Arquitectura de los autómatas proqramables

La arquitectura de un PLC es similar a la del ordenador, pero su aspecto exterior es diferente. Físicamente están constituidos por un conjunto de tarjetas compuestas por unos circuitos integrados que desarrollan una tarea específica. Estas tarjetas se alojan en una caja llamada "rack" quedando protegidas mecánicamente e interconectadas entre si a través de un bus que está constituido por un circuito impreso situado en la parte posterior. Otros están constituidos por una caja compacta con unos conectores para poderse unir a otras llamadas módulos. 

Hay una unidad central que engloba la unidad de mando, de tratamiento, de memoria del programa, contadores, temporizadores y otros. 

En resumen, se puede decir que los dos modelos existentes, clasificados por su aspecto son; 

• Modelo de estructura modular, formado por módulos. 
• Modelos de estructura compacta, donde en un solo bloque se albergan todos los elementos. 

Estructura interna 

Las partes principales de un PLC son:

• CPU. Se encarga de procesar la información por medio de programas almacenados en memoria. La CPU es el corazón del autómata (también de los ordenadores) y realiza operaciones sencillas: leer una posición de memoria, transportar el dato leído a un registro de la CPU, escribir en una posición de memoria el dato que estaba en uno délos reeistros de la CPU, realizar operaciones aritméticas y lógicas entre dos datos, desplazar o rotar el contenido de un registro, cargar un registro con un dato, transferir el contenido de un registro a otro, incrementar o decrementar el contenido de un registro, etc. La CPU consta de dos partes fundamentales, la Unidad Aritmético Lógica y la Unidad de Control. La Unidad Aritmético Lógica (ALU) hace las operaciones aritméticas y lógicas que realiza la CPU. Es un circuito combinacional con dos entradas para los operandos y una salida para el resultado; además, puede haber una entrada de acarreo y una de desbordamiento. La Unidad de Control (UC) es un circuito combinacional o microprogramado donde se producen las órdenes de ejecución de programa en el momento adecuado. Consta de un reloj que sincroniza todas las señales y de un registro de instrucciones que contiene los datos de la instrucción que se va a ejecutar. Lo normal es que la UC y la ALU estén en un mismo bloque o pastilla como circuito integrado; esto es lo que se denomina microprocesador. . 

• Memoria. Es la encargada de almacenar datos, que son la información producida o utilizada por un programa o programas. Se compone de multitud de registros, los cuales se identifican con un número o dirección que indica el número de posición de memoria dentro de la misma, es decir, una memoria digital es como un conjunto de celdas donde cada una de ellas guarda una información en binario. El tamaño de la memoria se suele expresar según el número de bits de códigos o direcciones distintas de las que dispone. Como se trabaja con grandes cantidades de bits, se habla de: 1 Byte * 8 bits ;         1 kbyte = 2¹⁰ bytes = 1.024 bytes 1 Megabyte = 2²⁰ bytes = 1.048.576 bytes                                 1 Gigabyte = 2³⁰ bytes. = 1.073.741.824 bytes. El número de direcciones o posiciones de memoria = 2ⁿ, siendo n = número de bits de direcciones o número de terminales de direcciones. Al conjunto de memoria de datos y de programa se le denomina memoria central del sistema. Otro tipo de memoria es la memoria de masa o periférica, que son los discos duros, CD-ROM, DVD, etc., con una gran capacidad de almacenamiento, pero tiempos de acceso muy lentos. En general, los diferentes tipos de memoria se pueden clasificar atendiendo a varias características: por su capacidad de almacenamiento y tamaño de palabra, por su naturaleza (la tecnología utilizada para su fabricación, TTL, EL, etc.) o por la duración de la información y forma de escritura (ROM, RAM, EEPROM, etc.). 

Considerando las memorias como una serie de registros en los cuales es posible escribir o leer a voluntad, se pueden dividir principalmente en RAM, ROM, PROM, EPROM y EEPROM. Memoria RAM (Random Access Memory). Es una memoria de lectura y escritura rápida. Ésta, a su vez, se subdivide en: 

• Memoria RAM estática (basada en biestables) es la que mantiene la información siempre que esté alimentado el sistema, es decir, si se trabaja con un ordenador personal o PC, en el momento que se desconecta, la información desaparece. 

• Memoria RAM dinámica (basada en condensadores) es aquella que debe ser reescrita periódicamente, es decir, necesita que la refresquen periódicamente. Las memorias RAM son volátiles; pierden la información cuando se desconecta la alimentación. Memoria ROM (Read Only Memory). Es una memoria de sólo lectura (no se puede escribir en ella). Al no ser volátil, se utiliza para almacenar programas e información del fabricante. Dentro de las memorias ROM las hay programables por máscara, las cuales se graban durante el proceso de fabricación, lo que las hace más económicas si se realizan grandes tiradas, y las memorias PROM, EPROM y EEPROM. 

• PROM (Programmable ROM). Se programa por el usuario una sola vez mediante un equipo especial; este proceso es irreversible. 

 • EPROM (Erasable PROM). Es una memoria PROM, pero la grabación no es un proceso destructivo. Se graba en un equipo programador de EPROM y se puede borrar por exposición a la luz ultravioleta. Se utiliza en dispositivos y equipos de baja tirada y es más cara que la PROM. 

• EEPROM (Electrical EPROM). Se puede modificar su contenido de forma eléctrica sin usar una fuente de luz ultravioleta. La diferencia de ésta con la RAM es que en esta última se puede escribir y leer en muy poco tiempo, pero en la EEPROM la lectura es rápida y el proceso de escritura es muy lento. 

La unidad de memoria en un autómata programable contiene toda la información que el autómata necesita para su funcionamiento, desde el sistema operativo, hasta los valores de estado de las entradas y salidas, pasando por el programa del usuario. Puede dividirse en tres grandes bloques, en función de la utilidad que tenga la memoria: 

• Memoria de sistema o supervisor. Contiene el sistema operativo del fabricante. Suele estar grabada en ROM o en EPROM, permitiendo, en este último caso, su borrado y regrabación. Se puede considerar que forma parte de la CPU del autómata. 

• Memoria de usuario, en la que se guarda el programa realizado a través de una consola o periférico de programación (actualmente, suele ser un ordenador). El programador incluirá parámetros de programación, así como textos auxiliares. 

• Memoria de datos, es de tipo RAM y guarda tanto la imagen de los estados de las entradas y las salidas, en cuyo caso es de tipo bit, pues sólo es necesario el cambio de estado 0 ó 1 para determinar s una entrada o salida está activa. Cuando se trata de almacenar estados de contadores, temporizadores o variables, se necesitan de tipo palabra (combinación de varios bits, generalmente múltiplo dé 

Además, se puede disponer de unidades masivas de almacenamiento tipo disco duro, o bien comunicar un ordenador con el autómata.

• Unidad de entrada. Es el conjunto de elementos conectores por donde se toma la información de los captadores (sensores, pulsadores, finales de carrera, etc.) que detectan temperaturas, niveles, posiciones, elementos activados, elementos desactivados, etc. Estas señales pueden ser de dos tipos: Analógicas, cuando se quiere captar magnitudes físicas del tipo presión, temperatura, velocidad, etc. A tal efecto, se necesita, aparte del transductor de magnitud determinado, un convertidor A/D.

• Unidad de salida. Son los conectores a través de los cuales se realiza la activación de los accionamientos, que pueden ser pilotos, electroválvulas, motores, etc. Pueden ser salidas de corriente continua o alterna. Las de corriente continua son activadas mediante transistores o relés y las de corriente alterna pueden activarse a través de triacs o relés. Al igual que las entradas, las salidas pueden ser analógicas (se necesita un convertidor D/A que realice la función inversa en la entrada) o digitales (son las más utilizadas; al igual que las entradas, también son del tipo todo o nada). 

En función de las entradas y el programa que se va a ejecutar se activan unas u otras salidas que darán paso a los actuadores correspondientes. El número de entradas y salidas es una de las características más determinantes a la hora de elegir uno u otro modelo de PLC para realizar una tarea determinada.

• Unidad de alimentación. Es la encargada de adaptar la tensión de red a la de funcionamiento de los diversos circuitos que componen el autómata. Esta tensión tiene que ser estable, hay que evitar subidas creadas por otros elementos de la instalación y debe haber un aislamiento galvánico adecuado.

• Buses de comunicación. Interconexionan diversos elementos dentro del PLC.

• Interfaces. Son los elementos que permiten la conexión entre la CPU y los periféricos. Digitales, corresponden a una señal todo o nada. Son las más utilizadas y, a modo de ejemplo, pueden citarse los pulsadores, los interruptores, los detectores de proximidad, etc.

• Periféricos. Se utilizan para programar y dar información acerca del estado del proceso. Los principales periféricos que pueden ser asociados a los autómatas son: 

- Consolas ele programación. Son imprescindibles para programar el PLC. Cada fabricante tiene su consola de programación y sirven para programar y para hacer modificaciones de programación. La comunicación suele ser mediante un puerto serie utilizando un protocolo de comunicación determinado. 

- Simuladores. Aunque la mayoría de las consolas permiten la simulación, algunos fabricantes poseen simuladores con entradas y salidas que se visualizan mediante leds. 

- Memorias auxiliares. Muchos programas están realizados a base de miles de instrucciones; éstos suelen estar en memorias EPROM, pero muchas veces se almacenan en discos para ser modificados con facilidad.

- Impresoras. Pueden estar conectadas al PLC con el fin de sacar información del proceso, o bien a la consola de programación para sacar los listados de programa. 

- Unidades de visualización. Suelen ser ordenadores que, a través de su monitor, permiten dibujar cuadros sinópticos de planta que permiten la supervisión y control del proceso productivo. Ejemplo de este tipo de visualización que pennite dar información en tiempo real son los sistemas SCADA.