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VII CONGRESO BOLIVARIANO DE INGENIERIA MECANICA
Cusco, 23 al 25 de Octubre del 2012
CONTROLE DE UMA AUTOCLAVE CLÍNICA UTILIZANDO CLP
José Maria Galvez1, Gilva Altair Rossi de Jesus2, Gleberson Marques Humia3
Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Minas Gerais. Av. Antonio Carlos 6627,
Pampulha, 31.270-901 Belo Horizonte, MG, Brasil. [email protected]
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Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Minas Gerais. Av. Antonio Carlos 6627,
Pampulha, 31.270-901 Belo Horizonte, MG, Brasil. [email protected]
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Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Minas Gerais. Av. Antonio Carlos 6627,
Pampulha, 31.270-901 Belo Horizonte, MG, Brasil. [email protected]
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RESUMO
Controle de temperatura é um dos processos encontrados com maior freqüência em ambientes industriais. Devido a
suas características não lineares e ao tempo morto geralmente existente na malha de controle, o controle de processos
térmicos ainda constitui um importante desafio para a comunidade técnica. Na área de saúde, a perfeita esterilização
do instrumental cirúrgico representa atualmente uma das grandes preocupações das nossas instituições. Isto devido
principalmente à grande variedade e gravidade das doenças infecto-contagiosas que atingem à nossa sociedade
moderna. Sistemas de esterilização de pequeno porte são freqüentemente utilizados em consultórios odontológicos,
em postos de saúde, em laboratórios de prótese dentaria, em clínicas veterinárias, etc. Em todos esses casos o ajuste
dos ciclos de esterilização é, em geral , realizado manualmente e por tentativas. Este trabalho está focado na
automação e no controle de temperatura de uma autoclave laboratorial utilizada na esterilização de instrumental
cirúrgico de um modo geral. Os objetivos principais do trabalho são o controle preciso da temperatura e a automação
do ciclo de esterilização. Neste caso, todos os parâmetros do ciclo de esterilização são totalmente definidos e
controlados por software desenvolvido e implementado num controlador lógico programável (CLP). Este artigo
apresenta o desenvolvimento e a implementação do sistema de temporização, automação e controle de temperatura
(STAC) para uma autoclave laboratorial utilizada na esterilização de instrumental cirúrgico. A montagem é
basicamente constituída de uma autoclave laboratorial, uma unidade de potência, um sistema de medição de
temperatura por termopar e um CLP utilizado como unidade de temporização, automação e controle. Um sistema de
supervisão básico foi também implementado no CLP de forma a poder monitorar todas as variáveis envolvidas no
processo. O sistema proposto permite o controle preciso de temperatura em toda a faixa de operação da autoclave
assim como a definição dos perfis (tempo-temperatura) de esterilização aplicados ao instrumental. Inicialmente, o
desenvolvimento do sistema baseado em controlador de lógica programável é apresentado. A seguir, alguns detalhes
importantes do projeto são mostrados. Finalmente, resultados experimentais e características de desempenho do
algoritmo de controle são apresentados.
PALAVRAS CHAVE: Automação, Mecatrônica, Automação de Autoclave, CLP
ÁREA TEMÁTICA PRINCIPAL: 19 Mecatrónica & Electromecánica & Automátic
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INTRODUÇÃO
Sistemas de esterilização de pequeno porte são geralmente utilizados em locais tais como consultórios odontológicos,
laboratórios próteses dentarias, clinicas veterinárias, etc. Em geral, a sua operação é efetuada manualmente o que
acarreta uma utilização pouco eficiente dos pontos de vista energético e de esterilização do equipamento. Este
trabalho apresenta o desenvolvimento e implementação de um sistema de automação para uma autoclave empregada
na esterilização de materiais cirúrgicos de uso clínico.
Como elemento de controle foi utilizado um controlador lógico programável (CLP) responsável pela supervisão,
seqüenciamento, temporização e controle do processo de esterilização. Como resultado o perfil de esterilização
poderá ser ajustado de acordo com o material a ser esterilizado melhorando desta forma a eficiência esterilizadora do
processo e diminuindo o seu consumo de energia.
TÉCNICAS DE ESTERILIZAÇÃO BASEADOS EM AUTOCLAVES – UMA BREVE REVISÃO
O processo de redução ou destruição de formas de microorganismos presentes: vírus, bactérias, fungos, protozoários,
esporos, para um aceitável nível de segurança e conhecido como processo de esterilização e pode ser físico, químico,
físico-químico. No caso de uma autoclave, o processo consiste num recipiente fechado onde água é aquecida, ficando
o vapor de água retido sob pressão, permitindo atingir elevadas temperaturas sem acontecer ebulição. O uso da
autoclave confere grande eficiência ao processo de esterilização. Realizado através da desnaturação protéica é
classificado como um método físico de esterilização por vapor saturado. O processo de esterilização a vapor
apresenta 3 fases: de remoção do ar, penetração do vapor e secagem. As autoclaves podem ser classificadas de
acordo com a forma de remoção do ar, dividindo-se em gravitacional e auto vácuo. Quanto aos processos, estes
podem ser divididos em: gravitacional, auto vácuo e esterilização rápida, sendo que este último pode ser realizado
em autoclave com qualquer tipo de remoção do ar.
No processo de Esterilização Gravitacional, o vapor é injetado forçando a saída do ar, em alguns casos o ar pode ser
removido através de uma bomba. A fase de secagem é limitada pela incapacidade de se remover o vapor
completamente do processo deixando alguma umidade residual.
No processo de Esterilização Alto Vácuo, o vapor entra na câmara interna em alta pressão com o ambiente em vácuo.
Na fase de secagem este processo é mais seguro que o gravitacional quanto ao problema da umidade devido à alta
capacidade de sucção do ar realizada pela bomba de vácuo.
No processo de Esterilização Rápida, existe uma pré-programação do ciclo de esterilização baseado no tipo de
autoclave e no tipo de carga. Neste caso, o ciclo tempo - temperatura específico é normalmente dividido em duas
fases: remoção do ar e esterilização. A fase de secagem não está incluída no ciclo. Os materiais em geral são
esterilizados sem invólucros e toma-se como regra geral que sempre estarão úmidos após o processo de esterilização
devendo, portanto, serem utilizados logo após o processamento e nunca armazenados. A Tabela 1 apresenta
temperaturas e tempos de esterilização sugeridos para diversos tipos de autoclave e tipos de carga.
Tabela 1. Exemplos de Parâmetros para Esterilização.
TIPO DE CARGA
AUTOCLAVE
Gravitacional
TEMP. TEMPO
•
•
132 ºC 3 min
metais, itens não porosos, sem lumes.
metais com lumes, itens porosos (plásticos e borrachas).
132 ºC 10 min
Pré Vácuo
132 ºC 3 min
• metais, itens não porosos, sem lumes.
• metais com lumes, itens porosos (plásticos e borrachas).
132 ºC 4 min
Vácuo Fracionado • metais, itens não porosos, sem lumes.
132 ºC 3 min
135 ºC 2 min
• metais com lumes, itens porosos
• plásticos e borrachas).
O CICLO DE ESTERILIZAÇÃO
O ciclo de esterilização pode ser dividido em quatro estágios. O primeiro é o tempo para aquecimento da câmara que
depende da eficiência da autoclave e do tamanho da carga na câmara. O segundo estágio é o tempo de penetração do
calor que depende principalmente do volume da cada frasco, e também da forma e das propriedades de transferência
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de calor dos frascos. O terceiro é o tempo de permanência na temperatura prescrita que depende do número de
microorganismos originalmente presentes no meio, do número fracionário do microorganismo presumidamente
presente após o aquecimento e da constante de velocidade de destruição térmica do microorganismo presumidamente
presente na temperatura prescrita. O quarto estágio é o tempo de resfriamento que depende do volume da carga na
câmara e da velocidade de perda de calor da própria autoclave.
O SISTEMA DE TEMPORIZAÇÃO, AUTOMAÇÃO E CONTROLE
No desenvolvimento do sistema de temporização, automação e controle de temperatura (STAC), foco deste trabalho,
diversas etapas foram cumpridas: Projeto, desenvolvimento e implementação da interface CLP/Autoclave. Testes
operacionais da interface CLP/Autoclave. Calibração dos sensores das variáveis de processo, isto é, temperatura e
pressão. Desenvolvimento e implementação do programa de supervisão e controle em linguagem Ladder do CLP.
Implementação controlador PID no CLP e sintonia dos parâmetros ganho proporcional, tempo integral, tempo
derivativo. E finalmente, implementação da interfase do módulo supervisor.
Características da Autoclave
A Autoclave objeto deste trabalho é fabricada pela empresa CRISTOFOLI - Indústria de Equipamentos
Odontológicos. A Figura 1 apresenta uma imagem da autoclave utilizada e a Tabela 2 as suas características
técnicas.
Fig. 1: A Autoclave.
Tabela 2. Características da Autoclave.
Fabricante:
Modelo de Autoclave:
Tipo:
Alimentação:
Válvula de Alívio de Pressão:
Controle:
CRISTOFOLI
Lister L – IV
Gravitacional
110V AC / 60Hz / 1200W
DANFOSS
LI 2013 ; 115V/ 9W – 40 ºC
Especificações Técnicas do CLP Utilizado - ZAP500
Diversas soluções para o hardware de supervisão e controle podem ser encontradas no mercado para o sistema de
esterilização proposto. Neste trabalho foi considerado conveniente a implementação de todas as funções de controle
requeridas em um único controlador lógico programável (CLP). Neste caso foi escolhido o sistema ZAP500 da HI-
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Tecnologia, mostrado na Figura 2. A solução adotada apresentou um elevado desempenho com um custo
relativamente baixo, tornando-a atraente do ponto de vista comercial.
Fig. 2: O CLP ZAP500.
O hardware do CLP utilizado é constituído pelo controlador industrial ZAP500-F530, o modulo MPB510, o módulo
de expansão ZEM530, o painel IHM (interfase homem-máquina), a fonte de alimentação (85-265 VAC / 24 VDC –
0,85A) e as portas de comunicação (RS232 e RS485). O CLP ZAP500 inclui no seu firmware 4 controladores PID
sintonizáveis. O sistema também inclui uma chave liga/desliga traseira, bornes para interface com o processo a ser
controlado, 8 chaves para simular sinais de entrada digitais, 8 led´s de sinalização de estado das saídas digitais, 2
potenciômetros para simulação de entradas analógicas, 1 saída analógica (em bornes), uma saída de freqüência
programável, 2 bornes de alimentação 24 VDC / 600 ma. A capacidade máxima do sistema é de 18 I/O digitais (10
entradas + 8 saídas) 5 I/O analógicos (4 entradas e 1 saída). Temperatura de operação 0 a 65 °C, temperatura de
armazenagem 25 a 75 °C, umidade relativa 5 a 95 % sem condensação, grau de proteção caixa IP20, dimensões
240(L) x 180(A) x 220(P) mm. As especificações elétricas do sistema de entradas e saídas (I/O) analógicas do
ZAP500 são resumidas na Tabela 3. As especificações elétricas do sistema de entradas e saídas (I/O) digitais do
ZAP500 são resumidas na Tabela 4.
Tabela 3. Sistema de E/S Analógicas do ZAP500.
8 ENTRADAS ANALÓGICAS (CAD – 12 bits)
Entrada
Tipo de Sinal
E0
0 -5 V
E1
0 -5 V
E2
0 -5 V
E3
0 -5 V
E4
0 -5 V
E5
0 -5 V
E6
0 -5 V
E7
0 -5 V
2 SAÏDAS ANALÓGICAS (CDA - 12 bits)
Saída
Tipo Sinal
S0
4 -2 0 m A
S1
4 -2 0 m A
CAD: Conversor Analógico - Digital
CDA: Conversor Digital - Analógico
Tabela 4. Sistema de E/S Digitais do ZAP500.
8 ENTRADAS DIGITAIS
Entrada
Tipo de Sinal
I0
24 V
I1
24 V
Saída
O10
O11
18 SAÍDAS DIGITAIS
Tipo de Sinal
24V
24V
5
I2
I3
I8
I9
I10
I11
24 V
24 V
24 V
24 V
Co nt ato Se co
Co nt ato Se co
O12
O13
O16
O17
O18
O19
O0 – O9
A Figura 3 apresenta a estrutura interna do CLP ZAP500.
Fig. 3: A Estrutura Interna do CLP ZAP500.
Interfase de Programação SPDSW
24V
24V
24V
24V
24V
2 -2 0 0 0 Hz, 2 4 V
HMI ( L ed s)
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Neste trabalho, a programação de todas as funções do sistema foi realizada no ambiente SPDSW – Sistema para
Programação, Documentação e Supervisão para Windows dos controladores em ambiente Windows. O SPDSW é o
ambiente de software desenvolvido para a configuração, programação, depuração, documentação de programas, e
supervisão dos controladores da HI-Tecnologia.
O ambiente de programação do ZAP500 inclui um editor de linguagem Ladder, um compilador, uma ferramenta de
depuração e um hipertexto de ajuda. O editor Ladder é capaz de manipular variáveis do tipo binário (R), inteiro (M)
e real (D) assim como dois tipos de constantes: inteiras (K) e reais (Q). As entradas do CLP são definidas como
digitais (I) e analógicas (E). Finalmente, as saídas podem ser definidas como digitais (O) e analógicas (S). Três tipos
de blocos podem ser definidos através do parâmetro T (parâmetro identificador de blocos): BLK, PID ou MSG.
Além das funções / blocos padrão, também encontrados em outros CLP’s do mesmo porte (tais como: blocos
básicos, de movimento de memória, de comparação de variáveis, de controle de fluxo, etc), o pacote também inclui
uma biblioteca complementar de funções matemáticas e especiais que permitiram a implementação das funções mais
complexas do sistema STAC. A Figura 4 apresenta a tela padrão do editor de linguagem Ladder.
Fig. 4: Imagem do Editor Ladder utilizado.
Integrado em um único aplicativo, o SPDSW oferece todos os recursos encontrados nos pacotes de programação para
CLP’s de grande porte, incluindo edição e depuração de programas Ladder, monitoramento on-line de variáveis e
completa integração com as IHM´s (interfaces homem máquina) da HI-Tecnologia.
O SPDSW possui “help” de hipertexto com links para todas as opções dos menus e telas do ambiente, acesso aos
controladores via porta serial RS232-C padrão, gerador de código otimizado, editor Ladder e depurador simultâneo.
A IHM opera independente do editor Ladder, podendo estar ativa durante a depuração, rastreando automaticamente
as mensagens das variáveis do cursor.
Sistema HITOOLS
A supervisão e monitoramento de variáveis do sistema de temporização, automação e controle de temperatura
(STAC) objetivo deste trabalho foram efetuados utilizando o módulo HITOOLS da HI-Tecnologia. O sistema
HITOOLS atua como uma ferramenta de suporte para a linha de controladores da HI-Tecnologia. Este ambiente
opera em ambiente Windows 95/98/2000 e NT. O HITOOLS é um ambiente destinado a prover recursos para
configuração, supervisão e testes de aplicações para os controladores da HI-Tecnologia. É possível programar e
supervisionar contatos auxiliares (R), memórias inteiras (M) e memórias reais (D) através da tela "Dump” de
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variáveis. Escrever em memórias tipo M ou D definindo valores em unidade de engenharia, atuar e visualizar
contatos e bits de memórias (M) através de telas de led's configuráveis, visualizar até 4 valores de memórias (M ou
D) em unidade de engenharia através de tela de “Trend” on-line. A Figura 5 mostra uma vista geral da montagem
final do sistema.
Fig. 5: Montagem CLP - Interface - Autoclave.
A Figura 6 apresenta uma tela do sistema supervisório implementado em MS Excel mostrando a curva de resposta da
temperatura interna controlada pelo sistema.
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Fig. 6: Sistema Supervisório Implementado em MS Excel.
COMENTÁRIOS FINAIS E CONCLUSÕES
Este trabalho apresentou um projeto simples, confiável, de fácil operação e de baixo custo para a automação de uma
autoclave para uso laboratorial. A interface eletrônica projetada e montada com o intuito de promover a ligação entre
o PLC e a autoclave funcionou dentro das expectativas de projeto atendendo de forma satisfatória a sua finalidade.
Desvios de 0,49ºC e 0,79ºC (0,39% e 0,63% respectivamente.) foram obtidos com o circuito transmissor utilizado,
relativos à leitura da temperatura obtida com o termômetro / manômetro versus a leitura fornecida pelo circuito
transmissor / PLC. Pode-se considerar que estes desvios são muito pequenos se comparados com a ordem de
grandeza dos valores de temperaturas usados no processo.
O ambiente de programação permitiu o desenvolvimento, em linguagem Ladder, de um programa simples, pequeno e
altamente robusto, além de permitir uma interface simples e amigável entre o operador e o equipamento através da
IHM do sistema. De forma a melhorar a qualidade dos dados lidos pelo CLP, um filtro passa baixa foi implementado
no programa em linguagem Ladder, nesse caso, dado que a planta é relativamente lenta, a perda de alguns segundos
no processamento do valor lido de temperatura não afetou o desempenho do sistema. O programa desenvolvido
também inclui rotinas de segurança que permitem a operação segura do equipamento minimizando riscos existentes
no processo envolvendo vasos de pressão.
Finalmente, pode-se afirmar que, nos atuais valores de mercado, a utilização de controladores lógicos programáveis
na automação de pequenos processos é totalmente viável e concorre com vantagens, econômicas e técnicas, com
outras possíveis soluções de hardware encontradas no mercado.
REFERÊNCIAS
1.
Bazanella, A. S., Silva, J.M.G., Ajuste de Controladores PID, disponível em:
< http://www.ece.ufrgs.br/~jmgomes/pid/Apostila/apostila/>
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2.
3.
4.
5.
6.
CIH, H. et al., Processos de Esterilização: Autoclaves, disponível em:
<http://www.cih.com.br/esterilizacao.htm#l3>
HI-Tecnologia, Controladores Industriais, disponível em: <htpp://www.hitecnologia.com.br>.
Ogata, K., Engenharia de controle moderno. 3. ed. Rio de Janeiro: Prentice-Hall do Brasil, c1998.
Spandri, R., Sintonia de Controladores Regulatórios. Disponível em:
<http://www2.petrobras.com.br/tecnologia2/port/boletim_tecnico/v46_n3-4_jul-dez2003/pdf/17_sintoniaPID2_GS.pdf >
UFSC, Universidade Federal de Santa Catarina - Engenharia Bioquímica, Meios de Cultura. Disponível em:
<http://www.enq.ufsc.br/labs/probio/disc_eng_bioq/trabalhos _pos2004/meios_cultura/Site_Trab.htm>
AGRADECIMENTOS
À FAPEMIG pelo apoio financeiro na realização deste trabalho.