Introduccion a Los Automatismos PWP

Sistemas de Automatización, Tema 1: Introducción a los Automatismos

26/02/2009

Vicente Arévalo, Dpto. de Ingeniería de Sistemas y Automática 1

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emas Tema 1: Introducción a los

automatismosSistemas de Automatización

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Vicente Aré[email protected]

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Temario

1. Introducción a los automatismos:– Definiciones básicas.– Introducción a los sistemas de fabricación:

• Evolución histórica.

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emas • 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.

2 Autómatas programables (AP)

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2. Autómatas programables (AP).3. Métodos clásicos de diseño de automatismos.4. GRAFCET. Diseño e implantación en autómatas.5. Introducción a la robótica*.


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Contenido



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– Clasificación de los automatismos.– Concepto de autómata finito (AF). – Ejemplo de un automatismo.

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Definiciones básicas (I)

• Automátic@:– Que obra o se regula por si mismo.

• Automatismo:

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emas – 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, el

comportamiento dinámico de un sistema mediante órdenes de mando.

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• 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:

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• Llenado de un deposito:

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• Sistema de calefacción “manual”: :-)

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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.

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• 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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Definiciones básicas (y IV)

• Planta:– El equipo físico que se desea controlar (motor, horno, reactor, etc.)

• Proceso:Conjunto de operaciones que se desean controlar

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emas – Conjunto de operaciones que se desean controlar.

• 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.

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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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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.

• Ejemplos:

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• Ejemplos:– 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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Tipos de control (II)

• Control en bucle (o lazo) abierto:

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– La señal de entrada (o referencia) u(t) actúa directamente sobre el controlador (o regulador), para producir, por medio del actuador, el efecto deseado en la variable de salida y(t)

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efecto deseado en la variable de salida y(t).• 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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Tipos de control (II)

• Control en bucle (o lazo) abierto:

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– La señal de entrada (o referencia) u(t) actúa directamente sobre el controlador (o regulador), para producir, por medio del actuador, el efecto deseado en la variable de salida y(t)

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efecto deseado en la variable de salida y(t).• 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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Tipos de control (III)

• Ejemplos de control en lazo abierto: Cruce con semáforos

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Lavadora

Agua (dureza?, presión?, temp.?,…)

Detergente (cantidad? )

Tráfico (cantidad?, origen?, destino?,…)

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(cantidad?,…)

Ropa (cantidad?, grado de suciedad ?, color?, …)


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Tipos de control (IV)

• Control en bucle (o lazo) cerrado:

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– La salida del sistema y(t) se mide por medio de un sensor, y se compara con el valor de referencia u(t).

• El regulador podría responder de manera más adecuada ante las

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• El regulador podría responder de manera más adecuada ante las perturbaciones que se produzcan sobre la planta.

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Tipos de control (IV)

• Control en bucle (o lazo) cerrado:

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– La salida del sistema y(t) se mide por medio de un sensor, y se compara con el valor de referencia u(t).

• El regulador podría responder de manera más adecuada ante las

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• El regulador podría responder de manera más adecuada ante las perturbaciones que se produzcan sobre la planta.


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Tipos de control (y V)

• Ejemplos de control en lazo cerrado:

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Componentes (I)

• Máquinas.

• Sistemas de– manipulación y/o

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emas – 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

control

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control.

– 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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Componentes (III)

• Tipos de sistemas de manipulación de material:– Carga:

• Mueven la unidad de trabajo hasta las máquinas de producción o equipamiento de proceso.

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– 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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Componentes (IV)

• Sistemas de control por computador. Funciones:– Comunicar instrucciones a los operarios.– Control y/o coordinación de los sistemas de

• Manipulación y

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emas • 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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Componentes (y V)

• Recursos humanos. Funciones:– Operarios:

• Realizan el trabajo manual o semiautomático.• Controlar el proceso automático.

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emas – Operadores informáticos y/o programadores.

– Personal de mantenimiento.– Otras tareas indirectas.

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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

extremo terminadas

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extremo terminadas.• 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.

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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.

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• 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.Químicos Generación de

energía eléctrica


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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.

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emas • 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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Ensamblaje de piezas

Manutención industrial

Dosificación y embalaje

Transporte del producto

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Control en planta de fabricación (I)

• Planta típica de fabricación:

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Zonas Sistemas de control

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Control en planta de fabricación (y II)

• Control todo/nada:– Lógica de control cableada.– Elementos: relés, termopares, …

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emas • Control analógico:

– Circuitos electrónicos analógicos. PID.– Existencia de derivas.

• Control digital con datos muestreados:– Uso de tecnología digital (microprocesadores).– Mayor flexibilidad en el control Sistemas DCS

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Mayor flexibilidad en el control. Sistemas DCS.

• Control de eventos discretos:– Respuesta ante eventos (señales binarias)– Teoría de estados. Sistemas PLC.


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• Según su tecnología de implantación:– Cableado.– Programado o programable.

Clasificación de los automatismos (I)

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emas • 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.

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emas • Unidad de control:

– Dispositivos neumáticos, hidráulicos, eléctricos o electrónicos.

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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.

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emas • Unidad de control:

– Microcontroladores, ordenadores y autómatas programables industriales (APIs), …

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• Según su tecnología de implantación:– Cableado.– Programado o programable.

Clasificación de los automatismos (IV)ng

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as • Según su capacidad de memoria:– Estático o Combinacional.– Dinámico o Secuencial.

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• 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)

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emas • Características:

– No necesitan memoria.

– Formas de representación:• Tablas de la verdad.• Funciones lógicas.• Diagramas lógicos.• Mapas de Karnaugh

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• Mapas de Karnaugh.


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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).

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emas • Características:

– Necesitan memoria.

– Los estados anteriores se memorizan mediante variables de estado internas:

• Implementadas típicamente mediante biestables (o flip-flops).

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– Formas de representación:• Autómatas finitos.

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Autómata finito (I)

• Definición:– Máquina matemática que permite establecer una relación indirecta

(basada en el concepto de estado) entre las entradas y las salidas.

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emas • 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:QxE Q): determina el estado próximo a partir del estado y la entrada actual a medida que evoluciona en el tiempo.

• Función de lectura (λ:QxE S): determina la salida del AF a partir del estado y la entrada actual a medida que evoluciona en el tiempo.

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Autómata finito (II)

• Evolución del estado:– Autónoma (asíncrona):

• Los cambios del estado interno se producen al presentarse un nuevo símbolo de entrada.

• La entrada evoluciona hasta que alcanza un estado estable (estado

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• La entrada evoluciona hasta que alcanza un estado estable (estado presente y futuro son iguales).

– Controlada (síncrona):• Los cambios del estado interno se producen sólo en determinados instantes

de 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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Autómata finito (III)

• Ejemplo:– Centrifugado de una lavadora:

• El tambor de la lavadora gira de forma alternativa de izquierda a derecha.

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Tabla de variablesTambor de la lavadora

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Autómata finito (III)

• Ejemplo:– Centrifugado de una lavadora:

• El tambor de la lavadora gira de forma alternativa de izquierda a derecha.– Representación mediante GRAFCET:

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Ejemplo de un automatismo (I)

• Puerta de acceso al aparcamiento de una comunidad de vecinos.

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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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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, …

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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.

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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, …

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Ejemplo de un automatismo (III)

• Elementos del sistema:– Planta: La puerta metálica.

– Consignas: Abrir y Cerrar puerta. Los usuarios dispondrán de una llave

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emas para accionar los pulsadores.

– Actuador: Motor (con inversión de giro) conectado mecánicamente a la puerta.

– 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 de sensores y pulsadores.

– Tarea: Abrir y Cerrar la puerta a petición del usuario.


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Ejemplo de un automatismo (IV)

• Diagrama de bloques del sistema:

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• Esquema eléctrico*:– Motor (M).– Sistema de inversión de giro:

• dos relés (K1 y K2).

Ejemplo de un automatismo (V)

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emas – Dos pulsadores accionados por llave (P1 y P2).

– Dos finales de carrera (FC1 y FC2).

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entradasusuariocontrol

salidas


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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

(FCC=C)

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(FCC=C)• 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)

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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)

Se cierra si está abierta (A)

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– Se cierra si está abierta (A)• 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):

– Ninguna señal de salida activada.

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Ninguna señal de salida activada.• 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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