Qué es un PLC: arquitectura y ciclo de scan

Respuesta corta

Un PLC es un computador industrial que lee entradas, ejecuta un programa y escribe salidas en un ciclo repetitivo llamado scan. Se compone de fuente, CPU con memoria, módulos de entradas y salidas y comunicaciones. El tiempo de scan fija qué tan rápido responde y qué señales puede ver.

Respuesta corta

Un controlador lógico programable (PLC, programmable logic controller) es un computador industrial que repite sin parar tres tareas: lee el estado de sus entradas, ejecuta el programa del usuario y actualiza sus salidas. Cada repetición se llama ciclo de scan. Sustituyó a los tableros de relés cableados porque cambiar una lógica pasó de recablear a modificar un programa. Para probar un programa sin PLC físico, con OpenPLC y otros simuladores, vea simulación y herramientas gratuitas de PLC.

De qué se compone un PLC

La mayoría de los controladores, sean compactos o modulares, reúnen los mismos bloques:

Bloque	Función	Detalle práctico
Fuente de alimentación	Convierte la tensión del tablero (normalmente 24 V de corriente continua) en las tensiones internas	Se dimensiona con la suma del consumo de la CPU, los módulos y los accesorios
CPU	Ejecuta el programa y gobierna el resto	Contiene el procesador y el sistema operativo del fabricante
Memoria	Guarda programa, datos y configuración	Una parte conserva su contenido sin tensión y otra se borra o se retiene según el caso
Módulos de entrada	Adaptan las señales del campo a niveles lógicos	Digitales (pulsadores, finales de carrera, sensores) y analógicas (4-20 mA, 0-10 V, sondas de temperatura)
Módulos de salida	Convierten la decisión del programa en una señal de campo	Relé, transistor o triac; digitales o analógicas
Comunicaciones	Enlazan con HMI, SCADA, otros PLC, variadores y periféricos	Ethernet industrial, Modbus, redes de campo
Bastidor o bus de fondo	Une los módulos entre sí	En los modulares, es el camino de datos y alimentación

Un controlador compacto trae estos bloques en una sola caja, con un número fijo de entradas y salidas. Uno modular permite elegir la cantidad y el tipo de módulos que pide el proyecto. Para tableros pequeños o máquinas independientes se usa el primero; para plantas con muchas señales distribuidas, el segundo, a menudo con módulos remotos conectados por red.

El ciclo de scan paso a paso

Un ciclo de scan

Se lee el estado de todas las entradas y se guarda una imagen
Se ejecuta el programa usando esa imagen, de arriba hacia abajo
Se escribe la imagen de salidas en los módulos de salida
Se atienden comunicaciones y tareas internas
Se repite desde el principio

Lectura de entradas. El PLC toma el estado de las entradas y lo copia a una zona de memoria llamada imagen de entradas. Mientras dura el programa, el valor de cada entrada no cambia, aunque en el campo sí lo haga.
Ejecución del programa. La CPU recorre las instrucciones en orden y calcula nuevos valores. Las salidas se escriben primero en una imagen de salidas, no directamente en el módulo.
Escritura de salidas. Al terminar el programa, la imagen de salidas se transfiere a los módulos.
Tareas internas. Comunicaciones, diagnósticos y supervisión del propio controlador.

Esta lógica tiene una consecuencia directa: el PLC ve el mundo a instantáneas. Entre una lectura y la siguiente transcurre el tiempo de scan, y todo lo que ocurra dentro de ese intervalo no existe para el programa. Los fabricantes ofrecen mecanismos para saltarse esta regla en señales críticas (lectura inmediata de una entrada, entradas rápidas, tareas por interrupción), pero cada fabricante les da su propio nombre y sus propios límites. Se consultan en el manual del modelo.

Tiempo de scan: qué lo determina y por qué importa

El tiempo de scan depende de cuatro factores: la velocidad de la CPU, la cantidad y complejidad de las instrucciones, el número de módulos a leer y escribir, y la carga de comunicaciones. En los controladores usuales se mide en milisegundos, y la mayoría permite consultarlo en línea.

Importa por tres razones:

Respuesta máxima. Una entrada que cambia justo después de la lectura espera casi un ciclo completo para ser leída, y la salida correspondiente sale al final del ciclo siguiente. El peor caso ronda dos ciclos de scan más los retardos de filtro y del propio módulo.
Señales cortas. Un pulso más breve que el scan puede pasar inadvertido.
Vigilancia. Casi todos los PLC tienen un temporizador de vigilancia (watchdog): si el ciclo se alarga más de lo permitido, por un bucle sin fin, por ejemplo, el controlador pasa a falla y detiene la ejecución.

Ejemplo ilustrativo: respuesta de un arranque de motor

Datos supuestos, no de un equipo real: un motor de 15 kW, 400 V (corriente nominal del orden de 28 A) se arranca con un contactor cuya bobina maneja una salida del PLC. Suponga un tiempo de scan de 10 ms y un filtro de entrada de 5 ms.

Concepto	Valor supuesto
Filtro de la entrada del pulsador de marcha	5 ms
Espera hasta la siguiente lectura (peor caso)	10 ms
Ejecución del programa y escritura de la salida	10 ms
Tiempo de cierre de la bobina del contactor	alrededor de 30 ms
Respuesta total en el peor caso	unos 55 ms

Para un pulsador operado por una persona, 55 ms es imperceptible. Para detener una máquina ante una barrera de seguridad no sería aceptable: esas funciones se resuelven con relés de seguridad o con controladores de seguridad certificados, no con un PLC estándar.

Modos de operación y arranque

Los controladores tienen al menos dos modos: programa o parada, en que no se ejecuta la lógica, y ejecución, en que sí. Al volver la tensión, el controlador puede arrancar en ejecución, quedar en parada o pedir una orden manual, según la configuración. Elegirlo bien evita que una máquina reanude sola tras un corte de energía. También debe definirse qué conserva el programa tras un corte: contadores, recetas, estados de secuencia.

Dónde encaja el PLC dentro de una instalación

El PLC es el nivel de control de una arquitectura de varios niveles: sensores y actuadores en el campo, el controlador, la interfaz de operador y, por encima, el sistema de supervisión. En una subestación cumple tareas de automatización y enlace de señales, como se ve en PLC y automatización de subestaciones y en PLC de subestación con IEC 61850. En una planta industrial gobierna centros de control de motores como el de CCM inteligente. La supervisión se apoya en SCADA y HMI, y la comunicación con equipos de campo suele usar Modbus RTU y TCP.

Tipos de controlador según la aplicación

La arquitectura básica se repite, pero la presentación cambia con la aplicación:

Tipo	Rasgos	Aplicación frecuente
Compacto	Fuente, CPU y puntos de entrada y salida en una sola caja	Máquinas individuales, tableros pequeños
Modular	Bastidor con CPU, fuente y módulos intercambiables	Plantas de proceso, líneas de producción
Distribuido	CPU central y módulos remotos en red	Instalaciones extensas, con señales lejanas
Controlador por software	Programa que corre en un computador industrial	Aplicaciones con mucho cálculo o integración
Controlador de seguridad	Redundancia y diagnóstico certificados	Funciones de seguridad, según la norma aplicable

La elección se apoya en el número de señales, el ambiente, la disponibilidad que exige el proceso y la facilidad de mantenimiento. Un controlador sobredimensionado encarece el proyecto; uno justo no admite ampliaciones.

Qué consultar en la hoja de datos

Antes de especificar un modelo, lea estos datos en la hoja de datos del fabricante, sin copiarlos de memoria. Son: la memoria para programa y datos, el tiempo de ejecución por instrucción, el número máximo de módulos, los puertos y protocolos de comunicación, la temperatura de operación, la tensión de alimentación y el comportamiento ante un corte de energía. Con esos datos se contrasta el tiempo de scan esperado del programa con la respuesta que pide el proceso, y se confirma la reserva de puntos. El direccionamiento de las variables y los tipos de datos del PLC (BOOL, INT, REAL) se explican en direccionamiento y tipos de datos en PLC.

Errores frecuentes

Suponer respuesta instantánea. Diseñar una función rápida sin conocer el tiempo de scan real.
Programas con bucles largos. Un bucle que recorre demasiados elementos en un solo ciclo alarga el scan y puede disparar el watchdog.
Fuente subdimensionada. Agregar módulos sin recalcular el consumo; el controlador se reinicia al azar.
No definir el estado de las salidas ante falla. El proceso queda en una condición insegura cuando el PLC se detiene.
Usar un PLC estándar para seguridad de personas. El paro de emergencia y las barreras llevan circuitos o controladores de seguridad.
Ignorar el ruido eléctrico. Entradas que parpadean por cables de señal tendidos junto a cables de potencia o variadores.
Escribir la misma salida en varios lugares del programa. Gana la última instrucción ejecutada y el comportamiento se vuelve difícil de seguir.

Lista de verificación

Se conoce el tiempo de scan en línea y se compara con la respuesta que exige el proceso.
La fuente tiene reserva sobre el consumo total de CPU y módulos.
Cada salida tiene un estado definido ante parada o falla del controlador.
El arranque tras un corte de tensión está decidido y documentado.
Las funciones de seguridad no dependen de un PLC estándar.
Las señales rápidas usan entradas o tareas diseñadas para ello.
Cada salida se escribe en un solo lugar del programa.
El respaldo del programa está guardado fuera del controlador.

Dudas técnicas frecuentes

¿Un PLC compacto o uno modular?: el compacto resuelve máquinas y tableros pequeños con pocas señales; el modular, plantas con crecimiento previsto, módulos remotos y mezcla de señales.
¿El tiempo de scan es fijo?: no. Cambia con las ramas del programa que se ejecutan y con la carga de comunicaciones; por eso los fabricantes muestran el valor mínimo, el máximo y el último.
¿El programa vive en el PLC o en el computador?: en el controlador. El computador sirve para editarlo y cargarlo, y de él se guarda el respaldo.
¿Se puede ejecutar un PLC en un computador común?: existen controladores por software que lo hacen; el requisito de tiempo real obliga a cuidar el sistema donde corren.

Cómo le ayudamos

Elegir la arquitectura del controlador, repartir las señales entre módulos y comprobar que el tiempo de respuesta cumple lo que exige el proceso son decisiones de ingeniería de detalle. En Tiza Group hacemos ese diseño y los estudios asociados; luego probamos el sistema y lo ponemos en servicio. Vea diseño de ingeniería y estudios y pruebas y puesta en servicio, o escríbanos por contacto.

Guías relacionadas

Referencias

PLC Academy, introducción al PLC y al ciclo de scan.
Hugh Jack, Automating Manufacturing Systems with PLCs (CC BY-NC-SA 3.0 US).
IEC 61131, controladores programables (norma de pago).

Preguntas frecuentes

¿Qué diferencia hay entre un PLC y un computador común?

El PLC está construido para el ambiente de planta: tolera temperatura, vibración y ruido eléctrico, arranca solo al volver la tensión y ejecuta el programa de forma cíclica y predecible. Su sistema operativo prioriza el tiempo de respuesta, no la variedad de aplicaciones.

¿Qué es el tiempo de scan y de qué depende?

Es lo que tarda el PLC en completar un ciclo de lectura de entradas, ejecución del programa y escritura de salidas. Depende de la velocidad de la CPU, del tamaño del programa, del número de módulos y de las comunicaciones que atiende. Se mide en milisegundos en los controladores usuales.

¿Un pulso muy corto en una entrada se puede perder?

Sí. Si el pulso dura menos que el tiempo de scan más el filtro del módulo, el PLC puede no verlo. Para esos casos existen entradas rápidas, contadores de alta velocidad o interrupciones, según el fabricante.

¿Qué pasa con las salidas si el PLC se detiene?

Depende de la configuración del controlador y del módulo: pueden quedar en cero, mantener su último valor o tomar un valor definido. Se decide en el diseño según lo que sea seguro para el proceso.