TEMA 5 6 7 Automatas Programables

8/18/2019 TEMA 5 6 7 Automatas Programables

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GRADO EN ARQUITECTURA NAVALE INGENIERÍA MARITIMA

ELECTRÓNICA Y AUTOMÁTICA DE

CONTROL APLICADA AL BUQUE

AUTÓMATAS PROGRAMABLES


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Contenido

1. AUTÓMATA PROGRAMABLE ..................................................................... 3 2. BLOQUES ESENCIALES DE UN AUTÓMATA PROGRAMABLE ......... 3 3. UNIDAD CENTRAL DE PROCESO, CPU .................................................. 5 4. MEMORIA ........................................................................................................ 7 4.1. MEMORIAS INTERNAS ................................................................................ 9 4.2. MEMORIA DE PROGRAMA ....................................................................... 11 5. LAS INTERFACES DE ENTRADA Y SALIDA ......................................... 12 6. FUENTE DE ALIMENTACIÓN .................................................................... 13 7. MODOS DE OPERACIÓN ........................................................................... 15 8. CICLO DE FUNCIONAMIENTO ................................................................. 16

9.

TIEMPO DE CICLO, RETARDOS E/S, TIEMPO DE RESPUESTA YCONTROL EN TIEMPO REAL .............................................................................. 19 9.1. TIEMPO DE CICLO ...................................................................................... 19 9.2. RETARDOS DE CONMUTACIÓN DE LAS E/S ...................................... 20 9.3. TIEMPO DE RESPUESTA Y EJECUCIÓN EN TIEMPO REAL ........... 21 10. PROCESADO Y TRATAMIENTO DE SEÑALES RÁPIDAS ................. 22 10.1. TAREAS RÁPIDAS, PROCESADO RÁPIDO DE SUBRUTINAS ..... 23 10.2. CONTADORES DE ALTA VELOCIDAD ................................................ 24 10.3. ENTRADAS DETECTORAS DE FLANCOS ......................................... 25 11. CONFIGURACIÓN EXTERNA DEL AUTÓMATA ................................... 26 12. TIPOS DE MICROPROCESADORES DE LA CPU ................................ 26 13. CONFIGURACION DEL CONTROL DEL PROCESO ............................ 28 13.1. MULTIPROCESADORES CENTRALES ............................................... 30 13.2. MULTIPROCESADORES PERIFERICOS ............................................ 31 14. REDUNDANCIA CON AUTÓMATAS PROGRAMABLES ..................... 32 15. CONFIGURACIONES POSIBLES DEL SISTEMA DE ENTRADAS /SALIDAS ................................................................................................................... 33 15.1. ENTRADAS / SALIDAS CENTRALIZADAS .......................................... 33 15.2. ENTRADAS/ SALIDAS DISTRIBUIDAS ................................................ 36


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1. AUTÓMATA PROGRAMABLE

Un autómata programable industrial – API - ( ó PLC – Programmable LogicController), es un equipo electrónico de control con una circuitería y cableado

interno (hardware) independiente del proceso a controlar, que se adapta adicho proceso mediante un programa específico (software) que contiene lasecuencia de las operaciones a realizar. Esta secuencia de operaciones sedefine sobre señales de entrada y salida del proceso, cableada directamenteen los bornes de conexión del autómata.

El autómata gobierna las señales de salida según un programa de controlpreviamente almacenado en una memoria, a partir del estado de las entradas.

Una característica diferenciadora del API frente a otros sistemas de controlprogramables está en la estandarización del hardware.

El autómata se configura alrededor de una unidad central de control (CPU),que, unida mediante unos buses internos a las interfaces de entrada y salida ya las memorias, define lo que se conoce como estructura interna del autómata.

2. BLOQUES ESENCIALES DE UN AUTÓMATAPROGRAMABLE

Un autómata programable se compone esencialmente de los siguientesbloques:

- Unidad central de proceso o de control, también conocida comoprocesador o CPU.

- Memorias internas.- Memoria de programa.- Interfaces de E/S.- Fuente de alimentación.

Interfacesde entradasy salidas

CPU, con puertos decomunicaciones y ranurade memoria externa.

Fuente dealimentacióncon salidaauxiliar para

circuitos deE/S


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La unidad central de proceso consulta el estado de las entradas y recoge dela memoria la secuencia de instrucciones a ejecutar, elaborando a partir deellas las señales de salida u órdenes que se enviarán al proceso. Durante laejecución del programa, las instrucciones son procesadas en serie, una trasotra.

La unidad de control es también responsable de actualizar continuamente lostemporizadores y contadores internos que hayan sido programados.

La memoria interna es la encargada de almacenar datos intermedios decálculo y variables internas que no aparecen directamente sobre las salidas,así como una imagen de los últimos estados leídos sobre las señales deentrada o enviados a las señales de salida.

La memoria de programa contiene la secuencia de operaciones que debenrealizarse sobre las señales de entrada para obtener las señales de salida, asícomo los parámetros de configuración del autómata.

Las interfaces de entrada y salida establecen la comunicación del autómatacon la planta. Se conectan por un lado con las señales procedentes del

proceso a través de los bornes previstos y, por otra, con el bus interno delautómata. La interfaz se encarga de adaptar las señales que se manejan en elproceso a las utilizadas internamente por la máquina.

La fuente de alimentación proporciona, a partir de una tensión de exterior, lastensiones necesarias para el buen funcionamiento de los distintos circuitoselectrónicos del sistema. El autómata también puede estar equipado con unabatería conectada a la fuente de alimentación, lo que asegura el mantenimientodel programa y algunos datos en las memorias en caso de fallo de laalimentación externa del sistema.

Se conoce como bus interno al conjunto de líneas y conexiones que permitenla unión eléctrica entre la unidad de control, las memorias y las interfaces de


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entrada y salida. El bus se compone de un conjunto de líneas utilizados paraintercambiar datos u órdenes. Este conjunto de hilos del bus es compartido portodos los bloques del autómata, pero en todo momento sólo puede haber unúnico dispositivo utilizándolo.

El bus interno está formado por:

- Bus de datos, por donde circulan las transmisiones de datos entre losdispositivos del autómata.

- Bus de direcciones, a través del cual se direccionan las memorias y elresto de dispositivos.

- Bus de control, constituido por todas las conexiones destinadas agobernar los intercambios de información y habilitar el funcionamiento decada dispositivo.

3. UNIDAD CENTRAL DE PROCESO, CPU

La CPU, construida alrededor de un sistema basado en microprocesador, es laencargada de ejecutar el programa de usuario y de ordenar las transferencias

de información en el sistema de entradas/salida.

También establece comunicación con periféricos externos, otros PLC uordenadores.

Para ejecutar el programa de usuario, la CPU adquiere sucesivamente lasinstrucciones una a una desde la memoria de programa, y realiza lasoperaciones especificadas en las mismas.


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El funcionamiento es tipo interpretado, decodificando las instrucciones cadavez que son ejecutadas.

Esta decodificación puede realizarse mediante un sistema de lógica estándar

con microprocesadores más memoria, o puede estar microprogramada porhardware en el propio procesador, según diseño propio del fabricante utilizandotecnologías “custom” o personalizadas. La primera solución, más barata, es lamás frecuente en autómatas de gama baja, mientras que la segunda, conmayores costes de diseño y desarrollo, es propia de autómatas de gamasmedias y altas.

La decodificación interna de instrucciones es transparente al usuario, que nopuede modificarla de ninguna forma. En algunos procesadores, ladecodificación se realiza mediante una memoria externa, denominadaintérprete.

La siguiente figura muestra los bloques fundamentales de una CPU:


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- ALU, “Aritmetic Logic Unit”, encargada de realizar las operacionesaritméticas y lógicas (Y, O, suma, comparaciones …).

- Acumulador, que almacena el resultado de la última operación realizadapor la ALU.

- Flags, o indicadores de resultado de la operación (mayor que, positivo,negativo, cero, etc.).- Contador de programa, “program counter”, PC, encargado de la lectura

de las instrucciones de usuario y de la secuencia de ejecución.- Decodificador de instrucciones y secuenciador, donde se decodifican las

instrucciones leídas en la memoria y se generan las señales de control.- Programa ROM monitor del sistema, donde se almacena la secuencia de

puesta en marcha, las rutinas de test y de error en la ejecución, etc.- Registros de pila, que permiten almacenar resultados parciales del

programa.

En autómatas de gamas alta y media la tarea de la CPU se subdivide conobjeto de optimizar el funcionamiento. Dando lugar a dos posiblesconfiguraciones:

- Arquitectura coprocesador: Existen en la CPU varios microprocesadoresque ejecutan el programa de forma concurrente, trabajando en paralelo ymejorando sustancialmente las prestaciones del sistema en cuanto avelocidad y potencia de cálculo.

- Estructura de control distribuido: Emplea módulos inteligentes equipadoscon procesadores especializados en ciertas tareas de medida yregulación, lo que permite traspasar ciertas funciones críticas en eltiempo a estos módulos, descargando a la CPU central de unosprocesos que no podría atender con la necesaria rapidez.

4. MEMORIA

En la memoria es donde el autómata guarda todo cuanto necesita:

Datos del proceso:- Señales de la planta, entradas y salidas.

- Variables internas, bits o palabras que utiliza para la ejecución delprograma del usuario.- Constantes.

Datos del control:- Programa del usuario.- Configuración del autómata: modo de funcionamiento, configuración de

las E/S, parámetros de comunicaciones, errores …

Una memoria es un dispositivo electrónico capaz de almacenar datos binarios,que pueden ser leídos bit a bit, por bloques de ocho bits (byte), por bloques de

dieciséis bits (palabra) o por bloques de 32 bits (doble palabra).


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La memoria ideal de ser rápida, pequeña de tamaño, barata, de bajo consumoy de alta capacidad de almacenamiento.

Las memorias se clasifican atendiendo a sus características delectura/escritura:

RAM: memorias de lectura/escritura.Las memorias RAM pueden ser leídas y modificadas cuantas veces seanecesario, de forma rápida. Sus inconvenientes es su baja densidad deintegración y el carácter volátil, que provoca la pérdida de la información cadavez que cae la tensión de alimentación. Las RAM se utilizan principalmentecomo memoria de datos internos para los datos del proceso, y en ocasionescomo memoria de programa y configuración en el caso de que esténrespaldadas por baterías.

ROM: memoria de sólo lectura, no reprogramables.

Las ROM no pueden ser modificadas de ninguna forma. Las memorias ROM seutilizan para almacenar el programa monitor, que realiza las siguientesfunciones en el autómata programables:

- Inicialización del sistema tras la puesta en tensión o reseteo.- Rutinas de test y de respuesta a errores de funcionamiento.- Control de las comunicaciones con el exterior.- Rutinas de lectura escritura de las interfaces de E/S.- Interprete del programa del usuario.

EPROM: memoria de sólo lectura, reprogramable, con borrado por radiaciónultra-violeta.

Las EPROM se reprograman con un circuito especial tras borrar su contenidomediante luz ultravioleta. Estas memorias se utilizaban en los primerosautómatas programables para almacenar el programa del usuario, una vezdepurado. Actualmente han sido sustituidas por las tarjeta de almacenamientotipo SD, micro-SD, que se pueden en cuadrar dentro del grupo de memoriasEEPROM.

EEPROM: memoria de sólo lectura, reprogramable, y alterable eléctricamente.

Las EEPROM son memorias de sólo lectura alterables por medios eléctricos,reprogramables sobre el propio autómata, sin necesidad de borrado yextracción.

Las memorias EEPROM tienen tiempos de acceso a la lectura y escrituralargos, en comparación con las RAM, por ello se usan combinaciones de RAM+ EEPROM, utilizando las EEPROM como memoria de seguridad que salvan elcontenido de la RAM en caso de interrupción del suministro eléctrico. Una vezreanudada la alimentación del autómata, el contenido de la EEPROM se vuelvea volcar en la RAM, con lo que el autómata puede continuar por el mismo punto

del programa en que fue interrumpido por la pérdida de tensión. Este tipo desoluciones están sustituyendo a las anteriores RAM+ batería de respaldo.


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Cuadro resumen de tipos de memoria y en un autómata programable

4.1. MEMORIAS INTERNAS

La memoria interna es aquella en la que se almacena el estado de las variablesque maneja el autómata durante la ejecución del programa de usuario:entradas (%I), salidas (%Q), contadores, temporizadores, bits internos (%M),bytes, palabras y dobles palabras internas (%MB, %MW o %MD), bits ypalabras de estado del sistema (%M y %MW) y datos constantes (%K).

En la memoria interna existen dos áreas diferencias: área de bits y área deregistros (bytes, palabras o doble palabras).

Se denomina memoria imagen la zona donde se almacena las últimas señalesleídas de los interfaces de entrada y enviadas a los interfaces de salida, que seactualiza tras cada ejecución completa del programa.

La CPU ordena el intercambio de señales entre la memoria imagen y lasinterfaces físicas de E/S tras cada ejecución cíclica completa de todas lasinstrucciones del programa. Mientras que dura la ejecución los estados de lasseñales de entrada considerados para el cálculo no son los actuales en laplante, sino los presentes en la memoria imagen leídos tras el fin del ciclo deejecución del programa anterior.

De la misma manera, los resultados obtenidos en el cálculo no vandirectamente a la interfaz de salidas, sino a la memoria imagen, realizando latransferencia global de todas las señales (lectura de entradas y escritura de

salidas) cuando finaliza cada ciclo de ejecución del programa.


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De forma que el funcionamiento de la memoria imagen es el siguiente:

- La CPU consulta la interfaz de entrada y carga el estado de cadaentrada en la memoria imagen de las entradas.

- La CPU ejecuta el programa de usuario, con los datos de la memoriaimagen de las entradas, y el estado de las demás variables internas. Elresultado de los cálculos se deposita en la memoria imagen de lassalidas.

- La CPU transfiere a las interfaces de salida los estados de las señalescontenidos en la memoria imagen de las salidas tras finalizar laejecución del programa. El sistema queda preparado para iniciar unnuevo ciclo.


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La secuencia real no es exactamente la indicada, ya que para optimizar lostiempos de acceso a las interfaces, los procesos de lectura y escritura de lasinterfaces de E/S se efectúan a la vez.

Las posiciones de la memoria imagen de entradas y salidas se denominanpuntos de E/S. Se pueden clasificar los autómatas en función del número depuntos de E/S físicos que pueden manejar:

- Gama baja: < 256 E/S.- Gama media: entre 256 y 1024 E/S.

- Gama altas: con más de 1024 E/S.

El resto de la memoria interna se utiliza como memoria de datos para elproceso de ejecución.

Los bits internos (relés internos) y registros internos ocupan posiciones de lamemoria interna. Estos no se asocian a un borne de E/S del autómata, sonutilizados como datos temporales de operaciones internas.

Algunas posiciones internas pueden estar respaldadas por batería, o irguardándose cíclicamente en la EEPROM, de forma que quedan protegidas

contra la perdida de tensión de alimentación.

Los bits y palabras del sistema guardan señales del estado del autómata.Estos datos pueden consultarse por el usuario en su programa, para responderadecuadamente a las variaciones del estado del autómata.

4.2. MEMORIA DE PROGRAMA

La memoria del programa, normalmente externa y enchufable en la CPU (Ej:tarjeta SD), almacena el programa escrito por el usuario para su aplicación.Contiene también datos e información sobre los parámetros de la configuración


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del autómata (configuración de las E/S, configuración de los puertos decomunicaciones …).

La capacidad total del programa de usuario depende del tipo de CPU utilizada,y puede oscilar entre los 1K pasos en un autómata compacto hasta cientos o

miles Kinstrucciones en un autómata de gama alta.

Las memorias del programa del usuario son siempre del tipo permanente (RAM+ batería, o EPROM / EEPROM).

El mapa de memoria es el conjunto de direcciones correspondientes a toda lamemoria del autómata que puede direccionar la CPU. Su tamaño depende delos siguientes factores:

- Capacidad de direccionamiento de la CPU.- El número de E/S conectadas.

- La longitud de la memoria del programa del usuario.

5. LAS INTERFACES DE ENTRADA Y SALIDA

Establecen la comunicación entre la CPU y el proceso, filtrando, adaptando ycodificando de forma compresible para la CPU las señales procedentes de loselementos de entrada, y decodificando y amplificando las señales generadasdurante la ejecución del programa antes de enviarlas a los elementos de salida.

Estas interfaces pueden clasificarse de distintas formas:

- Por el tipo de señales:o Digitales de 1 bit.o Digitales de varios bits.o Analógicas.

- Por la tensión de alimentación:o De corriente continua (24 Vcc ó 110 Vcc).o De corriente continua a colector abierto (PNP ó NPN).o De corriente alterna ( 110 Vac ó 230 Vac).o Salidas por contacto de relé libre de potencial.


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- Por el aislamiento:o Con separación galvánica (opto-acopladores para las entradas,

salidas de contacto de relé para las salidas).o Acoplamiento directo.

- Por la forma de comunicación con la unidad central:o Serie.o Paralelo.

- Por la ubicación:o Locales.o Remotas.

6. FUENTE DE ALIMENTACIÓN

La fuente de alimentación proporciona las tensiones necesarias para elfuncionamiento de los distintos circuitos del sistema.

Es frecuente que la alimentación se obtenga de varias fuentes separadas,procurando independizar las siguientes partes del circuito:

- CPU e interfaces de E/S.- Alimentación de entradas.- Alimentación de salidas, cargas, generalmente de tipo electromagnético

(contactores, válvulas solenoides ..)


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La alimentación a la CPU puede ser a 24Vcc o 230 Vac. La propia CPUalimenta a las tarjetas de interface de E/S a través del bus interno.

La alimentación a los circuitos de E/S puede realizarse, según tipos, en alterna48/110/230 Vac, o en continua a 12/24/48/110 Vcc.

En algunos modelos, la fuente de alimentación puede contener una batería entampón para mantener algunas posiciones de memoria. El estado de la bateríaes monitorizado por la CPU.

Los autómatas compactos suelen disponer de salida de tensión a 24Vcc debaja potencia, para la alimentación directa de sensores y actuadores.

A continuación se muestra el esquema de una única fuente de alimentaciónincorporada en el autómata, la cual alimenta la CPU, los interfaces y loscircuitos de E/S:

El siguiente esquema muestra la solución de varias fuentes de alimentación:- La propia del autómata.- Externa para entradas a corriente continua.- Externa para salidas a corriente continua.- Externa para salidas a corriente alterna.


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La elección de uno u otro esquema de alimentación para un sistema basado enautómatas programables depende fundamentalmente de las características delas entradas y las salidas:

- Niveles de potencia necesarios.

- Compatibilidad entre la tensión auxiliar de la fuente del autómata y lasnecesarias para el sistema de E/S.- Funcionamiento o no de sensores y cargas a igual tensión de

alimentación.- Necesidad de aislamiento galvánico en el sistema de E/S.

7. MODOS DE OPERACIÓN

Un autómata programable bajo tensión puede mantenerse en uno de lossiguientes modos de funcionamiento:

RUN (en ejecución): El autómata ejecuta normalmente el programa delusuario contenido en su memoria, evolucionando las salidas en función de lasentradas y de las órdenes del programa.

STOP (detenido): La ejecución del programa se detiene por voluntad deloperador. Todas las salidas pasan a estado OFF. Las posiciones de lamemoria interna mantienen sus valores. Cuando se vuelve a pasar a estadoRUN, las posiciones de memoria interna pasan a “0”, excepto aquellasdeclaradas como mantenidas.

ERROR (error): El autómata detiene su funcionamiento de forma automáticatras detectar un error, quedando bloqueado hasta que se corrige dicho error.Todas las salidas pasan a estado OFF. Se vuelve al estado RUN tras unreseteo, o bien desde selectores en la CPU (si están disponibles), o desde elsoftware de programación.

El modo de operación del autómata puede ser controlado desde conmutadoressituados en la CPU, o desde el software de programación.

Tras la puesta en tensión, el autómata pasa al modo RUN o STOP,

dependiendo de la configuración del programador. Las conmutacionesRUN/STOP pueden ser forzadas por el usuario desde el software deprogramación o desde los interruptores previstos en la CPU (si estándisponibles en ese modelo).

Si durante la puesta en marcha se detecta algún mal funcionamiento en eldispositivo o en el programa, el autómata pasa automáticamente a modoERROR.

La siguiente figura muestra la relación entre los distintos modos, indicándosecomo se producen los cambios de acuerdo con los siguientes códigos:

- SIS – Cambio ordenado por el programa monitor del autómata.


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- CPU – Cambio ordenado por el operador desde los conmutadores de laCPU, si es que ésta dispone de ellos.

- PRG – Cambio ordenado a través del operador mediante la aplicaciónsoftware de programación.

El modo de funcionamiento en el que está el sistema se puede verificar através de los diodos LED disponibles en la CPU, o a través de la aplicación deprogramación si es que está conectada al autómata.

8. CICLO DE FUNCIONAMIENTO

El funcionamiento del autómata es, salvo en el proceso inicial que sigue a un

reinicio, de tipo secuencial y cíclico, es decir, las operaciones tienen lugar una


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tras otra, y se van repitiendo continuamente mientras el autómata esté en modorun bajo tensión.

La siguiente figura muestra el diagrama de flujo de las operaciones que serealizan durante el ciclo operación, y que se repiten indefinidamente:

Antes de entrar en el ciclo de operación el autómata realiza una serie deacciones comunes (“power -on sequence”), que tratan fundamentalmente deinicializar los estados del mismo y chequear el hardware.

Las rutinas de chequeo iniciales incluidas en el programa monitor de la ROMcomprueban los siguientes aspectos del sistema físico:

- El bus de conexión de las unidades de E/S.- El nivel de la batería, si ésta existe.


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- La conexión de las memorias internas y externas.

Si se encuentra algún error en el chequeo inicial, se activa el LED de error de laCPU y queda registrado en la memoria de datos del sistema el código del error.El funcionamiento puede quedar interrumpido en ese punto, según la gravedad

del error.

A continuación se inicializan las variables internas:

- Se ponen a OFF las posiciones de memoria interna, excepto lasmantenidas o protegidas contra perdidas de tensión.

- Se borran todas las posiciones de la memoria imagen de las E/S.- Se borran todos los contadores y temporizadores.

Transcurrida la secuencia de inicialización, y si no han aparecido errores, elautómata entra en el ciclo de operación, constituido por aquellas operaciones

que se ejecutan continuamente. Este ciclo puede considerarse dividido en tresbloques:

- Proceso común.- Ejecución del programa de usuario y entrada / salida de datos..- Servicio a periféricos.

En el proceso común se comprueba el reloj de guardia (“watchdog”) y serealizan los chequeos cíclicos del sistema (conexiones y memoria deprograma), protegiendo al sistema contra:

- Errores de hardware.- Errores de sintaxis.

El reloj de guarda (“watchdog”) es un temporizador interno que fija el tiempomáximo de ejecución de un ciclo de operación. Si este temporizador alcanza eltiempo prefijado, entre 0,1s y 0,5s, el autómata pasa a estado STOP (detenido)y se ilumina el indicador de error. La activación del reloj de guardia puede serpor:

- Existencia de algún error en el programa que no alcanza el fin.

- Bloqueo en las comunicaciones.- Avería de la CPU.

En los chequeos cíclicos se comprueba:

- Niveles de tensiones.- Estado de la batería si existe.- Conexión de las interfaces de E/S.- Comprobación de los datos de la memoria.- Estructura de programa correcta.

En la fase de ejecución se consultan y actualizan las interfaces de entradas ysalidas, volcando el resultado en la memoria imagen de E/S. Se elaboran las


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órdenes de mando en función de la memoria imagen de E/S por ejecuciónsecuencial de las instrucciones del programa.

El tiempo de ejecución de esta parte del ciclo de operación depende de:

- El tiempo de acceso a las interfaces de E/S, que a su vez depende delnúmero y ubicación de esas interfaces de E/S.- Tiempo de escrutación del programa, que depende de la longitud del

programa y del tipo de CPU.

Por último, el servicio a periféricos externos, que sólo es atendido si haypendiente algún intercambio con el exterior.

Durante el chequeo inicial y durante los chequeos cíclicos se pueden producirdos tipos de errores: fatales y no fatales. Los primeros provocan la deteccióndel autómata (paso a STOP), y exigen la reinicialización de la máquina por

reset o puesta en tensión.

Los errores no fatales quedan recogidos y señalizados en el autómata, pero noprovocan la parada de la máquina.

Los errores más frecuentes son:

- Fallos de alimentación en algún módulo.- Ausencia de la tarjeta de memoria.- Desbordamiento del reloj de guardia.- Perdida del programa o parte de él.- Valores fuera de rango en bloques funcionales (temporizadores,

contadores …) - Fallos de conexión en los interfaces de E/S.- Fallo de comunicación con otros PLC o con el sistema de programación.- Direccionamiento incorrecto de variables.- Error al transferir el programa.

9. TIEMPO DE CICLO, RETARDOS E/S, TIEMPO DERESPUESTA Y CONTROL EN TIEMPO REAL

9.1. TIEMPO DE CICLO

Tiempo de ejecución de ciclo, o simplemente tiempo de ciclo (“Scan Time”),es el tiempo total que el autómata emplea para realizar un ciclo de operacióncompleto. Dicho tiempo depende de:

- El nº de entradas / salidas involucradas.- La longitud del programa de usuario.- El nº y tipo de periféricos conectados al autómata.


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El tiempo de ciclo es la suma de los tiempos que tarda el autómata en realizarlas distintas operaciones del ciclo:

- Chequeos.- Actualización de E/S.

- Ejecución del programa.- Servicio a puertos de comunicaciones y periféricos.

Los chequeos y comprobaciones cíclicas son del orden de 1 a 2 ms.

Los tiempos de ejecución de las instrucciones del programa se miden enunidades de microsegundos, resultando un tiempo de ejecución del programavariable en función del número y tipo de instrucciones a ejecutar. El tiempo deejecución del programa se mide en milisegundos por cada mil instrucciones(ms/K). Típicamente es de 1 a 15 ms/K, dependiendo del tipo de CPU.

Los tiempos de acceso al exterior para la lectura/escritura de datos son delorden de 1 a 5 ms, dependiendo del nº de E/S a explorar.

Para una aplicación de unas 1000 instrucciones de programación el tiempototal de ciclo puede estar alrededor de 20 ms.

Este tiempo de ciclo es uno de los factores determinantes en el diseño delsistema de control cuando en éste aparezcan señales muy rápidas.

9.2. RETARDOS DE CONMUTACIÓN DE LAS E/S

La electrónica de los interfaces de entradas y salidas introducen tambiénretardos, definiéndose los siguientes parámetros:

Retardo de conmutación de entradas: Tiempo que tardan las señales deentrada del proceso desde que se establecen hasta que están accesibles parala memoria interna de la imagen de las entradas. Este retardo lo provoca elfiltrado, adaptación y codificación de la señal.

Retardo de conmutación de las salidas: Tiempo que tardan las señales de

salida en pasar desde la memoria interna de la imagen de las salidas al controldel proceso. Este retardo lo provoca la codificación, adaptación y amplificaciónde la señal.

Retardos de conmutación de las E/S


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9.3. TIEMPO DE RESPUESTA Y EJECUCIÓN EN TIEMPOREAL

Dada una señal de control de salida que sea función de una o varias señalesde entrada, se denomina tiempo de respuesta al que transcurre desde que uncambio en las señales de entrada es reflejado en la señal de salida de controlde la planta.

Este tiempo depende de los retardos de conmutación de las entradas y de lassalidas. TINPUT delay TOUTPUT delay, y del tiempo de ciclo del autómata.

El tiempo de respuesta es variable dependiendo del instante en que cambia laentrada respecto al ciclo de operación. Se mueve siempre entre dos valoreslímites:

- Valor mínimo, cuando la señal está disponible en la interfaz justo antesde la lectura de las entradas:

- Valor máximo, cuando la señal está disponible en la interfaz justodespués de la lectura de las entradas:


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10. PROCESADO Y TRATAMIENTO DE SEÑALES RÁPIDAS

Algunas señales en el proceso pueden tener una constante de tiempo baja, o loque es lo mismo, una alta frecuencia de variación, este tipo de señales se ledenominan señales rápidas.

Puede darse el caso que el tiempo de respuesta máximo del autómata seamayor que el tiempo mínimo que una determinada señal rápida cambia deestado, con lo cual el autómata puede no detectar dicho cambio de estado.,provocando oscilaciones, saturación o incluso bloqueo del sistema.

Error de lectura de entradas rápidas

Error de lectura de tren de impulsos rápidos

Para poder tratar con garantías las señales rápidas, los autómatasprogramables disponen de tres mecanismos:

- Ejecución de subrutinas o programas a intervalos menores de los quepermite el tiempo de ciclo general del autómata. Se denominan tareastápidas (“Fast Task”).

- Entradas especiales de lectura de impulsos de alta frecuencia,denominados contadores rápidos.


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- Entradas especiales para señales rápidas, con un mecanismo interno deenclavamiento para que puede ser almacenada la entrada en lamemoria hasta que el autómata haga la lectura de E/S en su ciclogeneral. Denominadas entradas detectoras de flancos.

10.1. TAREAS RÁPIDAS, PROCESADO RÁPIDO DESUBRUTINAS

Se pueden crear subrutinas del programa que atienda a las señales rápidas,estas subrutinas se pueden ejecutar de las siguientes formas:

- Dentro del ciclo principal se procesan ciclos completos más cortos, deuna duración pre-establecida, que permiten la atención de las señalesrápidas. De forma que, dentro del ciclo principal se ejecuta varias veceslos ciclos cortos de las subrutinas de las señales rápidas.

- Mediante una señal externa de interrupción exterior, que permite alautómata atender con rapidez a estímulos externos. El programa seejecuta normalmente mientras no se activa la señal de interrupción.Cuando se activa la interrupción se interrumpe momentáneamente elprograma principal y se ejecuta la subrutina, atendiendo a las entradas,ejecutando el programa de la subrutina y refrescando las salidas, tras locual se vuelve al programa principal, quedando la subrutina en esperade una nueva interrupción.


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Las interrupciones pueden ser por una señal física externa o por una variableinterna que alcance un determinado valor.

10.2. CONTADORES DE ALTA VELOCIDADEl contador de alta velocidad es un módulo interface de entrada que es capazde contar impulsos en sus entradas mediante un hardware independiente de laCPU. Estos impulsos pueden venir de distintos tipos de sensores: proximidad,encoders …

El contador de alta velocidad cuenta los impulsos de forma asíncrona con elresto del autómata, utilizando sus propias entradas débilmente filtradas.

Una vez iniciada la cuenta, el contenido del contador puede ponerse a cero

(reset):

- Por software, actuando el programa principal en una variable internaasociada al reset.

- Por hardware, actuando sobre una entrada externa especial de resetdisponible en el módulo contador rápido.

En los autómata compactos de baja gama, este contador rápido se asocia auna de la entradas disponibles en el equipo.

En los autómatas modulares, de media y alta gama, los contadores rápidos sonmódulos enchufables en el bastidor de configuración del autómata.


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La interacción entre el programa del usuario y el contador rápido se realiza dedos formas:

- Consultando desde el programa del usuario el registro de memoria

donde el contador rápido guarda el contaje.

- Actuando desde el contador rápido en una interrupción para ejecutar unatarea rápida. Cuando se alcanza un determinado nivel de cuenta en elmódulo del contador, se envía una interrupción al programa principal.

Existen tanto módulos uni-direccionales como bidireccionales.

10.3. ENTRADAS DETECTORAS DE FLANCOS

Las entradas detectoras de flancos tienen por objeto leer entradas de muy alta

velocidad sin contaje. Es una entrada especial, normalmente disponible en unade las entradas de un autómata compacto.

El flanco de la señal de entrada, que debe mantenerse en ON durante untiempo mínimo, activa un relé interno que se queda enclavado (mantiene suestado) hasta el final del siguiente ciclo de operación, aunque la señal deentrada haya pasado a estado OFF.

El relé interno puede ser leído por el programa de usuario, obteniendo lalectura de la señal rápida.

El relé interno se resetea automáticamente tras un ciclo de programa sinimpulso de entrada.


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11. CONFIGURACIÓN EXTERNA DEL AUTÓMATA

Se entiende por configuración externa de un sistema de control basado enautómatas programables a la estructura que adopta el sistema físico,esencialmente las unidades de control y el sistema de entradas / salidas para

adaptarlo a las particularidades de la aplicación: número de entradas salidas,ubicación de las mismas, potencia y velocidad de cálculo de las unidades decontrol.

Las unidades de control pueden adaptar dos configuraciones posibles:

- Unidad de control centralizada. Una única CPU.- Unidad de control distribuida. Varias CPU.

Con una única CPU, el control queda centralizado en dicha máquina. Esta CPUpuede controlar varios módulos de E/S, ubicados en el mismo bastidor de laCPU, o localizados remotamente donde interese.

En los sistemas con control distribuido existen varios autómatas, cada uno consu CPU, y en general con sus propias interfaces de E/S, controlando una partedel proceso. Estos autómatas se conectan a un autómata central, principal, queactúa como CPU maestra, supervisora, que gestiona de forma general elsistema y permite el intercambio de datos entre todo el sistema.

El sistema de entradas / salidas a su vez puede adoptar dos configuracionesposibles:

- Entradas / Salidas centralizadas (locales).- Entradas / Salidas distribuidas (remotas).

Las interfaces de E/S son centralizadas cuando se comunican con el autómataa través del bus interno, sin utilizar procesadores de comunicacionesintermedios.

Si la comunicación entre las E/S y el la CPU del autómata que las controlasnecesita un procesador intermedio de comunicaciones conectado por un ladocon la CPU, a través del bus interno, y por otro lado con los módulos de E/S

externos mediante un cable especial de comunicaciones, el sistema deentradas salidas se denomina distribuidas.

No hay que confundir los conceptos de E/S distribuidas con el controldistribuido. El primero hace referencia a la localización y conexión de las E/Scon la CPU que las controlas, y el segundo hace referencia al nº de CPU quecontrola el proceso.

12. TIPOS DE MICROPROCESADORES DE LA CPU

Principalmente utilizan microprocesadores de bits y microprocesadores depalabras, de 8 a 32 bits.


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Los microprocesadores de bits son los responsables de realizar lasoperaciones combinacionales lógicas booleanas entre variables de 1 bit. Losmicroprocesadores de palabras son los encargados de ejecutar los cálculos deinstrucciones digitales entre palabras de 8, 16 o 32 bits, que contienen datos deoperaciones aritméticas, señales analógicas previamente convertidas a digital,

comparación de datos, etc..

Los microprocesadores de bits se fabrican con tecnología ASIC (“ApplicationSpecific Integrated Circuit”), es decir fabricados a medida, también conocidoscomo “custom circuit”).

Los microprocesadores de palabras suelen ser microprocesadores comercialesadaptados al lenguaje del autómata mediante un intérprete, aunque enautómatas de alta gama se recurre también a tecnología ASIC.

Sin embargo, en autómatas de alta gama modulares de elevada potencia de

proceso se incorpora en la CPU más microprocesadores, con objeto desubdividir las operaciones del microprocesador de palabras entre variosmicroprocesadores especializados:

- Microprocesador para operaciones aritméticas.- Microprocesador para gestionar las interfaces de E/S.- Microprocesador para controlar las comunicaciones.- Microprocesador específico para el control de temporizadores y

contadores.

De esta forma se consigue lo que se llama una arquitectura decoprocesadores, consiguiendo optimizar el tiempo de respuesta de la CPU.


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En la arquitectura coprocesadores, todos están coordinados por elmicroprocesador de servicios para el acceso al mapa de memoria delautómata.

El siguiente cuadro resume las distintas arquitecturas de microprocesadoresque puede adoptar la CPU:

La arquitectura y tipo de CPU influye en la velocidad de proceso de la máquina,pasando de 10-50 ms/K en las más sencillas, a 1-5 ms/K en las solucionescoprocesadores con circuitos ASIC.

13. CONFIGURACION DEL CONTROL DEL PROCESO

El programa del usuario puede ir desde sencillas combinaciones de variableslógicas mediante funciones AND, OR o NOT, utilizando biestables,temporizadores y contadores, hasta estructuras de programación multitareaque controlan distintos subprocesos de la planta.


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Estos programas complejos multitareas, que no sólo gobiernan diferentesvariables, sino también subprocesos distintos, pueden tener tiempos derespuesta prohibitivos para el control en tiempo real si la ejecución delprograma del usuario la lleva a cabo una única CPU.

La solución pasa por repartir la tarea de control entre varios procesadores,resultando entonces dos configuraciones de control distintas:

- Unidad de control compacta formada por una única CPU que controlatodo el proceso con un único programa (monoproceso).

- Unidad de control modular, con ejecución multiproceso, donde en unmomento dado varios procesadores ejecutan distintos programas otareas de control.

La siguiente figura muestra una configuración monoproceso, con una única

CPU que se encarga de controlar toda la planta:

Se observa que una única CPU controla todas las entradas salidas, incluso lasremotas conectadas al bastidor principal mediante un bus de comunicacionesindustriales.

Por otro lado, la siguiente figura muestra una configuración multiproceso,donde la tarea de control está repartida entre varias CPU trabajando enparalelo, lo que permite repartir entre ellas, según la programación del usuario,las tareas de control.


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Esta arquitectura multiproceso aporta al sistema un aumento de su potencia deproceso, ejecutando las tareas de control de forma más eficiente, y con mayorrapidez.

A su vez, la arquitectura multiproceso se puede clasificar por la ubicación y

forma de interconexión de las CPU (procesadores):

- Multiprocesadores centrales en un mismo bastidor.- Procesador central + procesadores periféricos.- Procesadores conectados en red.

13.1. MULTIPROCESADORES CENTRALES

La arquitectura multiproceso con multiprocesadores centrales se obtiene alconectar sobre un mismo bastidor varias CPU gestionadas por una unidad decoordinación. Cada una de las CPU controla una parte del programa de usuario(subprograma) de forma independiente de las demás, definiendo su propio ciclode ejecución. De esta forma, el máximo tiempo de respuesta para una señal dela planta viene dado por el mayor de los tiempos de ciclo, y no por la suma detodos.

Todas las CPU tienen acceso al mismo mapa de memoria de entradas/salidasdel autómata, estableciendo cada una la gestión del bus y el intercambio dedatos con la periferia y las otras CPU, cuando lo permite la unidadcoordinadora.

La unidad de coordinación es una pieza fundamental en el funcionamiento delas demás CPU. Esta unidad de coordinación tiene dos funciones:

- Asigna cíclicamente a cada procesador el control del bus para gestionarlas E/S y las comunicaciones.


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- Actúa como origen / destino de la información transmitida entreprocesadores.

La unidad coordinadora actúa también como CPU principal, incorporando losmandos principales del autómata:

- Selectores Run / Stop.- Rutina de inicio tras un reset.- Watchdog.

13.2. MULTIPROCESADORES PERIFERICOS

Los procesadores periféricos son CPU especializadas en ciertas aplicacionesde regulación y control, con entradas y salidas analógicas y digitalesincorporadas, que solicitan al programa de usuario únicamente los parámetrosy consignas para su funcionamiento. El funcionamiento de los periféricos estotalmente autónomo de la CPU principal.

Son procesadores auxiliares con sus propias memorias e interfaces deentradas / salidas, que contiene una rutina especializada para ejecutar unatarea concreta.

Estos procesadores auxiliares se comunican con la CPU sólo para elintercambio de información, como son:

- Parámetros de configuración.- Órdenes de control del funcionamiento (parada, marcha, modo defuncionamiento …).

- Señales de interrupción.- Transferencia de información.

Entre estos procesadores especializados podemos destacar los siguientes:

- Medida de posición, velocidad y aceleración.- Contaje y tratamiento de impulsos a alta frecuencia.- Controladores de temperatura.

- Controladores de motores de CC y CA.- Controladores de motores paso a paso.- Controladores de válvulas y servo-válvulas.- Reguladores PID.- Procesadores de comunicaciones serie mediante buses de campo

(Modbus, Profibus, Bus AS-i ..).- Procesadores de comunicaciones de red local (Ethernet).


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15. CONFIGURACIONES POSIBLES DEL SISTEMA DEENTRADAS / SALIDAS

Las configuraciones posibles son:

- Centralizadas:o Autómatas compactos, ampliables mediante módulos de

extensión de E/S compactas.o Autómatas modulares, construidos a base de módulos / tarjetas

insertados en un bastidor, ampliables mediantes bastidores deextensión.

- Distribuidas:o Locales:

Autómatas compactos + módulos de extensión distribuidos. Autómatas modulares + bastidores de extensión

distribuidos.o Remotas: Interconectadas mediante buses de campo, mediantepares de cables trenzados, F.O., coaxial o radio.

15.1. ENTRADAS / SALIDAS CENTRALIZADAS

Las entradas / salidas centralizadas se disponen en las inmediaciones de laCPU, o autómata base, con el objetivo de aumentar el número de puntos E/Sdisponibles, dentro de la capacidad de direccionamiento de la CPU.

Las características principales de esta configuración son:

- Se conectan a la CPU a través del bus interno del autómata.

- Las transferencias de datos se realizan en paralelo.

- Están colocadas a distancias inferiores de 5m del autómata base.

- Según modelos, pueden no usar fuente de alimentación propia,recogiendo las tensiones de trabajo sobre las mismas líneas del businterno.

Hay que distinguir entre autómatas compactos y autómatas modulares.

Los autómatas compactos presentan una estructura cerrada, con la CPU ylas interfaces contenidas en una envolvente común, denominado autómatabase.


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Los autómatas programables modulares se pueden ampliar de las siguientesformas:

- Conectando nuevas tarjetas o módulos de E/S en posiciones libres delbastidor base (bastidor en el que está la fuente de alimentación y la

CPU).- Colocando nuevos bastidores conectados al bastidor base cuando todaslas posiciones del bastidor base estén ocupadas.

Los módulos quedan unidos al bastidor por enganche mecánico,estableciéndose la unión eléctrica con las líneas del bus mediante un conectorposterior.

El número de espacios o puestos de enchufe en un bastidor está limitado.

Si se ocupan todos los puestos de enchufe del bastidor base, puede ampliarse

el sistema colocando bastidores adicionales, unidos entre sí y al primero deellos mediante interfaces de conexión específicos (cables + conectores en losbastidores).

La configuración resulta entonces de la forma de bastidor principal másbastidores de expansión:

- El bastidor principal contiene la fuente de alimentación, CPU,procesadores periféricos, procesadores de comunicaciones y módulosde E/S.

- Los bastidores de expansión pueden contener módulos de E/S yprocesadores de comunicaciones, para enlace con otros autómatas ocon unidades de E/S remotas.

Autómata programable modular + bastidores de expansión de E/S


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En un mismo armario se pueden colocar varios bastidores de expansión, hastael límite de direccionamiento de la CPU, extendido sobre distancias inferiores a5m.

15.2. ENTRADAS/ SALIDAS DISTRIBUIDAS

Es frecuente que las máquinas y los procesos bajo control en el buque no seencuentren localizados en una misma zona, sino distribuidos a lo largo delmismo.

Por lo tanto, se plantea la necesidad de conectar la CPU del autómata consensores y actuadores alejados de él.

La solución pasa por instalar interfaces de E/S en los puntos donde senecesitan e interconectarlas con el autómata base que contiene la CPU quecontrola los procesos a través de módulos de comunicaciones industriales, queagrupan las señales en tramas o paquetes de datos digitales y los envía portransmisión serie al autómata base, resultando lo que se conoce comoconfiguración de entradas / salidas distribuidas o descentralizadas.

La siguiente figura muestra la diferencia entre las E/S centralizadas y las E/Sdistribuidas, donde se puede apreciar el ahorro considerable de cableado:

Las ventajas del sistema de E/S distribuidas son las siguientes:

- Permite el control a distancia de los procesos y la maquinaria.- Disminuye el coste de instalación.- Disminuye el coste de materiales.- Aumenta la seguridad del sistema de control.


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El sistema de E/S distribuidas se puede clasificar según como se realice laconexión de las E/S distribuidas con el autómata base que contiene la CPU,adoptándose las siguientes configuraciones:

BUS: En el autómata base que contiene la CPU se dispone un único

procesador de comunicaciones industriales, que se conecta con el procesadorde comunicaciones de la primera unidad de E/S distribuidas, y las E/Sdistribuidas se van enlazando una tras otra de la misma manera, formando loque se conoce como una estructura en bus. A su vez, al autómata base o acualquier unidad de E/S distribuidas, se le puede conectar un bastidor o unaunidad de expansión para ampliar E/S. Tiene la ventaja de que aporta unconsiderable ahorro de cableado, sin embargo tiene el inconveniente de que lainterrupción del bus en un punto ocasiona la perdida de todas las E/Sdistribuidas que cuelgan del punto de interrupción. Esta desventaja se puedesolventar implementando un sistema de doble bus redundante.

Nota: En verde la CPU del autómata base, en amarillo los procesadores decomunicaciones industriales, y en naranja los bastidores o unidades deexpansión de E/S.

La siguiente figura muestra la opción de doble bus redundante:


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ESTRELLA: La unidad base contiene tantos procesadores de comunicacionesindustriales de enlace como unidades de expansión se necesiten, de forma quees posible la desconexión total de cualquiera de ellas sin afectar alfuncionamiento del resto de unidades de E/S distribuidas. En cambio tiene ladesventaja de mayor cantidad de cableado respecto a la solución en bus.


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MIXTA: La unidad base contiene tantos procesadores de comunicacionesindustriales de enlace como ramales de bus se necesiten, de forma que esposible la desconexión total de un ramal sin afectar al funcionamiento del restode ramales. Los ramales en bus se configuran como se describió anteriormenteen la configuración BUS. Se trata de aprovechar las ventajas de ambos

sistemas.

Las comunicaciones siempre se hacen vía serie entre el autómata base y los

procesadores de comunicaciones de las unidades remotas de E/S. Se realizanmediante interfaces estándar RS-422 / RS-485 utilizando protocolosnormalizados (PROFIBUS, MODBUS, BUS AS-I, CAN BUS …). Paradistancias largas y zonas con alta influencia de ruido electromagnético se utilizala fibra óptica para las comunicaciones serie en vez del cableado eléctrico, porsu inmunidad a las interferencias. (Véase el tema de ComunicacionesIndustriales).


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Configuración mixta con fibra óptica

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