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“CURSO DE INSTRUMENTACIÓN INTELIGENTE PARA PROCESOS INDUSTRIALES” Transmisión de Señales

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“CURSO DE INSTRUMENTACIÓN INTELIGENTE PARA

PROCESOS INDUSTRIALES”

Transmisión de Señales

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Transmisión de Señales

Filtrado

Los filtros son dispositivos electrónicos diseñados para permitir el paso de una cierta banda de frecuencia de una señal y la eliminación de otras no deseadas.

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Transmisión de Señales

Filtrado

Existen filtros pasivos y activos, los primeros están diseñados solo con resistencias, bobinas y condensadores a diferencia con los segundos que adicionalmente a los elementos descritos, existe un amplificador operacional.

En los filtros pasivos la desventaja está en que la corriente absorbida por el elemento encargado de recibir la señal puede cambiar las características de frecuencia del filtro.

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Transmisión de Señales

Una de las aplicaciones de los filtros en los sistemas de control y medición es el mejoramiento de la relación señal ruido, siempre y cuando el espectro de frecuencia de la señal de medida tenga un rango diferente al del ruido.

Frecuencia

Frecuencia

Frecuencia

Frecuencia

Señales Transmitidas

0

0

0

0

Filtro Pasa Bajo.

Filtro Pasa Alto.

Filtro Pasa Banda.

Filtro de Bloqueo de Banda.

Gráficas de características de frecuencias.

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Transmisión de Señales

Por ejemplo, si se tiene una señal de frecuencia no deseada de valor fo, la posibilidad de utilizar un filtro pasa bajo, si las frecuencias de la señal deseada están por debajo de ésta, es valida; si la señal tiene valores de frecuencia por encima se utilizará un pasa alto.

Frecuencia

Frecuencia

Frecuencia

Frecuencia

Señales Transmitidas

0

0

0

0

Filtro Pasa Bajo.

Filtro Pasa Alto.

Filtro Pasa Banda.

Filtro de Bloqueo de Banda.

Gráficas de características de frecuencias.

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Modulación

En el proceso de transmisión de señales, uno de los problemas que se encuentran, es que, en las señales de corriente continua de bajo nivel desde los transductores, se puede debilitar la señal o ser modificada por factores externos.

Este problema puede ser solucionado si la señal es de corriente alterna en vez de continua. Para realizar esta conversión se puede utilizar alguna técnica de modulación .

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Modulación

El proceso de realizar la conversión de corriente continua a alterna se puede realizar troceando la señal de corriente continua. Este proceso se llama modulación por amplitud de impulso. Después de la amplificación y cualquier otro acondicionamiento de la señal, la señal modulada puede ser demodulada para proporcionar una salida de corriente continua, nuevamente.

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Otras alternativas a este tipo de modulación se encuentran la modulación por anchura de impulsos que no es más que la duración de un impulso, depende del valor de la tensión de entrada.

Modulación

Las técnicas utilizadas son modulación de amplitud, la modulación de fase y la modulación frecuencia, donde sea la amplitud, fase o frecuencia de la señal portadora son modificadas de acuerdo al valor de tensión de entrada.

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Modulación de amplitud del impulso de una señal de corriente continua.

0

Señal modulada.

Tiempo

0

Señal modulada

amplificada.

Tiempo

Tensión decorriente continua.

Tiempo

0

0

Señal desmodula

da.

Tiempo

Modulación de duración del impulso deuna señal de corriente continua.

0

0

0

Tensión decorriente continua.

Tiempo

TiempoSeñal

modulada de impulso

ancho.

Tiempo

(a) Modulación de amplitud.(b) Modulación de frecuencia.

a.-

b.-

Diferentes tipos de Modulación.

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Transmisión Estándar 4-20 mA.

Normalmente se utiliza la señal con valores de 4 a 20 mA, para todo el rango de medición del instrumento.

El uso de otros tipos de señales como de 0 a 20 mA, de 10 a 50 mA, de 1 a 5 V o de 0 a 10 V., era menos frecuente y en la actualidad difícil de encontrar.

Uno de los problemas que se presenta frecuentemente al transmitir una señal de medición es la atenuación debida a las resistencias de los cables conductores de la misma.

Una forma de disminuir este efecto es transmitiendo las señales de voltajes variables como señales de corriente variables.

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Para realizar esta operación se utiliza un convertidor de tensión a corriente, que consta de dos fuentes de corriente, controladas por voltaje; una de ellas que proporciona una salida de 4 mA, utilizada como corriente de suministro eléctrico, y la segunda fuente de corriente tiene una salida que varia entre 0 y 20 mA., dependiendo del voltaje que recibe el circuito en la entrada.

La salida del convertidor varía entonces entre 4 y 20 mA.

+I 1

I 2

4 mA

R

0 a 16 mA

+

Transmisión Estándar 4-20 mA.

Circuito convertidor Tensión – Corriente

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Transmisión por protocolo HART

El protocolo de comunicación HART (Transductor Remoto Direccionable de Alta velocidad) fue introducido por primera vez por la compañía Rosemount Inc. en 1986 como un estándar de diseño exclusivo para la comunicación de transmisores.

Poco después de su introducción, Rosemount decidió permitir su acceso para uso por parte de otros fabricantes.

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Transmisión por protocolo HART

Desde esa fecha, el protocolo ha adquirido amplia popularidad y ahora constituye uno de los estándares de facto de mayor desarrollo para la instrumentación de campo de procesos. En la actualidad, más de 60 fabricantes ofrecen productos con el protocolo HART.

El estándar está regulado en el presente y puede adquirirse en la HART Communication Foundation (HCF), un consorcio de proveedores y usuarios de HART.

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Transmisión por protocolo HART

Es un protocolo de comunicación que puede usarse en los existentes sistemas de control de 4-20 mA con gastos mínimos para su implementación.

Pueden utilizarse los actuales cableados de campo de las señales entrada y salida de los sistemas de control.

El protocolo de comunicación HART combina la señalización analógica y digital, permitiendo la transmisión simultánea de información que no sea de control. 

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Transmisión por protocolo HART

HART usa una técnica de codificación por modificación de frecuencia (SFK, por sus siglas en inglés) para sobreponer comunicación digital en el lazo de corriente de 4-20 mA que conecta el instrumento de campo con el sistema de control.

Se utilizan dos frecuencias (1.200 Hz y 2.200 Hz) para representar un 1 y un 0 binarios.

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Transmisión por protocolo HART

Estos tonos se sobreponen a la señal DC a un bajo nivel.

La señal AC tiene un valor promedio de cero.

Por ello, no se registra ningún cambio de DC en la señal existente de 4-20 mA, independientemente de los datos digitales.

En consecuencia, el instrumento puede seguir utilizando la señal analógica 4-20 mA para control de procesos y la señal digital para información que no sea de control. 

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Transmisión por protocolo HART

A diferencia de un transmisor, un instrumento de válvula analógica está diseñado para ofrecer una baja impedancia en el campo y recibir la señal de 4-20 mA, no controlarla.

Cuando se reemplaza un instrumento de válvula analógica con un dispositivo basado en HART, éste debe permitir la vigilancia de la corriente y proporcionar la circuitería de control de corriente.

Esta circuitería se utiliza para vigilar la señal de 4-20 mA (DC) para control de válvulas. También debe permitir la vigilancia y control de corriente a 1.200 y 2.200 Hz para señalización digital. 

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Transmisión por protocolo HART

Otra diferencia que presentan los dispositivos de salida HART es el Diseño del sistema de control al cual están conectados.

Los canales de entrada analógica que se usan con transmisores, son diseñados generalmente como una fuente de voltaje con un sensor de resistencia en la ruta de retorno.

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Transmisión por protocolo HART

La impedancia de 250 Ohm de este canal de entrada es apropiada para la comunicación HART al igual que para la detección de corriente analógica y ofrece longitudes óptimas de cable.

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Transmisión por protocolo HART

En el caso de un instrumento instalado en una válvula conectado a un canal de salida analógica (SA), la situación es distinta.

El instrumento debe presentar la menor impedancia para la vigilancia de la corriente de lazo y el canal SA debe presentar la mayor impedancia para la comunicación HART. 

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Protocolo Modbus

El protocolo Modbus es un protocolo de transmisión diseñado por Gould Modicon (AEG Schneider Automation) para sistemas de de control y supervisión de procesos (SCADA) con control centralizado.

En este tipo de protocolo, la MTU o estación maestra puede comunicarse con varias estaciones remotas (RTU) para obtener los datos de campo utilizados en la supervisión y control de los procesos industriales.

Los datos pueden transmitirse de dos formas: en modo RTU o Modbus Binario y en Modo ASCII en el cual los mensajes duran casi el doble que para el modo de transmisión en RTU.

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Protocolo Modbus

Algunas características de este protocolo de comunicación son:

Control por Dígitos

Transmisión FDX/HCX asincrónica (Fullduplex / Semiduplex)

Una maestra puede controlar hasta 247 remotas

Topología estrella

Interfases RS-232D, RS-422 , RS-485, lazo 4-20 mA

Velocidad de transmisión 1200 a 19200 bps

Medios de transmisión: Par trenzado, cable coaxial, radio.

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Conversores de Tensión a Frecuencia

Los conversores de tensión a frecuencia son algunos de los acondicionadores de señales utilizados cuando la distancia del sensor a la unidad de visualización es relativamente larga, tal que el uso de una de las variantes del puente de Wheatstone no es conveniente, puesto que este es adecuado solo para longitudes de cables relativamente cortas.

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Conversores de Tensión a Frecuencia

De esta manera, si un sensor utilizado para la medición de la temperatura es un elemento del tipo resistivo, podría incorporarse en el puente de Wheatstone y la diferencia de potencial de desequilibrio resultante quedaría convertida en frecuencia para luego ser transmitida a la unidad distante de visualización.

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Conversores de Tensión a Frecuencia

Estructura Básica de un convertidor de tensión a frecuencia

Page 26: “CURSO DE INSTRUMENTACIÓN INTELIGENTE PARA PROCESOS INDUSTRIALES” Transmisión de Señales

Conversores de Tensión a FrecuenciaEn términos generales, un oscilador controlado por tensión es también un convertidor T/F, pero su margen de variación es mas limitado (100 a 1 a lo sumo) y su linealidad es menor.

Alcanzan, en cambio, frecuencias muy superiores a los 10 Mhz, que es el limite de los convertidores T/F.

Los convertidores T/F integrados tienen frecuencia de salida, a fondo de escala, de 100Khz a 10 Mhz, y un margen de variación de frecuencia de 1 a 10000, lo cual equivale a una resolución de 13 bits en un convertidos A/D.

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Conversión Analógica a Digital

Los circuitos conversores de señales analógica a digital son necesariamente empleados cuando se utiliza un microprocesador, como parte del procesamiento de señales de un sistema de medida o control.

Esto es debido a que, en su mayoría, la salida de los sensores suele ser de forma analógica, es decir, el valor de salida de estos esta relacionada con el valor de entrada en forma continua.

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Conversión Analógica a Digital

La relación entre la entrada y la salida empleada por un elemento de conversión analógica a digital puede expresarse como:

Donde VA es la señal de entrada analógica, VD es una tensión de referencia del circuito conversor, b1 , b2 , b3 , ........ , bn sus salidas digitales y n el numero de dichas salidas que constituyen la palabra que representa a la señal analógica.

)2...222( 33

22

11

nnDA bbbbVV

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Conversión Analógica a Digital

Si, por ejemplo, la longitud de la palabra estuviese limitada a ocho bits, entonces el valor de n sería 8.

La resolución del conversor guarda relación con la longitud de la palabra que es capaz de manejar, es decir, el valor mas pequeño de VA que causara una variación en la salida digital.

A consecuencia de esto la salida del elemento conversor asciende a saltos o escalones en vez de producirse en forma continua. Por esta razón en la expresión anterior es utilizado el símbolo de aproximadamente igual.

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Conversión Analógica a Digital

Por ejemplo, supóngase que se tiene un circuito conversor cuya tensión de referencia es 1V con una palabra de cuatro bits. Una variación mínima en la tensión analógica 1/16V, causaría un cambio de uno de sus bits. El valor de 1/16 antes obtenido es lo que se conoce como la resolución, cualquier cambio inferior a este no alterará la salida digital.

)2...222( 33

22

11

nnDA bbbbVV

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Conversión Analógica a Digital

Si el conversor de señal analógica a digital maneja una palabra de n bits de longitud, entonces un cambio de 1 a 0 en cualquiera de estos bits es el mínimo cambio que puede ocurrir y, por tanto la resolución queda definida por:

Los conversores de analógica a digital por lo general tienen típicamente longitudes de palabras de 8, 10, 12, 14 y 16 bits.

nDA VV 2

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Conversión Analógica a Digital

Otra característica a resaltar es el máximo valor de la tensión analógica que esta definido por el máximo valor de la palabra, es decir:

En esta expresión se puede observar que a mayor longitud de palabra, el término que se encuentra dentro del paréntesis tiene un valor muy próximo a 1.

)21( nDA VmáximoV

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Conversión Digital a Analógica

En el proceso de conversión de digital a analógica se tiene una entrada de señales digitales y una salida de señal analógica. La salida analógica VA esta relacionada con la entrada digital por:

donde VB en la tensión de referencia. Esta es la tensión máxima analógica que la salida puede tener para una longitud de palabra utilizada. Dicha longitud es de n bits siendo b1, b2, b3,... bn los bits de la palabra codificada en binario, la cual se desea convertir en una señal analógica.

)2...222( 33

22

11

nnBA bbbbVV

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Muestreo y Retención

Cuando se utilizan conversores de analógica a digital es necesario un dispositivo de muestreo y retención con el fin de mantener la señal analógica el suficiente tiempo para que el conversor complete la operación. Sin dicho dispositivo, si la señal analógica se altera durante la conversión, pueden aparecer errores.

El dispositivo como su nombre lo indica toma una muestra de la entrada analógica y la mantiene para el conversor de analógica a digital.

Esencialmente, este es un condensador que, cuando es conmutado en paralelo con la entrada, se carga con la tensión analógica, mantiene su diferencia de potencial hasta que es utilizado por el conversor de analógica a digital.

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Muestreo y Retención

Esencialmente, este es un condensador que, cuando es conmutado en paralelo con la entrada, se carga con la tensión analógica y mantiene su diferencia de potencial hasta que es utilizado por el conversor de señal analógica a digital.

Conversor de Analógica a Digital.

Muestreoy Retención

Conversor de Analógica a Digital

Entrada, Señal analógica

Salida, Señal Digital

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Multiplexores

Los multiplexores son empleados cuando es necesario muestrear medidas desde un numero diferente de lugares, por ejemplo, las temperaturas en una serie de habitaciones.

En vez de utilizar un sistema distinto de medida para cada caso, puede usarse un multiplexor con un pequeño conversor de analógica a digital con muestreo y retención.

Conversor de Analógica a Digital Utilizando un Multiplexor..

MultiplexorMuestreo

y Retención

Entrada,Señal analógica

Conversor de

Analógica a Digital

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REDES INDUSTRIALES

Las comunicaciones entre los instrumentos de proceso y el sistema de control se basan principalmente en señales analógicas (neumáticas de 3 a 15 psi en las válvulas de control y electrónicas de 4 a 20 mA cc).

Pero ya existen instrumentos digitales capaces de manejar gran cantidad de datos y guardarlos históricamente; su precisión es diez veces mayor que la de la señal típica de 4-20 mA cc.

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REDES INDUSTRIALES

Las redes industriales se pueden clasificar, basándose en la funcionalidad, en:

buses actuadores y sensores,

buses de campo y dispositivos

buses de control.

En vez de transmitir cada variable por un par de hilos, transmiten secuencialmente las variables por medio de un cable de comunicaciones llamado bus.

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Buses Actuadores y Sensores

Inicialmente es usado un sensor y un bus actuador en conexión simple, dispositivos discretos con inteligencia limitada, como un foto sensor, un switch limitador o una válvula solenoide, controladores y consolas terminales.

Los sensores y buses actuadores como ASI y CAN (Control Advanced Network), son diseñados para que el flujo de información sea reducido a pocos bits y el costo por nodo sea un factor crítico.

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Buses de Campo y Dispositivos

Estas redes se distinguen por la forma como manejan el tamaño del mensaje y el tiempo de respuesta. En general estas redes conectan dispositivos inteligentes en una sola red distribuida. Estas redes ofrecen altos niveles de diagnóstico y capacidad de configuración, generalmente al nivel del poder de procesamiento de los dispositivos más inteligentes. Son las redes más sofisticadas que trabajan con control distribuido real entre dispositivos inteligentes, tal es el caso de FIELDBUS FOUNDATION.

Comúnmente dichas redes incluyen en los dispositivos y buses de campo las clases CANOpen, DeviceNet, Fieldbus Foundation, Interbus-S, Lonwork, Profibus-DP y SDS.

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Buses de Control

Típicamente los buses de control para redes de punto a punto, entre controladores como PLC (Controlador Lógico Programable), DCS (Sistemas de control distribuido), Sistemas de consolas terminales usados para HMI (Interfase Hombre Máquina), archivamiento histórico y control supervisor; son usados para coordinar y sincronizar el control entre las unidades de producción y las celdas de manufacturación.

Usualmente son empleados como buses controladores para redes industriales (Control Net, Profibus-FMS, Map).

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Buses de Control

Adicionalmente, puede usarse frecuentemente Ethernet con TCP/IP como un bus controlador para conectar dispositivos de alto nivel y consolas terminales.

Pueden usarse también redes Ethernet como GATEWAY para conectar otras redes industriales.

En este caso es recomendado aislar el segmento de la red industrial Ethernet del bus principal con Bridge para hacer el segmento independiente.

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Componentes de las Redes Industriales

En grandes redes industriales un simple cable no es suficiente para conectar el conjunto de todos los nodos de la red. Deben definirse topologías y diseños de redes para proveer un aislamiento y conocer los requerimientos de funcionamiento.

Repetidor

El repetidor o amplificador es un dispositivo que intensifica las señales eléctricas para que puedan viajar grandes distancias entre nodos. Con este dispositivo se pueden conectar un gran numero de nodos a la red; además se pueden adaptar a diferentes medios físicos como cable coaxial o fibra óptica.

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Componentes de las Redes Industriales

EnrutadoresEs un switch "Enrutador" de paquetes de comunicación entre diferentes segmentos de red que definen la ruta.

BridgeCon un puente la conexión entre dos diferentes secciones de red, puede tener diferentes características eléctricas y protocolos; además puede enlazar dos redes diferentes.

GatewayUn gateway es similar a un puente ya que suministra interoperabilidad entre buses y diferentes tipos de protocolos y además las aplicaciones pueden comunicarse a través de él.

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Topología de las Redes Industriales

Red Bus

Enlaza todos los dispositivos en serie por conexiones extensas con un mismo cable; dependiendo del tipo de red muchos nodos pueden estar empalmados en el bus y comunicarse con otros nodos por el mismo cable.

Red Bus.

Además, la topología de bus es simple de entender, fácil de extender, pero también presenta una serie de desventajas, por ejemplo: una ruptura del cable puede causar fallas de comunicación a un número de dispositivos y la congestión en el trafico de la red reduce la comunicación en la misma.

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Topología de las Redes Industriales

Red Jerárquica o Estrella

Tiene un controlador central y uno o más segmentos de conexión de red que parten del concentrador, con la topología estrella se pueden agregar fácilmente nuevos nodos sin interrumpir la operación de la red. Entre los beneficios de esta topología se encuentran que ante la falla de un dispositivo no se interrumpe la comunicación entre algunos otros dispositivos y la red; pero al fallar el concentrador la red entera falla.

Red Jerárquica o Estrella.

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Topología de las Redes Industriales

Red Híbrida o Anillo

Es la más usada para aplicaciones industriales ya que permite la combinación de las topologías bus y estrella para crear grandes redes que consisten en concertadores y miles de dispositivos iguales.

Su configuración es muy popular en las redes industriales Ethernet, Fieldbus Foundation, Device Net, Profibus y CAN, usando buses híbridos y topología estrella dependiendo de la aplicación requerida.

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Topología de las Redes Industriales

Red Híbrida o en Anillo.

Las redes en topología Híbrida ofrecen las ventajas y desventajas de las topologías de red Bus y Estrella, se puede configurar dicha red híbrida para que al fallar un dispositivo no se saque a otro de servicio y se pueden adicionar o retirar segmentos de red sin afectar algún nodo de la ya existente.

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Beneficios de una Red Industrial

Entre algunos de los beneficios que se pueden tener al implementar una red se tienen los siguientes:

Reducción del cableado (físicamente).

Dispositivos inteligentes (funcionalidad y ejecución).

Control distribuido (Flexibilidad).

Simplificación de cableado de las nuevas instalaciones.

Reducción de costo en cableado y cajas de conexión.

Aplicable a todo tipo de sistema de manufactura.

Incremento de la confiabilidad de los sistemas de producción.

Optimización de los procesos existentes.

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