentro de la autoclave o esterilizadora. 2) Se cierra la puerta. 3) Se realiza la selección del ciclo de esterilización requerido, que depende del tipo de

objetos o materiales que requieren ser esterilizados. 4) A partir de este momento se inicia la fase de pretratamiento. En ella se efectúan

ciclos cortos alternativos de vacío e inyección de vapor a la cámara de esterilización, con el fin de extraer el aire de esta y de los paquetes que protegen el material a esterilizar.

5) Cuando el aire ha sido retirado se inicia la inyección y presurización de la cámara de esterilización. En este momento, el vapor entra en contacto con los objetos a esterilizar y se inicia un proceso de transferencia de calor entre el vapor que, claro está, se encuentra a una temperatura más alta que los artículos a esterilizar. Esto hace que una porción del vapor, al transferir su energía térmica, se convierta en agua líquida (condensado), en las capas exteriores del material utilizado para empacar, disminuyendo simultáneamente su volumen en forma significativa, por lo que ingresa mas vapor a la cámara de esterilización, que penetra cada vez más profundamente dentro de los paquetes a esterilizar, hasta que el vapor los rodea íntegramente y se estabiliza la presión y la temperatura. Una vez logradas estas condiciones, se estabiliza el tiempo requerido para completar la esterilización de acuerdo con el tipo de objetos o materiales que están siendo procesados. Mientras más alta la temperatura y la presión, menor el tiempo requerido para esterilizar. Al terminarse el tiempo programado de esterilización, se inicia el proceso de tratamiento. Este incluye la despresurización de la cámara, que se realiza normalmente con ayuda del sistema de vacío y el secado de los elementos mediante el suministro de calor transferido desde la camisa a la cámara de esterilización. Al disminuir la presión, lo hacen también la temperatura requerida para evaporar cualquier residuo de fase liquida que pudiera haberse formado sobre los objetos que están siendo esterilizados al momento de la despresurización. El vacío que se efectúa alcanza el 10% de la presión atmosférica y se mantiene por un periodo de tiempo controlado. Cuando se esterilizan líquidos no se efectúa vacío, sino que se controla la extracción de vapor, a través de un mecanismo de efecto restrictivo, para evitar que el liquido hierva dentro de los recipientes que lo contienen. Finalmente, se permite el ingreso controlado de aire a través de válvulas, que disponen filtros de alta eficiencia, hasta que la presión de la cámara de esterilización sea igual a la presión atmosférica. El ciclo de esterilización ha terminado.

6) Se permite la apertura de la autoclave y se realiza la descarga del material esterilizado

15

TIPOS DE CICLOS USADOS. Los procesos de esterilización que se realizan siguen ciclos predefinidos que varían de acuerdo al tipo de carga que se requiere esterilizar. Hay ciclos de esterilización diferentes para materiales porosos, instrumental quirúrgico, líquidos o material sensible al calor. Los principales se conocen como ciclos de esterilización clínica y se realizan bajo la siguientes condiciones: 121ºC/ 1.1 kg/cm2 ò 134ºC/2.2 Kg/cm2. Las principales características se explican en las siguientes laminas; las graficas representadas en la figura numero 2, muestran el comportamiento de la presión al interior de la cámara de esterilización, es decir el eje horizontal representa la tiempo y el vertical a la presión; se puede notar claramente como la grafica disminuye a valores negativos en la fase de preparación, en algunos casos con pulsos de presión, hasta que una vez que se elimina el vapor de la cámara se inyecta vapor, es aquí donde la grafica aumenta y se mantiene hasta completar el tiempo programado de esterilización, para posteriormente dar paso a la fase de secado, con una caída de presión hasta alcanzar la presión atmosférica.

16

FIGURA NÚMERO 11. TIPOS DE CICLOS DE ESTERILIZACI ON.

Especificaciones y estándares de calidad requeridos por la Secretaría de Salud en México. En México la Secretaría de Salud, a través del Centro Nacional de Excelencia Tecnológica en Salud, indica que características deberán reunir los modernos equipos de esterilización grado hospitalario; de las directivas de dicha secretaría se toman los requerimientos específicos para certificar la esterilización y la calidad requerida, estas definiciones aparecen disponibles en su página de internet en forma de fichas técnicas y que enseguida reproducimos; se señalan los apartados que deben ser tomados en cuenta para implementar un nuevo sistema de control. “Definición de un equipo de esterilización: Equipo que permite esterilizar objetos que resisten altas temperaturas y humedad de vapor a presión. Características técnicas: 1.- Capacidad de la cámara: 95 a 280 lts. 2.- Dimensiones externas: (1.3±10% * 1.6±10% *1.9±10%) m 3.- El material de la cámara, puertas, canastilla y carro, es acero inoxidable (la cámara, necesariamente cedula 316) 4.- Temperatura ajustable en rango de 121-134 °C. 5.- Sistema de seguridad que impida la apertura de puerta(s), durante todo el ciclo. 6.- Sistema de detección de fallas y diagnóstico por medio de un microprocesador, que cancele automáticamente el proceso por mal funcionamiento. 7.- Pantalla digital para despliegue de variables (tiempo, presión, temperatura), durante el proceso de esterilización.

17

8- Programas para instrumental suelto, envuelto-textiles, líquidos con posibilidad de pre vacio y pos vacio, y gravedad. 9- Alarmas audibles y visibles para mal funcionamiento y error de manejo. 10.- Selector de parámetros del proceso y programas de esterilización. 11.- Indicador manométrico para cámara. 12.- Generador de vacío. 13.- Filtros HEPA o equivalente, que purifiquen el aire. 14.- Tubería de cobre o acero inoxidable. Instalación de suministros: 1.- Corriente eléctrica: 120V/60 Hz ±10% 2.- Presión de vapor: 1¼” NPT, 50-70 psig (3.5 – 4.9 kg/cm2) 3.- Presión de agua fría: 1¼” NPT, 40-70 psig (2.8 – 4.9 kg/cm2) Normas aplicable: ISO 9001-2000 o NMX-CC-9001-IMNC-2000. Para producto extranjero que cumpla con alguna de las siguientes normas: FDA, CE o JIS. Para producto nacional certificado de buenas prácticas de fabricación expedido por la COFEPRIS.” Ventajas. La normalización y especificaciones ya mencionadas permiten obtener las siguientes ventajas o beneficios de los equipos:

• Permite la visualización del proceso de esterilización en cualquier fase del ciclo, logrando un monitoreo continuo de las variables.

• Asegura que se cumplan con los requisitos de seguridad necesarios, como no permitir la activación del equipo si la puerta está abierta.

• Evitar que el equipo funcione en caso de falla de suministro de vapor o de agua. • Asegurar la correcta operación del equipo a través del algoritmo de control

adecuado, haciendo uso de un microprocesador. • Permitir la esterilización de una amplia gama de instrumentos y materiales

diferentes. Desventajas:

• Este tipo de autoclaves no permite la esterilización de materiales, principalmente plásticos, que no soportan altas temperaturas ni presiones elevadas.

• Todos los indicadores del proceso de esterilización (biológicos, mecánicos, electrónicos y químicos), únicamente nos permiten cierto nivel de certeza del proceso de esterilización, debido a que físicamente no se puede monitorizar cada instrumento, paquete o carga para certificar que efectivamente esta libre al 100% de agentes patológicos, bacterias, virus, hongos, etc.

18

• El tipo de esterilizador considerado, es aquel que requiere externamente una caldera o generador de vapor.

• Los tiempos de esterilización son relativamente largos, pudiendo llegar a ciclos de casi 45 min; lo cual imposibilita sacar el material para el uso del instrumental en emergencias.

• Requiere grandes consumos de agua, para poder generar el efecto de vacío por medio de un sistema venturi.

3.- PROPUESTA TECNOLÓGICA DE INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL. La propuesta tecnológica del presente trabajo consiste en la instrumentación de una esterilizadora de esterilización grado hospitalario; dicha propuesta está integrada por la selección de los instrumentos (controlador, elementos primarios, elementos finales de control), diagrama de control en lenguaje de escalera, para uso de un PLC; así como de la generación del DTI necesario para el correcto funcionamiento del sistema. Definición de la instrumentación a emplear. En la actualidad es posible contar con una amplia gama de posibilidades para lograr la instrumentación de casi cualquier proceso, desde la utilización de la electrónica analogía, PICS, PLC, hasta programas con interface grafica como el Lab View o Visual Basic, por mencionar algunos; claro es que cada una de estas opciones representa ventajas y desventajas sobre la otras, así como existe diferencia en los costos, por lo cual se presenta el siguiente cuadro de ponderación, el cual nos permitirá realizar la mejor decisión para nuestro proyecto.

19

TIPO DE INSTRUMENTACION

ACCESORIOS PROGRAMACION

FLEXIBILIDAD

VISUALIZACION

COMPATIBILIDAD

COSTO

MICROCONTROLADOR

Fuente, puertos, convertidores, dispositivos para despliegue de información, etapas de potencia y protección, cable de interface.

Mediana complejidad

Si Si No $25, 000

5 3 5 5 1 3

PLC Cable de comunicación, software, PC, fuente externa para alimentación de elementos primarios, Módulo de Control de Temperatura, Pantalla Externa.

Baja complejidad

Sí Sí Sí $ 6,630

5 5 5 5 5 5

LAB VIEW Cable de comunicación, software, PC, tarjeta de adquisición de datos, etapa de potencia.

Alta complejidad

Sí Sí No $30, 000

5 2 5 5 5 3

VISUAL BASIC Cable de comunicación, software, PC, tarjeta de adquisición de datos, etapa de potencia.

Alta complejidad

Sí Sí No $25, 000

5 2 5 5 1 3

ELECTROMECANICO

Relevadores, tablero, tablillas de conexiones

Baja complejidad

No No No $50, 000

5 5 1 1 1 1

DISEÑO DE UN SISTEMA ELECTRÓNICO ANALOGICO

Amplificadores operacionales, fuente de voltaje, cables, transistores

Baja complejidad

Si No No $15, 000

20

de potencia, opto acopladores resistencias, puentes de rectificación etc.

5 5 5 1 1 4

TABLA NUMERO 1. COMPARATIVO DE TECNOLOGÍAS DISPONIB LES PARA AUTOMATIZAR UN PROCESO.

Una de las formas utilizadas en la practica diaria para ponderar o valorar entre diferentes opciones consiste en asignar puntos en escala del 1 al 5 sobre cada uno de los apartados, de tal manera que la opción que califique con mayor puntuación se considera la más apta; a continuación se enuncia cuales son los criterios de evaluación de la tabla mencionada: Accesorios: Evalúa la disponibilidad de los componentes que conformarán el sistema de instrumentación expuesto, es decir 5 representa que es fácil de conseguir en el mercado nacional, así como sus refacciones involucradas, 1 punto implica que no es fácil de comprar en México o bien se debe importar, esta información se obtuvo en las casas matrices o a través de cotizaciones. Programación: Evalúa la facilidad de realización del programa de control por parte del área de ingeniería; 5 es fácil de programar, 1 tiene el mayor grado de complejidad. Flexibilidad: Evalúa la facilidad con la cual el usuario puede interactuar con el sistema de control, recordando que para este caso especifico el usuario final puede pertenecer por ejemplo al área de enfermería. Visualización. Evalúa la capacidad del sistema para desplegar mensajes y permitir una observación del proceso en general. El valor 5 indica que el sistema tiene esta posibilidad, así el numero 1, indica que no es posible. Compatibilidad: Evalúa si el sistema de control puede o está capacitado, para reconocer directamente los elemento primarios de control así como los elementos finales de control disponibles en el mercado. El numero 5 indica que es totalmente compatible y una puntuación de 1, indica que requiere adecuaciones adicionales. Costo: Evalúa la economía o el gasto necesario para poder adquirir el sistema de control completo, con los accesorios involucrados, pero sin tomar en cuanta actuadores o sensores, solo el material que involucra la implementación del sistema de control; el numero 5 corresponde al sistema más económico y el 1 al más costoso, los intermedios se calculan de modo proporcional. MICROCONTROLADOR PLC LAB

VIEW VISUAL BASIC

ELECTROMECANICO

DISEÑO DE UN SISTEMA ELECTRÓNICO ANALOGICO

22 30 25 21 14 22

TABLA NÚMERO 2. CUADRO DE PONDERACION.

21

Según el cuadro de ponderación la opción que obtiene una calificación más alta corresponde a la utilización de un PLC, razón por lo cual la instrumentación y la automatización propuesta está basada en este equipo. La propuesta tecnológica para asegurar la eficiencia del proceso de esterilización con vapor, está sustentada por los siguientes equipos e instrumentos de medición. DEFINICION DE COMPONENTES, CARACTERISTICAS REQUERIDAS. PLC.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO. El Controlador Lógico Programable es un equipo especializado en el proceso y gestión de datos y en la interrelación con el usuario; hasta no hace mucho tiempo para este fin se utilizaban relevadores. Sin embargo con el desarrollo de los modernos procesadores pronto se vio que el proceso de cablear los gabinetes de control, para relacionar las entradas y las salidas necesarias para la gestión del proceso, podía sustituirse por un sistema básico basado en dichos microprocesadores.Por lo cual el diseño del sistema sería mucho más rápido y flexible, además podía proporcionar recursos de programación mucho más amplios. Este fue el nacimiento del PLC (denominación que corresponde a las siglas Programable Logic Computer). Por lo tanto se define un PLC como aquel dispositivo electrónico basado en un microprocesador y diseñado para controlar en tiempo real procesos secuénciales mediante la interrelación de una serie de señales de entrada. A partir de esta definición se puede ver que la clasificación de este tipo de equipos se basa fundamentalmente en el número de E/S que sean capaces de manejar. Así, los que son capaces de gestionar hasta 128 E/S se dice que son de pequeño tamaño. Los que llegan a hasta 512 son de mediano tamaño y, finalmente, los que sobrepasan esta cantidad se denominan de gran tamaño. Cada fabricante configura el equipo de acuerdo a sus criterios, pero la configuración más usual consta de 2 partes: la unidad central (procesador, fuente de alimentación, bases para conexión de módulos de E/S), de las unidades de memoria que almacenan el programa de control, y el modulo de programación que se conecta a la unidad central en el momento de cargar el programa y durante la fase de mantenimiento. La programación puede realizarse desde ésta unidad de programación o desde una PC mediante el diagrama de escalera o de contactos, familiar a todos aquellos que han trabajado con estos equipos, o bien con un lenguaje nemotécnico basado en el álgebra de Boole (compuesto por instrucciones And, Or, Load, etc.).

22

Hay que destacar que el lenguaje de programación depende del tipo de microprocesador empleado, en principio cada PLC deberá ser programado de forma distinta, aunque actualmente ya se dispone de programas de computadora que, a partir de los resultados del análisis de la automatización, son capaces de generar el programa adecuado a nuestra configuración de PLC. La utilización del PLC va íntimamente relacionada con el concepto de tiempo real. A su vez, esta es una de las características básicas asociadas, a los datos proporcionados por un sistema de control de flujo físico. De aquí que la relación entre ambos dispositivos sea básica en múltiples aplicaciones. Sin embargo, en la mayoría de aplicaciones gestionadas por PLC, las señales a controlar, ya sean de entrada o de salida, son digitales de tipo ON/OFF, o analógicas en el caso de entradas de tensión o corriente de sensores de temperatura, presión, nivel, etc. Existe otra clasificación para un PLC, que dice que, está conformado por las siguientes partes:

• Fuente de alimentación. • Unidad de operación y visualización. • Entradas y salidas. • CPU. • Interfaz para la conexión a PC y modulo de programación. La siguiente figura muestra los distintos elementos que componen un PLC.

FIGURA NÚMERO 12. ELEMENTOS PRINCIPALES DE UN PLC.

23

FIGURA NÚMERO 13. ELEMENTOS PRINCIPALES DE UN CONTR OLADOR LÓGICO .

Las conexiones básicas para este sistema son las siguientes:

• La alimentación. • Las entradas. • Las salidas.

Para ejemplificar lo siguiente, en la figura 4 se considera un equipo con un voltaje de alimentación a 220 volts, con salida tipo relevador, para el caso de funciones lógicas.

FIGURA NÚMERO 14. DIAGRAMA CON SIMBOLOGÍA EUROPEA D E UN PLC CON FUNCIONES LÓGICAS.

24

Selección del PLC requerido en este Proyecto. El PLC a utilizar en el presente proyecto deberá reunir las siguientes características: Sencilla programación a través de PC. Número total de entradas salidas 24/16, suficientes para automatizar el proceso, y

que permita el crecimiento eventual del sistema. Con modulo adaptador para termopar con conversión directa a grados centígrados; y

con resolución mínima de décimas de grado Celsius. Con salidas a relevador 120 VCA. Con entradas que permitan el manejo y adquisición de señales en corriente de 4 a 20

mA. Algoritmo de control PID, de fácil manejo. Que permita el monitoreo a través de dispositivos periféricos. Costo accesible.

El dispositivo comercial que cumple con tales requisitos se encuentra enunciado en la sección 4 “Aplicación Tecnológica de la Propuesta de Instrumentación”; así como también se anexa la ficha técnica en la sección 9. ELEMENTO PRIMARIO DE MEDICION TEMPERATURA. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO. La medida de temperatura depende de las características de resistencia que son propias del elemento de detección. El elemento consiste usualmente en un arrollamiento de hilo muy fino del conductor adecuado bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o de cerámica. El material que forma el conductor se caracteriza por el llamado “coeficiente de temperatura de resistencia” que expresa a una temperatura especificada, la variación de la resistencia en ohms del conductor por cada grado que cambia de temperatura. La relación entre estos factores puede verse en la expresión lineal siguiente: Rf=Ro(1+αt) En la que: Ro= resistencia en ohms a 0 ºC Rf= Resistencia en ohms a t ºC.

α= Coeficiente de temperatura de la resistencia cuyo valor entre 0ºC y 100ºC es de 0.003850ΩxΩ-1

En la Escala Practica de Temperaturas Internacional (IPTS-68) Si la relación resistencia-temperatura no es lineal la ecuación general pasa a:

25

( )[ ]32 100..1 ttCBttARR ot −+++= Válida de –200 a 0 ºC

[ ]2.1 BttARR ot ++= Válida de 0 a 850 ºC

En la que A, B, C... son coeficientes de temperatura de la resistencia de valores: A= 3.90802 x 10-3

B=-5.802 x 10 –7

C=-4.27350 x 10-12

En la figura numero 5 pueden verse las curvas de resistencia relativa de varios metales en función de temperatura:

FIGURA NÚMERO 15. CURVAS DE RESISTENCIA RELATIVA DE VARIOS METALES / TEMPERATURA . Los materiales que forman el conductor de la resistencia deben poseer las siguientes características: -Alto coeficiente de temperatura de la resistencia, ya que de este modo el instrumento será muy sensible. -Alta resistividad, ya que cuanto mayor sea la resistencia a una temperatura dada, tanto mayor sea la variación de por grado (mayor sensibilidad). -Relación lineal resistencia temperatura. -Rigidez y ductibilidad, lo que permite realizar procesos de fabricación estirado y arrollamiento del conductor en las bobinas de la sonda, a fin de obtener tamaños pequeños (rapidez de respuesta). -Estabilidad de las características durante la vida útil del material. Los materiales que se usan normalmente en las sondas de resistencia son el platino y el níquel. Para temperaturas criogénicas la sonda de resistencia de germanio puede trabajar

26

entre 0.05-100ºK (272.95 ºC a –173 ºC) con una resistencia de 10,000 Ohms/ºK a 4.2 ºK. Y un coeficiente de resistencia negativo (a mayor temperatura menor resistencia). El Platino es el material más adecuado desde el punto de vista de exactitud y de estabilidad pero presenta el inconveniente de su costo. En general la sonda de resistencia de platino utilizada en la industria tiene una resistencia de 100 ohms a 0 ºC. Las formas de los elementos de platino son:

FIGURA NÚMERO 16. DIFERENTES FORMAS PARA RESISTENCI AS DE PLATINO.

Tolerancias para los diferentes valores de las sondas (IEC 751) TEMP. ºC CLASE A ºC CLASE B ºC 0 +/-0.15 +/-0.30 100 +/-0.35 +/-0.80 250 +/-0.65 +/-1.55

TABLA NÚMERO 3. VALORES DE TOLERANCIA PARA SONDAS.

Precisión de cada clase: CLASE A= 0.15+0.002(t) ºC CLASE B= 0.3+0.005(t) ºC Donde (t)=modulo de temperatura en ºC (no tomando en cuenta el signo). En la tabla numero 4 se indican las características de las sondas de resistencia de platino, níquel y de cobre para las sondas de resistencia Pt 100, con coeficientes de temperatura/ resistencia de 0.00385 según la norma DIN 43.760 (IPTS-68). Cabe señalar que la misma tabla es válida para termo resistencias Pt 500 (500 ohms a 0º C) y Pt 1.000 (1.000 ohms a 0ºC) multiplicando los valores correspondientes por 5 y 10 respectivamente.

27

Metal Resistividad µΩ/cm

Coeficiente de Temp. ºc Ω/Ω,ºC

Intervalo útil de Temp.ºC

Φ min. de hilo mm

Costo relativo

Resis. Sonda a 0ºC, ohms

Precisión ºC

Platino 9.83 0.00385 -200 a 950

0.05 Alto 25,100,130 0.01

Níquel 6.38 0.0063 a 0.0066

-150 a 300

0.05 Medio 100 0.50

Cobre 1.56 0.00425 -200 a 120

0.05 Bajo 10 0.10

TABLA NUMERO 4.CARACTERÍSTICAS DE LA SONDAS DE RESI STENCIA.

El níquel es mas barato que el platino y posee una resistencia más elevada con una mayor variación por grado, sin embargo, tiene como desventaja la falta de linealidad en su relación resistencia-temperatura y las variaciones que experimenta su coeficiente de resistencia según los lotes fabricados.

El cobre tiene una variación de resistencia uniforme, es estable y barato, pero tiene el inconveniente de su baja resistividad (1.56 µΩ/cm con 10 ohms a 0ºC y α=0.0427 y 100 ohms a 0ºC y α=0.042).

Las bobinas que llevan el arrollado, el hilo de resistencia, están encapsuladas y situadas dentro de un tubo de protección o vaina de material adecuado al fluido del proceso (acero, acero inox. 304, acero inox. 316. monel, bastelloy, etc.)

En la figura numero 17, pueden verse las partes de una sonda de resistencia y en la figura 8 varios tipos de sondas con algunas conexiones al proceso.

FIGURA NÚMERO 17. PARTES DE UNA TERMO RESISTENCIA

Las sondas de resistencia se conectan a puentes de Wheatstone convencionales o a otros circuitos digitales de medida de resistencia.

28

FIGURA NÚMERO 18. TIPOS DE SONDAS Y CONEXIONES.

Un puente de Wheatstone consiste en un rectángulo formado por resistencias (o capacitancias, en su caso) cuyos extremos opuestos están conectados, uno a una fuente de tensión constante y el otro a un galvanómetro. Cuando por variación de una resistencia (la que esta en contacto con el proceso), el galvanómetro detecta corriente nula, se dice que el puente está equilibrado. El puente de Wheatstone está dispuesto en montajes denominados de dos hilos, de tres hilos o de cuatro hilos, según el número de conexiones de resistencia al puente.

FIGURA 19. TIPO DE PUENTES DE WHEASTONE PARA INSTRUMENTACIÓN.

En el montaje de dos hilos (figura 19a), la sonda de resistencia se conecta a uno de los brazos de puente y se varia R3 hasta que se anula la desviación del galvanómetro. En este instante se cumple la ecuación: R1/R3=R2/x De aquí se deduce x como valor de la sonda de resistencia.

29

Es el montaje más sencillo pero presenta la desventaja que la resistencia de los hilos a y b de conexión de la sonda al puente, varia cuando cambia la temperatura, y esta variación falsea por lo tanto la indicación; aunque estos hilos sean de baja resistencia (gran diámetro) y esta sea conocida, las longitudes que puede haber en campo entre la sonda y el panel donde esté el instrumento receptor, añaden una cierta resistencia al brazo de la sonda. En efecto, la ecuación anterior pasa a:

)(2

3

1

baKx

R

R

R

++=

Donde: x= Valor de resistencia desconocida K= Coeficiente de resistencia por unidad de longitud. a;b =Longitudes de los hilos de conexión al puente. El montaje de dos hilos se emplea, con resistencias moderadas del hilo de conexión y cuando la lectura no necesita ser demasiado exacta. En el montaje de tres hilos (figura 19 b) la sonda está conectada mediante tres hilos al puente. De este modo, la medida no es afectada por la longitud de los conductores sino por la temperatura, ya que esta influye a la vez en dos brazos adyacentes del puente, siendo la única condición que la resistencia de los hilos a y b sea exactamente la misma. En efecto, en la figura puede verse que la ecuación correspondiente es:

Kbx

R

KaR

R

+=

+2

3

1

y como Ka = Kb, haciendo R2/R1 = 1, entonces R3 puede ajustarse a un valor original a x para que el galvanómetro no indique tensión. El montaje de cuatro hilos (figura 19c) se utiliza para obtener la mayor precisión posible en la medida, como es el caso de los convertidores digitales de temperatura o la calibración de patrones de resistencia en laboratorio. En el laboratorio se efectúan dos mediciones de la resistencia de la sonda combinando las conexiones de modo tal que la sonda pase de un brazo del puente al adyacente. De este modo se compensan las resistencias desiguales de los hilos de conexión y el valor de la resistencia equivale al promedio de los valores determinados en las dos mediciones este se mueve en la dirección adecuada para equilibrar el puente a través del brazo móvil del reóstato que al mismo tiempo acciona los mecanismos asociados de indicación, registro y control.

30

Selección del elemento primario de medición de temperatura requerido en este proyecto. En el mercado existe una amplia variedad de elementos primarios de medición de temperatura, por lo cual se seleccionó cuidadosamente el instrumento que permite la cuantificación de la variable controlada; y que cumple con las siguientes especificaciones. Temperatura de medición de 0 °C a 150 ºC. Temperatura ambiente de trabajo máxima 40 ºC. Transmisión en corriente de 4 a 20 mA. Posibilidad de conexión a PLC. Bajo mantenimiento. Rápida respuesta Costo bajo.

El dispositivo comercial que cumple con tales requisitos se encuentra enunciado en la sección 4 “Aplicación Tecnológica de la Propuesta de Instrumentación”; así como también se anexa la ficha técnica en la sección 9. INTERRUPTOR DE PRESION. El interruptor de presión será utilizado para poder mandar una señal tipo ON-OFF, hacia el PLC, de manera que el programa de control reciba la señal de presión requerida para lograr activar o desactivar las entradas; cuando el programa demande el corte o activación del modulo de vacío, este ultimo conformado por las válvulas solenoides S-3, S-4 S-5 y S-6. Este presostato se activara a presiones de –20 plg Hg y 0 plg Hg (-0.677 bar a 0 bar), es decir deberá tener la capacidad de medir presiones de vacío y soportar las altas presiones debido al proceso mismo de esterilización, la cual trabaja a presiones de hasta 30 psi (2 bar), también deberá soportar la condiciones corrosivas de presión y temperatura propias del control de vapor de agua. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO. El presostato es aquel dispositivo activado por presión que tiene la función de abrir o cerrar un circuito mediante uno o varios contactos, ya sean abiertos o cerrados, de manera práctica se puede decir que son interruptores eléctricos que son activados a través del accionamiento de un microswitch, el cuál es accionado debido a la deformación de un elemento elástico, tal como un fuelle, o sistema de resortes con balancín, y en el cual existe la posibilidad de ajustar a través de tornillos en una escala graduada la presión de corte y cierre de los contactos. Existe la posibilidad de encontrar interruptores de presión que cuenten con 3 diferentes escalas o sus combinaciones tales como:

1. Escala de alta presión con tornillo de ajuste. 2. Escala de baja presión con tornillo de ajuste.

31

3. Escala diferencial con tornillo de ajuste. Según se muestra en la figura numero 10.

FIGURA NÚMERO 20. PARTES DE UN INTERRUPTOR DE PRESION.

El fluido ejerce una presión sobre un pistón interno haciendo que se mueva hasta que se unen los contactos. Cuando la presión baja un resorte empuja el pistón en sentido contrario y los contactos se separan.

Un tornillo permite ajustar la sensibilidad de disparo del presostato al aplicar más o menos fuerza sobre el pistón a través del resorte en caso de que se trate de un instrumento de presión variable, o en su caso si es de presión fija el resorte se encuentra calibrado de fabrica para que trabaje al valor preestablecido.

Selección del interruptor de presión requerido en este proyecto. Debido a que nos es muy común encontrar presostatos que tengan la capacidad de medir presiones negativas, para después ser sometidos a altas presiones positivas sin sufrir daños, son escasos los fabricantes que pueden cumplir con dichas especificaciones por lo cual no tenemos un amplio abanico de posibilidades para seleccionar el tipo de instrumento requerido; pero este debe cumplir con las siguientes especificaciones: Para vapor: Temperatura de operación de 0 a 134 ºC. Temperatura ambiente de trabajo máxima 40 ºC. Presión de operación de –20 plg Hg hasta 32 psi Capacidad de operación de los contactos 100 mA a 24 VDC. Conexión a tubería ¾ NPT Vida en número de ciclos. 10 6 ciclos Costo adecuado.

32

Para agua: Temperatura de operación de 0 a 134 ºC. Temperatura ambiente de trabajo máxima 40 ºC. Presión de operación de 98 Kg/cm2 . Capacidad de operación de los contactos 100 mA a 24 VDC. Conexión a tubería de ¾ NPT. Vida en número de ciclos. 30 000 ciclos Costo adecuado.

El dispositivo comercial que cumple con tales requisitos se encuentra enunciado en la sección 4 “Aplicación Tecnológica de la Propuesta de Instrumentación”; así como también se anexa la ficha técnica en la sección 9. ELEMENTO PRIMARIO DE MEDICION DE PRESION. Encargado de la medición de presión dentro de la cámara de esterilización, ya que según las tablas de especificaciones aceptadas por la Asociación Mexicana de Profesionales en Esterilización, para una temperatura de 121ºC se debe tener una presión de 21 psi; y para 132 ºC la presión de trabajo será de 32 psi. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO. La medida de presiones en líquidos o gases es una de las más frecuentes particularmente en control de procesos. La presión es definida como: fuerza por unidad de superficie y para su medición se procede a su comparación con otra fuerza conocida, o a la detección de su efecto sobre un elemento elástico. En los manómetros de columna de líquido, como en el tubo en U, el resultado de la comparación de la presión a medir y una presión de referencia, se define como una diferencia de nivel del líquido h.

g

pph ref

ρ−

=

Donde: ρ = la densidad del liquido. g= aceleración de la gravedad. Esto permite a un sensor de nivel (fotoeléctrico, flotador, etc.) obtener una señal eléctrica que corresponderá a la presión aplicada en uno de los brazos del tubo en U. Al aplicar una presión a un elemento elástico, este se deforma hasta el punto en que las tensiones internas igualan a la presión aplicada. Según sea el material y la geometría empleada, el desplazamiento o deformación resultante son más o menos amplios, pudiendo

33

aplicar los valores obtenidos a un convertidor de señales. Los dispositivos utilizados derivan del tubo Bourdon, o del sistema diafragma.

FIGURA NÚMERO 21. MANÓMETRO EN U.

TABLA NÚMERO 5. ELEMENTOS PARA MEDICIÓN DE PRESIÓN .

34

El tubo de Bourdon, desarrollado por Eugene Bourdon en 1849, consiste en un tubo metálico de sección transversal, no circular, que se recupera después de aplicar una diferencia de presión entre el interior y el exterior, Si se obstruye el tubo por un extremo y se empotra rígidamente el otro, esta tendencia de recuperar la sección transversal provoca un desplazamiento del extremo libre. Aunque este desplazamiento no es lineal en todo su margen, solo lo es en márgenes pequeños. Las configuraciones que ofrecen mayores desplazamientos tienen la contrapartida de una mayor complianza y longitud, lo que les confiere baja respuesta frecuencial. Para la obtención de una señal eléctrica se acude a diversos sensores de desplazamiento.

FIGURA NÚMERO 22. SISTEMAS PARA LA MEDICION DE LA P RESION.

Un Diafragma es una placa circular flexible consistente en una membrana tensa o una lámina empotrada que se deforma bajo la acción de la presión o diferencia de presiones a medir. La transformación se realiza entonces detectando el desplazamiento del punto central del diafragma, su deformación global o la deformación local (en este caso galgas extensiométricas). En el caso de una lámina delgada de espesor e y radio (R), con una diferencia de presión (P) entre ambas caras, si la máxima deformación central Z es inferior a 1/3 del espesor, se cumple que:

+−

=3

24

4

488.0)(3

16

e

z

e

z

tR

Eep

µ

Donde: E = modulo de Young µ = coeficiente de Poisson del material. Si se van a emplear sensores piezoresistivos, entonces interesa conocer la tensión mecánica en los distintos puntos del diafragma.

35

Selección del elemento primario de medición de presión requerido en este proyecto. Es necesario contar con un elemento que cumpla con las siguientes características: Medición de presión desde –20 plg Hg hasta 40 PSI. Temperatura ambiente de trabajo máxima 40 ºC. Transmisión en corriente de 4 a 20 mA. Conexión a PLC, sin adaptadores externos. Bajo costo de mantenimiento. Bajo costo de adquisición.

El dispositivo comercial que cumple con tales requisitos se encuentra enunciado en la sección 4 “Aplicación Tecnológica de la Propuesta de Instrumentación”; así como también se anexa la ficha técnica en la sección 9. MICROSWITCH. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO. Es el término genérico usado para referirse a un interruptor eléctrico que está diseñado de tal forma que es habilitado por pequeños esfuerzos físicos. Estos son muy comunes debido al bajo costo y gran durabilidad, típicamente actúa por más de un millón de ciclos y cerca de los 10 millones para uso pesado.

FIGURA NÚMERO 23.

Esta durabilidad es consecuencia natural del diseño interno debido a una pequeña barra rígida de metal, encargada de cerrar el circuito. Estos productos se han diseñado para un gran número de aplicaciones del control eléctrico tales como:

o Industria aeronáutica. o Industria Automotriz. o Aplicaciones militares. o Electromedicina. o Aparatos electrodomésticos.

36

Típicamente la configuración es una terminal común a un contacto normalmente cerrado y a un contacto normalmente abierto, estos contactos conmutaran de estado al momento de ser accionado el vástago bien por operador o a través de un mecanismo de palanca externa que, estará determinado por la figura del accesorio donde está montado el micro switch, y este dependerá de la aplicación.

FIGURA NÚMERO 24.

Selección del microswitch requerido en este proyecto. El tipo de microswitch requerido será aquel que permita tener control sobre la apertura o cierre de la autoclave, es decir, cuando la puerta se encuentre abierta el PLC recibirá dicha información, y no permitirá que se active la secuencia del programa para esterilización, solamente hasta que la puerta se encuentre cerrada, el contacto normalmente abierto estará cerrado en este momento y permitir que corra el programa diseñado. Por lo tanto el dispositivo requerido deberá cumplir con las siguientes características:

Temperatura ambiente de trabajo máxima 40 ºC. Capacidad de operación de los contactos 100 mA a 24 VDC Contacto Normalmente Abierto. Tipo de vástago que permita activarse al cerrar puerta de acero inox. De cuerpo resistente a la corrosión. Posibilidad de conexión a PLC, mediante cables preinstalados. Bajo mantenimiento. Rápida respuesta Costo bajo.

El dispositivo comercial que cumple con tales requisitos se encuentra enunciado en la sección 4 “Aplicación Tecnológica de la Propuesta de Instrumentación”; así como también se anexa la ficha técnica en la sección 9.

37

VALVULA SOLENOIDE. El proceso de esterilización exige que se pueda utilizar válvulas solenoide del tipo sanitario, es decir deberá tener características especiales, de tal forma que el vapor, el agua y el aire filtrado, que por este medio será conducidas, no debe sufrir contaminación de ningún tipo, la válvula solenoide deberá ser normalmente cerrada para el caso de vapor, pues se prevé que en caso de falla de la corriente eléctrica, es preferible cortar el suministro evitando con esto un accidente del usuario, de igual forma la válvula solenoide que conduce el aire filtrado, deberá ser normalmente cerrada por que si ocurre una falla de energía, la válvula no deberá estar abierta al medio ambiente, lo cual podría ocasionar una fuga de vapor desde la cámara ya presurizada hacia el exterior, pudiendo ocasionar graves daños. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO. Las válvulas de solenoide permiten un control on-off mediante variaciones de corriente eléctrica en su bobina. Este tipo de válvulas es controlada variando la corriente que circula a través de un solenoide (conductor ubicado alrededor de un embolo, en forma de bobina). Esta corriente, al circular por el solenoide, genera un campo magnético que atrae un émbolo móvil. Por lo general estas válvulas operan de forma completamente abierta o completamente cerrada, aunque existen aplicaciones en las que se controla el flujo en forma lineal. Al finalizar el efecto del campo magnético, el émbolo vuelve a su posición por efecto de la gravedad, un resorte o por presión del fluido a controlar. Electroimanes El solenoide, bajo el efecto de corriente circulante, se comporta como un electroimán. Atrae materiales ferros magnéticos, producto de la alineación de momentos magnéticos atómicos. El campo magnético producido al circular corriente por el solenoide, actúa sobre el émbolo móvil de material magnético. Se crea una fuerza que ocasiona el desplazamiento del émbolo permitiendo el cierre o apertura de la válvula. En la Figura Nº 25 se aprecia un esquema del fenómeno. Este campo produce una fuerza sobre el émbolo o núcleo móvil, tal como se aprecia en la Figura Nº 26. La acción de esta fuerza de origen magnético constituye el principio de funcionamiento de toda válvula solenoide.

38

FIGURA 25. CAMPO PRODUCIDO POR UNA BOBINA .

FIGURA 26. MOVIMIENTO DEL ÉMBOLO DENTRO DE UNA BOBI NA.

CLASIFICACIÓN Existen muchos tipos de válvulas solenoide. Todas ellas trabajan con el principio físico antes descrito, sin embargo se pueden agrupar de acuerdo a su aplicación, construcción o forma: Según su aplicación: Acción Directa u Operadas mediante piloto. Según su construcción: Normalmente abierta o Normalmente cerrada. Según su forma: De acuerdo al número de vías. VÁLVULAS DE SOLENOIDE DE ACCIÓN DIRECTA. En este tipo de válvulas, el émbolo móvil controla el flujo debido al efecto de la fuerza de origen magnético directamente. Para ejemplificar el modo de trabajo de estas válvulas en general, se estudiará el funcionamiento de la válvula solenoide de acción directa, normalmente cerrada de dos vías de la Figura Nº 27.

39

FIGURA 27. VÁLVULA DE ACCIÓN DIRECTA.

En ella, al no circular corriente por la bobina, la aguja asociada a la parte inferior del émbolo cierra el orificio deteniendo el flujo. Al energizar el solenoide, se genera un campo magnético que ejerce fuerza sobre el émbolo atrayéndolo hacia arriba. De esta manera la aguja se levanta, permitiendo el paso del fluido. Al finalizar el efecto de la corriente eléctrica, la fuerza ascendente sobre el émbolo cesa. Este cae, por efecto de la gravedad, cerrando mediante la aguja el orificio, impidiendo de esta manera el paso del flujo por la tubería. En otras aplicaciones, se ocupan resortes que permiten la instalación de la válvula en posiciones no verticales, prescindiendo de esta manera de la fuerza de gravedad. Desde luego, mientras mayor sea la diferencia de presión entre la entrada y la salida del fluido, mayor tendrá que ser la fuerza ejercida sobre el émbolo móvil para cerrar (o abrir dependiendo del caso) el orificio de la válvula. Debido a lo anterior, existe un límite máximo de diferencia de presiones con las que puede trabajar cada válvula. Este límite se conoce como “Diferencial Máximo de Presión de Apertura”. Diferencial Máximo de Presión de Apertura (MOPD): Tal como se dijo anteriormente, mientras mayor sea la diferencia de presiones entre la entrada y la salida, más fuerza será necesaria para abrir o cerrar la válvula. También, mientras mayor sea el orificio de la válvula, mayor será el área afectada por esta diferencia de presiones, haciendo aún más difíciles los movimientos de la aguja asociada al émbolo. Por lo tanto, dado la fuerza máxima con que el electroimán puede atraer al émbolo, existe un límite para la diferencia de presiones entre la entrada y la salida. Si la presión excede este límite, el solenoide será incapaz de mover al émbolo, dejando a la válvula sin capacidad de actuación. Si se requiere de un gran MOPD, la fuerza que deberá ejercer el campo sobre el émbolo deberá ser grande. De esta manera, será necesaria una gran bobina, aumentando los costos de construcción de la válvula. Debido a lo anterior, las válvulas de acción directa se limitan a aplicaciones en las que se trabaja con diferencias de presiones y caudales pequeños. Para grandes flujos y presiones se utilizan válvulas de solenoide operadas por piloto.

40

VÁLVULAS DE SOLENOIDE OPERADAS POR PILOTO. Las válvulas de solenoide operadas por piloto se basan en una combinación de la bobina solenoide, descrita anteriormente, y la presión de la línea o tubería. En este tipo de válvulas, el émbolo está unido a un vástago de aguja, que a su vez cubre un orificio piloto en vez del puerto principal. En la Figura 28 se aprecia, a modo de ejemplo, una válvula de solenoide operada por piloto, normalmente cerrada, de dos vías con pistón flotante.

FIGURA 28. VÁLVULA OPERADA POR PILOTO, NORMALMENTE CERRADA DE DOS VÍAS Y PISTÓN FLOTANTE . Existen tres tipos básicos de válvulas operadas por piloto:

• Pistón Flotante. • Diafragma Flotante. • Diafragma Capturado.

Los tres tipos de válvulas operan con el mismo principio. Cuando la bobina es energizada, el émbolo es atraído hacia el centro de la bobina, abriendo el orificio piloto. Una vez hecho esto, la presión atrapada arriba del pistón o diafragma se libera a través del orificio piloto, creando así un desbalance de presión a través del pistón o diafragma. De este modo, la presión inferior es mayor a la superior, forzándolo a subir y produciendo la apertura del puerto principal. Cuando se desenergiza la bobina solenoide, el émbolo cae y el vástago de aguja cierra el orificio piloto, provocando la igualación de las presiones sobre y bajo el pistón o diafragma, los cuales caen para cerrar el puerto principal. Al igual que las válvulas de acción directa, se deben tener ciertas consideraciones sobre la relación entre las presiones que afectan al pistón o diafragma. De esta forma, las válvulas solenoide operadas por piloto requieren de una mínima diferencia de presiones entre la entrada y la salida para producir la apertura del puerto principal y mantener al pistón o

41

diafragma en posición abierta. Esta diferencia de presiones es conocida como “Diferencial Mínimo de Presión de Apertura”. Diferencial Mínimo de Presión de Apertura (MinOPD): Según se explicó, una válvula de acción directa no puede actuar si las presiones de la tubería exceden su MOPD. Ello exigiría una mayor fuerza magnética, lo que implica un gasto excesivo en una bobina del tamaño adecuado. Es por esto que en aplicaciones de actuación en presencia de presiones mayores, se utilizan las válvulas de solenoide operadas por piloto. El objetivo de la actuación, la apertura del orificio piloto, es que sea realizada con el menor esfuerzo posible. Sin embargo, en las válvulas operadas por piloto es necesario un diferencial de presión específico una vez que el orificio piloto ha permitido la igualación de las presiones de entrada y salida. Este MinOPD es requerido para levantar al pistón o diafragma del puerto principal. Es importante señalar que las válvulas operadas por piloto, al igual que las de acción directa, deben evitar exceder su MOPD, para lograr un flujo adecuado dentro de la línea. MATERIALES UTILIZADOS EN SU CONSTRUCCIÓN. Con el objeto de lograr escoger una válvula adecuada para cada aplicación, es necesario tener en cuenta los materiales utilizados en su construcción. De esto dependerá el tipo de trabajo que deberá desempeñar. Los materiales utilizados se escogen con el fin de ser compatibles con el tipo de fluido, lograr la máxima confiabilidad y tiempo de vida útil y minimizar sus costos. A continuación se detallan algunos materiales usados en cada componente de una válvula solenoide: Cuerpo de la válvula: En fluidos neutros se utiliza bronce o latón. Para fluidos a altas temperaturas (o vapor por ejemplo) se usa acero o acero inoxidable (más resistente a la corrosión). En algunas aplicaciones, con el objetivo de disminuir los costos, se utilizan materiales plásticos o PVC (por ejemplo). Bobina: La bobina se construye en general a partir de conductores de cobre aislados. La zona del émbolo móvil que entra en contacto con el fluido, por lo general corresponde a acero inoxidable. De esta manera se logra resistencia a la corrosión. Materiales sellantes: Los factores que intervienen en la elección de este material son las condiciones de temperatura, químicas y mecánicas de cada aplicación en particular. Para fluidos neutros con temperaturas bajas, por lo general se utiliza Viton. Para trabajo con altas temperaturas se utiliza EPDM y PTFE, materiales que ofrecen gran resistencia ante condiciones adversas de temperatura y acidez.

42

Selección de la válvula solenoide requerida en este proyecto. Construidas de bronce o acero inoxidable Normalmente Cerradas. Tensión de alimentación de la bobina 120 VCA. Específicamente diseñadas para aplicación en esterilizadoras o autoclaves. Temperatura Ambiente de trabajo: 40ºC. Diámetro interior ¾ cuerda NPT. MOPD.

El dispositivo comercial que cumple con tales requisitos se encuentra enunciado en la sección 4 “Aplicación Tecnológica de la Propuesta de Instrumentación”; así como también se anexa la ficha técnica en la sección 9. VALVULA PROPORCIONAL. La válvula proporcional tendrá la función de llevar a cabo el control de la variable manipulada (vapor), conforme la variable controlada se acerca al valor o punto de consigna, la válvula proporcional deberá reducir la entrada de vapor a la cámara de esterilización, es decir la válvula comenzara a modular según la información que el PLC reciba del sensor de temperatura y que comparada con el set point, dará como resultado la señal de error correspondiente, esta señal pasara por el algoritmo de control; que para nuestro caso se aplicara un modo de control PID, y que finalmente deberá permitir que la válvula proporcional corrija el error generado. Principio de Funcionamiento. Las válvulas proporcionales son convertidores de intensidad / tensión en presión y caudal adaptadas a la aplicaciones neumáticas de potencia. Así, desde un sistema de control electrónico con una salida de 4-20 mA o de 0 a 10 V, podemos regular la presión o el caudal de un sistema, es importante señalar que no es una servo válvulas y mantienen diferencias como por ejemplo: Una servo válvula es un elemento que permite un control preciso de posición o velocidad, aunque tiene el inconveniente de un elevado costo a comparación con las válvulas solenoides convencionales, se caracterizan por una baja tolerancia a la contaminación. Las válvulas proporcionales permite llenar el vació entre las electro válvulas y las servo válvulas, debido a que permiten ajustes de forma electrónica para una serie de descargas sin necesidad de accionamientos hidráulicos.

43

FIGURA NÚMERO 29. DIAGRAMA DE UNA SERVOVALVULA.

Las válvulas proporcionales producen una salida que va en función a la señal de entrada, y pueden ajustarse a distancia por medios electrónicos, a través de solenoides proporcionales. La salida de la válvula proporcional puede ser:

- Presión Variable. - Caudal Variable - Dirección y caudal variables.

En caso de ser controladas por voltaje, la tensión de entrada varía entre 0 y +/- 9V, o en su caso podrá utilizar corrientes de entre 4 y 20 mA, para lo cual la señal proporcional transforma la señal eléctrica de entrada en una señal proporcional de fuerza o posición como salida. Las magnitudes de fuerza o posición darán como resultado un determinado caudal o presión. Esto le permite al sistema generar, una función analógica de sentido de marcha, velocidad o fuerza, simultáneamente se puede fijar la variación en función del tiempo.

FIGURA NÚMERO 30. DIAGRAMA DE UNA VÁLVULA PROPORCIO NAL.

44

La figura numero 30, muestra una válvula básica con solenoide proporcional que suministra un control remoto de caudal. Las válvulas proporcionales son de correderas deslizantes, la corredera está centrada por muelles (resortes), o con retorno a través de muelles. Dichas correderas se moverán de forma proporcional a la señal eléctrica aplicada al solenoide, lo cual se convertirá en un movimiento mecánico, esto dará como consecuencia la modificación del caudal de salida.

FIGURA NÚMERO 31. MODIFICACIÓN DE LA CARRERA, SEGÚN LA VARIACIÓN DE CORRIENTE.

La señal del amplificador electrónico tendrá como función la de suministrar la potencia necesaria para que la válvula actué y realice las funciones adicionales, la señal de a entrada al solenoide proporcional proviene de una serie de fuentes tales como:

1) Potenciómetros. 2) Sensores de temperatura. 3) Transductores de presión. 4) Taco generadores. 5) Microprocesadores. 6) Etc.

Estos dispositivos son todos de baja potencia en términos de tensión y corriente, por lo cual debe amplificarse antes de accionar la válvula; para aumentar esta potencia al nivel requerido, se envía como entrada al amplificador, para lograr que actué la solenoide.

45

Cálculos para la selección de la válvula solenoide.

La válvula es el elemento que opera el flujo del agente de control; por consiguiente, debe ser

dimensionada en función del flujo máximo que se pretenda hacer pasar por esa tubería.

Existe un patrón universal (establecido por la ISA) que define al coeficiente de flujo Cv para

dimensionar una válvula de control; este es: Cv es el numero de galones por minuto de agua

a 60 ºF que pasan por una válvula de control, con una caída de presión de 1 PSI.

Así por ejemplo, si en cierta válvula Cv = 6 a 100% de apertura, esto significa que al estar

totalmente abierta dejaría pasar 6 gpm de agua con 1 psi de caída a través de ella.

La gravedad especifica del fluido influye en el flujo que pueda manejar una válvula.

La ecuación general que rige el comportamiento de un fluido no compresible que pasa por

una válvula de control es la siguiente:

Donde:

Q es el caudal medido en gpm (galones por minuto),

Cv es la capacidad inherente de la válvula, o caudal característico.

∆P es la diferencia de presión entre la entrada y salida de la válvula medida en psi.

Ɠ (gamma) es la gravedad específica del fluido (adimensional), estos valores se obtienen

directamente de las tablas 5 y 6.

Para poder determinar el tipo de válvula a emplear es necesario que calculemos el valor de

Cv, teniendo los siguientes datos, y que fueron mencionados en la página 6 y 16.

Válvula de agua:

Q=15 gpm

∆P= 70-40 psi

Ɠ=1

46

=

Cv=3.35

Según la información disponible en la sección de anexos, y conforme al manual ASCO

VALVE, le corresponde una válvula de acción directa, normalmente cerrada, con bobina de

corriente alterna, para una presión máxima de operación de 150 psi, y cuerpo de latón con

numero de catalogo 8210P094.

Válvula de vapor.

Q= 280 L/min realizando la conversión =73.9gpm

∆P= 70-50 psi

Ɠ= 0.95 a 100°

=16.10

Cv=16.10

Según la información disponible en la sección de anexos, y conforme al manual ASCO

VALVE, le corresponde una válvula de acción directa, operada por piloto, normalmente

cerrada, con bobina de corriente alterna, para una presión máxima de operación de 200 psi, y

una temperatura de operación de 353 °F ( 178.33°C); cuerpo de latón con numero de

catalogo 822G099.

Válvula de agua caliente (Drenaje). La información técnica proporcionada por el proveedor

define que la salida del drenaje el flujo es 75% mayor que la entrada del vapor, para un

desalojo del vapor eficiente y rápido. Por lo cual el flujo se calcula el flujo en la válvula de

drenaje como:

Q Drenaje=Q Vapor x 1.75=73.9 gpm x 1.75=129.32 gpm

Para el cálculo de ∆P se supone que tendrá un diferencial de operación desde la presión

atmosférica hasta la presión de operación es decir 32 psi, por lo tanto ∆P= 32-0= 32 psi; por

lo tanto:

47

Q= 129.32 gpm

∆P= 32 psi

Ɠ= 0.95 a 100°C.

= =22.28

Cv=22.18

Según la información disponible en la sección de anexos, y conforme al manual ASCO

VALVE, le corresponde una válvula de acción directa, operada por piloto, normalmente

cerrada, con bobina de corriente alterna, para una presión máxima de operación de 200 psi, y

una temperatura de operación de 353 °F ( 178.33°C); cuerpo de latón con numero de

catalogo 822G099.

Válvula de admisión de aire. Para calcular el flujo de admisión de aire al finalizar el ciclo de

esterilización y debido a que no se cuenta con información en la literatura, catálogos o con el

proveedor, se asume que el volumen por llenar de aire es el mismo que el volumen de la

cámara de esterilización, es decir 280 litros, si el tiempo de llenado de aire es de

aproximadamente 2 mín., según la grafica numero 11; la velocidad de admisión del aire será

de 280 litros/2 min= 140 l/mín.= 36.98 gpm.

El cálculo de la variación de presión se expresa con la siguiente igualdad ∆P = (presión

atmosférica)-(presión de vacio); es decir desde el punto de vista de la válvula de admisión de

aire, no se puede decir que la válvula conduzca un “ vacio” en el momento de apertura, más

bien la válvula actuara como un medio de conducir el aire del exterior succionado hacia el

interior de la cámara, realizando un efecto similar al de conducir el aire de forma

presurizada; por lo tanto la diferencial de temperatura será: ∆P = 0-(-20) plgHG=

20plgHG=9.82psi

La densidad del aire seco a la presión atmosférica estándar al nivel del mar a 15° C se utiliza

como estándar en la industria, y es igual a 1.22; pero si se toma en cuenta que la válvula

solenoide será del tipo normalmente cerrada y solamente permitirá el flujo del aire hacia el

48

interior de la cámara en el momento de la finalización del ciclo de esterilizado, la

temperatura del aire será la ambiental o de operación del equipo, por la razón antes expuesta

la densidad del aire, según la tabla número 5 para 40°C es de 1.127. Entonces:

Q= 36.98 gpm

∆P= 9.82 psi

Ɠ= 1.127

= =12.52

Cv=12.52

Según la información disponible en la sección de anexos, y conforme al manual ASCO

VALVE, le corresponde una válvula de acción inversa, normalmente cerrada, con bobina de

corriente alterna, para una presión máxima de operación de 150 psi, y una temperatura de

operación de 180 °F (82.22°C); cuerpo de latón con numero de catalogo 8210G054.

Válvula de proporcional de vapor:

El valor del flujo, para esta válvula, se considera igual al de suministro de vapores decir de

280litros/min porque es la misma cantidad de vapor que pasa por la válvula de suministro de

vapor debido a que las pérdidas se consideran como mínimas.

Por lo tanto:

Q= 280 L/min =73.9gpm

∆P= 70-50 psi

Ɠ= 0.95 a 100°

=16.10

Cv=16.10

49

TEMPERATURA ºC TEMPERATURA FARENHEIT DENSIDAD.

-25 -13 1.423

-20 -4 1.395

-15 5 1.368

-10 14 1.342

-5 23 1.317

0 32 1.292

5 41 1.269

10 50 1.247

15 59 1.225

20 68 1.204

25 77 1.184

30 86 1.165

35 95 1.146

40 104 1.127

TABLA NUMERO 5. DENSIDAD DEL AIRE A PRESION STANDAR .

TEMPERATURA ºC DENSIDAD VOLUMEN DE 1 GRAMO

0 0.99984 1.00016

4 0.99997 1.00003

10 0.99970 1.00030

20 0.99820 1.00180

50 0.98804 1.01210

75 0.97486 1.02579

100 0.95835 0.04346

TABLA NUMERO 6.DENSIDAD Y VOLUMEN DEL AGUA.

Según la información disponible en la sección de anexos, y conforme al manual ASCO

VALVE, le corresponde una válvula proporcional, operada por piloto, normalmente

cerrada, para una presión máxima de operación de 150 psi, y una temperatura de operación

de 366 °F (185°C); cuerpo de bronce y numero de catalogo 8290B010, con sufijo PDB06

(4-20 mA) y cierre a falla de energía.

50

4.- APLICACIÓN TECNOLÓGICA DE LA PROPUESTA DE INSTRUMENTACION.

En esta sección se explica la contribución o desarrollo tecnológico, tema de la presente Tesis de Titulación, y parte medular de este trabajo; la aplicación tecnológica se divide en tres partes: 1) Presentación de las características de los instrumentos seleccionados para integrar el proyecto. 2) Desarrollo del diagrama de instrumentación y tuberías (DTI). 3) Desarrollo de la programación del PLC, en su forma de diagrama de escalera, el cual se encargara de controlar el sistema o la planta, siendo la parte intangible del proyecto y que se encargara de tomar las acciones necesarias para permitir que las salidas del PLC actúen en forma conveniente, utilizando para ello los datos enviados por los elemento sensores. 4) Explicación del funcionamiento de sistema de control presentado. 1) Presentación de las características de los instrumentos seleccionados para integrar el proyecto. A continuación se definirán los componentes que integran la instrumentación del proyecto, estos componentes corresponde a las características ya mencionadas en el capítulo 3.

Controlador Lógico Programable. Marca: Siemens Modelo: Simatic Step 7(CPU 224 XP) Disponibilidad de entradas- salidas 24/16 Con entrada para modulo de control de temperatura. Salidas configurables a relevador, entre otras. Configuración autosintonizable PID. Control en corriente de 4 a 20 mA. Conexión a pantalla de monitoreo TD 100. Costo : CPU ($3040) + pantalla ($2000) + modulo de temperatura ($1590) Total: $ 6630. Sensor de temperatura. Marca: IFM Modelo: TA 3231 Rango de medición: -10 a 150 ºC. Salida de corriente de 4 a 20 mA. Empleo de elemento sensor PT 1000. Tiempo de respuesta: T05= 1.2 s y T09=3.5 s Costo : $ 4500.00

51

Interruptor de presión: Para Vapor. Marca: Beck. Modelo:901.41 Temperatura de operación de 0 a 134 ºC (tubería de conexión tipo PPS

polyphenylensulfide). Temperatura ambiente de trabajo máxima –20ºC a 85 ºC Presión de operación de –29.53 plg Hg hasta 58 psi (-1 Bar a 4 Bar). Capacidad de operación de los contactos 100 mA a 24 Vca.. Conexión a tubería ¾ NPT Vida en número de ciclos. 10 6 ciclos Costo: $2966.00 Para agua: Marca: Beck. Modelo:901.2x Temperatura de operación de 0 a 134 ºC (tubería de conexión tipo PA

Poliamida). Temperatura ambiente de trabajo máxima –20ºC a 85 ºC Presión de operación de –29.53 plg Hg hasta 58 psi (-1 Bar a 4 Bar). Capacidad de operación de los contactos 100 mA a 24 Vca.. Conexión a tubería ¾ NPT Vida en número de ciclos. 10 6 ciclos Costo: $2966.00

Sensor de Presión. Marca: IFM Modelo: PI1093 con transmisor programable PI10 Rango de medición de –14.4 PSI a 362.7 PSI Temperatura Ambiente de trabajo-25 a 80 ºC. Transmisión en corriente de 4 a 20 mA. Temperatura de medición del fluido 145 ºC ( 1 hora max) Tensión de alimentación 20 a 32 VDC. Costo: $ 6930.00 Microswitch. Marca: EMAS Modelo:LS Series. Numero de parte:L61K13PUM211 Temperatura ambiente de trabajo máxima: -25 a 70 ºC. Capacidad de operación de los contactos: 3 A 240 V Contactos: N.C & N.O. Tipo de vástago: Metálico. Tipo de cuerpo: Metálico.

52

Posibilidad de conexión a PLC, mediante cables preinstalados ,longitud del cable 2m; 5 x 0.75 mm2

Vida mecánica: 10 000 000 Vida eléctrica: 1 000 000 Libre de mantenimiento. Rápida respuesta. Costo: $1430.00 Válvula Solenoide. Marca: ASCO Modelo: Series 8220, 8222, 8263, 8267 Construidas con cuerpo de bronce y disponibles también en acero inoxidable

especialmente diseñadas para uso sanitario y en esterilizadoras. Temperatura Ambiente de trabajo hasta 40º C. Tensión de alimentación de la bobina solenoide 120 VCA Para cumplir con los requerimientos técnicos de manejo de presión y

temperatura, el numero de catalogo correspondiente es el siguiente:8222G3-11-17.1/H la cual soporta una temperatura del fluido de vapor de 353 ºF (178.8 ºC), con un diferencial de presión de 0 psi hasta 125 psi.

Válvula proporcional. Marca: ASCO Modelo: Series 8290. Retroalimentación de la posición del vástago a través de potenciómetro lineal. Señal de control de 4 a 20 mA. Construidas con cuerpo de bronce y disponibles también en acero inoxidable

especialmente diseñada para uso sanitario y en esterilizadoras. Temperatura Ambiente de trabajo hasta 40º C Costo total: $6000.00

53

2) Desarrollo del diagrama de instrumentación y tuberías (DTI). El diagrama numero 1 representa la aplicación de los instrumentos antes descritos, y es la representación gráfica de la secuencia de equipos, tuberías, accesorios e instrumentos que conforman el proceso.

DTI. Diagrama número 1.

54

3) Desarrollo de la programación del PLC, diagrama de escalera. La secuencia del programa se decidió realizar a través de un diagrama de escalera por dos razones fundamentales, es entendible por toda la comunidad técnica además que es aplicable a todo tipo de PLC, sin necesidad de particularidades propias de cada marca; además de que en la actualidad los PLC´s tienen la capacidad de poder generar de forma simultánea al diagrama de escalera junto al correspondiente diagrama de funciones o el programa en lista de instrucciones. Con este antecedente se propone el circuito de control , expresado en los diagramas 2, 3 y 4. El Diagrama de escalera presentado, incluye un símbolo especial para el algoritmo de control PID, y que según la información obtenida por el Departamento Técnico de la compañía Siemens, es válido incluir este símbolo de función dentro del diagrama de escalera, debido a que es indicativo del proceso que allí se llevara a cabo y que de otra forma no sería funcional. Aquí se describe la implementación necesaria para que una autoclave pueda esterilizar el instrumental mediante tres programas de esterilización diferentes los cuales son:

1) Programa de esterilización tipo Gravity. 2) Programa de esterilización tipo Líquidos. 3) Programa de esterilización tipo Pre vacío.

La propuesta, para fines de obtener una mayor claridad en el análisis, se presenta separado cada programa uno de otro; aunque en la implementación real de dicho sistema se trata de un solo diagrama corrido, comenzando en la línea numero 1 o branch 1; y terminando en la última línea del ciclo pre vacío; también es conveniente aclarar que para simplificar los términos se designa como bloque o conjunto de vacío al conjunto de válvula solenoide denominadas como out 1, out 2, out 3 y out 4; debido a que cada vez que el equipo requiera realizar una succión o vacío dentro de la cámara se activara indefectiblemente el mismo conjunto de válvulas. A continuación se presentan los diagramas ya mencionados.

55

56

Diagrama número 2. Ciclo Gravity.

Diagrama número 3. Ciclo Líquidos.

57

Diagrama número 4.Ciclo Prevacío.

58

Explicación del funcionamiento de sistema de control presentado.

FUNCIONAMIENTO DE LA PROPUESTA TECNOLÓGICA. La inicialización del sistema se realiza cerrando la entrada IN2 (diagrama número 1), la cual es un botón pulsador normalmente abierto, denominado Encendido general; la señal pasara después por un contacto interno normalmente cerrado CR6, el cual se activara al final de cada ciclo de esterilización, como se explica más adelante, se denomina Fin de ciclo y tiene como función abrir la secuencia de control desde este punto del programa en caso de que el operador no desactive manualmente el sistema o en otras palabras no restablezca el sistema; posteriormente se activara el relevador interno CR1. El relevador CR1 dará paso a la señal de control de la línea numero 2 (branch 2), para que el relevador interno CR2 sea activado deberán cumplirse las siguientes condiciones; seleccionar el ciclo de esterilización, que para este caso es el ciclo gravity (IN 3), cerrar la puerta del equipo, un microswitch detectará esta condición cerrando a su vez los contactos (IN 4), solo en caso de que se cuente con la presencia de vapor y de agua en la línea de suministro se activaran las entradas (IN 5 e IN 6); es importante notar que como medida de seguridad se cuentan con un sistema que no permite que se seleccione más de un ciclo de esterilización a la vez, es decir los relevadores internos CR7 y CR8, se encuentran en su forma lógica negada, y que si fueran activados de alguna forma, manda una señal de reset o restablecimiento al equipo abortando el presente ciclo. Esta línea de aquí en adelante se le conocerá como la línea de condicionantes. Una vez que las condiciones de operación de la línea 2 (branch2) se cumplieron, el equipo activara el contacto interno CR2 en la línea 3, derivándose la señal eléctrica en dos ramas simultáneamente; una pasara por el contacto del temporizador normalmente cerrado TIM 1; activando la válvula solenoide de apertura de la tubería de drenaje de la cámara (OUT1), la solenoide del intercambiador de calor (OUT 2), la cual asegura que el vapor que se inyecta de la camisa a la cámara salga por el sistema de drenaje, evitando que salga de este en forma de vapor, enfriándolo hasta lograr que se condense, convirtiéndolo en agua caliente; también se energiza la válvula solenoide que permite el paso del agua hacia el sistema venturi, ocasionando un vacío en la cámara de esterilización (OUT 3), al mismo tiempo se activa la válvula solenoide para permitir el paso del vapor hacia la cámara de esterilización (OUT 4); todo este bloque lo designaremos de ahora en adelante como “conjunto de vacío”, puesto que en otras aplicaciones se activaran las misma válvulas solenoide (OUT 1, OUT 2, OUT 3 y OUT 4), todo esto de forma simultánea. Por el otro lado y al mismo tiempo se activa un temporizador no retentivo (TIM 1), el cual cuando termina la fase de acondicionamiento, ya descrita, desactiva todo el conjunto de vacío, después de 1 min transcurrido, para dar paso a la fase de esterilización. En la línea numero 4 (branch4), se cierra el contacto normalmente abierto perteneciente al temporizador no retentivo (TIM 1), pasando la señal de control a través del contacto

59

normalmente cerrado TIM 2, para activar el bloque correspondiente al algoritmo de control PID (Proporcional, integral y derivativo), este a su vez mandará la señal necesaria para que se accione la válvula proporcional, el modulo de función PID; recibirá la señal del elemento primario de medición de temperatura, hasta que se llegue al set point ,y a partir de allí modulará la entrada de presión a la cámara, para mantener el punto de ajuste de la temperatura de esterilización; enviando la señal correspondiente a la válvula proporcional. Cuando el tiempo de esterilización haya transcurrido (30 min) será el temporizador no retentivo (TIM 2) el cual eliminara el control del modulo PID, y dará comienzo a la fase de secado. Una vez que el tiempo de esterilización ha concluido, la línea 5 (Branch5) es activada a través del contacto normalmente abierto del temporizador (TIM2), esta también activa las válvula solenoides correspondientes al drenaje, intercambiador de calor y agua, lo cual realiza un vacío dentro de la cámara de esterilización, desalojando todo el vapor existente de la fase de esterilización, el interruptor de vacío (IN7) cerrara su contacto al momento de llegar a la presión de -20 mmHg, dando un pulso suficiente para activar el temporizador no retentivo (TIM 3); debido a que se trata de un pulso es necesario que se cuente con un contacto de anclaje el cual es designado por CR 7,es decir para evitar oscilaciones del sistema se incluye un anclaje o enclave con un contacto perteneciente al relevador interno CR7; esto permite que cuando el vacío aumente del valor prefijado el temporizador no retentivo TIM3, no se desactive, sino que la señal permanezca aunque el contacto de presión ya haya sido abierto una vez mantenido este enclave el temporizador TIM 3 estará activo por un tiempo de 15 min, para eliminar perfectamente cualquier residuo de vapor o de agua dentro de la cámara. Concluido el tiempo de secado del temporizador no retentivo TIM 3, el relevador interno (CR 7) inicia la fase de admisión de aire del equipo, para lo cual se desactivan las válvulas ya mencionadas, y se activa una válvula de admisión de aire del exterior (OUT 5); para romper el vacío de la cámara de esterilización, cuando se alcance la presión atmosférica, en otras palabras el interruptor de presión (In 8) se cerrara al momento de alcanzar o mmHg, activando el zumbador y la lámpara piloto de fin de ciclo por un tiempo de un minuto, indicando que el ciclo llego a su fin. Si el operador después de un minuto, no ha presionado la tecla de reset, el relevador interno (OUT 6) mandará un reset del sistema abriendo la línea 1. El diagrama de control completo muestra que para un ciclo de esterilización de líquidos, la lógica de escalera es básicamente la misma, hasta la línea numero 11, en esta línea se da por concluida la fase de esterilización, pero durante la fase de secado, la presión no llegara a presiones negativas, debido a que un frasco con líquidos, no debe ser secado, además de que pueden implosionar dichos frascos, por lo cual se les lleva hasta alcanzar la presión atmosférica y allí se termina el ciclo de esterilización; es decir, dicho de una forma más técnica, cuando se activa la línea 11 esta se encargara de permitir un vacío del vapor que se encuentra en la cámara de esterilización, activando las salidas del drenaje, intercambiador de calor y agua; cuando la presión llegue a la presión atmosférica (0 mmHg), el interruptor (IN8) desactivara todas estas válvulas solenoide, activando el relevador interno (CR8), este

60

relevador permite un enclavamiento de el contacto normalmente abierto del interruptor de presión (IN 8), el cual se activara a 0 mmHG, en este punto se energiza la válvula solenoide que permite la entrada de aire a la cámara de esterilización (OUT 5), y simultáneamente las salidas correspondientes, el zumbador y la lámpara piloto de fin de ciclo, de la misma manera si el operador no presiona el botón de reset, después de un minuto en temporizador no retentivo (Tim 7) se encargará de esto. El ciclo de esterilización llamado de prevacío, tiene una lógica de control muy parecida a la ya descrita, pero en la línea numero 16, notamos que existe un secuenciador, no retentivo, que tiene la función de forzar al equipo a realizar una serie de picos de presión-vacío dentro de la cámara de esterilización, que permite una mejora del proceso; debido a que se elimina de forma más efectiva cualquier bolsa de aire. Cuando se activa el relevador interno (CR9) la señal espera a que el sistema alcance su pico

de presión negativa máxima, es decir a los -20 mmhg entonces se habilita el contacto normalmente cerrado del secuenciador, permitiendo el paso de la señal de control, a través del contacto normalmente cerrado (CR 14), mandando un pulso al secuenciador de avance (Seq 1), este mismo relevador (CR14), realiza un ciclo iterativo en la línea numero 16, activando nuevamente el ciclo de llenado-vacío, hasta que el secuenciador en la línea 18, cuente 4 pulsos, este activa su contacto normalmente abierto en la línea 19, avanzando hacia la fase de esterilización y secado, tal como lo realiza el ciclo gravity.

61

ESTUDIO COSTO-BENEFICIO.

Dentro de la ingeniería financiera el concepto de eficiencia se define como la relación existente entre los productos y los costos que la ejecución del proyecto implica. La evaluación previa proporciona medidas de síntesis que permiten ordenarlos jerárquicamente y adoptar las decisiones pertinentes a base de criterios racionales. Cuando los resultados y costos del proyecto pueden traducirse en unidades monetarias, su evaluación se realiza utilizando la técnica del Análisis Costo−Beneficio (ACB). Así sucede en los proyectos económicos. En la mayor parte de los proyectos sociales, en cambio, los impactos no siempre pueden ser valorizados en moneda, por lo que la técnica más adecuada es el Análisis Costo−Efectividad (ACE). En el ACE, su particularidad radica en comparar los costos con la potencialidad de alcanzar más eficaz y eficientemente los objetivos no expresables en moneda (evaluación previa) o con la eficacia y eficiencia diferencial real que las distintas formas de implementación han mostrado en el logro de sus objetivos. La medida de eficacia es el impacto. Parámetros a evaluar: a) Idea del proyecto: la idea de realizar un proyecto tiene distintos tipos de orígenes, donde los más importantes son:

• La existencia de necesidades insatisfechas • Potencialidades de utilización de recursos • La conveniencia de complementar otras acciones.

El proyecto tema de la presenta Tesis es válido para cualquier empresa tanto del sector privado como del sector gobierno, si bien es cierto que las fuentes de recursos son diferentes, los costos básicamente son los mismos, con variación en precios para cada una de las empresas, pero para fines prácticos no influyen para determinar la factibilidad económica; independientemente de que este análisis no va orientado a la justificación de cómo establecer un empresa de automatización de autoclaves o algo semejante; por lo cual no se realizan estudios de análisis financiero tales como la taza interna de retorno, o punto de equilibrio, etc.; por lo que solamente interesa comparar el costo de comprar un equipo nuevo versus automatizar con nuevas tecnologías el mismo equipo. Por lo tanto, dado que tecnológicamente es viable la realización del proyecto propuesto, el factor económico se justificara ampliamente si el costo de la automatización es claramente menor que el precio de un equipo nuevo de similares capacidades y condiciones; razón por lo cual se lista el costo de cada uno de los elemento involucrados para realizar el proyecto;

62

cabe señalar que los costos son aproximaciones que se obtuvieron directamente de los fabricantes, pero que dichos precios son susceptibles de sufrir variaciones o modificaciones. La necesidad no satisfecha radica en que según datos de la propia Secretaria de Salud, actualmente nuestro país cuenta con un total de 3919 hospitales; de los cuales todos, sin excepción cuentan con por lo menos una esterilizadora de vapor; la misma dependencia revela que el 37.9% tiene una antigüedad de 25 años; estos equipos funcionan a través de los sistemas antiguos ya mencionados de relevadores y levas. Es posible visualizar que en los próximos años se tendrá una necesidad real de adquirir nuevos equipos para reemplazar aquellos que tengan más de 25 años de servicio, ya que los proveedores actualmente no están en posibilidad de seguir suministrando refacciones para la reparación de los mismos. Si tomamos en cuenta que las normas para recipientes sujetos a presión la IRAM IAS V-500-2611, ASME, ASTM, DIN y la especificaciones del fabricante indican que la cámara y camisa de esterilización deberá estar construidas de tal forma que garantice un tiempo de trabajo de 50 años; es decir cada cámara-camisa que se pretende desechar puede reconvertirse ya que técnicamente es factible una reingeniería de la instrumentación a través del uso de un PLC, nuevos sensores y válvulas, lo cual permitiría la operación de dichos equipo de 25 años mas; sin necesidad de comprar un equipo nuevo y con un costo de inversión bajo en comparación de la compra de un equipo nuevo; estos datos se presentaran en esta misma sección para sustentarlo. Un sencillo cálculo matemático permite conocer cuántos equipos serán reemplazados en los próximos años; se reitera que la información fue proporcionada directamente por la Secretaria de Salud y que a continuación se reproduce: “Existen 32 Entidades con su Secretaria de Salud Estatal y que de ellos dependen los Servicios Estatales de Salud o los Institutos Estatales de Salud. De la Red de Hospitales pertenecientes a la Secretaria de Salud en las 32 entidades existen 489 Hospitales de 2o. y 3er nivel, 35 hospitales universitarios y pertenecientes a los Institutos de Seguridad Social para los trabajadores estatales. 19 Hospitales pertenecientes a la red de la Coordinación Nacional de Institutos Nacionales y de los Hospitales Federales de Referencia. En este sexenio se tiene planeado la construcción de algunos Hospitales de Alta Especialidad en diferentes entidades y el año pasado se inauguraron algunos hospitales de este tipo en Tamaulipas, Guanajuato y Mérida entre otros. 349 Hospitales del IMSS de 2o. y 3er nivel. ISSSTE 106 hospitales, Pemex 23, SEDENA 42, SEMAR 34.

63

Se tienen 2822 unidades privadas en todo el país pero son hospitales de más de 15 camas considerando que solo el 30 % aproximadamente son hospitales de más de 60 camas”. Realizando la sumatoria del número de hospitales sin contar los de nueva construcción nos da un total de: 3919 hospitales. Es de esperar que al menos se tenga instaladas 3919 esterilizadoras de vapor en el país. Entonces: Numero de Hospitales en México, Publico y privados ( N° Hosp) = 3919 Numero de autoclaves con antigüedad de 25 años (N° Autoclaves.)=3919 x 0.379= 1485.301 Es evidente que la cantidad de equipos que pueden ser automatizados con el uso de un PLC, es lo bastante grande como para justificar el proyecto. La potencialidad de aplicar una instrumentación utilizando un PLC, estriba en que presenta ventajas claras contra otras formas de instrumentación como son:

• La facilidad para reprogramar todo el sistema. • El bajo costo de instalación. • El bajo costo de administración. • Gran compatibilidad entre los instrumentos de medición y el elemento final de

control. • Posibilidad de interfaz del equipo con una red. • Posibilidad de monitoreo remoto.

Es obvio que el sistema debe complementarse con elementos de control y medición cuidadosamente seleccionados de tal manera que permitan un manejo de control de presión de vapor, sin que sufran daño debido a la alta temperatura de operación, es decir deberán soportar temperaturas internas y externas de operación; esto reduce mucho el abanico de posibilidades y permite una selección más rápida de los elementos de control. b) Estudio del perfil: se plantean las alternativas básicas de implementación del proyecto y se analiza su viabilidad técnica, efectuándose también una primera estimación de costos y beneficios (efectividad del proyecto), mediante la comparación de las alternativas sin, con el proyecto y la que resulta de optimizar la situación base.

64

La tabla numero 1 presenta un comparativo entre 6 diferentes formas de automatización, no se pretende describir cada componente de cada sistema, puesto que cada forma requeriría un largo estudio y no es el propósito de este trabajo, por lo que se realizan estimaciones para cada modo de implementar la automatización. De dicha tabla de ponderación se observa que la utilización del PLC es la mejor opción. En términos económicos cada ciclo de esterilización según datos de la Secretaria de Salud, a través de la Subsecretaria de Innovación y Calidad y por el Centro Nacional de Excelencia Tecnológica en Salud, informa que cada ciclo de esterilización en la iniciativa privada tiene un costo de $500.00; no se dispone de información del costo en el sector salud específicamente, pero tomaremos este valor como base para calcular en cuanto tiempo se puede recuperar la inversión. La Central de equipos y esterilización del Instituto Nacional de Perinatología, que es un hospital de 167 camas censables, es decir es un hospital de tamaño medio, allí cada autoclave realiza un número total de 8 ciclos por día; contando turno matutino, vespertino y nocturno; siete días a la semana durante todo el año, excepto un día cada 6 meses para mantenimiento preventivo, lo cual da un total de 363 días operativo al año. En términos numéricos: Costo de esterilización por día por autoclave= $500 x 8= $4000.00 Costo de esterilización por año= $4000.00 x 363= $1 452 000.00 El costo de rehabilitar un equipo de esterilización que durara al menos 25 años más, se recupera en un tiempo de: $62540/$4000x día=15.6 días. La tabla número 7 expresa de forma más detallada cada uno de los componentes requeridos

para poder realizar el proyecto.

65

Elemento o

Instrumento

Marca y

Modelo

Costo Unitario Cantidad de

Elementos

Subtotal

Controlador

Lógico

Programable.

Siemens

Simatic Step 7

$6630.00 1 $6630.00

Elemento

primario de

medición de

temperatura.

IFM

TA 3231

$4500.00 1 $4500.00

Elemento

primario de

medición de

presión.

IFM

PI1093

$6930.00 1 $6930.00

Válvula

solenoide.

Asco

Series 8220,

8222, 8263,

8267

$3360.00 6 $20160.00

Válvula

proporcional.

Asco

Series 8290

$6000.00 1 $6000.00

Interruptor de

Presión.

Beck

901.41&901.2x

$2966.00 4 $11864.00

Microswitch Emas $1430.00 1 $1430.00

Accesorios

varios

Cables,

conectores,

zapatas,

fusibles,

Varios $2000.00 1 $5000.00

TOTAL. $62,514.00

TABLA NÚMERO 7. COSTO TOTAL DE INSTRUMENTACIÓN DE U N EQUIPO CON TECNOLOGÍA ANALÓGICA .

66

Según el Centro Nacional de Excelencia Tecnológica en Salud (CENETEC); dependiente de la

secretaría de salud, órgano rector en cuanto dispositivos y tecnología médica se refiere en nuestro

país, el costo aproximado de una autoclave de vapor, alimentado por caldera externa, tamaño

mediano es de $800,000.00

Costo de un

equipo de

esterilización

nuevo.

Costo de

instrumentación

de un equipo

con tecnología

de control

obsoleta.

$800,000.00 $62,514.00

TABLA NÚMERO 8. COMPARATIVO DE COSTOS.

Por lo tanto se justifica la inversión económica en la conversión de un equipo, ya que solo

representa el 7.81% del costo total de un equipo nuevo; sin incluir mano de obra ni

impuestos; por lo tanto el proyecto es factible desde el punto de visto económico.

67

6) CONCLUSIONES.

Actualmente la tecnología de la instrumentación y control de procesos han avanzado a

grandes pasos, de tal forma que se pueden lograr instrumentaciones de procesos altamente

confiables y precisos con elementos electrónicos basados en microprocesadores, tal como un

PLC, podemos ver el comportamiento histórico del proceso, es posible observar e imprimir

las desviaciones del valor de referencia, la programación sencilla permite que sea

relativamente accesible para configurar nuevos métodos de procesamiento y control de las

variables, los sistemas utilizado son flexibles y de fácil conexión.

Para la presente tesis queda ampliamente demostrada la viabilidad de desarrollar un proyecto

de esta naturaleza, desde el punto de vista tecnológico, ya que los instrumentos requeridos se

encuentran en el mercado y cumplen son las características y requisitos necesarios para

asegurar una esterilización correcta.

Un proyecto en general, no debe solamente ser factible desde el punto de vista técnico, sino

que además debe demostrarse que económicamente es posible, y representar una ventaja en

algún sentido a la sociedad misma, si no cumple con tales requisitos se trata de un proyecto

que tal vez represente una ventaja tecnológica pero si no existe quien pueda financiar dicho

proyecto, no se realizara, no es factible; si económicamente se tienen los recursos pero no la

garantía tecnológica de que pueda funcionar, dudosamente alguien invertirá en ello y por lo

tanto el proyecto tampoco se puede realizar; si el proyecto es posible técnicamente, y

financieramente; pero no existe algún beneficio para la sociedad, o empresa alguna ; tal vez

tampoco se realice.

El proyecto presentado en esta tesis de titulación es viable desde el punto de vista

económico, como quedo demostrado en el capítulo 5; la gran ventaja social que esto

representa es que la implementación de este tipo de proyectos puede proporcionar grandes

ahorros a todo el país y en especifico al sector salud; llámese IMSS, ISSSTE, PEMEX, etc.;

debido a que podría evitar el gasto que implica la compra de equipos nuevos en todas las

68

unidades hospitalarias y de atención a la salud, esto es evidente a primera vista y no requiere

mayor justificación; por lo tanto:

• Es factible la realización tecnológica del proyecto de implementación de un sistema

de control e instrumentación para una esterilizadora de vapor grado hospitalario

• Es Viable desde el punto de vista económico, dado que representa grandes ahorros

para el usuario o administrador final de los equipos.

• Es un proyecto con ventajas de tipo social al permitir el ahorro de cantidades de

dinero que pueden destinarse para otras compras más urgentes.

69

7) GLOSARIO. Agente o medio de control. Material o energía de proceso que afecta el valor de la variable controlada; su cantidad es regulada por elemento final de control. Algoritmo.

Conjunto ordenado y finito de operaciones que permite hallar la solución de un problema. m. Método y notación en las distintas formas del cálculo. Antiséptico.

Que engendra la putrefacción adj. Med. Que sirve para la antisepsia, es decir evita la proliferación de microorganismos patógenos.

Alarma.

Dispositivo que señala la existencia de una condición anormal, por medio de un cambio visible o audible, o ambos. Asepsia.

1. f. Med. Ausencia de materia séptica, estado libre de infección.2. f. Med. Conjunto de procedimientos científicos destinados a preservar de gérmenes infecciosos el organismo, aplicados principalmente a la esterilización del material quirúrgico. Autoclave.

Aparato que sirve para esterilizar objetos y sustancias situados en su interior, por medio de vapor y altas temperaturas. Bacterias.

Biol. Microorganismo unicelular procarionte, cuyas diversas especies causan las fermentaciones, enfermedades o putrefacción en los seres vivos o en las materias orgánicas. Ciclo de esterilizado. Proceso especifico para la destrucción de todo microorganismo en el material o instrumental procesado, y que en autoclaves de vapor consta de las fases de acondicionamiento, esterilizado y secado. Controlador de acción directa.

70

Controlador de acción inversa. Controlador que disminuye la señal de salida cuando se incrementa el valor de la variable controlada. Elemento primario. Parte del circuito de control o de un instrumento que primero detecta el valor de la variable de proceso y luego asume una condición predeterminada y un estado inteligible o salida. Puede estar separado o integrado a otro elemento funcional de un circuito de control. El elemento primario es también conocido como detector o sensor. Esterilización

Med . Quim. Proceso para eliminar toda forma de vida, incluidas las esporas. En medicina y veterinaria, esterilización es el método por el cual se hace infecundo y estéril a un ser vivo. Hacer infecundo y estéril lo que antes no lo era. Destruir los gérmenes patógenos.

Esterilizadora. Equipo que asegura la destrucción al 100% de todo tipo de microorganismos tales como: virus, bacterias, esporas y hongos. Puede utilizar métodos químicos, radiactivos o por temperatura. Filtro HEPA Filtro compuesto de diminutas fibras de vidrio, que tejidas, forman un papel muy tupido y que permite capturar partículas diminutas; gracias a que una vez que las partículas contaminantes han atravesado el filtro no pueden volver de nuevo al aire debido a sus poros altamente absorbentes. Desinfección.

Término clínico que indica la acción para evitar la colonización de un organismo huésped por especies exteriores o de organismo colonizadores es perjudicial para el funcionamiento normal y supervivencia del huésped, por lo que se califica al microorganismo como patógeno.

Descontaminación.

Eliminación total o parcial de elementos indeseados o nocivos.

Elemento final de control.

Es la parte del circuito de control, como una válvula de diafragma, un motor de palanca o un calentador eléctrico, que hace variar directamente el agente de control.

71

Gérmenes.

Med. Microorganismo que puede causar o propagar enfermedades.

Instrumento. Dispositivo usado directa o indirectamente para medir o controlar una variable, o ambas cosas. El término incluye válvulas de control, válvulas de relevo o dispositivos eléctricos tales como anunciadores y estaciones de botones. El término no se aplica a partes, como por ejemplo fuentes de poder, un receptor o una resistencia, que son componentes internos de un instrumento.

Luz piloto.

Luz que indica una condición normal de un número de condiciones de un sistema o dispositivo. Es diferente de una luz de alarma, que indica una condición anormal. La luz piloto es también conocida como luz de monitor. Microorganismos También llamado microbio u organismo microscópico, ser vivo que sólo puede visualizarse con el microscopio. Nemotécnico

Procedimiento de asociación de ideas, esquemas, ejercicios sistemáticos, repeticiones, etc. para facilitar el recuerdo de alguna asociación de contenidos y estructuras que quieren retenerse con determinados emplazamientos físicos ordenados a conveniencia, tal y como se explica en las obras clásicas de la retórica y en los modernos manuales para el desarrollo de la memoria.

Patológico. Que se convierte en enfermedad. PLC Un autómata programable industrial (API) o Programable Logic Controller (PLC), es un equipo electrónico, programable en lenguaje no informático, diseñado para controlar en tiempo real y en ambiente de tipo industrial, procesos secuenciales. Proceso. Cualquier operación o secuencia de operaciones que involucran un cambio de energía, composición, dimensiones o cualquier otra propiedad que se pueda definir respecto a una referencia. El termino proceso define también todas las variables que no sean señales de instrumentos.

72

Punto de ajuste. Es el valor de la variable controlada que se desea mantener. Punto de control. Es el valor promedio de la variable controlada que el controlador mantiene en condiciones de carga estables. Señal controlada. También llamada salida del controlador; es una magnitud en presión, voltaje o corriente obtenida como resultado de una operación en el controlador automático. Septicemia. Med. Afección generalizada producida por la presencia en la sangre de microorganismos patógenos o de sus toxinas.

73

8) BIBLIOGRAFIA.

1) La Biblia Devocional de Estudio. Revisión 1960. Antigua Versión de Casiodoro de Reina (1569) Revisada por Cipriano de Valera (1602) Editado por la liga Bíblica de México. 2) www.cenetec.gob.mx (Última Consulta 22 abril de 2009) 3) Sistemas de identificación y control automáticos: El sistema y su entorno Autor Julia Monsó i Bustio Publicado por Marcombo, 1993 ISBN 8426709206, 9788426709202 124 páginas 4) Controladores lógicos Autor Manuel Álvarez Pulido, e-libro, Corp Publicado por Marcombo, 2004 ISBN 8426713475, 9788426713476 290 páginas 5) Instrumentación industrial Autor Antonio Creus Solé Publicado por Marcombo, 2005 ISBN 8426713610, 9788426713612 Instrumentación Industrial 6) Válvulas de Solenoide Juan Pablo Carvallo, René Vargas Departamento de Ingeniería Electrónica, Universidad Técnica Federico Santa María, Casilla 110-V, Valparaíso, Chile 7) Control electro neumático y electrónico J.Hyde J. Regue A. Cuspinera Editorial Norgren 8) Física Universitaria. Francis Weston Sears, Mark Zemansky, Hugh Young. Editorial Pearson Adison Wesley.

74

9) ANEXOS.

LISTA DE CATALOGOS E INFORMACIÓN TÉCNICA, QUE SUSTE NTA LA SELECCIÓN DE LOS INSTRUMENTOS MENCIONADOS:

a) Controlador Lógico Programable. Marca: Siemens Modelo: Modelo Simatic Step 7(CPU 224 XP) b) Sensor de temperatura. Marca: IFM Modelo: TA 3231 c) Interruptor de presión: Para Vapor y agua Marca: Beck. Modelo:901.41 y 901.2x d) Sensor de Presión. Marca: IFM Modelo: PI1093 con transmisor programable PI10 e) Microswitch. Marca: EMAS Modelo:LS Series. f) Válvula Solenoide. Marca: ASCO Modelo: Series 8220, 8222, 8263, 8267 g) Válvula proporcional. Marca: ASCO Modelo: Series 8290.

75

a) Controlador Lógico Programable.

76

77

78

79

b) Sensor de temperatura.

80

81

c) Interruptor de presión:

82

83

84

85

86

e) Microswitch.

87

f) Válvula Solenoide.

88

89

90

91

92

93

g) Válvula proporcional.

94