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wirelessTRANSCRIPT
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mpujados por el vertiginoso des-
arrollo tecnolgico, los dispositivos
inalmbricos se estn introduciendo gra-
dualmente en los entornos industriales. Su
utilizacin, no obstante, ha sido bastante
limitada hasta ahora. En la actualidad es
posible utilizar un enlace inalmbrico para
configurar un dispositivo de campo o veri-
ficar el estado de los motores de una
planta, pero hasta ahora nadie ha sido
capaz de resolver la compleja tarea del
control en bucle cerrado empleando
sensores inalmbricos sin bateras. Hasta
ahora.
Por qu tecnologa inalmbrica
en la industria?
Los ltimos aos han sido testigos de una
revolucin en la comunicacin inalmbrica.
Los altos volmenes de produccin para el
mercado de la automatizacin domstica y
de oficinas han hecho posible soluciones de
comunicacin avanzadas a un precio incre-
blemente bajo. La industria de las telecomu-
nicaciones ha facilitado las cosas al crear es-
tndares mundiales para los enlaces inalm-
bricos, como 802.11, Bluetooth, GSM, Zig-
bee y otros, eliminando as la necesidad de
soluciones regionales especiales.
Asumiendo que las modernas soluciones
IndustrialIT para la industria requieren co-
municaciones almbricas e inalmbricas
avanzadas como importantes tecnologas de
apoyo, ABB ha seguido muy de cerca los
conceptos, las tecnologas y las empresas
42 Revista ABB 4/2002
Technology review
Christoffer Apneseth, Dacfey Dzung, Snorre Kjesbu, Guntram Scheible, Wolfgang Zimmermann
En las lneas de produccin de todos los sectores industriales se utilizan numerosos sensores yactuadores. Y todos y cada uno de estos dispositivos requieren cableados para la alimentacin deenerga y para los datos. Los cables no solo son caros de instalar, tambin constituyen una fuentehabitual de averas.
Pero la solucin ya est en marcha. ABB est comercializando un nuevo interruptor de proximidad,inalmbrico, que incorpora un mdulo de comunicaciones para la alimentacin de energa, latransmisin de seales y la comunicacin hombremquina, eliminando, por tanto, la necesidad delcableado.
E
Es de esperar que la tecnologa inalmbrica tenga un profundo impacto en las industrias de fabricacindurante los prximos cinco aos. ARC, Mayo de 2001
Introduccin de los interruptores de proximidad inalmbricos
Wireless
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Revista ABB 4/2002 43
surgidas de la automatizacin de oficinas y
de la telecomunicacin. Este sector es muy
prometedor, como avala la compaa ARC,
especializada en el anlisis de empresas,
quien en mayo de 2001 declar: Es de es-
perar que la tecnologa inalmbrica tenga
un profundo impacto en las industrias de fa-
bricacin durante los prximos cinco aos.
Por qu la tecnologa inalmbrica re-
sulta tan atractiva para las aplicaciones in-
dustriales? Qu espera la industria de esta
tecnologa?
En pocas palabras, la tecnologa inalm-
brica tiene tres ventajas principales: reduce
los costes gracias a su fcil instalacin, a la
simplicidad de su diseo y a la reduccin
de los materiales necesarios; aumenta la
productividad introduciendo movilidad, fle-
xibilidad y rpido acceso a la red; y, final-
mente, hace posible nuevas aplicaciones y
servicios con valor aadido, entre ellos
clientes de porttiles y terminales de opera-
dor, faceplates, diagnsticos a distancia, etc.
Estas ventajas, inherentes a la comunica-
cin inalmbrica, encuentran plena expre-
sin en el nuevo interruptor de proximidad
inalmbrico de ABB.
Interruptores inalmbricos
de proximidad
Los interruptores de proximidad inductivos
son los sensores de posicin ms utilizados
Cajas de engranajes: una de las muchas aplicaciones industriales
que precisan gran cantidad de interruptores de proximidad
1
Sensor con y sin cables. El cableado necesita una construccin mecnica especial.2
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Technology review
para el control de mquinas . Muy fia-
bles y sin contacto fsico real, informan al
controlador sobre los movimientos de una
mquina. Dado que los interruptores de
proximidad inductivos estn diseados para
detectar objetos de metal, normalmente son
insensibles a la suciedad.
Sin embargo, existe un problema: las co-
nexiones entre los sensores y el sistema de
control. Las conexiones se realizan con ca-
bles fijos multifilares con un conector o con
terminales. Aunque integrar los interrupto-
res de proximidad inductivos en el diseo
de la mquina ha sido relativamente senci-
llo, el diseo e instalacin de los cables si-
gue siendo laborioso, especialmente cuando
los cables se mueven al comps de cada
movimiento de la mquina .
Hoy en da, el diseador de mquinas
dispone de diversas soluciones tcnicas
para aumentar la fiabilidad de las conexio-
nes elctricas entre los componentes mvi-
les de la mquina, aunque la mayora de s-
tos, como los transmisores de anillo desli-
zante, solo son adecuados para aplicaciones
especiales. El empleo de tubos y cables
muy flexibles es la forma ms extendida de
mejorar la fiabilidad de esas conexiones.
No obstante, los cables siguen siendo la
fuente principal de averas en los sensores y
de tiempos de parada de las mquinas. Por
lo tanto, la eliminacin de los cables es un
avance fundamental [1]. Y precisamente
para esto se han diseado los nuevos inte-
rruptores de proximidad inalmbricos de
ABB.
Fcil de definir,
difcil de resolver
El problema que en 1998 se present a un
grupo de investigadores de ABB era tan
sencillo de definir como difcil de resolver:
encontrar una solucin que sustituyera los
sensores de proximidad tradicionales, sin
utilizar cables ni bateras. Un duro desafo,
sin duda. No obstante, lo que hace cuatro
aos pareca ser una misin imposible
hoy ya es realidad.
Los investigadores, radicados en Nor-
uega, Alemania y Suiza, dividieron el pro-
blema en tres reas: el sistema de comuni-
cacin inalmbrica, la alimentacin inalm-
brica de energa y el sensor de baja poten-
cia.
El primero de stos, el sistema de comu-
nicacin inalmbrica, tiene que ser tan fia-
ble como los sensores provistos de cable.
Y dado que estos sensores forman parte de
los sistemas de control de bucle cerrado,
han de satisfacer limitaciones temporales
muy estrictas. La tecnologa deber ser ba-
rata y consumir poca energa. Adems, los
sensores tendrn que coexistir con sistemas
que producen interferencias, como son las
redes inalmbricas de rea local WLAN y
Bluetooth, y soportar las autointerferencias
producidas por los miles de sensores in-
almbricos presentes en la planta industrial.
Claramente, todos los estndares de radio
existentes estn muy lejos de satisfacer estos
requisitos.
La alimentacin inalmbrica de energa
supuso un desafo similar, aunque ms fun-
damental. La tecnologa de bateras ha avan-
zado mucho durante los ltimos diez aos,
pero no existe ninguna batera que funcione
sin mantenimiento durante un mnimo de
diez aos, como requiere este sistema. Se
estudiaron diversas tecnologas como los
termopares, las clulas fotovoltaicas, las pi-
las de combustible, etc. La nica solucin
que se mostr viable fue el acoplamiento
inductivo, en el cual un pequeo campo
magntico que atraviesa el volumen de una
mquina se convierte en energa elctrica
para las unidades de sensores.
La tercera tarea consisti en desarrollar
la tecnologa de deteccin bsica, con nive-
les de potencia de dos rdenes de magnitud
por debajo de la tecnologa tradicional.
En el ncleo de la solucin de todos es-
tos problemas se encuentra la arquitectura
general del sistema y a ella dedicaremos las
primeras consideraciones.
La arquitectura del sistema
El sistema dispone de cuatro bobinas
primarias (E) instaladas alrededor de la c-
lula de produccin. stas son alimentadas
por dos fuentes de alimentacin (D) que su-
ministran corriente alterna a las bobinas,
produciendo un campo magntico a travs
de la clula de produccin. Los interrupto-
res de proximidad inalmbricos (A) que hay
dentro de la clula disponen de pequeas
3
2
1
A
A
A
A
B
C
DD
E
Clula tpica en una lnea de montaje de motores con interruptores de
proximidad inalmbricos (A) agrupados en el brazo robotizado, bobinas primarias (E),
dos fuentes de alimentacin (D), dos antenas (B) y un mdulo de entrada(C).
3
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bobinas que recogen la energa del campo
magntico y la convierten en corriente elc-
trica. Los sensores tambin disponen de pe-
queos emisoresreceptores y de electr-
nica de baja potencia que controlan el en-
lace de comunicacin inalmbrica. Los sen-
sores se comunican con un mdulo de en-
trada (C) a travs de las antenas (B) monta-
das en la clula. Este mdulo se comporta
bsicamente como un mdulo de entrada
tradicional con cables. Puede manejar si-
multneamente hasta 60 interruptores de
proximidad inalmbricos y est conectado
al sistema de control por medio de un co-
nector FieldBusPlug de bus de campo de
ABB [2]. En una misma rea pueden coexis-
tir cinco mdulos de entrada, con posibili-
dad de utilizar hasta 300 sensores en una
clula de produccin.
Durante todo el desarrollo del sistema, la
idea central ha sido la facilidad de uso. Por
lo tanto, se han concebido unas instruccio-
nes de instalacin y unos procedimientos de
configuracin sencillos. El usuario puede
instalar el sistema sin necesidad de tener
profundos conocimientos de alimentacin
inalmbrica o de las tecnologas de comuni-
cacin. Los sensores se configuran fcil-
mente usando la pantalla LCD y los teclados
de membrana del mdulo de entrada. Al
mismo tiempo que rene todos los requisi-
tos propios de un sistema tradicional con
cables, la alternativa inalmbrica ofrece ven-
tajas adicionales, como son los diagnsticos
y el control automtico; este nuevo sistema
simplifica, adems, la solucin de los pro-
blemas y la sustitucin de los sensores.
Alimentacin inalmbrica de
energa
La carga o sustitucin regular de bateras no
es una opcin prctica para las aplicaciones
industriales aunque en el mundo de la elec-
trnica de consumo esto se considere acep-
table, tanto ms si existen cientos de senso-
res, que pueden estar montados en lugares
inaccesibles o en mquinas que funcionan
da y noche. Por eso se necesita un disposi-
tivo de energa autnomo [3] o una alimen-
tacin inalmbrica de energa y un sistema
electrnico con un consumo muy bajo de
energa.
En trminos generales, la energa auxiliar
puede estar:
n Incluida en el sistema: por ejemplo las
bateras, las pilas de combustible, etc.
n Tomada del entorno del sistema: luz,
calor, vibracin, activacin por el usuario,
etc.
n Transmitida al sistema: ptica, radio-
frecuencia, acstica, etc.
La definicin del problema hace inviable
la primera variante, mientras que la segunda
no satisface los estrictos requisitos de fiabili-
dad y controlabilidad de la industria. Des-
pus de una cuidadosa evaluacin de las
distintas opciones ofrecidas por el tercer en-
foque, se concluy que el acoplamiento
magntico es la nica solucin viable.
La alimentacin magntica
El principio bsico de una alimentacin de
energa inducida por un campo magntico
puede ser descrito por el conocido modelo
de transformador con elementos parsitos
. En nuestro caso, el bobinado principal
(B) es una gran bobina alrededor de la c-
lula (llamada volumen) y el secundario un
nmero casi ilimitado de pequeas bobinas
receptoras (C) con un ncleo de ferrita que
aumenta el flujo recogido por la bobina.
Por tanto, los elementos parsitos domi-
nan y el factor principal de acoplamiento es
la intensidad del campo magntico en el se-
cundario. Si las bobinas principales tienen
una configuracin de Helmholtz, este par-
4
A
CCC
CCCA
Alimentacin inalmbrica de energa
Una fuente de alimentacin (A) alimenta la bobina primaria (B) con corriente de 120 kHz.
Los sensores (C), situados en el circuito primario, estn equipados con bobinas
secundarias. El esquema de la derecha muestra el diagrama del circuito equivalente
con acoplamiento inductivo.
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metro se mantiene relativamente constante
para un gran volumen. Aunque los opera-
rios no trabajen de forma continua en la c-
lula, la intensidad del campo cumple las re-
comendaciones y normativas laborales inter-
nacionales [4].
Las prdidas, sorprendentemente peque-
as, estn determinadas fundamentalmente
por las prdidas de conduccin de la bo-
bina provocadas por las corrientes de Fou-
cault.
Alimentacin de energa de
frecuencia mediana resonante
Un transformador de este tipo funciona
mejor en rgimen de resonancia, en el cual
se compensa la gran inductancia (fugas). As
se hace posible el funcionamiento con baja
tensin o intensidad. Una fuente de alimen-
tacin de este tipo tambin debe poder su-
perar:
n Variaciones en el entorno, como las
originadas por obstculos metlicos mviles
de gran tamao, como son los robots.
n Grandes variaciones de carga, por
ejemplo si las bobinas primarias son de
tamaos distintos (valores de inductancia) o
si se dan prdidas variables, por ejemplo
por aparicin de corrientes de Foucault en
objetos metlicos prximos.
La alimentacin principal, por tanto, nece-
sita un controlador automtico, rpido y de
alta precisin, para mantener firmemente el
rgimen fijo de frecuencia de resonancia de
120 kHz.
Estructura omnidireccional
del receptor
Para alcanzar una potencia significativa en
el lado del receptor, las bobinas tambin
han de funcionar en modo resonante. Ade-
ms, para lograr una produccin constante
de energa, independientemente de la orien-
tacin respecto del vector de campo prima-
rio, se ha elegido una configuracin ortogo-
nal de tres bobinas. Esta disposicin es muy
adecuada para la produccin en serie, ya
que su puesta a punto es sencilla.
Campo giratorio
Dado que un campo unidireccional podra
resultar apantallado involuntariamente por
los objetos metlicos, se ha adoptado el
campo giratorio.
Considerando el caso ms desfavorable
de apantallamiento y una intensidad de
campo mnima, los niveles de potencia al-
canzables por la bobina secundaria depen-
den principalmente del tamao y forma de
la bobina y del ncleo de la misma. Con los
primeros prototipos se obtuvieron para el
caso ms desfavorable valores tpicos de
1 mW/cm2 para 6 A/m. Si es necesario se
pueden suministrar niveles de potencia bas-
tante ms altos, por ejemplo para actuado-
res industriales (vlvulas, pequeos disposi-
tivos).
El sistema de energa debe ser capaz de
alimentar clulas de produccin tpicas, con
un tamao de hasta 6 x 3 x 3 m2. Dado su
carcter modular, el sistema puede ser am-
pliado para dar servicio a varias clulas de
ese tipo.
Comunicaciones inalmbricas
El subsistema de comunicacin inalmbrica
transmite las seales del sensor al mdulo
de entrada, que puede ser comparado con
una estacin base en un sistema celular.
Debe satisfacer las rigurosas exigencias de
un entorno industrial, es decir, tener tiem-
pos de respuesta muy rpidos (general-
Comunicacin inalmbrica
Cada mdulo de entrada recoge datos de los sensores de su rea y los transfiere
por un bus de campo (FB) hasta el controlador de la mquina (PLC).
5
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mente muy inferiores a 1015 ms), dar ser-
vicio a gran nmero de sensores ubicados
en una clula de varios metros de radio y
garantizar una alta integridad de la transmi-
sin de datos, incluso cuando la propaga-
cin de radio pueda verse afectada por obs-
tculos e interferencias .
En un amplio estudio se evaluaron los
sistemas existentes, pero ninguno de ellos
satisfizo todos estos requisitos. Por ejemplo,
los sistemas pasivos de etiquetado electr-
nico, como los usados en los grandes
almacenes, no tienen ni alcance ni flexibili-
dad suficientes, y las WLAN o enlaces in-
almbricos de corto alcance como Blue-
tooth [5] no soportan un numero elevado
de sensores.
En consecuencia se decidi disear un
nuevo sistema, ajustado a las necesidades
del sensor inalmbrico, aprovechando al
mximo los componentes estndar de bajo
coste que hubiera disponibles.
El nuevo sistema opera en la banda de
radio de 2,4 GHz asignada a los usuarios
ISM (industriales, cientficos y mdicos). Un
avanzado mdulo de entrada diseado por
ABB garantiza que la complejidad resida en
el mdulo de entrada ms que en el sensor.
Un mdulo de este tipo puede gestionar in-
almbricamente hasta 60 sensores. Aunque
el diseo de ABB es similar en muchos as-
pectos a una estacin base WLAN, tiene va-
rias caractersticas que lo diferencian clara-
mente:
n Transmisin y recepcin simultneas de
las seales de radio; Bluetooth y WLAN no
admiten el funcionamiento full-duplex.
n Recepcin simultnea de las seales ms
potentes y ms dbiles. Una seal fuerte
puede tener una potencia un milln de
veces mayor que una seal dbil!
n Supresin de interferencias. Un sensor
puede captar un mensaje o seal muy dbil
aunque exista una potente seal de
interferencia en alguna frecuencia prxima.
n Las antenas de transmisin y recepcin
de los mdulos de entrada pueden ser
conmutadas peridicamente para disponer
de diversas trayectorias de propagacin,
haciendo frente as a los efectos de
desvanecimiento (fading) y ensombre-
cimiento (shadowing).
El hardware de comunicacin del sensor se
basa en un transmisorreceptor Bluetooth
estndar (radio) para aprovechar la econo-
ma de escala, la integracin de componen-
tes (pequeo tamao) y el bajo consumo de
energa. En particular, la antena de comuni-
cacin del mdulo transmisorreceptor
del sensor debe elegirse con sumo cuidado.
Su radiacin ha de ser omnidireccional para
lograr una transmisin uniforme, indepen-
dientemente de la orientacin del sensor
respecto de las antenas del mdulo de en-
trada.
No obstante, la optimizacin del mdulo
de entrada y del hardware de sensor no es
suficiente si no se cumplen otros requisitos
(por ejemplo la alta fiabilidad, los retardos
mnimos en los mensajes y la capacidad de
utilizacin por gran nmero de sensores).
Este problema se soluciona con un proto-
colo de comunicacin hecho a medida, que
proporciona a los sensores acceso a la emi-
sin sin interferencias mutuas, asignando a
cada sensor un canal tiempo/frecuencia es-
pecfico para sus mensajes. Los parmetros
de este esquema de transmisin de tiempo,
6
5
Electrnica del mdulo de comunicacin
Bobina receptora omnidireccional para la alimentacin de energa y antena integrada
(en primer plano) para la comunicacin por radio
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de mltiple acceso y con transmisin simul-
tnea por divisin de frecuencia (TDMA/
FDM), se escogen para satisfacer los requisi-
tos de gran nmero de sensores, asegurar
un tiempo de respuesta corto y hacer un
uso completo de la banda de radio disponi-
ble. Un esquema de salto de frecuencia,
combinado con una deteccin de errores y
una retransmisin automtica de mensajes
en caso de fallo, garantiza una entrega fia-
ble de los mensajes enviados por los senso-
res, incluso en presencia de sistemas que
generan interferencias, como Bluetooth,
WLAN, hornos microondas y sistemas elec-
trnicos de etiquetado.
Para garantizar un consumo de energa
lo ms bajo posible, el mdulo de comuni-
cacin del sensor se mantiene en hiberna-
cin hasta el instante en que el sensor cam-
bia de estado. Cuando tiene lugar un evento
en el sensor, ste restablece rpidamente el
enlace de radio por medio de una seal pi-
loto desde el mdulo de entrada, antes de
transmitir el mensaje. Normalmente, este
restablecimiento tarda 2 ms, llegando a
1015 ms en el caso ms desfavorable,
cuando se ha de transmitir varias veces el
mensaje. Con fines de diagnstico del sis-
tema, los sensores tambin transmiten dos
veces por segundo el mensaje Estoy ac-
tivo.
Deteccin de baja potencia
Los sensores de proximidad estn entre los
sensores ms fundamentales y utilizados en
las mquinas de produccin y en los robots.
Su funcionamiento se basa en un circuito
oscilador de baja frecuencia sintonizado que
emite un campo detector desde el cabezal
del sensor. Cuando el sensor se acerca a un
objeto metlico, el oscilador experimenta
una desintonizacin. En la forma de onda
oscilante se detecta el cambio y se produce
la correspondiente seal del sensor.
El consumo de energa del sensor in-
almbrico debe mantenerse lo ms bajo po-
sible. Esto se puede conseguir mediante una
electrnica de consumo ultrabajo o redu-
ciendo los ciclos de funcionamiento de la
deteccin; en lugar de medir de forma con-
tinua, el sensor se enciende, toma una me-
dida y a continuacin se apaga por un
tiempo prolongado. Despus de investigar
estas dos posibles soluciones, se decidi
usar un cabezal de sensor disponible co-
mercialmente con una electrnica de bajo
consumo y adaptarlo adecuadamente.
Camino del mercado
En la Feria de Hannover 2002 (Alemania),
ABB hizo una demostracin en directo de la
primera preproduccin de interruptores de
proximidad inalmbricos , que desperta-
ron gran inters. Tanto los constructores de
maquinaria como los usuarios finales pudie-
ron ver por s mismos las ventajas de insta-
7
Interruptores de proximidad inalmbricos en un brazo robotizado. Demostracin en la Feria de Hannover 2002.7
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Revista ABB 4/2002 49
larlos en los equipos de montaje, en las l-
neas de produccin y en las aplicaciones de
robots.
Durante el segundo trimestre de 2003
asistiremos al inicio de su comercializacin.
El primer programa se compone de inte-
rruptores de proximidad inalmbricos, un
equipo de alimentacin de energa, la bo-
bina primaria, una antena de radio y un m-
dulo de entrada, el cual se comunica con el
controlador de la mquina por medio de un
conector FieldBusPlug de bus de campo de
ABB.
Los interruptores de proximidad inalm-
bricos tienen dos partes principales : el
mdulo de comunicacin y un cabezal sen-
sor. De la alimentacin de energa, de la
transmisin de seales y de la comunica-
cin hombre-mquina se encarga un nico
tipo de mdulo de comunicacin. Para
cubrir distancias de conmutacin desde
1,5 mm hasta 15 mm existen cabezales sen-
sores con tamaos M8x1, M12x1, M18x1 y
M30 x 1.5, de tipo empotrado o de superfi-
cie.
Libertad para el futuro
Con la introduccin de los interruptores in-
almbricos de proximidad, ABB ha dado un
importante paso hacia la automatizacin in-
almbrica. Han quedado resueltos con xito
los retos ms importantes de la distribucin
de energa y de la fiabilidad y retardo de la
comunicacin.
El sistema que hemos descrito en este
artculo est concebido para los interrupto-
res de proximidad inalmbricos, pero la tec-
nologa podra aplicarse fcilmente a otros
sensores y actuadores. La alimentacin de
energa en general y la tecnologa de comu-
nicaciones podran hacer emerger nuevas
aplicaciones en ABB que hoy por hoy no
podemos ni imaginar.
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Autores
Christoffer ApnesethSnorre KjesbuDr. Dacfey DzungDr. Guntram Scheible ABB Corporate [email protected]@[email protected]@de.abb.com
Wolfgang Zimmermann ABB STOTZ-KONTAKT [email protected]
References[1] W. Zimmermann: Kabel eliminiert (Cabling eliminated). Computer & Automation 10/2002 Mindelheim, Germany, Oct 2002.
[2] Cubriendo un hueco en el mercado de buses de campo. ABB Review 1/2002, 3034.
[3] G. Scheible: Wireless energy autonomous systems: Industrial use? Sensoren und Messysteme VDE/IEEE Conference, Ludwigsburg, Germany,
March 1112 2002.
[4] International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP): Guidelines for Limiting Exposure to Time-Varying Electric, Magnetic, and
Electromagnetic Fields (up to 300 GHz). Health Physics vol 74, no 4, 494522, 1998.
[5] J. Endresen, et al: BluetoothTM , transmisin va de corto alcance con mltiples aplicaciones. Revista ABB 2/2001, 3543.
El interruptor de proximidad inalmbrico tiene dos partes: el mdulo de comunicacin
(gris) con interruptor de lminas y LED, y el cabezal sensor cilndrico (plateado).
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