Diseño y simulación de un dosificador y mezclador automático.pdf

UNIVERSIDAD UNIVERSIDA D DE DEPAMPLONA PAMPLONA Una Universidad incluyente y comprometida con el desarro des arrollo llo int inte e ral

DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN DOSIFICADOR Y MEZCLADOR AUTOMÁTICO AUTOMATIZACIÓN AUTOMAT IZACIÓN INDUSTRIAL

INTEGRANTES: JEISSON HARVEY MARTINEZ FLOREZ COD: 1’093.277.423 MARIO ANDRES RODRIGUEZ PINEDA COD: 1’090.504.412 MICHAEL MICHAEL STEVEN MOLINA DAZA COD: 1’093.792.338

ISAAC NAHANIEL NAHANIEL SILVA URBINA COD: 1’140.417.450

UNIVERSI UNIVERSIDAD DAD DE PAMPLONA FACULTAD DE INGENIERIAS Y ARQUITECTURA INGENIERIA MECATRONICA 2017

Universidad de Pamplona

Pamplona - Norte de Santande Santanderr - Colombia

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DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN DOSIFICADOR Y MEZCLADOR AUTOMÁTICO AUTOMATIZACIÓN AUTOMAT IZACIÓN INDUSTRIAL

INTEGRANTES: JEISSON HARVEY MARTINEZ FLOREZ COD: 1’093.277.423 MARIO ANDRES RODRIGUEZ PINEDA COD: 1’090.504.412 MICHAEL MICHAEL STEVEN MOLINA DAZA COD: 1’093.792.338

ISAAC NAHANIEL NAHANIEL SILVA URBINA COD: 1’140.417.450

PRESENTADO PRESENTADO A: ING. ADRIAN ALBERTO CARVAJAL FERRER DOCENTE

UNIVERSI UNIVERSIDAD DAD DE PAMPLONA FACULTAD DE INGENIERIAS Y ARQUITECTURA INGENIERIA MECATRONICA 2017



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TABLA DE CONTENIDO

1.

................................................ .................................. ................................. ................................. .................................. ...................5 ..5 INTRODUCCION ...............................

2.

OBJETIVOS ............................... ................................................ ................................. ................................. .................................. .................................. ...........................5 ..........5 2.1

.................................................. ................................. ................................. ................................. .........................5 ........5 Objetivo General General ..................................

2.2

................................................. ................................. .................................. .................................5 ................5 Objetivos Específicos .................................

3.

................................................. .................................. ................................. ................................. ...................6 ..6 TITULO DEL PROYECTO PROYECTO ................................

4.

DESCRIPCIÓN DEL DOSIFICADOR MEZCLADOR AUTOMÁTICO .............................6 .............................6

5.

MARCO TEORICO ................................. .................................................. .................................. ................................. ................................. ..............................7 .............7 5.1 GUIA GEMMA ................................. .................................................. .................................. ................................. ................................. .................................. ...................7 ..7

5.1.1 5.1.1 Metod Metodolo olo gía de la Guía Gemma ............................... ................................................. ................................... ................................. .....................9 .....9 ................................................. .................................. .........................13 ........13 5.1. 5.1.2 2 Representación Representación gráfica co nvencio nal ................................

6.

................................................. ................................... ................................. ...................19 ...19 DESARROLLO DEL PROBLEMA ............................... ................................................ ................................... .................................. ................................. ................................. ...................19 ...19 6.1 Guía Gemma ...............................

6.2 Tabla de variab les del d el GRAFCET GRAFCET y PLC ............................... ............................................... ................................. .......................22 ......22 6.3 Grafcet del Proceso .................................. .................................................. ................................. ................................. ................................. .......................26 ......26 .................................................. .................................. ................................. ................................. ............................31 ...........31 6.4 Lenguaje Ladder ................................. ................................................ .................................. ................................. ................................. ...............................31 ..............31 6.5 HMI HMI del Pro ceso ...............................

CONCLUSIONES ................................. ................................................. ................................. .................................. .................................. ................................. ......................34 ......34 BIBLIOGRAFIA ................................. .................................................. ................................. ................................. .................................. ................................. .........................35 .........35 ................................................ .................................. .................................. .................................. ................................. ......................35 ......35 HEMEROGRAFÍA ...............................



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LISTA DE FIGURAS Figura 1. Diagrama del proceso a realizar. ............................................. .............................................................. .................................. ...........................7 ..........7 Figura 2.Jerarquía de los Módulos del GEMMA ........................................... ........................................................... ................................. ......................8 .....8 Figura 3. Ilustración Il ustración de la secuencia ordenada de fases. ............................... ................................................ .................................. .................10 10 Figura 4. Panel de mando básico para llevar a cabo la intervención del operario. ............................12 ............................12 Figura 5. Representación convencional de la guía GEMMA, únicamente con los 16 modos. ...........18 Figura 6. Aplicación de la Guía Gemma ......................... .......................................... ................................. ................................. ................................. .................19 .19 Figura 7. Tabla de d e Variables V ariables Estandar ................................. ................................................. ................................. ................................. ............................24 ............24 Figura 8. Tabla de d e Variables Animaciones ............................. .............................................. .................................. .................................. .........................25 ........25 Figura 9.Grafcet - Parte 1 ................................. ................................................. ................................. ................................. ................................. ...............................26 ..............26 Figura 10.Grafcet - Parte 2 ................................. .................................................. .................................. ................................. ................................. ............................27 ...........27 Figura 11.Grafcet - Parte 3 ................................. .................................................. .................................. ................................. ................................. ............................29 ...........29 Figura 12.Grafcet - Parte 4 ................................. .................................................. .................................. ................................. ................................. ............................30 ...........30 Figura 13. HMI Estado Off ............................... ................................................ .................................. ................................. ................................. ...............................31 ..............31 Figura 14. Interruptor de d e Encendido del Sistema ..................... ...................................... .................................. ................................. ......................31 ......31 Figura 15. Interruptor de Manual-Automático ............................... ................................................ ................................. ................................. .................31 31 Figura 16. Botonera ................................. ................................................. ................................. .................................. .................................. ................................. ......................32 ......32 Figura 17. Botones en Modo Automático ................................. ................................................. ................................. ................................. ......................32 ......32 Figura 18. Botones en Modo Manual .................................. .................................................. ................................. ................................. ............................32 ............32 Figura 19. HMI - Actuadores ON.................................... ON..................................................... .................................. ................................. ................................. .................33 33 Figura 20. Leds de Balanza ................................. .................................................. .................................. ................................. ................................. ............................33 ...........33



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1. INTRODUCCION La automatización de un proceso en pocas palabras consiste en la sustitución de aquellas tareas tradicionalmente manuales por las mismas realizadas de manera automática por máquinas, robots o cualquier otro tipo de automatismo. De este modo, gracias al uso adicional de sensores, controladores y actuadores, así como de métodos y algoritmos de conmutación, conmutación, se consigue liberar al ser humano de ciertas tareas. Es por ello que como ingenieros mecatrónicos en formación form ación es importante que conozcamos las herramientas, procedimientos y metodologías para el desarrollo de un proceso de automatización. Utilizando en este caso herramientas computacionales; como software TIA PORTAL y PLCSIM, y metodologías de representación de los modos y etapas de funcionamiento del proceso de producción a automatizar, como la guía GEMMA y diagrama GRAFCET. En cuanto al proceso de automatización a desarrollar se parte de una secuencia predefinida base del mezclado de 2 sustancias. Es importante conocer que en un proceso productivo no está siempre funcionando en modo automático, pueden surgir problemas que, por ejemplo, conlleven a una parada inmediata de la maquina o proceso. Es por ello que en la automatización del proceso es necesario prever todos los estados posibles: funcionamiento manual o automático, paradas de emergencia, puesta en marcha y simulación del proceso en la HMI.

2. OBJETIVOS

2.1

Objetivo General General

Diseñar y simular un sistema dosificador dosificador mezclador automático que contenga la seguridad se guridad que brinda la guía Gemma, como todos los modos o estados de marcha y paradas en que se puede encontrar un proceso de producción automatizado.

2.2 2.2    

Objetivos Específicos

Analizar los procedimientos que contiene la guía GEMMA para automatizar procesos presentes en la industria. Aplicar las técnicas de codificación Grafcet para programar un PLC con una aplicación aplicación de los procedimientos sugeridos por la guía Gemma. Realizar una simulación en el programa TIA PORTAL, con ayuda de un PLC. Realizar una interfaz HMI con ayuda del programa TIA PORTAL para simular de forma visual el proceso de dosificador mezclador automático.



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3. TITULO DEL PROYECTO

PROGRAMACIÓN Y SIMULACION DE UN DOSIFICADOR MEZCLADOR AUTOMÁTICO ATRAVES DE UN CONTROLADOR LOGICO PROGRAMABLE PLC.

4. DESCRIPCIÓN DEL DOSIFICADOR MEZCLADOR MEZCL ADOR AUTOMÁTICO AUTOMÁ TICO Un dosificador es un equipo que por lo general forma parte integral de una línea de producción. Su función es permitir agregar un líquido a un solvente como el agua en cantidades precisas además lo hace proporcionalmente de acuerdo al flujo que pasa por él, no importando cambios de Presión Pr esión o de Flujo en la línea de agua. Dicho liquido liqu ido es conocido como concentrado y puede ser de diferentes tipos para diversas industrias como lubricantes, desmoldantes, fertilizantes de plantas, insecticidas, compuestos químicos, cloradores, detergentes, alimentos concentrados, agricultura, invernaderos, imprentas, impresión de circuitos, industrias de cemento, lavado de vehículos, etc. Los mezcladores mecánicos tienen como objetivo la disolución de las sustancias que se le añadan al mezclador dependiendo el tipo que sea. Cuando el mezclador entra en funcionamiento el realiza la disolución de varias formas, como por ejemplo por fuerzas magnéticas, magnéti cas, por movimiento m ovimiento circular, por agitación, etc. El proceso de dosificador mezclador automático trata de un mezclador pivotante el cual recibe un producto A y B pesados en una báscula (C) y briquetas solubles llevadas a la tolva de mezclado, una a una por una cinta de alimentación. El automatismo permite realizar re alizar una mezcla que contiene los 3 productos antes mencionados (ver Figura. 1). Al accionar el pulsador de alimentación (pulsador de Arranque), la primera acción a realizar será la pesada del producto A (0). Una vez concluida esta, se realizarán tres acciones simultaneas, que son: cierre de Va (1), pesada del producto B (3 y 4) y la alimentación de dos briquetas (6,7 y 8). Cuando estas acciones simultaneas terminan se realizan dos acciones simultaneas más, que son el cierre de la válvula Vc (10) y la puesta en marcha del mezclador (12). Transcurrido el tiempo necesario para la mezcla (5seg para simulación), podemos iniciar el vaciado del mezclador (14) activando el motor de giro a la derecha; cuando esta acción ha concluido paramos el motor de giro a la derecha (17), el motor del mezclador (15), e iniciamos el giro a la izquierda (19); cuando el mezclador ha recuperado su posición paramos paramos el motor de giro a izquierdas (20) y volvemos a 0.



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Figura 1. Diagrama del proceso a realizar.

5. MARCO TEORICO 5.1 GUIA GEMMA

La guía Gemma procede de los trabajos llevados a cabo durante dos años por la ADEPA (Agencia nacional francesa para el desarrollo de la producción aplicada a la industria). Las siglas GEMMA (Guía de estudio de los modos de marcha y paro). En el contexto de su creación, en 1993, se concibe para que esté en consonancia con las normas de seguridad de la Unión Europea. Bajo la norma nacional francesa UTE C 03-191, se complementa con la representación GRAFCET y pretende dar cabida a una metodología que incluya los modos de marcha y paro del control secuencial, el funcionamiento correcto del proceso controlado, junto con el funcionamiento deteriorado ante anomalías e incluso el tratamiento de situaciones de emergencia en previsión de posibles daños humanos o materiales. La primera idea asociada a la guía GEMMA que conviene matizar es que se trata de un enfoque de diseño estructurado. Ante la complejidad de los factores que intervienen en la automatización de procesos, es conveniente utilizar el diseño estructurado con el fin de modelar, de forma parcial, las tareas. En el diseño estructurado de un sistema automatizado, aparecen tres módulos:  



Módulo de seguridad Módulo de modos de marcha Módulo de producción



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La representación de la guía GEMMA tiene en cuenta la presencia de estos módulos, junto con las relaciones internas existentes entre módulos. La jerarquía ilustrada en la Figura F igura 2, pretende intensificar la atención en el aspecto de seguridad de los sistemas automatizados en entornos productivos, como por ejemplo en situaciones de emergencia, en situaciones de fallos de dispositivos, o en situaciones de producción defectuosa, de forma que, ante estas contingencias, contingencias, el módulo m ódulo de seguridad es prioritario prioritario respecto a los otros módulos. En segundo lugar, es notoria la intervención del operario como parte integrante del sistema, pues aporta experiencia en el cambio de modo automático a modo manual cuando el funcionamiento del proceso lo requiere.

Figura 2.Jerarquía de los Módulos del GEMMA

Es decir, el control global del proceso puede ser debido a fragmentos de control intermitentes entre control automático y control manual. En tercer lugar, aparece el módulo de producción, que se entiende que está supeditado a los módulos precedentes, y en el que tenemos el funcionamiento de ejecución secuencial de activación y desactivación de estados mediante la lectura lógica de las transiciones. Analizando estos módulos de forma inversa, la guía GEMMA pretende conservar la metodología de modelado GRAFCET, pero teniendo en cuenta que en el diseño estructurado de un sistema automatizado coexisten diversos GRAFCET parciales, los cuales hay que relacionar y jerarquizar convenientemente. Así, en el módulo de producción se concibe conc ibe el organigrama de control básico en condiciones condic iones idóneas de funcionamiento, organigrama que se conoce como el GRAFCET de producción o GRAFCET de base; en el módulo de modos de marcha, el operario vigila el GRAFCET de producción y puede llegar a intervenir, si la situación lo requiere, mediante el cambio de control automático a manual (o viceversa, para reestablecer la situación) en este módulo, el organigrama se conoce como GRAFCET de conducción.



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Finalmente, en el módulo de seguridad se procede al tratamiento de emergencias, fallos y defectos, con la posibilidad, por ejemplo, ej emplo, de que, se realice paradas de emergencias sobre el sistema, con las convenientes fases de solución de problemas y reconfiguración para volver a la condición de reinicio de la marcha y producción. producción. En este último módulo, el organigrama se conoce como GRAFCET de seguridad. La representación de la guía GEMMA permite enlazar dichos modelos mediante la secuencialización de estados y transiciones. Internamente, ello se traduce en la utilización de las reglas de forzado y las reglas de evolución del GRAFCET, tal como se detallará más adelante. Uno de los objetivos principales de la guía GEMMA es la utilización de una metodología sistemática y estructurada que ofrezca a los expertos en automatización información precisa del sistema en clave de estados posibles; de ahí que habitualmente se presente en el formato de la descripción completa de todos los posibles estados que puede llegar a tener el sistema. s istema. Al ser la guía GEMMA una metodología que incorpora el módulo de seguridad, así como la vigilancia del operario sobre el módulo de producción se acerca a las características fundamentales presentes en las referencias bibliográficas que tratan el tema de supervisión de procesos. Así pues, la relevancia relev ancia de la guía GEMMA radica en que promueve claramente c laramente la integración entre dos áreas de conocimiento complementarias como la supervisión y la automatización. 5.1.1 5.1.1 Metod Metodolo olo gía de la Guía Gemma

Atendiendo a los comentarios anteriores cabe ubicar la guía GEMMA en un marco metodológico genérico, ya que están implicados una serie de conceptos. El marco metodológico consta de las fases siguientes, que el operario debe realizar: - Automatización - Supervisión Supervisión - Interacción - Implementación - Pruebas En el caso de llevar a la práctica un proyecto de automatización, es necesario seguir las fases de la metodología presentada, así como indicar el operario o grupo de ellos encargados de llevar a cabo las fases por separado o el conjunto de ellas. En todo caso, este marco metodológico genérico escapa a las pretensiones del libro, pero puede servir para especificar el contexto en el que la guía GEMMA debe desarrollarse. La figura 3 ilustra la secuencia ordenada de fases. Es decir, si s i la metodología quiere llevarse a la práctica hay que seguir paso a paso el método de forma secuencial. Cabe destacar el rol del operario en este esquema. El operario lleva a cabo cada una de las fases; hace la transición entre una fase y la siguiente, y, finalmente, se encarga de proceder a una iteración para rehacer el primer ciclo para introducir introducir mejoras.



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Las fases que aparecen en el marco metodológico no son conceptos puntuales; cada uno de ellos puede tratarse en profundidad. A continuación, se presenta tan sólo un breve resumen de cada una de las fases, ya que lo que se quiere constatar es la relación entre las fases y los aspectos dinámicos intrínsecos intrínsecos de cada fase.

Figura 3. Ilustración de la secuencia ordenada de fases.



Auto Au to matizac mat izac ió n

En esta fase elemental hay que desarrollar los pasos siguientes relacionados con el GRAFCET y la puesta en marcha de automatismos: Observación Observación del proceso proceso a controlar controlar y generación generación del GRAFCET de primer nivel en su descripción descripción funcional.  Selección del automatismo (autómata programable, regulador digital autónomo). las secciones de de  Selección y cableado físico de sensores y actuadores, con las entradas y salidas del automatismo.  Generación del GRAFCET de segundo nivel en su descripción tecnológica. 

En estas líneas, la fase de automatización coincide con todas las propuestas que hacen las referencias bibliográficas básicas de automatización y autómatas programables. En la fase de automatización aparecen diversas tecnologías, entre ellas la sensorica y la neumática, supeditadas a su conexión física con el automatismo (autómata programable, por ejemplo). La representación del control secuencial sobre el proceso se representa mediante GRAFCET. A partir de estas líneas, el GRAFCET generado pasa a denominarse GRAFCET de producción, en asociación con el módulo de producción. Una vez la fase de automatización ya está consolidada, hay que establecer la fase de supervisión. Universidad de Pamplona


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

Supervisión

A continuación, en esta segunda fase, hay que desarrollar los pasos siguientes: 





Hay que reunir el máxim máximo o de de especificaci especificaciones ones a prioridad sobre los estados posibles en las que se puede encontrar una máquina o un proceso, según la experiencia del agente encargado de la automatización o según las peticiones peticiones del cliente. Hay que definir los módulos a utilizar según la complejidad complejida d del problema (seguridad, modos de marcha, producción) y representar gráficamente el caso de estudio mediante los estados y las transiciones de la guía GEMMA. Para cada módulo, hay que generar un GRAFCET parcial. Cabe destacar que, en el caso de producción, el GRAFCET de producción ya se ha generado en la fase de automatización, de manera que lo que hay que establecer aquí es la relación con c on el resto de módulos. En el caso del módulo de modos de marcha el GRAFCET de conducción promueve la activación y desactivación del módulo de producción, que normalmente presenta un desarrollo secuencial cíclico. Finalmente, mediante el módulo de seguridad, el GRAFCET de seguridad pertinente vigila vigila los dos módulos anteriores ante la posible aparición aparición de fallos o situaciones de emergencia en el sistema automatizado.





Los GRAFCET parciales se integran de forma modular y estructurada estructura da en un solo GRAFCET general que contemple todos los módulos enunciados en función de la complejidad del problema, mediante las reglas de forzado y las reglas de evolución. El operario procede a la la supervisión cuando está vigilando la evolución del proceso controlado automáticamente, y está atento a la presencia de posibles imprevistos que merezcan activar el módulo de seguridad e intervenir directamente en el mismo.

Una vez la fase de supervisión ya está consolidada, hay que establecer la fase de interacción. 

Interacción

En la interacción entre la supervisión humana llevada a cabo por el operario y el proceso controlado por parte del automatismo, hay que concretar la intervención del operario mediante el diseño del panel de mando en función de las acciones físicas sobre dispositivos y la recepción de señales informativas visuales o acústicas. acústicas. Los dispositivos concretos a utilizar dependen de los módulos definidos en la fase denominada supervisión . En cualquier caso, presentamos una disposición básica de dispositivos dispositivos en el panel de la figura 4. Para el diseño del panel de mando se utilizan conceptos que aparecen en la normativa de seguridad en máquinas, así como especificaciones ergonómicas y el conjunto de situaciones a tratar mediante la guía GEMMA. En función de la complejidad del problema, el operario debe conocer qué dispositivos necesita y si el panel es el adecuado o conviene hacer mejoras. Universidad de Pamplona


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En automatización industrial, existe una gran diversidad de dispositivos, que se engloban en lo que se conoce como interfaz persona-máquina ( HMI human-machine interface ) de manera que aquí no se pretende abordar el tema en detalladamente sino tan sólo ofrecer un panel de mando apto para su uso con la guía GEMMA. La comprensión de la fase de interacción es vital para que el usuario pueda clasificar las diversas situaciones que se dan en el sistema automatizado y procesar la información e intervenir con coherencia. El detalle de cada uno de los dispositivos se comentará con más detalle cuando se aborde la utilización de la guía GEMMA. Baste decir aquí que el panel de mando está formado por un conjunto de dispositivos informativos visuales DIV situados en la parte superior del panel, y por un conjunto de controladores situados en la parte inferior del panel.

Figura 4. Panel de mando básico para llevar a cabo la intervención del operario.

Este panel (Ejemplo Figura. 4) puede situarse físicamente en una zona cercana a los controladores y a la planta y/o máquina. Si es necesario, también puede complementarse con paneles auxiliares de accionamiento individual de actuadores, aunque para su utilización en sistemas electroneumáticos, por ejemplo, podemos acceder a los actuadores directamente sobre las electroválvulas que dispongan de accionamiento manual. Otra posibilidad de auge reciente radica en diseñar dispositivos -tanto informativos como controladores-, mediante librerías de instrumentación virtual, de forma que los objetos gráficos forman parte de terminales programables alfanuméricos, monitores táctiles u ordenadores industriales. Una vez realizadas las fases de automatización, supervisión e interacción, y antes de seguir con el resto de fases, el operario puede rehacer convenientemente cada una de ellas a medida que aumenta el conocimiento experto del funcionamiento del sistema. Terminada esta etapa, se procede a las fases de implementación y pruebas.



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Implementación

Sin duda, ésta es la parte más práctica del método. Estos son sus pasos más significativos:  

Selección del lenguaje de programación del automatism automatismo. o. Traducción de GRAFCET a lenguaje de programación.

Esta fase requiere las habilidades prácticas del operario en la programación de automatismos. Respecto a la traducción de GRAFCET a lenguaje de programación de autómatas –como, por ejemplo, el esquema de contactos-, algunos usuarios utilizan el GRAFCET de tercer nivel en su descripción operativa. Otros usuarios prefieren pasar directamente el GRAFCET de segundo nivel, en su descripción tecnológica, al formato de esquema de contactos. Existe otra posibilidad, que es la formulación de las etapas y transiciones del GRAFCET en la forma de biestables S/R (S set, R reset). Cabe destacar que el usuario debe respetar las singularidades observadas, ya que cada casa comercial genera su lenguaje de programación conforme a unas normas propias de diseño, de manera que lo único que queremos recalcar aquí de forma genérica es que la representación formal de la guía GEMMA ha de implementarse adecuadamente en el autómata programable correspondiente. Una vez la fase de implementación está consolidada, se procede a la fase de pruebas, verificando dicho algoritmo por partes; como vigilar la evolución del proceso a interactuar con el proceso controlado mediante el panel de mando, e incluso puede emular situaciones de emergencia para analizar cómo responde el sistema automatizado. 5.1. 5.1.2 2 Representación Representación gráfica co nvencion al

La representación estándar de la guía GEMMA superpone un diagrama. La guía GEMMA distingue cinco situaciones relevantes:      

PZ: Existencia o no de energía de alimentación sobre el global operarioautomatismo proceso. Tres familias familias de modos de marchas marchas y paradas A: Procedimientos de parada. F: Procedimientos de funcionamiento. D: Procedimientos de fallo.

Producción de piezas o material continuo.



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Cada familia PZ, A, F o D se detalla en una serie de estados o modos con la finalidad de mostrar cómo la guía GEMMA puede adaptarse a un gran número de situaciones y problemas. En este punto, es necesario definir la lista de modos, y representarlos de forma gráfica mediante rectángulos más pequeños de color blanco. 

PZ: Procedimientos del control fuera de servicio



PZ1: Puesta del control sin energía

Cuando el automatismo se queda sin energía, este estado se ocupa de los procedimientos a realizar para garantizar la seguridad. Las condiciones para acceder a este estado son a partir de cualquier estado, voluntariamente o accidentalmente. La situación voluntaria solo debería darse cuando el sistema se encuentra en el estado A1, en PZ2 o en PZ3. Las acciones que hay que llevar a cabo en este estado consisten básicamente en terminar los movimientos en curso, bloquear mecánicamente las cargas suspendidas o dejar sin alimentación la parte operativa (si no lo estaba ya). 

PZ2: Puesta del control en estado de marcha

En este estado, se vuelve a alimentar el control, situación que puede ocurrir a partir de PZ1 y de forma accidental. En un automatismo, un procedimiento de chequeo es ejecutado automáticamente. El automatismo lleva a cabo un ciclo básico, denominado ciclo de scan, en el que se verifican los módulos de hardware de entradas y salidas, la ejecución de tareas organizadas organizadas por la CPU del automatismo y el cumplimiento del buen funcionamiento, dentro de los límites impuestos por el temporizador watch dog . 

PZ3: Puesta del control fuera del estado de marcha

Se está en este estado cuando el control tiene energía, pero no está operativo (STOP). Las condiciones para acceder a este estado son a partir de A1 a petición del operario, o a partir de cualquier estado si se detectan anomalías en el automatismo (módulos de entrada/salida, memoria RAM, anomalías en la CPU o desbordamiento de watch dog ). Las acciones concretas consisten en reparar la avería, y llevar el sistema al estado PZ1 o al PZ2. Para simplificar la representación gráfica de la guía GEMMA, los modos PZ1, PZ2 y PZ3 no se incluyen en la figura 5.



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F: Procedimientos de funcionamiento



F1: Producción normal

Estado en el que la máquina está produciendo normalmente, realizando la tarea para la que está concebida. En su interior, se encuentra el algoritmo básico, expresado habitualmente como GRAFCET de producción o GRAFCET de base. 

F2: Marcha de preparación

Acciones necesarias para que la máquina pueda entrar en producción (precalentamiento, (precalentamiento, carga de utillajes, calibración, etc.). 

F3: Marcha de finalización

Acciones que hay que realizar antes de la parada (vaciado de tuberías, cambio de herramientas, herramientas, limpieza, enfriamiento, etc.) Los modos F1, F2 y F3 engloban el funcionamiento normal de algunas máquinas o procesos controlados. Como complemento a estos modos, los modos F4, F5 y F6 ilustran la necesidad de verificar v erificar algunos subprocesos subprocesos por parte del operario. 

F4: Marcha de verificación sin orden

Permite certificar movimientos individuales del ciclo, sin respetar el orden habitual (usualmente, en vacío). Es asimilable a la intervención del operario en la forma de control manual. 

F5: Marcha de verificación con orden

Permite verificar paso a paso ciertos movimientos o ciclos del proceso (en vacío o produciendo). Es asimilable al control semiautomático y en aquellas fases de implementación y pruebas en las que el operario supervisa directamente y valida cada uno de los pasos. 

F6: Marcha de test

Para la realización de operaciones de ajuste y mantenimiento sobre la instrumentación de control (comprobación de la activación de sensores, reajuste por desgaste, etc.). 

A: Pro ced imien im ien to s de d e Parada Para da



A1: Parada en el estado inicial

Estado inicial de reposo de la guía GEMMA. Se suele corresponder con el estado inicial del GRAFCET; de ahí que se represente con un rectángulo doble. 

A2: Parada a final de ciclo

Cuando se solicita este paro, la máquina debe completar el ciclo y luego detenerse en el estado inicial. Universidad de Pamplona


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Al no solicitar este paro, no se produce interrupción interrupción alguna y el ciclo c iclo se repite automáticamente. Se trata de un estado transitorio hacia A1. Tanto en la producción de piezas discretas como en la producción de material continuo, hay que establecer el inicio y el fin de ciclo; de ahí la importancia de los modos A1 y A2. Cuando la producción es continua y no es necesario finalizar el ciclo que se desarrolla en F1 sino repetirlo indefinidamente, el modo A2 no es relevante. Por otro lado, en algunas ocasiones se puede proceder a una parada, sin que sea necesariamente la de inicio, por lo que se desea una parada intermedia interm edia para luego reanudar el ciclo cic lo allí donde se había detenido. 

A3: Parada en un estado determinado

Estado transitorio en el que la máquina debe continuar hasta detenerse en un estado diferente del final. Se trata de un estado transitorio hacia A4. 

A4: Parada en un estado intermedio

La máquina está detenida en un estado distinto de la inicial y el final. Una vez comentados los modos A1, A2 y A3, los modos de la familia de procedimientos de parada deben completarse con los modos A5, A6 y A7, que son necesarios si se ha producido una situación que requiere la activación del modelo de seguridad. 

A5: Preparación para la Puesta en Marcha después de un Fallo

En este estado, deben efectuarse las operaciones necesarias para una nueva puesta en marcha después de un fallo/defecto (vaciado, limpieza, reposición de producto, etc.). Se trata de reconfigurar el sistema y, una vez concluida la preparación, habitualmente se asocia a un pulsador con la finalidad de rearme. 

A6: Puesta del sistema en el estado inicial

Operaciones necesarias para llevar el sistema al estado inicial desde situaciones diferentes a la de producción: manual, parada de emergencia, etc. El resultado final es A1. 

A7: Puesta del sistema en un estado determinado

Operaciones necesarias para llevar el sistema, que no está en producción, a un estado distinto de la inicial para su puesta en marcha. El resultado final es A4. Subsanadas todas las posibles contingencias, los modos A6 y A1 son consecutivos si se desea volver al inicio, mientras que los modos A7 y A4 son consecutivos si se desea reemprender reemprender el ciclo en estados intermedios. intermedios.



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D: Procedimi Procedimi entos de fallo



D1: Parada de emergencia (o parada para asegurar la seguridad)

Estado al que evoluciona el sistema después de accionar el paro de emergencia. Deben preverse un cese de actividades lo más rápido posible y las actuaciones necesarias para limitar las consecuencias del paro (tanto en la producción como para los operarios). 

D2: Diagnóstico de fallos/defectos y/o tratamiento de fallos/defectos

Acciones a ejecutar para determinar el origen del fallo o el origen del defecto. Pueden realizarse con la ayuda del operario. 

D3: Producción pese al defecto

Corresponde a casos en que se debe continuar produciendo a pesar del defecto (en una cadena de producción: sustituir transitoriamente parte del trabajo por el de un operario). Cuando se accede a D2 a partir del modo D1, se está considerando la presencia de un fallo que conviene tratar de forma inmediata. Cuando se accede a D2 a partir del modo D3, se está considerando la presencia de un defecto como una contingencia a resolver cuando finaliza el ciclo actual; de ahí que se acceda posteriormente a los procedimientos de parada. En estas líneas, se quiere distinguir entre fallo y defecto, pues se entiende que se trata de diversas degradaciones del funcionamiento normal, y es prioritario en la guía GEMMA el tratamiento de fallos frente al l tratamiento de defectos. Una vez explicitado el conjunto de 16 modos de las familias F, A y D, la representación gráfica convencional de la guía GEMMA consiste en la representación superpuesta del diagrama mencionado. Falta añadir el conjunto de transiciones entre estados, que permite entender la representación gráfica a modo de ciclo en el que se integran el funcionamiento normal junto con la aparición de anomalías en secuencias cerradas. Llegados a este punto, corresponde al usuario la tarea de adaptar la guía GEMMA e implementarla al sistema automatizado en cuestión. Sin duda, es una tarea compleja, ya que algunos modos no son tan sólo conceptos puntuales. Así, por ejemplo, en el modo m odo D2, el diagnóstico de fallos/defectos fallos/defectos ha evolucionado evolucionado hasta el desarrollo de sistemas de control tolerantes a fallos, de manera que ya se dispone de aportaciones teóricas de nivel. Y el modo D1 de parada de emergencia esconde todo el tema de la seguridad en máquinas y las normativas asociadas. Se puede hacer hincapié en el detalle de que la guía GEMMA ofrece de forma estática todos los posibles estados y transiciones, de la misma manera que el GRAFCET, en su descripción tecnológica, nos ofrece la representación estática del control secuencial. En este sentido, los diseñadores quisieron facilitar el aprendizaje de esta guía a los usuarios ya familiarizados con GRAFCET. Universidad de Pamplona


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Figura 5. Representación convencional convencional de la guía GEMMA, únicamente con los 16 modos.



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6. DESARROLLO DEL PROBLEMA 6.1 Guía Gemma

Figura 6. Aplicación de la Guía Gemma

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A1: PARADA PARAD A EN EL ESTADO INICIAL

En esta etapa el sistema se encuentra en reposo; esta etapa verifica que la válvula A (Sustancia A), válvula B (Sustancia B) y la válvula C (Válvula de la báscula) estén cerradas. Otra condición de esta etapa es que el sensor de contenido de sustancia A (Ta) y el sensor de contenido de sustancia B (Tb) estén activados detectando que los contenedores tienen sus respectivas sustancias. 

A6: SISTEMA EN ESTADO INICIAL

En esta etapa se verifican los actuadores como el motor de la banda transportadora (Mt), el motor de mezclado (Mr), los motores de giro estén apagados; Como también



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la marca que activa el motor Mr para que gire a la derecha (Pd), la marca que activa al motor Mr para que gire a la izquierda izquierda (Pi). Después de verificado que todos los actuadores estuvieran apagados o en la posición de inicio, se activa una marca llamada “condiciones iniciales ” para seguir el proceso. 

F2: MARCHA DE PREPARACION

En esta etapa se garantiza que la balanza está vacía, habilitando la válvula C que es la que permite el paso de la sustancia que contenga la balanza y así dejándola caer a la Tolva, la cual también procede a verificar si esta vacía inclinándola hacia el depósito de emergencia, y de este modo se verifica que tanto la balanza como la tolva se encuentren sin ninguna sustancia. Otra verificación que se hace de preparación es que los tanques de sustancia A y B estén llenos, verificando que los sensores Ta y Tb se encuentren activos. 

F1: PRODUCCION NORMAL

En esta etapa se garantiza que el proceso esté en funcionamiento, el proceso general, como lo es dosificar las dos do s sustancias (A y B), pesarlas y a su vez proceder a mezclarlas con los Briqueles y después proceder a vaciar la mezcla en el depósito final. 

A2: PARADA PAR ADA SOL ICITADA AL FINAL F INAL DEL CICLO CICL O

Esta etapa para poder ser activada ac tivada se tiene que oprimir oprim ir un botón que está en la HMI del proceso llamado “Fin de ciclo”; al pulsar este botón lo que se hace es solici tar una parada, pero, cuando el ciclo haya finalizado, osea cuando se haya vaciado la tolva en el depósito final, es que va a actuar el paro solicitado. Mientras Mientras el ciclo esté en funcionamiento y se oprima este botón, el proceso sigue su ciclo y cuando acabe es que va a proceder a realizar el paro solicitado. Para volver a activar la producción normal, es necesario oprimir el bo tón “Rearme” y el vuelve a producir de manera normal; La única forma de salir de esta etapa es oprimiendo el botón de rearme. 

F4: MARCHA DE VERIFICACION SIN ORDEN

En esta etapa, es la que para poder ser activada en la interfaz HMI se pasa el interruptor MANUAL/AUTOMATICO, a la posición de Manual. Una vez hecho esto el proceso empieza a trabajar de forma manual, pudiendo controlar cada actuador, sensores y motores del proceso, permitiéndolos ser activados cuando se vea necesario para verificar su buen funcionamiento. 

D1: PARO DE EMERGENCIA

Esta etapa, para que entre en funcionamiento debe ser activada desde la interfaz HMI al pulsar el botón de “emergencia” , el cual al ser pulsado detiene inmediatamente el proceso en cualquier parte del ciclo que esté funcionando, apagando motores y cerrando válvulas tanto de sustancias como de vaciado. Para Universidad de Pamplona


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salir de esta emergencia se tiene que oprimir el botón de “Rearme” situado en la

botonera de la interfaz HMI. 

A5: PREPARACION PREPAR ACION DE LA L A PUESTA EN MARCHA M ARCHA DESPUES DEL DEFECTO

Esta etapa, es la que actúa después de producido un paro de emergencia, la cual es la que prepara el proceso o es llevado a condiciones iniciales, pero antes de eso, el procede a eliminar residuos en la parte del pesado y la tolva, activando la válvula C de vaciado del peso e inclinando la tolva hacia el depósito de emergencia y regresándola a su posición inicial.



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6.2 Tabla de vari ables del GRAFCET GRAFCET y PLC Variables del Programa de Control



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Figura 7. Tabla de Variables Estándar Variables Animaciones:



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Figura 8. Tabla de Variables Animaciones



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6.3 6.3 Grafcet del Proceso

Figura 9.Grafcet 9.Grafcet - Parte 1



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Figura 10.Grafcet - Parte 2

El proceso tiene una etapa inicial EO : donde se abre la válvula A (Va) y se resetea la Marca de Fin de

Ciclo (MF). Después de esto se comprueba si la balanza ya censó el peso de la sustancia A (B1) y no ha llegado sensado el peso de la sustancia B (B2). Etapa E1 : cierra la válvula Va y en la etapa E2 activa la marca de espera de Va. Etapa E3 : abre la válvula Vb y en la etapa E4 cierra la válvula Vb si la balanza ha sensado el peso de

B (B2), y etapa E5 activa la marca de espera de Vb. Etapa E6: prende el motor de la banda transportadora (Mt) y en la etapa E7 lo apaga si se han

contado 2 Briqueles por el sensor de de paso D, etapa E8 activa la marca marca de espera de Mt. Etapa E9: abre la válvula Vc si se ha cerrado la válvula A, la válvula B y se han con tado dos Briqueles,

en la etapa E10 cierra la válvula Vc si la balanza ha sensado que está vacía (B3), y etapa E11 activa la marca de espera de Vc. Etapa E12 : prende el motor de mezclado (Mr) si la balanza ha sensado que está vacía (B3), en la

etapa E13 inicia el temporizador de mezclado por 5 seg si ya se ha encendido Mr. Etapa E14 : prende el motor de giro hacia la derecha (Pd) si el temporizador ha finalizado.

Al detectar que se activa el final de carrera de la derecha (P1) se activan las etapas 15, 17, 19:



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Etapa E15: Apaga el motor de Mezclado (Mr) y en la etapa E16 activa la marca de espera de Mr Off. Etapa E17 : Apaga el motor de giro hacia la de recha (Pd) y en la etapa E18 ac tiva la marca de espera

de Pd off si Pd ya está apagado. Etapa E19 : Enciende el Motor de giro hacia la izquierda (Pi) y en la etapa E20 apaga Pi si se detecta

la activación del final de carrera de la posición inicial (P0) y etapa E21 se activa la marca de espera de Pi off si ya está apagado éste motor. Etapa E22: activa la marca de fin de ciclo (Mf) si se cumplen las siguientes condiciones: que la marca

de espera de válvula Vc cerrada esté activa, que la balanza esté vacía (B3), y s e ha hecho el proceso de vaciado. Hay que resaltar que en cada etapa del proceso se condiciona cada transición con la marca (BPE) que representa al BOTON DE PARO DE EMERGENCIA, que en caso de ser presionado no se podría ejecutar ninguna de las operaciones antes descritas. El proceso cuenta además con Macroetapas de funciones como: 









PARADA EN ESTADO INICIAL A1: Esta Macroetapa verifica que los actuadores estén apagados, que halla sustancia en los contenedores de A y B, y a su vez verifica que si hay sustancia en la balanza (B1 o B2) abre la válvula (Vc) hasta que esté vacía (B3), y acciona el motor de giro de la tolva hacia la izquierda para depositar el contenido en el depósito de emergencia, es decir de desechos de producción. SISTEMA EN ESTADO INICIAL A6: Esta macroetapa pone cada actuador (válvulas y motores) en estado OFF para comenzar el proceso. PREPARACION DE LA PUESTA EN MARCHA DESPUES DE LA EMERGENCIA A5: Esta macroetapa realiza la misma función de la etapa de A6 sin embargo esta actúa solo después de producirse un paro de emergencia. PARO DE EMERGENCIA D1: Etapa E27 : se activa una marca una vez se inicia el proceso, y si es activado el botón de emergencia se activa la etapa 28 donde se activa la marca de (BPE) botón paro de emergencia que hace que se pare el proceso. PARO DE FIN DE CICLO A2:



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v ez se inicia el proceso, y si es activado el botón de paro p aro Etapa E23: se activa una marca una vez de fin de ciclo se activa la etapa 24 donde se activa la marca de (BPC) botón paro de fin de ciclo que hace que se pare el proceso una vez se termine el ciclo actual del proceso.




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6.4 Lenguaje Ladder

Para una mejor visualización de la programación que se utilizó para el controlador lógico programable (Lenguaje Ladder), se añade un PDF con cada una de las etapas de programación que se utilizó para la realización del proceso. 6.5 HMI HMI del Pro ceso A continuación, se añaden las capturas de la HMI (Interfaz Humano - Maquina) la cual se desarrolló en el programa TIA PORTAL, con la ayuda del componente de simulación.

Figura 13. HMI Estado Off

Esta HMI cuenta con una botonera en el lado izquierdo (ver figura 14) la cual tiene un interruptor interruptor para encender el sistema (ON) y para apagar el sistema s istema (OFF) (ver figura 12).

Figura 14. Interruptor de Encendido del Sistema

Otro Interruptor es el de selección de Sistema Manual o Automático, figura 13: Figura 15. Interruptor de Manual-Automático



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Se tienen 4 Botones que tienen diversas funciones y son utilizados solamente en el modo Automático del Sistema, El botón de Arranque es el que da inicio al proceso Normal de producción. El botón de Emergencia activa el paro total e inmediato del proceso, activa la función de paro de emergencia. El botón de fin de Ciclo activa la parada al final del ciclo del proceso actual que se esté llevando. El botón de Rearme permite reanudar el proceso normal en modo automático y proceso de producción normal. Estos se pueden ver en la figura 15.

Figura 17. Botones en Modo Automático

Figura 16. Botonera

Debajo de todos estos botones de modo automático, se encuentran los interruptores de control de cada actuador del proceso cuando se activa el modo MANUAL (ver figura 16). Dentro de esta parte de la botonera se encuentran 7 botones para poder simular el proceso manualmente, la cual Va equivale a dejar caer la sustancia A a la balanza, Vb equivale a dejar caer la sustancia B a la balanza, Vc equivale a vaciar la balanza después de que ella este llena de las dos sustancias antes nombradas, Mt es el botón que prende el motor de la banda para poder colocarla en funcionamiento y puedan caer los dos Briqueles, Mr es el botón que prende el motor del mezclador, Md equivale a que el mezclador de un giro a la derecha para vaciar cualquier residuo que se encuentre en la tolva y por último el botón Mi

Figura 18. Botones en Modo Manual




es el que nos activara el giro del motor Mr hacia la izquierda, ósea regresándolo a su posición inicial.

Figura 19. HMI - Actuadores ON

En

la figura 17 se observa en la HMI la simulación del proceso general, observando que se encuentran los contenedores de las sustancias A Y B, que contiene la báscula para realizar el pesado de estas dos sustancias, observamos la banda transportadora la cual nos va a mover los Briqueles hacia la tolva, y se tiene por último el depósito de emergencia y el deposito final donde se depositan las sustancias mezcladas. La tolva se compone de un motor interno que representa el mezclador de las sustancias y además de un sistema de pivote que permite a través de un motor de giro realizar los movimientos para el vaciado normal y el de emergencia. También se encuentran los indicadores led de Funcionamiento, Paro de emergencia y/o paro parcial. También los sensores de finales de carrera de la tolva, válvulas y motores se representan en la HMI. Los leds indicadores de la figura 18 representan a las posiciones de la balanza cuando está vacía, pesada la sustancia A y pesada la sustancia B.

Figura 20. Leds de Balanza



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CONCLUSIONES

La realización del presente proyecto abre las puertas primero que todo al amplio mundo de los procesos automatizados que hoy en día son un auge creciente en las diferentes industrias, ya que se desarrolla el diseño y ejecución del algoritmo de control de los elementos inmersos en el proceso del mezclador dosificador, dosificador, cosa que brinda la base para múltiples aplicaciones reales variadas donde se presentan casos y situaciones similares a las planteadas en el proyecto. . Es importante recalcar el uso y utilidad de la guía GEMMA para definir los diferentes casos de paro y arranque del sistema, clasificado por etapas descriptivas de situaciones que se pueden presentar. En nuestro caso el definir etapas de paro de emergencia, paro de fin de ciclo, modo manual, preparación de marcha de inicio, entre otras; permitió que la programación del control del proceso en lenguaje Ladder fuese mucho más sencilla de desarrollar y a su vez se expone los eventos más comunes en un proceso automático e industrial que son los paros por emergencias, protección o situaciones inesperadas, en donde la seguridad del proceso, personal y medio ambiente es lo primordial. A su vez es notable la simplificación que brinda el uso del Grafcet como método de organización y desarrollo del diagrama de flujo del algoritmo de control del proceso, ya que como se observó se pudieron clasificar cada una de las acciones involucradas en cada función del proceso y tener un conocimiento completo de las condiciones, variables y eventos que intervienen. Todo esto no sería posible si no fuera por el software base (TIA PORTAL PLC) de la programación, animación y simulación del proceso de mezclado dosificado que se desarrolló, en él se realizaron las instrucciones para el control del proceso y la simulación del mismo. El lenguaje utilizado se podría clasificar como muy bueno a la hora de mejorar la forma en la que se analizan tanto condiciones de entrada como situaciones de actuadores. Gracias a la realización de la simulación de HMI y sus animaciones correspondientes se puede tener una representación lo más cercana posible al proceso real, observando cómo se realiza el proceso de forma automática. A su vez, la creación de esta interfaz HMI presenta las bases para futuras aplicaciones en el desarrollo de procesos automatizados, ya que es una parte importante y es la comunicación con el operador.



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BIBLIOGRAFIA

http://www.esi2.us.es/~vivas/ayr2iaei/GEMMA http://isa.uniovi.es/~vsuarez/Download/GemmaTelemecanique.PDF Material de apoyo entregado por el Profesor Adrián Carvajal Ferrer.

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HEMEROGRAFÍA http://www.infoplc.net/files/documentacion/grafcet/infoPLC_net_Guia_GEMMA.pdf https://es.slideshare.net/juelgaar/guia-gemma http://isa.uniovi.es/~vsuarez/Download/GemmaTelemecanique.PDF http://www.e-buc.com/portades/9788498800227_L33_23.pdf http://recursos.citcea.upc.edu/grafcet/gemma/descrip.html http://recursos.citcea.upc.edu/grafcet/gemma/presenta.html



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Diseño y simulación de un dosificador y mezclador automático.pdf

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