Automatización Industrial II
Alumnos: •Ignacio Olmedo. •Luciano Mulki Aguilera
Profesor: •Ing. Luis Salto
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Comunicaciones Digitales. Modelo OSI Redes de Area Local (LAN) Comunicación Serie: Codificación y Sincronización de Datos. Buses de Campo: AS-i (Aplicación en Software Twido Suite V2.01) Modbus PROFIBUS INTERBUS FIPIO (Aplicación para comunicación con Magelis en XBTL-1000)
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Ventajas de enlazar sistemas de control industriales: Posibilidad de intercambio de información entre equipos que controlan fases sucesivas de un mismo proceso. Facilidad de comunicación hombre máquina y de la gestión del control. Adquisición de datos de sensores y procesamiento de los mismos con vistas a control de calidad, gestión, estadística u otros propósitos. Uso de una base de datos común. Versatilidad en cuanto a la adaptación a la evolución y diversificación de productos. Posibilidad de tratar con lenguajes de alto nivel en las distintas fases de la estructura de la red industrial.
Desventajas de enlazar sistemas industriales: • Supone una mayor complejidad técnica, la que tiene que pasar desapercibida al usuario. • Resulta difícil unificar un sistema que integre productos diversos y de distintos fabricantes, con distintas funciones, lenguajes, protocolos y prestaciones. NO EXISTE UNA NORMA DE ACEPTACION GENERAL. Solución parcial: Pasarelas.
(Open Systems Interconnection Interconexión de Sistemas Abiertos) Norma universal para protocolos de comunicación lanzado en 1984. Fue propuesto por ISO y divide las tareas de la red en siete niveles. Es un modelo de referencia y no una arquitectura ya que no especifica protocolos. Proporciona a los fabricantes estándares que aseguran mayor compatibilidad e interoperabilidad entre distintas tecnologías de red producidas mundialmente.
Servicios de enlace y transporte Servicios de soporte al usuario
El modelo OSI fue originiariamente diseñado para redes WAN, pero las comunicaciones en el entorno industrial suelen basarse en redes más reducidas del tipo LAN, utilizando sólo las funciones imprescindibles del modelo OSI (OSI incompleto): • No se implementan los niveles de RED (3), TRANSPORTE (4) y SESION (5), puesto que son redes de uso exclusivo y esos servicios están gestionados desde el ENLACE (2). • El nivel de PRESENTACION (6) suele no ser utilizado dentro de redes de dispositivos homogéneos o normalizados, funciones asumidas por el nivel de APLICACIÓN (7) En caso de necesitarse “pasarelas” (de LAN a WAN) es imprescindible el nivel 6.
Redes de Comunicaciones Industriales: Redes Locales Industriales (LAN Industriales)
Topología
Estrella
Anillo
BUS
Coste de Conexión
Alto
Medio
Bajo
Ampliación
Fácil
Difícil
Fácil
Fiabilidad
Baja
Media
Alta
Retardos
Medio
Alto
Bajo
Rendimiento Global
Bajo
Medio
Alto
Sincronización de Bits: -Transmisión Asíncrona: No se transmite señal de reloj. La línea sólo transmite información, y la sincronización de bit se logra generando un reloj en recepción que necesariamente será asíncrono, ya que resulta imposible obtener un frecuencia exactamente idéntica. El problema se resuelve añadiendo en cada carácter un bit de “start” igual a 0 y uno o más bit de “stop” igual a 1, con un reloj de recepción cuya frecuencia sea múltiplo de la frecuencia de bits
Sincronización de Bits: -Transmisión Síncrona: Se transmite de alguna forma la señal de reloj. Por una línea adicional (poco frecuente), o bien, generalmente, escogiendo una forma de codificación apropiada, modulación de fase, de frecuencia, codificación Manchester, etc. (La señal mantiene cambios de nivel frecuentes que permiten sincronizar el reloj de recepción)
Sincronización de los caracteres: -Transmisión Asíncrona: Se sincroniza el carácter mediante los bits de START y STOP, cuando no existe comunicación, la línea se mantiene a nivel alto de forma que el primer bit de START recibido dará una transición de nivel alto a bajo. •No permite ratios de transmisión muy elevados (19.200 baudios). •Para transmitir 8 bits necesito de 11 a 12 bits, por lo que la información útil es de un 73% a un 66% respectivamente.
Sincronización de Caracteres: -Transmisión Síncrona: Para optimizar la información útil y permitir frecuencias de transmisión más altas, se recurre a la transmisión síncrona, que consiste en intercalar periódicamente unos caracteres especiales denominados de “sincronismo” (SYNC); en ausencia de datos a transmitir, la línea transmite continuamente los SYNC.
Codificación de Bits más utilizados: -NRZ (Non Return to Zero= Sin Retorno a Cero): Para transmisión asíncrona; es el primer sistema de codificación y también el más simple. Consiste en la transformación de 0 en -X y de 1 en +X, lo que resulta en una codificación bipolar en la que la señal nunca es nula. Como resultado, el receptor puede determinar si la señal está presente o no.
Codificación de Bits más utilizados: -NRZI (Non Return to Zero Inverted = Sin Retorno a Cero Invertido): Para transmisión síncrona y asíncrona. La codificación NRZI es significativamente diferente de la codificación NRZ. Con este tipo de codificación, cuando el valor del bit es 1, la señal cambia de estado luego de que el reloj lo indica. Cuando el valor del bit es 0, la señal no cambia de estado.
Codificación de Bits más utilizados: - La codificación Manchester, también denominada codificación de dos fases o PE (que significa Phase Encode (Codificación de Fase)), introduce una transición en medio de cada intervalo. De hecho, esto equivale a producir una señal OR exclusiva (XOR) con la señal del reloj, que se traduce en un límite ascendente cuando el valor del bit es cero y en un límite descendente en el caso opuesto.
Control de errores:
A nivel de caracter
Paridad PAR o IMPAR Framing
ERRORES
De sincronización Overrun A nivel de Mensaje
Paridad Horizontal CRC “Checksum”
Polinomial
BUSES DE CAMPO
Bus AS-i
Concepto
Estructura Interna Características Perfiles Maestro
Esclavo
Componentes Básicos Chip ASIC Terminal de Direccionamiento
Maestros
Esclavos
Autómata
No Comunicantes
Pasarela
Comunicantes
Dedicados
Cable del BUS Fuente de Alimentación Repetidor Estendedor
Repartidores Activos
Pasivos
Concepto Bus AS-i: AS-Interface o AS-i fue diseñado en 1990 como una alternativa económica al cableado tradicional. El Objetivo fundamental fue determinar un sistema de comunicación único para todos los fabricantes de sensores y actuadores. La idea original fue crear una red simple para sensores y actuadores binarios, capaz de transmitir datos y alimentación a través del mismo bus, manteniendo una gran variedad de topologías que faciliten la instalación de los sensores y actuadores en cualquier punto del proceso con el menor esfuerzo posible y que cumpliera con las normativas de seguridad.
Estructura Interna: •El AS-i es un bus para sensores y accionadores del tipo todo o nada con topología libre en línea, en anillo, en árbol, etc. •El tiempo de respuesta del BUS es muy breve, de menos de 5 ms de ciclo como máximo, para un máximo de 31 esclavos conectados. •El BUS AS-i se puede conectar a autómatas programables dotados de módulos maestro AS-i, o bien, mediante módulos pasarela, conectarlo a buses de nivel superior. (FIPIO, MODBUS, PROFIBUS)
AS-i se sitúa en la parte más baja de la pirámide de control, conectando los sensores y actuadores con el maestro del nivel de campo. Los maestros pueden ser autómatas o PCs situados en los niveles bajos de control, o pasarelas que comuniquen la red AS-Interface con otras redes de nivel superior, como Profibus o DeviceNet.
Principales características: •Permite reemplazar los múltiples cables utilizados para conectar los autómatas a los sensores y accionadores. •Posibilidad de conectar un máximo de 31 esclavos (interfaces que permiten conectar varios E/S) •Posibilidad de utilizar cable plano cuyo perfil sirve como guía de posicionamiento y recubrimiento auto cicatrizante en caso de retirado un equipo (alimentación y señal). •Tiempo de escrutación del conjunto de esclavos 5 ms como máximo. • Velocidad de transferencia de datos de 167 kbits/s •Longitud de cable máxima es de 100m por cada segmento de BUS (a 200m con Repetidor).
Instalación con módulos multipolares
Instalación con BUS AS-i
Perfiles: •MAESTROS: -Lectura y escritura de entradas y salidas. -Modificación de los parámetros de los esclavos. -Test del BUS. -Comprobación de los esclavos presentes con respecto de una configuración de referencia. •ESCLAVOS: -Se identifican con un código identificador (Identification Code) y su configuración de entrada/salida (I/O Code), los que determinan el “PERFIL” del esclavo.
Componentes Básicos: CHIP ASIC: Los sensores y actuadores desarrollados para el BUS AS-i disponen de un circuito integrado específico Asic (Aplication Integrated Circuit) que se integra directamente en el sensor o accionador (componentes comunicantes). Para integrar componentes no comunicantes se dispondrá de una interfaz de conexión que puede admitir hasta 4 sensores y 4 accionadores estándar. Es de reducido tamaño por lo tanto se puede integrar fácilmente a los sensores y actuadores.
El BUS AS-i admite hasta 31 esclavos, cada esclavo viene equipado con el chip Asic y así, cada esclavo dispone de: •4 bits de entradas digitales (adquiridos por el esclavo y enviados al maestro) •4 bits de salidas digitales (transmitidos por el maestro y recibidos por el esclavo) •4 bits de parámetros (del maestro al esclavo, valores que no se interpretan como salidas, que son para cambiar y controlar las configuraciones y los modos de funcionamientos de los dispositivos esclavos)
Terminal de Direccionamiento: Los esclavos por defecto traen almacenada la dirección '0'. Como cada esclavo en una Red AS-i necesita de una dirección propia, (ya que en el caso de que varios de ellos tengan una misma dirección se producirán errores en la red) se necesita de un dispositivo capaz de asignar a cada esclavo una dirección única. Esa tarea es la labor del Terminal de Direccionamiento. El terminal de direccionamiento reconoce al esclavo y le asigna una dirección comprendida entre la 01 y la 31. Además, incorporan un conector M12 para sensores o actuadores inteligentes.
Los Cables AS-i Como cable de red puede emplearse cualquier bifilar de 2 x 1.5 mm2 sin apantallamiento ni trenzado, sin embargo, se recomienda utilizar el Cable Amarillo por sus virtudes: •Conectable por perforación de asilamiento. •Codificación mecánica para evitar los cambios de polaridad, es decir, el perfil del cable es asimétrico, lo que impide que sea conectado de forma inadecuada a los restantes dispositivos de la red. •Grado de protección IP65/67. •Autocicatrizante, lo que permite la desconexión segura de los esclavos manteniendo el grado de protección IP65/67. •Existen módulo sin electrónica integrada que adaptan el cable AS-i a otros normalizados, como el cable redondo con conector M12.
Fuente de Alimentación: Las Fuentes de Alimentación para el bus AS-i son específicas, ya que deben proporcionar potencia a los esclavos conectados y realizar el acoplamiento de los datos sobre la alimentación. Proporcionan tensiones entre 29.5 y 31.5 V DC. Normalmente son resistentes a cortocircuitos y sobrecargas. Cada segmento de la red (si se utilizan repetidores) requiere su propia fuente de alimentación. Las salidas de los módulos se alimentan mediante fuentes auxiliares 24 V DC a través del cable negro.
Repetidor: Si en la Red, se requiere prolongar la longitud del cable por una distancia superior a 100m necesitaremos de un Repetidor. Éste componente actúa como un amplificador de señal y requiere de una fuente de alimentación en cada extremo. Además permite conectar esclavos en cada lado del mismo. Tanto el Extensor como el Repetidor, pueden alcanzar un máximo de 300 metros. Es posible conectar varios repetidores en paralelo o (un máximo de 2) en serie, de modo que la extensión máxima de red de una AS-Interface aumente de los 100m convencionales hasta 500m.
Extensor ó estendedor: Cuando en una Red AS-i un dispositivo que actúa como maestro está alejado del resto de sensores y actuadores, puede ser necesario añadir un Extensor. Éste, es un componente pasivo que tiene como función duplicar la longitud máxima que puede tener el cableado de un sensor o actuador en un segmento AS-Interface, es decir, tiene la capacidad de ampliar un tramo de red de 100 a 200 metros. Además, para alimentar a los esclavos conectados al segmento de hasta 200 metros de largo no se requiere más que una fuente de alimentación, la cual, se conectará al punto más alejado de la red As-i.
Maestro de la Red As-i es una red monomaestro, es decir, sólo permite la existencia de un maestro en la red. Esto posibilita que el protocolo de comunicación de la red sea mucho más sencillo, simplificando la electrónica de red. El Maestro de una red AS-Interface es el encargado de recibir todos los datos que viajan a través de la red y enviarlos al PLC correspondiente. También es el que organiza todo el tráfico de datos y en caso de que fuera necesario pone los datos de los sensores y actuadores a disposición del PLC o de un sistema de bus superior (por ejemplo, PROFIBUS), a través de las pasarelas. Además de todo esto, los maestros envían parámetros de configuración a los esclavos y supervisan la red constantemente suministrando datos de diagnóstico, por lo que son capaces de reconocer fallos en cualquier punto de la red, indicar de qué tipo de fallo se trata y determinar el esclavo que lo originó.
Esclavos de la Red AS-i Los esclavos intercambian cíclicamente sus datos con un maestro, el cual será el encargado de gestionar el tráfico de datos a través de la red. En un bus AS-i pueden conectarse hasta 62 esclavos. Las estructuras compactas y descentralizadas son posibles tanto en armarios eléctricos como a pie de máquina, p. ej., en módulos con un alto grado de protección. Los esclavos As-i pueden conectarse al bus de tres formas: •Sensores / actuadores convencionales (NO COMUNICANTES). Se conectan al bus mediante módulos de E/S o repartidores activos. •Sensores / actuadores convencionales con capacidad de comunicación (COMUNICANTES). Se conectan directamente al bus AS-i mediante una interfaz dedicada. •Sensores / actuadores integrables en AS-i (As-i DEDICADOS). Se conectan directamente al bus. Pueden contener parámetros configurables desde el maestro.
Módulos AS-interface: •Módulos Activos ó Repartidores Activos: Son aquellos módulos que integran un chip AS-i, por lo que poseen una dirección en la red (debe ser asignada con un direccionador o por el maestro). Al poseer una dirección, tendrán asignados 4 bits de entradas y 3 ó 4 bits de salidas según se emplee direccionamiento extendido o estándar, respectivamente. Estos módulos se emplean para conectar sensores y actuadores no AS-i, es decir, sensores y actuadores binarios convencionales.
Módulos AS-interface: •Módulos Pasivos ó Rapartidores Pasivos. Estos módulos no poseen electrónica integrada, es decir, sólo proporcionan medios para cambiar el tipo de cable, por ejemplo de AS-i a M12, para realizar bifurcaciones en la red en topologías de tipo árbol o como un medio de conexión de sensores y actuadores AS-i con chip integrado. Estos módulos no poseen dirección de red, ya que serán los dispositivos con electrónica AS-i integrada los que la posean.
Cada módulo se divide en dos partes: •Módulo de Acoplamiento. Proporcionan una interfaz electromecánica con el cable AS-i. La parte inferior es adecuada para su acoplamiento a un carril normalizado, mientras que la parte superior posee las cuchillas de penetración para el cable AS-i. •Módulo de Usuario. Estos módulos son específicos según la aplicación para la que estén destinados. Existen módulos de usuario que son simples recubrimientos del cable para la realización de bifurcaciones, hasta otros que integran un chip AS-i para la conexión de sensores y actuadores binarios. En este caso, el módulo de usuario también poseerá LEDs de diagnóstico de la red.
PARA EL EJEMPLO
PARA EL EJEMPLO
PARA EL EJEMPLO
Introducción:
La designación Modbus Modicon corresponde a una marca registrada por Gould Inc. No obstante se suele hablar de MODBUS como un estándar de bus de campo en general (PROFIBUS, FIPIO , INTERBUS , etc.).
Medio Físico:
El medio físico de conexión puede ser un bus semidúplex (half duplex) (RS-485 o fibra óptica) o dúplex (full duplex) (RS-422, BC 0-20mA o fibra óptica).
La comunicación es asíncrona y las velocidades de transmisión previstas van desde los 75 baudios a 19.200 baudios. La máxima distancia entre estaciones depende del nivel físico, pudiendo alcanzar hasta 1200 m sin repetidores.
ESTRUCTURA LOGICA:
La estructura lógica es del tipo maestro esclavo, con acceso al medio controlado por el maestro. El número máximo de estaciones previsto es de 63 esclavos más una estación maestra.
Los intercambios de mensajes pueden ser de dos tipos: • Intercambios punto a punto, que comparten siempre dos mensajes: una demanda del maestro y una respuesta del esclavo puede ser simplemente un reconocimiento. • Mensajes difundidos. Estos consisten en una comunicación unidireccional del maestro a todos los esclavos. no tiene respuesta por parte de los esclavos ( configuración, reset, etc. )
PROTOCOLO: La codificación de datos dentro de la trama puede hacerse en modo ASCII o puramente binario, según el estándar RTU (RemoteTransmission Unit).
En cualquiera de los dos casos, cada mensaje obedece a una trama que contiene cuatro campos principales
La única diferencia estriba en que la trama ASCII incluye un carácter de encabezamiento («:»=3AH) y los caracteres CR y LF al final del mensaje. Pueden existir también diferencias en la forma de calcular el CRC, puesto que el formato RTU emplea una fórmula polinómica en vez de la simple suma en módulo 16
Número de esclavo : Permite direccionar un máximo de 63 esclavos con direcciones que van del 01H hasta 3FH. El número 00H se reserva para los mensajes difundidos.
Código de operación o función:
Ordenes de lectura/escritura de datos en los registros o en la memoria del esclavo. Ordenes de control del esclavo y el propio sistema de comunicaciones (RUN/STOP, carga y descarga de programas,verificación de contadores de intercambio, etc.)
Código de operación:
Campo de subfunciones/datos (n bytes):
Este campo suele contener, en primer lugar, los parámetros necesarios para ejecutar la función indicada por el byte anterior. Estos parámetros podrán ser códigos de subfunciones en el caso de órdenes de control (función 00H) o direcciones del primer bit o byte, número de bits o palabras a leer o escribir, valor del bit o palabra en caso de escritura, etc.
Campo de subfunciones:
Mensajes de error:
Cuando un esclavo recibe una trama incompleta o errónea desde el punto de vista lógico, envía un mensaje de error como respuesta, excepto en el caso de mensajes de difusión. Si la estación maestra no recibe respuesta de un esclavo durante un tiempo superior a un límite establecido, declara el esclavo fuera de servicio, a pesar de que al cabo de un cierto número de ciclos hace nuevos intentos de conexión.
El protocolo Modbus TCP Modbus/TCP simplemente encapsula una trama Modbus en un segmento TCP. Esta técnica de consulta/respuesta encaja perfectamente con la naturaleza Maestro/Esclavo de Modbus, añadido a la ventaja del determinismo que las redes Ethernet conmutadas ofrecen a los usuarios en la industria. El empleo del protocolo abierto Modbus con TCP proporciona una solución para la gestión desde unos pocos a decenas de miles de nodos.
Existen en el mercado gran cantidad de buses de campo diferentes: .Profibus Siemens .Device Net Allen Bradley .FIPIO Telemecanique .AS-I .Interbus .EIB
Los métodos utilizados en los buses de campo para actualizar los datos de proceso o entrada/salida son: Strobe Petición de información por parte del maestro y envío desde los dispositivos esclavos. Muy eficientes para sensores. Polling El maestro envía información de salida al dispositivo y éste le responde con la información de entradas. Cambio de estado El dispositivo no transmite información hasta que se modifica el estado de las variables. Muy eficiente en sistemas discretos. Cíclico El dispositivo envía la información a la red en un intervalo de tiempo prefijado
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El bus FIPIO es un bus industrial abierto conforme a la norma FIP
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FIP es impulsada por fabricantes y organismos industriales Franceses
FIPIO por Telemecanique: • El bus permite que se conecten hasta un máximo de 127 agentes. •
La dirección 0 está reservada al gestor y la dirección 63 a la terminal de programación.
AGENTES: • El bus permite la gestión como máximo de 32 agentes por segmento de bus. • Los dispositivos que se pueden conectar como agentes al bus FIPIO son: Autómatas TSX Micro o Autómatas Premium Módulos de entrada/salidas distantes Módulos pasarela Variadores de velocidad, etc. (Velocidad del transmisión del bus es de 1Mbit/segundo)
Topología Está limitado a 4 repetidores en cascada, es
decir 5 segmentos en cascada. Longitud del bus 1 Km sin repetidor 5 Km con 4 repetidores eléctricos(5 segmentos de 1Km) 15 Km con 4 repetidores ópticos(5 segmentos de 3 Km)
La base fue un proyecto de investigación de varias empresas y cinco institutos de investigación alemanes. Actualmente, Profibus en sus 3 versiones FMS, DP y PA son estándar europeo EN50170 Hay instalados más de dos millones en más de 200000 aplicaciones. Con más de 1600 productos disponibles. Hay aproximadamente 250 fabricantes de productos Profibus en todo el mundo. Dos asociaciones: • PI (Profibus Internacional) • NO (Organización de usuarios de Profibus)
Profibus es uno de los buses de campo que cuenta con mayor aceptación en Europa. Profibus DP- Periferia descentralizada • Tiempos de reacción muy pequeños • Transferencia de pequeñas cantidades de datos • Conexión de equipos de campo, accionamientos, paneles de operación, autómatas programables y PCs
Profibus FMS- Fieldbus Message Specification Interconexión en red de autómatas, supervisores de proceso, paneles de operación, PCs, etc • Comunicación orientada a objetos •
Profibus PA- Automatización de procesos
Conexión de equipos de proceso sobre autómatas, supervisores de proceso, PC. Datos y alimentación sobre un cable Seguridad Intrínseca
Es una red de sensores/accionadores distribuidos para sistemas de fabricación y control de procesos continuos. Es un sistema abierto de alta prestaciones, de topología en anillo Interbus no está respaldado por los grandes fabricantes de autómatas. Sin embargo, alrededor de 700 desarrolladores de dispositivos de campo lo soportan, sacando al mercado continuamente nuevos desarrollos técnicos y productos. En la actualidad hay instalados más de 1,5 millones de dispositivos de campo
Un sistema basado en Interbus está compuesto por una tarjeta de control, instalada en un PC industrial o en un autómata programable que comunica con un conjunto de dispositivos de entrada/salida Norma 1997 EN50254 Método de comunicación maestro-esclavo
BUS
Propietario
Principales variantes
Velocidad banda base (bps = bits por segundo)
Distancia segmento
Nodos por segmento
Par trenzado apantallado
76.800 bps.
1.200 m
125
Par trenzado apantallado
9,6 Kbps 19,2 Kbps 93,75 Kbps 187,5 Kbps 500 Kbps
1.200 m 1.200 m 1.200 m 600 m 200 m
32
1.900 m 750 m 500 m
Fibra óptica
31,25 Kbps 1 Mbps 2,5 Mbps 5 Mbps
Bus lineal
Par trenzado
de 300 bps a 19,2 Kbps
1.000 m
248
Anillo
Par trenzado
500 Kbps
400 m
256
Bus lineal
Par trenzado
125 Kbps 250 Kbps 500 Kbps
500 m 250 m 100 m
64
Bus lineal Árbol Estrella
Coaxial Fibra óptica
5 Mbps 5 Mbps
1.000 m 3.000 m
48
Topología
Medio físico
Buses para aplicaciones de control industrial e instrumentación P-NET
PROFIBUS
WorldFIP
Industria (Dinamarca)
Industria (Alemania)
Industria (Francia)
Modbus
Modicon (USA)
Interbus-S
Phoenix (Alemania)
DeviceNet
Allen Bradley (Rockwell)
ControlNet
Anillo
PROFIBUS-DP (Siemens)
Bus lineal
FIPIO (Schneider) Bus lineal FIPway (Schneider)
Modbus-plus (Schneider)
Par trenzado apantallado
32
PARA EL EJEMPLO
Dispositivos utilizados: Sensor de presión analógico marca Festo Modulo de ampliación con 2 entradas analógicas TWDAMI2HT (0-10V o 4-12 mA) 12 bits Visulizador compacto Magelis.
PARA EL EJEMPLO
Descripción del sensor:
PARA EL EJEMPLO
Descripción modulo de ampliación analógico:
PARA EL EJEMPLO
