Automatas Programables PART 01

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CAPITULO I: CONFIGURACION DEL AUTOMATA Y MODOS DE OPERACION 1. AUTOMATISMOS 1.1 Introducción. Definición de automatismo. En nuestros días, los constructores de equipos de control y los ingenieros automatistas no ignoran ya nada referente a los autómatas programables con memoria. No solamente de una cuestión de precio, sino, también de una mejora en tiempo, flexibilidad incrementada con el manejo, alta fiabilidad, localización y eliminación rápida de fallos, etc. Simultáneamente, el producto final, es decir, la maquina o la instalación equipada con uno de tales autómatas alcanza un nivel tecnológico más elevado. Las primeras aplicaciones de los autómatas programables se dieron en la industria automotriz para sustituir los complejos equipos basados en relés. Sin embargo, la disminución de tamaño y el menor costo han permitido que los autómatas sean utilizados en todos

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CAPITULO I:

CONFIGURACION DEL AUTOMATA Y MODOS DE OPERACION

1. AUTOMATISMOS

1.1Introducción. Definición de automatismo.

En nuestros días, los constructores de equipos de control y los

ingenieros automatistas no ignoran ya nada referente a los autómatas

programables con memoria. No solamente de una cuestión de precio,

sino, también de una mejora en tiempo, flexibilidad incrementada con el

manejo, alta fiabilidad, localización y eliminación rápida de fallos, etc.

Simultáneamente, el producto final, es decir, la maquina o la instalación

equipada con uno de tales autómatas alcanza un nivel tecnológico más

elevado.

Las primeras aplicaciones de los autómatas programables se dieron en

la industria automotriz para sustituir los complejos equipos basados en

relés. Sin embargo, la disminución de tamaño y el menor costo han

permitido que los autómatas sean utilizados en todos los sectores de la

industria. Se mencionan a continuación algunos de los múltiples campos

de aplicación:

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

Automóvil

Cadenas de montaje, soldadura, cabinas de pintura, etc.

Máquinas herramientas: Tornos, fresadoras, taladradoras, etc.

Plantas químicas y petroquímicas

Control de procesos (dosificación, mezcla, pesaje, etc).

Baños electrolíticos, oleoductos, refinado, tratamiento de aguas

residuales, etc.

Metalurgia

Control de hornos, laminado, fundición, soldadura, forja, grúas,

etc.

Alimentación

Envasado, empaquetado, embotellado, almacenaje, llenado de

botellas, etc.

Papeleras y madereras

Control de procesos, serradoras, producción de conglomerados y

de laminados, etc.

Producción de energía

Centrales eléctricas, turbinas, transporte de combustible, energía

solar, etc.

Tráfico

Regulación y control del tráfico, ferrocarriles, etc.

Domótica

Iluminación, temperatura ambiente, sistemas anti robo, etc.

Fabricación de Neumáticos

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

Control de calderas, sistemas de refrigeración , prensas que

vulcanizan los neumáticos.

Control de las máquinas para el armado de las cubiertas,

extrusoras de goma.

Control de las máquinas para mezclar goma.

1.2 Principio de un sistema automático.

Todo sistema automático por simple que sea se basa en el esquema

representado en la siguiente figura:

Señales de detección

Automatismo Captadores

o parte de Máquina o proceso Trabajo

control operativo

Actuadores

Este circuito cerrado es lo que se conoce como bucle o lazo.

Un autómata programable está constituido por:

- Un dispositivo de alimentación: que proporciona la transformación de la

energía eléctrica suministrada por la red de alimentación en las

tensiones continuas exigidas por los componentes electrónicos.

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

- Una tarjeta procesadora: es el cerebro del autómata programable que

interpreta las instrucciones que constituyen el programa grabado en la

memoria y deduce las operaciones a realizar.

- Una tarjeta de memoria: contiene los componentes electrónicos que

permiten memorizar el programa, los datos 1 (señales de entrada) y los

accionadores (señales de salida).

Ilustración de un circuito de automatismo:

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

2. AUTÓMATAS PROGRAMABLES

2.1Introducción. Definición de autómata programable.

Entendemos por Autómata Programable, o PLC (Controlador Lógico

Programable), toda máquina electrónica, diseñada para controlar en

tiempo real y en medio industrial procesos secuenciales. Su manejo y

programación puede ser realizada por personal eléctrico o electrónico

sin conocimientos informáticos. Realiza funciones lógicas: series,

paralelos, temporizaciones, contajes y otras más potentes como

cálculos, regulaciones, etc.

Otra definición de autómata programable sería una «caja» en la que

existen, por una parte, unos terminales de entrada (o captadores) a los

que se conectan pulsadores, finales de carrera, fotocélulas, detectores...;

y por otra, unos terminales de salida (o actuadores) a los que se

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

conectarán bobinas de contactores, electroválvulas, lámparas..., de

forma que la actuación de estos últimos está en función de las señales

de entrada que estén activadas en cada momento, según el programa

almacenado.

La función básica de los autómatas programables es la de reducir el

trabajo del usuario a realizar el programa, es decir, la relación entre las

señales de entrada que se tienen que cumplir para activar cada salida,

puesto que los elementos tradicionales (como relés auxiliares, de

enclavamiento, temporizadores, contadores...) son internos.

Ilustración de un autómata programable:

2.2. Origen e historia de los autómatas.

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

Los autómatas programables aparecieron en los Estados Unidos de

América en los años 1969 – 70, y más particularmente en el sector de la

industria del automóvil; fueron empleados en Europa alrededor de dos

años más tarde. Su fecha de creación coincide, pues con el comienzo de

la era del microprocesador y con la generación de la lógica cableada

modular.

El autómata es la primera máquina con lenguaje, es decir, un calculador

lógico cuyo juego de instrucciones se orienta hacia los sistemas de

evolución secuencial. Hay que apreciar que, cada vez más, la

universalidad de los ordenadores tiende a desaparecer, el futuro parece

abrirse hacia esta nueva clase de dispositivos: maquina para proceso de

señales, para la gestión de bases de datos...

El autómata programable es, pues en este sentido un percusor y

constituye para los automatistas un esbozo de la maquina ideal.

La creciente difusión de aplicaciones de la electrónica, la fantástica

disminución del precio de los componentes, el nacimiento y el desarrollo

de los microprocesadores y, sobretodo, la miniaturización de los circuitos

de memoria permiten presagiar una introducción de los autómatas

programables, cuyo precio es atractivo incluso para equipos de

prestaciones modestas, en una inmensa gama de nuevos campos de

aplicación.

El autómata programable satisface las exigencias tanto de procesos

continuos como discontinuos. Regula presiones, temperaturas, niveles y

caudales así como todas las funciones asociadas de temporización,

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

cadencia, conteo y lógica. También incluye una tarjeta de comunicación

adicional, el autómata se transforma en un poderoso satélite dentro de

una red de control distribuida.

2.3Estructura de un autómata programable.

La estructura básica de un autómata programable es la siguiente:

Un autómata programable se puede considerar como un sistema

basado en un microprocesador, siendo sus partes fundamentales la

Unidad Central de Proceso (CPU), la Memoria y el Sistema de Entradas

y Salidas (E/S).

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

La memoria se divide en dos bloques, la memoria de solo lectura o ROM

(Read Only Memory) y la memoria de lectura y escritura o RAM

(Random Access Memory).

En la memoria ROM se almacenan programas para el correcto

funcionamiento del sistema, como el programa de comprobación de la

puesta en marcha y el programa de exploración de la memoria RAM.

La memoria RAM a su vez puede dividirse en dos áreas:

Memoria de datos, en la que se almacena la información de los estados

de las entradas y salidas y de variables internas.

Memoria de usuario, en la que se almacena el programa con el que

trabajará el autómata.

Fuente de alimentación:

Es la encargada de convertir la tensión de la red, 220V corriente alterna,

a baja tensión de corriente continua, normalmente a 24V. Siendo esta la

tensión de trabajo en los circuitos electrónicos que forma el Autómata.

Unidad Central de Procesos o CPU:

Se encarga de recibir las órdenes del operario por medio de la consola

de programación y el módulo de entradas. Posteriormente las procesa

para enviar respuestas al módulo de salidas. En su memoria se

encuentra residente el programa destinado a controlar el proceso.

Contiene las siguientes partes:

Unidad central o de proceso

Temporizadores y contadores

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

Memoria de programa

Memoria de datos

Memoria imagen de entrada

Memoria de salida

Módulo de entrada:

Es al que se unen los captadores (interruptores, finales de carrera,

pulsadores,...). Cada cierto tiempo el estado de las entradas se

transfiere a la memoria imagen de entrada. La información recibida en

ella, es enviada a la CPU para ser procesada de acuerdo a la

programación. Se pueden diferenciar dos tipos de captadores

conectables al módulo de entradas: los pasivos y los activos. Los

captadores pasivos son los que cambian su estado lógico (activado o no

activado) por medio de una acción mecánica. Estos son los

interruptores, pulsadores, finales de carrera. Los captadores activos son

dispositivos electrónicos que suministran una tensión al autómata,

que es función de una determinada variable.

Módulo de salidas:

Es el encargado de activar y desactivar los actuadores (bobinas de

contactores, lámparas, motores pequeños,...)

La información enviada por las entradas a la CPU, una vez procesada,

se envía a ala memoria imagen de salidas, de donde se envía a la

interface de salidas para que estas sean activadas y a la vez los

actuadores que en ellas están conectados.

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

Según el tipo de proceso a controlar por el autómata, podemos utilizar

diferentes módulos de salidas. Existen tres tipos bien diferenciados:

A relés: son usados en circuitos de corriente continua y

corriente alterna. Están basados en la conmutación

mecánica, por la bobina del relé, de un contacto eléctrico

normalmente abierto.

A triac: se utilizan en circuitos de corriente continua y

corriente alterna que necesitan maniobras de conmutación

muy rápidas.

A transistores a colector abierto: son utilizados en circuitos

que necesiten maniobras de conexión / desconexión muy

rápidas. El uso de este tipo de módulos es exclusivo de los

circuitos de corriente continua.

Terminal de programación:

El terminal o consola de programación es el que permite comunicar al

operario con el sistema.

Las funciones básicas de éste son las siguientes:

Transferencia y modificación de programas.

Verificación de la programación.

Información del funcionamiento de los procesos.

Como consolas de programación pueden ser utilizadas las construidas

específicamente para el autómata, tipo calculadora o bien un ordenador

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

personal, PC, que soporte un software específicamente diseñado para

resolver los problemas de programación y control.

Ilustración del control de un proceso:

Periféricos:

Los periféricos no intervienen directamente en el funcionamiento del

autómata, pero sin embargo facilitan la labor del operario.

Los más utilizados son:

Grabadoras a cassettes.

Impresoras.

Cartuchos de memoria EPROM (memoria de sólo lectura)

Visualizadores y paneles de operación OP.

Memorias EEPROM.

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

2.4. Configuración, instalación y puesta a punto.

Los autómatas son equipos electrónicos de cableado interno i

ndependiente del proceso a controlar (hardware). Un autómata se i

ntegra a la maquina o instalación a controlar mediante un programa que

define la solución de las operaciones que se desea (software) y de un

cableado directo a los elementos de entrada y de salida del autómata. El

autómata programable realiza funciones de control de tipo lógico y

secuencial dentro de las fabricas, es decir, en la proximidad de las

maquinas en un entorno industrial.

El funcionamiento de un autómata industrial puede adaptarse

plenamente a la formación y hábitos del personal de fabricación y

mantenimiento.

El número de instrucciones procesadas difiere de un autómata a otro. El

programa es directamente concebido por un automatista, electricista o

mecánico. Este trabajo se facilita aún más mediante el empleo de

consolas de programación.

El autómata programable industrial aporta una serie de ventajas como

son las siguientes:

- Diseñados y construidos para su aplicación en ambiente industrial.

- Son equipos flexibles, por su carácter programable

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

- Son fáciles de instalar y reutilizables.

- Construidos de forma que sea fácil el mantenimiento y la localización

de averías.

- Pueden emplearse en múltiples tipos de tarea de control en una misma

planta, lo que facilita el aprendizaje, permite un mayor conocimiento y

explotación de prestaciones.

- Su capacidad de comunicaciones permite la integración en la tarea

global de control, o sistema de producción integrado.

La configuración del autómata es un proceso mediante el que se

determina como y donde se sitúan los distintos componentes del sistema

de control.

La configuración dependerá de la tarea de control propiamente dicha y

del tipo de control que se haya decidido y contempla tanto los elementos

del autómata como sus periféricos.

Durante la elaboración del algoritmo de control, se han determinado las

entradas y salidas, tanto discretas como numéricas, y estas se han

relacionado mediante diagramas o esquemas lógicos: la cantidad y tipo

de las E / S determina qué componentes son necesarios.

La mejor manera de realizar la configuración es confeccionar un mapa

de direccionado, en el que mediante una representación de las

estructuras de E / S se indica qué componentes se ubican en el local

junto a la unidad central y cuáles se sitúan en posiciones remotas.

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

Concluida la configuración del sistema, pueden comenzar

simultáneamente dos trabajos: la programación y la instalación.

Instalación

Para la selección del autómata existen numerosos factores que pueden

agruparse en las siguientes categorías:

- Entradas/ Salidas ( E/S ): cantidad, tipo, prestaciones, ubicación, etc.

- Tipo de control: control de una o varias máquinas, proceso, etc.

- Memoria: cantidad, tecnología, expandibilidad, etc.

- Software: conjunto de instrucciones, módulos de programa, etc.

- Periféricos: equipos de programación, dialogo hombre – maquina, etc.

- Físicos y ambientales: características constructivas, banda de

temperatura

Dadas las características constructivas y de diseño de los autómatas

programables, su instalación es viable en prácticamente cualquier

ambiente industrial siempre que no se sobrepasen las especificaciones

dadas por el fabricante.

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

Cableado

Siempre que sea posible, en la configuración del sistema se intentará

agrupar los módulos por categorías en cuanto a entradas / salidas,

tensión alterna o continua, señales discretas o analógicas.

Una configuración por grupos permite un cableado racional y una

necesaria segregación de los cables de señal débil respecto a los que

alimentan cargas, y de los de comunicaciones. Siempre que sea posible

se separarán los cables de CC de los de CA, para minimizar las

interferencias producidos por la conmutación de cargas y también los

cables de interconexión de racks y de comunicaciones se separan

completamente de otros.

Determinar la cantidad de señales de Entrada y de Salida, tanto discreta

como numéricas y analógicas, que debe ser capaz de tratar el equipo es

el primer trabajo a realizar al iniciar la implementación del sistema de

control. No hay más remedio que contar el número de dispositivos cuyo

estado hay que leer o gobernar. Una vez obtenidas estas cantidades es

muy recomendable reservar espacio para futuras ampliaciones (entre un

10 y un 20 %).

Los fabricantes ofrecen una gran diversidad de soluciones en cuanto a

las características constructivas y funcionales de los elementos del

sistema de entrada / salida. Aparte de los indicadores LED de estado

para señales discretas, hay que procurar que las entradas incorporen

filtros para evitar lecturas falsas en caso de señales “sucias“ ( rebote de

un contacto ).

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

Puesta a tierra

Se seguirá lo especificado en la normativa vigente y las

recomendaciones de los fabricantes, pero hay que recordar que cada

una de las estructuras (racks) del autómata, debe estar unida mediante

un cable independiente de sección adecuada, a la pletina de tomas de

tierra del armario. Nunca deben compartirse circuitos de tierra entre

racks o con otros componentes del sistema.

Circuitos de seguridad

Los dispositivos de parada de emergencia se instalarán con

independencia del autómata, para permitir la parada del sistema aún en

caso de avería del mismo; en general, deben actuar sobre un contactor

de maniobra que corta la alimentación a las cargas de la instalación.

Circuitos de disposición de E / S

En general, o por lo menos para los dispositivos de salida, es deseable

que exista un contactor de maniobra que permita cortar la alimentación

de esos elementos y que hará posible trabajar con seguridad en la

puesta a punto o investigación de averías, con el autómata alimentado.

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

Alimentación

Se recomienda el empleo de transformadores separadores de

alimentación ya que proporcionan una buena protección frente a

interferencias introducidas en las líneas por la conmutación de cargas

importantes existentes en la instalación. Además es deseable que los

dispositivos de E/ S se alimenten de la misma línea que el autómata, ya

que la fuente de alimentación del mismo posee circuitos de detección de

nivel de tensión que provocan la secuencia de parada del equipo en

caso de anomalía en la red, y de este modo se evitarán las falsas

lecturas de señal de entrada.

Algunos autómatas incorporan una fuente auxiliar de 24 Vcc para uso

externo de los dispositivos de entrada sobre módulos de entrada a 24

Vcc.

Hay que vigilar que no supere la capacidad de esta fuente,

particularmente cuando se alimentan de ella dispositivos estáticos (

detectores inductivos, fotoeléctricos, etc. ) y deben seguirse las

recomendaciones de cableado del fabricante para minimizar la

posibilidad de interferencia sobre estos circuitos.

En caso de que se prevea la existencia de variaciones de tensión en la

línea de alimentación que puedan superar los márgenes de trabajo

especificados para el equipo, habrá que instalar transformadores

estabilizadores, para evitar frecuentes paradas del sistema; en estas

circunstancias es mejor alimentar las salidas del autómata directamente

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

desde la línea de entrada para descargar el transformador permitiendo

que sea de una menor potencia.

Consideraciones sobre la instalación de E / S.

Cuando se emplean dispositivos electrónicos de detección como

elementos de entrada, hay que tener en cuenta la corriente residual de

los mismos (detectores de 2 hilos de corriente alterna). En general, el

problema se reduce a que el indicador de entrada se ilumina

tenuemente, pero en ocasiones, cuando la corriente residual es elevada,

o dependiendo de los umbrales de disparo del circuito de entrada

pueden darse señales falsas.

Cuando los dispositivos de entrada trabajan a niveles de señal débil

como TTL, analógicas, termopares, etc., hay que realizar conducciones

de cableado separadas para evitar el problema de la inducción. Además,

para evitar las interferencias electromagnéticas, se recomienda la

instalación mediante cables trenzados y apantallados.

Los circuitos de salida controlan habitualmente cargas inductivas (sole

noides), que provocan la aparición de picos de tensión cuando se inte

rrumpe el circuito de alimentación (descarga del circuito inductivo). Estas

crestas, que pueden alcanzar varios centenares de voltios, deben ser

suprimidas, ya que pueden averiar los circuitos de salida (estáticos) y

provocar interferencias en todo el sistema. Los fabricantes suelen

incorporar supresores de transitorios en los circuitos de los módulos de

salida pero a veces no son suficientes para evitar anomalías.

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

En general los módulos de salida incorporan circuitos fusibles de protec

ción dimensionados adecuadamente a las características nominales de

la salida (transistor, triac); si no es así, hay que instalarlos en el exterior

(regleta de bornes) teniendo en cuenta las especificaciones del

fabricante ya que no protegerán adecuadamente la salida en caso de

sobrecarga si no están bien dimensionados.

3. CONFIGURACIÓN, PUESTO A PUNTO E INSTALACIÓN.

La configuración depende de las especificaciones de control y del tipo de

control, ya sean controladores P, PD, PI o PID y contempla tanto los

elementos del autómata como sus periféricos.

A la hora de diseñar el control se han determinado las entradas y salidas

del sistema el cual queremos controlar y estas se han relacionado

mediante diagramas : el numero y tipo de las E / S determina qué

componentes son necesarios.

La mejor manera de realizar la configuración es confeccionar un mapa de

direccionado, en el que mediante una representación de las estructuras de

E / S se indica qué componentes se ubican en el local junto a la unidad

central y cuáles se sitúan en posiciones remotas.

Esquema de control

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

3.1 Instalación

Dadas las características constructivas y de diseño de los autómatas

programables, su instalación es viable en prácticamente cualquier

ambiente industrial siempre que no se sobrepasen las especificaciones

dadas por el fabricante. Se debe tener

especial consideración de temperatura y humedad y a la inmunidad

frente a interferencias eléctricas.

En general el autómata se montará en un armario de maniobra de

dimensiones adecuadas para contener con holgura los componentes del

equipo y el resto de elementos, como interruptores / seccionadores y

fuentes de alimentación, circuitos de protección, conductos de cableado,

etc. se recomienda el empleo de armarios metálicos ya que minimizan

los efectos de la radiación electromagnética generada por equipos de

conmutación instalados en las inmediaciones.

La convección natural es suficiente ya que la mayoría de los fabricantes

preparan los autómatas para que trabajen a una temperatura máxima de

60ºC.

3.2 Situación de los componentes.

Los componentes del autómata se montaran siguiendo las

recomendaciones del fabricante y en todo caso se pueden seguir las

siguientes pautas de aplicación general:

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

- Es recomendable el montaje vertical de los componentes para

facilitar la convección y disipación del calor.

- Las fuentes de alimentación deberán ocupar una posición por en

la parte superior del armario, ya que son generadores de calor.

- La unidad central ocupará una posición adyacente o por debajo

de las fuentes de alimentación, en la zona superior del armario,

quedando a una altura que facilite su inspección.

- Los racks de E / S estarán dispuestos de la forma más

conveniente para el acceso y cableado, en el espacio libre.

- Se dejarán espacios suficientes entre los componentes para una

adecuada disipación del calor.

- Para el resto de componentes del sistema, se recomienda su

instalación en posiciones lo más alejadas del equipo que sea

posible, principalmente si se trata de componentes

electromecánicos, para minimizar las interferencias

electromagnéticas.

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

3.3. Cableado y puesta a tierra

En la configuración del sistema se intentará agrupar los módulos por

categorías: entradas / salidas, tensión alterna o continua, señales

discretas o analógicas, etc.

Una configuración por grupos permite un cableado racional y una

necesaria segregación de los cables de señal débil respecto a los que

alimentan cargas, y de los de comunicaciones. Siempre que sea posible

se separarán los cables de CC de los de CA, para minimizar las

interferencias producidos por la conmutación de cargas y también los

cables de interconexión de racks y de comunicaciones se separan

completamente de otros.

La puesta a tierra seguirá lo especificado en la normativa vigente y las

recomendaciones de los fabricantes, pero hay que recordar que cada

una de las estructuras del autómata, debe estar unida mediante un cable

independiente de sección adecuada a tierra. Nunca deben compartirse

circuitos de tierra entre racks o con otros componentes del sistema.

3.4Circuitos de seguridad

Los dispositivos de parada de emergencia se instalarán con

independencia del autómata, para permitir la parada del sistema en

caso de avería del mismo. En general, deben actuar sobre un contactor

de maniobra que corta la alimentación a las cargas de la instalación.

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

3.5. Alimentación

Se recomienda el empleo de transformadores separadores de

alimentación ya que proporcionan una buena protección frente a

interferencias introducidas en las líneas. Es deseable que los

dispositivos de E/ S se alimenten de la misma línea que el autómata, ya

que la fuente de alimentación del mismo posee circuitos de detección de

nivel de tensión que provocan la secuencia de parada del equipo en

caso de anomalía en la red evitando falsas lectura. Algunos autómatas

incorporan una fuente auxiliar de 24 Vcc para uso externo de los

dispositivos de entrada sobre módulos de entrada a 24 Vcc, aunque no

es lo mas frecuente.

Hay que vigilar que no supere la capacidad de esta fuente,

particularmente cuando se alimentan de ella dispositivos estáticos (

detectores inductivos, fotoeléctricos, etc. ).

En caso de que se prevea la existencia de variaciones de tensión en la

línea de alimentación que puedan superar los márgenes de trabajo

especificados para el equipo, habrá que instalar transformadores

estabilizadores, para evitar frecuentes paradas del sistema; en estas

circunstancias es mejor alimentar las salidas del autómata directamente

desde la línea de entrada para descargar el transformador permitiendo

que sea de una menor potencia.

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

3.6 Puesta en marcha

Antes de dar alimentación, hay que hacer una serie de comprobaciones

rutinarias pero importantes:

1.- Comprobar que todos los componentes del Autómata están en su

lugar (el que corresponde a la configuración) perfectamente insertados

en sus conectores y asegurados.

2.- Comprobar que la línea de alimentación está conectada a los corres

pondientes terminales de la fuente de alimentación del equipo, y que se

distribuye adecuadamente a los módulos de entrada y salida (si

procede).

3.- Verificar que los cables de interconexión entre racks están

correctamente instalados.

4.- Verificar que los cables de conexión a periféricos están correctamen

te instalados.

5.- Verificar que las conexiones de los bornes de E / S están firmes y

corresponden al esquema de cableado.

6.- Verificar que las conexiones a los módulos de E / S están firmes y

corresponden al esquema de conexiones

4. CONSIDERACIÓN EN SISTEMA DE E/S

En general, las entradas y salidas (E/S) de un autómata pueden ser

discretas, analógicas, numéricas o especiales.

Discreta: Las E/S discretas se caracterizan por presentar dos estados

diferenciados: presencia o ausencia de tensión, relé abierto o cerrado,

etc. Su estado se puede visualizar mediante indicadores tipo LED que se

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

iluminan cuando hay señal en la entrada o cuando se activa la salida.

Los niveles de tensión de las entradas más comunes son 5 Vcc, 24

Vcc/ca, 48 Vcc/ca y 220 Vca. Los dispositivos de salida más frecuentes

son relés, transistores y triacs.

Analógicas: Las E/S analógicas tienen como función la conversión de

una magnitud analógica (tensión o corriente) equivalente a una magnitud

física (temperatura, presión, grado de acidez, etc.) en una expresión

binaria de 11, 12 o más bits, dependiendo de la precisión deseada. Esto

se realiza mediante conversores analógico-digitales (ADC's).

Numéricas: Las E/S numéricas permiten la adquisición o generación de

información a nivel numérico, en códigos BCD, Gray u otros (véase

código binario). La información numérica puede ser entrada mediante

dispositivos electrónicos digitales apropiados. Por su parte, las salidas

numéricas suministran información para ser utilizada en dispositivos

visualizadores (de 7 segmentos) u otros equipos digitales.

Especial: Por último, las E/S especiales se utilizan en procesos en los

que con las anteriores E/S vistas son poco efectivas, bien porque es

necesario un gran número de elementos adicionales, bien porque el

programa necesita de muchas instrucciones. Entre las más importantes

están:

- Entradas para termopar y termorresistencia: Para el control de

temperaturas.

- Salidas de trenes de impulso: Para el control de motores paso a paso

(PAP).

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

- Entradas y salidas de regulación P+I+D (Proporcional + Integral +

Derivativo): Para procesos de regulación de alta precisión.

- Salidas ASCII: Para la comunicación con periféricos inteligentes

(equipo de programación, impresora, PC, etc.).

4.1. Circuito de los disposición de E / S.

En general, o por lo menos para los dispositivos de salida, es deseable que

exista un contactor de maniobra que permita cortar la alimentación de esos

elementos y que hará posible trabajar con seguridad en la puesta a punto o

investigación de averías, con el autómata alimentado.

Cuando se emplean dispositivos electrónicos de detección como elementos

de entrada, hay que tener en cuenta la corriente residual de los mismos

(detectores de 2 hilos de corriente alterna). En general, el problema se

reduce a que el indicador de entrada se ilumina tenuemente, pero en

ocasiones, cuando la corriente residual es elevada, o dependiendo de los

umbrales de disparo del circuito de entrada pueden darse señales falsas.

Cuando los dispositivos de entrada trabajan a niveles de señal débil como

TTL, analógicas, termopares, etc., hay que realizar conducciones de

cableado separadas para evitar el problema de la inducción. Además, para

evitar las interferencias electromagnéticas, se recomienda la instalación

mediante cables trenzados y apantallados.

Los circuitos de salida controlan habitualmente cargas inductivas (sole-

noides), que provocan la aparición de picos de tensión cuando se inte-

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

rrumpe el circuito de alimentación (descarga del circuito inductivo). Estas

crestas, que pueden alcanzar varios centenares de voltios, deben ser

suprimidas, ya que pueden averiar los circuitos de salida (estáticos y

provocar interferencias en todo el sistema. Los fabricantes suelen incorporar

supresores de transitorios en los circuitos de los módulos de salida pero a

veces no son suficientes para evitar anomalías. En general los módulos de

salida incorporan circuitos fusibles de protección dimensionados

adecuadamente a las características nominales de la salida (transistor,

triac); si no es así, hay que instalarlos en el exterior (regleta de bornes)

teniendo en cuenta las especificaciones del fabricante ya que no protegerán

adecuadamente la salida en caso de sobrecarga si no están bien

dimensionados.

4. FUNCIONAMIENTO

La mayoría de los autómatas actuales se basan en el concepto de la

ejecución cíclica de las instrucciones ubicadas en su memoria. El programa

es una serie de instrucciones grabadas en la memoria, un ciclo de proceso

consiste inicialmente en la consideración de una serie de entradas que

seguidamente serán fijadas para todo el ciclo. Después, el autómata ejecuta

una instrucción tras otra hasta finalizar el programa y finalmente se definen

las ordenes a aplicar sobre las salidas. El ciclo se reproduce así

indefinidamente. Previo al ensayo de funcionamiento según lo programado,

hay que comprobar que los dispositivos de E / S funcionan correctamente,

a) Con el equipo en PARO (STOP, HALT, DISABLE, TEST, etc. depen

diendo del modelo) aplicar tensión al sistema.

27

Page 29: Automatas Programables PART 01

AUTOMATAS PROGRAMABLES

b) Verificar que los indicadores de diagnóstico de la Unidad Central

reflejan una situación correcta.

c) Comprobar que los paros de emergencia actúan correctamente.

d) Accionar los dispositivos de entrada manualmente y verificar que su

estado es registrado por el autómata; el funcionamiento se puede seguir en los

indicadores de los módulos y también se puede seguir visualizando la tabla de

E / S mediante un equipo de programación. Para la comprobación de los

dispositivos de salida, hay que cortar la alimentación de las cargas que

pudieran dar lugar a situaciones peligrosas y verificar con el procesador en

MARCHA (RUN) que las salidas se activan. Esta comprobación resulta más

fácil si se utiliza un terminal de programación en el modo “forzado de E / S"

para activar o desactivar las salidas una a una. Una vez finalizadas todas las

comprobaciones anteriores, hay que introducir el programa en la memoria de la

Unidad Central y dar alimentación al sistema. Se recomienda que siempre que

sea posible, las pruebas de funcionamiento se hagan por áreas,

particularmente si se trata de sistemas grandes, dejando fuera de servicio los

componentes de las áreas que no se prueban; esto puede realizarse cortando

la alimentación de campo de los racks de E / S o inhibiendo su funcionamiento,

incluyendo las oportunas instrucciones en el programa (MCR) que se

eliminarán una vez concluidas las pruebas. Verificadas y corregidas las

distintas secuencias, el sistema puede arrancar en automático debiendo

funcionar correctamente si todas las comprobaciones se han efectuado con

éxito. Las correcciones efectuadas, tanto en la instalación como en el programa

deben ser documentadas inmediatamente, y se obtendrán copias del programa

definitivo (copia, en disco o cinta) tan pronto como sea posible.

28

Page 30: Automatas Programables PART 01

AUTOMATAS PROGRAMABLES

5. EQUIPOS DE PROGRAMACIÓN

La misión principal de los equipos de programación, es la de servir de

interfaz entre el operador y el autómata para introducir en la memoria de

usuario el programa con las instrucciones que definen las secuencias de

control.

Dependiendo del tipo de autómata, el equipo de programación produce

unos códigos de instrucción directamente ejecutables por el procesador o

bien un código intermedio, que es interpretado por un programa residente

en el procesador (firmware).

El equipo de programación de un autómata tiene por misión configurar,

estructurar, programar, almacenar y aprobar las diferentes funciones del

automatismo, tanto las contenidas en la CPU básica, como las que

aparecen en las CPU auxiliares y módulos periféricos. Se define entonces

el equipo de programación como el conjunto de medios hardware y software

mediante los cuales el programador introduce y depura las memorias del

autómata las secuencias de instrucciones (en uno u otro lenguaje ) que

constituyen el programa a ejecutar.

Las tareas principales de un equipo de programación son:

Introducción de las instrucciones del programa.

Edición y modificación del programa.

Detección de errores.

Archivo de programas (cintas, discos).

Básicamente existen tres tipos de equipos de programación:

29

Page 31: Automatas Programables PART 01

AUTOMATAS PROGRAMABLES

-Consola con teclado y pantalla de tubo de rayos catódicos (CRT) o de

cristal líquido (LCD).

-Programador manual, semejante a una calculadora de bolsillo, más

económico que la anterior.

-Ordenador personal con el software apropiado.

Entre los equipos específicos, y según su complejidad, podemos distin

guir dos variantes:

o Consola o unidad de programación.

o Terminales de programación.

Aunque existen pocas diferencias entre unas y otros, éstas se hacen

diferentes cuando se considera la facilidad de manejo e integración de

ayudas al programador: almacenamiento, documentación, trabajo con

símbolos, etc., las cuales son funciones propias de los terminales que no

aparecen o son muy reducidas en las consolas de programación.

5.1. Consola de programación

Las consolas son pequeños dispositivos de bolsillo que permiten la

programación, ajuste y diagnostico del autómata , con un visualizador

(«display»), y un teclado alfanumérico dividido en tres. zonas:

- Teclas de comandos (insertar, borrar, transferir, etc.),

- Teclas de instrucciones (LOD, AND, NOT, TIM, etc.),

- Teclas numéricas, normalmente decimales ( 0, 1, 2, etc.).

30

Page 32: Automatas Programables PART 01

AUTOMATAS PROGRAMABLES

Son dispositivos portátiles y de bajo precio ( aunque significativo frente

al de un microautómata), especialmente útiles para las intervenciones de

ajuste en planta: edición de alguna línea de programa, forzado de

variables durante la puesta a punto, modificación de valores numéricos

de preselección, etc., aunque para aplicaciones más ambiciosas

presentan los problemas inherentes a su simplicidad:

- Dificultades para trabajar con más de un programa simultáneamente,

- Dificultades para el almacenamiento y/o impresión de programas:

necesita conectarse a una unidad exterior (PC, terminal de

programación, módulo de conexión a impresora) para alcanzar estas

funciones.

- Muy baja o inexistente capacidad de documentación del programa (uso

de símbolos, textos de ayuda, etcétera).

Pese a estos problemas, las consolas de programación son verdaderos

terminales inteligentes, con su propio procesador y memorias, que

permiten trabajar, con una alimentación auxiliar, fuera del entorno del

autómata, lejos de la planta donde éste está instalado, facilitando el

desacoplo entre la edición y la explotación del programa.

En el caso de autómatas equipados con memorias extraibles, tipo

EPROM o EEPROM, la consola permite también la grabación de esta

memoria. La tendencia actual, sin embargo, pasa por incorporar la

memoria (EEPROM), junto con los circuitos de programación de la

misma, en el interior del autómata, oculta para el usuario, siendo la

propia CPU la que se encarga del control de grabación a partir de los

datos transmitidos desde la consola.

31

Page 33: Automatas Programables PART 01

AUTOMATAS PROGRAMABLES

5.2. Terminales de programación.

El terminal de programación se distingue de la consola por su teclado tipo

QWERTY y su pantalla de gran tamaño, que permite la visualización de

bloques completos de programa, con identificación simbólica de las

variables y menús de ayuda “ on line “.

- Procesador, memorias, interfaces y puertos de entrada / salida,

monitor y teclado, sistema operativo y software de aplicación.

Los terminales constituyen verdaderas estaciones autónomas de trabajo

dedicadas a la programación de autómatas y, de hecho, su objetivo

común consiste en integrar un puesto de trabajo evolucionado que

permita programación combinada en distintos lenguajes, edición del

programa por bloques, manejo de librerías, simulación del programa

resultante, conexión a otros ordenadores por red informática, o a redes

de autómatas específicas del fabricante, etc. El manejo de estos

terminales es muy simple, gracias al empleo de teclas funcionales y

ayuda en línea que facilita el acceso a todas sus funciones.

6. Equipos Periféricos

Además de los equipos de programación, existen numerosos dispositivos

que sin formar parte directa del autómata, pueden conectarse al mismo

para realizar distintas funciones. Normalmente se conectan a las salidas

ASCII o a los canales de comunicación del autómata. Seguidamente se

describen algunos de los equipos periféricos más comunes:

32

Page 34: Automatas Programables PART 01

AUTOMATAS PROGRAMABLES

Módulos de ampliación de entradas y salidas: Necesarios para aquellos

procesos en los que la estructura de E/S del autómata sea insuficiente.

Módulos de tratamiento de datos: Son pequeños ordenadores que

manejan distintos datos (contaje, tiempo, estado de E/S, etc.), para la

elaboración de informes, gráficos, etc.

Impresoras.

Visualizadores alfanuméricos.

Lectores de código de barras.

La forma de comunicarse el autómata con sus periféricos puede ser

unidireccional, cuando se establece en un sólo sentido, o bien

bidireccional, cuando se establece en los dos sentidos. Los enlaces para

ambos tipos de comunicación suelen ser por lo general del tipo serie,

siendo los más empleados los anteriormente mencionados RS-232C y

RS-422, ambos de acuerdo con las normas de la EIA (Electronic

Industries Association ).

El RS-232C es el método de transmisión de datos más difundido, pero

tiene la limitación de la distancia máxima de transmisión a 15 metros y la

velocidad máxima de transmisión de 19.200 baudios (1 baudio = 1

bit/segundo). El RS-422 resuelve en parte las limitaciones del RS-232C.

La distancia de transmisión puede superar un kilómetro y la velocidad

puede llegar a 10 Mbaudios.

33

Page 35: Automatas Programables PART 01

AUTOMATAS PROGRAMABLES

6.1. Lenguaje 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-máquina

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: 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.

* Lenguaje por lista de instrucciones: 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 casos, la forma más rápida de

programación e incluso la más potente.

34

Page 36: Automatas Programables PART 01

AUTOMATAS PROGRAMABLES

GRAFCET (Gráfico Funcional de Etapas y Transiciones):Ha sido

especialmente diseñado para resolver problemas de automatismos

secuenciales. Las acciones son asociadas a las etapas y las condiciones

a cumplir a las transiciones. Este lenguaje resulta enormemente sencillo

de interpretar por operarios sin conocimientos de automatismos

eléctricos. Muchos de los autómatas que existen en el mercado permiten

la programación en GRAFCET, tanto en modo gráfico o como por lista

de instrucciones. También podemos utilizarlo para resolver problemas de

automatización de forma teórica y posteriormente convertirlo a plano de

contactos.

7. Caso practico

Vamos a realizar un pequeño ejemplo de cómo se diseñaría un control

discreto, utilizando para ello el lenguaje de autómata finito, centrándonos

de forma más concreta en las Redes de Petri. Para ello vamos a utilizar

como ejemplo un pequeño proceso que podríamos encontrar en cualquier

planta del Polo Químico.

Se trata de obtener un Producto P, a partir de la mezcla de determinadas

cantidades de los productos Ay B que sigue el siguiente esquema:

35

Page 37: Automatas Programables PART 01

AUTOMATAS PROGRAMABLES

La red que vamos a diseñar nos permitirá hacer las siguientes

funciones:

- Medir productos A y B

- Llenar el mezclador

- Mezclar durante un tiempo TM actuando el motor M

- Vaciar el mezclador

- Sistema de llenado de contenedores, compuesto por la cinta

activada por el motor M1 y el sensor S1

Para ello primero veremos algo de aspecto teórico sobre las redes de

Petri. Mediante una red de Petri puede modelizarse un sistema de

evolución en paralelo compuesto de varios procesos que cooperan para

36

Page 38: Automatas Programables PART 01

AUTOMATAS PROGRAMABLES

la realización de un objetivo común. La presencia de marcas en una

ficha se interpreta habitualmente como presencia de recursos. El

franqueo de una transición (la acción a ejecutar) se realiza cuando se

cumplen unas determinadas precondiciones, indicadas por las

marcas en las fichas (hay una cantidad suficiente de recursos), y la

transición (ejecución de la acción) genera unas postcondiciones que `

modifican las marcas de otras fichas (se liberan los recursos) y así se

permite el franqueo de transiciones posteriores. Aplicaciones:

- Análisis de datos

- Diseño de software

- Fiabilidad

- Flujo de trabajo

- Programación concurrente

Ahora tenemos el siguiente diagrama de Petri:

37

Page 39: Automatas Programables PART 01

AUTOMATAS PROGRAMABLES

A partir de esta red de Petri lo llevamos al programa Microwin

STEP7.Esté nos dará un esquema mediante relés que al insertarlo al

autómata programable que gobierne ese proceso será capaz de realizar

todas las funciones marcadas con la característica que le

condicionemos. Además podremos obtener una simulación del proceso

que estaba bajo estudio antes de llevarlo a la realidad. Lo cuál nos

permitirá comprobar que el sistema funciona correctamente e intentar

optimizarlo en la medida de lo posible antes de llevarlo a la práctica.

Al no contar con este programa no hemos podido llevar al cabo esa

simulación. En la siguiente imagen mostramos como quedaría el

esquema de control con dicho programa, aunque no corresponde con el

sistema puesto como ejemplo:

38

Page 40: Automatas Programables PART 01

AUTOMATAS PROGRAMABLES

CAPITULO II

REDES ELMAN

1. RED NEURONAL.

 Denominadas habitualmente como RNA o en inglés como: "ANN". son un

paradigma de aprendizaje y procesamiento automático inspirado en la

forma en que funciona el sistema nervioso de los animales. Se trata de

un sistema de interconexión de neuronas que colaboran entre sí para

producir un estímulo de salida. En inteligencia artificial es frecuente

referirse a ellas como redes de neuronas o redes neuronales.

2. REDES RECURRENTES

Cuando se trabaja con patrones dinámicos; es decir, con patrones de

secuencias en las que aparece el concepto tiempo, las RNA alimentadas

sólo hacia adelante se encuentran bastante limitadas ya que no permiten

conexiones que unan neuronas creando bucles. En las redes recurrentes

no se impone ninguna restricción en su conectividad, con lo que se gana

un número mayor de pesos por neurona y por lo tanto una mayor

representatividad, dado que las RNA representan la información de forma

distribuida en sus pesos. De esta forma, la principal característica de este

tipo de redes es la de realimentar su salida a su entrada, evolucionando

hasta un estado de equilibrio donde proporciona la salida final de la red

(Demuth, Beale, 1994). Esta característica las hace útiles cuando se

quiere simular sistemas dinámicos; sin embargo, su entrenamiento es

más lento que el de una red alimentada sólo hacia delante, y a la vez

mucho más complejo. El primer algoritmo de entrenamiento de este tipo

39

Page 41: Automatas Programables PART 01

AUTOMATAS PROGRAMABLES

de redes aparece en 1987, cuando se adapta el algoritmo de

retropropagación del error de las RNA alimentadas sólo hacia delante a

las redes recurrentes aplicadas a patrones estáticos (``Recurrent

Backpropagation'') y se pudieron aplicar estas redes a los mismos

problemas a los que se aplicaban las multicapa alimentadas hacia

delante. Además, otros investigadores se centran en desarrollar

aproximaciones del algoritmo de aprendizaje que lo hagan más práctico

surgiendo el algoritmo llamado ``Real-Time Recurrent Learning'' o RTRL

indicado para tareas de tiempo real. A partir de entonces, las redes

recurrentes se han venido aplicando en un buen número de tareas, desde

reconocimiento del habla hasta la simulación de autómatas finitos. Sin

embargo, la aplicación de redes recurrentes presenta un mayor número

de problemas. En el caso de patrones estáticos, una red recurrente

funciona presentándole un patrón, haciendo después evolucionar la red

hasta que sus salidas se estabilizan. Sin embargo, esto no está

asegurado, pudiéndose dar comportamientos oscilatorios o caóticos y

aunque existen estudios para establecer las condiciones para que esto no

ocurra, se limitan a ciertas arquitecturas muy concretas como las Hopfield.

E1 caso de los patrones dinámicos es todavía más complicado, ya que, si

se sabe poco del comportamiento de una red recurrente (por ejemplo la

dificultad de estabilizarse), se sabe aún menos de su comportamiento

dinámico. El poco conocimiento es empírico y no existen estudios

formales ni de la red recurrente más simple: una neurona aislada con una

conexión a sí misma. Tampoco existen estudios teóricos que avalen

utilizar un algoritmo basado en el descenso del gradiente para tareas de

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Page 42: Automatas Programables PART 01

AUTOMATAS PROGRAMABLES

tratamiento de patrones dinámicos. Un problema sencillo, como es

enseñar a oscilar a una neurona aislada con realimentación, da muchos

problemas del tipo de mínimos locales y hasta ahora no se conoce su

justificación teórica. Además, en redes multicapa se conoce más o menos

bien qué arquitectura hay que utilizar en la mayoría de los problemas,

gracias a conocimientos basados fundamentalmente en la experiencia.

Sin embargo, por una parte, la variedad arquitectónica en redes

recurrentes es infinitamente superior, por lo que su diseño es más

complicado y, por otra, la gran variedad de este tipo de patrones hace

difícil su categorización.

3. LA RED RECURRENTE ELMAN

Es una red de retropropagacion de dos capas, con la adicion de una

retroalimentación de la salida de la capa oculta con la entrada de la red.

Esta retroalimentación le permite a la red generar y detectar patrones

variantes en el tiempo. La red elman tiene como función de activación el

tansigmoidal en su capa oculta y la función lineal en su capa de salida lo

que le permite aproximar cualquier función y cierta exactitud siempre que

se tenga suficientes neuronas en la capa oculta para el procesamiento.

La retroalimetnacion contiene un retraso que permite retener los valores

del primer paso para usarlos en el actual paso de procesamiento. Debido

a que la red puede grabar información para futura referencia es capaz de

aprender patrones temporales tan bien como patrones espaciales además

de generarlos

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Page 43: Automatas Programables PART 01

AUTOMATAS PROGRAMABLES

La función simuelm simula las redes elman. Toma los pesos y las bias

como argumento y la matriz de entradas p. La función puede ser usada

para regresar las matrices de salida de las dos capas o solo de una como

se muestra a continuación

 4. ESTRUCTURA DE LA RED ELMAN

La red de Elman típicamente posee dos capas, cada una compuesta de

una red tipo Backpropagation, con la adición de una conexión de

realimentación desde la salida de la capa oculta hacia la entrada de la

misma capa oculta, esta realimentación permite a la red de Elman

aprender a reconocer y generar patrones temporales o variantes con el

tiempo.

42

Page 44: Automatas Programables PART 01

AUTOMATAS PROGRAMABLES

La red de Elman generalmente posee neuronas con función

transferencia sigmoidal en su capa oculta, en este casotansig y n

euronas con función de transferencia tipo lineal en la capa de salida, en

esta caso purelin,la ventaja de la configuración de esta red de dos capas

con este tipo de funciones de trasferencia, es que según lo demostrado

por Funahashi [16], puede aproximar cualquier función con la precisión

deseada mientras que esta posea un numero finito de discontinuidades,

para lo cual la precisión de la aproximación depende de la selección del

numero adecuado de neuronas en la capa oculta.

Para la red de Elman la capa oculta es la capa recurrente y el retardo en

la conexión de realimentación almacena los valores de la iteración

previa, los cuales serán usados en la siguiente iteración; dos redes de

Elman con los mismos parámetros y entradas idénticas en las mismas

iteraciones podrían producir salidas diferentes debido a que pueden

presentar diferentes estados de realimentación.

5. ENTRENAMIENTO DE LA RED

La función trainelm entrena la red Elman usando retropropagacion con

momento y con una taza de aprendizaje adaptativa. Los argumento que

recibe son los pesos y bias junto con la matriz de entradas y el vector de

clases. El entrenamiento regresa los nuevos pesos y bias.

43

Page 45: Automatas Programables PART 01

AUTOMATAS PROGRAMABLES

Trainelm también puede ser llamada con un vector adicional Tp que es

usado para sobre escribir los parámetros de entrenamiento. Estos se

listan en seguida

Esta función grafica el error y mantiene informado el avance del entrenamiento

en la ventana de comandos además de que también puede regresar el numero

de ciclos de entrenamiento ocurridos te y el vector que registra los errores que

se tenían durante el entrenamiento tr.

6. CONCLUSIONES

La red de Elman no es tan confiable como otros tipos de redes porque el

gradiente se calcula con base en una aproximación del error, para

solucionar un problema con este tipo de red se necesitan más neuronas

en la capa oculta que si se solucionara el mismo problema con otro tipo

de red.

44

Page 46: Automatas Programables PART 01

AUTOMATAS PROGRAMABLES

CAPITULO III

REDES NEURONALES

1. RESUMEN

Las redes neuronales artificiales (RNA) son aplicadas en diversos

ámbitos de la actividad humana. Una de sus aplicaciones es

como herramienta de análisis de información, específicamente

dentro de la Bibliometría. En este trabajo se hace una

introducción sobre las particularidades de las RNA,

específicamente las basadas en el modelo Kohonen (Mapas auto-

organizativos). Se exponen los elementos que la integran y se

vincula su principio de funcionamiento con la Bibliometría. Se

utiliza y caracteriza un software llamado Viscovery SOMine que

retoma, para su funcionamiento, el concepto y los algoritmos de

los mapas auto-organizativos. Se ejemplifica la utilidad de las

RNA, dentro de la Bibliometría, a través de casos prácticos

2. INTRODUCCION

Las técnicas computacionales, desde sus inicios, marcaron un

paradigma en la creación. Sus aplicaciones, hoy día, van desde la

industria de los juegos hasta las cadenas de producción de varias

empresas. Para ello se han desarrollado múltiples técnicas como

las relacionadas con la inteligencia artificial. Las más conocidas

son la lógica difusa (aprendizaje inductivo), algoritmos genéticos y

redes neuronales.

45

Page 47: Automatas Programables PART 01

AUTOMATAS PROGRAMABLES

En la década de los 50, existían grandes aspiraciones respecto a

las investigaciones relacionadas con la inteligencia artificial, sobre

todo con aquellas que tenían como objeto principal las redes

neuronales artificiales (RNA). Los trabajos Principles of

neurodynamic y The perceptron: A probabilistic model for

information storage and organization in the brain, desarrollados

por Rosenblatt1, abren nuevas perspectivas sobre la temática.

Sin embargo, las teorías desarrolladas durante este período son

arruinadas por Minsky y Papert2, pues ambos publican una obra

titulada Perceptrons donde se hace una crítica al modelo neural y

se trata de plasmar lo estériles que eran las investigaciones en

esta línea

Unos veinte años después, en la década de los 70, resurgen

estas teorías y se despierta el interés en sus aplicaciones.

Actualmente las redes neuronales se emplean en diferentes

campos, estos se agrupan según varios criterios. Uno de ellos es

el propuesto por Deboeck, quien los agrupa en:

• Modelación financiera y económica.

• Perfiles de mercado y clientes.

• Aplicaciones médicas.

• Gerencia del conocimiento y “descubrimiento de datos”.

• Optimización de procesos industriales y control de calidad.

• Investigación científica.

46

Page 48: Automatas Programables PART 01

AUTOMATAS PROGRAMABLES

El objetivo del presente trabajo es utilizar la base teórica de las

redes neuronales artificiales como una herramienta práctica que

permita realizar análisis exploratorios de datos o minería de datos

vinculados con los indicadores bibliométricos. Para el logro de

este objetivo se utiliza y caracteriza un software llamado

Viscovery SOMine que retoma, para su funcionamiento, el

concepto y los algoritmos de los mapas auto-organizativos.

3. REDES NEURONALES ARTIFICIALES.

Una red neuronal, según Freman y Skapura, es un sistema de

procesadores paralelos conectados entre sí en forma de grafo

dirigido. Esquemáticamente cada elemento de procesamiento

(neuronas) de la red se representa como un nodo. Estas

conexiones establecen una estructura jerárquica que tratando de

emular la fisiología del cerebro busca nuevos modelos de

procesamiento para solucionar problemas concretos del mundo

real. Lo importante en el desarrollo de la técnica de las RNA es su

útil comportamiento al aprender, reconocer y aplicar relaciones

entre objetos y tramas de objetos propios del mundo real. En este

sentido, se uilizan las RNA como una herramientas que podrá

utilizarse para resolver problemas difíciles.

La posibilidad de resolver problemas difíciles es dable gracias a

los principios de las redes neuronales, los cinco más importantes

son citados por Hilera y Martínez. Estos son enunciados a

continuación:

47

Page 49: Automatas Programables PART 01

AUTOMATAS PROGRAMABLES

Aprendizaje adaptativo: Esta es quizás la característica más

importante de las redes neuronales, pueden comportarse en

función de un entrenamiento con una serie de ejemplos

ilustrativos. De esta forma, no es necesario elaborar un modelo a

priori, ni establecer funciones probabilísticas. Una red neuronal

artificial es adaptativa porque puede modificarse constantemente

con el fin de adaptarse a nuevas condiciones de trabajo.

Autoorganización: Mientras que el aprendizaje es un proceso

donde se modifica la información interna de la red neuronal

artificial, la autoorganización consiste en la modificación de la red

completa con el fin de llevar a cabo un objetivo específico.

Autoorganización significa generalización, de esta forma una red

puede responder a datos o situaciones que no ha experimentado

antes, pero que puede inferir sobre la base de su entrenamiento.

Esta característica es muy útil sobre todo cuando la información

de entrada es poco clara o se encuentra incompleta

Tolerancia a fallos: En la computación tradicional la pérdida de

un fragmento pequeño de información puede acarrear

comúnmente la inutilización del sistema. Las redes neuronales

artificiales poseen una alta capacidad de tolerancia a fallos. Se

entiende por ello que las redes pueden reconocer patrones de

información con ruido, distorsión o incompletos, pero que,

además, pueden seguir trabajando aunque se destruya parte de

la red (con cierta degradación). La explicación de este fenómeno

se encuentra en que mientras la computación tradicional

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Page 50: Automatas Programables PART 01

AUTOMATAS PROGRAMABLES

almacena la información en espacios únicos, localizados y

direccionables, las redes neuronales lo hacen de forma distribuida

y con un alto grado de redundancia.

Operación en tiempo real: Las redes neuronales artificiales, de

todos los métodos existentes, son las más indicadas para el

reconocimiento de patrones en tiempo real, debido a que trabajan

en paralelo actualizando todas sus instancias simultáneamente.

Es importante destacar que esta característica solo se aprecia

cuando se implementan redes con hardware especialmente

diseñados para el procesamiento paralelo. Fácil inserción en la

tecnología existente: Es relativamente sencillo obtener chips

especializados para redes neuronales que mejoran su capacidad

en ciertas tareas. Ello facilita la integración modular en los

sistemas existentes.

Al profundizar en los principios de las RNA y observar

continuamente el término neurona no es de extrañar que se

piense por analogía en el cerebro humano, este hecho quizás se

deba a que las RNA están basadas en la inspiración biológica. El

hombre posee cerca de 10 000 000 000 de neuronas

masivamente interconectadas, la neurona es una célula

especializada que puede propagar una señal electroquímica. Las

neuronas tienen una estructura ramificada de entrada (las

dendritas) y una estructura ramificada de salida (los axones). Los

axones de una célula se conectan con las dendritas de otra, por

vía de sinapsis la neurona se activa y excita una señal

49

Page 51: Automatas Programables PART 01

AUTOMATAS PROGRAMABLES

electroquímica a lo largo del axón. Esta señal transfiere la

sinapsis a otras neuronas, las que a su vez pueden excitase. Las

neuronas se excitan sólo sí la señal total recibida en el cuerpo de

las células, por conducto de las dendritas, es superior a cierto

nivel (umbral de excitación).

Las redes neuronales artificiales tratan de imitar este principio de

funcionamiento cerebral.

4. ESTRUCTURA DE UNA RED NEURONAL ARTIFICIAL.

Las redes neuronales artificiales están formadas por una gran

cantidad de neuronas, estas no suelen denominarse neuronas

artificiales sino nodos o unidades de salida. Un nodo o neurona

cuenta con una cantidad variable de entradas que provienen del

exterior (X1, X2, ......, Xm). A su vez dispone de una sola salida

(Xj) que transmitirá la información al exterior o hacia otras

neuronas. Cada Xj o señal de salida tiene asociada una magnitud

llamada peso este se calculará en función de las entradas, por lo

cual cada una de ellas es afectada por un determinado peso

(Wjo...Wjq+m) (13). Los pesos corresponden a la intensidad de

los enlaces sinápticos entre neuronas y varían libremente en

función del tiempo y en cada una de las neuronas que forman

parte de la red

50

Page 52: Automatas Programables PART 01

AUTOMATAS PROGRAMABLES

El proceso de aprendizaje consiste en hallar los pesos que

codifican los conocimientos. Una regla de aprendizaje hace variar

el valor de los pesos de una red hasta que estos adoptan un valor

constante, cuando esto ocurre se dice que la red ya "ha

aprendido". Al conectar varias neuronas de un determinado modo,

se consigue una red. Existen variaciones de topologías, que se

clasifican según tres criterios:

1) Número de niveles o capas.

2) Número de neuronas por nivel.

3) Formas de conexión.

El diseño de una u otra tipología depende del problema a

solucionar por ejemplo para elaborar un programa de filtro digital

en una computadora, se debe emplear un algoritmo en que todas

las capas estén uniformemente interconectadas, o sea que todos

lo nodos de una capa esten conectados con los nodos de otra

capa. En la Figura 2 se muestra la arquitectura de una RNA

clásica con variables de entrada, dos capas de neuronas

51

Page 53: Automatas Programables PART 01

AUTOMATAS PROGRAMABLES

intermedias y y una capa de salida. Todas ellas conectadas entre

sí.

Otro algoritmo de RNA es el que aparece en la Figura 3, en este

ejemplo las neuronas se organizan en una tipología de capas

diferentes. Solo incluye una capa neuronal oculta, este algoritmo

es muy elemental y es muy utilizado a nivel académico para la

construcción y prueba de diferentes tipos de modelos de red.

52

Page 54: Automatas Programables PART 01

AUTOMATAS PROGRAMABLES

Existe una gran variedad de modelos de redes neuronales estos

dependen del objetivo para el cual fueron diseñados y del

problema práctico que solucionan. Hoy en día, su éxito depende

en, gran medida, del valor comercial que logren alcanzar sus

aplicaciones. En dependencia de ello unos serán más populares

que otros, entre los más conocidos están el Adaline/Madaline

(utilizado en el diseño y realización de filtros, para llevar a cabo la

eliminación del ruido en señales portadoras de información,

modems, etc.), el back propagation (utilizado en el proyecto de la

máquina de escribir neural fonética) y el modelo de los mapas

auto-organizados (Self-Organizing Map, SOM). Este último es

conocido como modelo de Kohonen por ser este su creador, un

análisis más detallado de este modelo aparece en el acápite

siguiente.

5. Modelo Kohonen

Este modelo surge ante la curiosidad de Teuvo Kohonen, quien

interesado en comprender la clasificación natural que hace el

cerebro en cuanto a su funcionalidad, ideó el algoritmo SOM. Una

definición simplificada sobre los mapas topológicos podría ser

que, en una correspondencia que respecte la topología, las

unidades que se encuentran físicamente próximas entre sí van a

responder a clase de vectores de entrada que, análogamente, se

encuentren cerca unos de otros. Los vectores de entrada de

muchas dimensiones representados sobre el mapa

53

Page 55: Automatas Programables PART 01

AUTOMATAS PROGRAMABLES

bidimensional, de tal manera que se mantenga el orden natural de

los vectores de entrada. [3, 5, 9].

Estos mapas presentan la característica de organizar la

información de entrada, de entre un gran volumen de datos,

clasificándola automáticamente, esto permitirá visualizar

relaciones importantes entre datos. Este modelo es muy útil para

establecer relaciones desconocidas previamente Este modelo de

RNA es del tipo “aprendizaje autoorganizado” que como se

explicó con anterioridad es un proceso donde las neuronas

aprenden mediante la autoorganización. Durante el proceso de

aprendizaje, al ingresar un dato solo una neurona que tenga una

actividad positiva dentro de la vecindad será activada en la capa

de salida. La arquitectura SOM se ha extendido a infinidad de

aplicaciones, es por ello que este algoritmo y sus modelos se han

automatizado para dar vida a varios software como son el

Viscovery SOMine y el WEBSOM (7). Ambos son utilizados en

el análisis y filtrado de información, el Viscovery ha sido validado

tanto en estudios de mercado como análisis financiero o

proyecciones urbanísticas. Actualmente está incursionando en el

tratamiento de la información usando herramientas diseñadas por

la bibliometría

54

Page 56: Automatas Programables PART 01

AUTOMATAS PROGRAMABLES

5.1 Los mapas autoorganizados aplicados a la

Bibliometría.

La Bibliometría es una disciplina que estudia los aspectos

cuantitativos de la información registrada, para ello se han

creado una serie de modelos estadísticos que aportan

datos numéricos sobre el comportamiento de la actividad

científica. También se han adaptado modelos de otras

disciplinas para facilitar los análisis y representar los

resultados desarrollados a partir de la Bibliometría. Los

mapas auto-organizados (SOM) o modelo de Kohonen

(basado en las RNA) es una de estas herramientas.

En los estudios métricos la aplicación de las redes

neuronales, y específicamente los SOM, están asociados

en lo fundamental con la clasificación de información, o

sea, la formación cluster y su representación en mapas

bidimensionales de conceptos y más específicamente con

el descubrimiento de información (data mining). Este último

vinculado con larecuperación de la información con "ruido"

e incompleta o con el tratamiento de información que

incluye diferentes tipos de datos (números, texto, registros

estructurados, etc.). Los SOM facilitan que el conocimiento

tácito se haga explícito, a partir de la extracción no-trivial

(apartir de los datos) de conocimientos implícitos

potencialmente útiles desconocidos previamente. Se

55

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

podrán encontrar patrones o estructuras en el conocimiento

tácito.

Las investigaciones bibliométricas, a través de la utilización

de las redes neuronales, incursionan en:

• La selección de variables,

• Clasificación de información o formación de cluster,

• Regresión,

• Relaciones entre variables,

• Cambios y desviaciones,

• Representación de las variables.

Lo anterior se puede ejemplificar a partir de algunas

aplicaciones prácticas relacionadas con la evaluación de

páginas web y trabajos relacionados con la clasificación de

revistas en un determinado campo temático [9]. Se

conocen, además, investigaciones relacionadas con la

minería de textos (text mining) sobre todo aplicado a la

asociación de palabras o co-word.

En todos estos ejemplos se utiliza como variante de las

RNA el modelo de los mapas autoorganizativos (self-

organizing map, SOM). En un análisis, realizado por los

autores sobre el tema, se examinaron cerca de 56

documentos sobre redes neuronales aplicadas al análisis

de información, con ello se constato que la mayoría

utilizaban el modelo SOM como herramienta de estudio.

56

Page 58: Automatas Programables PART 01

AUTOMATAS PROGRAMABLES

Un ejemplo de SOM podría ser.el estudio de una temática

determinada, para este caso en un mapa cada documento

(artículo de revista, podría ser una patente, una tesis, etc.)

va a ocupar un lugar en el espacio, en función de su

contenido temático. Cada área del mapa va a reflejar un

contenido específico y los tópicos van variando levemente

a lo largo del mismo. Las diferentes tonalidades indican la

densidad de documentos, cuanto más oscura más

documentos se encuentran. Este uso frecuente de los SOM

quizás se deba a lo amigable de la interfaz de los mapas

para los usuarios finales y a la diversidad de sus utilidades

prácticas, estas representaciones son válidas para poder

identificar, además de los desarrollos temáticos antes

mencionados, relaciones entres áreas temáticas y

publicaciones, alianzas estratégicas y características de la

cooperación. Permite, también, visualizar los avances

tecnológicos que tienen lugar en un período, conocer la

evolución de una tecnología a través del tiempo e identificar

campos emergentes

En el acápite anterior se mencionó al Viscovery SOMine

como un software que ha automatizado el modelo SOM.

Este sistema es utilizado por un equipo de trabajo del

Instituto Finlay para elaborar mapas científico-tecnológicos.

La lógica de funcionamiento del Viscovery SOMine se

muestra en la siguiente Figura

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Page 59: Automatas Programables PART 01

AUTOMATAS PROGRAMABLES

6. APLICACIONES

Se estima que a pesar de las limitaciones técnicas, las redes

neuronales aplicadas a la Bibliometría constituyen un campo de

investigación muy prometedor. Un ejemplo es presentado a

continuación. La disciplina muldidisciplinar de las redes

neuronales es aplicada en esta sección, donde se asume a la

producción de los documentos de patentes como indicador de la

capacidad de desarrollo industrial. El objetivo es identificar

posibles competidores, alianzas estratégicas, dependencia

tecnológica, etc.

Se escogió para el primer ejemplo la representación de la

situación tecnológica de la Neisseria meningitidis.3

Las diferentes instituciones en la primera hoja de sus patentes

hacen referencias a otras patentes, a partir de estos datos se

puede inferir el impacto que produce una tecnología o institución

58

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

en otra. Con el objetivo de determinar la dependencia tecnológica

entre instituciones, se realizó un análisis de citas, estas formaron

los cluster que aparecen en la siguiente figura

El mapa tecnológico presentado en la figura anterior representa a

tres cluster: cluster 1 formado solamente por la Merck & Co., un

cluster 2 formado únicamente por el National Res. Council of

Canada y el cluster 3 que incluye al resto de las instituciones.

Este último grupo está formado por una gran cantidad de

instituciones que tienen igual estrategia de citación, sobre todo las

representadas con colores más claros y sin límites de separación.

Se presupone que estas firmas se basan para su desarrollo en su

propia base tecnológica, pues citan poco a otras instituciones. El

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

cluster 2 evidencia un alto nivel de autocitación, cuando esto

sucede, algunos investigadores en el tema señalan que

probablemente esta institución tenga un nicho de protección

cerrada sobre un espacio tecnológico. Puede estar ocurriendo

que exista una patente importante, la cual se ha rodeado de

invenciones mejoradas. El cluster formado por la Merck & Co.

indica un mayor nivel de citación, esto presupone una estrategia

balanceada: absorbe tecnología externa y produce tecnología

propia. La cercanía de los cluster también es una evidencia sobre

las instituciones que tienen estrategias parecidas a la de otras. La

Rockefeller University hace frontera con el cluster que incluye a

North American Vaccine, y el National Res. Council de Canada;

estas instituciones forman un colegio tecnológico invisible que

basa sus desarrollos en la misma innovación tecnológica.

Otro ejemplo

Otra aplicación se presenta en un campo diferente del

conocimiento: la agricultura. En este ejemplo no solo se tomó

como elemento de entrada la producción documental de

determinados países, también se consideraron otros tipos de

variables como "gastos en I+D" en cada uno de los países

analizados, "personal dedicado a actividades de I+D", etc.

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

en la figura anterior se presenta un mapa auto-organizado sobre

la actividad en ciencia agrícola en América Latina y el Caribe (se

seleccionaron algunos países según los datos disponibles). Con

ello se pretende lograr una representación de la región, teniendo

en cuenta los indicadores de insumo y de resultados más

significativos. En la figura aparecen, en dos dimensiones, 22

países. La semejanza de los países, considerando de forma

simultánea los 20 indicadores, se expresa mediante la cercanía

de estos en el mapa. Los 22 países se agrupan (autorganizan) en

3 clusters o grupos: El cluster C1, que aparece en la esquina

inferior izquierda, es seguido por una banda de 4 países

correspondientes al cluster C2 (Cuba, Colombia, Chile y

Venezuela) y otro cluster (C3) con el resto de los países.

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

En el ámbito regional e internacional hay un grupo de países

formado por Brasil, México y Argentina que tienen una

investigación en la temática con mayor solidez y con parecidos

niveles de desarrollo. Esto coincide con los países que presentan

mayor nivel regional en el desarrollo agrícola.

7. CONSIDERACIONES FINALES

Ante los ejemplos expuestos, se hace evidente que las redes

neuronales artificiales, específicamente las basadas en el modelo

Kohonen, pueden ser aplicadas como una herramienta de análisis

con múltiples propósitos. Existen experiencias prácticas sobre

estudios de mercado, análisis financieros, líneas de procesos

industriales, control de la calidad y sistemas de vigilancia

tecnológica. Existen análisis macro-económicos, por ejemplo,

para representar datos coleccionados durante un período de 20

años sobre un país determinado, el Viscovery SOMine genera

un mapa en el cual se representan el conjunto de los datos. Los

cluster representan, entre otros resultados, las diferentes fases

económicas durante ese período de tiempo. El vínculo de la

Bibliometría con las redes neuronales se muestra muy fructífero.

Esta herramienta de análisis debe ser estudiada no solo por la

Bibliometría, sino también por otras disciplinas, las cuales pueden

potenciar con ella su propio desarrollo.

El programa Viscovery SOMine se adjuntara en un CD junto con

toda la información sobre la investigación.

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AUTOMATAS PROGRAMABLES

8. BIBLIOGRAFIA

1. Battelle Memorial Institute. Keeping abreast of science and

technology: technical for business. Ashton, B., Klavans, R.A.

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3. Deboeck, Guido J. Pattern recognition and prediction with self

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http://www.gordiand-knot.com >>. Gordian Institute Electronic

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5. Freeman, J.A.; Skapura, DM. Redes Neuronales. Algoritmos,

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1993; 306 p.

6. Hilera González, J.; Martínez Hernández, V. Redes neuronales

artificiales: fundamentos, modelos y aplicaciones. Madrid, RA-MA,

1995. 389

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