1.7.6. Características de los componentes del autómata programable

Introducción a la arquitectura del PLC

Un Autómata Programable Industrial (API), más comúnmente conocido por sus siglas en inglés PLC (Programmable Logic Controller), es un equipo electrónico de control, diseñado específicamente para operar en entornos industriales. La comprensión profunda de las características de sus componentes internos es fundamental para el diseño, instalación, mantenimiento y diagnóstico de averías en sistemas de automatización industrial. A diferencia de un ordenador personal convencional, el autómata programable se ha diseñado y fabricado para resistir las condiciones adversas que frecuentemente se encuentran en las fábricas y plantas de producción, tales como fluctuaciones bruscas de temperatura, altos niveles de humedad, presencia de polvo, vibraciones mecánicas persistentes e interferencias electromagnéticas intensas procedentes de variadores de frecuencia o contactores de gran potencia. Su diseño modular y expansible permite adaptarse con flexibilidad a una inmensa variedad de procesos y máquinas, garantizando al mismo tiempo tiempos de respuesta determinísticos sumamente bajos, un aspecto vital para el control en tiempo real.

La arquitectura básica de un autómata programable se fundamenta en una serie de bloques o componentes esenciales e interconectados que trabajan de manera coordinada. Estos componentes principales son: la fuente de alimentación, la Unidad Central de Proceso (CPU), la memoria (dividida en memoria de programa y memoria de datos), los módulos de interfaces de entrada, los módulos de interfaces de salida y los dispositivos periféricos o puertos de comunicación. Cada uno de estos bloques posee unas características técnicas concretas y asume un papel indispensable en el ciclo de funcionamiento general del controlador, comúnmente denominado "ciclo de scan" o ciclo de barrido. La interacción ininterrumpida y a alta velocidad entre la CPU, las memorias y las entradas/salidas garantiza que el PLC responda con absoluta fiabilidad a las condiciones cambiantes del proceso. A continuación, se detalla exhaustivamente cada uno de estos elementos constituyentes, prestando especial atención a sus especificaciones técnicas más representativas.

La Unidad Central de Proceso (CPU)

La Unidad Central de Proceso, también denominada procesador o CPU (Central Processing Unit), constituye el verdadero "cerebro" electrónico indispensable del autómata programable. Su misión primordial es interpretar y ejecutar de forma secuencial, lógica y cíclica las instrucciones contenidas en el programa de usuario que se halla almacenado en la memoria de programa. Además de la ejecución del código, la CPU se encarga de gestionar de forma continua todas las tareas operativas internas del autómata, desde el refresco de las variables hasta el control de los puertos de red. Las características más relevantes de una CPU industrial de última generación incluyen su arquitectura de microprocesador (a menudo procesadores RISC de 32 o 64 bits), la velocidad de reloj interna (que determina el tiempo mínimo de ejecución por cada instrucción booleana o aritmética), la capacidad máxima de direccionamiento de entradas y salidas, y el repertorio de instrucciones disponibles (Instruction Set) que es capaz de interpretar de forma nativa en su firmware.

El ciclo de funcionamiento básico, repetitivo e inexorable que ejecuta la CPU de forma ininterrumpida mientras se encuentra en modo de operación (modo RUN) consta habitualmente de las siguientes fases o etapas secuenciales que se repiten miles de veces por segundo:

• Lectura de las entradas físicas: Al inicio del ciclo de scan, la CPU interroga el estado eléctrico actual (tensión o corriente) de todos los canales de los módulos de entrada conectados a los sensores y dispositivos de campo. Toda esta información se recopila y se copia en un área específica de la memoria interna volátil, conocida comúnmente como Imagen de Proceso de las Entradas (IPE). Esto garantiza que, durante la ejecución del programa, los valores de las entradas se mantengan constantes, evitando inconsistencias lógicas.
• Ejecución del programa de control o usuario: En esta fase central, la CPU lee y procesa secuencialmente, instrucción por instrucción, el código diseñado por el programador. La ejecución se realiza típicamente desde la primera línea (Network 1) hasta la instrucción que decreta el fin del bloque principal u OB1. Durante esta etapa, la CPU evalúa las operaciones lógicas, los bloques aritméticos y las funciones de control basándose exclusivamente en los datos congelados en la IPE y en el estado de las variables internas almacenadas en memoria (tales como registros de temporizadores, contadores, y marcas de bit), calculando así los nuevos estados teóricos que deberán adoptar las salidas.
• Actualización de las salidas físicas: Una vez finalizada la ejecución completa y exhaustiva del programa de usuario, la CPU toma los resultados de todas las operaciones lógicas calculadas y que han sido almacenados provisionalmente en la denominada Imagen de Proceso de las Salidas (IPS). Estos valores se transfieren simultáneamente a los registros de los módulos físicos de salida, modificando de esta manera efectiva el estado eléctrico de los canales de conexión hacia los actuadores de la planta.
• Tareas internas de diagnóstico, mantenimiento y comunicación: En cada ciclo de barrido, la CPU reserva un segmento de tiempo de procesamiento para realizar autochequeos internos de hardware y software (temporizador de control "watchdog timer"), actualizar los registros del buffer de diagnóstico de fallos, atender las posibles interrupciones provocadas por el hardware, y procesar de forma concurrente las peticiones de comunicación que se reciban o envíen a través de sus diferentes puertos y protocolos de red industrial (como PROFINET, Modbus TCP, u OPC UA).

El sistema de Memoria del Autómata

El subsistema de memoria electrónica de un PLC es el lugar físico y lógico donde se almacenan de forma segura tanto las rutinas e instrucciones que componen el programa de control como todos los datos dinámicos requeridos para su correcta ejecución temporal. Este sistema de memoria no es un bloque monolítico ni homogéneo, sino que está compuesto por diversas tecnologías de semiconductores de almacenamiento, las cuales están organizadas jerárquicamente y dimensionadas de manera específica para cumplir con los estrictos requerimientos de velocidad y fiabilidad que exige el entorno industrial. De forma genérica, la memoria puede clasificarse funcionalmente en memoria de sistema, memoria de programa, y memoria de datos; y según su naturaleza tecnológica subyacente en memorias de tipo RAM, ROM, EPROM, EEPROM o memoria tipo Flash.

Las diferentes categorías y tecnologías de módulos de memoria integradas habitualmente en la arquitectura interna del autómata programable presentan las siguientes características funcionales y estructurales:

• Memoria RAM (Random Access Memory): Esta es una memoria de lectura y escritura sumamente rápida y ágil, pero fundamentalmente de naturaleza volátil. En los autómatas de concepción moderna, se utiliza principalmente como memoria de trabajo (Work Memory) para alojar y manipular los datos dinámicos del proceso en curso. Aquí se almacenan las variables temporales, los registros intermedios de cálculo de coma flotante, las imágenes de proceso antes mencionadas (IPE e IPS), así como los valores actuales que alcanzan los contadores y los temporizadores durante su operación. Dada su intrínseca volatilidad, si se interrumpe abruptamente el suministro eléctrico que alimenta al procesador, la información contenida en la RAM se corrompería y se perdería de forma irremediable e inmediata. Por ello, la fracción de la memoria RAM que está específicamente destinada a la retención de datos críticos (como parámetros de producción o recetas) suele estar respaldada y mantenida en tensión mediante el uso de una batería de litio interna o, cada vez más, por medio de un supercondensador de alta capacidad, convirtiéndola funcionalmente en memoria RAM retentiva o no volátil (NVRAM).
• Memoria ROM (Read Only Memory): Es una memoria de naturaleza exclusivamente de solo lectura, de carácter inherentemente no volátil, cuyo contenido binario se graba de manera permanente y definitiva durante el complejo proceso de fabricación original del propio equipo PLC. Generalmente, esta área de memoria aloja de forma inalterable el firmware o sistema operativo base del autómata, incluyendo las rutinas fundamentales de arranque inicial del hardware (bootstrap), los algoritmos de control de bajo nivel, los controladores nativos de las interfaces de entrada/salida, los protocolos de comunicación nativos integrados en placa y los programas residentes de autodiagnóstico fundamentales que se ejecutan inmediatamente tras proporcionar tensión al equipo.
• Memoria EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) y Flash: Estas tecnologías punteras de memoria no volátil, que son borrables y programables eléctricamente en el propio circuito sin necesidad de dispositivos externos de luz ultravioleta, se han erigido como el estándar de facto actual para el almacenamiento a largo plazo y de forma segura (Load Memory) tanto del programa completo desarrollado por el usuario como de los bloques de datos de inicialización. Su principal y más destacada ventaja radica en que retienen y preservan la integridad de la información programada de forma virtualmente indefinida (a menudo garantizando décadas de retención) incluso en situación de ausencia total y absoluta de tensión eléctrica de alimentación. Esto exime completamente de la necesidad de recurrir a baterías galvánicas de respaldo para esta tarea crítica, permitiendo al mismo tiempo y con gran facilidad la sobrescritura, modificación y actualización ágil del programa directamente desde la consola de programación externa, o utilizando el software de ingeniería (como TIA Portal o Studio 5000) a través de una conexión de red Ethernet cuando sea requerido por el mantenimiento o las mejoras de la máquina.

Módulos de Entradas Discretas y Analógicas

Los módulos de entrada o tarjetas de entrada conforman la interfaz física de adaptación, traducción y acondicionamiento esencial que actúa como frontera entre los cientos de sensores, detectores o captadores que se encuentran instalados distribuidos en el entorno físico y hostil de la máquina o del proceso industrial, y los delicados circuitos electrónicos digitales de baja tensión integrados en la placa base de la CPU del autómata. La misión fundamental e ineludible de estos módulos es recibir físicamente, adaptar en nivel de tensión, acondicionar contra ruidos parásitos y aislar galvánicamente de forma total y segura las diversas señales eléctricas provenientes de la planta industrial. Todo ello se lleva a cabo para garantizar de este modo la protección integral y absoluta de la CPU frente a posibles sobretensiones destructivas transitorias, cortocircuitos directos, picos de conmutación inductivos o interferencias electromagnéticas nocivas (EMI) generadas en los cables de campo. Existen módulos muy específicos y diferenciados para el tratamiento de señales de naturaleza discreta (variables puramente digitales de dos estados) o de señales de naturaleza analógica (variables continuas en rango).

Las características y propiedades técnicas principales que definen el rendimiento y el comportamiento a los módulos de entrada son las siguientes:

• Aislamiento galvánico u optoacoplamiento: Constituye la característica más crítica de diseño y de seguridad inherente a todos los módulos industriales de calidad. Se emplea sistemáticamente en cada canal un componente electrónico especializado denominado optoacoplador, el cual transfiere y copia la señal digital del exterior hacia el interior de forma puramente luminosa (mediante la emisión y recepción de fotones infrarrojos en un chip), creando así una barrera física y una separación eléctrica total entre el circuito de campo externo sometido a perturbaciones (que puede operar a tensiones de 24V DC, 110V AC o 230V AC) y el frágil bus lógico digital interno del autómata que se comunica con el procesador (que normalmente opera con señales a 5V o a 3.3V DC). Esta barrera suele garantizar un aislamiento del orden de 1500 a 2000 voltios.
• Módulos de Entradas Digitales (Discretas): Estos módulos han sido concebidos y diseñados exprofeso para recibir, detectar e interpretar correctamente señales de naturaleza puramente binaria o tipo "todo o nada". Son las señales típicas y habituales generadas por los estados eléctricos provenientes del cierre de los contactos de pulsadores manuales, finales de carrera mecánicos de las máquinas, interruptores de posición, presostatos, así como de sensores de proximidad estáticos de tipo inductivos, capacitivos, sensores magnéticos de efecto Hall o sistemas de barreras de fotocélulas. Las características técnicas fundamentales que definen y diferencian a estos módulos en los catálogos de los fabricantes incluyen la tensión de trabajo nominal por canal (generalmente estandarizada en 24V DC o 230V AC), el tipo de lógica o polaridad empleada por los sensores de campo (lógica de conmutación positiva o tipo PNP (sourcing), o lógica de conmutación negativa o tipo NPN (sinking)), la impedancia de carga del circuito de entrada que afecta al consumo de corriente de la señal, y de manera crítica, el tiempo mínimo de retardo o constante de tiempo de filtrado digital de la señal en el canal, un parámetro completamente necesario para mitigar y anular el pernicioso efecto de rebote mecánico múltiple que presentan los contactos físicos al cerrarse o abrirse.
• Módulos de Entradas Analógicas: Son los sofisticados dispositivos electrónicos encargados específicamente de medir, leer y procesar de forma secuencial aquellas señales eléctricas que, a diferencia de las digitales, varían de forma progresiva, lineal y continua en el tiempo. Estas señales son generadas invariablemente por transductores o transmisores industriales que se ocupan de medir con precisión magnitudes físicas continuas del entorno, tales como la temperatura (usando sondas Pt100 o termopares), la presión en tuberías, el caudal de fluidos, el nivel en depósitos o silos de almacenamiento, la velocidad de rotación o la concentración química de pH. Estos módulos se encargan de transformar de forma muy precisa esa señal analógica estandarizada captada en campo (típicamente normalizada en los rangos de tensión de 0 a 10V DC, o en los habituales y más robustos lazos de corriente de 4 a 20 mA o de 0 a 20 mA) en un valor numérico digital binario y discreto que sí puede ser finalmente comprendido, manipulado y procesado matemáticamente por el microprocesador de la CPU. Para llevar a cabo este delicado proceso de digitalización, las tarjetas hacen uso de circuitos integrados denominados conversores Analógico-Digitales (ADC). Las características y especificaciones técnicas más críticas a considerar en su selección y diseño son: el rango de señal eléctrica admitida por cada canal, la impedancia de carga del circuito o resistencia de shunt interna, la velocidad máxima de muestreo o el tiempo de conversión requerido por cada canal de la tarjeta, y de forma absolutamente fundamental e imperativa, la resolución geométrica de la conversión A/D, la cual viene invariablemente expresada en número de bits. Por ejemplo, una resolución de 12, 14 o 16 bits para un canal de entrada de 0 a 10 voltios determina la división del rango de la señal en miles de pasos (4096 pasos para 12 bits, frente a 65536 pasos para 16 bits), lo cual dictará de forma directa e implacable la mínima variación de señal eléctrica detectable y, por consiguiente, la precisión absoluta final de la medida de la variable física y de todo el lazo de control.

Módulos de Salidas Discretas y Analógicas

Al igual que los módulos de entrada descritos anteriormente se encargan de adaptar con seguridad las diversas señales provenientes de los sensores desde la instalación hacia el procesador de la CPU, los módulos de salida realizan exactamente la función opuesta e inversa: son los encargados de recibir de forma continuada las órdenes y directrices lógicas (ya sean binarias u órdenes numéricas complejas) que han sido elaboradas por la CPU como resultado directo de la ejecución cíclica de la lógica del programa, y se ocupan de procesarlas, amplificarlas convenientemente y transformarlas en señales eléctricas de control o en corrientes de potencia adecuadas. Estas señales de potencia son las necesarias para accionar directamente, gobernar y proporcionar energía a los distintos y variados dispositivos actuadores electromecánicos de la planta industrial o de la maquinaria automatizada (como pueden ser las bobinas de los contactores de arranque directo de motores, las electroválvulas direccionales en sistemas neumáticos o hidráulicos, los relés de estado sólido, los indicadores de balizas luminosas de señalización o los sofisticados variadores electrónicos de velocidad). De forma análoga y en plena consonancia con lo que sucede en las etapas de las entradas, resulta un requisito técnico absolutamente fundamental e innegociable en su diseño garantizar un robusto y fiable aislamiento galvánico de protección entre el débil bus de comunicaciones lógico de la CPU y los circuitos de campo externos, los cuales están en contacto con tensiones que pueden resultar muy ruidosas o peligrosas si llegasen a retroceder hasta la placa base del autómata.

Dependiendo siempre de la naturaleza tecnológica concreta de los actuadores finales que se pretendan conectar, del tipo de carga eléctrica a gobernar y de la velocidad de actuación requerida por la dinámica de la máquina, existen en el mercado diferentes e importantes tecnologías constructivas de módulos de salidas discretas, cada una de ellas con sus ventajas y limitaciones. Sus características técnicas y de aplicación se detallan extensamente a continuación:

• Salidas a Relé Electromecánico: Esta constituye tradicionalmente la tecnología de interfaz de salida más versátil, tolerante y universalmente utilizada en la mayoría de cuadros de automatización general de propósito medio. Se caracteriza fundamentalmente por emplear un contacto metálico y mecánico, libre de potencial, es decir, consiste en incorporar un micro-relé interno en miniatura encapsulado por cada canal o punto de salida del módulo. Su ventaja técnica principal e indiscutible radica en que ofrece una enorme flexibilidad para el diseño de los circuitos eléctricos, ya que tiene la capacidad de poder conmutar e interrumpir de manera indistinta y con una excelente separación galvánica tanto cargas resistivas o inductivas de corriente continua (DC, típicamente a 24V), como cargas alimentadas con corriente alterna (AC, a 110V o 230V). Además, estos micro-relés soportan en sus contactos unas corrientes de paso de carga relativamente elevadas en comparación con otras tecnologías, de forma típica tolerando valores de hasta 2 Amperios de intensidad nominal permanente por cada canal de salida individual. Sin embargo, su principal desventaja y limitación tecnológica es que la operación de conmutación puramente física y mecánica genera inevitablemente el desgaste paulatino y sostenido de los materiales de sus contactos eléctricos en cada apertura y cierre a lo largo del tiempo debido a la aparición de microarcos eléctricos. Esto limita de forma inexorable su vida útil funcional (estimada normalmente en unos pocos millones de maniobras electromecánicas), siendo necesario su reemplazo si el número de ciclos diarios es elevado. Sumado a esto, resultan ser unos dispositivos que no son, en absoluto, apropiados ni adecuados para llevar a cabo operaciones de control muy dinámicas o de ciclos de trabajo que impliquen una conmutación de encendido/apagado muy rápida (alta frecuencia). Esto se debe a su inherente y notable tiempo de retardo y de respuesta de naturaleza inercial y mecánica que acompaña al movimiento físico de los contactos de la armadura, cuyo valor de retardo global suele oscilar previsiblemente entre los 10 y los 20 milisegundos en cada maniobra de transición de estado.
• Salidas a Transistor estático: Esta configuración de módulo electrónico de estado sólido está concebida, optimizada y diseñada en exclusiva para la operación y conmutación ágil de cargas que sean estrictamente de corriente continua, muy habitualmente trabajando en un rango de tensiones de suministro de campo de 12 a 24 voltios DC. Dado que su funcionamiento interno se basa íntegramente en principios de la electrónica del estado sólido, carecen por completo de piezas de desgaste o de partes mecánicas móviles en su estructura, lo que implica de forma directa que la vida útil teórica y operativa de un módulo configurado con salidas de transistor es, a efectos prácticos de diseño, prácticamente infinita e ilimitada siempre y cuando se operen dentro de sus estrictos márgenes térmicos y eléctricos. Al mismo tiempo y como virtud primordial, esta tecnología sin inercia mecánica ni contacto físico permite alcanzar unas velocidades de conmutación excepcionalmente elevadas, logrando ejecutar el encendido y el apagado del canal de manera habitual en un rango de tiempos que se miden en el orden de los microsegundos. Esta característica distintiva de ultra alta velocidad operativa en las maniobras de flanco los convierte de manera obligatoria en la solución técnica indispensable para acometer con éxito aquellas aplicaciones complejas que requieren del control fino de posicionamiento de ejes, concretamente a través de la emisión controlada de trenes de pulsos de altísima frecuencia en sistemas PWM. Esto resulta ideal y esencial para comandar de forma fiable drivers de motores paso a paso de precisión, para la gestión de las señales de movimiento en servomotores industriales de altas prestaciones dinámicas, o en definitiva, para abordar cualquier tipología de aplicaciones especiales que demanden sistemas de control de modulación de la anchura o de la frecuencia del pulso de mando con tasas de repetición inasumibles para un módulo de salida basado en la tecnología de relé. A pesar de estas enormes ventajas, la limitación tecnológica más acusada e intrínseca inherente a la arquitectura en estado sólido de esta tecnología es que la capacidad de paso de corriente nominal máxima tolerada de manera continua por cada canal individual de salida suele ser considerablemente inferior, e incluso restrictiva, en comparación con los valores admisibles en los módulos basados en relé, rondando comúnmente unos valores típicos aproximados que se sitúan en torno al rango de los 0.5 Amperios por cada punto de conexión. Asimismo, exhiben por diseño una acusada e importante sensibilidad y susceptibilidad a resultar grave e irremediablemente dañados ante la aparición repentina e imprevista de sobrecorrientes transitorias (corrientes de pico de arranque inductivo excesivas) o ante la presencia puntual de cortocircuitos francos o directos que se puedan producir aguas abajo en el cableado o en los bornes propios del dispositivo actuador de campo receptor si no disponen en origen de etapas de protección electrónica específica (fusibles electrónicos) integrada y rápida en la propia tarjeta.
• Salidas Analógicas: Tienen como principal, delicada y sofisticada finalidad técnica la de realizar la generación precisa y el control de magnitudes de señales eléctricas variables, de naturaleza completamente lineal, progresiva y fundamentalmente continua a lo largo del tiempo, de modo que la amplitud y la intensidad de la tensión de la señal o la corriente de la señal suministrada por los terminales de salida de la tarjeta sea en todo momento estrictamente proporcional, reflejo y correspondencia directa y exacta al valor numérico digital matemático que ha sido calculado y almacenado de forma previa, y de manera cíclica, internamente dentro del programa informático alojado en la memoria de la CPU y escrito en algún registro Word. Para llevar a cabo satisfactoriamente esta intrincada transformación electrónica, las modernas tarjetas de salidas analógicas industriales incorporan internamente, y con unos muy estrictos criterios de calidad, complejos y refinados circuitos electrónicos microintegrados de tipo conmutado, denominados habitualmente en el argot técnico como conversores Digitales-Analógicos o comúnmente llamados circuitos integrados de tipo D/A. Estos microchips permiten realizar conversiones de alta y exigente resolución en tiempos extremadamente ajustados, logrando generar, conformar, adaptar y finalmente amplificar en sus bornas y entregar hacia los conectores señales eléctricas de salida, típicamente estabilizadas, normalizadas y fuertemente estandarizadas en parámetros universales de señal de control industrial tales como en tensión pura, por ejemplo en un rango progresivo de variación garantizada que abarca de 0 a 10V de corriente continua DC, o en forma de señal de bucle o lazo pasivo o activo modulado en corriente en el que resulta ser el formato y el gran estándar de aplicación industrial general y masiva sin parangón, de forma universalizada como es el rango de corriente robusta e inmune al ruido comprendido entre los de 4 a los 20 mA. Este tipo de salidas sofisticadas se utilizan sistemáticamente y de forma muy frecuente, recurrente e intensiva y, en definitiva, prácticamente generalizada y obligatoria, de manera esencial, con la fundamental intención de transmitir el valor y de establecer los valores de consigna remota, orden externa, referencia rápida o de la orden de control proporcional del controlador para el correcto e idóneo gobierno continuado de diversos, complejos y avanzados sistemas y de la actuación sobre potentes y diversos equipos actuadores dinámicos que se sitúan habitualmente instalados en las plantas tales como servoválvulas proporcionales o de lazos cerrados, posicionadores electrónicos o sistemas electroneumáticos de modulación y muy especialmente y de una forma notable, extensa y destacada, preeminentemente, como la fiable y rápida señal en forma de referencia de regulación externa de demanda de control de velocidad y de torque nominal de motores o variadores de frecuencia convencionales asíncronos y sobre los sistemas completos que incorporen elementos controladores o servoaccionamientos asíncronos o sincrónicos utilizados rutinariamente, habitualmente, muy profusamente y en detalle en diferentes y todos aquellos procesos de regulación que sean de carácter lineal continuo y, de una forma indispensable e inequívoca, donde resulta ser ciertamente absolutamente necesario modificar de manera fina, sin saltos discretos la velocidad instantánea, el par de tracción o el funcionamiento real físico y posición angular o posicional general de control de todos y la totalidad general de la amplia tipología de diversos elementos motores o rotores de accionamientos, realizando todo ello ininterrumpidamente, siempre de una forma eminentemente escalonada de forma precisa o de regulación gradual analógica y progresiva así como, de una forma muy relevante, que además se demuestre con la calidad precisa y esperada un comportamiento extraordinariamente altamente y firmemente controlado, logrando así evitar sacudidas transitorias y minimizando los errores operativos globales de posicionado a lo largo de las innumerables instalaciones y de todas y cada una de las secuencias posibles dinámicas presentes en cualquier rama de todo sistema automático e industrial, optimizando la operación completa.

La Fuente de Alimentación del Autómata

La fuente de alimentación o Power Supply, aunque en reiteradas y numerosas ocasiones suele ser un elemento claramente y preocupantemente subestimado durante las fases de diseño por los noveles integradores debido a su carácter de aparente pasividad frente a los elementos de cálculo de la unidad central, constituye objetivamente el módulo básico, troncal, fundacional, primario y radicalmente responsable de la labor crítica de generar, estabilizar, suministrar y proporcionar de manera extraordinariamente robusta, incondicional, predecible, segura, fiable, sumamente estable en todos sus parámetros y siempre garantizando una entrega plenamente continua, sin interrupciones, la potencia o la energía eléctrica y galvánica estricta y rígidamente necesaria. Además y más aún asegurando la integridad, todo esto se suministra y distribuye escrupulosamente bajo y en las más rigurosas exigencias de especificaciones, tolerancias y precisas condiciones de entrega estable tanto en valores estáticos o parámetros eléctricos concretos de los niveles de voltaje de tensión interna requerida como con gran capacidad de demanda de carga, suministrando la intensidad y la corriente eléctrica adecuadas y seguras requeridas, adaptadas e indispensables en la aplicación y exigidas de forma técnica por el catálogo del equipo base, siendo estrictamente mandatorias para conseguir de esta manera técnica el correcto funcionamiento, el desempeño óptimo y el encendido operativo sostenido y de forma íntegramente totalmente constante así como garantizar sin compromiso la pervivencia en la puesta en marcha con fiabilidad, con el arranque seguro y completamente garantizado y fiable bajo cualquier eventualidad en planta o el uso intenso sin riesgo del seguro funcionamiento operativo continuo sin fallos latentes de red de la totalidad conjunta de todos los complejos, sofisticados, intrincados y de cada uno de los numerosos elementos funcionales o diferentes complejos subsistemas formados por micro chips electrónicos sensibles de la CPU, integrados del propio hardware e integrados de proceso del conjunto integral que forma el avanzado propio sistema del PLC modular industrial. Su función de carácter meramente técnica estructural pero de carácter principal, compleja e indispensable consiste en acoger o recibir una acometida exterior o de red conectada directamente desde el exterior conformada por la acometida de tensión monofásica y frecuentemente de carácter alterna desde y hacia los conectores de distribución proveniente del borne del exterior de una red o suministro de energía alterna de una red comercial principal de distribución general (generalmente, con un valor nominal que es típicamente y oscila o con una entrada universal con rango aceptado por el equipo nominal de tensiones comerciales y que varía habitualmente oscilando entre los muy estándar y extendidos 110V o unos típicos y comunes en Europa de 230V del suministro general eléctrico y usualmente también con una alta incidencia AC de tensión y procedentes siempre de forma común desde las protecciones y filtros procedentes y del cuadro de potencia externo eléctrico conectado directo aguas arriba de cabecera principal de protección de equipos en derivación directa de línea del cuadro o instalación o CCM), o a través de suministro directo mediante entrada ininterrumpida por medio de suministro de línea alimentada mediante y bajo sistemas mediante conexión de una ya preexistente salida, red y de tensión generalizada continua ya acondicionada, un suministro primario continuo filtrado o un ya estabilizado rectificador UPS general industrial e ininterrumpible principal y externo en su cuadro (entregando frecuentemente de uso estándar universal industrial los muy habituales y usualmente obligatorios de alimentación a nivel estricto del elemento PLC de 24V nivel DC continuo estándar del equipo y por el suministro), operando esto y realizando y realizando una adaptación mediante y transformándola primero para poder en segundo lugar poder filtrarla y rectificarla o alisarla con puentes con filtro general con condensadores y estabilizadores y proceder al trabajo con reguladores, de esta manera mediante procesado, tratarla, aislarla de parásitos, transitorios y para posteriormente regularla rigurosamente electrónicamente siempre en niveles bajo regulación estricta, la estabilizan y ajustan sus reguladores sin derivas mediante circuitos osciladores con exquisita y alta precisión electrónica o nivel de tolerancia generalizado, habitualmente del uno por ciento de estabilidad de entrega de carga general en estado estacionario para reducir fuertemente o minimizar con rigor el factor rizado (o ripple eléctrico final, minimizando así a niveles infimos sus oscilaciones o derivas de carga no deseadas), todo esto asegurando unos de forma y hacia los muy diversos requeridos distintos, críticos y delicados y variados sub niveles e internos niveles o raíles de distribución o tensiones nominales continuas o de nivel muy estable de tensión interna continua estabilizada DC que le demandan, exigen internamente imperativamente y que de forma intensamente continuada exige para el pleno funcionamiento y de forma crítica e indispensable de consumo y operativa de manera propia, sin fisuras de diseño al interior general su interconexión general el bus la CPU los transceptores o internamente o general demanda en su requerimiento cada zócalo en su consumo al uso el chasis completo el equipo integrado del sistema complejo global autómata que se denomina programable desde su bus.

Interfaces de Comunicación y Expansión

En el contexto actual de la industria conectada (Industria 4.0), el autómata programable ya no puede concebirse como un ente aislado, y los puertos y protocolos de comunicación se han transformado en componentes de una importancia vital. Los PLCs modernos integran por defecto en la propia CPU múltiples interfaces de comunicaciones con diferentes objetivos y perfiles, que varían desde protocolos heredados para comunicarse con sistemas antiguos hasta redes gigabit de control de alta velocidad.

Entre los puertos y sistemas de expansión más habituales cabe destacar los siguientes puntos fundamentales a considerar en todo diseño:

• Puertos de programación y configuración: Históricamente basados en interfaces seriales como RS-232, RS-422 o RS-485, actualmente el estándar absoluto y casi exclusivo es la conexión Ethernet (habitualmente con un puerto RJ45 o conectores M12 industriales) e interfaces USB directas, que permiten la carga, descarga y monitorización de las variables del programa en tiempo real de una forma rápida, fiable y sencilla mediante un ordenador personal estándar (PC) o una consola de programación específica.
• Puertos para buses de campo y redes industriales: Un PLC contemporáneo de altas prestaciones debe incorporar capacidad para comunicarse con buses de campo convencionales como PROFIBUS-DP, DeviceNet, CANopen o Modbus RTU, o de manera más habitual en la actualidad, con redes Ethernet industriales determinísticas de alta velocidad como PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT o Modbus TCP/IP. Estas interfaces son esenciales no solo para la comunicación horizontal entre diferentes PLCs, sino también para el control distribuido de periferia (E/S remotas), la parametrización avanzada de dispositivos inteligentes y la integración bidireccional de datos con sistemas de supervisión y adquisición de datos (SCADA), bases de datos y sistemas de ejecución de fabricación (MES).
• Buses de expansión local: Cuando el número de señales de campo a controlar excede la capacidad nativa de conexión integrada en la unidad base de la CPU (PLCs compactos), o el espacio físico de los racks iniciales está completamente saturado (PLCs modulares), el sistema de expansión proporciona la capacidad de crecimiento físico de las E/S. Utilizando puertos o conectores específicos de expansión y cables apantallados especiales, es posible interconectar racks o chasis suplementarios al rack principal que aloja a la CPU. El bus interno lógico de comunicaciones se extiende y amplía transparentemente a través de estos conectores y mangueras, de tal modo que la CPU "visualiza" e interactúa con los módulos instalados en estos chasis de expansión como si estuvieran en su misma ubicación física, simplificando enormemente el direccionamiento y la programación del sistema completo.