DISEÑO DE UN SISTEMA AUTOMÁTICO PARA EL CONTROL Y
SUPERVISIÓN DE UNA AUTOCLAVE
GERMÁN ALEJANDRO PIÑEROS BERNAL
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA
BOGOTÁ D.C.
2014
DISEÑO DE UN SISTEMA AUTOMÁTICO PARA EL CONTROL Y
SUPERVISIÓN DE UNA AUTOCLAVE
GERMÁN ALEJANDRO PIÑEROS BERNAL
TRABAJO DE GRADO PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO EN DISEÑO Y AUTOMATIZACIÓN ELECTRÓNICA
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN
INNOVACIÓN Y DESARROLLO TECNOLÓGICO
DIRECTOR
JOSÉ ANTONIO TUMIALAN BORJA
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA
BOGOTÁ D.C.
2014
Nota de aceptación:
Aprobado por el comité de Grado en
Cumplimiento de los requisitos exigidos
por la Universidad de la Salle para optar al título de
Ingeniero en Diseño & Automatización Electrónica.
_________________________________
Firma del jurado
________________________________
Firma del jurado
________________________________
Ing. José Tumialan Borja, Ph.D
Firma del director
Dedicatoria
El siguiente trabajo de grado está dedicado a Dios, fuente de todo bien y salud
para disfrutar de estos momentos aprendiendo cada vez más. A mis padres y
hermanos por su cariño y apoyo en tiempos difíciles, cuyo afecto resulta invaluable
en todo momento, por todos sus consejos y por brindarme los recursos necesarios
para apoyarme. A mi madre, por hacer de mí una mejor persona a través de sus
consejos, enseñanzas y amor. A Olga Silva por su paciencia y amor incalculables
para hacer de mí una persona decidida en la realización de mis proyectos.
A todos ellos les dedico este trabajo…
Agradecimientos
Primordialmente agradezco a la Universidad de la Salle, especialmente, a los programas
de Ingeniería en Automatización e Ingeniería de Alimentos, puesto que me brindaron
conocimientos que me ayudaron para el desarrollo del proyecto y la elaboración final de
este.
A los Ingenieros José Antonio Tumialan, Germán Castro, Guillermo Camacho y Álvaro
Patiño, que me brindaron su sabiduría en varios campos del conocimiento, ayudándome
así en varios aspectos que requerí para el desarrollo del proyecto.
También doy gracias a mis compañeros de clase Oscar Arévalo, Fernando Morales, Pablo
Castro y José Marín, quienes, de varias maneras, siempre estuvieron acompañándome y
ayudándome en los momentos que requería de su ayuda, por compartir sus conocimientos
conmigo, por compartir vivencias conmigo y de alegría, que nos dejarán muchas
enseñanzas y experiencias por siempre.
Un agradecimiento especial a mi director de tesis, Jose Tumialan, por ayudarme a hacer
posible esta tesis.
A Olga Silva por darme su amor, apoyo, confianza y por compartir inolvidables momentos
en mi vida. Te amo mucho y espero seguir cultivando nuestra relación.
A todos muchas gracias, pues es el momento en que las palabras nos son
suficientes para expresar lo que el alma desea, rebasarían un tomo, simplemente
queda decir aquello que por significado extenso y sin límites es: GRACIAS.
Contenido
Listado de figuras ................................................................................................. 7
Listado de tablas .................................................................................................. 9
RESUMEN ......................................................................................................... 11
ABSTRACT ........................................................................................................ 12
1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................... 13
1.1. Antecedentes de proyectos relacionados. ................................................ 15
1.2. Planteamiento del problema ................................................................. 20
1.3. Marco conceptual..................................................................................... 22
1.4. Metodología ............................................................................................. 24
2. AUTOMATIZACIÓN DE LA AUTOCLAVE ..................................................... 26
2.1. Diagnóstico y levantamiento de información. ........................................... 26
2.1.2. Requerimientos del programa para la Automatización de la Autoclave. .. 33
2.2. Selección de equipos, instrumentos y sensores ...................................... 33
2.2.2 Cálculos para el criterio de selección de la válvula proporcional. .......... 40
2.3. Diseño e implementación de la programación y control de las etapas del
proceso ........................................................................................................... 50
2.3.1. El controlador PID .................................................................................... 60
2.4. Diseño e implementación del sistema de supervisión.............................. 62
2.4.1 Diseño de tendencias en el sistema SCADA. ........................................... 65
2.4.2 Diseño de alarmas en el sistema SCADA. ................................................ 67
2.4.3 Creación del registro de información en la base de datos Microsoft ACCES.
........................................................................................................................... 71
2.5. Criterio de selección del PLC para la autoclave. ..................................... 72
3. DISPOSITIVO ELECTRÓNICO PARA MEDIR DE MANERA REMOTA LA
TEMPERATURA Y LA HUMEDAD RELATIVA .................................................. 79
3.1. Recopilación y levantamiento de la información ...................................... 79
3.2. Selección y acondicionamiento de un sensor inalámbrico de temperatura
........................................................................................................................ 80
3.3. Selección del microcontrolador ................................................................ 81
3.4. Diseño de plataforma para comunicación y transmisión de datos de forma
inalámbrica ..................................................................................................... 86
3.5. Visualización del proceso ........................................................................ 90
3.6. Programación .......................................................................................... 94
3.7. Grabación de datos .................................................................................. 97
3.8. Diseño de la carcasa y selección de materiales. ..................................... 98
3.9. Pruebas experimentales realizadas con el dispositivo en la autoclave. . 105
4. CONCLUSIONES ........................................................................................ 107
5. RECOMENDACIONES DE DISEÑO. .......................................................... 107
6. TRABAJOS FUTUROS. ............................................................................... 111
7. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................ 113
8. LISTA DE ANEXOS. .................................................................................... 116
Listado de figuras
Figura 1. Metodología general para desarrollo del proyecto. ------------------------------------------------- 24
Figura 2. Metodología para la automatización de la autoclave. ---------------------------------------------- 25
Figura 3. Metodología para el diseño del dispositivo electrónico inalámbrico. --------------------------- 26
Figura 4. Diagrama P&ID del estado actual de la autoclave. ------------------------------------------------- 32
Figura 5. Transductor de presión de psi a corriente.------------------------------------------------------------ 36
Figura 6. Vista física de una Pt100 con Termopozo y conector. --------------------------------------------- 37
Figura 7. Componentes de una termorresistencia en encapsulado o termopozo industrial. ---------- 38
Figura 8. Vista física del sensor de nivel por rodillos magnéticos. ref: NBK-M. -------------------------- 39
Figura 9. Vista física de la Válvula Proporcional SAMSON Ref: 3241-7. ---------------------------------- 40
Figura 10. Características Técnicas del vapor después de la válvula de control. ----------------------- 41
Figura 11. Vista física de una electroválvula 2/2 vias, NC. 24VDC.----------------------------------------- 44
Figura 12. Proceso de esterilización por vapor a presión. ----------------------------------------------------- 45
Figura 13. Diagrama P&ID final de tuberías e instrumentos de la Autoclave. ---------------------------- 49
Figura 14. Fases de cada una de las etapas del proceso de esterilización. ------------------------------ 50
Figura 15. Estado de la temperatura y la presión con respecto al tiempo. -------------------------------- 51
Figura 16. Diagrama de bloques fase de operaciones preliminares. --------------------------------------- 52
Figura 17. Diagrama de programación fase de operaciones preliminares. ------------------------------- 53
Figura 18. Diagrama de bloques fase de esterilización. ------------------------------------------------------- 54
Figura 19. Diagrama de programación de la fase de esterilización. ---------------------------------------- 55
Figura 20. Diagrama de bloques fase de enfriamiento. -------------------------------------------------------- 56
Figura 21. Diagrama de programación de fase de enfriamiento. -------------------------------------------- 57
Figura 22. Diagrama de bloques de la caldera. ------------------------------------------------------------------ 58
Figura 23. Diagrama de programación de la caldera. ---------------------------------------------------------- 59
Figura 24. Control PID. ------------------------------------------------------------------------------------------------- 60
Figura 25. Función del controlador PID sobre el lazo de temperatura.------------------------------------- 62
Figura 26. Esquema del supervisorio de la autoclave. --------------------------------------------------------- 63
Figura 27. Supervisorio de la caldera. ------------------------------------------------------------------------------ 65
Figura 28. Validación de la ventana de tendencias del proceso. -------------------------------------------- 66
Figura 29. Validación de la ventana de alarmas de la autoclave. ------------------------------------------- 67
Figura 30. Zonas de alarma para el nivel de agua. ------------------------------------------------------------- 68
Figura 31. Zonas de alarma para el nivel de agua. ------------------------------------------------------------- 69
Figura 32. Zonas de alarma para el nivel de presión. ---------------------------------------------------------- 70
Figura 33. Validación de la base de datos en Microsoft Acces. ---------------------------------------------- 71
Figura 34. Diagrama físico del PLC Allen Bradley. -------------------------------------------------------------- 72
Figura 35. Diagrama físico interno del PLC Allen Bradley. ---------------------------------------------------- 73
Figura 36. Topología de Interconexión entre dos PLC´S Caldera y Autoclave. -------------------------- 78
Figura 37. Esquema de diseño dispositivo electrónico transmisor. ----------------------------------------- 79
Figura 38. Sensor de temperatura y humedad SHT75. -------------------------------------------------------- 80
Figura 39. Plano electrónico del microcontrolador en 2D. ----------------------------------------------------- 82
Figura 40. Diseño del microcontrolador en 3D. ------------------------------------------------------------------ 82
Figura 41. Grafico consumo de voltaje versus duración de la batería. ------------------------------------- 84
Figura 42. Batería de litio para funcionamiento del microcontrolador.-------------------------------------- 85
Figura 43. XBEE tarjeta inalámbrica. ------------------------------------------------------------------------------- 86
Figura 44. Esquema diseño dispositivo receptor, aplicación 1. ---------------------------------------------- 87
Figura 45. Aplicación 1. ------------------------------------------------------------------------------------------------ 87
Figura 46. Esquema diseño dispositivo receptor, aplicación 2. ---------------------------------------------- 88
Figura 47. Aplicación 2. ------------------------------------------------------------------------------------------------ 89
Figura 48. Microcontrolador Arduino UNO con tarjeta XBEE acoplada. ----------------------------------- 90
Figura 49. Interfaz gráfica en Labview. ----------------------------------------------------------------------------- 91
Figura 50. Pantalla uLCD 32 PTU. ---------------------------------------------------------------------------------- 92
Figura 51. Interfaz gráfica. Parte 1: pantalla de bienvenida. -------------------------------------------------- 93
Figura 52. Interfaz gráfica. Parte 2: pantalla de temperatura. ------------------------------------------------ 93
Figura 53. Interfaz gráfica. Parte 3: pantalla humedad relativa. --------------------------------------------- 93
Figura 54. Interfaz gráfica. Parte 4: pantalla de cierre. --------------------------------------------------------- 94
Figura 55. Programación de la interfaz gráfica en Labview. ------------------------------------------------- 96
Figura 56. Geometría de la carcasa en 3D, secciones, y huecos. ------------------------------------------ 99
Figura 57. Cargas y restricciones---------------------------------------------------------------------------------- 100
Figura 58. Resultado del análisis de desplazamiento. ------------------------------------------------------- 102
Figura 59. Resultado del análisis de Von Mises --------------------------------------------------------------- 102
Figura 60. Resultado del análisis térmico ----------------------------------------------------------------------- 103
Figura 61. Pintura térmica sobre superficies a) turbina, b) tubería inoxidable, c) interior de cuarto
frio. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 104
Figura 62. Pruebas de acoplamiento. ---------------------------------------------------------------------------- 132
Figura 63 a. Pruebas de acoplamiento. -------------------------------------------------------------------------- 132
Figura 64. Diagrama de flujo representación gráfica de la programación de uControlador1. ------ 133
Figura 65. Diagrama de flujo representación y explicación del código del uControlador 2. --------- 135
Listado de tablas
Tabla 1. Instrumentación, accesorios de control y controladores actuales de la autoclave. ______ 28
Tabla 2. Identificación de instrumentos, tags y elementos finales de control del P&ID. _________ 48
Tabla 3. Alarmas de la variable análoga nivel de agua __________________________________ 68
Tabla 4. Alarmas de la variable análoga de temperatura. ________________________________ 68
Tabla 5. Alarmas de la variable análoga de presión. ____________________________________ 69
Tabla 6. Características generales para los requerimientos del PLC. _______________________ 74
Tabla 7. Componentes y los consumos del circuito transmisor. ___________________________ 83
Tabla 8. Ficha técnica del Dispositivo electrónico. _____________________________________ 85
Tabla 9. Resumen de la geometría. _________________________________________________ 99
Tabla 10. Propiedades del material ________________________________________________ 100
Tabla 11. Resumen de la carga. __________________________________________________ 101
Tabla 12. Resumen de la simulación. ______________________________________________ 101
Tabla 13. Toma de datos del dispositivo inalámbrico __________________________________ 106
Tabla 14. Ficha técnica acerca de la carcasa en aluminio pintada. _______________________ 106
Tabla 15. COMPONENTES DE LA AUTOCLAVE. ____________________________________ 119
Tabla 16. COMPONENTES DEL DISPOSITIVO ELECTRÓNICO. ________________________ 126
RESUMEN
En el presente documento se plasma el diseño de la automatización de una
autoclave utilizada en la Planta Piloto de Operaciones Unitarias del programa de
Ingeniería de alimentos en la Universidad de La Salle, en el cual se realizaron los
planos de alimentación, control e instrumentación. Una interfaz gráfica amigable de
acuerdo a la norma ISO 9241 e ISA-SP5 para que el usuario final pueda llevar a
cabo el proceso de esterilización antes, durante y al final del mismo. La
programación del PLC se llevó a cabo de acuerdo a la norma IEC61131-3 la cual
ayudó a organizar por bloques de función el control de la temperatura, nivel, y
presión dentro de la Autoclave minimizando en un 40% el tiempo de esterilización.
También se llevó a cabo la selección de los instrumentos de censado y actuadores
finales para la automatización de la Autoclave llegando hasta la cotización con los
proveedores. De igual manera, contiene el diseño de un prototipo que es
inalámbrico para medir la temperatura interna de los productos a esterilizar, con el
cual se obtuvo los datos de temperatura y humedad relativa de forma inalámbrica
con un alcance máximo de 2 metros con respecto a la Autoclave, soporta
temperaturas mayores a 120°C debido al material de la carcasa que está hecho en
teflón. Al mismo tiempo el grabado de los datos de manera autónoma para que
después de realizado el proceso de esterilización permita al usuario recogerlos y
realizar su posterior análisis. Para la realización de ambas propuestas se tomaron
en cuenta las normas técnicas de diseño, los materiales más apropiados para el
funcionamiento y pruebas teóricas que permitirán su implementación total en el
futuro.
Palabras clave: autoclave, esterilización, automatización, sensor térmico, enlatado
y envasado.
ABSTRACT
In this paper the design automation of an autoclave used in the Pilot Unit Operations
of Food Engineering program at the University of La Salle, in which power planes,
control and instrumentation were performed Plant is plasma. A friendly graphical
interface according to ISO 9241 and ISA-SP5 standard for the end user to carry out
the sterilization process before, during and at the end. PLC programming was carried
out according to the IEC61131-3 standard which helped organize by function blocks
control temperature, level, and pressure inside the Autoclave minimizing 40%
sterilization time. Selection of instruments and final census for automation of
reaching Autoclave suppliers quote actuators. Similarly, contains the design and
implementation of a wireless device to measure the internal temperature of the
product to be sterilized, whereby the data of temperature and relative humidity
wirelessly was obtained with a maximum range of 3 meters from the Autoclave
supports temperatures over 120 °C due to the material of the housing is made of
Teflon. At the same time the recorded data to autonomously perform after the
sterilization process allows the user to pick and their subsequent analysis. For the
realization of the two proposals were considered technical design standards, the
most appropriate materials for the operation and theoretical evidence to allow full
implementation in the future.
Key words: autoclave, sterilization, automation, thermal sensor, canned and
packing.
1. INTRODUCCIÓN
En éste documento se consolida el diseño de la Automatización de un proceso de
esterilización con calor húmedo, en el cual, el objetivo es garantizar una temperatura
uniforme al interior de una autoclave y la de los productos sometidos en la misma.
Así mismo, se plantea el diseño e implementación de un dispositivo electrónico
inalámbrico para medir la temperatura y la humedad relativa en el interior de los
productos a esterilizar ya sea en envase de vidrio o de lata. El proyecto se planteó
como un proceso de innovación y desarrollo tecnológico, específicamente, en el
área de mejoramiento de un equipo, que para este caso es la Autoclave.
En el primer capítulo el lector va a encontrar información acerca de trabajos
relacionados en el área de la industria alimenticia y sus aportes tecnológicos para
mejores resultados con respecto a la esterilización de productos de consumo
humano, además de conceptos importantes que se deben tener en cuenta para el
cumplimiento de los objetivos del proyecto, y la metodología que se abordó en el
desarrollo del mismo.
En el segundo capítulo, el lector va a encontrar una de las razones más importantes
para automatizar la Autoclave, la cual radica en garantizar que, independientemente
del producto que se necesite esterilizar, el equipo no solo brinda seguridad, tanto
para los operarios, como para la autoclave misma en el momento de realizar el
proceso, sino que lo hace de forma autónoma, teniendo en cuenta el producto que
se va a esterilizar y así realizar el proceso de forma estandarizada de acuerdo a la
norma de programación de PLC´s IEC61131-3, en menor tiempo y con menos
consumo de energía suministrada por la caldera. El diseño de la Automatización se
logra entregando cálculos en la selección de materiales, cotizaciones de los
proveedores, planos de conexión de los equipos, programación del PLC
seleccionado, y diseño de la interfaz gráfica del usuario final. Una de las mayores
posibilidades de desarrollo del proyecto fue debido a que el proceso se realiza de
forma manual siguiendo una secuencia de pasos ya preestablecidos, siendo esta
forma de trabajo la justificación de la automatización en la Autoclave, por esto se
procede a generar soluciones de cambio para el control de variables de
temperatura, nivel y presión.
Para la automatización de la autoclave se diseñó una interfaz hombre-máquina
(HMI), programada para permitir el control de la temperatura, paso de vapor de agua
como entrada del autoclave y el tiempo de exposición del proceso de esterilización,
permitiendo la supervisión y visualización de las condiciones del producto tratado a
través de una interfaz gráfica y de acceso remoto, recibiendo información de
tendencias, alarmas de estado del equipo y por ultimo almacenar la información en
una base de datos.
Este documento se convertirá en una guía de consulta, concisa y de fácil
interpretación tanto para el estudiante, como para el laboratorista, y el docente a
cargo, en el cual, va a encontrar en el tercer capítulo todo lo relacionado con el
desarrollo del dispositivo electrónico y las varias ventajas que ofrece para que el
usuario pueda saber a qué temperatura se encuentra el producto que se está
esterilizando en la autoclave, como por ejemplo: envió de datos en tiempo real a la
computadora o la tarjeta Arduino receptora de forma inalámbrica, selección y
acondicionamiento de los componentes electrónicos para la tarjeta de censado de
la temperatura, la forma de visualización de los datos obtenidos a través de una
interfaz gráfica en LabView o en la pantalla de 4D Systems Inc, el diseño de la
carcasa de protección, el material seleccionado para soportar la temperatura de
esterilización manteniendo la inocuidad del producto, y por ultimo poder llegar a
obtener los datos de temperatura y humedad relativa para que puedan ser grabados
en una microSD y posteriormente ser analizados por los estudiantes y el docente.
Finalmente, es necesario señalar que este proyecto constituye el proceso final para
obtener el título de Ingeniero en Diseño y Automatización Electrónica. En el
documento queda plasmada la forma como se combinan los conocimientos
adquiridos durante la formación, las habilidades desarrolladas por medio de la
enseñanza en el programa y la práctica, así como la capacidad de innovación y de
solución de problemas, necesarias para atender necesidades específicas.
1.1. Antecedentes de proyectos relacionados.
El proyecto fue planteado a través de una revisión teórica que recabó información
sobre los antecedentes pertinentes a las tesis desarrolladas en la Universidad de la
Salle. En 1999, Ochoa Mantilla y Niño Caicedo adelantaron un estudio sobre la
supervisión y el control del proceso de pasteurización de la cerveza:
En el desarrollo del proyecto se hace un estudio del proceso de pasteurización
debido a la eliminación de las bacterias que tiene la cerveza por medio de
chorros de agua caliente y una posterior comparación con los modernos
sistemas implantados en las diversas pasteurizadoras de esta cervecería en
cuanto a la teoría de control, en la actual tecnología computacional, en el
lenguaje de programación de mediano y alto nivel, en teorías de control por
computador, en sistemas actuales de supervisión, en las tendencias de control
encontradas en esta cervecería y en las necesidades operativas, funcionales,
económicas. (Ochoa Mantilla y Niño Caicedo, 1999)
El proceso de automatización se aplicó con el fin de que se pudieran reducir los
costos en el proceso de esterilización y se mantuviese un estándar de calidad en el
envase de la cerveza, lo cual garantiza no solo la pasteurización que elimina a los
agentes patógenos, sino que también da el sabor característico al producto. La
aplicación de un proceso de automatización permite controlar el proceso de manera
remota, lo cual repercute en ahorro de tiempo y de dinero.
Por su parte, Garzón Gómez y Duarte Quijano (2004) establecieron un estudio para
crear un sistema capaz de controlar las variables que entran en juego durante el
proceso de pasteurización de la leche. Los autores abordan el proceso de
adquisición de todas las variables que influyen el proceso de pasterización de la
leche; para ello buscaron la mejor forma en la topología de la red, manejo de las
señales y visualización de los datos. En el momento de pasteurizar la leche se
deben tener en cuenta el tiempo y la temperatura debido a que se puede llegar a
perder su valor nutricional, y sus características fisicoquímicas u organolépticas.
Los autores rescatan de su proyecto la capacidad que tienen los microcontroladores
para “desarrollar infinidad de proyectos, puesto que sus ventajas son
incomparables, costo, manejo, modularidad, versatilidad, todo depende de la
agilidad del diseñador para encontrar o crear algoritmos óptimos para los diferentes
sistemas que se vayan a realizar” (Garzón Gómez y Duarte Quijano, p. 127). Se
rescata que el proceso adelantado permite proyectar mejores decisiones desde la
gerencia, pues se tiene un mejor control de los recursos que garantiza la calidad y
la eficiencia. Con respecto al anterior proyecto, este plantea una visión en tiempo
real de las variables, lo que garantiza un eficiente aprovechamiento de los recursos.
En cuanto a los procesos de automatización, es importante señalar el trabajo
adelantado por Gómez Bustamante, quien diseñó un sistema automático de control
y monitoreo de temperatura en el proceso de secado del arroz. Sobre dicho sistema,
el autor señala que:
El sistema permite el uso del proceso de secado durante condiciones adversas
o difíciles. Esto permite el secado del grano durante épocas de lluvia o incluso
plena noche sin que la humedad exterior influya en las condiciones de
operación del proceso. Esto repercute en mayor capacidad productiva de las
plantas de secado y mayor capacidad de empleo para horas extra de trabajo
por parte de los operarios o nuevo personal. (Gómez Bustamante, 2005, p. 84)
Se resalta que el diseño elaborado favorece la tecnificación de los procesos de la
agricultura, debido a sus bajos costos y a la efectividad de su funcionamiento. El
ahorro de capital se ve reflejado no solo en la reducción de los tiempos de
procesamiento, sino que también por el aprovechamiento total del arroz, pues se
reducen los índices de pérdida del producto.
En el 2005, Barrios Bermúdez y Machado Buritica diseñaron un sistema de control
semiatuomático en una marmita para la cocción de maíz. El proyecto tuvo en cuenta
los siguientes elementos:
Se lleva a cabo el diseño e implementación de un sistema de control el proceso
de cocción del maíz a temperaturas cercanas a los 100°C generando
presiones de 1 psi y el agua a 5 psi logrando estandarizar el proceso de
cocción del maíz controlando el tiempo, agua y temperatura del proceso esto
significa que la textura del producto terminado tiene una mejor calidad y sabor.
También se reduce la merma y se tiene mayor cantidad de masa para las
empanadas, estos procesos puede llevar implementados en su producción
sistemas SCADA para estandarizar todo el sistema y obtener mayores
beneficios del mismo. (Barrios Bermúdez y Machado Buritica, 2005)
Al igual que en el proceso anterior, se evidenció que la pérdida del insumo se redujo
al mejorarse el control de las variables de tiempo y temperatura involucradas en el
proceso. De igual manera estas variables pudieron optimizarse, lo que implicó una
notoria reducción en los tiempos de procesamiento. La aplicación del sistema
SCADA se estableció como una herramienta capaz de hacer más eficiente el
proceso total de la marmita.
Para el monitoreo en tiempo real de temperatura y humedad bajo invernadero,
Rodríguez Ramírez planteó un sistema inalámbrico, sobre el cual se resalta lo
siguiente:
El diseño de un sistema basado en tecnología inalámbrica, para efectuar la
medición, registro, y transmisión de datos en tiempo real, sobre el
comportamiento de la temperatura y humedad relativa en un invernadero, para
ser aplicado en análisis de grados-día y el monitoreo para el manejo
climatológico óptimo en un cultivo de flores. El diseño consiste en una red de
dispositivos de medición, operados con baterías y por medio de
microcontroladores, localizados en cada área productiva del cultivo, que
entregan los datos de las mediciones vía radiofrecuencia a una computadora
central de administración por software, aprovechando las ventajas que ofrece
el nuevo estándar de transmisión inalámbrica IEEE 802.15.4, en cuanto a bajo
costo y consumo de energía, así como facilidad de implementación y gran
número de nodos. (Rodríguez Ramírez, 2006)
El diseño propuesto por Rodríguez garantiza que la transmisión de la información
de manera inalámbrica pueda ser utilizada en tiempo real para adecuar los procesos
en los cuales es tomada en consideración. El autor resalta la capacidad que tienen
los microprocesadores para fortalecer los procesos, ya que garantiza que tienen un
bajo consumo de energía. Por último, Rodríguez resalta la importancia que tiene el
almacenamiento de datos y disponer de un software que permita administrarlos, ya
que esto garantiza una interacción real hombre-máquina.
Finalmente, es importante resaltar el trabajo de Rangel (2008), adelantado en
Caracas, Venezuela. Su trabajo planteó la automatización de esterilizadores para
productos alimenticios enlatados y, sin duda, constituye uno de los antecedentes
más importantes del presente proyecto. Rangel propone un enfoque al tipo de
control industrial que se puede utilizar para llevar a cabo el proceso de esterilización
de productos enlatados, la manera en que se definen cada una de las variables y
su manipulación dentro del mismo. Este proyecto es la muestra real de la solución
en proceso en el sector alimenticio a nivel industrial.
En el área de dispositivos como los sensores de temperatura inalámbricos, es
preciso resaltar el trabajo de Ulises Bigliati (2007), quien elaboró un sensor de
temperatura empleando los módulos Digi Connect WiME, el Software Digi RealPort
y los sensores digitales de temperatura de la familia Thermochron de la línea
iButtons de Dallas. El dispositivo transmite inalámbricamente la información a un
sistema de lectura de información creado también por Dallas. El conjunto del
dispositivo permite medir la temperatura de manera remota y controlarla a través de
una interfaz gráfica en un computador.
1.2. Planteamiento del problema
En la actualidad las prácticas de esterilización con calor húmedo de la Planta Piloto
de Operaciones Unitarias del programa de Ingeniería de Alimentos de la
Universidad de La Salle, se realizan en una autoclave vertical, en la cual se realizan
pruebas sin tener un control preciso del proceso. Tampoco se cuenta con un
monitoreo de las variables de temperatura en función del tiempo, en el interior del
producto enlatado. Debido a que se realizan prácticas de esterilización de diferentes
productos alimenticios, es necesario controlar el tiempo durante el cual estos deben
estar sometidos a una temperatura superior a los 121°C. Es importante recordar
que estos valores de temperatura y tiempo se hacen flexibles dependiendo del
producto enlatado a esterilizar. Someter a esta temperatura los productos se hace
indispensable para obtener una muerte microbiana eficaz, logrando detener la
reproducción de los microorganismos patógenos.
En este sentido, la idea general es entender el funcionamiento de la autoclave, así
como el proceso de esterilización. A partir de allí se establecen las falencias y
necesidades que pueden ser suplidas con la automatización del proceso. También
se propone el diseño del sensor de temperatura y humedad como un dispositivo que
puede complementar el trabajo de la automatización de la autoclave, en tanto que
ofrece un control en tiempo real de las variables que entran en juego en el proceso.
Para establecer un análisis más preciso del proceso de esterilización realizado en
el autoclave es necesario implementar un sistema de control de las variables que
se hacen presentes en dicho proceso; estas variables son la temperatura en el
interior de la autoclave durante el proceso de esterilización, el flujo de vapor
saturado en la entrada del sistema del autoclave, el tiempo durante el cual se realiza
el proceso y el nivel de agua dentro de la misma. A su vez se requiere de un sistema
de visualización que permita monitorear estas variables, mientras se lleva a cabo la
esterilización.
Conociendo la cinética de los diferentes microorganismos presentes en los
productos alimenticios, se puede formular el tiempo exacto al cual debe ser
sometido un producto para garantizar la muerte microbiana; en la esterilización con
calor húmedo el tiempo al cual se debe exponer los microrganismos a un agente
letal, en este caso, el calor varía en función del tipo de producto.
1.3. Marco conceptual
Autoclave: Es un dispositivo empleado para la esterilización de material de
laboratorio, el cual utiliza vapor de agua a alta presión y temperatura con el propósito
de coagular las proteínas de los microorganismos. Al tener como entrada una alta
presión se logra elevar la temperatura del agua sin que esta llegue a su estado de
ebullición. (Gutiérrez de Gamboa, 2001)
Esterilizar: Es el proceso mediante el cual se garantiza la destrucción de toda
población microbiana patógena, para la conservación de los alimentos. (Cañestro,
2007)
Microcontrolador: Circuito integrado o chip que puede ser programable, a fin de
que ejecute tareas previamente definidas. Un microcontrolador tiene tres
componentes básicos: CPU (Unidad Central de Proceso), que controla y ejecuta las
instrucciones programadas; memorias, las cuales garantizan la disponibilidad de las
instrucciones y la información necesaria para las operaciones programadas; patillas
de E/S (entrada/salida), las cuales garantizan la comunicación del microcontrolador
con el exterior.
Proceso de esterilización: Consiste en destruir los organismos vivos que se
encuentran en los alimentos, mediante la exposición a las temperaturas adecuadas
y así poder conservarles durante largos periodos, algunos hasta meses. (Sharma,
2003)
SCADA (Control Supervisor y Adquisición de Datos, por sus siglas en inglés):
Programa donde se encuentran los componentes de software que realizan las
tareas necesarias para monitoreo y control de procesos desde un centro de
cómputo. Dichos procesos pueden ser de distinta índole, pero comparten
características comunes en estado transitorio, como lo son: la recolección de
información desde diversos dispositivos, la toma de decisión de acuerdo a algún
algoritmo de control y la asignación de órdenes a elementos con capacidad de
ejecutar una acción. El software de un SCADA le proporciona a los usuarios un
conjunto de herramientas informáticas con las cuales se pueda diseñar, desarrollar,
implementar y mantener sistemas para la supervisión, control y adquisición de
datos, permitiendo de esta manera automatizar procesos industriales, integrar los
distintos niveles de información, además de brindar la posibilidad de crear interfaces
gráficas entre los operadores y las máquinas (Piña, 2006).
Termocupla o termopar: Par de conductores de materiales distintos unidos entre
sí que generan una fuerza electromotriz cuando las dos uniones están a distintas
temperaturas (Creus Solé, 2011).
Norma técnica IEC61131-3: Es la base real para estandarizar los lenguajes de
programación en la automatización industrial, haciendo el trabajo de manera
independiente. Incluye las especificaciones de la sintaxis y semántica de un
lenguaje de programación, incluyendo el modelo del software y la estructura del
lenguaje. A través de bloques funcionales que son un conjunto de instrucciones,
declaración de datos y variables las cuales hacen que en su conjunto sean capaces
de intercambiar datos. (John & Tiegelkamp, 2010).
Válvulas de alivio de presión (también llamadas válvulas de seguridad o
válvulas de alivio): Están diseñadas para liberar un fluido cuando la presión interna
de un sistema supera el límite establecido –presión de tarado–. Su misión es evitar
una explosión, en el momento de un fallo en un equipo o tubería por un exceso de
presión. Existen también las válvulas de alivio que liberan el fluido cuando
la temperatura supera un límite establecido. Estas válvulas son llamadas válvulas
de alivio de presión y temperatura. (Creus Solé, 2011)
XBEE Tarjeta inalámbrica: Dispositivo de emisión y recepción de señales de
radiofrecuencia que permiten transmitir información a un computador a través de un
puerto de conexión USB. (Rodriguez Ramírez, 2006)
1.4. Metodología
Para el desarrollo de este proyecto se planteó la siguiente metodología:
Figura 1. Metodología general para desarrollo del proyecto.
DISEÑO DE UN SISTEMA AUTOMÁTICO PARA EL CONTROL
Y SUPERVISIÓN DE UNA AUTOCLAVE
Diseño de la
Automatización de
la Autoclave
Diseño del
Dispositivo
electronico
Automatización, y
monitoreo de variables
Para cumplir con los propósitos planteados, se elaboró el diseño de automatización
de la autoclave usada en la Planta de Operaciones. Posteriormente se diseñó el
dispositivo electrónico para medir la temperatura y la humedad de forma remota. La
última etapa del proceso constituyó la evaluación de la integración de estas dos
soluciones.
El proceso de automatización de la autoclave de la Planta Piloto de Operaciones
Unitarias se adelantó siguiendo la siguiente metodología:
Figura 2. Metodología para la automatización de la autoclave.
Selección y acondicionamiento de un
sensor inalámbrico de temperatura.
Selección del microcontrolador
Selección de instrumentos de
monitoreo o visualización del proceso.
Diseño de una plataforma que permita la
comunicación de los datos obtenidos,
transmisión de los mismos en forma remota.
DISEÑO DEL DISPOSITIVO ELECTRÓNICO
Diagnóstico y levantamiento de
información de la autoclave de acuerdo a
las necesidades del usuario final
Generar un archivo .txt para
Grabar los datos de temperatura y
humedad
Programación, arduino , del
micro, de la uLCD 32 PTU.
Como se ha indicado con anterioridad, el diseño de la automatización de la
autoclave se hizo a la par que el diseño de un dispositivo electrónico capaz de medir,
de manera inalámbrica, las variables de temperatura y humedad relativa. Este
dispositivo puede tener diversas aplicaciones y, dado el contexto del proyecto
planteado, este dispositivo podría ser asociado con el funcionamiento automatizado
de la autoclave. El diseño de este dispositivo se hizo teniendo en cuenta las
siguientes etapas:
Figura 3. Metodología para el diseño del dispositivo electrónico inalámbrico.
Selección y acondicionamiento de
un sensor inalámbrico de
temperatura.
Selección del microcontrolador
Selección de instrumentos de
monitoreo o visualización del proceso.
Diseño de una plataforma que permita la
comunicación de los datos obtenidos,
transmisión de los mismos en forma
remota.
DISEÑO DEL DISPOSITIVO ELECTRÓNICO
Recopilación y levantamiento de
información de la autoclave de
acuerdo a las necesidades del usuario
final
Generar un archivo .txt para
Grabar los datos de temperatura y
humedad
Programación, arduino , del
micro, de la uLCD 32 PTU.
2. AUTOMATIZACIÓN DE LA AUTOCLAVE
2.1. Diagnóstico y levantamiento de información.
La labor de diseñar un sistema para la automatización de la autoclave tuvo como
primera tarea la revisión del funcionamiento de la misma, tal como se encuentra en
la Planta. Esto implicó, en un primer momento, recibir una capacitación en su
funcionamiento, por parte de las personas encargadas de sus procesos. Con esta
capacitación se obtuvo un primer manual técnico de la autoclave que permitió
conocer el proceso que necesitaba de un diseño para automatizar su
funcionamiento. En esta etapa del proceso se tomó una serie de fotografías que
componen el anexo 1 del presente documento, además de la tabla 1.
El resultado del diagnóstico permitió establecer la instrumentación, los accesorios y
los elementos de control que en este momento tiene la Autoclave, y de las partes
del proceso que deben cambiar en el momento de la automatización. Parte del
diagnóstico se muestra en la tabla 1. Con base en el estado actual de la autoclave,
se diseñó la figura 4 que es el P&ID con el que está trabajando en la actualidad del
equipo. Además se describe claramente que partes de la Autoclave están
funcionando, de que materiales están compuestos, en que cantidades están los
instrumentos. De esta información se concluyó que se debe unificar las dimensiones
de la tubería en acero inoxidable para tener una presión igual en todo el sistema,
existen válvulas que además de estar corroídas por el óxido, redundan los
instrumentos y su funcionamiento, y el agua que se está utilizando y el vapor no
están siendo reutilizados para ahorra energía lo cual se resuelve llevando a
condensados.
Tabla 1. Instrumentación, accesorios de control y controladores actuales de la autoclave.
DESCRIPCIÓN NOMBRE CANTIDAD FUNCIÓN
ESTADO
ACTUAL
CARACTERÍSTICAS VARIABLE
¿CÓMO SE
OPERA?
IMAGEN
Tubería de acero
inoxidable de
__ __
Se
encuentra
instalada
en la fase
inicial del
proceso,
para des-
cargar el
flujo de aire
a la
autoclave.
Excelente
Tipo: ¼”
Material: Acero
Inoxidable
Ninguna _______
__ __
Se
encuentra
instalado
en la
mayoría
del proceso
para la
unión de
subproceso
s.
Muy bueno
Tipo: ½”
Material: Acero
__ __
Se
encuentra
instalada al
comienzo
de la
autoclave y
al final para
la descarga
de agua.
Muy bueno
Tipo: 1” Material:
Acero
Manómetro MP1 1
Presión
flujo de
entrada de
vapor
Bueno
Marca: FTB
Rango: 0 – 13.8 Bar
0 – 200 Psi
Conexión: 1/2"
Unión Tc 204 de
¼-150
1
Se encarga
de
direccionar
el flujo, en
varias
uniones.
Excelente
Tipo: Tc 204 ¼-150
Material: Acero
Inoxidable
Ninguna
Flujo dos
direcciones
Codos
4
Se encarga
de unir dos
longitudes
de tubo a
90° en
dirección
del vapor,
agua y
aire.
Excelente
Tipo:¼” 304 Material:
Acero Inoxidable
Ninguna _______
Unión universal
__ 3
Se encarga
de unir dos
tubos del
mismo tipo
en la
misma
dirección.
Muy bueno Tipo: ¼”
Ninguno _______
__ 3
Se encarga
de unir dos
tubos del
mismo tipo
en la
misma
dirección.
Bueno Tipo: ½”
Válvula de bola __ 1
Se encarga
de dejar el
paso de
aire tanto
en la
entrada
superior
como
inferior de
la auto-
clave.
Aceptable
Tipo: ¼” – ¼”
Marca:GRINACA ITALY
Caudal
Se abre
mediante el
giro del eje
unido a la
esfera o bola
perfora-da, de
tal forma que
permite el
paso del
fluido cuan-do
está alineada
--- 2
Se
encuentran
instalados
en la fase
final del
proceso
para des-
carga de
agua o
vapor.
Aceptable
Tipo: ½” - ½”
Marca:HELBERT
la perforación
con la
entrada y la
salida de la
válvula.
V1, V2,
V3, V4,
V5, V6,
V7, V8,
V9, V10,
V11, V12,
V13, V14
14
Se
encuentran
instalados
en el
proceso de
entrada
como
conexión
de tipo
bypass.
Aceptable
Tipo: ⅜” - ½”
Marca:GRINACA ITALY
Reductor macho
y hembra
__ 2
Se encarga
de unir dos
tubos del
mismo tipo
en la
misma
dirección.
Excelente
Tipo: ¼” - ¼” Material:
Acero Inoxidable
Ninguna _______
__ 2
Se encarga
de unir dos
tubos del
mismo tipo
en la
misma
dirección.
Bueno
Tipo: ¾” - ¾” Material:
Acero
Valvula Check __ 2
Las
válvulas
Check o
Válvulas de
retención
son
utilizadas
Muy bueno
Tipo:1/2” – 1/2”
Material: Bronce
Ninguna _______
para
impedir el
regreso de
un fluido
dentro de
un pro-
ceso.
Válvula
estranguladora
__ 1
Válvula
cuya
reducción
de caudal
solo actúa
en un
sentido del
flujo,
dejado libre
el paso del
aire en
sentido
contrario.
Muy bueno
Tipo: 1/2” – 1/2”
Material: Bronce-latón
Caudal _______
*
Figura 4. Diagrama P&ID del estado actual de la autoclave.
autoclave
P
Manometro de caratula
V-16
V-17
ENTRADA VAPOR
V-18
V-19
P-35
P-36
P-35
P-37
P-38
V-20
V-21
P-34
F_01
V-22
V-23
V_antiretorno
F_02
ENTRADA DE AIRE
V_antiretorno
P-43
Aire superior
V-24
P-45
P-46
P-47
P-48
Int_ Aire inferior
P-40
V-25
V-26 V-27 V-28
P-51
ENTRADA DE AGUA
P-545 P-54
Entrada agua superior
P-57Int_Agua inferior
DRENAJE
P-59
Controlador
T
PT-.100
P-60 P-62
S-26
T
PT-100
INDICADOR
P-63S-27
REBOSADERO
V-30
P-64
P-65
VENTEO
P-67
N
MIRILLA DE NIVEL DE AGUA
S-30
Estado actual de la autoclave
.
33
2.1.2. Requerimientos del programa para la Automatización de la
Autoclave.
Al acercarse a las personas encargadas del funcionamiento de la autoclave, se
evidenciaron los siguientes requerimientos:
- Capacidad de acceder, a través de una llave, al tablero de control de la
autoclave.
- Capacidad de seleccionar el set point de temperatura y el tiempo de
esterilización, digitados por el usuario final, a fin de cumplir con las “recetas”
de esterilización que pueden procesarse en la autoclave.
- Diseño de una interfaz gráfica que permita visualizar los datos del proceso y
tener un control más eficiente de los mismos.
- Acceso, en tiempo real, a los parámetros de temperatura, flujo del agua y
presión para identificar la etapa en que se encuentra el proceso y poder
corregir los datos en caso de que sea necesario.
Con base en los elementos identificados, se procedió a realizar el diseño de la
automatización. Para ello, se continuó con los siguientes pasos.
2.2. Selección de equipos, instrumentos y sensores
La selección de marca y modelo de los equipos, instrumentos y sensores están en
el listado anexo 2 y correrán bajo la responsabilidad de la universidad para que
disponga del presupuesto idóneo y su posterior compra. En cuanto a la calidad y el
funcionamiento adecuado en su tarea específica, resulta necesario explicar
detalladamente la función de los equipos, instrumentos y sensores exigidos para la
34
automatización, para posteriormente recibir de los proveedores las especificaciones
de los equipos, instrumentos y sensores que serán acoplados con el sistema de
control. Los equipos, instrumentos y sensores requeridos para la automatización de
una máquina esterilizadora, en concordancia con las peticiones adicionales, son las
siguientes:
- Válvula variable: para el control regulatorio del suministro de vapor. De tipo
variable debido a que se desea controlar de manera precisa la temperatura
del sistema durante la esterilización, a través de un control Proporcional
Integral Derivativo (PID). El vapor es la fuente de energía que suministra calor
al sistema, por lo tanto, solo con la regulación del mismo es posible controlar
la temperatura y la inercia térmica dentro de la cámara de la autoclave.
- Válvulas ON/OFF: en total, tres (3). Una para el control de la entrada de aire,
una para el control del drenaje y una para el control de la entrada de agua.
- Sensor de temperatura: para el control y visualización de este parámetro.
- Sensor de presión: para el control y visualización de este parámetro. El error
de lectura de este sensor depende exclusivamente de los parámetros
exigidos por las características físicas de la autoclave.
- Dos luces piloto: para la indicación visual de la autoclave.
- Tres interruptores: uno de tipo hongo para el paro de emergencia, un
selector con llave para evitar que cualquier persona active o desactive el
proceso de esterilización y un selector de encendido y apagado del tablero.
35
2.2.1. Instrumentación básica de la autoclave
La Instrumentación es el grupo de elementos que sirven para medir, controlar o
registrar variables de un proceso con el fin de optimizar los recursos utilizados en
este. En otras palabras, es la ventana a la realidad de lo que está sucediendo en el
proceso, que se pueda medir lo que sucede y determinar si el mismo va encaminado
hacia donde se desea, para luego tomar acciones de control programadas en el
PLC que actúen sobre los parámetros del sistema; con ello, se podrán obtener los
resultados operativos deseados. La instrumentación es una de las claves para que
la automatización sea posible.
A continuación se presenta el tipo de instrumentación y señales que posee una
autoclave, necesarias para su automatización. El diseño, instalación y selección
dependerán de los parámetros del sistema y del diseño de esta.
- Transductor de presión: el transductor es un dispositivo o elemento que
convierte una señal de entrada en una de salida pero de diferente naturaleza
física. Normalmente se desean transformar señales de las variables físicas
que se requieren medir, en magnitudes eléctricas manejadas en el control y
automatización. En la Figura 4 se muestra un transductor de presión,
dispositivo por medio del cual puede transformarse la variable presión de un
sistema en una magnitud eléctrica. En el proceso de esterilización uno de los
parámetros a controlar del sistema es la presión, por lo tanto el transductor
de presión podrá realizar la conversión entre presión física y una señal
eléctrica. La tensión es usual en los sistemas de control y su rango de
operación es de 0 a 10V. Otra señal también muy habitual es la de corriente
de campo (4 a 20 mA), la cual permite ser trasmitida por cable trenzado a
36
distancia; esta transmisión en corriente proporciona una notoria inmunidad al
ruido, ya que la información no es afectada por caídas de tensión impulsos
parásitos, resistencias o voltajes inducidos por contaminación
electromagnética, etc. Para el proyecto se necesita controlar una presión no
mayor a los 25 psi como punto máximo dentro del equipo.
Figura 5. Transductor de presión de psi a corriente.
Fuente: Danfoss (2009).
- Sensor de temperatura: por lo general los controladores pueden recibir
directamente la señal del sensor de temperatura; estos, en el ambiente
industrial, se caracterizan por tener ciertos parámetros definidos para
estandarizar la medición de esta variable física. Dentro de estos estándares
se encuentran los sensores de tipo Termocupla y los de tipo termopar. De no
existir entradas de tipo temperatura en el controlador existe la posibilidad de
utilizar un transductor como en el caso de la presión. En el proceso de
37
esterilización la señal de temperatura es crítica dentro del proceso, por lo
tanto es importante una buena selección del sensor de temperatura
adecuado a los requerimientos del proceso. Para el equipo de la planta de
operaciones unitarias se encuentra entre los 18 °C y los 130 °C.
Figura 6. Vista física de una Pt100 con Termopozo y conector.
- Termorresistencia PT100: las termorresistencias utilizadas en el ambiente
industrial son por lo general de tipo “PTC”, es decir, cuando la temperatura
aumenta, también el valor de su resistencia. Por ejemplo, un sensor de
temperatura de tipo termorresistencia “Pt 100” 50 es un resistor, donde “Pt”
significa platino, 100 significa 100 Ohm a 0°C (138,5 Ohm a 100°C) según
DIN EN IEC 60751. En la Figura 22, se observa una termorresistencia
inmersa en un termopozo industrial. Generalmente una termorresistencia se
utiliza cuando se requiere una precisión alta (hasta los 0,05%), se quiere
evitar todos los problemas eléctricos que pueden ocurrir utilizando
termopares (menos fuentes de errores) y no se requiere tiempos de
respuesta rápidos.
38
Figura 7. Componentes de una termorresistencia en encapsulado o
termopozo industrial.
Fuente: Delgado (2005).
- Nivel de líquido: existen numerosas formas de medir nivel de líquido, en el
caso de un autoclave, su estructura le permite ser considerada como un
tanque, pero con la particularidad de que va a estar lleno de producto sólido,
el cual va a ser enfriado en su debido momento con un líquido refrigerante o
agua fresca. Debido a lo anterior, es de notar que la cantidad de producto a
esterilizar puede variar en tamaño, cantidad, forma o tipo de agrupación.
Adicionalmente la medición de nivel es requerida por el automatismo para
detectar si la autoclave está vacía de agua (por ejemplo, para iniciar un
proceso de esterilización) o si el nivel de la autoclave está lleno (por ejemplo,
para detectar que el líquido refrigerante ha entrado en contacto con todos los
productos). Lo anterior respalda la utilización de un simple medidor de señal
39
ON/OFF de tipo conductivo o resistivo para indicar bajo y alto nivel. Este
sensor puede consistir en uno o varios electrodos y un relé mecánico que es
excitado cuando el líquido moja a dichos electrodos. El líquido debe ser lo
suficientemente conductor como para excitar el circuito electrónico y, de este
modo, el aparato puede discriminar la separación entre el líquido y su vapor,
tal como ocurre en las autoclaves.
Figura 8. Vista física del sensor de nivel por rodillos magnéticos. ref: NBK-M.
Fuente: Kobold (2008).
- Válvulas de control: para el control del proceso es necesario actuar sobre
las diferentes variables del sistema, como los son la presión de aire dentro
del autoclave, el control de temperatura, el enfriamiento con líquido, entre
otras; todas estas acciones son manejadas por el PLC o controlador, el cual
genera una señal de control para hacer efectiva la acción. La señal generada
por el PLC es de “control”. Como su nombre lo indica, no está
necesariamente capacitada para actuar directamente sobre la válvula; de allí
el requerimiento de las características de la misma. De no estar capacitada
40
la señal de control directa del PLC para actuar sobre la válvula, es necesaria
la utilización de actuadores, los cuales tendrán la tarea de manejar la
potencia requerida para el accionamiento de las válvulas.
Figura 9. Vista física de la Válvula Proporcional SAMSON Ref: 3241-7.
Fuente: Samson (2005).
2.2.2 Cálculos para el criterio de selección de la válvula proporcional.
La posición de falla por seguridad en el momento en que exista algún problema,
debe ser completamente cerrada. La base para llegar a la medida de la capacidad
en la válvula es a través de flujo continuo de vapor saturado que proviene de la
caldera.
NOTA: Cabe resaltar que la idea no era cambiar la tubería y el montaje en la planta,
sino poder llegar a dar una mejor eficiencia en el control del proceso de
esterilización, sin embargo de acuerdo a los resultados de los cálculos y los
parámetros de la autoclave es necesario cambiar el diámetro de la tubería de la
41
válvula de control por un diámetro de 2”. Resultado de caracterización de la válvula
en el anexo 2.
Figura 10. Características Técnicas del vapor después de la válvula de
control.
Fuente: (Spirax Sarco Limited, 2013)
Magnitudes características:
Carrera nominal: H100 en la cual la válvula está totalmente abierta de 15mm.
Valor de Kv: se entiende por el caudal Ṽ (flujo) de agua en m³/h a temperatura de
5 a 30°C, que pasa a través de la válvula con una pérdida de presión Δp= p1-p2=1
bar y para una determinada carrera H.
42
Conexión de ½” NPT.
P1= 60 psi ó 4.13 bar y p2=30 psi o 2.06 bar presiones absolutas.
Δp= perdida de presión (presión diferencial).
W= caudal másico en kg/h
Kv= valor Kv en m³/h
m= coeficiente de perdida de presión, adimensional.
Z= 14,2*√𝑝1 ∗ 𝜌1 factor de compresibilidad, adimensional.
𝜌1 = Densidad en la entrada de la válvula (gases y vapor) en kg/m³
Determinación del caudal que fluye por una válvula conocida.
Incógnita: caudal de vapor en kg/h con válvula 100%.
Solución: Formar
𝑃2
𝑃1
= 0.49
Buscar m de acuerdo a la tabla de referencia 1 (samson S. A., 2012)en el
catálogo del fabricante
m= 1.
W= Kvs * m * Z (a)
Fuente: (Samson Company S. A, 2012)
Kvs= 40 m³/h
t= 130.4
p1= 4.13 bar
p2= 2.06 bar
𝑃2
𝑃1
= 0.49
m=1
Z= 35,2
43
W= 40 * 1 * 35.2 = 1408kg/h.
Δp= p1-p2= 4.13 – 2.06= 2.07 bar. Perdida de presión a través de la válvula.
Calculo del Cv para el dimensionamiento de la válvula.
p1 : Presión Primaria (psia)
p2 : Presión Secundaria (psia)
ms : Rango de Flujo del Vapor (lb/h)
Cv : Valor de Cv de la Válvula (Cv (US))
ρ : Densidad del vapor (lb/ft³)
Fγ : Relación de Calores Específicos
xT : Relación de Presiones Diferenciales (=0.72)
Fuente: (TLV Ingeeniering S. A. de C. V., 2014)
𝐶𝑣 =
2816
(0.66 ∗ 2.73√1.60 ∗ 0.72 ∗ 60𝑝𝑠𝑖 ∗ 1.51)
𝐶𝑣 = 27.2
- Accionamiento de válvulas ON/OFF: como su nombre lo indica, estas
válvulas poseen dos estados durante su funcionamiento y un tercer estado
cuando no están siendo accionadas. Los dos primeros estados corresponden
a ON (abierta) u OFF (cerrada). El tercer estado corresponde al estado de la
44
válvula cuando no está siendo energizada, en otras palabras, el estado de
reposo, también llamado “normalmente abierta” o “normalmente cerrada”;
este último estado es de gran importancia para la seguridad del sistema, ya
que de este depende el estado de las válvulas cuando el proceso se
encuentra inactivo y des energizado. El control de estas válvulas puede
realizarse directamente del controlador, si las características eléctricas de
ambos lo permiten, de lo contrario se requiere la utilización de un
intermediario o actuador eléctrico ON/OFF para la alimentación eléctrica o
activación del solenoide encargado de abrir o cerrar la válvula, este
dispositivo puede ser el relé.
Figura 11. Vista física de una electroválvula 2/2 vias, NC. 24VDC.
Fuente: Danfoss (2009).
2.2.3. Funcionamiento de la autoclave
El proceso de esterilización por vapor a presión se lleva a cabo en una autoclave.
La figura 11 presenta la manera como ingresa el vapor saturado, a una presión de
15 PSI medida a través del manómetro, lo que permite que la cámara alcance una
temperatura de 121ºC controlada mediante el termostato. El tiempo de esterilización
45
usualmente es de 15 minutos, sin embargo, en algunas oportunidades, dadas las
características del material del envase y el producto a esterilizar, es necesario variar
el tiempo de esterilización.
Figura 12. Proceso de esterilización por vapor a presión.
Cuando se utiliza este método es importante controlar en la autoclave la relación
entre la temperatura, la presión y el tiempo de exposición, ya que estos son factores
críticos en el proceso. Cuando el vapor se coloca bajo presión, su temperatura
aumenta por encima de los 100ºC y esto permite alcanzar las temperaturas de
esterilización entre los 116ºC y los 121°C. Las principales ventajas de este método
de esterilización son que no deja residuos, debido a que se trabaja con vapor
saturado el proceso es el más limpio en condiciones de salubridad para los
46
productos alimenticios. Las autoclaves modernas son sencillas de manejar y
proveen un método rápido de esterilización. Se trata del método de elección para
esterilizar materiales termoestables y no sensibles a la humedad como medios de
cultivo, cultivos de microorganismos para descartar, lencería, uniformes,
instrumentos quirúrgicos, etc. Entre sus desventajas se encuentra que no permite
la esterilización de materiales sensibles al calor y materiales no miscibles con el
agua como es el caso de polvos, aceites y grasas (Severnes, Degler y Miles, 2007).
2.2.4. Diagrama de tuberías e instrumentos de la autoclave
Los símbolos y diagramas de tuberías, presentados a continuación, son utilizados
para identificar tipos de señales, los componentes existentes dentro del proceso –
como los instrumentos de medida– y elementos finales de control como válvulas
tanto reguladora como de tipo ON/OFF. Para graficar e identificar los elementos
dentro del proceso, se toman como referentes los elementos aportados por la
Sociedad de Instrumentistas de América (ISA); estos referentes son publicados en
las normas para los símbolos, términos y diagramas. Las normas ISA S-5.1 a la S-
5.6 unifican la forma como deben elaborarse los diagramas de tuberías e
instrumentos. En la tabla 2 se presentan los elementos que integran el P&ID de la
autoclave. La nomenclatura utilizada para la presentación de los instrumentos,
elementos finales de control y el controlador es la siguiente:
- AS: Suministro de Aire.
- WS: Suministro de Agua.
- SS: Suministro de Vapor.
47
- V: Electro-Válvula
- TV: Válvula para el control de temperatura.
- I/P: Transductor de señal de corriente a presión.
- YIC: Controlador lógico programable.
- TT: Transmisor de temperatura.
- TI: Indicador de temperatura.
- ZT: Sensor de posición de la tapa.
- LT: Transmisor de nivel.
- LI: Indicador de Nivel.
- PT: Transmisor de presión.
- PI: Indicador de presión.
48
Tabla 2. Identificación de instrumentos, tags y elementos finales de control del P&ID.
NOMBRE DESCRIPCIÓN
IDENTIFICACIÓN
P&ID
TAG
PLC
INPUT OUTPUT INPUT OUTPUT
DIGITAL DIGITAL ANÁLOGA ANÁLOGA
VÁLVULA PURGA TAPA V-405 VPT O0.1
VÁLVULA PURGA INSTRUMENTOS V-404 VPI O0.2
VÁLVULA PURGA FONDO V-403 VPF O0.3
VÁLVULA SEGURIDAD REBOSADERO V-401 VSR O0.4
SENSOR TAPA CERRADA I-100 SE_TAPA I0.1
INTERRUPTOR TABLERO START_1 I0.0
LUZ PILOTO (LED)_TABLERO LED_1 O0.5
SENSOR DE NIVEL DE AGUA LT-101 SNIVEL IA0.0
VÁLVULA ENTRADA PROPORCIONAL DE
VAPOR TV-101 V_INTV2 OA0.0
VÁLVULA ENTRADA AGUA SUPERIOR V-302 V_INTWSUP O0.6
VÁLVULA ENTRADA AGUA INFERIOR V-303 V_INTWINF O0.7
VÁLVULA ENTRADA AGUA INICIAL V-301 V_INTWINI O0.8
VÁLVULA ENTRADA DE VAPOR BYPASS_1 V-102 VVB1 O0.9
VÁLVULA ENTRADA DE VAPOR BYPASS_2 V-103 VVB2 O1.0
VÁLVULA ENTRADA DE VAPOR BYPASS_3 V-104 VVB3 O1.1
VÁLVULA ENTRADA DE VAPOR INICIAL V-101 V_INTV1 O1.2
SENSOR DE TEMPERATURA (PT-100) TT-101 TEMP_1 IA0.1
SENSOR DE PRESIÓN PT-101 PRESION_1 AI0.2
VÁLVULA ENTRADA DE AIRE SUPERIOR V-202 V_INTASUP O1.3
VÁLVULA ENTRADA DE AIRE INFERIOR V-203 V_INTAINF O1.4
VÁLVULA DRENAJE DE AGUA INFERIOR V-402 V_OUTWINF O1.5
INTERRUPTOR PARO DE EMERGENCIA INT_PE I0.2
LUZ PILOTO BALIZA VERDE LED_2
49
Con base en la presentación de los instrumentos, se obtuvo el diagrama final que se ilustra en la figura 12.
Figura 13. Diagrama P&ID final de tuberías e instrumentos de la Autoclave.
AUTOCLAVE
T-100
P
PT-101
ENTRADA DE VAPOR
SS
SS
V-205
ENTRADA DE AIRE
V-204
AS
AS
SS
ENTRADA DE AGUA
WS
WS
INT_AGUA SUPERIOR
WS
ws
DRENAJE
T
TT-101
3-15 psi
T
TT-201
T
I
-
2
0
1
V-401
SS - WS
VENTEO
WS - SS
V-301
V-303
V-403
V-302
V-402
V-201
V-202
V -203
V-104
V-102
V-103
CONDENSADOS
CONDENSADOS
PI-101
V-101
N
LT-101
LI-101
YIC-101
4-20mA
TV-101
I/P-101
4-20mA
SS
AS
WS
V-206
YIC-101
4-20mA
YIC-101
4-20mA
ZT-100
V-404
V-405
.
50
2.3. Diseño e implementación de la programación y control de las etapas del
proceso
La aplicación de la norma IEC 61131-3 se ve reflejada en el método utilizado para
automatizar la autoclave, de acuerdo a los bloques funcionales para cada etapa del
proceso de esterilización (John & Tiegelkamp, 2010). Este consiste en tres etapas;
en la figura 13 se especifica cada una de las etapas o bloques funcionales. La
primera etapa constituye las operaciones preliminares –número 1 en la figura–, el
segundo bloque funcional es la etapa de esterilización –número 2 en la figura– y,
por último, la etapa de enfriamiento –número 3 en la figura–.
Figura 14. Fases de cada una de las etapas del proceso de esterilización.
AUTOMATIZACIÓN
AUTOCLAVE
OPERACIONES
PRELIMINARES
PROCESO DE
ESTERILIZACIÓN
ENFRIAMIENTO
1
2
3
En la figura 14 se observa el comportamiento de la temperatura y la presión, con
respecto al tiempo dentro del proceso de esterilización en cada una de las etapas
51
programadas en los bloques funcionales. En la figura se ubica la etapa de
operaciones preliminares o calentamiento con la letra H, la segunda etapa, de
esterilización, está marcada por la letra S y, por último, la tercera etapa, de
enfriamiento, se identifica con la letra C.
Figura 15. Estado de la temperatura y la presión con respecto al tiempo.
Fuente: Systec.
2.3.1. Fase de operaciones preliminares
En la figura 15 se presenta el diagrama de bloques que se tiene en cuenta para
adelantar este proceso.
52
Figura 16. Diagrama de bloques fase de operaciones preliminares.
OPERACIONES
PRELIMINARES
1. revisión de valvulas
2. Adicionar agua hasta la mitad de la autoclave
4. depositar la canasta con pruducto.
3. Simultáneamente adicionar vapor
mezclando con aire para precalentar el
agua hasta:
6. cerrar el autoclave
5. verificar que el agua cubra el
ultimo tendido del producto.
1.1 purga tapa cerrada
TAG:=O0.1;_(VPT)
1.2 purga instrumentos
cerrada
TAG=O0.2;_(VPI)
1.3 purga fondo cerrada
TAG=O0.3;_(VPF)
1.4 Válvula rebosadero
cerrada
TAG=O0.4;_(VSR)
1.5 Válvula drenaje
cerrada
TAG:=O0.5;_(VD1)
60 °C
6" borde inferior del
rebose
Verificar el nivel del agua
por medio de la mirilla del
visor externo
Con base en estas operaciones, se realizó la programación secuencial del sistema,
para verificar que algunas electroválvulas estén cerradas por seguridad antes de
empezar la etapa de esterilización. Luego se ingresa agua hasta la mitad de la altura
en la autoclave para después precalentar hasta los 60°C. A continuación, se colocan
dentro de la autoclave todos los envases de vidrio o enlatados a esterilizar, para así
después verificar que efectivamente se cerró la autoclave por medio del sensor de
la tapa. El procedimiento, puede resumirse a través del siguiente esquema:
53
Figura 17. Diagrama de programación fase de operaciones preliminares.
INICIO
OPERACIONES
PRELIMINARES
start:=1;
VPT:=0;
VPI:=0;
VPF:=0;
VSR:=0;
VDI:=0;
SE_TAPA:=1;
REVISIÓN
VÁLVULAS
ADICIONAR AGUA
V_INTWINF:=1;
V_INTWINI:=1;
SNIVEL=50%
NO
AUMENTO DE
TEMPERATURA
ETAPA 1
V_INTWINF:=0;
V_INTV1:=1;
V_INTV2:=1;
V_INTAINF:=1;
VVB1:=1;
VVB2:=1;
VVB3:=1;,
TEMP1:=60; [];
^
SENS_TAPA:=1;
NO
PROCESO DE
ESTERILIZACIÓN
54
Nota: cabe resaltar que el hecho de realizar los esquemas de programación por
medio de diagramas de flujo se hace con el motivo de que cualquier persona pueda
entender mejor la programación del equipo.
2.3.2. Fase de esterilización
Figura 18. Diagrama de bloques fase de esterilización.
Proceso de
Esterilización
Elevación de la
temperatura
Esterilización
Seleccionar set point y tiempo de esterilización
Abrir valvula de entrada de aire inferior Mayor caudal
Activar valvula de vapor Liberar paro de emergencia
verificar
Temperatura seleccionada
Tiempo seleccionado
Presion del sistema
Cuando alcance la temperatura de
esterilización, tambien debe alcanzar la
presión recomendada.
Si se alcanza antes la presión se
debe controlar de forma manual
Para: 116°C = 20 Psi
121°C = 25 Psi
Operando la valcula de rebosadero,
mantener la presión recomendada.
Sigue abierta la entrada
de aire inferior
Bajo caudal
Verificar que se alcance la
temperatura de esterilización
Termómetro
Verificar constantemente la precision de la
temperatura de esterilización
Hacer control regular de la presión del
sistema en forma manual
Manometro
116°C Aprox 20 Psi.
118°C
121°C Aprox 25 Psi
1. Si se sube la
presión por encima
de la recomendada
Se abre lentamente la valvula de
rebosadero
2. Si se cae la
presión por debajo
de la recomendada
Se abre lentamente la válvula
de la entrada superior del aire
Verificar que se alcanzo la
temperatura de esterilización
Encendido del faro indicador
Apagar faro indicador Pulsar reset
Pulsar paro de emergencia
Tal como se ve en la figura 19, durante la segunda fase, una vez que se ha cerrado
la autoclave, el operario debe ingresar el SetPoint de temperatura y el tiempo que
debe durar la autoclave con esa temperatura, los cuales se deben digitar de acuerdo
con el tipo de producto enlatado a esterilizar. Una vez digitados los valores
comienza el proceso de elevación de la temperatura o calentamiento; esto se
consigue al abrir las válvulas de entrada de vapor y aire, para que, en un menor
55
tiempo, aumenten la presión interior y la temperatura. En el momento en que se ha
alcanzado la temperatura de esterilización, comienza a transcurrir el tiempo que se
debe mantener la temperatura para esterilizar el número de productos enlatados
ingresados en la autoclave. En la siguiente figura se presenta la programación
correspondiente a esta fase:
Figura 19. Diagrama de programación de la fase de esterilización.
Elevación de la
temperatura.
SELECCIÓN
SETPOINT Y TIEMPO
Sens_tapa=1
TEMP_1:=60;
TEMP=120°c
TIEMPO=15MIN
TEMP_1:=120;
V_INTAINF:=1;
NO
TIEMPO:=15;
SI
VSR:=1;
PRESION_1:=20;
SI
VSR:=1;
MAYORQUE
V_INTASUP:=1;MENORQUE
56
2.3.4. Fase de enfriamiento.
Figura 20. Diagrama de bloques fase de enfriamiento.
Enfriamiento
Verificar posición de
las válvulas
Revisar nivel del
agua
Inyectar agua
Hacer control
regular de la presión
del sistema en
forma manual
Mantener la presión hasta que el
agua de enfriamiento alcance la
temperatura de 80°C
Hacer cambio de la conexión de enfriamiento
Bajar lentamente la presión hasta
llegar a los 0 Psi
Válvula vapor=cerrada
Bypass=Cerrado
Purgas=Cerradas
Aire inf y sup= cerrados
Mirilla de vidrio
Si esta pro debajo del ultimo tendido de envases. (estos envases se descartan).
Abrir lentamente la valvula inferior del agua hasta recuperar el nivel
Cerrar válvula inferior
Dejar ingresar agua lentamente en la conexión superior
Abrir lentamente toda la válvula de rebose
Manómetro 116°C=Aprox 20 Psi
118°C
121°C=Aprox 25Psi
1. Si se sube la presión
por encima
Se abre lentamente la
valvula de rebosadero
Si se cae la presión por
debajo de la recomendada
Se abre lentamente la válvula de la
entrada superior del aire
Cerrar la entrada superior
Abrir la entrada inferior
Cerrar válvula de aire
Cerrar totalmente la valvula del agua de enfriamiento
Abrir tapa de autoclave
Apagar el sistema Revisar las valvulas
Agua = cerrar
Aire = cerrar
Drenaje = Abierta
Girar interruptor a la posicion de apagado.
Verificar que se apage la luz verde.
Se verifica la temperatura de las latas,
despues de agitarlas suavemente
Debe poder sostenerla con la mano, de lo contrario
se debe dejar recircular agua por mas tiempo
La tercera fase, representada en la figura 21, constituye el proceso de la autoclave
para llevar a cabo el enfriamiento, tanto en la autoclave como en los envases
enlatados o de vidrio. El proceso comienza cuando se cierran las válvulas de
entrada de vapor y las de aire, y al mismo tiempo se abren las válvulas de purga y
de rebosadero para empezar a despresurizar la autoclave. Además se abren las
válvulas de entrada de agua para empezar a disminuir la temperatura de forma más
57
rápida al interior de la autoclave. A medida que va bajando el nivel de la temperatura
también se controla el nivel de presión, puesto que el vapor se condensa cuando se
disminuye la temperatura. La condensación genera agua, lo cual hace subir el nivel
al interior de la autoclave. Por esta razón, es necesario regular la apertura de la
válvula de rebosadero y así desfogar agua hasta el punto en que la presión se
vuelva cero PSI y la temperatura llegue a la temperatura ambiente, es decir,
±25°Celsius. En ese momento puede volver a abrirse la autoclave para verificar el
estado de los productos y su posterior análisis de laboratorio (Karl-Heinz, 2006). A
continuación se presenta la programación que se tiene en cuenta para esta fase:
Figura 21. Diagrama de programación de fase de enfriamiento.
INICIO
ENFRIAMIENTO
Verificación de
válvulas
VVB1:=0;
VVB2:=0;
VVB3:=0;
V_INTV1:=0;
V_INTV2:=0;
V_INTV1:=0;
SNIVEL:=?;
TEMP_1:=?;
Válvulas para agua
SI
VSR:=1;
V_INTWINI:=1;
V_INTWSUP:=1;
NO
TEMP_1:=SETPOINT;V_INTAINF:=0; NO
TIEMPO:=15;
SI
VSR:=1; SI
PRESION_1:=20;
SI
VSR:=1;
MAYORQUE
V_INTASUP:=0;MENORQUE
1
1
NO
2
2
58
2.3.4. Programación de la caldera
Figura 22. Diagrama de bloques de la caldera.
INICIO CALDERA
ACTIVACIÓN DE
VALVULAS
COMBUSTIBLE
AIRE
AGUA
MANTIENE NIVEL
CIERRA VALVULA
DE AGUA;
ENVIAR VAPOR A AUTOCLAVE
SI
Llega hasta el nivel al 50%?
De lo contrario sigue llenando
SI
La temperatura se mantiene en
180°C?
Y la presion a 25psi
NO
NO
La programación de la caldera se realizó de manera secuencial. En la figura 22 se
observa cómo se trabajó en el programa para enviar un dato al PLC de la autoclave
y corroborar que, de esta forma, empieza a trabajar con la anergia del vapor
59
suministrado; de lo contrario, la autoclave no puede volver a empezar la fase de
operaciones previas. En la figura 24 se muestra la programación de la caldera:
Figura 23. Diagrama de programación de la caldera.
Nota: Todos los diagramas de flujo se crearon para que cualquier persona los pueda
llegar a entender de una manera más sencilla.
INICIO CALDERA
ACTIVACIÓN DE
VALVULAS
V_COMBUSTIBLE:=ON;
V_AIRE:=ON;
V_AGUA:=ON;
NIVEL:=50%;
NO
MANTIENE NIVEL
SI
V_AGUA:=OFF;
TEMPERATUR
A:=180°C;
PRESIÓN:=25p
si;
ENVIAR VAPOR A CALDERA
SI
NO
60
2.3.1. El controlador PID
El controlador proporcional-integral-derivativo, o controlador PID, es un dispositivo
de control genérico donde el diseñador solo tiene que dar valores adecuados, según
lo requiera la situación, a los distintos parámetros que contiene.
Figura 24. Control PID. E
G PID G
U
-
R +
Controlador Planta
c
sensor
Fuente: Dorf y Bishop (p. 3).
El diagrama de bloques anterior representa un sistema controlado por un sistema
PID, en donde R es el valor de consigna o punto de operación, E la señal de error
que posee la medición con respecto al punto de operación, Gpid el controlador PID
encargado de realizar la lógica de control, U la salida del controlador aplicado sobre
la planta para reducir en lo posible el error del sistema, G la planta que representa
la función de transferencia del sistema a controlar, sensor instrumento de medida al
sumador/restador el valor de salida de la planta y, por último, C es la medición del
parámetro a controlar en el proceso, es decir, a la planta.
Este tipo de control se presenta de diferentes modos, la respuesta proporcional es
la base de los tres modos de control: si los otros dos, acción integral y acción
61
derivativa, están presentes, estos son sumados a la respuesta proporcional. Las
ecuaciones básicas del control PID se presentan a continuación:
Ecuaciones (1) y (2)
𝒖(𝒕) = 𝑲𝒑. 𝒆(𝒕) + 𝑲𝒊. ∫ 𝒆(𝒕) 𝒅𝒕 + 𝑲𝒅. (
𝒅𝒆(𝒕)
𝒅𝒕
) (1)
𝒖(𝒕) = 𝑲𝒑. [𝒆(𝒕) +
𝟏
𝑻𝒊
. ∫ 𝒆(𝒕)
𝒕
𝟎
𝒅𝒕 + 𝑻𝒅.
𝒅𝒆(𝒕)
𝒅𝒕
] (2)
Donde:
𝒖(𝒕): Variable de control o salida del PID.
𝒆(𝒕): Error del sistema o medición menos valor de consigna.
𝑲𝒑: Constante proporcional.
𝑲𝒊: Constante integral.
𝑻𝒊: Tiempo integral.
𝑲𝒅: Constante derivativa.
𝑻𝒅: Tiempo derivativo.
En la siguiente figura se presenta el esquema donde se puede observar la función
que ejerce el control PID sobre el lazo de temperatura:
62
Figura 25. Función del controlador PID sobre el lazo de temperatura.
AUTOCLAVE
Válvula Proporcional
T
Sensor de Temperatura
CONTROLADOR DE LA
VALVULA PROPORCIONAL
PID
PO
VP
E= PO - VP
VAPOR
REALIMENTACIÓN
PROCESO
CONTROLADOR - PLC
(PO)=Punto de operación.
(VP)= Valor del proceso.
(E)= Error.
Fuente: Smith y Corripio (1991, p. 312).
2.4. Diseño e implementación del sistema de supervisión
El supervisorio (Rodríguez, 2006a), que se encuentra en la figura 25, se realizó en
el Programa Factory Talk de la SiteEdiction, el cual permitió generar de manera más
fácil la interacción entre el operario y la automatización de la autoclave. Se cuenta
con animación de los objetos y se pueden controlar todas las entradas y salidas del
63
PLC, lo cual ofrece un entorno más amigable para el operador y el manejo del
proceso de cada una de las etapas de esterilización de los productos enlatados.
Figura 26. Esquema del supervisorio de la autoclave.
1
2
4
3
5
6
REF. DESCRIPCIÓN
Control de encendido ON/OFF del proceso y PE
Cuadro de Ingreso de Setpoint de Temperatura y Tiempo de esterilización
LED indicador de ingreso de vapor y estado de la caldera
Indicadores de Temperatura (°C), Presión (Psi) y nivel (% de llenado)
Tiempo transcurrido del proceso
Instrumentos de la autoclave (válvulas, conductos, sensores) x variable
Botones para exploración de ventanas TENDENCIAS Y ALARMAS
1
2
3
4
5
6
7
7
El enfoque que se le dio al supervisorio está elaborado bajo normas específicas
(International Standards Organizations, ISO 9241, 2001), la cual habla acerca de
los requisitos ergonómicos para trabajos en la oficina con pantallas de visualización
para que el operario pueda llegar a entender de forma intuitiva el proceso y no se
canse después de haber trabajado varias horas en forma segura y eficiente;
además, esto permite que pueda dar solución a algún error de forma inmediata. De
izquierda a derecha en la figura se observan los controles y los datos que debe
64
suministrar el operario a la autoclave para la etapa de calentamiento y esterilización
de los productos, y en la parte derecha se observa el comportamiento de cada una
de las variables –temperatura, presión y nivel–. En el centro se puede ver cómo
están distribuidas cada una de las válvulas y los sensores de la autoclave.
Para el supervisorio de la caldera –que se encuentra en la figura 26– se tuvo en
cuenta la programación y la función de cada una de las variables a controlar. Se
controló la distribución dentro de la ventana dando prioridad a la alimentación de
combustible y al nivel de agua dentro de la misma. El operario tiene en la parte
inferior izquierda los botones de encendido y paro de emergencia de la caldera, e
inmediatamente puede observar el comportamiento de cada una de las válvulas de
ingreso de agua, combustible y aire. En el momento en que llega el nivel de agua al
50% se emite una señal de encendido que verifica que empieza a enviar vapor a la
autoclave (Rodríguez, 2006a).
65
Figura 27. Supervisorio de la caldera.
2
3
4
1
REF. DESCRIPCIÓN
Instrumentación entradas y salida de la Caldera
Tablero de encendido y apagado de la Caldera
Botón de paso a la interfaz de la Autoclave
LED indicador del estado de la Caldera
1
2
3
4
2.4.1 Diseño de tendencias en el sistema SCADA.
La idea de poder generar los gráficos de tendencias en el proyecto es poder llevar
el registro visual del comportamiento de las variables con respecto al tiempo
trascurrido del proceso. Para esto se tomaron los valores de las variables de
temperatura, nivel de agua y presión adentro de la Autoclave.
La línea de color azul en el mímico indica el nivel de agua adentro de la autoclave.
66
La línea de color rojo indica la presión en la que se encuentra en el interior la
autoclave, y por último la línea de color amarillo que indica la temperatura en °C. En
la figura 27 se observa la ventana tendencias del SCADA proyecto de
automatización en donde se evidencia el comportamiento de cada una de las
variables que interactúan en la simulación del proceso.
Figura 28. Validación de la ventana de tendencias del proceso.
67
2.4.2 Diseño de alarmas en el sistema SCADA.
El objetivo de la creación de alarmas dentro del sistema es poder llevar un reporte
de las variables del sistema de acuerdo al estado de cada una de las etapas del
proceso de esterilización y en el caso en que se genere algún fallo en el equipo
debido a algún instrumento o variable fuera del rango establecido, se tenga la
documentación necesaria para saber en detalle que fue lo que sucedió de forma
precisa. De acuerdo a esto se genera una ventana que se encuentra en la figura 28
en donde se verifica el historial de las variables de presión, temperatura, y nivel de
agua.
Figura 29. Validación de la ventana de alarmas de la autoclave.
La ventana anterior muestra la información de las variables de acuerdo a las
siguientes especificaciones de las zonas del proceso de esterilización que se
muestran en las tablas y figuras a continuación. Para la variable de Nivel de agua
68
se utilizó en porcentaje de llenado las unidades de Nivel, en psi la unidad de medida
para la presión y en °C la medición de la temperatura.
Tabla 3. Alarmas de la variable análoga nivel de agua
Variable NIVEL
Etiqueta
(Label)
Nivel
(Treshold)
prioridad
(severety)
Dirección
(Direction)
Fault High 100 1 decreciendo
High-High 80 4 decreciendo
zona
segura
zona
segura
zona
segura zona segura
low 40 4 creciendo
low-low 20 1 creciendo
Figura 30. Zonas de alarma para el nivel de agua.
Tabla 4. Alarmas de la variable análoga de temperatura.
Variable TEMPERATURA
Etiqueta
(Label)
Nivel
(Treshold)
prioridad
(severety)
Dirección
(Direction)
Fault High 120°C 1 decreciendo
High-High 80°C 4 decreciendo
0
20
40
60
80
100
120
0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4
%
D
E
N
IV
EL
TIEMPO
NIVEL DE AGUA
69
zona
segura
zona
segura
zona
segura zona segura
low 40°C 4 creciendo
low-low 20°C 1 creciendo
Figura 31. Zonas de alarma para el nivel de agua.
Tabla 5. Alarmas de la variable análoga de presión.
Variable PRESION
Etiqueta
(Label)
Nivel
(Treshold)
prioridad
(severety)
Dirección
(Direction)
Fault High 25 psi 1 decreciendo
High-High 20 psi 4 decreciendo
zona
segura
zona
segura
zona
segura zona segura
low 15 psi 4 creciendo
low-low 5 psi 1 creciendo
0
20
40
60
80
100
120
140
0 2 4 6 8 10 12 14
TE
M
P
ER
A
TU
R
A
°
C
TIEMPO
NIVEL DE TEMPERATURA
70
Figura 32. Zonas de alarma para el nivel de presión.
Las acciones recomendadas ante cualquier fallo o tipo de alarma FAULT HIGH, de
acuerdo al caso, poder accionar el botón de paro de emergencia si la alarma así lo
indica, esto hará que el proceso se detenga cerrando válvulas de ingreso tanto de
vapor, agua y aire cortando la alimentación de las mismas, y abriendo las válvulas
de desagüe en el caso en que se eleve la presión o la temperatura más de lo
indicado por el proceso.
Nota: Todas las alarmas están configuradas de forma local en FTView.
0
5
10
15
20
25
30
0 2 4 6 8 10 12
P
R
ES
IÓ
N
p
si
TIEMPO
NIVEL DE PRESIÓN
71
2.4.3 Creación del registro de información en la base de datos
Microsoft ACCES.
El sistema SCADA de la autoclave cumple una funcionalidad importante en cuanto
al registro y accesibilidad de los datos, debido a que lleva la información a una única
base de datos como lo es a través del programa Microsoft Acces del paquete de
Office por su facilidad de interpretación y compatibilidad con Microsoft Excel. De
esta forma se puede llegar a consultar posterior al proceso o simplemente en la
ayuda de la elaboración de reportes en los datos registrados durante la
esterilización. A continuación en la figura 32 se visualiza la ventana de validación
de la información de los datos registrados en Microsoft Acces.
Figura 33. Validación de la base de datos en Microsoft Acces.
72
2.5. Criterio de selección del PLC para la autoclave.
De acuerdo con las necesidades que exige el proyecto, se tuvieron en cuenta las
siguientes características para la selección del PLC: número de entradas (4) y
salidas digitales (13), número de entradas (3) y salidas análogas (1), modulo PID
para el control de la apertura de la válvula proporcional, la potencia nominal de
trabajo 50W y la velocidad de respuesta de tipo Relay del PLC. De manera que se
seleccionó la marca Allen Bradley ref.: 1769-L23E-QBFC1B, debido a que esta
referencia cuenta con los módulos de entradas y salidas análogas incorporado de
forma compacta al PLC, la comunicación con el equipo se puede hacer vía Ethernet,
además porque el programa de Ingeniería en Automatización hace sus prácticas en
este momento con estos PLC´s.
Figura 34. Diagrama físico del PLC Allen Bradley.
1
2
3
4
5 6
REF. DESCRIPCIÓN
Puerto Serial RS-232
Puerto Ethernet RJ-45
Llave de encendido ON/OFF
Tapa cubierta de entrada y salidas
Indicadores led entradas digitales
Indicadores led salidas digitales
Indicadores led entradas y salidas Analogas
Indicador Led de inicio o RUN
1
2
3
4
5
6
7
8
7
8
73
Figura 35. Diagrama físico interno del PLC Allen Bradley.
REF. DESCRIPCIÓN
Cubierta o tapa del PLC
Entradas Digitales ON/OFF
Salidas Digitales ON/OFF
Bornes para alimentación del PLC
Entradas Análogas
Salidas Análogas
Modulo de expansión
1
2
3
4
5
6
7
1 2 3
4
5 6
1
Nota: Para poder integrar los datos recibidos por el dispositivo electrónico y
visualizarlos en la pantalla de la automatización de la autoclave, se sugiere integrar
al PLC un módulo inalámbrico con conversión a RS-232., de tal forma que este
pueda recibir los datos que envía el micro controlador del dispositivo que censa la
temperatura adentro de la autoclave.
En la tabla 3 presentada a continuación se muestran la caracterización del PLC de
acuerdo a los requerimientos de instrumentación, control y comunicación del
proceso de esterilización.
74
Tabla 6. Características generales para los requerimientos del PLC.
CARACTERÍSTICAS GENERALES PARA LOS REQUERIMIENTOS DEL PLC
Lazos de control PID entradas digitales
No DE
LAZOS
PID
DESCRIPCIÓN No.
INT
PLC
TAGS Descripción Tipo de señal
1
Control de
temperatura
1 I0.0 PULSA1 Pulsador de arranque
on/off 0/24 VDC TIPO RELAY
TORNILLO
2 I0.2 INT_PE Pulsador con retención (parada de emergencia)
on/off 0/24 VDC TIPO RELAY
TORNILLO
2
Control de
presión y aire
3 I0.3 INT_LLAVE
Pulsador con llave para desbloqueo de parada de
emergencia
on/off 0/24 VDC TIPO RELAY
TORNILLO
4 I0.1 SE_TAPA Sensor de tapa cerrada ON/OFF
on/off 0/24 VDC TIPO RELAY
TORNILLO
3
Control de nivel
de agua
No Salidas digitales
OUT
PLC
TAGS Descripción Tipo de señal
1 O0.0 V-101 Electroválvula int vapor 1
on/off 0/24 VDC TIPO RELAY
TORNILLO
2 O0.1 V-102 Electroválvula bola vapor 2
on/off 0/24 VDC TIPO RELAY
TORNILLO
3 O0.2 V-103 Electroválvula bola vapor 3
on/off 0/24 VDC TIPO RELAY
TORNILLO
4 O0.3 V-104 Electroválvula bola vapor 4
on/off 0/24 VDC TIPO RELAY
TORNILLO
5 O0.4 V-201 Electroválvula entrada de aire principal
on/off 0/24 VDC TIPO RELAY
TORNILLO
O0.5 V-202 Electroválvula de aire superior
on/off 0/24 VDC TIPO RELAY
TORNILLO
6 O0.6 V-203 Electroválvula aire inferior
on/off 0/24 VDC TIPO RELAY
TORNILLO
7 O0.7 V-301 Electroválvula entrada de agua principal
on/off 0/24 VDC TIPO RELAY
TORNILLO
8 O0.8 V-302 Electroválvula agua superior
on/off 0/24 VDC TIPO RELAY
TORNILLO
9 O0.9 V-303 Electroválvula agua inferior
on/off 0/24 VDC TIPO RELAY
TORNILLO
75
10 O0.10 V-403 Electroválvula drenaje inferior
on/off 0/24 VDC TIPO RELAY
TORNILLO
11 O0.11 V-402 Electroválvula de seguridad en rebosadero
on/off 0/24 VDC TIPO RELAY
TORNILLO
12 O0.12 LED_BALIZA Luz piloto BALIZA
on/off 0/24 VDC TIPO RELAY
TORNILLO
13 O0.13 LED_1 Luz piloto tablero
on/off 0/24 VDC TIPO RELAY
TORNILLO
No. Entradas análogas
INT
PLC
TAGS Descripción Tipo de señal
1 AI0.0 TT-101
Sensor de temperatura PT100 4-20 mA
2 AI0.1 PT-101 Transmisor de presión 4-20 mA
4 AI0.2 LT-101 Transmisor de NIVEL 4-20 mA
Salidas análogas
No.
OUT
PLC
TAGS Descripción Tipo de señal
1 AO0.0 TV-101 Válvula proporcional, suministro de vapor 4-20 mA
76
Características técnicas del PLC Allen Bradley ref.: 1769-L23E-QBFC1B.
- Memoria: 512KB.
- Tarjeta de memoria expansible: no requiere.
- 1 puerto Ethernet/puerto IP.
- 1 puerto serial RS-232.
- 16 entradas DC.
- 16 salidas DC.
- 4 entradas análogas.
- 2 salidas análogas.
- 4 contadores de alta velocidad.
- Con capacidad para expansión de 2 módulos adicionales a la derecha ref.
1769.
- Fuente de alimentación embebida de 24 VDC.
- Corriente máxima de 450 mA.
- Tiempo de escaneo de 1.5 ms.
- Potencia de disipación 13.58W.
- Peso aproximado de 2.7 lb.
- Montaje en riel DIN.
- Tipo de cable Ethernet: 4 pares con conector RJ45 categoría 5e de tipo B1.
- Tipo de cable alimentación: 14 AWG.
- Tipo de cable de conexiones discretas: 18 AWG.
Nota: se sugiere integrar el módulo PID al PLC Allen Bradley de acuerdo a los
requerimientos de control.
77
Entradas digitales: son 16 de tipo PNP, es decir, detectan 24VDC como si fuera
un uno lógico. Además, quedan varias entradas libres para posibles expansiones
del sistema, fallos o daños.
Salidas digitales: igual que en el caso de las entradas, son 16 de tipo relé para
protección y mayor rapidez en la respuesta del PLC a los instrumentos de control.
Entradas análogas: la versión compacta de Allen Bradley tiene 4 (cuatro) entradas
análogas incorporadas, que son necesarias para que el PLC pueda leer las señales
tanto de temperatura, presión y nivel dentro de la autoclave.
Salidas análogas: se necesita una salida 4-20 mA para controlar el actuador de la
válvula proporcional y así poder regular el flujo de entrada de vapor a la autoclave,
esta acción se realiza mediante un transductor de corriente a presión.
Topología de la red entre el PLC y la computadora: para que el proceso se pueda
ver en marcha, de acuerdo con todas las variables controladas por el PLC, este va
a estar conectado con un computador a través del puerto Ethernet donde se va a
mostrar una interfase gráfica para que el usuario pueda ver en qué estado se
encuentra el proceso de esterilización. Para este proyecto se adicionó la simulación
del suministro de vapor de una caldera y así se puedan integrar dos PLC´S.
78
Figura 36. Topología de Interconexión entre dos PLC´S Caldera y Autoclave.
Este tipo de topología permite que el operario pueda llegar a tener una respuesta
del proceso en tiempo real de forma inmediata, debido a que las conexiones y la
comunicación entre los equipos se hacen más rápida y el tiempo en el ciclo de
trabajo es más corto. El tipo de clave para la comunicación entre el Switch, PLC´s y
la computadora en de 8 hilos con conexión RJ45 apantallado para evitar ruidos de
comunicación.
79
3. DISPOSITIVO ELECTRÓNICO PARA MEDIR DE MANERA REMOTA LA
TEMPERATURA Y LA HUMEDAD RELATIVA
3.1. Recopilación y levantamiento de la información
El diseño del dispositivo inició con una serie de determinantes propuestas por los
usuarios finales. Estos requerimientos fueron:
- Diseñar un dispositivo inalámbrico que pueda medir la temperatura de un
producto enlatado o envase de vidrio.
- Creación de una interfaz gráfica que permite visibilizar los datos en tiempo
real de temperatura y humedad relativa.
- Disponer de una forma para grabar o contar con un historial de los datos
recopilados.
Es importante recordar que no hubo un manual ni información previa por parte de
los funcionarios de la Planta para elaborar este dispositivo. Con base en estos
requerimientos, se propuso un sensor que contaba con los siguientes componentes:
Figura 37. Esquema de diseño dispositivo electrónico transmisor.
Dispositivo electrónico transmisor
Sensar temperatura y Humedad
Microcontrolador
Sensor
Temperatura
Humedad
XBEE
Tarjeta
Inalámbrica
Programación
80
3.2. Selección y acondicionamiento de un sensor inalámbrico de temperatura
Para el diseño del dispositivo, lo primero que se hizo fue seleccionar un sensor de
temperatura, el valor añadido fue el porcentaje de humedad, y el tamaño del sensor.
El sensor de temperatura y humedad identifica la temperatura y la humedad del
ambiente, como lo hacen los nervios de la piel, y se acopla a un microcontrolador
que, como el cerebro, procesa la información.
El sensor de temperatura y humedad escogido para el dispositivo fue el sensor
Referencia SHT75. Esta referencia es fabricada por la empresa SENSIRION. Las
especificaciones de fabricación establecen que se trata de un dispositivo de bajo
consumo de potencia, se garantiza la calidad de su calibración y que funciona sin
componentes externos (SENSIRION) ver anexo 3.
Figura 38. Sensor de temperatura y humedad SHT75.
Fuente: Sensirion (2007).
81
Esta referencia se escogió por la calidad de su calibración, por la sensibilidad
apropiada para la medición, debido a que su fabricación lo hace resistente a altas
temperaturas con un alcance de -40°C hasta los 123°C, con una exactitud de 0,1°C
para medir los cambios que se dan tanto en la autoclave como en el interior del
producto esterilizado.
Una vez escogida la referencia del sensor, se procedió a probar la forma como se
comunicaría con el microcontrolador, para garantizar el acoplamiento de ambos
componentes. Las pruebas virtuales que se hicieron de la forma como podrían
acoplarse el sensor y el microcontrolador se encuentran en el anexo 4. Estas
pruebas fueron esenciales para identificar la forma como se comunicaban los dos
componentes electrónicos, y como se deben conectar físicamente.
3.3. Selección del microcontrolador
Para el funcionamiento de todo sistema electrónico complejo se requiere de una
especie de cerebro encargado de transmitir órdenes al sistema, y de regularlas. En
el caso del dispositivo propuesto para medir la temperatura y la humedad de los
productos sometidos a proceso en la autoclave, el microcontrolador 16f876A cumple
con estas funciones. El microcontrolador se encarga de regular una parte
fundamental del proceso, en específico, en la parte de la adquisición y transmisión
de la información.
El microcontrolador, en este caso, cumple con la función de recibir los datos de la
temperatura y la humedad relativa, así como transmitir esta información a la parte
82
que complementa el diseño electrónico, a fin de que se pueda accederse a la
información. En la figura 32 se presenta el diseño del circuito final en la baquela en
2D; se muestra el plano electrónico de las funciones que se le implementan para
que regule tanto el sensor de temperatura y humedad como el envío de la
información captada por este hacia las siguientes partes del dispositivo. En la figura
30 este diseño puede apreciarse en 3D.
Figura 39. Plano electrónico del microcontrolador en 2D.
Figura 40. Diseño del microcontrolador en 3D.
83
El funcionamiento del microcontrolador requiere de una fuente energética que lo
alimente: con esto las órdenes codificadas en el microcontrolador pueden cumplirse.
En este caso la fuente de energía es una batería de litio CR2477 con 3v, 1000mA a
2 Volts, peso de 3 gr. Suficiente para el circuito de transmisión (Figura 34 a).
En general, la vida útil de una batería se calcula en base a la corriente nominal en
miliamperios por hora y se abrevia mAh. El amperio es una unidad eléctrica que se
utiliza para medir el flujo de corriente hacia la carga. La vida útil o la capacidad de
una batería se pueden calcular a partir de la corriente nominal de entrada de la
batería y la corriente de carga del circuito. La mayor vida útil de una batería será
cuando la corriente de carga sea menor y viceversa. El cálculo para conocer la
capacidad de la batería se puede derivar matemáticamente de la siguiente fórmula:
Tabla 7. Componentes y los consumos del circuito transmisor.
ITEM CANTIDAD INSTRUMENTO VOLTAJE CORRIENTE POTENCIA
1 1 Microcontrolador PIC 16f876A 2.0V - 5.0V 250mA 1000mW
2 1 Sensor digital SHT75 2.4V - 5.5V 0,55mA 55mW
3 1 Modulo inalámbrico Xbee S2 2.1V - 3.6V 40mA 63mW
4 2 BATERÍA CR2477 3V 2000mhA 653mW
Vida útil de la batería = Capacidad de la batería en miliamperios por hora /
Corriente de carga en miliamperios * 0.70. Ecuación (a)
*El factor de 0.7 permite tolerancias a factores externos que pueden afectar la vida
útil de la batería.
(a)𝐶𝑐𝑚𝐴 = 𝑃𝐼𝐶 + 𝑆𝐻𝑇75 + 𝑋𝐵𝐸𝐸
84
𝐶𝑐𝑚𝐴 = 250𝑚𝐴 + 0.55𝑚𝐴 + 40𝑚𝐴
𝐶𝑐𝑚𝐴 = 290,55𝑚𝐴
ℎ = (𝐶𝑏
𝑚ℎ𝐴
𝐶𝑐𝑚𝐴
) ∗ 0.70
ℎ = (
1000𝑚ℎ𝐴
290,55𝑚𝐴
) ∗ 0.70
ℎ = 4.81845 ℎ
Figura 41. Grafico consumo de voltaje versus duración de la batería.
Fuente: Energizer (s. f.).
85
Figura 42. Batería de litio para funcionamiento del microcontrolador.
Fuente: Energizer (s.f.).
De acuerdo a todas y cada una de las características de cada componente
electrónico mencionado, y teniendo en cuenta las características de trabajo en el
proceso de esterilización de la autoclave, se tiene como conclusión la ficha técnica
del dispositivo electrónico en la tabla 5.
Tabla 8. Ficha técnica del Dispositivo electrónico.
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
Temperatura (mínima-máxima) -40°C a 123°C
Alcance máximo de transmisión 2 metros en interiores
Duración de Batería 1 hora 15 min/1000mhA
Transmisión de datos Cada 30 segundos
Dimensiones tarjeta 45.6X34.8mm
Dimensiones carcasa 51X34X28mm
Nota: este diseño es el resultado de tener en cuenta: a) Los requerimientos del
usuario para medir la temperatura interna. b) Los tamaños estándares de los
enlatados y envases de vidrio, c) mantener la inocuidad del producto y d) no interferir
en el procese de esterilización.
86
La tarjeta electrónica tiene la facilidad de poder llegar a intercambiar el
microcontrolador por si surge algún fallo en el programa, o se necesita volver a
programarlo por si ocurre algún tipo de fallo o error en el sistema.
3.4. Diseño de plataforma para comunicación y transmisión de datos de
forma inalámbrica
El proceso iniciado por el microcontrolador envía la energía suficiente al sensor de
temperatura y humedad para que lea dichos datos al interior de la autoclave.
Cuando estos datos han sido leídos, el microcontrolador los transmite a través de
una tarjeta XBEE. En la cadena de la transmisión de la información, la tarjeta XBEE
cumple una doble función de recepción/transmisión. Esta función se cumple gracias
a la antena que trae incorporada. La tarjeta ofrece la posibilidad de transmitir
constantemente la información recibida o la transmite únicamente cuando la fuente
de destino la solicita.
Figura 43. XBEE tarjeta inalámbrica.
Fuente: MCI Electronics (2010).
87
Para que el diseño elaborado hasta el momento pueda transmitir los datos de
manera inalámbrica, se diseñaron dos opciones de recepción de la información. La
primera de ellas, se explica a continuación:
Figura 44. Esquema diseño dispositivo receptor, aplicación 1.
Dispositivo electrónico receptor
Sensar temperatura y Humedad
Computadora
Xbee tarjeta
Inalámbrica
Interfaz Gráfica
LabviewProgramación
Grabar
microSD
Figura 45. Aplicación 1.
88
Tal como se presenta el esquema, el dispositivo receptor procesa la información
que la XBEE conectada al microcontrolador emite. El dispositivo receptor también
cuenta a su vez con una tarjeta XBEE que le permite recibir la información. Esta
información se transmite de la XBEE a una interfaz gráfica. En el caso de la
aplicación 1, la interfaz está mediada por una computadora. La aplicación 2, tal
como se ve en la siguiente figura, emplea una pantalla uLCD 32PTU.
Figura 46. Esquema diseño dispositivo receptor, aplicación 2.
Dispositivo electrónico receptor
Sensar temperatura y Humedad
Microcontrolador
Arduino UNO
Xbee tarjeta
Inalámbrica
Pantalla uLCD
32PTUProgramación
Grabar
microSD
Interfaz
Gráfica
89
Figura 47. Aplicación 2.
Arduino
uno
Tarjeta
Inalámbrica
Interfaz
Grafica
uPic
16F876
Tarjeta
Inalámbrica
XBEE
Sensor de
Temperatura
(SHT75)
Alimentación
3.3 V-
240mAh
Aplicación Numero 2
uLCD 32ptu
4D Systems
XBEEXBEE
uPIC
SHT75
BATERIA DE LITHIUM
ARDUINO
uLCD
32PTU
ARDUINO + PANTALLA
USUARIO
FINAL
Grabar datos en
microSD
ARDUINO + SHIELD SD
TARJETA SD
La forma como se conecta esta segunda aplicación con el dispositivo emisor, se
encuentra relacionada en la figura 40. A partir de dicha representación gráfica se
obtiene que, a diferencia de la anterior aplicación, se accede a la información a
través de una interfaz en una pantalla LCD. El dispositivo de recepción necesita de
un cerebro encargado de coordinar las funciones de transmisión y grabado de la
información. En el caso de la aplicación 1 ese cerebro era el computador. En el caso
de la aplicación 2 se trata de un microcontrolador Arduino MEGA. El Arduino se
ensambla junto a la tarjeta XBEE que recibe la información transmitida por la XBEE
del dispositivo transmisor.
90
Figura 48. Microcontrolador Arduino UNO con tarjeta XBEE acoplada.
3.5. Visualización del proceso
La visualización del proceso depende de la aplicación. En la primera, los datos
reunidos por el microcontrolador y captados por la XBEE y la microSD en el acople
que se conecta al computador, son interpretados por una interfaz gráfica diseñada
en el programa Labview. Esta interfaz se elaboró y se perfeccionó hasta obtenerse
el resultado de la figura 41. En ella se aprecia, en la parte izquierda, la
representación gráfica de los datos de temperatura y humedad relativa captados.
En la parte de la derecha se muestra, como tal, la interfaz de interacción del usuario.
En ella es necesario ubicar el puerto USB en el cual se ha acoplado el dispositivo
compuesto por la XBEE y la tarjeta microSD. A continuación deben ajustarse los
datos de resolución de lectura (14 bits es la recomendada), y los bits para lectura
de temperatura (de 0 a 5) y humedad relativa (de 6 a 9).
91
Figura 49. Interfaz gráfica en Labview.
.
92
Para la segunda aplicación, el arduino MEGA recibe la información del sensor que
se acopla a una pantalla LCD. La pantalla escogida para ver la información captada
se muestra en la figura 42. En dicha pantalla se ha programado la aparición de una
interfaz gráfica que permite acceder y visualizar los datos de temperatura y
humedad captados por el acople del arduino y la tarjeta XBEE.
Figura 50. Pantalla uLCD 32 PTU.
Fuente: 4D Systems (2013).
La interfaz visible en la pantalla es totalmente amigable e intuitiva para que el
usuario final pueda entender cómo se leen los datos de temperatura y humedad.
Está interfaz consta de cuatro partes. La primera (figura 43), da la bienvenida a la
interfaz; la segunda (figura 44), ofrece el registro de los datos de temperatura; la
tercera (figura 45), registra los datos asociados a la humedad relativa; finalmente,
93
la cuarta parte (figura 46), da fin al proceso y permite volver a iniciar el registro y la
observación de los datos recibidos.
Figura 51. Interfaz gráfica. Parte 1: pantalla de bienvenida.
Figura 52. Interfaz gráfica. Parte 2: pantalla de temperatura.
Figura 53. Interfaz gráfica. Parte 3: pantalla humedad relativa.
94
Figura 54. Interfaz gráfica. Parte 4: pantalla de cierre.
3.6. Programación
Tal como se afirmó con anterioridad, el microcontrolador es elaborado con un diseño
que le hace cumplir ciertas funciones. En el caso del dispositivo elaborado, debe
cumplir con las funciones de leer la información proveída por el sensor de
temperatura y humedad, para luego transmitir dicha información a las pantallas e
interfaces gráficas que se presentarán al hablar del dispositivo receptor.
En la figura 47 se representan los elementos tomados en cuenta para la
programación de la interfaz gráfica realizada en el software Labview. En donde se
trabaja con los bloques de comunicación de tipo serial internos del programa y así
poder llegar a recibir los datos de la tarjeta XBEE conectada al computador.
Para garantizar el funcionamiento de esta programación, se configuró el
microcontrolador con un código en el que se registraron las funciones de transmisión
de la información. El código fuente de programación se muestra en el anexo 5.
95
La programación en el entorno Labview permite que tanto el programador como el
usuario final se sientan identificados con cada uno de los objetos que cumplen con
las funciones de recepción y visualización de los datos, esto es porque la
programación se realiza en forma gráfica. Tanto la programación como la interfaz
de usuario requieren de un sentido común para el desarrollo de la práctica.
96
Figura 55. Programación de la interfaz gráfica en Labview.
.
97
3.7. Grabación de datos
Para el acceso a los datos, se prevé la incorporación de una microSD para grabar
la información y acceder al historial de los datos captados por el sensor y
transmitidos al microcontrolador. En el caso de la aplicación 1, junto a la tarjeta
XBEE se debe insertar una tarjeta microSD al computador, cuya función es la de
grabar los datos recibidos desde el dispositivo transmisor a través del programa en
labview el cual lo genera de forma automática después de realizada la práctica y
cerrado el programa, dejando el archivo en la carpeta donde el usuario final quiera
colocar la información, para después acceder a ella. La microSD permite tener la
información detallada de lo captado por el sensor de temperatura y humedad, con
el fin de llegar a tener el histórico de los datos tomados sobre estas dos variables e
un archivo de tipo .txt. Dicho archivo puede tener acceso a través de cualquier
dispositivo de almacenamiento como una USB para dicha información, por medio
de un computador, para que así cualquier usuario ya pueda pasar los datos a una
tabla de Excel y poder graficar los mismos y hacer los análisis correspondientes al
proceso de esterilización del producto ya sea enlatado o en envase de vidrio.
En el caso de la aplicación 2, al Arduino MEGA también se acopla una tarjeta lectora
y escritora de microSD para acceder al archivo .txt del proceso llamado
PRUEBA.TXT en donde la tarjeta microSD debe estar conectada antes de empezar
la recepción de los datos desde el dispositivo electrónico, con la cual se garantiza
que los datos de temperatura y presión registrados sean grabados para su posterior
acceso de forma automática. De igual manera, el Arduino está conectado a una
98
pantalla en la que se visibiliza la información recibida. Ver anexo 14 Manual de
funcionamiento del dispositivo electrónico.
3.8. Diseño de la carcasa y selección de materiales.
Debido a que el circuito va a estar sometido a humedad por el producto a esterilizar
y a un promedio de temperatura aproximadamente entre 118 °C y 122 °C, es
necesario poder cubrir el circuito lo mejor posible a la intemperie de cualquier
obstáculo que impida no solo recibir y transmitir los datos de temperatura y humedad
relativa sino que pueda perdurar la vida útil del circuito para que ser utilizado durante
varias prácticas en la Autoclave.
Es por esto que se debe realizar un diseño de la carcasa adecuado para
contrarrestar golpes, conservar la inocuidad del producto a esterilizar, de tamaño lo
suficientemente pequeño para ser introducido en los envases enlatados y de vidrio,
que proteja el circuito de la humedad y la temperatura externa.
Una de las soluciones más practicas dentro de muchas opciones es una forma de
caja rectangular, con los bordes redondeados, en material de Teflón, que sea
mecanizado con una pared de espesor de 4 mm, que se pueda atornillar las partes
de la carcasa para realizar mantenimiento, limpieza del circuito y cambio de la
batería, donde cubra todo el circuito dejando dos aperturas una para el sensor, y la
otra para la antena de la tarjeta xbee.
99
A continuación se muestran los análisis de presión y temperatura que se realizaron
en un entorno virtual para el criterio de selección del material de Teflón de la carcasa
propuesta.
Figura 56. Geometría de la carcasa en 3D, secciones, y huecos.
TAPA
SUPERIOR
TAPA
INFERIOR
ANTENA XBEELED
CENSOR SHT75
En el anexo 16 se encuentran los planos de las partes para el mecanizado.
Tabla 9. Resumen de la geometría.
cantidad Unidad
volumen 10.889 mm³
Área superficial 15.494 mm²
Masa 21.882 mg
Delimitador de la carcasa
100
Esquina mínima {-4,- 4, 3}
Esquina máxima {47, 30, 17}
Tabla 10. Propiedades del material
Propiedad Valor
Descripción POLITETRAFLUORETILENO (Teflon 610)
Densidad 2.18 g/cm3
Módulo de elasticidad 25-35 MPa
Temperatura de trabajo -200/+260°C
Criterio de análisis por fallo Von mises
Alargamiento 250 – 350 %
Figura 57. Cargas y restricciones
101
Tabla 11. Resumen de la carga.
Descripción Tipo Definición
Carga 0 presión 0,17 MPa
Tabla 12. Resumen de la simulación.
Funciones básicas
Grados 1
Nx 59
Ny 40
Nz 17
Tamaño del elemento {0.879465, 0.879465, 0.879465}
Ajuste de resolución 15700
Espacio computacional de la carcasa
Min. esquina {-4.44291, -4.58798, 2.52587}
Max. esquina {47.4456, 30.5906, 17.4768}
UNIDADES
cantidad Unidad
longitud Mm
masa Mg
fuerza N
tiempo S
102
Figura 58. Resultado del análisis de desplazamiento.
El desplazamiento mínimo del material sometido a una presión de 25 psi máxima
es de 1.97047 e-08 mm y el desplazamiento máximo es de 1.1241 e-05mm esto
significa que debido a las características del material y a la forma física de la carcasa
no se deforma con la presión máxima sometida durante el proceso de esterilización
dentro de la autoclave, sin embargo con un espesor de pared de 4mm se evidencia
en la gráfica que en las esquinas es en donde el material empieza a ceder.
Figura 59. Resultado del análisis de Von Mises
103
Con una presión mínima de 0.0101159 MPa o 1.46 psi y una presión máxima de
0.584346 MPa o 84.7 el material empieza a ceder desde las esquinas a una presión
de 0.29 MPa o 42 psi, de acuerdo a los requerimientos que se necesitan para que
el material pueda soportar la presión dentro de la autoclave que están entre 18 psi
y 25 psi máximo se puede concluir que tanto el material, como el espesor de 4mm
son adecuados para cubrir el circuito y pueda censar y transmitir los datos de forma
normal sin afectar la lectura de los mismos.
Figura 60. Resultado del análisis térmico
Teniendo en cuenta que se aplican dos capas de pintura térmica sobre la carcasa,
el resultado máximo sobre la superficie es de 0,134642 en la escala Von Mises lo
cual significa que tanto la alrededor de la carcasa como en el interior pueden llegar
a soportar niveles de temperatura superiores a los 120°C sin afectar la temperatura
interna a la que pueden llegar a soportar los componente electrónicos adentro de la
carcasa.
104
Se sugiere que la carcasa tenga dos capas de pintura térmica, que es la que va a
ayudar a aislar el circuito de la temperatura a las que va a estar sometido durante
las prácticas.
La pintura térmica es un material a base de cerámica liquida la cual soporta
temperaturas de hasta 220 °C sin modificar sus propiedades, es lavable y
especialmente diseñada para exteriores debido a que es impermeabilizante. La
cerámica aislante tiene una conductividad térmica de 0,001 W / m / ºC y no es
combustible. Es utilizada en varios sectores industriales como por ejemplo en la
parte naval y aeroespacial. Con 1 mm de espesor de pintura térmica equivale a 6
cm de aislamiento de lana de roca, eliminado los puentes térmicos. (Askeland, 2001)
Figura 61. Pintura térmica sobre superficies a) turbina, b) tubería inoxidable,
c) interior de cuarto frio.
“Aunque el aluminio es un metal de alta conductividad térmica (λ= 204 W/m·ºC),
puede utilizarse como aislante en ciertas condiciones. Los aislantes de aluminio
consisten en varias capas delgadas unidas por otras láminas plegadas formando
algo parecido al cartón aligerado. Las pérdidas térmicas pueden ser por cambio de
estado (evaporación), por contacto (o convección) o por radiación (que crece con la
105
cuarta potencia de la diferencia de temperaturas), logrando el aluminio reflejar, y así
reducir, en un 97% las pérdidas por radiación térmica (tanto para enfriar protegiendo
del sol, como ante el frío, para conservar el calor interior), siendo esta propiedad
independiente del espesor de la capa de aluminio. Además el aluminio ofrece otra
ventaja, al ser totalmente estanco/impermeable, e impedir el paso de agua y aire,
bloqueando así las pérdidas por evaporación. El plegado de las láminas se encarga
de limitar la convección." (Askeland, 2001).
En el anexo 15 se encuentran los planos del diseño recomendado para la creación
de la carcasa*.
* Nota: Cabe aclarar que es necesario colocar empaques de material siliconado
para llegar a tener un cierre hermético entre las tapas, los huecos del sensor, Led,
y antena de la tarjeta Xbee.
3.9. Pruebas experimentales realizadas con el dispositivo en la autoclave.
Para realizar las pruebas del dispositivo y verificar que la toma de datos es real y
verídica se compararon los datos con un termómetro digital o patrón conectado en
la autoclave el cual cuenta con un certificado de calibración que está ubicado en la
carpeta de la Autoclave en el Laboratorio de Alimentos. La prueba se realiza
cerrando la Autoclave con el dispositivo en la parte interior y a continuación se
ingresa vapor durante determinado lapso de tiempo y a varias distancias con
respecto a la autoclave. A continuación se realiza una tabla de comparación de los
datos.
106
Tabla 13. Toma de datos del dispositivo inalámbrico
Termómetro
patrón
xDispositivo
electrónico
Diferencia o
error de
lectura
Longitud
Metros
(°C) °C-%humedad (%) 0,5 1 1.5 2.0 2.5 3
19 22-67 3% transmite transmite transmite transmite transmite Transmite
23 24-77 1% transmite transmite transmite transmite transmite Transmite
35 35-87 0% transmite transmite transmite transmite transmite no transmite
45 47-89 2% transmite transmite transmite transmite no transmite no transmite
57 59-94 2% transmite transmite transmite transmite no transmite no transmite
Lo que se puede concluir de la tabla anterior es que el dispositivo tiene un alcance
máximo de 2.0 metros en la transmisión de los datos de forma inalámbrica y sin
ningún obstáculo en el momento de realizar el laboratorio. Después de los dos
metros ya presenta demora en los tiempos de recepción de los mismos y además
por encima de los 35°C hay pérdida de la señal. Se debe tener en cuenta que las
pruebas se realizaron con el circuito al descubierto, o sea, sin la carcasa de
protección.
Tabla 14. Ficha técnica acerca de la carcasa en aluminio pintada.
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
Material Aluminio Tipo: 7050 SAE
Dimensiones 51X34X28mm
Presión Máxima 84.7 psi
Temperatura máxima 220°C con pintura térmica
Espesor de pared 4mm
Tipo de sujeción 4 Tornillos en la inferior
Tipo de empalme entre tapas Empaque siliconado
Peso de la carcasa 21.5 gr
Conductividad térmica 0,001 W/m/°C
107
En la anterior tabla se encuentran recopilados los datos del diseño acerca de la
carcasa después de los análisis de esfuerzos realizados y las características de la
pintura térmica sobre el material de aluminio mecanizado.
4. CONCLUSIONES
• Diseño de la automatización del proceso de esterilización a través del control
y supervisión en una Autoclave.
• Selección de instrumentos de censado y actuadores finales a través de
cálculos de acuerdo a los rangos de trabajo en la autoclave, con listado de
cotizaciones de proveedores.
• Realización de los planos físicos del tablero y distribución de los
componentes de alimentación, instrumentación y control del proceso en la
autoclave.
• Implementación de un dispositivo electrónico que censa la temperatura y la
humedad relativa con trasmisión inalámbrica y almacenamiento de datos del
producto esterilizado.
• Estandarización del proceso a través de la norma IEC 61131, con bloques
funcionales de cada una de las etapas del proceso de esterilización.
5. RECOMENDACIONES DE DISEÑO.
108
Con respecto a la aplicación para la automatización de la autoclave, se encuentra
que:
- Es necesario reutilizar el agua empleada para el proceso de esterilización,
colocando tubería en acero inoxidable a la salida de la autoclave a un tanque
de condensados, debido a que son más de 143 litros que se utilizan en el
momento de esterilizar productos en envase de vidrio.
- El tablero de control que se sugiere comprar para el montaje tanto de las
partes de control como de potencia debe ir en acero inoxidable, con
ventilación y empotrado a la pared, para evitar problemas de humedad,
corrosión por agua o vapor en el ambiente, y por limpieza tanto de los
productos objeto de estudio en el laboratorio como del espacio del mismo.
- Todas las válvulas de control que se sugieren en el listado de materiales
tienen un sistema de seguridad tanto manual como electrónica para su
apertura en el momento en que pueda existir dentro de la autoclave
sobrepresión.
- El proceso de esterilización se puede cumplir a plena cabalidad minimizando
en un 40% el tiempo de exposición de los productos en la etapa de
levantamiento o aumento de temperatura mayores o iguales a los 118°C,
debido a que hay productos que necesitan un punto más alto de
esterilización, siempre y cuando se garantice que el suministro de vapor que
ofrece la caldera no sea menor a una presión de 50 Psi. Para ello se sugiere
colocar trampas de vapor cada 5 metros en la línea principal de suministro,
aislar de mejor manera la misma y, por último, manejar las producciones de
109
forma no simultánea, o por lo menos evitarlo en las etapas que requieran de
vapor, generando así una secuencia de accionamientos de procesos y un
ciclo de producción general de la Planta de Operaciones Unitarias.
- Se puede reducir el tiempo de enfriamiento tanto para productos enlatados,
como para los de envase de vidrio en un 50%, siempre y cuando se pueda
llegar a utilizar agua refrigerante y se encuentre cercana a la temperatura,
para que el proceso culmine en un menor tiempo. De lo contrario ocasiona
retrasos hasta a veces excesivos en los tiempos de ejecución de dicha etapa
de hasta más 30 minutos. Se recomienda el mantenimiento anual,
mejoramiento encargado de mantener el agua refrigerante, a la menor
temperatura posible para así mantener la eficiencia en tiempo de producción
del sistema.
Con respecto al sensor inalámbrico de temperatura y humedad, se encuentra que:
- Para cualquiera de las dos aplicaciones se sugiere una tarjeta inalámbrica
Xbee de mayor potencia a la que se utilizó para hacer las pruebas de ensayo
y así llegar a transmitir los datos sin ninguna pérdida de la información en
tiempo real, mientras se está ejecutando el proceso de esterilización. El error
en promedio es de 2% con respecto a la PT100 ya instalada en la autoclave,
lo cual se considera que es un factor confiable en la lectura de la temperatura
que arroja el dispositivo electrónico debido a que no se necesita una presión
mayor en los datos.
110
- Se aconseja que cada vez que se utilice el dispositivo transmisor, se le haga
una limpieza exhaustiva debido a que la exposición del mismo a materiales
húmedos puede llegar a oxidar o a corroer de forma más rápida todos los
circuitos integrados del dispositivo.
- Todos los componentes electrónicos deben permanecer en un ambiente libre
de humedad, preferiblemente en una caja antes y después de ser utilizados
debido a que son componentes pequeños y son fáciles de perder y/o dañar.
- El mayor beneficio del dispositivo electrónico es enviar los datos en tiempo
real de la temperatura de forma inalámbrica, ya sea a la pantalla uLCD 32
PTU de 4D systems o para visualizar los datos en el computador a través de
la interfaz de usuario en Labview; esta segunda opción permite observar el
historial de los datos para que, de manera posterior a la práctica del
laboratorio, los estudiantes puedan hacer los cálculos correspondientes a la
esterilización del producto.
- Además, se tiene la forma de poder grabar el registro de los datos y acceder
a ellos a través de un archivo de tipo .txt de la práctica en el laboratorio a una
memoria microSD, si así lo desea el usuario. Este dispositivo va a medir los
datos de la temperatura y adicional a esto el porcentaje de humedad en el
interior del producto a esterilizar.
- Este dispositivo se diseña de tal forma que tiene las dimensiones (45.6 mm
X 34.8 mm) lo suficientemente pequeñas como para poder ser incorporado
en cualquier tipo de enlatado o envase de vidrio, al mismo tiempo tiene una
111
capa Antisolder la cual sirve para proteger las vías de cobre en la placa y los
componentes electrónicos en el caso que este expuesto a la humedad.
-
6. TRABAJOS FUTUROS.
Es preciso señalar que los dos diseños presentados en este documento no fueron
probados para su funcionamiento en conjunto. Esto quiere decir que no se ha
probado el funcionamiento integrado de ambas aplicaciones, debido al presupuesto
para la adquisición de los instrumentos así como los es para el PLC con
comunicación vía serial, y Ethernet/IP además del Factory TalkView y así lograr la
integración con el dispositivo electrónico. Sin embargo, es bastante probable que
ambas aplicaciones puedan desempeñar un trabajo integrado. Lo anterior debido a
que el sensor inalámbrico puede aportar los datos de temperatura y humedad que
permitirían tomar decisiones en el control de la autoclave, ya sea reduciendo la
temperatura para iniciar el proceso de enfriamiento o teniendo en cuenta la cantidad
de agua que ha sido empleada en el proceso. Si bien se trata de dos aplicaciones
completamente diferentes, ambas pueden integrarse para el desempeño de la
Planta Piloto de Operaciones Unitarias. Es por esto la justificación de esta
monografía de tal forma que puedan implementar en un futuro cercano la
automatización de la autoclave con toda la instrumentación propuesta en el diseño.
112
Como trabajo futuro se sugiere poder integrar todos los equipos que hay en
la planta de operaciones Unitarias incluyendo la caldera para llegar a tener
todo un sistema integrado y eficiente teniendo bases de datos de los
procesos realizados en el semestre.
Se sugiere que se pueda llegar a implementar a futuro con componentes de
superposición ó tecnología SMD el desarrollo del dispositivo electrónico de
tal forma que pueda cumplir las mismas funciones pero de un tamaño más
pequeño.
Se recomienda que para trabajos futuros en la línea principal de vapor cada
30 metros se coloquen trampas de vapor y una Bota, para que el vapor que
se condense pueda llegar a ser reutilizado y así ahorrar energía. Ademas de
automatizar la caldera y actualizando la instrumentación y control de la
misma.
Se recomienda hacer las pruebas finales con el dispositivo electrónico
ensamblado en la Autoclave, debido a que se podría llegar a dañar el circuito
de censado con algún mal manejo del mismo.
Verificación de la lectura del dispositivo electrónico sea la misma que hay en
el producto a esterilizar.
Verificar que la posición del sensor es la mas adecuada para la transmisión
de los datos, con la pruebas en el laboratorio.
Realizar encuestas finales sobre los operarios acerca del manejo del
dispositivo electrónico, y/o sugerencias.
113
7. BIBLIOGRAFÍA
Libros
A., S. S. (08 de 2012). Guía para el cálculo de válvulas. Cava Solera, Rubí, Barcelona.
Askeland, D. R. (2001). Ciencia e ingeniería de los materiales. España.: Thomson-Paraninfo.
Barrios Bermudez, E. F., & machado Buritica, M. J. (2005). Diseño e implementación de un
sistema de control semiautomatico en una marmita para la cocción de maíz en la
empresa Alimeco ltda. Bogotá: Universidad De La Salle.
Cañestro, F. (2007). TCAE en el servicio de esterilización. Editorial Vértice.
Creus Solé, A. (2011). Intrumentación Industrial (Octava ed., Vol. I). Mexico, ciudad de
mexico, Mexico: Alfaomega Grupo Editor, S. A. de C. V.
Garzón Gomez, N. M., & Duarte Quijano, J. P. (2004). Sistema de Monitoreo de variables
que influyen en el proceso de pasteurización de la leche. Bogotá: Universidad De La
Salle.
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temperatura en el proceso de secado del arroz. Bogotá: Universidad De La Salle.
GOMEZ GARZON, N. M., & DUARTE QUIJANO, J. P. (2004). SISTEMA DE MONITOREO DE
VARIABLES QUE INFLUYEN EN EL PROCESO. BOGOTA: LA SALLE.
Gutiérrez de Gamboa, S. (Octubre de 2001). Esterilización Autoclave. Recuperado el Mayo
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tiempo real de temperatura y humedad bajo invernadero. Bogotá: Univesidad De
La Salle.
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Obtenido de TLV compañia especialista en Vapor, calculos.:
http://www.tlv.com/global/LA/calculator/steam-valve-orifice-cv-kvs.html
Revistas
Piña, Alejandro. AIQUEL, Rafael. Proyecto Argos: Un SCADA en software libre. En:
4TO CONGRESO IBEROAMERICANO DE ESTUDIANTES DE INGENIERÍA
ELÉCTRICA (IV CIBELEC 2010) 5TAS JORNADAS DE INGENIERÍA
ELÉCTRICA (V JIELECTRIC 2010); 6 Páginas.
Otras fuentes de información
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115
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Devices, vol. ED-11, pp. 34–39.
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MBS 32 y MBS 33. Folleto técnico.
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EV210A. Especificaciones técnicas.
Energizer. (s.f.) Energizer CR2477 Lithium Coin. Product datasheet.
Kobold. (2008). Mini Bypass Level Indicator. Folleto técnico.
MCI Electronics. (2010). Guía del Usuario. XBEE Series 1. Santiago, Chile:
Ingeniería MCI Ltda.
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Systec The Autoclave Company. Manufactura de autoclaves. Process Engineering.
Recuperado de: . Sección: Process Engineering.
Acceso: 25-02-2014, 11:00 am.
116
8. LISTA DE ANEXOS.
Anexo 1. Estado inicial de la autoclave.
Anexo 2. Selección de marca y modelo de los equipos, instrumentos y sensores
de la autoclave.
Anexo 3. Instrumentos del dispositivo electrónico.
Anexo 4. Certificado de calibración sensor.
Anexo 5. Pruebas de acoplamiento del sensor de temperatura y humedad.
Anexo 6. Código fuente de programación del dispositivo inalámbrico.
Anexo 7. Cotizaciones de la instrumentación de la Autoclave.
Anexo 8. Programación del PLC integración en el CD adicional. Nombre del
archivo: PROYECTO_AUTOCLAVE_1 - Controller Organizer Listing.
Anexo 9. Planos de alimentación, instrumentación y control.
Anexo 10. Planos de conexión del dispositivo electrónico.
Anexo 11. Manual de funcionamiento del dispositivo electrónico.
Anexo 12. Planos de diseño de la carcasa
117
Anexo 1. Estado inicial de la autoclave
Fotografías tomadas a la autoclave para identificar sus condiciones actuales. En
bueno estado y funcionando.
a. b.
c. d.
Figuras a) Tablero de control, b) baliza, c) válvula de alivio y drenaje, d) válvula de
entrada de vapor on/off.
118
e. f.
g. h.
i. j.
Figuras. e) Rejilla, f) censor PT100, g) unidad de mantenimiento neumático, h)
unión galvanizada, i) válvulas de bola, j) válvulas de cortina en bronce.
119
Anexo 2. Selección de marca y modelo de los equipos, instrumentos y sensores de la Autoclave.
Tabla 15. COMPONENTES DE LA AUTOCLAVE.
ÍT
E
M
ÍTEM PRODUCTO VARIABLE VENTAJA DESVENTAJA
CRITERIO DE SELECCIÓN
APROBADO
NO
APROBADO
1
Sensor
PT100+ter
mopozo+tr
ansmisor
4-20mA
SITRANS TH100 two-wire
system (Pt100)
Temperatura
IP65,
compatible
con cualquier
pt100, 4 hilos
Solo transmisor
de señal 4-20
mA
x
pt100 con vaina en acero inoxidable
Instalado en
el equipo
precisión alta
0,05%
cable
apantallado
para evitar
ruido en la
señal
Ninguna
x
120
2
Transducto
r de
presión/ros
ca
1/2"NPT/tr
ansmisor
4-20mA
Transmisión de presión MBS 33
Presión
Ambientes de
extremas
temperaturas,
acero inox,
conexión
1/2"NPT.
Muy delicado a
golpes posible
ruptura de
membrana
x
Transmisión de presión ROUSMOUNT NMZ 45+C1
Ambiente
industrial
extremo,
transmisor
digital, salida
4-20mA, IP
66
Muy robusto
para la
aplicación
debido al rango
de trabajo
x
3
sensor de
Nivel x
rodillos
magnetico|
1/2"NPT|
Sensores magneto-resistivos
(MRS)
Nivel
De tipo
ON/OFF.
Fácil
instalación y
mantenimient
o. Señal de 0
- 24 VDC.
Indicador Led
de estado.
Plásticos para
humedad.
Temp max: -
20°C a
+200°C.
Se limitan a
transmitir el
nivel solo en
dos puntos del
tanque, esto
genera un error
grande en la
medición, en
consecuencia
provocaría
desperdicio de
agua.
x
121
NBK-M KOBOLD
Longitud de
medida: max
3 mts tipo
bypass.
Persian max:
300Lb. Temp:
-20°C a
+200°C.
Flanche 1/2".
Acero Inox.
Indicador por
rodillos.
Salida
análoga 4-
20mA.
Contactos en
los límites.
Costo
considerable
x
122
4
válvula
proporcion
al
Válvula de control SAMSON 3241-7 DWA
Flujo
Válvula de
control
SAMSON,
Modelo 3241,
Conexión 1/2"
NPT, ANSI
CLASS 250,
Material
cuerpo hierro
fundición
A126B, Cv 5
isoporcentual,
Materiales
internos:
Acero
inoxidable,
sellos clase
IV (metal-
metal),
lapeado,
empaqueta-
dura PTFE-
Carbono,
Bonet
estándar,
actuador
pneumático,
posicionador
electrónico.
Costo
considerable
X
123
5
Válvula de control BURKERT 2031
Separación
hermética
entre el fluido
y el
mecanismo
de acción
mediante
diafragma.
Acabado
superficial
lapeado.
Certificación
de calidad
FDA.
Posicionador
neumático de
tipo ON/OFF.
Temp max. -
10°C a
+130°C.
Presión max:
7 bar.
El tipo de
control es de
ON/OFF
X
6
Válvula de
tipo
ON/OFF
Flujo
Aplicación
vapor.
Diafragma
PTFE max
fiabilidad.
Cuerpo en
latón, asiento
en acero inox.
2/2 vías NC,
Temp max:
180°C. servo
accionada.
1/2" NPT.
Bobina
24VDC, 10W,
10bar, 185°C,
Ninguna
x
124
Válvula Solenoide 2/2 vias NC EV225B DANFOSS
IP65, Clip-On.
Conector
042N0156
IP65
7
Válvula solenoide ASCO 2/2 vias NC.
Conexión:
1/4" NPT.
Presión de
trabajo: 0-700
psi. Cuerpo:
Bronce.
Operación:
Normalmente
abierta.
Sellos: NBR.
Temperatura
máxima
fluido: 82ºC.
Uso: Servicio
General
El costo es más
considerable.
Mucho
consumo de
potencia. Poca
temp, de
trabajo.
x
125
8
Controlado
r lógico
Programabl
e
PLC ALLEN-BRADLEY L23E COMPACT QBFC1B
Control
16 int
digitales dc,
16 salidas
digitales tipo
transistor, 4
entradas
análogas
(para pt100 y
1 para sensor
de presión 4 a
20 ma y
nivel), 2
salidas
análogas,
puerto usb,
bornera
tonillo.
Alimentación
100 a 240
vac_puerto
rs232, puerto
de
comunicación
Ethernet para
pc.
Comunicación
hart 4-20 ma.
Trabajo
exclusivo para
la universidad
X
CPU 1214C,
CPU
compacta DC/
DC I/ O: 14 DI
24V dc; 10
DO 24 V dc; 2
AI 0 - 10VDC,
alimentación:
20, 4 - 28, 8 V
DC, Memoria
de programa/
No tiene todas
las entradas
suficientes para
el proceso, se
requiere
comprar más
módulos de
expansión.
x
126
PLC SIEMENS LOGO
datos 50 KB
Marca
SIEMENS
ANEXO 3.
Tabla 16. COMPONENTES DEL DISPOSITIVO ELECTRÓNICO.
ÍT
E
M
PRODUCTO VARIABLE
PRECIO
DÓLARES
VENTAJA DESVENTAJA
CRITERIO DE
SELECCIÓN
APROBADO
NO
APROBADO
1
Sensor digital SHT75
TEMPERATURA
%HUME-DAD
$85,00
SALIDA DIGITAL
TAMAÑO DEL
ENCAPSULADO
TEMPERATURA
MÁXIMA: -40°C a los
140°c
ERROR ± 3%
CALIBRADO
STANDBY
AUTOMÁTICO
COSTO MEDIO X
127
2
Sensor análogo LM35
TEMPERA-
TURA
$2,00
SALIDA ANÁLOGA
TAMAÑO TOP35
ERROR 10%
RANGO MÁXIMO DE
TEMP. 80°C
X
3 Sensor temperatura MLX90614
TEMPERA-
TURA
$21,00
ACONDICIONAMIENTO
DE LA SEÑAL HASTA
LOS 17 BITS
RANGO DE -40°C A
125°C
RESOLUCIÓN DE
0.02°C
SALIDA SMBUS = I2C
CHIP DE SILICIO CON
MEMBRANA
X
4
Micorocontrolador PIC 16f876A
PROCESO $5,00
MEMORIA ROM: 8Kb
MEMORIA RAM:
368X8bytes
PINES I/O: 22
FRECUENCIA: 20Mhz
PROGRAMACIÓN:
ICSP
ALIMENTACIÓN: 3,3V -
5V
MODULO PWM
PUERTO SERIAL
28 PINES
3 PUERTOS I/O
MUY SENSIBLE AL
RUIDO
X
128
5
Micorocontrolador ATMEGA 328P
PROCESO $20,00
32X8 REGISTROS DE
PROPÓSITO
GENERAL
FRECUENCIA DE 20
Mhz
ALIMENTACIÓN: 1.8 V
- 5.5V
TEMP: -40°C A 85°C
28 PINES PDIP
PUERTO SERIAL
USART
2KBYTES SRAM
1KBYTE EEPROM
COSTOS:
MICROCONTROLADOR
PROGRAMADOR
SOFTWARE DE
PROGRAMACIÓN
X
6
Batería de litio CR2477
ALIMENTACIÓN $2,00
VOLTAJE NOMINAL:
3.0V
CAPACIDAD TÍPICA:
1000 mAh
PESO: 3gr
POTENCIA:
198miliWatts
Temp: -30°C A 60°C
DESCARGA: <2%/AÑO
X
7
batería de litio 18650-25d
ALIMENTACIÓN $18,00
VOLTAJE NOMINAL:
3.7V
CAPACIDAD TÍPICA:
2500 mAh
PESO: 45gr
POTENCIA:
198miliWatts
Temp: -30°C A 80°C
DESCARGA: 0.2C,
2.75V
RECARGABLE
CILÍNDRICA, PESADA,
TAMAÑO GRANDE
MÁS COSTOSA.
X
129
8
Módulo inalámbrico Xbee S2
TRANSMISIÓN $75,00
COMUNICACIÓN
SERIAL
MODULO DE
COMUNICACIÓN RF
DISTANCIA INTERIOR:
30M
DISTANCIA
EXTERIOR: 100M
POTENCIA DE
TRANSMISIÓN: 63mW
TIEMPO DE RF:
250.000bps
ALIMENTACIÓN: 2.6V-
3.0V
CORRIENTE
NOMINAL: 217mA
FRECUENCIA: 2.4GHz
COSTO X
9
TRANSMISIÓN $45,00
COMUNICACIÓN UART
Y USB
COMUNICACIÓN
BLUETOOTH
DISTANCIA INTERIOR:
20M
DISTANCIA
EXTERIOR: 100M
POTENCIA DE
TRANSMISIÓN: 63mW
ALIMENTACIÓN: 3.0V
CORRIENTE NOMINAL
TRANSMITIENDO:
50mA
FRECUENCIA: 1.5GHz
POTENCIA DE
TRANSMISIÓN MUY
BAJA, ALTO
CONSUMO DE
ENERGÍA
TRANSMITIENDO
X
130
Módulo Bluetooth RN41
10
uLCD 32PTU 4D Systems
VISUALIZACIÓN $179,00
DIMENSIONES:
138mmX100mmX30mm
COMUNICACIÓN
SERIAL
RESOLUCIÓN:
240X320QVGA
GAMA COLORES: 65K
RGB
PANTALLA TOUCH
RESISTIVA
MEMORIA Micro SD.
ETC
SOFTWARE DE
LICENCIA LIBRE PARA
LA PROGRAMA-CIÓN
GRÁFICA
NECESARIAMENTE-TE
NECESITA EL
SOFTWARE 4D PARA
PROGRAMA-CIÓN
X
131
11
Pantalla LCD 2x16 r2zt28
VISUALIZACIÓN $17,00
DOS LÍNEAS DE 16
CARACTERES EN
PANTALLA
COMUNICACIÓN
SERIAL
LUZ LED
264 CARACTERES
ALIMENTACIÓN 5V
ECONÓMICO
TECNOLOGÍA DE
HACE MAS DE DIEZ
AÑOS, LÍNEA DE
CÓDIGO EXTENSA
PARA VISUALIZAR
LOS DATOS
X
12
Arduino SD Shield Sparkfun
GRABACIÓN $25,00
COMPATIBLE CON
CUALQUIER TARJETA
ARDUINO
COMUNICACIÓN A
TRAVÉS DE SPI O
SERIAL
ALIMENTACIÓN: 3.3V
ADAPTADOR PARA
microSD
X
Nota: todos los precios tienen una validez de un mes de acuerdo al valor del dólar e impuestos de importación sobre los mismos.
132
Anexo 5. Pruebas de acoplamiento del sensor de temperatura y humedad
Figura 62. Pruebas de acoplamiento.
Figura 63 a. Pruebas de acoplamiento.
133
Anexo 6. Código fuente de programación dispositivo sensor
Figura 64. Diagrama de flujo representación gráfica de la programación de
uControlador1.
Pre-Configuración
del uControlador
INICIO
Inicializa lectura del
SHTxx_init();
SHTxx_init();
output_high(pin_b0);
TRUE
Hay lectura del sensor???
Colocar el pin 0 del puerto b en 1
(LED ON)
sht_temperatura,
sht_humedad
Coloca el valor de la temperatura y la
humedad en los registros correspondientes.
Retardo de
500ms
printf(sht_temperatura, 223, sht_humedad);
Imprime el valor de los registros del
uControlador en pantalla
Llamado de todas las librerías Driver del PIC
Frecuencia de oscilador
Encendido de los Fuses De configuración
Configuración del puerto A como entrada.
Se incluye al programa la librería del sensor
Configuración del puerto de comunicación serial
FALSE
134
Código fuente del microcontrolador 1
#include <16F876a.h> //Llamado de todas las librerías Driver del PIC
#use delay (clock=4000000) //Frecuencia de oscilador
#fuses NOPROTECT,NOCPD,NOWDT,XT,NOBROWNOUT,NOLVP //Fuses configuración
/** Configuración del puerto ***/
#use standard_io (A)
#include //Librería para uso de sensor SHTxx
#use rs232(baud=9600, xmit=PIN_C6, rcv=PIN_C7, PARITY=N)
//////FUNCIÓN PRINCIPAL//////
void main () {
SHTxx_init(); //Inicialización del SHT71
while(true){
output_high(pin_b0);
/**Llamada a la función de lectura de la Temperatura y Humedad medidas
**/
SHTxx (sht_temperatura, sht_humedad);
delay_ms (500);
/** Representación en pantalla de los valores medidos por el sensor**/
printf("%f ", sht_temperatura);
printf("%f \r ", sht_humedad);
}
}
135
Código fuente del Microcontrolador 2.
Figura 65. Diagrama de flujo representación y explicación del código del
uControlador 2.
Pre-Configuración
del uControlador
INICIO
Variables
T=Temperatura
H= %humedad
D=temp+humedad
Inicializa lectura del
SHTxx_init();
SHTxx_init();
output_high(pin_b0);
TRUE
Hay lectura del sensor???
Colocar el pin 0 del puerto b en 1
(LED ON)
sht_temperatura=T;
sht_humedad=H;
D=(T*1000)+H;
Coloca el valor de la temperatura y la
humedad en los registros correspondientes.
Multiplica x 1000 y se suma el valor de H
printf("%ld \r",D);
Retardo de
300ms
Imprime el valor de los registros del
uControlador en pantalla
Llamado de todas las librerías Driver del PIC
Frecuencia de oscilador 40 MHz
Encendido de los Fuses De configuración
Configuración del puerto A como entrada.
Se incluye al programa la librería del sensor
Configuración del puerto de comunicación serial
Declaración de variables T. H y D
FALSE
Retardo de 300 milisegundos
136
Código fuente del microcontrolador 2
#include <16F876a.h> //Driver del PIC
#use delay(clock=4000000) //Frecuencia de
oscilador
#fuses NOPROTECT,NOCPD,NOWDT,XT,NOBROWNOUT,NOLVP //Fuses
configuración
/** Configuración del puerto ***/
#use standard_io (A)
/** Librerías C externas empleadas **/
#include //Librería para uso de sensor
SHTxx
#use rs232(baud=9600, xmit=PIN_C6, rcv=PIN_C7, PARITY=N)
//////FUNCIÓN PRINCIPAL//////
long D; //variable global de 64 bits para enviar dato
temp+humedad
int T; //variable global de tipo entero para temperatura
int H; //variable global de tipo entero para % Humedad
void main () {
SHTxx_init(); //Inicializa censado con el SHT71
while (true){
output_high(pin_b0); //enciende led
/** Llamada a la función de lectura de la Temperatura y
Humedad medidas **/
SHTxx (sht_temperatura, sht_humedad);
T=sht_temperatura; //guarda el dato en T
H=sht_humedad; //guarda el dato en H
D=(T*1000)+H; //guarda en D los datos de H y T
printf("%ld \r",D); //imprime datos en puerto serial variable
D
delay_ms (300);}} //retardo de 300 milisegundos
Código fuente de la Tarjeta Arduino MEGA.
#include
#include
#include
#include
137
#include
const int chipSelect = 53;
const byte ledCharSet[10] = {
B00111111,B00000110,B01011011,B01001111,B01100110,B01101101,B01111101,
B00000111,B01111111,B01101111
};
#ifndef TRUE
#define TRUE (1==1)
#define FALSE (TRUE)
#endif
#define LATCH 7
#define CLOCK 8
#define DATA 4
int T=0;
int H=0;
int SDMODE;
void setup() {
Serial.begin(9600); // abre el puerto serie, establece la
velocidad a 9600 bps
Serial1.begin(9600);
genieBegin (GENIE_SERIAL, 9600);
pinMode(LATCH, OUTPUT);
pinMode(CLOCK, OUTPUT);
pinMode(DATA, OUTPUT);
//////SD///////////
pinMode(chipSelect, OUTPUT);
if (!SD.begin(chipSelect)) {
SDMODE=0;
// don't do anything more:
return;
}
SDMODE=1;
}
void loop (void)
{
File dataFile = SD.open("Prueba.txt", FILE_WRITE);
genieWriteObject(GENIE_OBJ_FORM, 0 , 0);
while (1){
Adquisicion();
lcdUpdate();
delay(100);
}
}
138
void Adquisicion(){
if (Serial1.available())
{
int data = Serial1.parseInt(); //Receptor como numero entero.
data= Hum,Temp
if (data >= 1010 && data <= 9999){
T=data % 100; //MOD -> Cociente de la division
H=data / 100; //DIV -> Residuo de la division
}
if (data >= 10100){ // si la Hum es > 10% y Temp > 99 C
T=data % 1000;
H=data / 100;
}
}
}
void lcdUpdate(){
genieWriteObject(GENIE_OBJ_THERMOMETER,0,T);
genieWriteObject(GENIE_OBJ_METER,0,H);
genieWriteObject(GENIE_OBJ_LED_DIGITS,0,T);
genieWriteObject(GENIE_OBJ_LED_DIGITS,1,H);
//genieWriteObject(GENIE_OBJ_LED, 0, SDMODE);
File dataFile = SD.open("Prueba.txt", FILE_WRITE);
if(dataFile){
dataFile.print("Humedad Relativa: ");
dataFile.print(H);
dataFile.print(" ");
dataFile.print("Temperatura: ");
dataFile.println(T);
dataFile.close();
delay(1000);
}
}