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ING. DARWIN ALVAREZ FLORES

INTRODUCCION

Los Controladores Lógicos Programables,(PLCs, Programable Logic Controller) nacieron a finales de la década de los 60s y principios de los 70s. Las industrias que propiciaron este desarrollo fueron las automotrices. Ellas usaban sistemas industriales basadas en relevadores (relés), en sus sistemas de manufactura. Buscando reducir los costos de los sistemas de control, la General Motors preparó en 1968 ciertas especificaciones detallando un "Controlador Lógico Programable".

Estas especificaciones definían un sistema de control por relevadores que podían ser asociados no solamente a la industria automotriz, sino prácticamente a cualquier industria de manufactura. Estas especificaciones interesaron a ciertas compañías tales como GEFanuc, Reliance Electric, MODICON, Digital Equipment Co., de tal forma que el resultado de su trabajo se convirtió en lo que hoy se conoce como Controlador Lógico Programable.

La gran diferencia con los controles por relevador fue su facilidad de instalación, ocupan menor espacio, costo reducido, y proporcionan autodiagnósticos sencillos.

De a poco se fue mejorando la idea inicial de los PLCs convirtiéndose en lo que ahora son, Sistemas Electrónicos Versátiles y Flexibles. El Control Lógico Programable es ideal para ser operado en condiciones críticas industriales, ya que fue diseñado y concebido para su uso en el medio ambiente industrial.

PPIMEME AUTOMATIZACION

CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES (PLCs)

Un PLC es un equipo electrónico de control con un cableado interno independiente del proceso a controlar ,que se adapta a dicho proceso mediante un programa especifico que contiene la secuencia de operaciones a realizar .Estas secuencia de operaciones se define sobre señales de entrada y salida al proceso, cableados directamente en los bornes de conexión del PLC.

Las señales de entrada ,pueden proceder de elementos digitales como finales de carrera y detectores de proximidad o analógicos ,como sensores de temperatura y dispositivos de salida de tensión o corrientes continuas.

Las señales de salida son órdenes digitales todo o nada o señales analógicas en tensión o corriente ,que se envían a los elementos indicadores y actuadores del proceso ,como lámparas ,contactotes ,válvulas ,etc.

El PLC gobierna las señales de salida según el programa de control previamente almacenado en una memoria a partir del estado de las señales de entrada.

Este programa se introduce en el PLC a través de la unidad de programación, que permite además funciones adicionales como depuración de programas ,simulación monitorización, control del PLC, etc

Una característica diferenciadora del PLC a otros sistemas de control programables esta en la estandarización de su hardware ,que permite la configuración de sistemas de control ‘”a medida ” ,según las necesidades estimadas de potencia de calculo y numero y tipo de señales de entrada y salida.

El PLC se configura alrededor de una unidad central o de control ,que unida por medio de buses internos a las interfaces de entrada y salida y alas memorias ,define lo que se conoce como arquitectura interna del PLC .

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ESTRUCTURA BASICA

Para poder interpretar la estructura de un PLC utilizaremos un sencillo diagrama en bloques. El la Figura 2 se muestran las tres partes fundamentales: la CPU, las entradas y las salidas.

La CPU es el cerebro del PLC, responsable de la ejecución del programa desarrollado por el usuario. Estrictamente, la CPU está formada por uno o varios procesadores; en la práctica, puede abarcar también a la memoria, ports de comunicaciones, circuitos de diagnóstico, fuentes de alimentación, etc.

Las entradas (interfases o adaptadores de entrada) se encargan de adaptar señales provenientes del campo a niveles que la CPU pueda interpretar como información. En efecto, las señales de campo pueden implicar niveles y tipos de señal eléctrica diferentes a los que maneja la CPU. En forma similar, las salidas (interfases o adaptadores de salida) comandan dispositivos de campo en función de la información enviada por la CPU.

La CPU se comunica con las interfases de entrada por medio de un bus paralelo. De esta forma se cuenta con un bus de datos y un bus de direcciones. Adicionalmente, un bus de alimentación provee alimentación eléctrica a las interfases de entrada.

A las entradas se conectan sensores, que pueden ser:

Pulsadores Llaves Termostatos Presostatos Límites de carrera Sensores de proximidad Otros elementos que generan señales binarias (ON-OFF)

Las salidas comandan distintos equipos, por ejemplo:

Lámparas

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Sirenas y bocinas Contactores de mando de motores Válvulas solenoide Otros elementos comandados por señales binarias

Cuando un sensor conectado a una entrada se cierra, permite que aparezca entre los bornes de esa entrada una tensión, por ejemplo: 24 Vcc, (Figura 3). Esta tensión es adaptada por la interfase de entrada al nivel y tipo de tensión que la CPU puede leer a través del bus de datos. Cuando la CPU lee este nivel de tensión, recibe la información de que dicha entrada está en el estado activo, o sea en el estado lógico 1.

Cada entrada es reconocida por la CPU mediante una identificación. Si la entrada activada se denomina X1, podemos decir que X1 está en estado lógico 1 (X1=1). Cuando el sensor conectado al borne de entrada se abra, X1 estará en estado 0 (X1=0).

Cuando un sensor conectado a una entrada se cierra, permite que aparezca entre los bornes de esa entrada una tensión, por ejemplo: 24 Vcc, (Figura 3). Esta tensión es adaptada por la interfase de entrada al nivel y tipo de tensión que la CPU puede leer a través del bus de datos. Cuando la CPU lee este nivel de tensión, recibe la información de que dicha entrada está en el estado activo, o sea en el estado lógico 1.

Cada entrada es reconocida por la CPU mediante una identificación. Si la entrada activada se denomina X1, podemos decir que X1 está en estado lógico 1 (X1=1).

Cuando el sensor conectado al borne de entrada se abra, X1 estará en estado 0 (X1=0).

En forma similar, cuando la CPU desea que una salida se active (pase a estado lógico 1), modifica los niveles de tensión en el bus de datos. La tarjeta de salida, que está conectada al bus de datos, cierra entonces el circuito de conexión, energizando el dispositivo de campo.

Cada salida está identificada, por ejemplo una salida podría denominarse Y2. Podemos decir entonces que salida Y2 está energizada (Y2=1) o desenergizada (Y2=0).La identificación que la CPU utiliza para cada punto de entrada/salida en la memoria se conoce como direccionamiento (o addressing) de la entrada/salida.Un programa muy sencillo podría ser: "Cuando X1=1, se debe hacer que Y2=1". Este podría ser el caso en que se enciende una lámpara al presionar un pulsador. El pulsador deberá estar conectado a la entrada X1, y la lámpara a la salida Y2. Al presionar el pulsador, la CPU leerá en la interfase de entrada que X1=1. Resolverá el programa, y pondrá un 1 en Y2. Como consecuencia, la salida cerrará el circuito de conexión y encenderá la lámpara.

La convención por la cual un "1" indica la presencia de señal, mientras que un "0" indica su ausencia; se denomina lógica positiva. En forma inversa, la lógica negativa utiliza un "0" para indicar la presencia de señal, y un "1" para indicar su ausencia.

Las interfases de entrada/salida presentadas pueden tomar solo uno de los dos estados: "1" ó "0".

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Otras interfases pueden tener como entrada o salida a variables analógicas, las que se caracterizan por tomar valores intermedios en forma continua entre dos límites.

Un ejemplo de variable analógica puede ser la presión de un reactor, que varía en forma continua entre 0 y 10 kg/cm² (g). Dado que la naturaleza de una señal de presión no es eléctrica, se requiere un transmisor de presión. Este convierte la presión medida en una señal eléctrica, que puede ser de 4 a 20 mA, 0 a 10 Vcc, etc.La interfase de entrada analógica convierte una señal analógica eléctrica en un número binario, cuya cantidad de dígitos depende de la resolución de la interfase de entrada/salida (por ejemplo, un rango de 00000000 a 11111111, con un resolución de 8 bits). Es evidente que la interfase maneja en realidad valores digitales, pese a lo cual se las denomina interfases de entrada/salidas analógicas. El conjunto de entradas y salidas se denomina a veces "estructura de entradas/salidas", o también "periféria de entradas/salidas", aunque es más frecuente que se lo abrevie como E/S, o I/O por su sigla en inglés (input/output). Cada entrada o salida se denomina canal o punto de E/S.

CLASIFICACION

Si deseamos establecer una clasificación de PLCs, podemos considerar distintos aspectos:

• Por su construcción: Integral Modular • Por su capacidad: Nivel 1: Control de variables discretas y pocas analógicas, operaciones aritméticas

y capacidad de comunicación elementales. Nivel 2: Control de variables discretas y analógicas. Matemáticas de punto

flotante. E/S inteligentes. Conexión en red. Gran capacidad de manejo de datos analógicos y discretos.

• Por cantidad de E/S: microPLC (hasta 64 E/S) PLC pequeño (65 a 255 E/S) PLC mediano (256 a 1023 E/S) PLC grande (más de 1024 E/S)

Clasificación por construcción:La clasificación por construcción distingue a los PLCs que integran todas sus partes (E/S, CPU, fuentes, ports de comunicaciones, etc.) en un misma caja o gabinete, de los que están formados por módulos.

Llamaremos PLC integral a aquel que integre todas sus partes una misma caja o gabinete (Figura 4).

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Se suele utilizar también la denominación de compacto, pero la aparición de PLCs modulares de pequeño tamaño hace que éste resulte inadecuada. El PLC integral suele tener muy pocas E/S, clasificándose en general como micro PLC. Tiene como ventajas un bajo costo y un pequeño tamaño. Una desventaja es la imposibilidad de expandir un equipo en forma gradual. En general se parte de un equipo básico que puede ampliarse mediante el agregado de unas pocas unidades de expansión con cantidad y tipo de E/S. Otra desventaja es la escasa variedad disponible de tipos de E/S, ya que, al estar éstas integradas en un gabinete, es imposible cubrir una amplia gama de opciones.

Un PLC modular, como su nombre lo indica, está formado por módulos. El equipo se arma sobre un bastidor o base de montaje (también llamada chasis o rack) sobre el cual se instalan la CPU, los módulos de entrada, los módulos de salida y otros periféricos (Figura 5). El chasis contiene en su parte posterior los buses de datos, direcciones y alimentación del PLC, con conectores apropiados a los que se conectan los distintos módulos.

Por la forma que tienen éstos módulos, es usual que se los denomine tarjeta. Es así que es muy frecuente encontrar la frase tarjeta de entrada/salida en referencia a los módulos de entrada/salida (Figura 6).

La principal ventaja que un PLC modular frente a uno integral es evidente, el usuario puede componer su equipo con la cantidad y tipo de entradas y salidas que necesite, y luego puede ampliarlo agregando los módulos necesarios.

La desventaja, en equipos pequeños, es su mayor costo. En general, este mayor costo tiene dos razones; mayor cantidad y costo de los componentes utilizados en la fabricación y ensamblado del equipo (conectores, chasis, plaquetas, etc.), y la mayor capacidad que suele tener un PLC modular. Esta mayor capacidad se evidencia en un lenguaje de programación más potente y con instrucciones para aplicaciones más complejas, mayor capacidad de comunicaciones, etc.

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Clasificación por capacidad:

La clasificación por capacidad distingue dos niveles, en función de la complejidad de las instrucciones que el PLC puede manejar. El nivel 1 identifica a un PLC con construcciones sencillas y no muy potentes, mientras que el nivel 2 identifica a los PLCs con funciones de mayor complejidad.Algunas de las instrucciones que podemos encontrar en un PLC de nivel 2, y que en general no estarán en un PLC de nivel 1 son: raíz cuadrada, logaritmo, antilogaritmo, aritmética de doble precisión y de punto flotante, funciones trigonométricas, diferenciación e integración lazos PID, etc.

Es usual que a mayor cantidad de E/S corresponda mayor capacidad del PLC.

Clasificación por cantidad de E/S

La clasificación por cantidad de E/S es arbitraria. A pesar de ello, este parámetro es el indicador que habitualmente define un PLC. Los fabricantes ofrecen características tales como la capacidad de memoria, operaciones aritméticas, etc., en directa relación a la cantidad de entradas y salidas que el controlador puede manejar.

Así, por ejemplo, suele haber una directa relación entre la clasificación de PLCs como integrales, y los clasificados como microPLC por la cantidad de E/S. Más aún, este PLC clasificado como integral por su construcción y como microPLC por su cantidad de E/S, probablemente deba se clasificado como de nivel 1 en cuanto a su capacidad.

Todos los PLCs comerciales poseen una estructura externa compacta en la que están todos los elementos (en un solo). Sin embargo, podemos decir que existen básicamente dos formas externas de presentación de los PLCs, una modular y la otra compacta. En cuanto a la estructura modular existen:

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Estructura americana: separa las E/S del resto del autómata.Estructura europea: cada módulo es una función (fuente de alimentación, CPU, E/S, etc.).

SECCIÓN DE ENTRADAS

Se trata de líneas de entrada, las cuales pueden ser de tipo digital o analógico.

En ambos casos se tienen rangos de tensión característicos, los cuales se encuentran en las hojas de características dadas por el fabricante. A estas líneas conectaremos los sensores, y las líneas de transmisión. A continuación se muestra un modulo de entradas digitales de 16 entradas.

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SECCIÓN DE SALIDAS

Son una serie de líneas, que también pueden ser de carácter digital o analógico. A estas líneas conectaremos los actuadores. Tanto las entradas como las salidas están aisladas de la CPU según el tipo de autómata que utilicemos. Normalmente se suelen emplear optoacopladores en las entradas y relés / optoacopladores en las salidas. Un elemento importante es el microprocesador que forma parte del “corazón” de la CPU.

La unidad central de proceso (CPU) se encarga de procesar el programa de usuario que le introduciremos. Para ello disponemos de diversas zonas de memoria, registros, e instrucciones de programa (parte superior del diagrama en bloques). Adicionalmente, en determinados modelos más avanzados, podemos disponer de funciones ya integradas en la CPU; como reguladores PID, control de posición, etc. Muchos equipos poseen una unidad de alimentación (algunas CPU la llevan incluida). También se dispone de una unidad o consola de programación que nos permitirá introducir, modificar y supervisar el programa de usuario. Los dispositivos periféricos, como nuevas unidades de E/S, más memoria, unidades de comunicación en red, etc., y las interfases facilitan la comunicación del autómatamediante enlace serie con otros dispositivos (como un PC).

CPU(Unidad Central de Proceso)

La CPU está compuesta por dos partes fundamentales: el procesador y la memoria. Puede contener también otros

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elementos, como ports de comunicación, o incluso la fuente de alimentación.

Procesador

El procesador tiene como tarea principal ejecutar el programa de aplicación escrito por el usuario. También cumple con otras tareas importantes, como ser la de administrar las tareas de comunicación y ejecutar programas de autodiagnóstico.Los PLCs más sencillos poseen un solo procesador, pero en la medida que su capacidad de control aumenta pueden tener varios procesadores dedicados a tareas específicas como resolución de lazos, comunicaciones, diagnóstico, etc.Para poder gobernar todo el sistema, el procesador necesita de un programa escrito por el fabricante (el mismo contiene el conjunto de instrucciones utilizado para ejecutar el programa de aplicación, una rutina de autodiagnóstico y el sistema básico de interacción con los periféricos: tarjetas de E/S, ports de comunicaciones, etc.). A este programa se lo denomina programa ejecutivo o sistema operativo. El sistema operativo no es accesible al usuario y se encuentra almacenado en la memoria no volátil que forma parte de la CPU. Las tareas asignadas al procesador con ejecutadas por éste en forma secuencial incesantemente mientras el equipo está conectado a la alimentación. Esta secuencia se denomina barrido o scan.

Una secuencia típica de barrido o scan consistiría en (Figura 7):• Consultar el estado de las entradas y almacenar estos valores en la memoria.• Resolver el programa de aplicación.• Atender las comunicaciones con módulos inteligentes.• Atender las comunicaciones de los ports de la CPU.• Ejecutar un autodiagnóstico.• Actualizar las salidas a partir de los resultados almacenados en la memoria.• Volver a empezar el ciclo.

MemoriaTodos los datos que el PLC maneja, su sistema operativo, el programa de aplicación, la tabla de estado de las E/S, etc., se almacenan en la memoria. En realidad deberíamos decir las memorias, porque son varias. En efecto, el sistema operativo, el programa de aplicación, las tablas de E/S y los registros internos (variables no asociadas a E/S) pueden estar en memorias separadas y de distintos tipo.

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Según el tipo y capacidad del PLC, éste puede manejar mayor o menor cantidad de datos, y a su vez datos con formato más o menos extenso.El formato con que se agrupan los datos puede ser en grupos de 8 bits llamados bytes, o en grupos de 16 bits llamados generalmente palabra (word).

La memoria total de un equipo tiene distintas zonas en las que se almacenan datos:• Area de programas de aplicación o memoria de usuario• Registro de E/S discretas• Registro de E/S analógicas• Registro de temporizadores y contadores• Registro de variables• Area auxiliar (scratch pad)• Sistema operativo

Los fabricantes en general especifican la cantidad de memoria disponible para el programa de aplicación y la cantidad de memoria disponible para datos (o la cantidad disponible de cada tipo de registro).

No obstante, es necesario tomar ciertos recaudos al comparar PLCs porque las instrucciones del programa de aplicación pueden ocupar distinta cantidad de memoria en distintas marcas. Esta situación es similar a la que se da desde el punto de vista de la velocidad de procesamiento del programa de aplicación.

El sistema operativo es un parte fija integrante del PLC. Debe permanecer inalterable a través del tiempo y ante falla de alimentación del equipo; además debe ser inmune a cambios accidentales generados por el operador o programador, por lo tanto necesita una memoria con capacidad de almacenamiento permanente, como son las memorias ROM, EPROM o EEPROM.En cambio, el programa de aplicación debe permanecer estable durante el funcionamiento del equipo, pero también debe poder ser alterado fácilmente para la eliminación de errores de un programa o para reprogramar el controlador en una nueva aplicación. Se utilizan entonces memorias RAM o EEPROM.Para las áreas de datos se requiere otra condición: las memorias deben permitir una lectura y escritura rápida. La velocidad de estas operaciones de ingreso y consulta de datos juega un rol fundamental en la velocidad de operación del PLC. Por otra parte, no se requiere permanencia de los datos luego de una caída en la alimentación. Por ello, se utilizan memorias RAM.

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TIPOS DE CPUs

INTERFACES

Todo PLC, salvo casos excepcionales, posee la virtud de poder comunicarse con otros dispositivos (como un PC). Lo normal es que posea una interfase serie del tipo RS-232 / RS- 422. A través de esta línea se pueden manejar todas las características internasdel controlador, incluida la programación del mismo, y suele emplearse para monitorización del proceso en otro lugar separado.

UNIDADES DE PROGRAMACIÓN

La programación del PLC puede ser hecha por una unidad de programación que suele ser en forma de calculadora. Es la forma más simple de programar el equipo, y sesuele reservar para pequeñas modificaciones el programa o la lectura de datos en el lugar de colocación del equipo.También se puede usar una consola de programación. Es un terminal a modo de ordenador que proporciona una forma más cómoda de realizar el programa de usuario yobservar parámetros internos del PLC. Desfasado actualmente. El modo más empleado para programar un PLC es mediante una computadora tipo PC. Permite programar

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desde un ordenador personal estándar, con todo lo que ello supone: ”herramientas más potentes,posibilidad de almacenamiento en soporte magnético, impresión, transferencia de datos, monitorización mediante software SCADA, etc”.

Para cada caso el fabricante proporciona lo necesario, bien el equipo o el software/cables adecuados. Cada equipo, dependiendo del modelo y fabricante, puede poseer una conexión a uno o varios de los elementos anteriores. En el caso de los micro-plc se escoge la Programación por PC o por unidad de programación integrada en la propia CPU.Aquí tenemos un ejemplo sencillo:

LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN

Cuando surgieron los autómatas programables, lo hicieron con la necesidad de sustituir a los enormes cuadros de maniobra construidos con contactores y relés. Por lo tanto, la comunicación hombre-maquina debería ser similar a la utilizada hasta ese momento. El lenguaje usado, debería ser interpretado, con facilidad, por los mismos técnicos electricistas que anteriormente estaban en contacto con la instalación. Estos lenguajes han evolucionado en los últimos tiempos, de tal forma que algunos de ellos ya no tienen nada que ver con el típico plano eléctrico a relés..Los lenguajes más significativos son:

Lenguaje a contactos. (LD)

Es el que más similitudes tiene con el utilizado por un electricista al elaborar cuadros de automatismos. Muchos autómatas incluyen módulos especiales de software para poder programar gráficamente de esta forma.

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Lenguaje por Lista de Instrucciones. (IL)

En los autómatas de gama baja, es el único modo de programación. Consiste en elaborar una lista de instrucciones o nemónicos que se asocian a los símbolos y su combinación en un circuito eléctrico a contactos. También decir, que este tipo de lenguaje es, en algunos los casos, la forma más rápida de programación e incluso la más potente.

DISPOSITIVOS PERIFÉRICOS

El PLC, en la mayoría de los casos, puede ser ampliable. Las ampliaciones abarcan un gran abanico de posibilidades, que van desde las redes internas (LAN, etc.), módulosauxiliares de E/S, memoria adicional... hasta la conexión con otros autómatas del mismo modelo.

Cada fabricante facilita las posibilidades de ampliación de sus modelos, los cuales pueden variar incluso entre modelos de la misma serie.

TEMPORIZADORES

Los temporizadores tienen un área reservada en la memoria de la CPU. Esta área de memoria reserva una palabra de 16 bits para cada operando de temporizador. La programación con KOP asiste 256 temporizadores. Consulte los datos técnicos de la CPU para saber de cuántas palabras de temporización dispone ésta.

Las siguientes funciones tienen acceso al área de memoria de temporizadores:· Operaciones de temporización

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· Actualización por reloj de palabras de temporización. Esta función de la CPU en elestado RUN decrementa en una unidad un valor de temporización dado en el intervaloindicado por la base de tiempo hasta alcanzar el valor 0.

Ejemplo de aplicación :Timer con retardo a la conexión

En este diagrama nosotros esperamos por la entrada 0001 ,cuando esta se activa ,el timer T000( con incrementos de 100ms )empieza a contar. Este podría contar 100 pulsos ,cada pulso es 100 ms entonces el temporizador podría llegar a 10000ms (es decir 10 seg.).Cuando el timer llega a 100 veces o 10 seg. se activa y activa la salida 0500. Cuando se desactiva la entrada 0001 el timer se resetea y cambia a 0 entonces se desactiva la salida 0500

CONTADORES

Tipos de contadores

up-counters (ellos solo cuentan ascendentemente 1,2,3...). Son llamados CTU,(count up) CNT,C, or CTR.

down counters (estos solo cuentan en descendente 9,8,7,...). tipicamente son llamados CTD (count down) .

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up-down counters (estos pueden contar up and/or down 1,2,3,4,3,2,3,4,5,...) Son llamados UDC(up-down counter) .

Aquí tenemos algunos símbolos de instrucciones que nosotros podríamos encontrar (dependiendo de la marca del PLC) y como usarlos.

En este contador necesitamos 2 entradas

Una es para resetear el contador. Cuando esta entrada esta activa el contador retorna a cero.

La Segunda entrada es la dirección donde entran los pulsos para contar. Por ejemplo, si nosotros estamos contando cajas, y el sensor esta a un costado de la caja, entonces la salida del sensor esta conectada a esta entrada

rado.htm

BIBLIOGRAFIA

W. BOLTON, Mecatrónica Sistemas de Control Electrónico En Ingeniería Mecánica Eléctrica 2th edition ,Alfaomega,2001 Phil Melore, "PLC Tutor", sitio web www.plcs.net, 2001 J. Webb y R. Reis, "Programmable Logic Controllers: Principles and Applications", 4th. edition, Prentice Hall, ISBN 0-13-679408-4, 1999 S. Brian Morriss, "Programmable Logic Controllers", Prentice Hall, ISBN 0-13-095565-5, 2000 ABB, "40 & 50 Series, Technical Manual" ABB, "AC31GRAF Programming Software, Software Manual", 1997 ABB, "ABB Procontic CS31", Edition 11.95 Andy Swales, Schneider Electric, "Open MODBUS/TCP Specification", Release 1.0, 29 March 1999

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