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INGENIERÍA MECATRÓNICA EN COMPETENCIAS PROFESIONALES - PDF
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Blanca Belmonte Flores
1 INGENIERÍA MECATRÓNICA EN COMPETENCIAS PROFESIONALES ASIGNATURA DE SISTEMAS DIGITALES PROPÓSITO DE APRENDIZAJE DE LA ASIGNATURA CUATRIMESTRE El alumno diseñará sistemas lógicos digitales a través de principios de lógica booleana, técnicas de simplificación de circuitos, metodologías de diseño combinacional y secuencial, para el control de procesos industriales. Cuarto TOTAL DE HORAS 90 HORAS POR SEMANA 6 UNIDADES DE APRENDIZAJE HORAS TOTALES I. Fundamentos de Lógica Booleana II. Lógica Combinacional III. Lógica Secuencial IV. Aplicaciones industriales de Circuitos Digitales TOTALES
2 COMPETENCIA A LA QUE CONTRIBUYE LA ASIGNATURA De acuerdo con la metodología de diseño curricular de la CGUTyP, las competencias se desagregan en dos niveles de desempeño: Unidades de Competencias y Capacidades. La presente asignatura contribuye al logro de la competencia y los niveles de desagregación descritos a continuación: COMPETENCIA: Desarrollar soluciones de automatización de procesos productivos y servicios mediante la incorporación sinérgica de elementos mecánicos, eléctricos, electrónicos, control y sistemas robóticos para mejorar la productividad y calidad del proceso y producto. UNIDADES DE COMPETENCIA CAPACIDADES CRITERIOS DE DESEMPEÑO Planear automatización de procesos mediante el diagnóstico de las necesidades de automatización para estructurar la propuesta de ejecución del proyecto Diagnosticar las actividades, operaciones y procesos susceptibles a automatizar mediante el análisis del proceso, y requerimientos del cliente utilizando técnicas de medición de las variables de entrada y salida, herramientas de análisis y gestión de procesos para establecer las especificaciones de los sistemas a integrar o automatizar. Elabora reporte de funcionamiento del equipo y proceso susceptibles a automatizar incluyendo: -Tecnologías obsoletas, actividades manuales repetitivas, de alto riesgo del operario, detectadas. -Requerimientos del proceso: variables físicas que intervienen en el proceso, tiempo de proceso, capacidad de producción, normas de seguridad, normas de calidad y flexibilidad de la producción. -Diagrama a bloques del proceso. -Especificaciones técnicas de la maquinaria existente: tensión eléctrica de alimentación, potencia mecánica y eléctrica, condiciones ambientales. -Protocolos de comunicación. -Descripción de los subsistemas mecánico, electrónico, eléctrico, cómputo y elementos de control. -Diagramas de la interrelación y sinergia de los elementos y subsistemas mecánicos, eléctricos, electrónicos y de control de la maquinaria. -Dictamen del estado de la maquinaria existente considerando: información técnica, bitácora de mantenimiento, año de fabricación, origen de la tecnología, costos y accesibilidad en el mercado nacional e internacional de refacciones para mantenimiento. -Dictamen del proceso: actividades, operaciones y procesos potenciales a ser automatizados. -Políticas de calidad y normas aplicables.
3 UNIDADES DE COMPETENCIA CAPACIDADES CRITERIOS DE DESEMPEÑO Formular proyectos innovadores de integración y automatización de procesos y sistemas considerando los resultados del diagnóstico, requerimientos de automatización, estudio de vigilancia tecnológica, selección de maquinaria y equipos compatibles, normatividad aplicable a través de las técnicas de automatización y administración de proyectos para atender áreas de oportunidad de desarrollo tecnológico y proponer soluciones a problemáticas específicas. Elabora un proyecto de automatización de procesos y sistemas que incluya: - Título. - Resumen ejecutivo. - Planteamiento del problema. - Objetivo. - Justificación. - Resultados del diagnóstico. - Vigilancia tecnológica. - Impactos: - Tecnológico. - Financiero. - Ambiental. - Social. - Problema a solucionar. Estructura del proyecto - Layout y diagrama a bloques de la propuesta. - Métodos y procedimientos de solución: -- Tipo y nivel de automatización o integración de sistemas mecatrónicos y robóticos. -- Selección de elementos y componentes con especificaciones técnicas y justificación. -- Diagramas y protocolos de comunicación e interacción de sistemas, mecánicos, eléctricos, electrónicos, de control, robóticos, interfaces o de visión. --Normas y estándares de referencia. - Recursos materiales: --Requerimientos de equipo, maquinaria, materiales y consumibles. - Recursos humanos. Programa de trabajo: - Cronograma de actividades - Etapas - Metas - Entregables - Presupuesto estimado - Análisis costo-beneficio FECHA DE ENTRADA - Términos EN de uso y políticas de confidencialidad - Anexos
4 UNIDADES DE COMPETENCIA CAPACIDADES CRITERIOS DE DESEMPEÑO Automatizar procesos de producción o servicios con base en un proyecto de automatización mediante la programación, implementación e integración de sistemas mecatrónicos, robóticos y elementos de automatización e interfaces para su optimización y contribuir a la seguridad, calidad y productividad de la organización. Programar sistemas de control, monitoreo, interfaces humanomáquina y trayectorias de robots mediante el diseño de algoritmos y el uso de lenguajes y herramientas de programación, considerando las variables y secuencia lógica del proceso y funciones de los elementos para controlar y monitorear el proceso. Presenta la ejecución del programa de control y monitoreo de un proyecto de automatización de procesos y sistemas incluyendo las siguientes actividades: - Algoritmo de solución, de acuerdo a requerimientos del proceso, junto con la representación gráfica de dicho algoritmo - Código de programación normalizado de control, monitoreo e interfaz humano-máquina. - Resultados de la simulación o emulación del programa. - Resultados de pruebas de funcionamiento reales en condiciones normales de operación en sitio. - Manual de interfaz de usuario. Integrar sistemas mecatrónicos y robóticos a procesos de producción mediante procedimientos de conexión eléctrica y electrónica, de acoplamiento y ensamble mecánico, programación y configuración de los elementos de control y comunicación industrial; empleando las herramientas especializadas, bajo un marco de seguridad y normativo para la interacción sinérgica de los elementos que componen el sistema y el proceso. Incorpora un sistema mecatrónico o robótico a un proceso realizando lo siguiente: -Ensamble y conexiones de acuerdo a planos, manuales técnicos, estándares y normas establecidas. -Programación de los sistemas de control e interfaces de acuerdo a los requerimientos del proceso. -Calibración de los sistemas de medición y control de acuerdo a los parámetros del proceso. -Pruebas de operación y ajustes. y documenta el procedimiento realizado en una memoria técnica que incluya: -Planos y diagramas del equipo a integrar. -Layout de la planta. -Requerimiento de instalaciones y servicios. -Diagramas de ensamble. -Algoritmos y códigos de programación. -Procedimientos de calibración. -Resultados de pruebas de funcionamiento y ajustes. -Manual de usuario. -Manual de mantenimiento del equipo.
5 UNIDADES DE COMPETENCIA CAPACIDADES CRITERIOS DE DESEMPEÑO Evaluar el funcionamiento de sistemas automatizados mediante el diseño y ejecución de procedimientos de prueba, así como la calibración, sincronización y puesta en marcha, considerando los protocolos de arranque y operación, para validar la funcionalidad del sistema en el proceso y garantizar el cumplimiento de requerimientos. Elabora reporte de evaluación de la automatización o integración de sistemas mecatrónicos o robóticos a un proceso, que incluya: -Identificación de los requerimientos del sistema. -Variables críticas de control, monitoreo e interfaz humano-máquina. -Protocolo de pruebas de operación y desempeño. -Resultado de prueba del sistema. -Cumplimiento de normas y estándares aplicables de instalaciones, maquinaria y equipo. -Existencia de documentación de uso, instrucciones de mantenimiento y garantías. -Dictamen de evaluación.
6 UNIDADES DE APRENDIZAJE UNIDAD DE APRENDIZAJE I. Fundamentos de Lógica booleana El alumno simplificará expresiones lógicas, para su implementación en circuitos combinacionales y PROPÓSITO ESPERADO secuenciales de uso industrial. HORAS TOTALES TEMAS Sistemas y códigos numéricos en los sistemas digitales DIMENSIÓN CONCEPTUAL Reconocer las características de las señales y sistemas analógicos y digitales. Identificar los sistemas y códigos numéricos utilizados en los sistemas digitales. DIMENSIÓN ACTUACIONAL Realizar conversiones de sistemas numéricos binarios, octal y hexadecimal. Realizar operaciones aritméticas entre sistemas numéricos. SER DIMENSIÓN SOCIOAFECTIVA Razonamiento lógico y matemático. Resolución de problemas. Identificar los códigos GRAY, BCD Y ASCII. Explicar los procedimientos de conversión de sistemas numéricos decimal, binario, octal y hexadecimal. Explicar el procedimiento de operaciones aritméticas: suma y resta. Funciones y familias lógicas Definir las características de los circuitos lógicos digitales. Describir las características de las compuertas lógicas AND, OR, NOT, NAND, NOR, EXOR y EXNOR: - simbología. - función lógica matemática. - tabla de verdad. - hoja de datos. Validar la tabla de verdad de las compuertas lógicas en la simulación. Orden Trabajo en equipo Autodidacta Razonamiento lógico y matemático.
7 TEMAS DIMENSIÓN CONCEPTUAL Diferenciar las familias lógicas TTL y CMOS. DIMENSIÓN ACTUACIONAL SER DIMENSIÓN SOCIOAFECTIVA Simplificación de funciones booleanas Describir las funciones lógicas combinacionales. Distinguir la representación de circuitos combinacionales con funciones booleanas, tablas de verdad y funciones canónicas. Describir la elaboración de diagramas de circuitos lógicos combinacionales a partir de funciones booleanas, tablas de verdad y funciones canónicas. Simplificar funciones booleanas de circuitos lógicos. Simular funciones booleanas en su forma extensa y simplificada. Validar las tablas de verdad de circuitos lógicos simplificados. Respeto Sistemático Responsable Trabajo en Equipo Explicar las técnicas de simplificación de funciones booleanas y tablas de verdad: - algebra booleana - teoremas de DeMorgan - mapas de Karnaugh Explicar el procedimiento de simulación de funciones booleanas y circuitos lógicos.
8 PROCESO DE EVALUACIÓN EVIDENCIA DE DESEMPEÑO INSTRUMENTOS DE EVALUACIÓN TÉCNICAS SUGERIDAS DE ENSEÑANZA Y APRENDIZAJE ESPACIO DE FORMACIÓN AULA TALLER OTRO MATERIALES Y EQUIPOS Integra un portafolio de evidencias que contenga: - Cuaderno de ejercicios de: -- Conversiones y operaciones aritméticas entre los sistemas binarios, octal, hexadecimal y decimal. -- Simplificación de expresiones booleanas, circuitos lógicos, tablas de verdad, funciones canónicas, a partir de algebra de Boole, teoremas de DeMorgan o mapas de Kaurnaugh. - Cuadro representativo de los códigos GREY, BCD y ASCII. - Cuadro comparativo de las familias lógicas TTL y CMOS. - Circuito lógico equivalente a una expresión booleana implementado en simulador y protoboard. Reporte de práctica de simplificación de circuitos que contenga: - Función lógica dada. - Tabla de verdad. - Ecuación sin reducir. - Ecuación reducida por álgebra de Boole. - Ecuación reducida por mapas de Karnaugh. - Diagrama del circuito lógico. Portafolio de evidencias Lista de cotejo Ejercicios Prácticos Práctica en laboratorio Aprendizaje auxiliado por la tecnologías de información X Equipo de Cómputo Software para simulador de circuitos electrónicos Proyector Pintarrón Módulos digitales Fuentes de alimentación CD Kit de Herramientas Equipo de laboratorio electrónica
9 UNIDAD DE APRENDIZAJE II. Lógica combinacional El alumno diseñará circuitos lógicos combinacionales, para la automatización y control de procesos PROPÓSITO ESPERADO industriales. HORAS TOTALES TEMAS Diseño de circuitos lógicos combinacionales DIMENSIÓN CONCEPTUAL Explicar la metodología de diseño de circuitos lógicos combinacionales. Explicar los principios de operación de los dispositivos lógicos programables. Explicar la estructura de la programación HDL. DIMENSIÓN ACTUACIONAL Diseñar circuitos lógicos combinacionales. Implementar circuitos lógicos combinacionales en PLD s. SER DIMENSIÓN SOCIOAFECTIVA Autodidáctica Razonamiento lógico y matemático Razonamiento deductivo Destreza manual Resolución de problemas Explicar la lógica de programación explícita HDL. Explicar el procedimiento de implementación de programas explícitos HDL al dispositivo lógico programable (PLD s). Circuitos Lógicos de máxima escala de integración (MSI) Identificar las características de la información presentada en hojas de datos de los circuitos lógicos integrados. Describir las características y funcionamiento de los circuitos MSI - decodificadores - codificadores - multiplexores - demultiplexores - comparadores - sumadores Realizar operaciones escalares, algebraicas, vectoriales y matriciales. Simular el funcionamiento de los circuitos MSI en procesos mecatrónicos o robóticos. Observador Trabajo en equipo Destreza manual Autodidacta Razonamiento lógico Razonamiento deductivo
10 TEMAS DIMENSIÓN CONCEPTUAL DIMENSIÓN ACTUACIONAL SER DIMENSIÓN SOCIOAFECTIVA Explicar el procedimiento de simulación del funcionamiento de los circuitos MSI. Describir el funcionamiento de circuitos MSI en aplicaciones de sistemas mecatrónicos y robóticos. PROCESO DE EVALUACIÓN EVIDENCIA DE DESEMPEÑO INSTRUMENTOS DE EVALUACIÓN TÉCNICAS SUGERIDAS DE ENSEÑANZA Y APRENDIZAJE ESPACIO DE FORMACIÓN AULA TALLER OTRO MATERIALES Y EQUIPOS A partir de un caso práctico sobre diseño de un sistema lógico de control, integra un portafolio de evidencias que contenga: - Ejercicios de diseño de circuitos lógicos combinacionales. - Descripción del proceso de diseño combinacional. - Reporte del circuito lógico funcionando bajo las condiciones de diseño dadas, implementado en simulador y el PLD. - Reporte técnico del diseño combinacional que contenga: -planteamiento del problema a resolver con el circuitos MSI. -diagrama lógico. -descripción del funcionamiento del circuito lógico. -resultados y conclusiones. - Reporte de simulación de un circuito lógico con MSI. - Descripción del funcionamiento de los diferentes tipos de PLD s. Portafolio de evidencias Lista de cotejo Aprendizaje auxiliado por la tecnologías de información Práctica de laboratorio Video Tutoriales X Equipo de Cómputo Software para simulador de circuitos electrónicos Proyector Pintarrón PLD s Programadores de PLD s Módulos didácticos digitales. Fuentes de alimentación CD Kit de Herramientas Equipo de laboratorio electrónica
11 UNIDAD DE APRENDIZAJE III. Lógica secuencial PROPÓSITO ESPERADO HORAS TOTALES 30 El alumno diseñará circuitos lógicos secuenciales para la automatización y control de procesos industriales TEMAS Flip-Flops (FF) DIMENSIÓN CONCEPTUAL Explicar el concepto de diseño secuencial, memoria, Flip-Flops, circuitos síncronos y asíncronos. Describir el funcionamiento del generador de señales de reloj. Explicar el principio de funcionamiento y tablas de verdad de los Flip-Flops, síncronos y asíncronos. DIMENSIÓN ACTUACIONAL Simular el funcionamiento de los Flip-Flops. Implementar Flip-Flops en PLD s. SER DIMENSIÓN SOCIOAFECTIVA Orden Trabajo en equipo Autodidacta Analítico Razonamiento lógico y matemático. Destreza manual Resolución de problemas Describir la operación de los tipos de los FLIP-FLOPS. - S-R - J-K - D - T Explicar la estructura y función de diagramas de estados de una secuencia lógica. Contadores, registros y divisores de frecuencias Explicar las características y funcionamiento de los contadores ascendentes y descendentes, registros, divisores de frecuencia, en sus configuraciones síncronos y asíncronos. Simular contadores, ascendentes y descendentes en Flip-Flops. Simular divisores de frecuencia, ascendentes y descendentes en Flip-Flops. Orden Trabajo en equipo Metódico Razonamiento lógico y matemático. Destreza manual
12 TEMAS DIMENSIÓN CONCEPTUAL Explicar conexión de Flip-Flops en las configuraciones de contadores, registros y divisores de frecuencia síncronos y asíncronos. DIMENSIÓN ACTUACIONAL Construir contador de dos dígitos a partir de los circuitos integrados diseñados para ello. SER DIMENSIÓN SOCIOAFECTIVA Resolución de problemas Describir la operación de los contadores y registros en los circuitos integrados. Explicar la configuración de conexión de los circuitos contadores. Diseño Lógico Secuencial Explicar la metodología de diseño secuencial con circuitos lógicos. Explicar el procedimiento de simulación y conexión de diseños secuenciales. Diseñar circuitos lógicos secuenciales. Implementar circuito lógico secuencial diseñado. Análisis Trabajo en equipo Metódico Destreza manual Resolución de problemas
13 PROCESO DE EVALUACIÓN EVIDENCIA DE DESEMPEÑO INSTRUMENTOS DE EVALUACIÓN TÉCNICAS SUGERIDAS DE ENSEÑANZA Y APRENDIZAJE ESPACIO DE FORMACIÓN AULA TALLER OTRO MATERIALES Y EQUIPOS Integra un portafolio que contenga: - Reporte escrito sobre el funcionamiento de: -- Flip-flops síncronos y asíncronos, tipo S-R, J.K, D y T. -- Circuitos generadores de señales de reloj. - Ejercicios de diseños analíticos de: -- Contadores síncronos, asíncronos, ascendentes y descendentes. -- Contadores, registros y sus aplicaciones. - Reporte de prácticas de diseño de circuito lógico secuencial donde se incluya: -- Planteamiento del problema secuencial a resolver. -- Diagramas de secuencias. -- Diagrama lógico del diseño secuencial. -- Simulación del circuito lógico secuencial. -- Resultados y conclusiones. -- Circuito secuencial implementado. Portafolio de evidencias Lista de cotejo Práctica de laboratorio Trabajo de Investigación Aprendizaje auxiliado por la tecnologías de información X Equipo de Cómputo Software para simulador de circuitos electrónicos Proyector Módulos digitales Osciloscopio Generador de Pulsos Digitales Kit de Herramientas Equipo de laboratorio electrónica - PLD programado y operando como circuito secuencial. - Descripción de aplicaciones de circuitos secuenciales en procesos industriales.
14 UNIDAD DE APRENDIZAJE IV. Aplicaciones industriales de circuitos digitales El alumno describirá el funcionamiento de dispositivos y elementos lógicos programables, para la integración PROPÓSITO ESPERADO en sistemas de automatización y control. HORAS TOTALES TEMAS Memorias DIMENSIÓN CONCEPTUAL Explicar la operación de los dispositivos de memoria. Clasificar los tipos de memoria y sus aplicaciones en sistemas de automatización y control. DIMENSIÓN ACTUACIONAL SER DIMENSIÓN SOCIOAFECTIVA Análisis Trabajo en equipo Metódico Razonamiento lógico Resolución de problemas Convertidores Analógico / Digital y Digital / Analógico Explicar la definición y estructura de los convertidores de señales analógico a digital y digital a analógico. Explicar la operación de los convertidores analógico a digital y digital a analógico. Analítico Responsable Autodidáctica Identificar las especificaciones y aplicaciones de los Convertidores Analógico/Digital (ADC) y Digital/Analógico (DAC). Integración de circuitos digitales Describir la operación de circuitos lógicos digitales combinacionales y secuenciales en aplicaciones industriales. Explicar el proceso de simulación de circuitos de control combinacional y secuencial en procesos industriales. Simular circuitos de control combinacional y secuencial en procesos industriales. Implementar circuitos de control combinacionales y secuenciales en aplicaciones industriales. Analítico Autodidáctica Razonamiento lógico
15 PROCESO DE EVALUACIÓN EVIDENCIA DE DESEMPEÑO INSTRUMENTOS DE EVALUACIÓN TÉCNICAS SUGERIDAS DE ENSEÑANZA Y APRENDIZAJE ESPACIO DE FORMACIÓN AULA TALLER OTRO MATERIALES Y EQUIPOS A partir de un estudio de caso de un sistema de control industrial, integra un portafolio de evidencias que contenga: - Descripción de las principales características y aplicaciones de: - Memorias. - Convertidores ADC y DAC. - Reporte del circuito de control combinacional y secuencial que señale: - Diagrama esquemático del sistema de control. - Explicación del funcionamiento de los elementos de control lógico combinacional y secuencial. - Resultados de la simulación de la etapa de control lógico. - Conclusiones Portafolio de evidencias Lista de cotejo Aprendizaje auxiliado por la tecnologías de información Práctica de laboratorio Trabajo de Investigación X Equipo de Cómputo Software para simulador de circuitos electrónicos digitales Proyector Equipo de laboratorio electrónica Materiales electrónicos
16 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS AUTOR AÑO TÍTULO DEL DOCUMENTO Ronald Tocci, Neal Widmer, Greg Moss 2016 David G. Maxinez, 2013 Robert K. Dueck, Kenneth J. Reid Sistemas digitales, principios y aplicaciones Programación de sistemas digitales con VHDL 2011 Digital Electronics. Thomas L. Floyd 2014 Digital Fundamentals LUGAR DE PUBLICACIÓN Estados Unidos de América México Estados Unidos de América Estados Unidos de América EDITORIAL ISBN Pearson Grupo y Editorial Patria Delmar Pearson Timothy, J Malony 2006 Electrónica Industrial Moderna México Pearson David Harris, Sarah Harris 2012 Digital Design and Computer Architecture Estados Unidos de América Morgan Kaufmann Nicholas L Pappas 2014 Digital Design - Logic, Memory, Computers (Electrical and Electronic Engineering Design Series) Estados Unidos de América CreateSpace Independent Publishing Platform William J. Dally, R. Curtis Harting 2012 Digital Design: A Systems Approach Estados Unidos de América Cambridge University Press; AUTOR TÍTULO DEL DOCUMENTO REFERENCIAS ELECTRÓNICAS FECHA DE RECUPERACIÓN VÍNCULO ASIC-world Digital Electronics Tutorial 07-abr-16 The Learning Point Introduction to Digital Electronic Circuits and Boolean logic 07-abr-16 Electronicstutorials Basic Electronics Tutorials for beginners and beyond 07-abr-16
17 TutorialsPoint Computer Logical Organization - Overview 07-abr-16 erview.htm TutorialsCup Digital Electronics Tutorial 07-abr-16 https://www.tutorialcup.com/digital-electronics Para la consulta de bibliografía adicional puede consultar la Biblioteca Digital del Espacio Común de Educación Superior Tecnológica, ubicada en el siguiente vínculo:
LABORATORIO # 4 Realización: SIMPLIFICACIÓN DE FUNCIONES LÓGICAS 1. OBJETIVOS Los objetivos de este laboratorio es que Usted, aprenda a: Simplificar funciones utilizando mapas de Karnaugh Utilizar compuertas

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 Resolución 
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