3. Estructura interna de un PLC

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En entradas anteriores hablamos sobre el PLC, en este post nos vamos a centrar en las partes de un PLC y como funcionan. ¿Empezamos?

1. Arquitectura general del PLC

Introducción

Hoy vamos a hablar sobre la arquitectura general de un PLC, es decir, cómo están organizados internamente sus componentes y cómo trabajan en conjunto para controlar un proceso industrial.

Conocer esta arquitectura es clave para diseñar, mantener y escalar instalaciones automatizadas de forma eficiente, segura y fiable. Vamos a desglosarlo paso a paso.

Esquema básico de bloques funcionales

Un PLC se puede comparar con un pequeño ordenador diseñado específicamente para tareas de control industrial. Sus partes principales son las siguientes:

Bloque funcional	Función
🔌 Fuente de alimentación	Proporciona la energía necesaria (normalmente 24 VDC) para que todo el sistema funcione.
📥 Módulos de Entrada	Recogen información del entorno (sensores, pulsadores, etc.).
📤 Módulos de Salida	Envían órdenes a los actuadores (motores, luces, válvulas…).
🧠 CPU (Unidad Central de Proceso)	Es el “cerebro” del PLC: ejecuta el programa y toma decisiones.
💾 Memoria	Almacena el programa, variables, datos de configuración y resultados.
🛣️ Buses Internos	Conectan los diferentes módulos para intercambiar datos y órdenes.

Fuente: https://www.autracen.com/blog/viajes-1/estructura-de-plc-51

Comparativa entre arquitecturas compactas y modulares

En el mundo de la automatización industrial, los autómatas programables (PLCs) se presentan en diferentes formatos para adaptarse a las necesidades específicas de cada instalación. Dos de las arquitecturas más comunes son los PLCs compactos y los PLCs modulares. Comprender sus diferencias y aplicaciones es clave para elegir la solución más adecuada en términos de escalabilidad, espacio, coste y mantenimiento.

Característica	Arquitectura Compacta	Arquitectura Modular
Diseño físico	Todo integrado en un solo cuerpo	Módulos independientes y acoplables
Flexibilidad	Limitada	Alta (se pueden añadir módulos)
Espacio ocupado	Reducido	Mayor (depende del montaje)
Facilidad de mantenimiento	Menor	Alta (se puede sustituir un solo módulo)
Ejemplos típicos	Siemens LOGO!, Zelio	Siemens S7-1200/1500, Allen-Bradley ControlLogix

Siemens LOGO!, PLC compacto para procesos sencillos

Siemens S7 1200, PLC modular adaptándose a las necesidades requeridas por el proceso

PLCs monoprocesador vs multiprocesador

El rendimiento y la capacidad de un PLC dependen en gran medida de su arquitectura interna. En este sentido, es fundamental distinguir entre los PLCs monoprocesador, que cuentan con una única unidad central de procesamiento, y los PLCs multiprocesador, que integran varios procesadores para distribuir las tareas. Esta diferencia tiene un impacto directo en la velocidad de respuesta, la carga de trabajo y la complejidad de las aplicaciones que pueden gestionar. En este apartado analizaremos sus ventajas, limitaciones y cuándo conviene usar cada uno.

PLCs monoprocesador

• Un solo microcontrolador realiza todas las tareas.
• Menor coste y complejidad.
• Limitado en velocidad y carga de trabajo.
• Ejemplo: Siemens S7-1200 básico, Schneider M221.

PLCs Multiprocesador

• Varios procesadores especializados trabajan en paralelo:
• Uno para lógica de control.
• Otro para comunicación
• Otro para tareas de seguridad.
• Mejora el rendimiento y la disponibilidad.
• Mayor robustez ante fallos y sobrecarga.
• Ejemplo: Siemens S7-1500 con CPU 1518, Allen-Bradley ControlLogix 5580.

2. Unidad Central de Proceso (CPU) 🧠

La CPU de un PLC es el núcleo de control, responsable de interpretar las instrucciones del programa, procesar datos, coordinar tareas y supervisar el funcionamiento general del autómata. En los PLC modernos, la CPU está diseñada para trabajar en tiempo real, gestionar múltiples procesos simultáneamente y garantizar la robustez y fiabilidad del sistema.

Funciones esenciales de la CPU:

1. Ejecución del programa de usuario: Procesa las instrucciones de control programadas (en Ladder, ST, FBD, etc.) y toma decisiones lógicas y aritméticas.
2. Gestión de entradas/salidas (I/O): Lee señales de entrada desde sensores y genera señales de salida hacia actuadores.
3. Control de tiempos y eventos: Maneja temporizadores, contadores y eventos cíclicos o programados.
4. Comunicación con otros dispositivos: Gestiona interfaces de comunicación con otros PLCs, HMIs, sistemas SCADA y redes industriales.
5. Supervisión y diagnóstico: Controla el estado del sistema, detecta errores, genera mensajes de fallo y ejecuta rutinas de seguridad.

⏰ Reloj interno y sincronización

La CPU incluye un reloj interno (clock) que regula el funcionamiento de todos los procesos:

• Define el tiempo de ciclo (escaneo).
• Sincroniza módulos internos (I/O, memoria, buses).
• Gestiona temporizadores del programa de usuario.
• Permite el registro de eventos con marcas temporales (timestamping).

Tipos de temporización:

• Ciclo fijo: el tiempo total de escaneo está predeterminado.
• Ciclo variable: depende de la carga de trabajo durante cada escaneo.

Algunos PLC permiten configurar interrupciones temporizadas para tareas críticas que deben ejecutarse con prioridad y alta precisión.

🔁 Ciclo de escaneo: lectura, ejecución y actualización

La CPU ejecuta el programa en un ciclo continuo denominado ciclo de escaneo, compuesto por las siguientes etapas:

⏱ INICIO DE ESCANEO
      ↓
📥 Lectura de entradas (actualiza el estado del campo)
      ↓
🧠 Ejecución del programa de usuario
      ↓
📤 Actualización de salidas (aplica las decisiones del programa)
      ↓
🔧 Tareas auxiliares (comunicaciones, diagnósticos, etc.)
⏱ FIN DE ESCANEO

⚠️ Importante: Si el tiempo de escaneo supera ciertos límites, pueden producirse errores de rendimiento o incluso fallos críticos. Los PLC suelen ofrecer mecanismos para monitorear este tiempo y configurar alarmas preventivas.

3. Memorias del PLC 💾🧠

Las memorias del PLC son fundamentales para su funcionamiento, ya que almacenan tanto el programa de control como los datos de proceso necesarios para una operación eficiente y segura. Conocer sus tipos, organización y funciones es esencial para una programación robusta, fiable y mantenible.

🧩 Tipos de memoria: RAM, ROM, EEPROM, Flash

Un PLC moderno emplea diferentes tipos de memoria, cada una con características y funciones específicas:

Tipo de memoria	Características	Función principal	Volatilidad
RAM (Random Access Memory)	Rápida y temporal	Almacena variables en tiempo de ejecución	Volátil
ROM (Read-Only Memory)	Solo lectura, muy estable	Contiene el sistema operativo del PLC	No volátil
EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM)	Programable eléctricamente	Guarda configuraciones y datos persistentes	No volátil
Flash	Similar a EEPROM, pero más moderna	Almacena el programa de usuario y firmware	No volátil

📌 Nota técnica: Muchos PLC actuales han sustituido la ROM clásica por memoria Flash, que permite actualizaciones flexibles del firmware y del programa de usuario sin reemplazo físico del chip.

🗂 Memoria de Programa vs. Memoria de Datos

Dentro del PLC, La memoria se organiza en diferentes áreas con funciones específicas. Entre las más importantes destacan la memoria de programa, que almacena el código lógico del usuario, y la memoria de datos, donde se gestionan las variables, estados y resultados durante la ejecución. Comprender la diferencia entre ambas es clave para una programación estructurada y el diagnóstico efectivo de fallos.

🧾 Memoria de Programa

• Almacena el código lógico del usuario (en LD, ST, FBD...).
• Es estable y no cambia durante la ejecución.
• Se guarda normalmente en memoria Flash o EEPROM.

📊 Memoria de Datos

• Contiene variables, resultados intermedios, temporizadores, contadores, flags, etc.
• Se almacena principalmente en RAM, aunque algunas áreas pueden ser retentivas (conservan su valor tras un reinicio).

Memoria	¿Qué almacena?	¿Volátil?
Programa	Código lógico del usuario	No
Datos	Estados de entradas, salidas, contadores, etc.	Parcialmente

4. Módulos de Entrada y Salida (I/O) 🔌📥📤

Los módulos de entrada y salida (I/O) son los encargados de conectar el PLC con el mundo físico. A través de ellos, el autómata puede recibir información del entorno (entradas) y actuar sobre dispositivos externos (salidas). Esta interacción es esencial para controlar procesos industriales en tiempo real. Existen I/O digitales para señales todo/nada y I/O analógicas para valores variables, como temperatura o presión. Conocer sus características, tipos y funcionamiento es clave para diseñar sistemas de automatización precisos, seguros y eficientes.

⚫Entradas y Salidas Digitales

Las señales digitales representan solo dos estados posibles:
ON/OFF, 1/0, Verdadero/Falso.

Entradas Digitales (DI)

• Reciben señales de sensores de tipo todo/nada
• Ejemplos: finales de carrera, pulsadores, sensores inductivos
• Rango típico: 0 V (OFF) / 24 VDC (ON).

Salidas Digitales (DO)

• Controlan actuadores binarios
• Ejemplos: relés, lámparas, contactores, electroválvulas
• Tipos comunes: salida a relé, transistor o triac (según el tipo de carga).

🌡️ Entradas y Salidas Analógicas

A diferencia de las señales digitales, que solo representan estados binarios (encendido/apagado), las señales analógicas permiten trabajar con valores continuos como temperatura, presión, nivel o velocidad. Las entradas analógicas (AI) permiten al PLC recibir este tipo de información desde sensores proporcionales, mientras que las salidas analógicas (AO) permiten enviar señales moduladas a actuadores que requieren control variable. Estas señales deben ser convertidas entre formatos analógicos y digitales, lo que exige el uso de conversores A/D y D/A. Dominar su funcionamiento es esencial para aplicaciones que requieren medición y control precisos.

🟡 Entradas Analógicas (AI)

• Reciben señales de sensores proporcionales.
• Rangos típicos: 0–10 V, 4–20 mA, 0–20 mA
• Ejemplos: termopares, sondas de nivel, transmisores de presión

🔵 Salidas Analógicas (AO)

• Generan señales proporcionales para actuadores analógicos.
• Ejemplos: válvulas proporcionales, variadores de frecuencia, control de temperatura.

📌 Importante: Las señales analógicas requieren calibración y en muchos casos filtrado, para evitar errores o ruidos en la lectura.

🔄 Conversores A/D y D/A

En los sistemas de automatización con señales analógicas, los conversores A/D (Analógico a Digital) y D/A (Digital a Analógico) son componentes fundamentales que permiten la comunicación entre el mundo físico y el PLC. Estos dispositivos transforman señales eléctricas continuas en valores digitales interpretables por la CPU, y viceversa. Gracias a ellos, el PLC puede leer valores analógicos con precisión y generar salidas proporcionales para controlar actuadores. La resolución y la velocidad de estos conversores son determinantes para lograr un control fino y fiable en procesos industriales avanzados.

Los módulos analógicos incluyen conversores que permiten traducir entre el mundo físico y el procesamiento digital de la CPU:

Tipo de Conversión	Función	Ejemplo
A/D (Analógico → Digital)	Convierte señales analógicas en datos numéricos	4–20 mA → 0–27648
D/A (Digital → Analógico)	Convierte datos digitales en señales analógicas	0–27648 → 0–10 V

📐 Resolución típica: 12 o 16 bits.
👉 Cuanto mayor sea la resolución, más precisa será la lectura o el control.

5. Buses de Comunicación Interna

En un PLC, los buses de comunicación interna son estructuras fundamentales que permiten la transferencia eficiente de datos y señales entre sus distintos componentes: la CPU, la memoria, los módulos de entrada/salida (E/S) y otros periféricos internos como relojes, puertos de comunicación o módulos de expansión.

Podemos imaginar estos buses como autopistas digitales, por donde circulan constantemente información binaria en forma de ceros y unos. Esta información puede representar desde el estado de un sensor hasta una instrucción de programa, pasando por valores analógicos, comandos de escritura, direcciones de memoria, o señales de control.

👉 Para que el PLC funcione de forma correcta, rápida y sin errores, estas autopistas deben cumplir con tres condiciones clave:

1. Alta velocidad: para que los datos viajen rápidamente entre la CPU y los demás módulos, especialmente en ciclos de escaneo muy cortos o tareas críticas.
2. Alta fiabilidad: los datos deben llegar de forma precisa, sin corrupción o pérdida de información.
3. Sincronización perfecta: todas las operaciones deben estar coordinadas en el tiempo, respetando prioridades y evitando conflictos en el acceso al bus.

Tipos de buses: datos, direcciones y control

Un bus interno está compuesto por diferentes líneas con funciones específicas:

• 📦 Bus de datos: Transporta los valores binarios o analógicos (por ejemplo, 10101010) entre los módulos. Es bidireccional.

• 📍 Bus de direcciones: Indica a qué componente o dirección de memoria se debe acceder para leer o escribir información. Es unidireccional (de la CPU hacia la memoria o módulo).

• 🕹️ Bus de control: Transporta señales de gestión y sincronización, como lectura (RD), escritura (WR), habilitación (EN), entre otras. También regula interrupciones y prioridades.

Estos tres tipos de buses trabajan de forma coordinada, permitiendo que las instrucciones se ejecuten de forma ordenada, segura y eficiente dentro del autómata.

5. Fuente de Alimentación

La fuente de alimentación es el componente encargado de proporcionar la energía eléctrica necesaria para el funcionamiento correcto del PLC y todos sus módulos. Una alimentación inestable o inadecuada puede provocar errores, pérdida de datos o incluso daños en el equipo.

⚡ Función principal

Su objetivo es convertir la tensión de entrada (normalmente corriente alterna de 110 V o 230 V AC) en una tensión continua y estable, generalmente 24 V DC, adecuada para los circuitos internos del PLC.

🔧 Características clave

• Voltaje y corriente de salida: 24 V DC típicamente, con capacidad suficiente para alimentar la CPU, módulos de E/S y periféricos.
• Estabilidad: Mantiene un voltaje constante frente a variaciones de carga o entrada.
• Eficiencia energética: Reduce pérdidas y calor generado.
• Protecciones: Incorpora sistemas contra sobrecarga, cortocircuitos, sobretensión y sobrecalentamiento.

🛡️ Regulación, filtrado y protección

La fuente incluye circuitos que garantizan una alimentación limpia y segura:

• Regulación: Asegura una tensión de salida constante incluso si la entrada fluctúa o cambia la carga conectada.
• Filtrado: Elimina ruidos eléctricos y picos de tensión que podrían causar errores o daños. Utiliza condensadores, inductores y filtros EMI/RFI.
• Protección:
• Sobre corriente: Limita la corriente ante cortocircuitos.
• Sobretensión: Protege ante aumentos peligrosos de tensión.
• Térmica: Apaga la fuente si se detecta sobrecalentamiento.

Estas funciones aumentan la fiabilidad y la vida útil del sistema.

🔌 Alimentación de módulos y sensores externos

La fuente también debe cubrir el consumo de:

• Módulos de entrada/salida, especialmente los analógicos, que suelen requerir más potencia.
• Sensores y actuadores externos, como sensores inductivos, fotoeléctricos o válvulas solenoides.

La estructura interna de un PLC no solo define cómo funciona el sistema, sino que representa el núcleo tecnológico de la automatización industrial moderna. Conocer a fondo la CPU, las memorias, los módulos de E/S, los buses de comunicación y la fuente de alimentación permite no solo programar con eficacia, sino también diagnosticar, optimizar y evolucionar las instalaciones hacia entornos más inteligentes, robustos y seguros.

Esta formación te ha dado una base sólida para entender cómo fluye la información dentro del PLC, cómo se gestiona el tiempo real, y cómo se interconectan los diferentes componentes para lograr un control preciso y fiable. Este conocimiento será esencial para afrontar retos más complejos como el control distribuido, la integración de sistemas SCADA, o la implementación de arquitecturas industriales basadas en Industria 4.0.

Si quieres saber más, te dejo más abajo la bibliografía donde podrás consultar más información!

¿También te interesa la automatización industrial? ¡Te invito a seguir este camino conmigo!

— Juanjo

Bibliografía

Balcells, J., Romeral, J. L., & Romeral Martínez, J. L. (1997). Autómatas Programables. Marcombo.

Controlador programable S7-1200. (n.d.). Siemens Industry Online Support. Retrieved June 3, 2025, from https://cache.industry.siemens.com/dl/files/622/91696622/att_42774/v1/s71200_system_manual_es-ES_es-ES.pdf

Mandado Pérez, E., Marcos Acevedo, J., & Fernández Silva, C. (2009). Autómatas Programables y Sistemas de Automatización. Marcombo.

ChatGPT, estructura y diseño.