Automatización industrial
Arquitectura de un PLC: CPU, memoria, bus y módulos
La arquitectura interna determina cómo intercambia datos un PLC, cuánto puede ampliarse y qué ocurre cuando falla un módulo. Esta guía explica la función de la CPU, la memoria, el bus interno, la alimentación y los módulos de señales.
La arquitectura en una frase
Un PLC organiza el control alrededor de una CPU que ejecuta el programa y gestiona memoria, diagnóstico y comunicaciones. La fuente alimenta el sistema; el bus interno transporta datos y energía entre módulos; y las entradas y salidas adaptan las señales del proceso. La selección debe comprobar límites de expansión, consumo del bus, compatibilidad y comportamiento ante fallos.
Visión general de la arquitectura
La arquitectura de un PLC describe cómo se reparten el procesamiento, la memoria, la alimentación, las señales y las comunicaciones. En un equipo compacto varios de estos elementos comparten una misma carcasa. En uno modular se combinan CPU, fuente, módulos de E/S y comunicaciones sobre un bastidor o bus interno.
Conocer esta estructura evita seleccionar una CPU adecuada pero un sistema incapaz de alimentar todos los módulos, ampliar las señales previstas o intercambiar datos a la velocidad necesaria. También facilita el diagnóstico porque permite separar un fallo de campo, de módulo, de bus o de programa.
CPU y sistema operativo del PLC
La CPU ejecuta el programa de usuario y coordina las tareas internas. Además de resolver instrucciones lógicas y matemáticas, actualiza datos, atiende comunicaciones, registra diagnósticos y controla el estado de los módulos.
El rendimiento no se resume en una única cifra. Hay que revisar tiempo de ejecución por tipo de instrucción, carga de comunicaciones, número de conexiones, tareas periódicas, funciones de movimiento y capacidad de diagnóstico. Dos CPU con memoria similar pueden responder de forma diferente en una aplicación con muchas comunicaciones o señales rápidas.
- Tiempo de ejecución y tiempo de ciclo esperado.
- Número y prioridad de tareas disponibles.
- Interfaces y protocolos integrados.
- Reloj, diagnóstico, registro de eventos y retención.
- Funciones tecnológicas y de seguridad disponibles.
Memoria de programa, datos y retención
La memoria de carga conserva el proyecto o los bloques transferidos. La memoria de trabajo contiene el código y los datos utilizados durante la ejecución. La memoria retentiva mantiene valores seleccionados después de una pérdida de alimentación, dentro de los límites definidos por el fabricante.
No todos los datos deben ser retentivos. Conservar órdenes, estados transitorios o salidas sin una estrategia de arranque puede provocar una puesta en marcha inesperada. Conviene documentar qué valores se reinician, cuáles se recuperan y cómo se valida el estado del proceso al volver la tensión.
| Zona | Uso habitual | Comprobación necesaria |
|---|---|---|
| Programa | Bloques e instrucciones de control. | Capacidad disponible y posibilidad de ampliación. |
| Datos | Variables, temporizadores, contadores y estructuras. | Tamaño, acceso y consistencia. |
| Imagen de proceso | Copia lógica de entradas y salidas. | Momento de actualización y acceso directo. |
| Retentiva | Consignas, contadores o estados que deben conservarse. | Límites, vida útil y estrategia de rearranque. |
| Diagnóstico | Alarmas, eventos y estado de módulos. | Profundidad del búfer y sello temporal. |
Bus interno, bastidor y consumo
El bus interno permite que la CPU detecte los módulos y lea o escriba sus datos. Según la familia, también distribuye alimentación. Cada módulo ocupa direcciones, consume corriente y puede imponer límites de posición, cantidad o combinación.
Antes de cerrar la arquitectura hay que sumar el consumo de los módulos, verificar la capacidad de la fuente o del bastidor y reservar margen. En sistemas grandes puede ser necesario dividir el conjunto en varios segmentos, fuentes o estaciones remotas.
Módulos de entradas y salidas
Los módulos adaptan las señales de campo al dominio lógico del PLC. Las entradas digitales detectan estados; las salidas digitales conmutan órdenes; y los módulos analógicos convierten tensión, corriente, resistencia o temperatura en valores numéricos.
También existen módulos tecnológicos para encoders, contaje rápido, posicionamiento, pesaje o control específico. La selección debe considerar aislamiento, resolución, precisión, tiempo de conversión, filtros, diagnóstico por canal y reacción ante pérdida de comunicación.
| Módulo | Aplicación | Dato crítico |
|---|---|---|
| Entrada digital | Sensores y contactos. | 24 VDC, PNP/NPN, filtro y común. |
| Salida digital | Relés, válvulas e interfaces. | Relé/transistor, corriente y protección. |
| Entrada analógica | Presión, nivel, caudal o temperatura. | Rango, resolución, aislamiento y cableado. |
| Comunicación | Redes y dispositivos externos. | Protocolo, conexiones y carga de datos. |
| Tecnológico | Encoder, movimiento o funciones rápidas. | Frecuencia, sincronismo y compatibilidad. |
Comunicaciones y E/S remota
Las interfaces integradas o los módulos de comunicación enlazan el PLC con HMI, variadores, instrumentos, otros controladores y sistemas superiores. El número de puertos no basta: deben comprobarse protocolos, cantidad de conexiones, volumen de datos, tiempos de actualización y funciones de redundancia o seguridad.
La E/S remota desplaza módulos cerca del proceso y reduce cableado paralelo, pero introduce una dependencia de red. El diseño debe definir qué ocurre ante la pérdida de comunicación, cuánto tarda en detectarse y qué valor adopta cada salida.
Lista de comprobación para seleccionar la arquitectura
- Inventariar señales actuales y reservar una ampliación razonable.
- Definir tiempos de respuesta, señales rápidas y sincronismo.
- Calcular memoria, comunicaciones y carga estimada de la CPU.
- Verificar consumo del bus, fuente y límites del bastidor.
- Confirmar módulos especiales, aislamiento y diagnóstico.
- Documentar el comportamiento ante fallo de CPU, módulo o red.
- Comprobar repuestos, firmware, software y ciclo de vida.
Preguntas frecuentes
¿La CPU alimenta todos los módulos del PLC?
Depende de la familia. Algunos sistemas distribuyen alimentación desde la CPU o una fuente lateral; otros utilizan fuentes y bastidores específicos. Debe calcularse el consumo admitido en cada segmento.
¿Qué ocurre si se extrae un módulo?
La reacción depende de la configuración, del tipo de módulo y de si se permite sustitución en funcionamiento. Normalmente se genera un diagnóstico y el programa debe gestionar la ausencia de datos de forma segura.
¿La memoria retentiva mantiene todas las variables?
No necesariamente. Solo se conservan las zonas configuradas y dentro de los límites del equipo. El resto adopta valores iniciales después del arranque.
¿Cuándo conviene utilizar E/S remota?
Cuando reduce cableado, acerca las señales al proceso o permite distribuir la instalación. Deben evaluarse red, alimentación local, tiempo de actualización y estado de las salidas si se pierde la comunicación.
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Referencias técnicas
- IEC 61131-2:2017Requisitos y ensayos aplicables a los equipos de control programable.
- Siemens S7-1200 System Manual, V4.7Arquitectura, memoria, módulos, alimentación y diagnóstico de un sistema PLC modular.
- Rockwell Automation: Programmable ControllersFamilias de controladores y componentes de una arquitectura escalable.