Autómatas Programables: Arquitectura Detallada, Funcionamiento Interno y Ciclo de Scan

Arquitectura y Funcionamiento Interno de los Autómatas Programables (PLC)

Componentes Fundamentales del PLC

CPU (Central Processing Unit) o Unidad Central de Procesamiento

Es el cerebro del autómata, encargada de organizar el tráfico de datos, ejecutar las instrucciones del programa de usuario, realizar las operaciones lógicas y aritméticas internas, y controlar la comunicación con los módulos de entradas y salidas.

Memorias

Soportadas en diversos medios físicos (RAM, ROM, EPROM, EEPROM, Flash), las memorias del PLC almacenan diferentes tipos de información:

• El programa de usuario: desarrollado por el programador para controlar el proceso.
• Los datos de proceso: variables, temporizadores, contadores, y otros datos que se generan y modifican durante la ejecución del programa.
• El firmware o software del sistema: programas introducidos por el fabricante, esenciales para el arranque, autodiagnóstico y funcionamiento interno del PLC.

Módulos de Entradas y Salidas (E/S)

A través de los correspondientes módulos de interfaz, que adaptan las señales eléctricas del campo a los niveles lógicos del PLC y viceversa, estos componentes se encargan de comunicar la CPU con el entorno exterior. Los módulos de entrada reciben señales de los sensores (pulsadores, finales de carrera, termopares, etc.), mientras que los módulos de salida envían señales de control a los actuadores (contactores, electroválvulas, variadores de frecuencia, etc.).

Sistema de Buses Internos

La comunicación entre la CPU, las memorias y los módulos de E/S se realiza a través de un conjunto de líneas conductoras denominadas buses:

Bus de Direcciones

Es un canal unidireccional por donde la CPU envía la dirección de la ubicación de memoria o del periférico (módulo de E/S) con el que desea interactuar, ya sea para leer información o para escribirla.

Bus de Datos

Es un canal bidireccional por donde se transfieren los datos entre la CPU y los demás elementos del sistema (memorias, módulos de E/S). La CPU puede escribir datos en una dirección específica para que otro elemento los lea, o puede leer datos que otro elemento haya enviado a una dirección.

Bus de Control

A través de este bus, la CPU envía señales que coordinan y temporizan las operaciones del sistema. Estas señales indican el tipo de operación que se está realizando (por ejemplo, lectura de memoria, escritura en memoria, lectura de entrada, escritura en salida) y gestionan la sincronización y el control de los bloques de memoria y de los módulos de entradas y salidas.

Ciclo de Scan del PLC

El ciclo de scan (o ciclo de barrido) representa la ejecución completa y secuencial del programa de usuario por parte del PLC. Este proceso se repite continuamente mientras el autómata se encuentra en modo RUN (ejecución) y consta fundamentalmente de las siguientes fases:

Fases del Ciclo de Scan

1. Autodiagnóstico Interno: El PLC realiza una comprobación de su propio hardware y software para detectar posibles fallos.
2. Lectura de Entradas: La CPU lee el estado actual de todas las entradas físicas conectadas al PLC y actualiza sus valores en una zona específica de la memoria interna denominada "imagen de entradas".
3. Ejecución del Programa de Usuario: La CPU ejecuta la lógica del programa de usuario, instrucción por instrucción, utilizando los valores almacenados en la imagen de entradas y los datos internos. Los resultados de las operaciones lógicas y de control se almacenan temporalmente en otra zona de memoria llamada "imagen de salidas".
4. Actualización de Salidas: Una vez completada la ejecución del programa, la CPU transfiere los valores desde la imagen de salidas a los módulos de salida físicos, actualizando así el estado de los actuadores conectados al proceso.

Tiempo de Scan (o Tiempo de Ciclo)

El tiempo de scan o tiempo de ciclo es el intervalo total que tarda la CPU en completar un ciclo de scan completo (es decir, ejecutar las cuatro fases descritas anteriormente). Este tiempo es un parámetro crítico en aplicaciones de control en tiempo real.

Factores que Influyen en el Tiempo de Scan

• Tipo de CPU: Los fabricantes de autómatas suelen ofrecer diferentes modelos de CPU para cada familia de PLC, con el fin de adaptarse a las diversas necesidades de las aplicaciones. Una de las características más importantes que diferencian estas CPU es su velocidad de procesamiento; CPUs más rápidas resultan en menores tiempos de scan.
• Número y tipo de instrucciones del programa: Cuantas más instrucciones contenga el programa de usuario y mayor sea su complejidad (ya que hay instrucciones que requieren más tiempo de ejecución que otras, como operaciones con números reales o bucles complejos), más tiempo tardará la CPU en procesarlo en su totalidad.
• Número y tipo de periféricos y módulos de comunicación: Al inicio de cada ciclo de scan (o en tareas específicas), el PLC realiza un autodiagnóstico y gestiona la comunicación con los periféricos conectados (módulos de E/S, módulos especiales, redes de comunicación, etc.). Por lo tanto, cuantos más periféricos estén instalados y mayor sea su complejidad o la cantidad de datos intercambiados, más tiempo se añadirá al ciclo de scan.

Watchdog (Temporizador de Vigilancia)

El watchdog (o temporizador de vigilancia) es un mecanismo de seguridad crucial incorporado en los PLC que supervisa la duración del tiempo de ciclo. Si, por alguna razón (por ejemplo, un bucle infinito en el programa, un fallo de hardware o una carga excesiva de procesamiento), el tiempo de scan excede un valor máximo preestablecido por el programador o por defecto, el watchdog interviene.

Cuando el tiempo de watchdog se agota, este da la orden de detener el autómata, pasándolo del estado RUN (ejecución) al estado STOP (detenido). Como consecuencia, la CPU cesa la ejecución del programa y todas las salidas físicas se desactivan o pasan a un estado seguro predefinido, previniendo así comportamientos anómalos o potencialmente peligrosos en el proceso controlado.

Configuración Típica del Watchdog

Los valores típicos para el tiempo de watchdog pueden variar considerablemente según la criticidad y la velocidad requerida por la aplicación:

• Para instalaciones sencillas y sin requerimientos estrictos de seguridad o respuesta rápida, el tiempo de watchdog puede configurarse hasta unos 500 ms.
• En sistemas que utilizan autómatas más potentes o en instalaciones de mayor complejidad con requerimientos de respuesta más exigentes (por ejemplo, control de movimiento rápido), este tiempo suele ajustarse en un rango más corto, típicamente entre 10 ms y 200 ms.