BRPI0620673A2 - sistema de distribuição elétrica - Google Patents

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BRPI0620673A2
BRPI0620673A2 BRPI0620673-5A BRPI0620673A BRPI0620673A2 BR PI0620673 A2 BRPI0620673 A2 BR PI0620673A2 BR PI0620673 A BRPI0620673 A BR PI0620673A BR PI0620673 A2 BRPI0620673 A2 BR PI0620673A2
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communication
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radio frequency
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BRPI0620673-5A
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John A Wafer
Joseph C Engel
James L Lagree
Charles J Luebke
Original Assignee
Eaton Corp
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Abstract

SISTEMA DE DISTRIBUIçãO ELéTRICA. Um sistema de distribuição elétrica inclui uma cabine de manobra ou uma cabine central de controle de motor, uma pluralidade de primeiros dispositivos de controle, de medição, de proteção, dentro da citada cabine, e um ou mais segundos dispositivos. Os segundos dispositivos incluindo dispositivos display montados na cabine, dispositivos de display montados externos à cabine, e dispositivos de monitoramento estruturados para monitorar o sistema e se comunicar com um local remoto. A comunicação entre os primeiros e os segundos dispositivos sendo feita através de uma comunicação sem-fio.

Description

"SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO ELÉTRICA" Campo da Invenção
A presente invenção se relaciona geralmente a sistemas de distribuição elétrica, e mais particularmente a sistemas que provêem uma comunicação entre uma pluralidade de dispositivos de distribuição elétrica em um invólucro de distribuição elétrica. Histórico da Invenção
Um sistema de distribuição elétrica tipicamente consiste de uma pluralidade de dispositivos de proteção, medição, e controle em um invólucro, tal como uma cabine de comando ou uma cabine metálica de controle de motor ou um invólucro de plástico. Freqüentemente se provê um mecanismo de comunicação cabeada com um dispositivo monitor para permitir que os vários dispositivos se comuniquem com o dispositivo display no invólucro ou com um local mais afastado que monitora as condições do sistema. o mecanismo de comunicação cabeado no invólucro tipicamente emprega um ou mais barramentos de campo cabeados.
Dispositivos de distribuição elétrica, tal como disjuntores de circuito, são instalados em uma cabine de manobra (switchgear) . Muitos destes dispositivos são capazes de transmitir, por exemplo, dados on-line, alarmes/status, causas de disparo (abertura), e informação de pontos de decisão. Tipicamente, os barramentos de campo cabeados são barramentos de par- retorcido que interconectam os dispositivos a um único nó, associado à cabine de manobra. Há numerosas versões deste nó, incluindo (1) nós locais com interface homem- máquina (HMI) (por exemplo, di^plays e chaves), que se destinam a uso na cabine; (2) nós sem comando que se destinam a interfaces ou portas para conectar os dispositivos a um ou mais (,iistemas de comunicação remotos; e (3) nós que se des zinam a ambas funções, local e remota.
A figura 1 mostra um sistema de distribuição elétrica 2 incluindo uma rede de barramento de campo de par- retorcido 4 e nó sem comando 6, para interfacear dispositivos de comunicação de barramento de campo operativo, tal como 7, 8, 9, 10, e um sistema de comunicação Ethernet 12.
Por conseguinte, há espaço para melhorar a comunicação em sistemas de distribuição elétrica. Sumário da Invenção
Esta necessidade e outras serão atendidas pela invenção, que prove um sistema de comunicação sem-fio entre uma pluralidade de dispositivos de distribuição elétrica de um invólucro de distribuição elétrica.
De acordo com um aspecto da invenção, um sistema de distribuição elétrica compreende: um invólucro, uma pluralidade de primeiros dispositivos dentro do invólucro, os primeiros dispositivos sendo dispositivos de proteção, dispositivos de medição, ou dispositivos de controle, e tendo pelo menos um segundo dispositivo montado dentro do invólucro, fora do invólucro, ou estruturado para monitorar o sistema, e se comunicar com um local remoto, onde a comunicação entre os primeiros dispositivos e pelo menos um segundo dispositivo é uma comunicação sem-fio.
A comunicação sem-fio pode ser uma comunicação de freqüência de rádio.
A comunicação de freqüência de rádio pode ser provida através de uma rede de malha, uma rede estrela, ou uma rede estrela-malha.
O pelo menos um segundo dispositivo pode ser um dispositivo de comunicação portátil sem-fio.
O pelo menos um segundo dispositivo pode ser um display, ou uma interface para operador montado fora do invólucro. O pelo menos um segundo dispositivo pode ser um dispositivo de porta de rede.
O pelo menos um segundo dispositivo pode ser um dispositivo de interface homem-máquina fora do invólucro. O pelo menos um segundo dispositivo pode incluir um dispositivo de porta de rede dentro do invólucro e um dispositivo display fora do invólucro.
Descrição Resumida dos Desenhos
Um pleno entendimento da presente invenção poderá ser conseguido a partir da descrição das configurações preferidas das configurações preferidas que se segue em conexão com os desenhos anexos, nos quais:
A figura 1 é um diagrama de blocos de um sistema de distribuição elétrica, incluindo uma rede de barramento de campo de par-retorcido e um nó sem comando, que faz interface com dispositivos de comunicação de barramento de campo e um sistema de comunicação Ethernet; A figura 2 é uma vista isométrica de um sistema de distribuição elétrica empregando comunicação sem-fio entre os vários dispositivos de distribuição elétrica, de acordo com a presente invenção;
A figura 3 é um diagrama de blocos de um sistema de distribuição elétrica empregando uma comunicação sem-fio em uma rede de freqüência de rádio estrela, de acordo com uma configuração da presente invenção; e
A figura 4 é um diagrama de blocos de um sistema de distribuição elétrica empregando uma comunicação sem-fio em uma rede de freqüência de rádio estrela-malha, de acordo com outra configuração da presente invenção. Descrição Detalhada das Configurações Preferidas Como empregado nesta, a expressão "Sem-Fio" (Wire-Less) expressamente inclui, mas não se limita a, rádio- freqüência (RF) , infravermelho, IrDA7 rede de área individual sem-fio de baixa velocidade (LR-WPANs), outros tipos de rede de sensor sem-fio, redes de área sem-fio, IEEE 802.11 (e.g., 802.11a; 802.11b; 802.1 Ig), IEEE 802.15 (e.g., 802.15.1; 802.15.3, 802.15.4), outros padrões de comunicação sem-fio inclui (e.g., mas não se limita a, ZigBee™ da Alliance Standard), DECT, PWT, Pager, PCS, Wi-Fi, Bluetooth™, e celular.
Como empregado nesta, a expressão "Rede de Comunicação" expressamente inclui, mas não se limita a, Ethernet, qualquer rede de área local (LAN) , a uma rede de área ampla (WAN) , a um barramento de campo, a Intranet, a Extranet, a uma rede de comunicação global, a Internet, e/ou a uma rede de comunicação sem-fio.
Como empregado nesta, a expressão "Dispositivo de Distribuição Elétrica Portátil Sem-Fio" expressamente inclui, mas não se limita a, qualquer dispositivo de comunicação portátil com uma porta de comunicação sem-fio (por exemplo, um dispositivo portátil sem-fio, um display portátil sem-fio, uma interface para operador portátil, um computador portátil (PC) , e PDA (de Personal Assistent), e um "Data-Phone" (comunicador de dados)). A presente invenção é descrita em conexão com um sistema de manobra, embora seja aplicável a uma ampla gama de sistemas de distribuição elétrica (sem limitação, centros de controle de motor (MCCS), controles de pacotes (por exemplo, máquinas/equipamentos montados) painéis, centros de carga).
A figura 2 mostra um sistema de distribuição elétrica 20, incluindo um invólucro 22, uma pluralidade de primeiros dispositivos 24, 26, 27, 28 dentro do invólucro 22, e um ou mais dispositivos, tal como 30, 31, 32, 33, 34. Os primeiros dispositivos de exemplo 24, 26, 27, 28 incluem o dispositivo de proteção 24, dispositivos de medição 26 e 27, e o dispositivo de controle 28. Os segundos dispositivos 30, 31, 32, 33, 34 incluem os dispositivos 30 e 31 montados no invólucro 22, os dispositivos 32 e 33 externos ao invólucro 22, e o dispositivo de monitoramento 34 estruturado para monitorar o sistema e se comunicar com uma localização remota. A comunicação entre os primeiros 24, 26, 27, 28 e os segundos dispositivos 30, 31, 32, 33, 34 emprega comunicação sem-fio.
Exemplo 1
Por exemplo, a comunicação sem-fio pode ser uma comunicação RF, e pode ser provida por uma rede de comunicação RF adequada, tal como uma rede de área individual sem-fio de baixa velocidade (LR-WPAN de Low- Rate Wireless Personal Network), que é uma rede de comunicação RF de curto alcance e baixa potência.
Exemplos de transceptores adequados para dispositivos LR- WPAN são dados nas Publicações de Pedido de Patente N02004/0233855 e N0 2004/0235468, que estão incorporados nesta por referência.
Exemplo 2
0 invólucro do sistema de distribuição elétrica 22, por exemplo, pode ser uma cabine de manobra uma cabine metálica de central de controle de motor ou um invólucro de plástico adequada. A comunicação sem-fio inclui comunicação sem-fio, quer externa e interna (por exemplo, roteamento de dados sem-fio) em dispositivos internos 24, 26, 27, 28 34, e em dispositivos externos 30, 31, 32, 33, incluindo os dispositivos 30 e 31 na superfície frontal 36 do invólucro 22. Para a cabine central de controle de motor, por exemplo, os vários dispositivos de proteção, medição, e controle 24, 26, 27, 28 tipicamente estão instalados em cabines individuais 38 - os chamados "buckets" (cestos). Para cabine de manobra, por exemplo, estas partes individuais 38 são chamadas "cassetes", que contêm disjuntores de circuito. Tais dispositivos também podem ser montados em barras ou cabos de barramento.
Exemplos não-limitantes de dispositivos de proteção 24 incluem disjuntores de circuito, unidades de disparo, e relês de sobrecarga de motor.
Exemplos não-limitantes de dispositivos de medição 26 e 27 incluem medidores (i.e. medidores de corrente/voltagem montados em painéis, medidores watt.hora, e medidores de fator de potência), sensores de voltagera/corrente/ temperatura (por exemplo e de modo não - limitante, podem ser montados em terminais de dispositivos existentes; em barras de barramento (não mostrados)).
Exemplos não-limitantes do dispositivo de controle 28 incluem starters de motor, contatores, comandos de motor de velocidade variável, controladores de velocidade variável (placas), e outros dispositivos controladores. O sistema 20 dispensa a fiação elétrica (i.e., a rede de barramento de campo 4 da figura 1) , e agora sendo usado dentro da cabine de manobra ou cabine central de controle de motor para transmitir informações a partir dos dispositivos de proteção, controle, e/ou medição a um display local/remoto ou a um centro de dados/computador remoto.
Exemplo 3
Pelo menos alguns dos primeiros dispositivos, como o dispositivo 24, podem ser dispositivos energizados por corrente. Exemplos dos quais podem ser encontrados nas Patentes U.S. N0 de série 10/962682 de 12 de outubro de 2004, e U.S. N0 de série 11/038899 de 19 de janeiro de 2005, ambas incorporadas nesta por referência. Exemplo 4
O sistema 20 pode incluir um ou mais displays locais, tal como dispositivos 3 0 e 31, que podem ser montados na superfíciè frontal 36 do invólucro 22, como mostrado. O sistema* 20 adicionalmente pode incluir um ou mais dispositivos de comunicação sem-fio portátil (PC) 33 (por exemplo, um dispositivo eletrônico de mão sem-fio, por exemplo, mas não se limita a - PDA) preferivelmente, pelo menos em alguma extensão afastado da superfície frontal 3 6 do invólucro.
Exemplo 5
O dispositivo de monitoramento 34 pode ser um dispositivo de porta de rede montado dentro do invólucro 22. Este dispositivo 34 provê uma interface para a rede de comunicação 40, para transmitir informações do sistema 20 a um local remoto (por exemplo, de modo não-limitante, a um centro de dados, a um outro computador, a um display de interface remota, ou a um outro dispositivo de porta) (não mostrado).
Exemplo 6
O dispositivo 31 pode ser um dispositivo de interface homem-máquina (interface para operador) colocado quer dentro ou fora do invólucro 22.
Exemplo 7
Os dispositivos 30 e 31 podem ser displays (de modo não- limitante, dispositivos display; anunciadores (tal como, painéis)) ou interfaces para operador, que podem ser montados dentro ou fora do invólucro 22, por exemplo, na superfície frontal externa 36 do mesmo.
Exemplo 8
0 dispositivo 32 pode ser, por exemplo, um micro computador (PC) com software específico para monitorar e/ou controlar os dispositivos 24, 26, 27, 28 dentro do invólucro 22.
Exemplo 9
Um mecanismo de comunicação preferido para uma posição remota é uma rede de comunicacao adequada, tal como uma rede de comunicação Ethernet 40. 0 dispositivo de monitoramento 34 pode ser um dispositivo de porta de rede (por exemplo, um dispositivo de porta RF para Ethernet) montado externo, próximo, ou interno (como mostrado) do invólucro 22. Este dispositivo 34 prove uma interface para uma rede de comunicação cabeada, tal como a rede de comunicação Ethernet 40 do exemplo, que pode prover informações com respeito ao sistema 20 a uma localização remota (não mostrado).
Exemplo 10
A comunicação RF pode ser provida através de uma rede de malha adequada. Uma rede de comunicação preferida é a rede padrão ZigBee™ Alliiance, que emprega um entrelaçamento de rede multi-hop (múltiplos movimentos) flexível, que pode ter diversas topologias de arquitetura, para garantir funções de rede com máxima eficiência e confiabilidade.
Como mostrado na figura 2, para conferir máxima flexibilidade e confiabilidade, a topologia de malha de ZigBee™, onde cada nó (i.e., os vários dispositivos 24, 26, 27, 28, 30, 31, 32, 33, 34) faz comunicação direta com os respectivos nós vizinhos, é uma opção. Se um único nó falhar, por qualquer razão, incluindo uma interface RF relativamente forte, então as mensagens RF serão automaticamente roteadas para trajetórias alternativas.
Exemplo 11
Como alternativa para o sistema 2 0 que usa uma rede de malha da figura 2, a comunicação RF pode ser feita por uma rede estrela. Com referência à figura 3, uma distribuição elétrica 20' usa uma rede de comunicação sem-fio em topologia estrela 50 para prover uma comunicação local eficiente (um movimento) (one-hop). Na rede estrela, um ponto de acesso central (ou mestre) 52 controla a comunicação entre os diversos nós (escravos), tal como 54, 56, 58. No entanto, quando uma interferência física ou RF bloqueia a comunicação entre o ponto de acesso 52 e um nó (54, 56, ou 58) a rede estrela não pode ser recuperada até a fonte da interferência ser removida, ou o sistema 20 selecionar e migrar para um canal de freqüência alternativo. A topologia de rede estrela de exemplo é uma rede de comunicação sem-fio simples que consiste de um mestre 52 e escravos 54, 56, 58, tal· como dispositivos de proteção (disjuntores de circuito) , dispositivos de medição, e/ou dispositivos de controle. Conquanto relativamente simples, esta topologia requer que os escravos 54, 56, 58 sejam capazes de se comunicar de volta diretamente com o mestre.
Exemplo 12
Como alternativa para o sistema 2 0 que usa a rede malha da figura 2 ou ao sistema 20' empregando a rede estrela da figura 3, a comunicação RF "pode ser provida com uma rede estrela-malha. Com referência à figura 4, um sistema de distribuição elétrica 2 0" emprega uma rede de comunicação sem-fio com base na topologia estrela-malha 60. O mestre 62 é energizado por uma voltagem de controle, enquanto os escravos; 64, 66, 68 70 são auto- energizados. 0 mestre 62 faz parte da rede de malha, se comunicando com todos os nós. Se um nó da malha falhar, então as trajetórias alternativas de roteamento serão automaticamente descobertas. Um aspecto chave da IEEE 802.15.4 é o conceito de entrelaçamento. No exemplo de rede estrela-malha, ao invés de requerer que cada nó, tal como dispositivos de proteção, dispositivos de medição, e/ou dispositivos de controle se comunique com um único nó (o mestre 52 da figura 3) o nó só precisa se comunicar com o nó adjacente. Por exemplo, os nós 72, 74, 76 podem se comunicar pelos nós 64, 70, 68, respectivamente, para se comunicar com o mestre 62. Alternativamente, neste exemplo, o nó 74 pode se comunicar através do nó 68, e o nó 76 pode se comunicar através dos nós 78 e 66 com o mestre 62. Assim, uma interferência física ou RF deixa de ser problema. As informações podem ser roteadas dispositivo-a-dispositivo entre quaisquer dois nós. É importante que os nós, tal como os nós 64, 77, 76, sejam energizados e ativados o tempo todo. Em contraste, aqueles nós, tal como 66, não precisam ser energizados o tempo todo e, portanto, aqueles componentes eletrônicos do dispositivo podem ser auto-energizados, por exemplo por uma corrente de carga do disjuntor de circuito. A topologia estrela-malha combinada 60 ou configuração superestrela combina as vantagens de ambas topologias malha e estrela. Isto preferivelmente se aplica a redes tipo "cluster", onde os nós estrela locais, tal como 72 são nós relativamente mais simples que podem ser energizados parasiticamente, se comunicando com nós de função completa, tal como 64, sempre energizados e com a capacidade de se comunicar pela malha. Assim, a topologia superestrela provê ambos eficiência e flexibilidade.
Exemplo 13
Embora os exemplos acima assumam uma conversão completa de comunicação cabeada para «comunicação sem-fio entre os vários primeiro e segundo dispositivos associados a um invólucro de sistema de distribuição elétrica 22, deve ser apreciado que pode ser provida uma comunicação híbrida para os vários primeiro e segundo dispositivos, tal como 24, 26, 27, 28 30, 31, 32, 33, 34, de modo que um ou mais destes primeiro e segundo dispositivos formem uma ilha de componentes cabeados, qual ilha comunicando entre os outros vários primeiro e segundo dispositivos empregando comunicação sem-fio. Em outras palavras, qualquer um ou mais dos vários sub-dispositivos inclui uma pluralidade de sub-dispositivos que se comunicam entre eles mesmos através de uma comunicação cabeada (sem limitação, empregando um barramento de campo cabeado) , de modo que um da pluralidade de sub- dispositivos atue como um único nó sem-fio para o outro da pluralidade de sub-dispositivos, e provendo uma comunicação sem-fio entre os outros vários primeiro e segundo dispositivos.
O sistemas descritos 20, 20', 20" empregando comunicação RF proporciona muitas vantagens, em relação ao sistema cabeado anterior 2 (figura 1) incluindo: 1) isolação e imunidade a transientes de voltagem
O prejudiciais; 2) capacidade, devido à comunicação LR_WPAN de baixa potência, de adicionar comunicação a dispositivos adicionais, tais como disjuntores de circuito, sem ser necessário potência de controle externa ou fiação adicional; e 3) pelo menos um nó de comunicação, tal como os dispositivos 30, 31, 34, ou 33, pode ficar externo ao invólucro 22. Este aspecto provê uma segurança extra (i.e., sem limitação, a faísca de arco) , uma vez que não precisa ficar diretamente na frente do invólucro 22, tal como na cabine de manobre ou cabine de central de controle de motor.
Conquanto, para efeito de clareza.,, tenha se referenciado um display de exemplo, tal como o display 30, para visualizar informações do sistema 20, deve ser apreciado que tais informações igualmente poderiam ser armazenadas, impressas, modificadas em computador, ou combinadas com outros dados. Todo este processamento é considerado consistente com o termo "display" usado na especificação. Conquanto as configurações específicas da presente invenção tenham sido descritas em detalhes, deve ser apreciado por aqueles habilitados na técnica que várias modificações e alternativas poderiam ser introduzidas àqueles detalhes a luz dos ensinamentos da especificação. Por conseguinte, os arranjos particulares descritos são meramente ilustrativos e não limitam de nenhuma forma o escopo da invenção, que somente será dado em sua inteireza pelas reivindicações que se seguem e seus equivalentes.

Claims (20)

1. Sistema de distribuição elétrica, caracterizado pelo fato de compreender: um invólucro (22); - uma pluralidade de primeiros dispositivos (24, 26, -27, 28) dentro do citado invólucro, os citados primeiros dispositivos sendo dispositivos de proteção, medição, e controle; e pelo menos um segundo dispositivo (30, 31, 32, 33, -34), o citado pelo menos um segundo dispositivo (30, 31) montado no citado invólucro, sendo externo (32, 33) ao citado invólucro ou sendo um dispositivo de monitoramento (34) estruturado para monitorar o citado sistema e se comunicar com um local remoto, sendo que a comunicação entre os citados primeiros dispositivos e o citado pelo menos um segundo dispositivo ser uma comunicação sem-fio.
2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a citada comunicação sem-fio ser uma comunicação por rádio freqüência.
3. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de a citada comunicação de rádio- freqüência ser provida através de uma rede de comunicação de rádio-freqüência.
4. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de a citada comunicação por rádio-freqüência ser uma rede de comunicação individual sem-fio de baixa velocidade.
5. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de a citada comunicação de rádio- freqüência ser provida através de uma rede de malha.
6. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de a citada comunicação por rádio-freqüência ser provida através de uma rede estrela.
7. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de a citada comunicação de rádio- freqüência ser provida através de uma rede estrela-malha
8. Sistema7 de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o citado invólucro ser uma cabine de manobra (switchgear) ou uma cabine central de controle de motor (22) .
9. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de pelo menos alguns dos citados primeiros dispositivos serem dispositivos energizados por corrente (24).
10. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de os citados primeiros dispositivos serem selecionados do grupo consistindo de dispositivos de proteção (24), dispositivos de controle, (28), e dispositivos de medição (26, 27) .
11. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de os citados dispositivos de proteção (24) serem selecionados do grupo consistindo de disjuntores de circuito, unidades de disparo, relês de proteção, e starters de motores.
12. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o citado pelo menos um segundo dispositivo ser um dispositivo de comunicação sem-fio portátil (32, 33) .
13. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de o citado pelo menos um segundo dispositivo de comunicação sem-fio portátil ser um assistente digital pessoal (PDA) (33).
14. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o citado pelo menos um segundo dispositivo ser um display (30) ou uma interface de operador (31) que é montado externamente ao citado invólucro.
15. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o citado invólucro incluir uma superfície externa (36), e de o citado pelo menos um segundo dispositivo ser um display (30) ou uma interface de operador (31) que é montado na superfície externa do citado invólucro.
16. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o citado pelo menos um segundo dispositivo ser um dispositivo de porta de rede (34) .
17. Sistema, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de o citado dispositivo de porta de rede ser montado dentro do citado invólucro.
18. Sistema, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de o citado dispositivo de porta de rede ser um dispositivo de porta Ethernet (34).
19. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o citado pelo menos um segundo dispositivo ser um dispositivo de interface homem-máquina (31), que é montado externamente ao citado invólucro.
20. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o citado pelo menos um segundo dispositivo incluir um dispositivo de porta de rede (34) que é montado dentro do citado invólucro (30, 31), e um dispositivo display (30, 31) montado externamente ao citado invólucro.
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