automatismos industriales

Control Automático

Ing. Roberto Rocha MSc.

UNIVERSIDAD TECNICA DEL NORTE

FACULTAD EN CIENCIAS APLICADAS

CARRERA DE INGENIERIA TEXTIL

AUTOMATISMOS INDUSTRIALES.

Control Automático

La automatización industrial se refiere al uso de sistemas mecánicos, eléctricos o computarizados para el control

de procesos y sistemas industriales, de forma que se reduzcan los requerimientos en cuanto a capacidades e

intervenciones humanas.

El objetivo fundamental de la automatización de un proceso es:

La incorporación de elementos que controlen el funcionamiento de la instalación, de la máquina o del

sistema en general.

Con el fin de:

• Reducir los costes de producción.

• Suprimir tareas penosas o inseguras.

• Realizar tareas imposibles de controlar intelectualmente.

• Simplificar el mantenimiento del proceso productivo integrando gestión y producción.

INTRODUCCIÓN.


Control Automático

PLC’s (Programmable Logic Controller),

Controlador lógico programable.

ESTRUCTURA DE LOS SISTEMAS AUTOMATIZADOS.

Fig. PLC’s.

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition),

Supervisión, control y adquisición de datos.

Fig. SCADA.


Control Automático

Un sistema automatizado consta de dos partes principales:

• Una parte de mando

• Una parte operativa.

La parte operativa: Agrupa accionadores y captadores o sensores, actúa directamente sobre el proceso para

conducirlo al estado deseado.

La parte de mando: Coordina las acciones de la parte operativa.

ESTRUCTURA DE LOS SISTEMAS AUTOMATIZADOS.

Pan

el d

e

Man

do

PC

+ S

CA

DA

Control

Lógico Cableada

PLC’s

PC + Tarjeta de E/S

Microcontroladores

Reguladores

Proceso

Oper

ador Accionadores

Sensores

Parte de Mando Parte de Operativa

Fig. Esquema general de un sistema automatizado.


Control Automático

PROCESOS CONTINUOS.

Los procesos continuos se caracterizan porque el

producto final esta constituido por un material

caracterizado por magnitudes continuas. En estos

proceso, es necesario el empleo de variables

analógicas para la medición y el control. De

forma general, el objetivo es que una o un

conjunto de varias variables continuas del proceso

alcancen valores especificados por otras de

referencias.

PROCESOS INDUSTRIALES.

Fig. Proceso industriales continuos.

El proceso no se detiene las diversas partes de la

estructura de un proceso en general siempre esta

recibiendo una alimentación continua y de igual

manera están lanzando un producto en forma

continua


Control Automático

PROCESOS DISCRETOS.

Los procesos discretos pueden descomponerse en una

secuencia de estados delimitados por eventos. En estos casos,

el producto a la salida es el resultado de una serie de

transformaciones u operaciones (estados), de realización

secuencial. De forma general, un estado solo puede adquirir

un conjunto de valores (activo o inactivo).

Un ejemplo de proceso discreto es el transporte de una pieza

sobre una cinta transportadora desde un punto de origen a otro

de manipulado. El proceso de transporte puede descomponerse

en la siguiente serie de estados:

• Detección de presencia de la pieza en la posición de origen

y puesta en marcha de la cinta.

• Detección de presencia en destino, parada de la cinta.

• Evacuación de la pieza para manipulado.

PROCESOS INDUSTRIALES.

Fig. Peinadora textil.

Fig. Proceso industriales discretos.


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La realización física de los automatismos ha dependido, desde el inicio de estos, del desarrollo de las tecnologías

asociadas. En las ultimas décadas las tecnologías cableadas ha sido sustituidas por las tecnologías programadas.

TECNOLOGÍAS PARA LA AUTOMATIZACIÓN.

Fig. Tecnologías para la automatización.

TECNOLOGÍAS PARA LA AUTOMATIZACIÓN

TECNOLOGÍAS CABLEADAS TECNOLOGÍAS PROGRAMADAS

Neumática

Mecánica

Autómatas

ProgramablesHidráulicaEléctrica

ElectrónicaMicroprocesadores Microcontroladores

PCs

industriales


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TECNOLOGÍAS CABLEADAS.

Los primeros controladores de sistemas discretos se diseñaron con

base en la aplicación de tecnologías cableadas, dando lugar a los

denominados automatismos cableados. Las tecnologías neumáticas

y electromagnéticas fueron las mas utilizadas en esta etapa.

En los automatismos de lógica cableada, los elementos que

constituyen la unidad de control. Las tecnologías cableadas se

caracterizan por:

• Requieren de amplios espacios para su instalación,

• Son escasamente flexibles y su mantenimiento es costosos.

• Su empleo es no es recomendado para la materialización de

funciones control, complejas.

• Es utilizado en sistemas de control simples y/o accionamiento de

elevada potencia.


Fig. Automatismo basado en lógica cableada.


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TECNOLOGÍAS PROGRAMADAS.

El desarrollo durante las ultimas décadas de los microprocesadores

ha favorecido el uso extendido de las tecnologías programadas en la

realización de automatismos. Los dispositivos utilizados en esta

tecnología son:

• Los ordenadores o PCs industriales.

• Los microprocesadores.

• Los microcontroladores.

• Los autómatas programables.


Fig. Controlador Lógico Programable PLC’s.


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TECNOLOGÍAS PROGRAMADAS.

Estos dispositivos destacan por su capacidad de ejecutar algoritmos

y pueden estar dotados de entradas y salidas tanto analógicas como

digitales. Las tecnologías programadas se caracterizan por:

• Los sistemas programados son flexibles

• No precisan del espacio que precisan las tecnologías cableadas.

• Soluciones efectivas en aplicaciones de un grado de complejidad

medio-alto.

• Su mantenimiento es sencillo pero la complejidad y coste del

diseño y puesta en marcha no les hace recomendables para el

caso de aplicaciones simples.




Control Automático

INTRODUCCIÓN.

Un autómata programable industrial o PLC es un equipo electrónico

programable que puede almacenar una secuencia de ordenes

(programa) y ejecutarla de forma cíclica con el fin de controlar una

tarea en tiempo real, generalmente en el contexto de un proceso

industrial.

El autómata programable es un elemento robusto, diseñado

especialmente para trabajar en ambientes difíciles. Presenta una

arquitectura muy similar a la de un ordenador, este esta diseñado

con múltiples entradas y salidas que conectan el dispositivo a

sensores y actuadores.

Un PLC puede soportar temperaturas extremas, presenta inmunidad

frente al ruido eléctrico y tiene gran resistencia a las vibraciones y a

los impactos.

AUTÓMATAS PROGRAMABLES.



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CLASIFICACIÓN DE LOS AUTÓMATAS PROGRAMABLES.

Los autómatas programables pueden clasificarse de muchas maneras

como por ejemplo: su capacidad, el aspecto físico, funciones y otros

aspectos de menor relevancia. Es frecuente clasificar los autómatas en

base a su capacidad de entradas y salidas y a su diseño, modular o

compacto.

Considerando las entradas y salidas (E/S) de un autómata

programable se clasifica en:

• Micro-autómatas, empleados en aplicaciones que requieren hasta

32 E/S.

• Autómatas pequeños, capaces de controlar desde 32 a 128 E/S.

• Autómatas de tipo medio, que controlan desde 64 a 1024 E/S.

• Autómatas grandes, que aceptan desde 512 a 4096 E/S.

• Autómatas muy grandes, con capacidad de controlar desde 2084

E/S.


Fig. Autómata programable.


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VENTAJAS DE LOS AUTÓMATAS PROGRAMABLES.

A pesar de que el empleo de autómatas programables para el control de procesos requiere de un personal

técnico debidamente formado y de que la inversión inicial puede ser significativa, las ventajas que presentan les

hace recomendables en proyectos de automatización con grado de complejidad medio-alto.

Entre las ventajas están:

• La disminución en el tiempo de elaboración de proyectos.

• Facilidad para modificar la lógica de control existente

• Posibilidad de empleo de interfaces de operador interactivas.

• Posibilidad de monitorización y reparación online.

• Escasos requerimientos de espacio.

• El poco coste de mano de obra y mantenimiento.

• Menor tiempo puesta en marcha.



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VENTAJAS DE LOS AUTÓMATAS PROGRAMABLES.

En cuanto a seguridad, los autómatas programables destacan por su

capacidad de autodiagnóstico para la localización de fallas en el equipo

y por la robustez y baja tasa de averías, puesto que los componentes

pueden operar varios años sin fallos.

Finalmente, gracias a las capacidades computacionales de los autómatas

pueden implantarse algoritmos de control sofisticados.

“Algoritmo: Conjunto ordenado de operaciones sistemáticas que permite

hacer un cálculo y hallar la solución de un tipo de problemas.”


Fig. Ejemplo de algoritmo.


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ARQUITECTURA DE UN AUTÓMATA PROGRAMABLE.

La estructura externa básica de un autómata programable se ilustra en la figura. En los autómatas compactos,

todos los elementos estarán dispuestos en un solo bloque mientras que en los sistemas modulares, se dividen en

módulos o partes.


Fig. Estructura de un autómata programable.


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FUENTE DE ALIMENTACIÓN.

El dispositivo de alimentación proporciona las tensiones

continuas exigidas para el funcionamiento de los distintos

componentes del sistema, a partir de la energía eléctrica

suministrada por la red de alimentación. La fuente de

alimentación puede proporcionar tensiones en continua (24

VDC) o alterna (110/120).

En los autómatas compactos, la fuente de alimentación suele

encontrase integrada en el mismo modulo que la CPU. En los

autómatas modulares, a fuente, como accesorio

independiente, debe estar correctamente dimensionada para

alimentar a todos los componentes conectados. En ocasiones, la

fuente de alimentación puede incorporar una batería de reserva.


Fig. Autómata compacto (1) y un autómata

modular (2).

1

2


Control Automático

ARQUITECTURA DE UN AUTÓMATA

PROGRAMABLE.

UNIDAD CENTRAL DE PROCESO.

La unidad central de proceso o CPU, interpreta las

instrucciones contenidas en el programa almacenado

en la memoria y deduce las operaciones a realizar.

Es el componente mas completo del autómata. Recibe

información por medio de la consola de programación

(instrucciones del operario) y de los módulos de

entrada. Tras procesarla y ejecutar el programa de

control, envía los comandos resultantes al módulos de

salidas. En su memoria se encuentra residente el

programa destinado a controlar el proceso.

En la CPU se alojan las memorias del sistema. Por ello,

los dispositivos de programación se conectan

directamente a la unidad central de proceso CPU.


Fig. Estructura básica de la CPU para el

autómata Omron CJ1M (autómata modular)


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MEMORIA.

La memoria de un autómata programable contiene los componentes electrónicos que permiten memorizar los

datos del proceso y del sistema de control.


DATOS DE

PROCESO

Provienen de las

entradas y salidas

(E/S)

SISTEMA DE

CONTROL

Conformados por variables internas: los

datos alfanuméricos y las constantes, las

instrucciones de usuario (programa) y la

configuración (modo de funcionamiento ,

numero de entradas y salidas conectadas,

etc.).

TIPOS DE

DATOS


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MEMORIA.

Según la tecnología empleada, pueden encontrarse diversos tipos de memoria. Las memorias no volátiles, puesto

que soportan fallos de alimentación, se emplean para almacenar el programa de usuario.


Memoria de un PLC

Lectura/Escritura Solo Lectura

RAM FlashROM EEPROMEPROM

Reprogramables.

Alterables por medios

electrónicos. No volátil

VolátilNo Reprogramable

No volátilReprogramables

Borrado por ultravioletas

No volátil

No Volátil

Fig. Memorias comúnmente empleadas en PLCs.


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ARQUITECTURA DE UN AUTÓMATA

PROGRAMABLE.

MEMORIA.

El firmware es el sistema operativo que le permite realizar al

PLC las funciones básicas. Este programa viene provisto

de fabrica y en algunos modelos puede ser actualizado con

versiones posteriores. Debe permanecer inalterable a

través del tiempo y también ante la ausencia de

alimentación eléctrica al equipo.

Además, debe ser inmune a cambios accidentales que pueda

originar el programador. Esto conlleva la necesidad de una

memoria con capacidad de almacenamiento permanente.

Por lo general, la memoria utilizada para esta área es del

tipo de tecnología flash. En estas memorias, su borrado y

reescritura se puede hacer mediante señales eléctricas en

determinados pines del chip.


Fig. Pasos para configuración de un PLC siemens.

1 2

3

4

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MEMORIA.


Memorias

RAM

Si bien son no volátiles, disponen de una alta velocidad de

intercambio de información. Para evitar el borrado al desconectar

la alimentación del PLC, se la usa con baterías tampón que

mantienen energizada la memoria durante un tiempo prolongado.

Memorias

EPROM y

EEPROM

Para almacenar en forma permanente la aplicación. Estas copian su

contenido a otra memoria RAM al momento de energizar el PLC.

Para grabar estas ultimas, en la mayoría de los casos, hay que utilizar

un accesorio especial que se conecta a un puerto de comunicación

de la CPU.

PROGRAMA

DE

APLICACIÓN

Para las ÁREAS DE DATOS se requiere otra condición, las memorias deben permitir una lectura y

escritura ultra rápida. La velocidad de estas operaciones de ingreso y consulta de datos juegan

un rol fundamental en la velocidad de operaciones del PLC. La memoria empleada para este caso

es también de tecnología RAM.


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MÓDULOS DE ENTRADAS Y SALIDAS.

Los módulos de entradas y salidas establecen la comunicación entre la unidad central de proceso y los

sensores y actuadores. Cada uno de estos esta dotado de un numero de entradas y/o salidas.


Fig. Componentes de un automatismo.

El PLC realiza las acciones de control

mediante sus entradas y salidas. Las

entradas vigilan las señales de los

dispositivos de campo por ejemplo

sensores e interruptores, mientras que

las salidas comandan las bombas,

motores u otros actuadores.


Control Automático




Las entradas y salidas son las partes del controlador

programable que lo vinculan con el campo.

Como se menciono, su función:

• Adaptar las señales de los captadores para que

puedan ser reconocidas por la CPU en el caso

de las entradas.

• Activar un elemento de potencia ante una

orden de la CPU en el caso de las salidas.

Fig. Componentes de un automatismo.


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Debido a que no todas las señales de campo son iguales, existen interfaces de E/S para los tipos de señales

eléctricas mas comunes. Los canales de entrada o salida se pueden clasificar de la siguiente manera:

DigitalesTambién llamadas on/off o discretas, pueden tomar

solo dos estados, 0 y 1.

Analógicas

Pueden tomar una cantidad de estados dentro de un

cierto rango de tensión o corriente, por ejemplo, 4 a

20 mA, 0 a 10 V.

CLASIFICACIÓN

DE LAS

ENTRADAS Y

SALIDAS.


Control Automático




Módulos de

entradas

digitales

Cada entrada esta activada (estado 1) o desestibado (estado

0). Se utiliza frecuentemente en entradas digitales la corriente

directa DC. Estos módulos se conectan fácilmente a

dispositivos electrónicos como sensores fotoeléctricos o de

proximidad.

Módulos de

entradas

análogas

Estos módulos incorporan en la circuitería interna un

convertidor analógico digital (ADC). Un ejemplo de sensor

conectable a un modulo de entradas analógicas es el que mide

temperatura.

MÓDULOS

DE

ENTRADAS

Los bornes de

conexión de

estos módulos

de entrada

están

conectadas a

las señales que

generan los

sensores.


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Módulos de

salidas digitales

Las salidas digitales transportan tan solo dos niveles diferentes

de energía para manipular al actuador que corresponde, estado

activo y estado inactivo.

Módulos de

salidas

análogas

Las salidas analógicas son usadas en aplicaciones en las que el

control de dispositivos requiere niveles continuos de tensión

o de corriente. Estos módulos integran un convertidor digital

analógico (DAC) en su estructura interna. El concepto de

funcionamiento es el inverso al de una entrada analógica. En

este caso, la CPU emite un numero binario que se convierte

en una señal analógica de corriente o tensión.

MÓDULOS

DE SALIDAS

Transmiten las

señales que

manipulan los

actuadores, que

tienen como

misión

manipular el

proceso

sometido a

automatización.


Control Automático



SEÑALES ANALÓGICAS.


Los PLC pueden procesar señales analógicas solo de

índole eléctrica. Si la variable de proceso que se desea

tomar es una presión, esta se deberá convertir a una señal

eléctrica mediante un dispositivo llamado transductor o

transmisor.

Suponiendo que la variable de proceso varia entre 0 y 10

bar, se puede utilizar un transmisor P/I con salida 4 a 20

mA, que cuando reciba 0 bar entregue 4 mA y cuando

reciba 10 bar entregue 20 mA. Si su respuesta es lineal,

sus valores intermedios serán proporcionales, obteniéndose,

por ejemplo, 12 mA cuando se detecte 5 bar de presión.

El hecho de obtener una corriente mínima mayor que cero

cuando la presión es cero, permite detectar un corte de

cableado, falla en la fuente del instrumento, etc.

Fig. Conversión de una variable analógica de proceso a una

señal analógica eléctrica.


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Internamente el PLC maneja únicamente dos estados

lógicos 0 y 1, (0-1/on-off/si-no), por lo tanto la única

manera que el PLC posee para trabajar con valores

analógicos es que estos se representen por números en

formato binario, es decir, por combinaciones de ceros y

unos. Por lo mencionado, la función principal de una

entrada analógica es convertir la señal eléctrica aplicada

a un número binario, utilizando para ello un conversor

analógico digital (AID).

Si ahora consideramos que un PLC trabaja con 8 bits (de

00000000 a 11111111 ), cabe aclarar que 1 bit equivale a

un digito binario, entonces entenderá Bn = 28 = 256

valores (entre 000 y 255).




Control Automático





Si se utilizan 12 bits, se pueden lograr Bn = 212 = 4096

valores diferentes. Una entrada analógica de 12 bits

podrá dividir entonces el rango 4 a 20 mA en 4096

partes, por lo que su resolución será (20 mA -

4mA)/4096 = 3,9 µA, o bien, siguiendo el ejemplo

anterior de una presión de 0 a 10 bar (10 bar/4096) =

2,44 mbar.

El valor de la conversión A/D se almacena en la

memoria como una palabra binaria de 16 bits, en la

cual el bit mas significativo o de mayor peso se usa

para determinar si el valor es positivo o negativo. Si

este bit es igual a 0, el valor es positivo, sino es

negativo.




Control Automático





Se observa en la figura a) la

estructura de la palabra de

16 bits cuando el conversor

A/D tiene una resolución de

12 bits. Como se puede

apreciar, los bits de menor

peso se rellenan con ceros

para completar el tamaño de la

palabra. Esto determina los

valores decimales mostrados

en la curva de la figura b),

que serán los que en definitiva

se utilicen en el programa del

PLC.

Fig. Estructura de la palara binaria y curva con valores decimales para una entrada de 0 a

20 mA con un conversor de 12 bits.


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PROGRAMACIÓN.


Una de las mayores virtudes de los PLC es que

se pueden adaptar a gran cantidad de

aplicaciones y es posible efectuar

modificaciones en su programa una vez ya

instalado, para agregar nuevos elementos en la

máquina o el proceso automatizado.

A medida que se adquiere mas experiencia en

el tema y una comprensión especifica de los

PLC, se aprovecha mejor la capacidad del

controlador, utilizando menor cantidad de

memoria y optimizando la ejecución de la

lógica de control.

Fig. Programa ZELIO SOFT 2 para PLC’s Schneider Electric.


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PROGRAMACIÓN (Pasos para el desarrollo de una lógica programable).


1. COMPRENSIÓN

DEL PROCESO O

MAQUINA A

CONTROLAR.

• Como primer paso se realiza un trabajo conjunto entre el programador y el

conocedor del proceso o de la máquina a automatizar.

• De acuerdo al tipo de aplicación es conveniente elaborar en esta etapa un

diagrama de flujo, un diagrama espacio-fase o una memoria descriptiva del

funcionamiento.

2. SELECCIÓN

DEL PLC

ADECUADO.

• Se deben determinar la cantidad y tipo de entradas y salidas necesarias en

función de los dispositivos de campo a emplear.

• Es importante evaluar la capacidad que el PLC dispone para ampliaciones

futuras y las interfaces estándar de comunicación con que cuenta.

• Se deben considerar al momento de seleccionar el PLC, el software de

programación y los cables requeridos para descargar la aplicación.


Control Automático



3. ASIGNACIÓN

DE ENTRADAS Y

SALIDAS.

• Una vez seleccionado el modelo de PLC se pueden llevar a cabo dos tareas en

paralelo, la instalación eléctrica y la programación.

• Mientras se realiza la ingeniería y montaje del PLC, el programador va

elaborando el programa en su PC.

• Para ello es imprescindible que el cableado de los sensores y los actuadores

coincida con los canales utilizados en el programa.

• La asignación de entradas y salidas consiste en definir en que borne de cada

modulo ira conectado cada elemento de campo.

4. ELABORACIÓN

DEL PROGRAMA.

• En esta etapa se debe desarrollar tanto el automatismo secuencial como los

algoritmos de control.

• El programa se elaborara sobre una PC para luego ser descargado al PLC

durante las pruebas previas a la puesta en marcha.

• Se debe contar para ello con un paquete de software adecuado para el equipo

a utilizar.

• Es importante que el mismo disponga de modos de simulación que permitan

realizar pruebas de la lógica sin tener comunicación con el PLC.


Control Automático



5. DOCUMENTACIÓN

CONFORME A LA

ELABORACIÓN.

• Se debe confeccionar un documento que explique como se estructuro el

programa que, junto con los planos eléctricos de montaje y listados de

asignación de entradas y salidas, ayudaran en las tareas de puesta en marcha

6. PUESTA EN

MARCHA.

• Se carga el programa en la memoria del PLC para efectuar un ensayo

general del programa en el sitio final de instalación.

• Se pueden realizar pruebas de funcionamiento desconectando la energía de

los actuadores de campo para luego realizar la puesta en servicio real.

• Durante esta etapa se depura el programa para lograr el óptimo

funcionamiento del proceso.

7. DOCUMENTACIÓN

CONFORME A OBRA.

Como ultima fase, se deben actualizar la descripción funcional, los planos

eléctricos, los listados de entradas y salidas, y la documentación del programa,

de acuerdo a las modificaciones realizadas durante la puesta en marcha.


Control Automático

PROGRAMACIÓN.


SELECCIÓN DE

AUTÓMATAS

PROGRAMABLES.

Al utilizar un autómata

programable para la

parte de mando de un

sistema industrial

automatizado, el

criterio de selección

debe estar basado en las

características

presentes y futuras del

proceso, y debe

considerar tanto

factores cuantitativos

como cualitativos.

Entradas y salidas.

Búsqueda de equilibrio.

Tipos de actuadores.

Memoria de programa y datos.

Software de programación.

Condiciones ambientales, ruido

e instalación.

Comunicación entre PLC y

otros dispositivos.

Sistema abierto,

compatibilidad.

Tipo de CPU.

Complejidad del

proceso y prestaciones

deseadas.

Entorno del proceso.

Necesidades de

explotación.

Posibilidades de

ampliación.

Presupuesto.


Control Automático


Bibliografía. Sánchez, M. D. (2013). Introducción a la síntesis y programación de automatismos secuenciales. Cádiz, ES:

Servicio de Publicaciones de la Universidad de Cádiz. Recuperado de: [http://www.ebrary.com].

Daneri, P. A. (2008). PLC: automatización y control industrial. Buenos Aires, AR: Editorial Hispano

Americana HASA. Recuperado de: [http://www.ebrary.com].

Control Automático

automatismos industriales

Engineering