Automatizacion de Procesos

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1 Automatización de procesos agroindustriales Francisco Casares Profibus ASI Ciclo de SCAN LON-WORK CAN SCADA Transmisión serie RS-485 BUS DE CAMPO ASI HART Señal analógica 4-20 mA ETHERNET Bloque de Función OPC Modulo I. Introducción : Sistemas de automatización. Módulo II: Integración total en la automatización. Módulo III: Visión general de sistemas abiertos. Automatización de procesos agroindustriales Programa Teórico: Jerarquía de niveles en la tecnología de automatización Estado actual: Automatización distribuida Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización. Jerarquía descentralizada con inteligencia distribuida Automatización Total o Integral Una metodología de trabajo y una filosofía de diseño de los sistemas de automatización, producción y gestión orientados a la mejora de los niveles de calidad y la optimización de los procesos Módulo II: Integración total en la automatización. Automatización del Sistema Análisis de la gestión Planificación y Control Arquitectura Integradora del Sistema Automatización Total

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1

Automatización de

procesos agroindustriales

Francisco Casares

Profibus

ASI

Ciclo de SCAN

LON-WORK

CAN

SCADA

Transmisión

serie

RS-485

BUS DE CAMPO

ASI

HART

Señal

analógica

4-20 mA

ETHERNET

Bloque

de Función

OPC

Modulo I. Introducción : Sistemas de automatización.

Módulo II: Integración total en la automatización.

Módulo III: Visión general de sistemas abiertos.

Automatización de procesos agroindustriales

Programa Teórico:

Jerarquía de niveles en la tecnología de automatización

Estado actual: Automatización distribuida

Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.

Jerarquía descentralizada con inteligencia distribuida

Automatización Total o Integral

Una metodología de trabajo y una

filosofía de diseño de los sistemas de

automatización, producción y gestión

orientados a la mejora de los niveles de

calidad y la optimización de los

procesos

Módulo II: Integración total en la automatización.

Automatización del Sistema

Análisis de la gestión

Planificación y Control

Arquitectura Integradora del Sistema

Automatización Total

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Características de la solución buscada:

•Alta disponibilidad y recuperación entre caídas.

• Posibilidad de escalar en forma horizontal y vertical.

• Administración centralizada.

• Fácilmente implementable.

• Alto nivel de modularidad.

Desventajas:

Solución de costoso crecimiento si no se acierta en la elección de los componentes

Módulo III: Visión general de sistemas abiertos.

Módulo I.

Introducción : Sistemas de automatización.

Francisco Casares

Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.

- PRINCIPIOS DE AUTOMATIZACIÓN:

- CONCEPTO DE AUTOMATIZACIÓN.

- TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN.

- TIPOS DE CONTROLES EN UN PROCESO.

- NIVELES EN LA AUTOMATIZACION DE PROCESOS

- ESTANDARES DE SEÑALES ANÁLOGICAS

- FUNCIONAMIENTO DIGITAL DE UN SISTEMA: EL SISTEMA BINARIO

Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.

PRINCIPIOS DE AUTOMATIZACIÓN:

- CONCEPTO DE AUTOMATIZACIÓN.

- TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN.

- TIPOS DE CONTROLES EN UN PROCESO.

La AUTOMATIZACIÓN es la sustitución de la

acción humana por mecanismos, movidos por una

fuente de energía exterior, capaces de realizar

ciclos completos de operaciones que se pueden

repetir indefinidamente.

Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.

NECESIDAD DE AUTOMATIZACIÓN

• EVITAR TAREAS TEDIOSAS PARA EL SER HUMANO

• ABARATAR COSTES DE PRODUCCIÓN

• INCREMENTAR LA CALIDAD DE LOS PRODUCTOS

(ESTANDARIZACIÓN)

• ACORTAR LOS TIEMPOS DE INTRODUCCIÓN

DE UN NUEVO PRODUCTO EN EL MERCADO

Un sistema automático supone la existencia de:

Fuentes de energía

Órganos de mando ----> ordenan el ciclo a realizar.

(ordenadores, autómatas, etc)

Órganos de trabajo ----> ejecutan las acciones.

(Motores, pistones, resistencias, etc)

Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.

La utilización correcta de estos elementos presupone el

conocimiento de los elementos individuales y su funcionamiento,

así como las posibilidades de unión

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Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.

TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN

Según la naturaleza del automatismos empleado se puede hablar de automatización:

- MECÁNICA- NEUMÁTICA- OLEOHIDRAULICA- ELÉCTRICA- ELECTRÓNICA- MIXTA

Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.

TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN

Según la naturaleza del automatismos empleado se puede hablar de automatización:

- MECÁNICA- NEUMÁTICA- OLEOHIDRAULICA- ELÉCTRICA- ELECTRÓNICA- MIXTA

Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.

AUTOMATIZACIÓN MECÁNICA

Compuesta por:Ruedas Dentadas, Poleas, Cremalleras, Levas, Palancas, etc.

Inconvenientes: Sistemas complicados y de escasa flexibilidad.

Ventajas: Montaje y mantenimiento económico.

Ejemplos típicos: Motores de combustión, relojes mecánicos, etc.

TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN:

Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.

MÁQUINA DE VAPOR DE WATT (1819)

Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.

AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA

Generacion de movimientos lineales:- Muy simple y económicos

- Longitud de trabajo 1-2 m máximo

- Fuerza limitada a 1000-2000 kg debido a la baja presión utilizado en el aire

comprimido (10 bares máximo).

Generacion de movimientos rotativos- Simple y económico (eléctrica < neumática < hidráulica)

- Velocidad de rotación elevada

- Par disponible relativamente débil

- Rendimiento menor que los eléctricos equivalentes

- Compite con los motores eléctricos en el accionamiento de herramientas

manuales

TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN:

Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.

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Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.

AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA

Inconvenientes: Mantenimiento del estado del aire. Desembolso económico grande en la

instalación.

Ventajas: Sencillez. Economía una vez instaladas.Seguridad (interesante en zonas ATEX)

Ejemplos Típicos: Prácticamente la Totalidad de las Automatizaciones Industriales, Tienen Instalaciones Neumáticas .

TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN:

Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.

AUTOMATIZACIÓN Hidráulica

Generacion de movimientos lineales:- Muy simple

- Velocidad de trabajo pequeña (0,5 m/s)

- Fuerzas disponibles muy grandes de fácil regulación

- Instalación cara

- Longitud de trabajo desde algunos milímetros hasta decenas de metros.

Generacion de movimientos rotativos- Simple

- Velocidad de rotación limitada

- Buen rendimiento y par elevado

- No son sobrecargables

- Campo definido en el cual son indiscutibles:

pocas revoluciones y gran par de torsión.

TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN:

Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.

AUTOMATIZACIÓN HIDRÁULICA

Diferencias: Ejecución de las ordenes más lenta.Desarrolla más trabajo.

Ejemplos Típicos: Prensas, Frenos y Dirección de Automóviles.

TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN:

Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.

AUTOMATIZACIÓN ELÉCTRICA

Fuente de energía: Transmisión fácil y rápida, coste reducido acumulación difícil

Órganos de mando: Relé, contactor, temporizador.

Órganos de trabajo:Movimientos rotativos ���� motor���� Excelente rendimiento

Velocidad limitadaMovimientos lineales ���� electroimanes

Motores lineales

Ejemplos Típicos: apagados/encendidos de luces.

TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN:

Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.

AUTOMATIZACIÓN ELÉCTRICA-ELECTRONICA

Fuente de energía: Transmisión fácil y rápida, coste reducido acumulación difícil

Órganos de mando: Ordenador, Autómata programable.

Órganos de trabajo:Movimientos rotativos ���� motor���� Excelente rendimiento

Velocidad limitadaMovimientos lineales ���� electroimanes

Motores lineales

Ejemplos Típicos: Cualquier proceso industrial.

TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN:

Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.

AUTOMATIZACIÓN MIXTA

En un campo de actuación concreto no se encuentra una

técnica de automatización en solitario, funcionan varias

técnicas a la vez íntimamente relacionadas, unas como

órganos de mando, otras como órganos de trabajo, siendo la

propia aplicación quien efectúa la selección.

TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN:

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Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.

Criterio Neumática Hidráulica ElectricidadFuerza lineal Fuerzas limitadas, debido a

la baja presión y aldiámetro del cilindro(50.000 N). Produce fuerzaen reposo sin consumo deenergía.

Grandes fuerzasutilizando alta presión.Produce fuerza enreposo con consumode energía.

Mal rendimiento; granconsumo de energía en lamarcha en vacío. Noproduce fuerza en reposo.

Fuerzarotativa

Par de giro en reposotambién sin consumo deenergía.

Par de giro también enreposo, originándoseconsumo de energía.

Par de giro más bajo enreposo.

Seguridadfrente a lassobrecargas

Sí, se para. Vuelve amoverse cuando se eliminala sobrecarga.

Sí, se para. Vuelve amoverse cuando seelimina la sobrecarga.

No, se estropea.

Movimientolineal

Generación fácil; altaaceleración; alta velocidad(1,5 m/s y más).

Generación fácilmediante cilindros;buena regulabilidad.

Complicado y caro.

Movimientorotativo uoscilante

Motores neumáticos conmuy altas revoluciones(500.000 min

-1); elevado

coste de explotación; malrendimiento; movimientooscilante por conversiónmediante cremallera ypiñón.

Motores hidráulicos ycilindros oscilantescon revoluciones másbajas que en laneumática; buenrendimiento.

Rendimiento másfavorable enaccionamientos rotativos;revoluciones limitadas.

Regulabilidad Fácil regulabilidad de lafuerza y de la velocidad,pero no exacta.

Regulabilidad muybuena y exacta de lafuerza y la velocidaden todo caso

Posible sólolimitadamente siendo elgasto considerable

Acumulaciónde energía ytransporte

Posible, incluso enapreciables cantidades sinmayor gasto; fácilmentetransportable en conductos(1.000 m) y botellas de airecomprimido.

Acumulación posiblesólo limitadamente;transportable enconductos de hastaunos 100 m.

Acumulación muy difícil ycostosa, fácilmentetransportable por líneas através de distancias muygrandes.

Comparación de los medios de trabajoentre las diversas técnicas

Influenciasambientales

Insensible a los cambios detemperatura; ningún peligrode explosión; hay peligrode congelación existiendoelevada humedadatmosférica.

Sensible a lasfluctuaciones detemperatura; fugassignifican suciedad ypeligro de incendio.

Insensible a lasfluctuaciones detemperatura; en losámbitos de peligrosidadhacen falta instalacionesprotectoras contraincendio y explosión.

Gastos deenergía

Alto en comparación con laelectricidad; 1 m

3 de aire

comprimido a 6 bar cuestade 0,006 a 0,012 euros.

Alto en comparacióncon la electricidad.

Gastos más reducidos deenergía.

Manejo No requiere deespecialistas ni enejecución ni enmantenimiento. Nopresenta peligros.

Requiere deespecialistas. Precisaconducciones deretorno.

Sólo con conocimientostécnicos; peligro deaccidente; la conexiónerrónea causa a menudola destrucción de loselementos y del mando.

Criterio Neumática Hidráulica ElectricidadFuerza lineal Fuerzas limitadas, debido a Grandes fuerzas Mal rendimiento; gran

Comparación de los medios de trabajoentre las diversas técnicas

Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.

Las señales de mando son independientes de los órganos receptores

TIPOS DE CONTROLES DE UN PROCESO:

OPERARIOCONSIGNASORDENES

SISTEMA DE CONTROL ACTUADORES

PROCESOProducto de

entradaProducto

terminado

Control en lazo abierto:

perturbaciones

El sistema de control no recibe información del comportamiento del proceso

Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.

Las señales de mando dependen de los órganos receptores

TIPOS DE CONTROLES DE UN PROCESO:

OPERARIOCONSIGNASORDENES

SISTEMA DE CONTROL ACTUADORES

PROCESOProducto de

entradaProducto

terminado

Control en lazo cerrado:

perturbaciones

sensores

Existe una realimentación a través de los sensores al sistema de control

Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.

- PRINCIPIOS DE AUTOMATIZACIÓN:

- CONCEPTO DE AUTOMATIZACIÓN.

- TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN.

- TIPOS DE CONTROLES EN UN PROCESO.

- NIVELES EN LA AUTOMATIZACION DE PROCESOS

- ESTANDARES DE SEÑALES ANÁLOGICAS

- FUNCIONAMIENTO DIGITAL DE UN SISTEMA: EL SISTEMA BINARIO

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Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.

NIVELES EN LA AUTOMATIZACION DE PROCESOS

Ejemplo: Almazara

PATIO

Batidora

Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.

NIVELES EN LA AUTOMATIZACION DE PROCESOS

Ejemplo: Almazara

PATIO

Batidora

Islas de automatización

Gestión ?

Control ?

Todos los dispositivos y sistemas deben estar

integrados en una solución automatizada

conjunta, donde se alcance la uniformidad en

el almacenamiento de datos, configuración,

programación e incluso la comunicación.

Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.

NIVELES EN LA AUTOMATIZACION DE PROCESOS

Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.

NIVELES EN LA AUTOMATIZACION DE PROCESOS

Ejemplo: Almazara

Arquitectura integradora

Automatización del Sistema Gestión

Arquitectura Integradora del Sistema

Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.

Planificación y Control

Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.

Debe de haber una arquitectura integradora que enlace los diferentes aspectos que nos podamos encontrar mediante uno/ o varios sistemas de comunicación que permita la interrelación entre ellos

Es, decir si se desea tender a una gestión integral es necesario que todos y cada uno de los aspectos de la gestión sean concebidos para su intercomunicación con el resto.

Arquitectura Integradora del

Sistema

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Niveles de Automatización en la Arquitectura distribuida

Jerarquía descentralizada con inteligencia distribuida

Nivel de Célula

Nivel de campo

“Situacion actual” de la tecnología de automatización

Ejemplo: Almazara genérica

Fabrica

Áreas

Células

Maquinas

- Se subdivide la fabrica en Áreas funcionales.

- Cada área se divide en tareas coherentes autónomas (células).

- Cada célula se puede dividir en células más pequeñas hasta llegar a nivel de maquina.

Así se puede diseñar el control de cada parte para que tenga unarespuesta eficiente y la existencia de fallos no haga caer al sistema

- Se describe el funcionamiento de cada áreas, con entradas y salidas eléctricas, así como las necesidades de comunicación con otros elementos.

- Se define la arquitectura integradora

Ejemplo: Almazara genérica

ALMAZARA

ÁREASFÁBRICA

Ejemplo: Almazara genérica ���� Áreas

Caldera

Oficinas

Bodega

Fábrica

Patio

ALMAZARA

CÉLULASÁREASFÁBRICA

Ejemplo: Almazara genérica ���� Áreas ���� Células

Línea de recepción patio

Área patio

Línea de recepción patio

Ejemplo: Almazara genérica

Varias líneas en paralelo haciendo la misma función � células

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Célula de CalefacciónCaldera

Célula de AdministraciónOficinas

Célula de Almacen. de AceiteBodega

Célula de Aclarado

Línea de Extracción n

........

Línea de Extracción 2

Línea de Extracción 1

Fábrica

Almacen. previo Molturación

Báscula de Pesaje de Camiones

Línea de Recepción n

........

Línea de Recepción 2

Línea de Recepción 1

Patio

ALMAZARA

CÉLULASÁREASFÁBRICA

Ejemplo: Almazara genérica ���� Áreas ���� Células

Célula de CalefacciónCaldera

Célula de AdministraciónOficinas

Célula de Almacen. de AceiteBodega

Célula de Aclarado

Línea de Extracción n

........

Línea de Extracción 2

Línea de Extracción 1

Fábrica

Almacen. previo Molturación

Báscula de Pesaje de Camiones

Línea de Recepción n

........

Línea de Recepción 2

Línea de Recepción 1

Patio

ALMAZARA

CÉLULASÁREASFÁBRICA

Ejemplo: Almazara genérica ���� Áreas ���� Células ���� Maquinas

Célula: Línea de recepción patio

Ejemplo: Almazara genérica

Máquinas Lavadora

Limpiadora

etc

xx xx xx

xx xx xx

Xx xx xx

Sensores Actuadores TAG

Célula: Línea de recepción patio

Ejemplo: Almazara genérica

Lavadora

Limpiadora

etc

xx xx xx

xx xx xx

xx xx xx

Sensores Actuadores TAG

Total xx xx xx

Se elige el autómata que controla la célula

Se planifica las comunicaciones

PLANO DE LA INSTALACION

Ejemplo: Almazara genérica

FLUJO DE DATOS

Se debe describir el flujo de datos de las diferentes estaciones conectadas.

Para cada flujo:

- Mostrar el volumen y la frecuencia

- Calcular el ancho de banda necesario

Para crear grupos y, de este modo, determinar el uso de los conmutadores, se debe crear una tabla con todas las estaciones

redundancia

Ejemplo: Almazara genérica

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Niveles de Automatización en la Arquitectura distribuida

Jerarquía de niveles en la tecnología de automatización

Nivel de Célula

Nivel de campo

(Nível de fabrica)

(Nível de Área)

Jerarquía de niveles en la tecnología de automatización

Niveles de Automatización en la Arquitectura distribuida

Nivel de Célula

Nivel de campo

(Nível de fabrica)

(Nível de Área)

Jerarquía de niveles en la tecnología de automatización

Niveles de Automatización en la Arquitectura distribuida

Nivel de Célula

Nivel de campo

(Nível de fabrica)

(Nível de Área)

Jerarquía de niveles en la tecnología de automatización

Niveles de Automatización en la Arquitectura distribuidaCELULA

Nivel de Célula

Nivel de campo

(Nível de fabrica)

(Nível de Área)

Niveles de Automatización en la Arquitectura distribuida

Los sistemas de comunicación proporcionan el esqueleto sobre el que se articulan las estrategias de automatización

Nivel de Célula

Nivel de campo

(Nível de fabrica)

(Nível de Área)

Características de la solución buscada:

•Alta disponibilidad y recuperación entre caídas.

• Posibilidad de escalar en forma horizontal y vertical

• Administración centralizada

• Fácilmente implementable

• Alto nivel de modularidad

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Necesario la realización de un estudio de implantación

previo, ya que se deben identificar los procesos

autónomos, asignar elementos a cada proceso y diseñar el

modelo de intercomunicación para responder a las

necesidades del problema planteado.

Solución de costoso crecimiento si no se acierta en la

elección de los componentes.

Desventajas:

Niveles de Automatización en la Arquitectura distribuida

Jerarquía de niveles en la tecnología de automatización

Nivel de Célula

Nivel de campo

Fabrica

Áreas

Células

Maquinas

Niveles de Automatización en la Arquitectura distribuida

Jerarquía de niveles en la tecnología de automatización

Nivel de Célula

Nivel de campo

Sistemas participantes diferentes mas importantes:

Autómatas programables

Comunicación industrial

SCADA

Software industrial (de programación autómatas, etc)

1970-1980 control centralizado

Grandes autómatas

E/S

E/S

•Lógica solo en el controlador

•No hay ninguna tolerancia a fallos del PLC

•Posibilidad de escalar limitada

E/S

Área 3Área 2

Área 1

Historia del control

PLC

1990’s Aparecen islas de automatización

PLC

PLC

1997 Empiezan a aparecer buses de comunicación Industrial.

La tolerancia a fallos aumenta.

Modbus

Profibus

Nivel: Proceso

Nivel: Maquinas simples

Se puede escalar

horizontalmente y

verticalmente

Historia del control

PLC

2000 Se desarrollan los ordenadores industriales.

PLC

PLC

Modbus

Profibus

Nivel: Proceso

Nivel: Maquinas simples

Nivel: Gestión

Ethernet Industrial

Historia del control

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PLC

2000 Se desarrollan los ordenadores industriales.

PLC

PLC

Modbus

Profibus

Nivel: Proceso

Nivel: Maquinas simples

Nivel: Gestión

Ethernet Industrial

ASI HART

Nivel: Actuador/Sensor

Historia del control

PLC

2000 Se desarrollan los ordenadores industriales.

PLC

PLC

Modbus

Profibus

Nivel: Proceso

Nivel: Maquinas simples

Nivel: Gestión

Ethernet

ASI HART

Nivel: Actuador/Sensor

Estado de la

automatización:

Control descentralizado con

Inteligencia distribuida

PLCPLC

PLC

Modbus

Profibus

Nivel: Maquinas simples

Nivel: Gestión

Ethernet

ASI HART

Nivel: Actuador/Sensor

Mantenimiento

Produccion

Sistemas Distribuidos PLCPLC

PLC

Modbus

Profibus

Nivel: Maquinas simples

Nivel: Gestión

Ethernet

ASI HART

Nivel: Actuador/Sensor

Mantenimiento

Produccion

PLCPLC

PLC

Modbus

Profibus

Nivel: Maquinas simples

Nivel: Gestión

Ethernet

ASI HART

Nivel: Actuador/ Sensor

Mantenimiento

Produccion

Los sistemas de comunicación proporcionan el esqueleto sobre el que se articulan las estrategias de automatización

Niveles de Automatización en la Arquitectura distribuida

Jerarquía de niveles en la tecnología de automatización

Nivel de Célula

Nivel de campo

¿Qué elementos principales participan en esta arquitectura?

Page 12: Automatizacion de Procesos

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Jerarquía de niveles en la tecnología de automatización

Sistemas participantes diferentes más importantes:

Autómatas programables

Comunicación industrial

SCADA

Software industrial

Nivel Físico

Protocolo

Sensores

Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.

- PRINCIPIOS DE AUTOMATIZACIÓN:

- CONCEPTO DE AUTOMATIZACIÓN.

- TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN.

- TIPOS DE CONTROLES EN UN PROCESO.

- NIVELES EN LA AUTOMATIZACION DE PROCESOS

- ESTANDARES DE SEÑALES ANÁLOGICAS

- FUNCIONAMIENTO DIGITAL DE UN SISTEMA: EL SISTEMA BINARIO