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Sistemas de Automatización, Tema 1:
Introducción a los Automatismos
26/02/2009
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y
g e n i e r í a d e S i s t e m a s
Tema 1: Introducción a losautomatismosSistemas de Automatización
D e p a r t a m e n t o d e
I n
A u t o m á t i c a
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y
Temario
1. Introducción a los automatismos:
– Definiciones básicas.
– Introducción a los sistemas de fabricación:
• Evolución histórica.
g e n i e r í a d e S i s t e m a s • Tipos de control.
• Componentes.
• Tipos de proceso.
• Control de una planta industrial.
– Clasificación de los automatismos.
– Concepto de autómata finito (AF).
– Ejemplo de un automatismo.
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. .
3. Métodos clásicos de diseño de automatismos.
4. GRAFCET. Diseño e implantación en autómatas.
5. Introducción a la robótica*.
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Introducción a los Automatismos
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y
Contenido
1. Introducción a los automatismos: – Definiciones básicas.
– Introducción a los sistemas de fabricación:
• Evolución histórica.
g e n i e r í a d e S i s t e m a s • Tipos de control.
• Componentes.
• Tipos de proceso.
• Control de una planta industrial.
– Clasificación de los automatismos.
– Concepto de autómata finito (AF).
– Ejemplo de un automatismo.
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y
Definiciones básicas (I)
• Automátic@:
– Que obra o se regula por si mismo.
• Automatismo:
g e n i e r í a d e S i s t e m a s
– Máquina o sistema capaz de cumplir funciones de mando, regulación y
control sin que medien agentes exteriores.
• Automatización industrial:
– Utilización de técnicas y equipos para el gobierno de un proceso
industrial, de tal forma que éste funcione de forma automática.
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Definiciones básicas (II)
• Automática: – Ciencia que estudia la automatización y sus aplicaciones.
– Trata de regular, con la mínima intervención humana, elcomportamiento dinámico de un sistema mediante órdenes de mando.
g e n i e r í a d e S i s t e m a s
• Sistema:
– Conjunto de elementos, físicos o abstractos, relacionados entre si de
forma que modificaciones o alteraciones en determinadas magnitudes
en uno de ellos puede influir en los demás (y viceversa).
• Sistemas de control:
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– Conjunto de equipos que permiten que un sistema funcione de forma
automática.
– Ejemplos:
y
Definiciones básicas (II)
• Llenado de un deposito:
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Definiciones básicas (II)
• Sistema de calefacción “manual”: :-)
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y
Definiciones básicas (III)
• Variables del sistema:
– Magnitudes que definen el comportamiento de un sistema. Su
naturaleza define el tipo de sistema:
• Mecánico, químico, eléctrico, económico, térmico, etc.
g e n i e r í a d e S i s t e m a s
• Variables de estado:
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– Conjunto mínimo de variables de un sistema tal que, conocido su valor
en un instante dado, permiten conocer la respuesta (variables de
salida) del mismo ante cualquier señal de entrada o perturbación.
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y
Definiciones básicas (y IV)
• Planta: – El equipo físico que se desea controlar (motor, horno, reactor, etc.)
• Proceso:
g e n i e r í a d e S i s t e m a s – onun o e operacones que se esean con roar.
• Perturbación:
– Señal de comportamiento no previsible que tiende a afectar adversamente el
comportamiento del sistema.
• Realimentación:
– Operación que, en presencia de perturbaciones, tiende a reducir la diferencia
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entre la salida y la entrada de referencia.
• Sistema de regulación automática:
– Sistema de control realimentado en el que la entrada de referencia y/o la salida
deseada varían en el tiempo lentamente .
y
Contenido
1. Introducción a los automatismos:
– Definiciones básicas.
– Introducción a los sistemas de fabricación:
• Evolución histórica.
g e n i e r í a d e S i s t e m a s • Tipos de control.
• Componentes.
• Tipos de proceso.
• Control de una planta industrial.
– Clasificación de los automatismos.
– Concepto de autómata finito (AF).
– Ejemplo de un automatismo.
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Evolución histórica (I)
• Griegos y árabes: – [250 a.C.] Lámpara de aceite de nivel constante.
– [270 a.C.] Reloj de agua (flotador).
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Evolución histórica (II)
• Revolución industrial:
– [1769] Máquina de vapor con regulador automático de velocidad.
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Máquina de vapor (J. Watt, 1769)
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Evolución histórica (y III)
• Revolución “electrónica”: – [1952] El primer amplificador operacional.
– [1971] El microprocesador “4004” de Intel.
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y
Contenido
1. Introducción a los automatismos:
– Definiciones básicas.
– Introducción a los sistemas de fabricación:
• Evolución histórica.
g e n i e r í a d e S i s t e m a s • Tipos de control.
• Componentes.
• Tipos de proceso.
• Control de una planta industrial.
– Clasificación de los automatismos.
– Concepto de autómata finito (AF).
– Ejemplo de un automatismo.
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Tipos de control (I)
• Sistema de control: – Bucle (o lazo) abierto:
• Sistema de control en el que la salida no tiene efecto sobre la señal de
control.
•
g e n i e r í a d e S i s t e m a s
– lavadora, semáforos, horno doméstico, etc.
– Bucle (o lazo) cerrado:
• Sistema de control en el que la salida tiene efecto sobre la señal de control
(utiliza la realimentación para reducir el error).
• Ejemplos:
– calefacción, vitrocerámica, etc.
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y
Tipos de control (II)
• Control en bucle (o lazo) abierto:
g e n i e r í a d e S i s t e m a s
– La señal de entrada (o referencia) u(t) actúa directamente sobre el
controlador (o regulador), para producir, por medio del actuador, el
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.
• El regulador no comprueba el valor que toma la salida.
• Muy sensible a las perturbaciones que se produzcan sobre la planta.
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y
Tipos de control (II)
• Control en bucle (o lazo) abierto:
g e n i e r í a d e S i s t e m a s
– La señal de entrada (o referencia) u(t) actúa directamente sobre el
controlador (o regulador), para producir, por medio del actuador, el
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.
• El regulador no comprueba el valor que toma la salida.• Muy sensible a las perturbaciones que se produzcan sobre la planta.
y
Tipos de control (III)
• Ejemplos de control en lazo abierto:Cruce con semáforos
g e n i e r í a d e S i s t e m a s
Lavadora
Agua (dureza?,presión?, temp.?,…)
Detergente Tráfico (cantidad?, origen?, destino?,…)
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,…
Ropa (cantidad?, grado desuciedad ?, color?, …)
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y
Tipos de control (IV)
• Control en bucle (o lazo) cerrado:
g e n i e r í a d e S i s t e m a s
– La salida del sistema y(t) se mide por medio de un sensor, y se
compara con el valor de referencia u(t).
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• regu a or po r a respon er e manera m s a ecua a an e as
perturbaciones que se produzcan sobre la planta.
y
Tipos de control (IV)
• Control en bucle (o lazo) cerrado:
g e n i e r í a d e S i s t e m a s
– La salida del sistema y(t) se mide por medio de un sensor, y se
compara con el valor de referencia u(t).
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• regu a or po r a respon er e manera m s a ecua a an e as
perturbaciones que se produzcan sobre la planta.
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y
Tipos de control (y V)
• Ejemplos de control en lazo cerrado:
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Contenido
1. Introducción a los automatismos:
– Definiciones básicas.
– Introducción a los sistemas de fabricación:
• Evolución histórica.
g e n i e r í a d e S i s t e m a s • Tipos de control.
• Componentes.
• Tipos de proceso.
• Control de una planta industrial.
– Clasificación de los automatismos.
– Concepto de autómata finito (AF).
– Ejemplo de un automatismo.
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Componentes (I)
• Máquinas.
• Sistemas de
– manipulación y/o
g e n i e r í a d e S i s t e m a s
– transporte de materiales.
• Sistemas de control.
• Recursos humanos.
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Componentes (II)
• Tipos de máquinas:
– Manuales:
• Están directamente supervisadas por un operario.
• La máquina proporciona la fuerza y la energía, y el operario proporciona el
g e n i e r í a d e S i s t e m a s .
– Semiautomáticas:
• Un programa en la máquina ocupa una parte del ciclo y el operario la otra.
– Automáticas:
• Operan largos periodos de tiempo sin intervención del operario.
• Se requiere su vigilancia cada cierto número de ciclos.
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y
Componentes (III)
• Tipos de sistemas de manipulación de material: – Carga:
• Mueven la unidad de trabajo hasta las máquinas de producción o
equipamiento de proceso.
g e n i e r í a d e S i s t e m a s
– Colocación y posicionamiento:
• Sitúan la unidad de trabajo en la máquina en una posición determinada.
• Se utilizan cuando se requiere precisión y exactitud.
– Descarga:
• Retiran la unidad de trabajo de la máquina una vez está procesada.
• Realizan su transporte a otra máquina o simplemente la retiran.
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y
Componentes (IV)
• Sistemas de control por computador. Funciones:
– Comunicar instrucciones a los operarios.
– Control y/o coordinación de los sistemas de
• Manipulación y
g e n i e r í a d e S i s t e m a s • Transporte de material
– Planificación de la producción de la planta.
– Diagnóstico de averías. – Control de calidad.
– Supervisión de seguridad en los procesos.
– …
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y
Componentes (y V)
• Recursos humanos. Funciones: – Operarios:
• Realizan el trabajo manual o semiautomático.
• Controlar el proceso automático.
g e n i e r í a d e S i s t e m a s – Operadores informáticos y/o programadores.
– Personal de mantenimiento.
– Otras tareas indirectas.
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y
Contenido
1. Introducción a los automatismos:
– Definiciones básicas.
– Introducción a los sistemas de fabricación:
• Evolución histórica.
g e n i e r í a d e S i s t e m a s • Tipos de control.
• Componentes.
• Tipos de proceso.
• Control de una planta industrial.
– Clasificación de los automatismos.
– Concepto de autómata finito (AF).
– Ejemplo de un automatismo.
D e p a r t a m e n t o d e I n
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Tipos de procesos (I)
• Clasificación (en función de su evolución en el tiempo) : – Procesos continuos:
• Evolucionan de forma continua en el tiempo.
• Las materias primas entran por un extremo del sistema y salen por el otro
g e n i e r í a d e S i s t e m a s .
• Ejemplo: sistema de calefacción.
– Procesos discretos (o de eventos discretos):
• Evolucionan de forma NO continua en el tiempo.
• Las materias primas son elementos discretos que se trabaja de forma
individual, obligando a descomponer el proceso en una serie de estados.
• Ejemplo: mecanizado de piezas con un taladro.
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– Procesos discontinuos (o por lotes):• Híbrido de los dos anteriores.
• Las materias primas entran por un extremo en lotes y por el otro extremo
sale el producto acabado.
• Ejemplo: montaje de un ordenador.
y
Tipos de procesos (II)
• Procesos continuos:
– Sus variables (analógicas) toman infinitos valores entre un máximo y un
mínimo.
– Los automatismos que los controlan se denominan reguladores.
g e n i e r í a d e S i s t e m a s
• Sistemas de control para procesos continuos (reguladores):
– Analógicos. – Digitales (requieren conversores A/D y D/A).
• Ejemplos:
– Químicos, farmacéuticos, metales básicos, petróleo, comida, bebidas,
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generación de energía eléctrica, etc.
QuímicosGeneración deenergía eléctrica
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y
Tipos de procesos (y III)
• Procesos discretos (o de eventos discretos): – Sus variables son señales todo/nada (binarias) que cambian en
instantes concretos de tiempo.
g e n i e r í a d e S i s t e m a s • Sistemas de control para procesos discretos:
– Lógicos.
• Ejemplos:
– Automóviles, aviones, ordenadores, maquinaria y en general, otros
componentes con los cuales estos productos son ensamblados.
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Ensamblajede piezas
Manutenciónindustrial
Dosificacióny embalaje
Transportedel producto
y
Contenido
1. Introducción a los automatismos:
– Definiciones básicas.
– Introducción a los sistemas de fabricación:
• Evolución histórica.
g e n i e r í a d e S i s t e m a s • Tipos de control.
• Componentes.
• Tipos de proceso.
• Control de una planta industrial.
– Clasificación de los automatismos.
– Concepto de autómata finito (AF).
– Ejemplo de un automatismo.
D e p a r t a m e n t o d e I n
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Control en planta de fabricación (I)
• Planta típica de fabricación:
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Zonas Sistemas de control
y
Control en planta de fabricación (y II)
• Control todo/nada:
– Lógica de control cableada.
– Elementos: relés, termopares, …
g e n i e r í a d e S i s t e m a s
• Control analógico:
– Circuitos electrónicos analógicos. PID.
– Existencia de derivas.
• Control digital con datos muestreados:
– Uso de tecnología digital (microprocesadores).
–
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. .
• Control de eventos discretos:
– Respuesta ante eventos (señales binarias)
– Teoría de estados. Sistemas PLC.
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1. Introducción a los automatismos: – Definiciones básicas.
– Introducción a los sistemas de fabricación:
• Evolución histórica.
g e n i e r í a d e S i s t e m a s • Tipos de control.
• Componentes.
• Tipos de proceso.
• Control de una planta industrial.
– Clasificación de los automatismos.
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• Según su tecnología de implantación:
– Cableado.
– Programado o programable.
Clasificación de los automatismos (I)
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• Según su capacidad de memoria:
– Estático o Combinacional.
– Dinámico o Secuencial.
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Clasificación de los automatismos (II)
• Automatismo Cableado: – Un automatismo que tiene implantada la ley de control mediante la
unión física de los elementos que constituyen la unidad de control.
g e n i e r í a d e S i s t e m a s • Unidad de control:
– Dispositivos neumáticos, hidráulicos, eléctricos o electrónicos.
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y
Clasificación de los automatismos (III)
• Automatismo Programable (AP):
– Un automatismo que tiene implantada la ley de control como una
secuencia de instrucciones escritas en un programa.
g e n i e r í a d e S i s t e m a s • Unidad de control:
– Microcontroladores, ordenadores y autómatas programables
industriales (APIs), …
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Sistemas de Automatización, Tema 1:
Introducción a los Automatismos
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Sistemas y Automática 20
y
• Según su tecnología de implantación: – Cableado.
– Programado o programable.
Clasificación de los automatismos (IV)
g e n i e r í a d e S i s t e m a s
• Según su capacidad de memoria:
– Estático o Combinacional.
– Dinámico o Secuencial.
D e p a r t a m e n t o d e
I n
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y
• Automatismo Combinacional (AC):
– Sus salidas dependen en cada momento del valor de sus entradas,
independientemente del cual sea el estado inicial.
Clasificación de los automatismos (V)
g e n i e r í a d e S i s t e m a s • Características:
– No necesitan memoria.
– Formas de representación:
• Tablas de la verdad.
• Funciones lógicas.
• Diagramas lógicos.
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• apas e arnaug .
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Introducción a los Automatismos
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y
Clasificación de los automatismos (y VII)
• Automatismo Secuencial (AS): – Sus salidas dependen de las variables de entrada y del estado inicial
del sistema (esto es, del valor de las entradas en instantes anteriores).
g e n i e r í a d e S i s t e m a s • Características:
– Necesitan memoria.
– Los estados anteriores se memorizan mediante variables de estadointernas:
• Implementadas típicamente mediante biestables (o flip-flops ).
D e p a r t a m e n t o d e
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– ormas e represen ac n:
• Autómatas finitos.
y
Contenido
1. Introducción a los automatismos:
– Definiciones básicas.
– Introducción a los sistemas de fabricación:
• Evolución histórica.
g e n i e r í a d e S i s t e m a s • Tipos de control.
• Componentes.
• Tipos de proceso.
• Control de una planta industrial.
– Clasificación de los automatismos.
– Concepto de autómata finito (AF).
– Ejemplo de un automatismo.
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y
Autómata finito (I)
• Definición: – Máquina matemática que permite establecer una relación indirecta
(basada en el concepto de estado) entre las entradas y las salidas.
g e n i e r í a d e S i s t e m a s • Formalización:
– Un AF es un sistema de sucesos discretos compuesto de:
• Alfabeto de entrada (E): conjunto finito de símbolos que recibe.
• Alfabeto de salida (S): conjunto finito de símbolos que emite.
• Estados (Q): conjunto finito de estados que resumen la evolución del AF
desde su estado inicial.
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– Q0: estado inicial
• Función de transición (δ:QxEQ): determina el estado próximo a partir del
estado y la entrada actual a medida que evoluciona en el tiempo.
• Función de lectura (λ:QxES): determina la salida del AF a partir del estado
y la entrada actual a medida que evoluciona en el tiempo.
y
Autómata finito (II)
• Evolución del estado:
– Autónoma (asíncrona):
• Los cambios del estado interno se producen al presentarse un nuevo
símbolo de entrada.
•
g e n i e r í a d e S i s t e m a s
presente y futuro son iguales).
– Controlada (síncrona):
• Los cambios del estado interno se producen sólo en determinados instantesde tiempo (señal de reloj).
• Formas de representación:
– Tablas de estados o fases.
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– Diagramas de contactos.
– Grafos reducidos.
– Redes de Petri.
– Diagramas de Ladder.
– GRAFCET.
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Sistemas y Automática 23
y
Autómata finito (III)
• Ejemplo: – Centrifugado de una lavadora:
• El tambor de la lavadora gira de forma alternativa de izquierda a derecha.
g e n i e r í a d e S i s t e m a s
Tabla de variablesTambor de la lavadora
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y
Autómata finito (III)
• Ejemplo:
– Centrifugado de una lavadora:
• El tambor de la lavadora gira de forma alternativa de izquierda a derecha.
– Representación mediante GRAFCET:
g e n i e r í a d e S i s t e m a s
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y
Contenido
1. Introducción a los automatismos: – Definiciones básicas.
– Introducción a los sistemas de fabricación:
• Evolución histórica.
g e n i e r í a d e S i s t e m a s • Tipos de control.
• Componentes.
• Tipos de proceso.
• Control de una planta industrial.
– Clasificación de los automatismos.
– Concepto de autómata finito (AF).
– Ejemplo de un automatismo.
D e p a r t a m e n t o d e
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y
Ejemplo de un automatismo (I)
• Puerta de acceso al aparcamiento de una comunidad devecinos.
g e n i e r í a d e S i s t e m a s
debe memorizar el estado
del sistema para determinar
la acción de control.
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NOTA: La puerta no se puede abrir sin que esté completamente cerrada (y viceversa).
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y
Ejemplo de un automatismo (II)
• Diseño de un automatismo. Pasos:1. Identificar las entradas de la planta:
• Variables a controlar: bomba, motor, piloto, …
• Salidas de control: señal de error, …
g e n i e r í a d e S i s t e m a s
2. Identificar las salidas de la planta:
• Variables a partir de las cuales se construyen las funciones lógicas que
rigen las salidas.
• Entradas de control: sensor de temperatura, velocímetros, …
3. Construir las funciones lógicas que rigen las salidas:
a) Las condiciones que hacen que la salida no se active.
D e p a r t a m e n t o d e
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b) Las condiciones que hacen que la salida se active.
c) Simplificarlas si es posible y no se pierde la legibilidad del control.
4. Implementar:
• Lógica de relés, PLC, …
y
Ejemplo de un automatismo (III)
• Elementos del sistema:
– Planta: La puerta metálica.
– Consignas: Abrir y Cerrar puerta. Los usuarios dispondrán de una llave
g e n i e r í a d e S i s t e m a s para accionar los pulsadores.
– Actuador: Motor (con inversión de giro) conectado mecánicamente a lapuerta.
– Sensores: Final de carrera para detectar que la puerta está abierta o
cerrada.
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– Automatismo: Sistema electrónico de control que recibe las señales desensores y pulsadores.
– Tarea: Abrir y Cerrar la puerta a petición del usuario.
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y
Ejemplo de un automatismo (IV)
• Diagrama de bloques del sistema:
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y
• Esquema eléctrico*:
– Motor (M).
– Sistema de inversión de giro:
• dos relés (K1 y K2).
Ejemplo de un automatismo (V)
g e n i e r í a d e S i s t e m a s – Dos pulsadores accionados por llave (P1 y P2).
– Dos finales de carrera (FC1 y FC2).
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entradas
usuariocontrol
salidas
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y
Ejemplo de un automatismo (VI)
• Autómata finito: – Entradas (E):
• Una entrada P que agrupa los dos pulsadores con llave (P1 y P2).
• El final de carrera de apertura (FCA =A) y el final de carrera de cierre
=
g e n i e r í a d e S i s t e m a s
• Alfabeto de entrada (E):
– Conjunto de 8 símbolos resultante de combinar estas 3 señales binarias de
entrada.
– Salidas (S):
• Accionar el relé de apertura K1 para abrir (señal a) y accionar el relé de cierre
K2 para cerrar (señal c).
• Alfabeto de salida (S):
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– Conjunto de 4 símbolos resultante de combinar estas 2 señales binarias de salida.
– Estados (Q):
• “Puerta parada” (0)
• “Puerta abriendo” (1)
• “Puerta cerrando” (2)
y
Ejemplo de un automatismo (VII)
• Autómata finito:
– Función de transición (ley de control) (δ):
• Si la puerta está parada (0) y se acciona la llave (P):
– Se abre si está cerrada (C)
g e n i e r í a d e S i s t e m a s –
• Si la puerta se está abriendo (1):
– Se detendrá (0) cuando se abra completamente (A).
• Si la puerta se está cerrando (2): – Se detendrá (0) cuando se cierre completamente (C).
– Función de salida (λ):
• Si la puerta está parada (0):
– Nin una señal de salida activada.
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• Si la puerta se está abriendo (1):
– Señal de apertura (a) activada.
• Si la puerta se está cerrando (2):
– Señal de cierre (c) activada.
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Ejemplo de un automatismo (y VIII)
• Representación: – Mediante tabla de estados:
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• Implantación:
– Mediante biestables* :
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