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• Pablo Antonio Briones Maldonado

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Comunicación en sistemas de control Unidad 1. Sistemas de control

Ingeniería en Telemática

Programa de la asignatura:

Comunicación en sistemas de control

Unidad 1. Sistemas de control

Clave:

210930936

Universidad Abierta y a Distancia de México

Ciencias Exactas, Ingeniería y Tecnología |Ingeniería en Telemática

Comunicación en sistemas de control Unidad 1. Sistemas de control Índice Unidad 1. Sistemas de control .................................................................................................................... 2 Presentación de la unidad ...................................................................................................................... 2 Propósitos................................................................................................................................................ 3 Competencia específica .......................................................................................................................... 3 1.1. Introducción a los sistemas de control ............................................................................................ 4 1.1.1. Conceptos básicos de los sistemas de control ......................................................................... 4 1.1.2. Sistemas de control automático ................................................................................................ 6 1.1.3. Sistemas de control analógico y digital ................................................................................... 10 Actividad 1. Analógico vs Digital (factores de crecimiento).................................................................. 14 1.2. Elementos que integran un sistema de control ............................................................................. 15 1.2.1. Sensores.................................................................................................................................. 15 1.2.2. Actuadores .............................................................................................................................. 18 Actividad 2. Conociendo los sensores y actuadores ............................................................................ 19 1.2.3. Microcontroladores .................................................................................................................. 20 1.2.4. Controladores lógicos programables (PLC)............................................................................ 24 Actividad 3. Los sistemas de control basados en PLC ........................................................................ 27 1.2.5. Integración de un sistema de control ...................................................................................... 28 1.3. Aplicaciones de los sistemas de control ........................................................................................ 29 1.3.1. Inmótica y domótica ................................................................................................................ 30 1.3.2. Aplicaciones en la industria ..................................................................................................... 34 1.3.3. Otras aplicaciones ................................................................................................................... 37 Autoevaluación ...................................................................................................................................... 39 Evidencia de aprendizaje. ¿Qué tanto sabes de sistemas de control? ............................................... 39 Autorreflexión ........................................................................................................................................ 39 Cierre de la unidad ................................................................................................................................ 39 Para saber más ..................................................................................................................................... 40 Fuentes de consulta .............................................................................................................................. 40

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Comunicación en sistemas de control Unidad 1. Sistemas de control Unidad 1. Sistemas de control Presentación de la unidad En esta unidad estudiarás los conceptos relacionados con la teoría de control moderna para identificar un sistema de control, sus elementos y la relación entre ellos para automatizar procesos de producción. Parte importante de los sistemas de control son los transductores, ya que gracias a ellos se puede convertir los diferentes tipos de energías que intervienen es dichos sistemas, según las necesidades del proceso. Otra parte fundamental de este tipo de sistemas es la unidad de control, debido a que dependiendo del elemento utilizado para realizar las operaciones matemáticas y la ejecución del algoritmo de control será la robustez de todo el sistema en su conjunto. Por esta razón en esta unidad también estudiarás los fundamentos de microcontroladores y Controladores Lógicos Programables (PLC). Por último al final de la unidad estudiarás los campos de aplicación donde puedes encontrar sistemas de control al ejercer tu profesión, por lo que es de suma importancia que identifiques con claridad las relaciones que hay entre las telecomunicaciones y el control de procesos. No me queda más que decirte. Disfruta el estudio de la asignatura y que sea una aventura por el inmenso campo del conocimiento.

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Propósitos En esta asignatura :  Analizarás las formas de comunicación de los sistemas de control  Distinguir su uso en las diferentes aplicaciones que involucran controladores  Estudiarás sus distintos elementos y su relación.

Competencia específica

 Identificar el funcionamiento de un sistema de control para reconocer la relación de sus elementos a través del estudio de los conceptos fundamentales de la teoría de control.

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Comunicación en sistemas de control Unidad 1. Sistemas de control 1.1. Introducción a los sistemas de control Un sistema es un conjunto de elementos relacionados entre sí que entregan una señal o datos de salida en respuesta a una señal o datos de entrada (Kuo, 2009). Se puede decir que un sistema es una “caja negra”, esto es que no se necesita conocer el funcionamiento interno del mismo, basta con conocer la relación que existe entre la entrada y la salida del sistema, una forma de llamar a las entradas y salidas la podrás encontrar como E/S o I/O, por las siglas en inglés de entrada y salida (Input/Output). En otras palabras, lo más relevante de un sistema es conocer su dinámica, es decir, cómo responde la salida frente a variaciones de la señal de entrada. Por ejemplo, un televisor es un sistema, porque aunque no se conozca el funcionamiento interno del mismo se sabe que con oprimir el botón de encendido (señal o datos de entrada) se obtiene como respuesta (señal o datos de salida) una imagen en la pantalla y audio a través del altavoz. Lo mismo sucede al pulsar los botones de cambio de canal o cambio de volumen, obtienes como respuesta un canal distinto o un nivel de volumen diferente. Esto es, conoces la relación entre los datos de entrada y la respuesta del sistema.

1.1.1. Conceptos básicos de los sistemas de control Ahora, se presentará la definición de algunos conceptos. Según la Real Academia de la Lengua, control significa dirección o dominio de una organización o sistema. Entonces un sistema de control (Ogata, 2012) es un conjunto de elementos que interactúan para conseguir que la salida de un proceso responda tal y como se desea a cambios o variaciones de una señal de entrada, mediante una acción de control. Observa la figura Diagrama de un sistema de control.

Diagrama de un sistema de control. Mota, R. (2013).

En teoría de control, una planta (Ogata, 2012) puede ser una parte de un equipo, tal vez un conjunto de las partes de una máquina que funcionan juntas para ejecutar una operación en particular. De aquí

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Comunicación en sistemas de control Unidad 1. Sistemas de control en adelante, se llamará planta a cualquier objeto físico a controlar, como un horno o una habitación en los cuales se desea controlar su temperatura, un motor al que se desea controlar su velocidad, un robot que se desea controlar su posición y movimientos, etc. Un proceso es una operación progresiva que consiste en una serie de acciones o movimientos controlados, sistemáticamente dirigidos hacia un resultado o propósito determinado. Se llamará proceso a cualquier operación que se va a controlar (Ogata, 2012). Una variable es un factor o característica que puede variar en un proceso. Una variable controlada es la cantidad o condición que se desea controlar. Casi siempre la variable controlada es la salida o respuesta del sistema. Una variable manipulada es la cantidad o condición que el controlador modifica para afectar el valor de la variable controlada. Un controlador es aquel elemento que ejerce la dirección o el dominio de un sistema (Ogata, 2012). Por ejemplo, si se considera el proceso de cocción en una estufa de gas como la que se tiene comúnmente en casa, la planta sería todos los objetos físicos que intervienen en el proceso, en este caso es la estufa con todas sus partes y los recipientes donde se lleva a cabo la cocción. La variable controlada sería la temperatura de cocción y la variable manipulada sería la cantidad de gas que se está suministrando al quemador. La unidad de control o controlador es la persona que manipula la perilla de la estufa.

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Ejemplo de un sistema de control básico. Mota, R. (2013)

1.1.2. Sistemas de control automático Entre los sistemas de control, los más utilizados son los automáticos (Kuo, 2009). El término automático se aplica al sistema que funciona por si solo o que realiza, total o parcialmente, su proceso sin ayuda de una persona. Dependiendo del tratamiento que el sistema de control realiza con la señal de salida, pueden distinguirse dos topologías de control generales: sistemas en lazo abierto y sistemas en lazo cerrado. Sistemas en lazo abierto: En este tipo de sistemas, la salida no tiene efecto alguno sobre la acción de control (Ogata, 2012).

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Diagrama a bloques de un sistema en lazo abierto. Mota, R. (2013)

Señal de control: es una señal que el controlador envía a la planta o proceso y que le indica a este último el objetivo a alcanzar. Generalmente es una señal del tipo eléctrico (Ogata, 2012). En los sistemas de lazo abierto, la salida o respuesta no es comparada con la entrada de referencia para realizar correcciones. Por ello, cada entrada corresponderá a una acción prefijada sobre la respuesta del conjunto. La exactitud del sistema depende en gran medida de la calibración de éste, por lo que perturbaciones externas o internas al proceso tendrán como consecuencia que no se cumpla la función deseada. Para implementar este tipo de sistemas es necesario conocer con mucho detalle la relación entre la entrada y la salida (E/S), además de asegurar que no cambiarán los parámetros internos del sistema y garantizar la inexistencia de perturbaciones externas. Como ejemplo de este tipo de sistemas se tiene el proceso de impresión. La figura de un Sistema de control en lazo abierto, muestra los elementos que integran este tipo de sistema. El teclado sirve para fijar la referencia de entrada (tipo de letra a imprimir y la posición de la misma), el CPU es la unidad de control. La señal de control es enviada del controlador a la planta (impresora). La salida del sistema es la impresión del símbolo en la posición deseada. Una perturbación externa como la falta de tinta, la ruptura de la banda que mueva el cabezal, el daño en los motores de tracción o cambios en el driver de la impresora dan como resultado que no se obtenga la respuesta deseada.

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Sistema de control en lazo abierto. Mota, R. (2013)

En los sistemas de control en lazo cerrado, la señal de salida (S) tiene efecto sobre la acción de control (Ogata, 2012). Al proceso de direccionar la señal de salida nuevamente como una entrada se le conoce como retroalimentación. Observa la imagen Diagrama a bloques de un sistema de control en lazo cerrado, allí se muestra la relación que existe entre las partes que integran dicho tipo de sistemas. La acción de control es la forma como un controlador automático produce una señal de control. Existen tres tipos básicos de acciones de control: Proporcional (P), Integral (I) y Derivativa (D), además de combinaciones de ellas, por ejemplo PI, PD o PID (Ogata, 2012). Se define como punto de ajuste el valor de la variable controlada que se desea mantener y es ajustado mecánicamente o por otro medio. También es conocida como entrada de referencia (Ogata, 2012). El elemento de comparación o punto suma compara el valor de la entrada (E) de referencia de la condición variable que se controla con el valor medido y produce la señal de error (Ogata, 2012). La señal de error es la diferencia entre el valor de la señal de entrada (E) de referencia o punto de ajuste y el valor medido o salida del sistema (Ogata, 2012).

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Diagrama a bloques de un sistema de control en lazo cerrado. Mota, R. (2013)

El valor de la variable controlada medido se retroalimenta y compara con la entrada de referencia para detectar el error o desviación que pudiera existir. Esto produce una señal de error que la unidad de control traducirá, de acuerdo con la acción de control establecida, en una señal de control que enviará hacia la planta para realizar las correcciones pertinentes. Como ejemplo de un sistema de control en lazo cerrado considera una habitación con temperatura controlada. En la imagen Aplicación de un sistema de control en lazo cerrado se ilustran estos conceptos. El punto de ajuste que proporciona la entrada de referencia es un termostato. El elemento de comparación y la unidad de control se encuentran integrados dentro del controlador. La planta o proceso pueden ser un aire acondicionado o enfriador de aire (Cooler). El elemento de medición es un sensor de temperatura; más adelante se verán con más detalle los sensores. El funcionamiento de todo el sistema es como sigue: manualmente se fija el valor de temperatura que se desea dentro de la habitación. A su vez, el sensor monitorea todo el tiempo el valor de temperatura actual y lo retroalimenta al controlador. Internamente la señal retroalimentada es comparada con la entrada de referencia, produciendo una señal de error proporcional a la desviación entre la temperatura deseada y la actual. Si la temperatura dentro de la habitación es mayor a la deseada, el controlador de acuerdo con una acción de control definida enviará una señal hacia el aire acondicionado para suministrar aire frío al sistema y disipar el calor. Esta respuesta continuará hasta que la diferencia del valor de temperatura deseado y el actual sea más pequeña que el error permitido dentro del controlador, esto es, que sea interpretado como cero.

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Aplicación de un sistema de control en lazo cerrado. Mota, R. (2013)

1.1.3. Sistemas de control analógico y digital Se consideran como señales las variaciones a lo largo del tiempo de las entradas o salidas de un sistema. Estas señales pueden ser de distinta naturaleza, y por tanto sus unidades físicas pueden ser diversas. Según como sea la variación de estas señales, se pueden clasificar dentro de dos grandes grupos: señales analógicas y señales discretas. Señales analógicas: Son aquellas cuya variación, tanto en amplitud como a lo largo del tiempo, es continua. Es decir, pueden tomar cualquier valor real, en cualquier instante de tiempo (Pallas, 2009).

Señal analógica. Mota, R. (2013)

Ejemplo de este tipo de señales son la temperatura ambiente durante un día, la velocidad de un vehículo, la posición del mismo durante un viaje, etcétera.

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Las señales discretas no tienen una variación continua como las anteriores, sino que su evolución se rige por un determinado conjunto finito de valores posibles (Pallas, 2009). Según dónde tome este conjunto de valores, se puede distinguir entre señales discretas en amplitud o discretas en tiempo. Señales discretas en tiempo: Sólo tienen valor en instantes de tiempo predeterminados. Y aunque su amplitud puede ser cualquier valor dentro del rango de los reales, el valor de la señal entre dos instantes de tiempo consecutivos no está definido (Pallas, 2009).

Señal discreta en tiempo. Mota, R. (2013)

Señales discretas en amplitud: En este caso, la señal toma valor en cualquier instante de tiempo, pero estos valores de amplitud pueden encontrarse entre los definidos en el conjunto predeterminado (Pallas, 2009).

Señal discreta en amplitud. Mota, R. (2013)

Un sistema de control analógico es aquel que internamente utiliza para realizar sus operaciones señales de tipo análogas. Existen diversas posibilidades de llevar a cabo un sistema de control mediante electrónica analógica, ya sea mediante complejos circuitos a base de transistores y

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Comunicación en sistemas de control Unidad 1. Sistemas de control componentes discretos, o bien, mediante circuitos integrados diseñados específicamente para llevar a cabo una acción de control (Ogata, 2012). Un caso intermedio se da cuando los sistemas de control son diseñados de forma sencilla y son de simple construcción. Para ello se hace uso de las características del amplificador operacional (OPAMP acrónimo de OPerational AMPlifier), un componente formado a base de diversas etapas de transistores y de uso muy extendido, por lo que su precio es moderado, además de ser de uso sencillo en el diseño de circuitos. Observa la figura Símbolo de un Amplificador Operacional utilizado para representar un OPAMP (Pallas, 2009).

Símbolo de un Amplificador Operacional. Mota, R. (2013)

Este amplificador se denomina operacional, ya que puede utilizarse para realizar diferentes operaciones con las señales eléctricas (suma, derivación, integración, comparación), pudiendo servir igualmente como amplificador de un sistema de control.

Diagramas esquemáticos de algunas configuraciones básicas con Amplificadores Operacionales. Mota, R. (2013)

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Se puede considerar que un OPAMP configurado para realizar una operación forma un bloque básico. Al unir varios de estos bloques se forma todo un sistema de control. En la figura Diagrama esquemático de un sistema de control analógico PID, se muestra cómo se implementaría un controlador de este tipo, formado por la unión de varios subsistemas básicos.

Diagrama esquemático de un sistema de control analógico PID. Mota, R. (2013)

Para implementar un sistema de control digital en necesario realizar una conversión de señales de entradas analógicas a digitales con un convertidor analógico-digital (ADC por sus siglas en inglés Analog to Digital Converter), así como a la inversa, con las señales digitales de salida a través de un convertidor digital-analógico (DAC por sus siglas en ingles Digital to Analog Converter). La unidad de control tiene que ser un sistema digital o discreto, pudiendo ser utilizada una computadora, un Controlador Lógico Programable, un microprocesador, un microcontrolador o un procesador digital de señales (DSP por sus siglas en ingles Digital Signal Processor) (Kuo, 2009). Este tipo de sistemas necesitan operar en conjunto con un elemento de almacenamiento de datos, como una memoria, para almacenar el algoritmo de control con que es programado. En la actualidad, la implementación más costosa de realizar es la de un microprocesador, puesto que requiere que se le añada prácticamente todos los dispositivos periféricos con los que trabaja, es decir, se debe implementar las memorias, periféricos de E/S, temporizadores para realizar el sincronismo y los ADC y DAC; mientras que la realización con un microcontrolador o una DSP es más sencilla por llevar incorporados dentro del mismo circuito integrado la mayor parte de los periféricos mencionados, incluyendo los convertidores A/D y D/A.

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Para realizar las operaciones necesarias, los controladores digitales utilizan matemáticas discretas con las cuales pueden construir filtros digitales, sumadores, comparadores, etcétera. Observa la figura Diagrama a bloques de un sistema de control digital que ilustra los elementos que lo integran y cómo se relacionan entre sí.

Diagrama a bloques de un sistema de control digital. Mota, R. (2013)

Actividad 1. Analógico vs Digital (factores de crecimiento)

¡Bienvenido(a) a la primer actividad de Comunicación en sistemas de control! El propósito de esta actividad es que puedas diferenciar las características de un sistema analógico de un sistema digital. 1. Lee el documento titulado “Analógico contra digital”. 2. Analiza la información contenida en dicho documento y responde a las preguntas que tu Facilitador(a) te hará llegar en otro documento. 3. Participa en el foro creado para esta actividad. *Revisa los criterios de evaluación para esta actividad

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1.2. Elementos que integran un sistema de control Para poder comunicarse con el exterior, un controlador requiere interpretar las señales de entrada que recibe como una señal eléctrica y a su vez, las señales que salen del mismo deben convertirse en una magnitud física adecuada para accionar los elementos de la planta a controlar. Un transductor es un dispositivo que convierte una señal física en otra de diferente tipo de energía con una cierta relación matemática entre ellas (Pallas, 2009). En la transducción siempre se extrae una cierta cantidad de energía del sistema donde se mide, por lo que es importante garantizar que esto no lo perturbe.

Diagrama de un transductor. Mota, R. (2013)

Hay seis tipos de magnitudes físicas donde se utilizan los transductores: mecánicas, térmicas, magnéticas, eléctricas, ópticas y moleculares o químicas. De acuerdo con esta terminología y la función que realizan, podemos distinguir dos grandes grupos de transductores; los sensores y los actuadores (Pallas, 2009). En la práctica se suele denominar transductor únicamente a los sensores, pero el término tiene un sentido más amplio. En realidad, un sensor es un transductor de entrada y un actuador es un transductor de salida. Generalmente los sensores ofrecen una señal de salida eléctrica, debido a que esta se conecta normalmente como entrada de un sistema de control electrónico; por su parte, los actuadores reciben una señal eléctrica de entrada, que proviene de un controlador electrónico.

1.2.1. Sensores El termino sensor se refiere a un elemento que produce una señal relacionada con la cantidad que se está midiendo (Pallas, 2009). Por ejemplo, en el caso de un elemento para medir temperatura mediante resistencia eléctrica, la cantidad que se mide es la temperatura y el sensor transforma una entrada de temperatura en un cambio en la resistencia. Se suele clasificar los sensores de acuerdo con la magnitud medida; esto es, se habla de sensores de humedad, de caudal, de proximidad, de aceleración, de velocidad, de luz, de fuerza, etcétera. Sin embargo, esta clasificación no es la más adecuada ya que la cantidad de magnitudes físicas que se

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Comunicación en sistemas de control Unidad 1. Sistemas de control pueden medir es muy grande. Hay varios tipos de clasificaciones de los sensores, entre las que destacan: Por la señal de salida generada:  Formato Analógico  Formato Digital  Formato Todo o Nada  Formato Temporal Por el aporte de energía:  Pasivos o Modulares  Activos o Generadores Por el modo de operación:  De Deflexión  De Comparación Por la relación de entrada/salida:  De Orden Cero  De Primer Orden  De Segundo Orden Por el parámetro eléctrico variable  Resistencia  Capacitancia  Inductancia  Frecuencia  Voltaje  Corriente

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Ejemplo de algunos tipos de sensores. Mota, R. (2013)

La clasificación más utilizada es de acuerdo al parámetro eléctrico variable, ya que permite reducir el número de grupos a unos pocos y se presta bien al estudio de los sensores. A continuación se definirán ciertos términos que se emplean para describir el funcionamiento de los sensores y, con frecuencia, el de los sistemas de medición como un todo. El rango de un sensor define los límites entre los cuales puede variar la entrada. El margen es el valor máximo de la entrada menos el valor mínimo (Pallas, 2009). El error es la diferencia entre el resultado de una medición y el valor verdadero de la cantidad que se mide (Pallas, 2009). La exactitud es el grado hasta el cual un valor producido por un sistema de medición podría ser equivocado. Es común expresar la exactitud como un porcentaje de la salida a rango total (Pallas, 2009).

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Comunicación en sistemas de control Unidad 1. Sistemas de control La sensibilidad es la relación que indica que tanta salida se obtiene por unidad de entrada, es decir, salida/ entrada (Pallas, 2009). Error por histéresis (Pallas, 2009). Los sensores pueden producir distintas salidas de la misma magnitud. La histéresis es cuando la magnitud se obtuvo mediante un incremento o una reducción continuos. Error por no linealidad (Pallas, 2009). Para muchos sensores se supone que en su rango de funcionamiento la relación entre la entrada y la salida es lineal, es decir, la gráfica de la salida respecto a la entrada produce una línea recta. Este error se define como la desviación máxima respecto a la línea recta correspondiente. Para expresar numéricamente el error por no linealidad se utilizan varios métodos. Repetibilidad/reproducibilidad (Pallas, 2009). Estos términos se utilizan para describir la capacidad de sensor para producir la misma salida después de aplicar varias veces el mismo valor de entrada. La estabilidad de un sensor es su capacidad para producir la misma salida cuando se emplea para medir una entrada constante en un periodo. Para determinar el cambio que ocurre en ese tiempo, se utiliza el término deriva (Pallas, 2009). Banda de tiempo muerto. La banda muerta o espacio muerto de un sensor es el rango de valores de entrada durante los cuales no hay salida (Pallas, 2009). El tiempo muerto es el lapso que transcurre desde la aplicación de una entrada hasta que la salida empieza a responder y a cambiar.

1.2.2. Actuadores Para que un sistema de control electrónico pueda controlar un proceso, es necesario que pueda actuar sobre el mismo. Los dispositivos que realizan esta función reciben diversos nombres, entre ellos accionamientos y actuadores (Pallas, 2009). No existe una definición única de actuador aceptada de manera universal. En forma general se considera que un actuador es un dispositivo que convierte una magnitud eléctrica en una salida, generalmente mecánica, que puede provocar un efecto sobre el proceso automatizado. Los tipos de actuadores más utilizados son:  Eléctricos  Neumáticos  Hidráulicos

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Ejemplo de algunos actuadores según su tipo. Mota, R. (2013)

Actividad 2. Conociendo los sensores y actuadores

Esta actividad te permitirá hacer una clasificación de los sensores y actuadores más comunes. 1. Elabora mediante un organizador gráfico (se sugiere una tabla) la clasificación de sensores y actuadores de acuerdo con los lineamientos indicados por tu Facilitador(a). 2. Guarda tu actividad en un archivo con el nombre KCSC_U1_ACT2_XXYZ y envíalo para su revisión. 3. Espera la retroalimentación de tu Facilitador(a). *Revisa los criterios de evaluación para esta actividad

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Comunicación en sistemas de control Unidad 1. Sistemas de control 1.2.3. Microcontroladores Un microcontrolador es un circuito integrado programable que contiene todos los componentes de un computador (Kuo, 2009). Se emplea para controlar el funcionamiento de una tarea determinada y, debido a su reducido tamaño, suele ir incorporado en el propio dispositivo al que gobierna. Esta última característica es la que le confiere la denominación de “controlador incrustado” (embedded controller).

Arquitectura interna de un microcontrolador. Mota, R. (2013)

El microcontrolador es un computador dedicado. En su memoria sólo reside un programa destinado a gobernar una aplicación determinada; sus líneas de Entrada/Salida soportan la conexión de los sensores y actuadores del dispositivo a controlar, y todos los recursos complementarios disponibles tienen como única finalidad atender sus requerimientos. Una vez programado y configurado el microcontrolador solamente sirve para gobernar la tarea asignada. Estos circuitos internamente cuentan con las memorias para operar, con contadores, comparadores, circuitos de reloj, ADC, generadores de señales PWM, etcétera, de tal manera que todos los buses necesarios para operar se encuentran dentro del mismo chip. Esto facilita la implementación de sistemas que no requieren grandes recursos, ni necesitan tener una configuración flexible. Observa la imagen Diagrama a bloques del microcontrolador 16F628a, fabricado por Microchip Tecnology Inc. Este chip internamente cuenta con 3 temporizadores, 2 comparadores, 3 ADC, conexión serial y 2 puertos de entrada-salidas de 8 pines cada uno, además de memoria EEPROM, RAM y FLASH y la CPU con todo lo necesario para operar. También la figura Encapsulado del PIC16F628a (cortesía de Microchip Tecnology Inc.) ilustra cómo es físicamente dicho chip.

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Diagrama a bloques del microcontrolador PIC16F628a. Tomado de http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/40044G.pdf

Encapsulado del PIC16F628a. Tomado de http://www.microchip.com/search/searchapp/searchhome.aspx?id=2&q=PIC16F628A&ac=1

En resumen, un microcontrolador es un computador completo, aunque de limitadas prestaciones, que está contenido en el chip de un circuito integrado y se destina a gobernar una sola tarea.

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Comunicación en sistemas de control Unidad 1. Sistemas de control Tal vez te preguntes ¿un microcontrolador y un microprocesador son lo mismo? La respuesta es no. Existen claras diferencias entre microprocesador y microcontrolador. Esto ha sido tratado también en la asignatura de Arquitectura de computadoras II. El microprocesador es un circuito integrado que contiene la Unidad Central de Proceso (CPU), también llamada procesador de un computador. La CPU está formada por la unidad de Control, que interpreta las instrucciones, y el bus de datos, que las ejecuta (Kuo, 2009).

Arquitectura de un sistema mínimo implementado con un microprocesador. Mota, R. (2013).

Las terminales de un microprocesador sacan al exterior las líneas de sus buses de direcciones, datos y control, para permitir conectarle con la Memoria y los Módulos de E/S y configurar un computador implementado por varios circuitos integrados. Se dice que un microprocesador es un sistema abierto porque su configuración es variable de acuerdo con la aplicación a la que se destine.

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Diagrama a bloques del microprocesador INTEL386. Tomado de http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets/2300/255675_DS.pdf

Un microprocesador es un sistema abierto con el que puede construirse un computador con las características que se desee, acoplándole los módulos necesarios.

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Comunicación en sistemas de control Unidad 1. Sistemas de control 1.2.4. Controladores lógicos programables (PLC) Un Controlador Lógico Programable (PLC, por sus siglas en inglés Programmable Logic Controller) se define como un dispositivo electrónico digital que usa una memoria programable para guardar instrucciones y llevar a cabo funciones lógicas, de configuración de secuencia, de sincronización, de conteo y aritméticas, para el control de maquinaria y proceso (Kuo, 2009). Se le denomina procesador lógico debido a que su programación básicamente tiene que ver con la ejecución de operaciones lógicas y de conmutación. Los dispositivos de entrada (por ejemplo, un interruptor) y los dispositivos de salida (por ejemplo, un motor) que están bajo control, se conectan al PLC; de esta manera el controlador monitorea las entrada y salidas, de acuerdo con el programa diseñado por el operador para el PLC y que éste conserva en memoria, y de esta manera se controlan máquinas o procesos. En un principio, el propósito de estos controladores fue sustituir la conexión física de relevadores de los sistemas de control lógicos y de sincronización. Los PLCs tienen la gran ventaja de que permiten modificar un sistema de control sin tener que volver a alambrar las conexiones de los dispositivos de entrada y de salida; basta con que el operador digite en un teclado las instrucciones correspondientes. Lo anterior permite contar con un sistema flexible mediante el cual es posible controlar sistemas muy diversos entre sí, tanto en tipo como en complejidad.

Imágenes de diferentes tipos de PLC. Mota. R. (2013)

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Comunicación en sistemas de control Unidad 1. Sistemas de control Si bien los PLC son similares a las computadoras, tienen características específicas que permiten su empleo como controladores. Estas son: 1. Son robustos y están diseñados para resistir vibraciones, temperatura, humedad y ruido. 2. La interfaz para las entradas y las salidas está dentro del controlador. 3. Es muy fácil programarlos, así como entender el lenguaje de programación. La programación básicamente consiste en operaciones de lógica y conmutación. Los primeros PLC fueron concebidos en 1968. Hoy en día su empleo está muy generalizado, habiendo una gran variedad de ellos, desde pequeñas unidades autónomas que cuentan quizá con apenas 20 entradas y salidas, hasta sistemas modulares para manejar grandes cantidades de entradas/salidas, manejar entradas/salidas digitales y analógicas y llevar a cabo modos de control PID. Observa la imagen Arquitectura interna de un PLC que, en esencia consta de una unidad central de procesamiento (CPU), memoria y circuitos de entrada/salida. La CPU controla y procesa todas las operaciones dentro del PLC. Cuenta con un temporizador cuya frecuencia típica es entre 100 MHz y 2 GHz. Esta frecuencia determina la velocidad de operaciones del PLC y es la fuente de temporización y sincronización de todos los elementos del sistema. A través del sistema de bus se lleva información y datos desde y hacia la CPU, la memoria y las unidades de entrada/salida. Los elementos de la memoria son: una ROM para guardar en forma permanente la información del sistema operativo y datos corregidos; una RAM para el programa del usuario y memoria buffer temporal para los canales de entrada/salida.

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Arquitectura interna de un PLC

El usuario puede modificar los programas en la RAM. Sin embargo, para evitar que estos programas se pierdan durante una interrupción del suministro de energía eléctrica, en el PLC se utiliza una batería, para mantener el contenido de la RAM por determinado tiempo. Una vez elaborado un programa y guardado en la RAM, éste se pueda cargar en un chip de memoria EPROM y de esta manera queda guardado de manera permanente. La unidad de entrada/salida es la interfaz entre el sistema y el mundo externo. Para introducir programas en esta unidad se usa un tablero, el cual puede variar de una sencilla configuración de teclado con pantalla de cristal líquido, o bien llegar a tener incluso unidades de presentación visual con teclado y pantalla. También es posible introducir los programas al sistema mediante un enlace con una computadora personal (PC por sus siglas en inglés Personal Computer), el cual se carga con un paquete de software apropiado. Los canales de entrada/salida proporcionan funciones para el acondicionamiento y aislamiento de señales, lo que permite conectarlos directamente a sensores y actuadores, sin necesidad de otros circuitos. Los voltajes comunes para las señales de entrada son 5 V y 24 V. Los voltajes comunes para las señales de salida son 24 V Y 240 V. la especificación del tipo de las salidas generalmente es tipo relevador, tipo transistor o tipo TRIAC.

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En el tipo relevador la señal de la salida del PLC se utiliza para operar un relevador; así, éste es capaz de conmutar corrientes del orden de unos pocos amperes en un circuito externo. El relevador aísla al PLC del circuito externo y se emplea tanto para la conmutación de CD como la de CA. Sin embargo, los relevadores funcionan con relativa lentitud. En la salida tipo transistor se utiliza un transistor para conmutar corriente a través de un circuito externo. El transistor realiza la conmutación con mayor rapidez. Los optoaisladores se emplean con transistores de conmutación para lograr el aislamiento entre los circuitos externos y el PLC. La salida tipo transistor solo se utiliza en la conmutación de CD. La salida tipo TRIAC se usan para controlar cargas externas que se conectan a la fuente de alimentación de CA. En este caso también se emplean optoaisladores.

Tipos de aislamiento en entradas y salida de los PLC.-Mota, R. (2013)

Actividad 3. Los sistemas de control basados en PLC Al completar esta actividad reconocerás las características de un PLC. 1. Elabora un organizador gráfico (se sugiere un mapa mental) donde se muestre la relación de los elementos que integran la arquitectura de un PLC.

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Comunicación en sistemas de control Unidad 1. Sistemas de control 2. Guarda tu actividad en un archivo con el nombre KCSCR_U1_ACT3_XXYZ y envíalo para su revisión. *Revisa los criterios de evaluación para esta actividad

1.2.5. Integración de un sistema de control La integración de todo un sistema de control implica la sinergia de varias ramas de la ingeniería, tales como la automatización, el control automático, la instrumentación industrial, electrónica analógica, digital y de potencia, robótica, inteligencia artificial, programación y las redes de comunicación.

Elementos básicos que integran un sistema de control. Mota, R. (2013)

Los elementos mínimos con lo que cuenta un sistema de control son:  Unidad de control

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Comunicación en sistemas de control Unidad 1. Sistemas de control     

Sensores Actuadores Fuentes de alimentación Algoritmo de control Visualizadores

La unidad de control generalmente es un dispositivo discreto, capaz de realizar operaciones matemáticas y es programable. Esta unidad puede ser desde un microcontrolador, un DSP, un sistema mínimo con microprocesador, una PC, un PLC o toda una compleja red formada por varios de estos dispositivos. Los sensores pueden ser de varios tipos, por ejemplo de humedad, detectores de gases, cámaras de vigilancia, sensores IR (infrarrojos), de proximidad, de presencia, de temperatura, etcétera. En cuanto a actuadores se refiere, se pueden encontrar desde pequeños motores de corriente directa utilizados en los reproductores de CD, hasta grandes pistones hidráulicos para mover grúas o soportar todo un edificio capaz de responder a un sismo. La fuente de alimentación es un elemento esencial, pues aporta la energía necesaria para que funcione todo o parte del sistema. Hay diferentes tipos de ellas como baterías, eliminadores, adaptadores para conectar al auto, etcétera. El avance tecnológico ha permitido hacer más eficiente el uso de la energía y como consecuencia las fuentes de alimentación por batería son más pequeñas y portátiles, permitiendo reducir el tamaño de los modernos sistemas de control y la movilidad de los mismos. El algoritmo de control también es fundamental para estos sistemas porque determina el funcionamiento del mismo en repuesta a estímulos recibidos ya sea por los sensores o como datos de una red de comunicación. Este algoritmo puede ser fijo y pregrabado en un circuito integrado de memoria, o puede ser modificable ya sea por el usuario final a través de botones, control remoto o pantallas táctiles, o por personal calificado a través de puertos de comunicación específicos para este fin. Los visualizadores permiten enviar información a los usuarios ya sea del funcionamiento del sistema o de fallas en el mismo. También permite interactuar con el usuario enviando alertas luminiscentes. En esta categoría se encuentran display de LCD, de LED (Diodo Emisor de Luz), monitores de computadoras, HMI (Human Machine Interface) y hasta pequeños LED.

1.3. Aplicaciones de los sistemas de control Las aplicaciones de los sistemas de control son muchas y muy variadas, además que con el creciente desarrollo tecnológico constantemente surgen nuevas áreas donde tienen cabida los controladores. A continuación estudiarás algunas de las más importantes áreas donde han germinado las aplicaciones de los sistemas de control.

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1.3.1. Inmótica y domótica El término domótica viene de la unión de las palabras domus (que significa casa en latín casa) y tica (de automática, palabra en griego, 'que funciona por sí sola') y, según explica la propia Real Academia Española de la Lengua, es el "conjunto de sistemas que automatizan las diferentes instalaciones de una vivienda". Por lo tanto, se entiende por domótica el conjunto de sistemas capaces de automatizar una vivienda, aportando servicios de gestión energética, seguridad, bienestar, comunicación y algunos otros, y que pueden estar integrados por medio de redes interiores y exteriores de comunicación, cableadas o inalámbricas (Oliva, 2013). Se podría definir como la integración de la tecnología en el diseño inteligente de un recinto cerrado.

Aplicaciones del control en Domótica. Mota, R. (2013)

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Comunicación en sistemas de control Unidad 1. Sistemas de control Las posibles aplicaciones son innumerables dadas las posibilidades de la domótica y las posibles necesidades de los propios usuarios, por ello trataremos de agruparlas en algunas comunes (Oliva, 2013). Son:  En el ámbito de la gestión de energía: a) Programación y zonificación de la climatización b) Racionalización de cargas eléctricas: desconexión de equipos de uso no prioritario en función del consumo eléctrico en un momento dado. Reduce la potencia contratada c) Gestión de tarifas, derivando el funcionamiento de algunos aparatos a horas de tarifa reducida  En el ámbito del nivel de confort: a) Apagado general de todas las luces de la vivienda b) Automatización del apagado/ encendido en cada punto de luz c) Regulación de la iluminación según el nivel de luminosidad ambiente d) Automatización de todos los distintos sistemas/ instalaciones / equipos dotándolos de control eficiente y de fácil manejo e) Integración del portero al teléfono, o del videoportero al televisor  En el ámbito de la protección personal y seguridad: a) Detección de un posible intruso b) Simulación de presencia c) Detección de conatos de incendio, fugas de gas, escapes de agua. d) Alerta médica. Teleasistencia e) Cerramiento de persianas puntual y seguro f) Monitoreo de puertas y ventana  En el ámbito de las comunicaciones a) control remoto b) Transmisión de alarmas c) Intercomunicaciones d) Sistemas multimedia de entretenimiento Por Inmótica entendemos la incorporación al equipamiento de edificios de uso terciario o industrial (oficinas, edificios corporativos, hoteleros, empresariales y similares), de sistemas de gestión técnica automatizada de las instalaciones, con el objetivo de reducir el consumo de energía, aumentar el confort y la seguridad de los mismos (Santos, 2007). Entenderemos que un edificio es "inteligente" si incorpora sistemas de información en todo el edificio, ofreciendo servicios avanzados de la actividad y de las telecomunicaciones. Con control automatizado, monitorización, gestión y mantenimiento de los distintos subsistemas o servicios del edificio, de forma óptima e integrada, local y remotamente. Diseñados con suficiente flexibilidad como para que sea sencilla y económicamente rentable la implantación de futuros sistemas.

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Los términos domótica e Inmótica se parecen mucho entre sí, la diferencia radica en los inmuebles donde se realiza la automatización y los servicios que puede ofrecer. Ya mencionamos de manera general los cuatro grupos de aplicación que brinda la domótica. En el caso de la Inmótica se agrega uno más, la accesibilidad.

En resumen, el grupo de aplicaciones de la Inmótica queda de la siguiente forma:  Gestión energética  Confort  Comunicación  Accesibilidad  Seguridad A continuación se muestran unas tablas con las aplicaciones que tiene la Inmótica. Esta información se puede encontrar y ampliar en el CEDOM (Comité Español de la Domótica).

Aplicaciones de la Inmótica en la Gestión de la energía

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Aplicaciones de la Inmótica en la Gestión del Confort

Aplicaciones de la Inmótica en la Gestión de las comunicaciones

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Aplicaciones de la Inmótica en la Gestión de la Accesibilidad

Aplicaciones de la Inmótica en la Gestión de la seguridad.

1.3.2. Aplicaciones en la industria Un campo muy fértil para la automatización de procesos es la industria. Básicamente en cualquier área de la industria están presentes los sistemas de control. Por mencionar algunas aplicaciones, se tiene el

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Comunicación en sistemas de control Unidad 1. Sistemas de control envasado de bebidas, el etiquetado de productos, líneas de producción de automóviles, la industria farmacéutica, control de calidad, etcétera. A continuación se ilustrarán algunas de las aplicaciones de los sistemas de control en las industrias:    

Farmacéutica Alimentaria Envasado de bebidas Automotriz

Aplicaciones de los sistemas de control en la industria farmacéutica. Mota, R. (2013)

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Aplicaciones de los sistemas de control en la industria alimentaria. Mota, R. (2013)

Aplicaciones de los sistemas de control en la industria automotriz. Mota. R. (2013)

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Comunicación en sistemas de control Unidad 1. Sistemas de control

Aplicaciones de los sistemas de control en la industria embotelladora. Mota, R. (2013)

Cabe resaltar que en el ámbito industrial los sistemas de control pueden ser muy básicos, como tan solo el control de temperatura de un proceso aislado o tan complejos como la conexión en red de diferentes plantas en el mundo entero.

1.3.3. Otras aplicaciones Las áreas donde se encuentran los sistemas de control son muchas y muy variadas. En los temas anteriores ya estudiaste algunas de ellas. Por solo mencionar algunas más tenemos:    

Medicina moderna Telemetría Aeroespacial Agricultura

En el campo de la medicina moderna los sistemas de control están involucrados tanto en los aparatos electrónicos de instrumentación (electrocardiógrafos, rayos X, monitores de signos vitales, etc.) como en algunos procedimientos médicos tales como operaciones a distancia (teleoperación), operaciones con equipos LASER, cirugías utilizando brazos robóticos operados por cirujanos calificados (cirugía robótica), entre otras.

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Comunicación en sistemas de control Unidad 1. Sistemas de control Telemetría es una técnica automatizada de las comunicaciones utilizada para realizar las mediciones y recopilación de datos en lugares remotos y de transmisión para vigilancia. Esta técnica utiliza comúnmente transmisión inalámbrica, aunque originalmente los sistemas de transmisión utilizados fueron por cable. Los usos más importantes de telemetría son recopilación de datos climáticos, supervisión de plantas de generación de energía y hacer el seguimiento de vuelos tripulados y no tripulados. Por su parte, la industria aeroespacial utiliza constantemente sistemas de control en sus misiones. La aplicación más destacada de los sistemas de control en el espacio es en robótica. Su uso va desde robots especializados para explorar territorios, brazos robóticos para ensamblar y reparar estaciones espaciales hasta robots que pueden hablar para hacer compañía a los astronautas, como el pequeño robot Kirobo que Japón envió a la Estación Espacial Internacional en agosto del 2013. En lo que concierne a la agricultura, los sistemas de control están también presentes por ejemplo en invernaderos inteligentes, donde de manera automática se controlan factores como la humedad, la temperatura, la iluminación, nutrientes entre otros. En la hidroponía también se utilizan controladores para regular el flujo de agua, cantidad de nutrientes suministrados, pH de la solución, temperatura, etc. En fin, el uso de sistemas de control es muy variado y cada día encuentra nuevas aplicaciones.

Otras aplicaciones de los sistemas de control. Mota, R. (2013)

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Autoevaluación En lo que respecta a esta actividad, su propósito es que al término del estudio de la unidad, evalúes de manera independiente y autónoma los aprendizajes adquiridos. Para ello contesta las preguntas plateadas y de tener dudas en algún tema, repásalo las veces que sea necesario, pregunta a tu Facilitador(a) e investiga un poco más por tu cuenta.

Evidencia de aprendizaje. ¿Qué tanto sabes de sistemas de control? El objetivo de esta actividad es que puedas identificar el funcionamiento de un sistema de control y reconocer la relación que hay entre los elementos que lo integran. Instrucciones 1. Revisa el caso específico que tu Facilitador(a) planteará y da solución a los retos que te presenta. 2. Guarda tu archivo con el nombre KCSC_U1_EA_XXYZ y envíalo a su revisión. 3. Espera la retroalimentación de tu Facilitador(a), atiende sus comentarios y de ser necesario envía una segunda versión de tu evidencia. *Recuerda consultar el instrumento de evaluación correspondiente a la evidencia de aprendizaje para conocer su método de evaluación.

Autorreflexión

Al terminar la Evidencia de aprendizaje es muy importante que realices tu Autorreflexión. Para ello, Ingresa al foro de Preguntas de Autorreflexión y a partir de las preguntas presentadas por tu Facilitador(a), realiza lo que se te pide y súbelo en la sección Autorreflexiones.

Cierre de la unidad Durante esta unidad estudiaste información relacionada con los sistemas de control y los elementos que los integran como son los sensores, los actuadores, los controladores y demás conceptos de la teoría del control. Estos conocimientos son fundamentales para el estudio de las unidades 2 y 3. Como sugerencia asegúrate de no dejar conceptos sin aclarar, ya que la principal razón por la que una

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Comunicación en sistemas de control Unidad 1. Sistemas de control persona no avanza en una disciplina es debido a que paso por alto conceptos básicos de la misma y en los niveles más avanzados no puede construir su aprendizaje correctamente. De ser necesario repasa esta unidad las veces que sea necesario hasta lograr cierto dominio sobre estos temas.

Para saber más     

En este vídeo puedes observar los avances tecnológicos en la domótica. Video demo aplicaciones domótica. https://www.youtube.com/watch?v=l08RHxhFRLA Revisa este link para observar un vídeo sobre cirugía robótica. Robot cirujano: 2111 T2. http://www.youtube.com/watch?v=CdXp7eomEJQ En este sitio podrás descargar un vídeo sobre las aplicaciones de control en la industria. http://industria.siemens.com.mx/Motion%20Control/Docs/VTS_01_1.wmv Un curso mediante videos de PLC lo podrás consultar en: http://utubersidad.com/?page_id=4846 Sobre automatización podrás consultar el siguiente curso: http://utubersidad.com/?page_id=4848

Fuentes de consulta Fuentes básicas   

Guerrero, V. (2010). Comunicaciones industriales. 1ª Edición. México: Alfaomega. Ogata, K. (2012). Ingeniería de control moderna. 5ª Edición. México: Prentice Hall. Oliva, N. (2013). Redes de comunicación industrial. 1ª Edición. España: UNED.

Fuentes complementarias    

Kuo, B. C. (2009). Sistemas de control digital. 1ª Edición. México: CECSA, Grupo Editorial Patria. Pallas, R. (2009). Sensores y acondicionadores de señal. 4ª Edición. México: Alfaomega. Santos, G. M. (2007). Sistemas telemáticos. 1ª Edición. Madrid: Editorial Ra-Ma. Tomasi, W. (2008). Sistemas de comunicación electrónica. 4a. México: Editorial Prentice Hall.

Fuentes electrónicas   

Tombo, L. (2012). Video demo aplicaciones dómotica. Consultado en: https://www.youtube.com/watch?v=l08RHxhFRLA. Sanitastv (2012). Video de tecnología robótica – Robo Da Vinci- instituto de cirugía robótica. Consultado en: http://www.youtube.com/watch?v=CdXp7eomEJQ. Siemens (s/f). Automation and Drives –Motion Control Systems. Consultado en: http://industria.siemens.com.mx/Motion%20Control/Docs/VTS_01_1.wmv

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