ES2341595T3 - Procedimiento de comprobacion de un modulo de salidas digitales de un automata programable y modulo que utiliza este procedimiento. - Google Patents

Procedimiento de comprobacion de un modulo de salidas digitales de un automata programable y modulo que utiliza este procedimiento. Download PDF

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Abstract

Procedimiento de comprobación del funcionamiento de una vía de un módulo de salidas digitales de un autómata programable, comprendiendo el módulo dos conmutadores (31, 32) conectados en serie entre un borne de alimentación (11) y un borne de salida (12) y controlados por dos señales digitales de control (S1, S2) con el fin de dirigir una carga externa (20) conectada con el borne de salida (12), caracterizado porque el indicado procedimiento comprende las etapas que consisten en: - polarizar un punto medio (34) de los dos conmutadores (31, 32) con la ayuda de un puente de resistencias (R1, R2), - comparar la tensión (Vm) del punto medio (34) con relación a dos tensiones de referencia (Vref1, Vref2) en función del valor de las señales de control (S1, S2).

Description

Procedimiento de comprobación de un módulo de salidas digitales de un autómata programable y módulo que utiliza este procedimiento.
La presente invención se refiere a un procedimiento de comprobación de una vía de salida de un módulo de salidas digitales de un autómata programable. La invención se refiere igualmente a un módulo de salidas digitales de un autómata programable apto para realizar un procedimiento de este tipo para una o varias de estas vías de salida. La invención encuentra una aplicación particularmente ventajosa en el ámbito de los autómatas programables llamados de seguridad.
Un autómata programable o PLC ("Programmable Logical Controller") es un equipo de automatismo capaz de dirigir, controlar y/o vigilar uno o varios procesos a automatizar. De construcción generalmente modular, un autómata programable PLC está compuesto por diferentes módulos colocados en uno o varios bastidores y que se comunican entre sí por un bus de transmisión, que puede ser particularmente el bus, denominado "fond de panier" (o "backplane") (tarjeta compuesta por un bus), de un bastidor de fijación de los módulos. El número de módulos depende bien entendido del tamaño y del tipo de proceso a automatizar. Típicamente, un autómata programable comprende:
-
un módulo de alimentación que proporciona las diferentes tensiones a los otros módulos a través del bus fond de panier.
-
un módulo de unidad central que comprende un logicial montado ("firmware") (microprogramación en memoria muerta) que integra un sistema de explotación (OS) en tiempo real, y un programa de aplicación, o programa usuario, que contiene las instrucciones a realizar por el logicial montado para realizar las operaciones de automatismo deseadas. El módulo de unidad central comprende también generalmente una conexión en el frente delantero en dirección a las herramientas de programación de tipo ordenador personal PC.
-
uno o varios módulos de comunicación en dirección a las redes de comunicación (Ethernet,...) o unidades de interconexión hombre-máquina (pantalla, teclado,...).
-
módulos de entradas/salidas E/S de diversos tipos en función del o de los procesos a controlar, tales como E/S digitales, analógicos, de recuento, etc. Estos módulos E/S comprenden generalmente varias vías E/S que se conectan a sensores y a accionadores que participan en la gestión automatizada del proceso. A título de ejemplo, un módulo de entradas/salidas digitales puede frecuentemente comprender 32 o 64 vías de entradas y/o de salidas distintas.
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La invención se refiere más particularmente a un módulo de salidas digitales (llamado también salidas digitales o salidas todo o nada), es decir un módulo que recibe del módulo de unidad central del autómata instrucciones en forma de señales digitales de control para cada vía de salida, estando estas señales de control destinadas para controlar cargas externas, tales como accionadores o motores por ejemplo, conectados a los bornes del módulo de salida.
En el contexto de un automatismo de seguridad donde el autómata programable debe presentar un nivel de seguridad reforzado, el buen funcionamiento del control de las vías de salida de un módulo de salidas digitales debe ser vigilado con el fin de asegurar que el módulo realice correctamente la alimentación de las cargas a controlar. En particular, una señal de control que ordena el corte de la alimentación de una carga debe imperativamente producir un corte de la alimentación de la carga en cuestión.
Es por lo que es habitual equipar cada vía con un módulo de salidas digitales con un dispositivo de control de seguridad que comprende dos conmutadores que están colocados en serie entre un borne de alimentación y un borne de salida del módulo, estando la carga a controlar por si misma conectada entre el borne de salida y un borne de masa del módulo.
Cada uno de estos dos conmutadores redundantes recibe una señal de seguridad de control de apertura o de cierre, de forma que la alimentación de la carga solo sea efectiva si los dos conmutadores se cierran simultáneamente, mientras que basta con que uno solo de los dos conmutadores se abra en respuesta a una señal de control de apertura para que la alimentación de la carga sea cortada. Se comprende que una disposición de este tipo permite prevenir contra un cierre intempestivo de uno de los conmutadores, en particular contra una situación donde uno de los conmutadores permanecería cerrado cuando una señal de control de apertura le hubiera sido aplicada. Esta situación puede producirse por ejemplo cuando un relé electromagnético permanece "pegado" en posición cerrada.
El documento WO0031598 describe un procedimiento de comprobación del funcionamiento de una vía de salida digital de un autómata programable, comprendiendo esta vía de salida dos conmutadores conectados en serie y controlados por dos señales digitales de control, con el fin de dirigir una carga externa. Sin embargo, este documento no permite comprobar por ejemplo la correcta apertura de los dos conmutadores cuando las señales de control corresponden a órdenes de apertura, sin tener que controlar el cierre de uno de los conmutadores.
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Los organismos de control y de certificación producidos para la seguridad requieren igualmente que sea realizado un diagnóstico sobre la capacidad de apertura en cada uno de los dos conmutadores de control para cada vía de salida de un módulo de salida digitales.
Para responder a esta necesidad, la invención describe un procedimiento de comprobación del funcionamiento de una vía de un módulo de salidas digitales de un autómata programable, comprendiendo el módulo dos conmutadores conectados en serie entre un borne de alimentación y un borne de salida y controlados por dos señales digitales de control con el fin de dirigir una carga externa conectada con el borne de salida. El procedimiento consiste en polarizar un punto medio de los dos conmutadores con la ayuda de un puente de resistencias, y en comparar la tensión del punto medio con relación a dos tensiones de referencia en función del valor de las señales de control.
Según una característica, el módulo comprende dos comparadores dotados cada uno de una entrada negativa y de una entrada positiva, aplicándose una primera tensión de referencia a la entrada positiva del primer comparador y aplicándose una segunda tensión de referencia, inferior a la primera tensión de referencia, a la entrada negativa del segundo comparador, estando la entrada negativa del primer comparador y la entrada positiva del segundo comparador conectadas al punto medio.
La invención presenta particularmente la ventaja de poder ser realizada de forma muy sencilla ya que la polarización del punto medio de los conmutadores puede ser fácilmente realizada con la ayuda de resistencias en lugar de elementos activos y mediante la utilización de funciones intrínsecas ya existentes, como la tensión de alimentación de la carga externa a controlar que se utiliza igualmente para polarizar el punto medio.
Otras características y ventajas aparecerán en la descripción detallada que sigue haciendo referencia a un modo de realización dado a título de ejemplo y representado por los dibujos adjuntos en los cuales:
- la figura 1 representa un esquema funcional simplificado de una vía de salidas de un módulo de salidas digitales conforme a la invención,
- la figura 2 detalla un esquema de un conmutador en tecnología MOSFET utilizado en la invención.
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En la figura 1 se ha representado un módulo de seguridad 10 de salidas digitales de un autómata programable del cual una de las vías de salida está destinada para controlar una carga externa 20 conectada entre un borne de salida 12 y un borne de masa 13 del módulo 10, conectado al 0V. El módulo 10 comprende un borne de alimentación 11 que recibe una tensión de alimentación nominal V_{a} a partir por ejemplo de una fuente de alimentación exterior 21, siendo la tensión nominal V_{a} por ejemplo igual a 24Vcc. Por cada vía de salida, el módulo 10 comprende igualmente un dispositivo de control 30 de la carga 20.
Conforme a las exigencias de seguridad de un modulo de este tipo, este dispositivo de control 30 está compuesto por dos conmutadores 31, 32 redundantes que están conectados en serie entre el borne de alimentación 11 y el borne de salida 12. La carga 20 solo puede por consiguiente ser controlada si los dos conmutadores 31, 32 se encuentran en posición cerrada. Ello permite así evitar que un cierre intempestivo de uno de los conmutadores 31, 32 produzca la puesta en funcionamiento no deseada de la carga 20. El punto medio entre los dos conmutadores 31, 32 lleva la referencia 34 en la figura 1. El primer conmutador 31 está situado entre el borne 11 de alimentación y el punto medio 34, mientras que el segundo conmutador 32 está situado entre el punto medio 34 y el borne 12 de salida.
Estos conmutadores 31, 32 pueden ser relés electromecánicos o de preferencia interruptores electrónicos realizados por ejemplo en tecnología MOSFET. Cada conmutador 31, respectivamente 32, recibe una señal digital de control S_{1}, respectivamente S_{2}, que permite abrir o cerrar el conmutador. Estas señales de control S_{1}, S_{2} provienen de una unidad de control, no representada, del módulo 10, como consecuencia por ejemplo de órdenes enviadas por el módulo de la unidad central del autómata programable por medio de un bus de comunicación, tal como el bus backplane. En funcionamiento normal, las señales de control S_{1}, S_{2} tienen valores idénticos pero que pueden ser calculados por medios distintos para asegurar la función de seguridad del control de la carga 20.
Si uno de los conmutadores 31, 32 es defectuoso, en particular si el conmutador 31 por ejemplo permanece permanentemente cerrado, entonces la carga 20 es controlada únicamente a partir de la señal de control S_{2} aplicada al conmutador 32, y no existe control intempestivo de la carga 20. Se podría por consiguiente pensar que el módulo 10 funciona correctamente respecto al proceso a automatizar. No obstante, en este caso, el módulo 10, no cumplirá ya su función de seguridad en caso de aparición ulterior de un segundo fallo (por ejemplo pegado del conmutador 32). Es por lo que, incluso si el módulo 10 pilota correctamente la carga 20, es no obstante necesario comprobar regularmente el buen funcionamiento del dispositivo de control 30 compuesto por dos conmutadores 31, 32, para detectar un eventual primer defecto y asegurar así que el módulo 10 sea en todo momento capaz de cumplir su función de seguridad. Estos ensayos de buen funcionamiento son de preferencia realizados periódicamente, por ejemplo cada 10 segundos.
A este respecto, la invención prevé que el módulo 10 comprenda medios de polarización que incluyen, para cada vía de salida a comprobar, un puente de resistencias que está constituido por dos resistencias R_{1}, R_{2}. Una primera resistencia R_{1} está conectada entre el borne de alimentación 11 y el punto medio 34 de los dos conmutadores 31, 32. Una segunda resistencia R_{2} está conectada entre el punto medio 34 y un borne 15 del módulo 10, llamado borne negativo. Este borne negativo 15 se encuentra con una tensión determinada V_{b} que es inferior a la tensión V_{a} del borne de alimentación 11. De esta manera, existe siempre una diferencia de potencial positivo conocida (V_{a} - V_{b}) entre el borne de alimentación 11 y el borne negativo 15, por ejemplo (V_{a} - V_{b}) igual aproximadamente a 5V. Alternativamente, se podría también conectar directamente el borne negativo 15 con el borne de masa 13 del módulo 10. Los valores de R_{1} y R_{2} son por ejemplo del orden de un centenar de k\Omega cada uno.
El procedimiento de comprobación del dispositivo de control 30 consiste en comparar la tensión V_{m} del punto medio 34 con relación a dos tensiones de referencia V_{ref1} y V_{ref2} en función de ciertas comprobaciones a realizar, es decir en función del valor de las señales de control S_{1}, S_{2}.
Para ello, el módulo 10 comprende medios de comparación que comprenden, para cada vía de salida a comprobar, dos comparadores 41, 42. De forma clásica, un comparador está dotado de una entrada negativa y de una entrada positiva y realiza una comparación entre estas dos entradas para proporcionar un resultado en forma de una señal de salida digital. Como se ha indicado en la figura 1, la entrada negativa del primer comparador 41 y la entrada positiva del segundo comparador 42 se conectan juntas en el punto medio 34 y reciben por consiguiente la tensión V_{m} del punto medio 34. Las salidas de los dos comparadores 41, 42, indicadas por A_{1}, A_{2}, son enviadas a la unidad de control del módulo 10.
La entrada positiva del primer comparador 41 está conectada con una primera tensión de referencia V_{ref1}. La entrada negativa del segundo comparador 42 está conectada con una segunda tensión de referencia V_{ref2}, que es inferior a la primera tensión de referencia V_{ref1}. Las dos tensiones de referencia V_{ref1}, V_{ref2} definen así una zona de tensión y el procedimiento de comprobación consiste en posicionar la tensión V_{m} con relación a esta zona de tensión. La anchura (V_{ref1} - V_{ref2}) de la zona de tensión es elegida para tener un margen de error aceptable que permita salvar incertidumbres en los componentes y errores en las mediciones.
Por otro lado, el módulo comprende una resistencia R_{3} que está conectada entre el borne de salida 12 y el borne de masa 13. El valor de esta resistencia R_{3} (por ejemplo R_{3} del orden de 40 k\Omega) se selecciona para no perturbar el funcionamiento de la carga 20 cuando esta es controlada, La resistencia R_{3} permite realizar algunos ensayos del dispositivo de control 30 incluso cuando una carga externa 20 no está conectada, de forma que el borne de salida 12 esté no obstante polarizado.
Una primera prueba consiste en comprobar la correcta apertura de los dos conmutadores 31, 32, cuando las señales de control S_{1} y S_{2} corresponden a órdenes de apertura. Si los dos conmutadores 31, 32 están efectivamente correctamente abiertos (es decir en estado no conductor), entonces la tensión V_{m} del punto medio 34 es facilitada por:
1
Los valores de las tensiones de referencia V_{ref1} y V_{ref2} así como los valores de R_{1} y R_{2} son seleccionados para que, cuando los dos conmutadores 31, 32 están efectivamente correctamente abiertos, V_{m} se sitúa en el interior de la zona de tensión de referencia V_{ref1}, V_{ref2}, es decir V_{ref1} > V_{m} > V_{ref2}. En este caso, la salida A_{1} del comparador 41 es igual a 1 (pues su entrada positiva V_{ref1} es superior a su entrada negativa V_{m}) y la salida A_{2} del comparador 42 es también igual a 1 (pues su entrada positiva V_{m} es superior a su entrada negativa V_{ref2}).
Si el primer conmutador 31 permanece pegado no obstante de las señales de control S_{1}, S_{2} que proporcionan una orden de apertura, entonces el punto medio 34 se encuentra de nuevo directamente conectado con el borne de alimentación 11. En este caso, la tensión V_{m} equivale sustancialmente a V_{a}, o sea 24V. Por consiguiente la tensión V_{m} es superior a V_{ref1}, es decir por fuera de la zona de tensión V_{ref1}, V_{ref2}. Entonces, las salidas de los comparadores 41, 42 son iguales a A_{1}=0 y A_{2}=1. Un fallo de este tipo es por consiguiente fácilmente detectable por la unidad de control del módulo 10 comparando las señales S_{1}, S_{2} con las señales A_{1}, A_{2}.
A la inversa, si el segundo conmutador 32 permanece pegado no obstante de las señales de control S_{1}, S_{2} que proporcionan una orden de apertura, entonces el punto medio 34 se conecta al borne de salida 12. En este caso, la resistencia R_{3} se encuentra de nuevo conectada en paralelo a la resistencia R_{2}. El valor de R_{3} debe ser elegido para que la tensión V_{m} se sitúe entonces por fuera de la zona de tensión V_{ref1}, V_{ref2}, es decir V_{m} < V_{ref2}. Las salidas de los comparadores 41, 42 son iguales a A_{1}=1 y A_{2}=0. Este fallo es por consiguiente igualmente detectable por la unidad de control del módulo 10 comparando las señales S_{1}, S_{2} con las señales A_{1}, A_{2}. Si además una carga 20 estuviese igualmente conectada entre el borne de salida 12 y el borne de masa 13, ello tendría por consecuencia disminuir también el valor de V_{m} que permanecería por consiguiente bastante inferior a V_{ref2}.
Esta primera comprobación puede ser realizada en cualquier momento cuando la vía de salida de la carga 20 no está controlada.
Una segunda comprobación consiste en comprobar el cierre correcto del primer conmutador 31 en vacío, es decir cuando el segundo conmutador 32 está abierto de forma que no provoque una alimentación no deseada de la carga 20. Para ello, se envía una señal de control S_{1} de cierre y una señal S_{2} de apertura y se comprueba que el conmutador 31 esté bien cerrado (es decir en estado conductor). Si el conmutador 31 se cierra correctamente, la tensión V_{m} equivale sustancialmente a V_{a}. Por consiguiente, en este caso, la unidad de control del módulo 10 debe comprobar que A_{1} = 0 y A_{2} = 1. De lo contrario, si los dos conmutadores 31, 32 permanecen abiertos, entonces, se observa que A_{1} = A_{2} = 1 y el fallo es detectado.
Una tercera comprobación es la prueba inversa, a saber la comprobación que el segundo conmutador 32 se cierra correctamente en respuesta a una señal de control S2 de cierre, permaneciendo el primer conmutador 31 abierto. Como se ha indicado anteriormente, si el conmutador 32 se cierra correctamente, la tensión V_{m} se hará inferior a V_{ref2} debido a la resistencia R_{3}. Por consiguiente, en este caso, la unidad de control del módulo 10 debe comprobar que A_{1} = 1 y A_{2} = 0. De lo contrario, si los dos conmutadores 31, 32 permanecen abiertos, entonces A_{1} = A_{2} = 1 y el fallo es detectado.
Durante esta tercera comprobación, puede sin embargo producirse una situación de control redundante, no representada en la figura 1, en la cual la carga 20 a controlar puede igualmente ser alimentada en paralelo por un borne de salida de otro módulo de salidas digitales, esto para aumentar no solamente la seguridad sino también la disponibilidad del automatismo. Si la carga 20 es controlada en paralelo por otra vía de salida, eso significa que el borne de salida 12 se encuentra en la tensión de alimentación V_{a} por medio de esta otra vía de salida. En este caso, la tensión V_{m} del punto medio 34 toma entonces también el valor V_{a}. Las señales de salida de los comparadores 41, 42 valen entonces respectivamente S_{1}=0 y S_{2}=1. Así, no obstante de esta situación de control redundante de la carga 20, la tercera comprobación será OK si A_{1} = 1 y A_{2} = 0 o si A_{1} = 0 y A_{2} = 1, y la presencia de un fallo (sin cerrar el conmutador 32) se detectará si A_{1} = A_{2} = 1.
Las segunda y tercera comprobaciones pueden ser realizadas periódicamente cuando el borne 12 de salida no es alimentado, pues los conmutadores 31, 32 no son controlados con el cierre al mismo tiempo durante estas comprobaciones.
Estas diferentes comprobaciones pueden evidentemente ser realizadas periódicamente y para una pluralidad de vías de salida, es decir para el conjunto de vías de salida del módulo de salidas digitales que se desean comprobar. El módulo 10 comprende entonces los medios de polarización y los medios de comparación anteriormente descritos para las diferentes vías que comprenden dos conmutadores 31, 32 en serie.
Si los conmutadores 31, 32 son transistores MOSFET, se sabe que los componentes realizados con esta tecnología presentan intrínsecamente el equivalente de un diodo de retorno inverso. Esta particularidad de los transistores MOSFET puede producir una dificultad en la situación de control redundante descrita anteriormente. En efecto, se ha visto que el borne 12 de salida puede encontrarse eventualmente al potencial positivo V_{a}, lo cual podría hacer al segundo conmutador 32 conductor en sentido inverso, de ahí el riesgo de dañar todo el dispositivo y controlar intempestivamente el borne 12 de salida.
Para evitar este inconveniente, se ha propuesto el montaje de la figura 2 en el cual el segundo conmutador 32 está constituido por dos transistores MOSFET conectados de forma contrapeada y controlados por la misma señal de control S_{2}, estando los drenajes de los dos transistores conectados entre sí. Los dos diodos intrínsecos se montan entonces en oposición, excluyendo así todo riesgo intempestivo de conducción inversa.

Claims (11)

1. Procedimiento de comprobación del funcionamiento de una vía de un módulo de salidas digitales de un autómata programable, comprendiendo el módulo dos conmutadores (31, 32) conectados en serie entre un borne de alimentación (11) y un borne de salida (12) y controlados por dos señales digitales de control (S_{1}, S_{2}) con el fin de dirigir una carga externa (20) conectada con el borne de salida (12), caracterizado porque el indicado procedimiento comprende las etapas que consisten en:
\bullet
polarizar un punto medio (34) de los dos conmutadores (31, 32) con la ayuda de un puente de resistencias (R_{1}, R_{2}),
\bullet
comparar la tensión (V_{m}) del punto medio (34) con relación a dos tensiones de referencia (V_{ref1}, V_{ref2}) en función del valor de las señales de control (S_{1}, S_{2}).
\vskip1.000000\baselineskip
2. Procedimiento de comprobación según la reivindicación 1, caracterizado porque la etapa de comparación se realiza con la ayuda de dos comparadores (41, 42) dotados cada uno de una entrada negativa y de una entrada positiva, aplicándose una primera tensión de referencia (V_{ref1}) a la entrada positiva del primer comparador (41) y aplicándose una segunda tensión de referencia (V_{ref2}), inferior a la primera tensión de referencia (V_{ref1}) a la entrada negativa del segundo comparador (42), estando la entrada negativa del primer comparador (4) y la entrada positiva del segundo comparador (42) conectadas con el punto medio (34).
3. Procedimiento de comprobación según la reivindicación 1, caracterizado porque la etapa de comparación se realiza de forma periódica y para una pluralidad de vías del módulo de salidas digitales.
4. Módulo de salidas digitales de un autómata programable, que comprende dos conmutadores de control (31, 32) conectados en serie entre un borne de alimentación (11) y un borne de salida (12) y controlados por dos señales digitales de control (S_{1}, S_{2}) con el fin de dirigir una carga (20) conectada con el borne de salida (12), caracterizado porque el módulo comprende además:
\bullet
medios de polarización de un punto medio (34) de los dos conmutadores (31, 32), comprendiendo los medios de polarización un puente de resistencias (R_{1}, R_{2}),
\bullet
medios de comparación (41, 42) de la tensión (V_{m}) del punto medio (34) con relación a dos tensiones de referencia (V_{ref1}, V_{ref2}) en función del valor de las señales de control (S_{1}, S_{2}).
\vskip1.000000\baselineskip
5. Módulo según la reivindicación 4, caracterizado porque los medios de comparación comprenden dos comparadores (41, 42) dotados cada uno de una entrada negativa y una entrada positiva, aplicándose una primera tensión de referencia (V_{ref1}) a la entrada positiva del primer comparador (41) y aplicándose una segunda tensión de referencia (V_{ref2}), inferior a la primera tensión de referencia (V_{ref1}), a la entrada negativa del segundo comparador (42), estando la entrada negativa del primer comparador (41) y la entrada positiva del segundo comparador (42) conectadas con el punto medio (34).
6. Módulo según la reivindicación 4, caracterizado porque el puente de resistencias (R_{1}, R_{2}) comprende una primera resistencia (R_{1}) conectada entre el borne de alimentación (11) y el punto medio (34).
7. Módulo según la reivindicación 6, caracterizado porque el puente de resistencias (R_{1}, R_{2}) comprende igualmente una segunda resistencia (R_{2}) conectada entre el punto medio (34) y un borne negativo (15), existiendo una diferencia de potencial positivo determinada entre el borne de alimentación (11) y el borne negativo (15).
8. Módulo según la reivindicación 6, caracterizado porque el puente de resistencias (R_{1}, R_{3}) comprende igualmente una segunda resistencia (R_{2}) conectada entre el punto medio (34) y un borne de masa (13) del módulo (10).
9. Módulo según la reivindicación 4, caracterizado porque el módulo comprende una resistencia (R_{3}) situada entre el borne de salida (12) y un borne de masa (13) del módulo (10).
10. Módulo según la reivindicación 4, caracterizado porque los dos conmutadores (31, 32) son conmutadores electrónicos realizados en tecnología MOSFET.
11. Módulo según la reivindicación 9, caracterizado porque el conmutador (32) que está conectado al borne de salida (12) está constituido por dos transistores MOSFET montados de forma contrapeada y controlados por la misma señal de control (S_{2}).
ES08169754T 2007-11-26 2008-11-24 Procedimiento de comprobacion de un modulo de salidas digitales de un automata programable y modulo que utiliza este procedimiento. Active ES2341595T3 (es)

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