Guía de Laboratorio 3

Control de Velocidad en Lazo Cerrado
VFD ABB + PLC Delta SE + Encoder

Control de velocidad de motor trifásico mediante señal analógica 0–10 V desde módulo DVP06XA, con retroalimentación de encoder incremental y sintonía PID por método de Smith

🎯

Objetivos de la Práctica

  1. Configurar el VFD ABB para arranque por señal discreta y control de frecuencia por señal analógica 0–10 V.
  2. Conectar el PLC Delta SE al VFD ABB mediante salida digital Y20 y módulo analógico DVP06XA.
  3. Programar en ISPSoft el control de arranque/paro (Y20/M0) y escritura del módulo 06XA desde registro D40.
  4. Diseñar pantalla HMI para carga de setpoint (D40), arranque/paro (M0) y monitoreo de velocidad.
  5. Incorporar el encoder y escalar las RPM ajustando el tiempo de muestreo SPD.
  6. Incorporar la lectura de RPM en la HMI para visualización en tiempo real.
  7. Estudiar la función PID del manual Delta para CPU SE e incorporarla al programa.
  8. Cerrar el lazo de control: entrada = RPM medida, salida = D40 (señal analógica al VFD).
  9. Sintonizar el PID siguiendo el método práctico del manual del PLC.
  10. Encontrar el 67 % y 23 % del tiempo de establecimiento a velocidad nominal.
  11. Estudiar el método de sintonía de Smith (dos puntos específicos).
  12. Sintonizar el PID con criterios de Smith y comparar resultados.
  13. Redactar informe técnico con análisis completo de resultados.
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01

Configurar el VFD ABB — Arranque por Señal Discreta + Frecuencia 0–10 V

📋 Objetivo

Configurar el variador de frecuencia ABB para que:

🔧 Pasos de Configuración en el Panel del VFD ABB

  1. Acceder al menú de parámetros del VFD ABB desde el panel de operación.
  2. Configurar el grupo de arranque/paro: seleccionar Arranque por borne digital (DI1).
  3. Configurar el grupo de referencia de frecuencia: seleccionar AI1 (0–10 V) como fuente de referencia.
  4. Establecer la frecuencia mínima (0 Hz) y frecuencia máxima (50 Hz).
  5. Verificar que la curva V/f esté configurada correctamente para el motor.
  6. Guardar la configuración y verificar el estado de los parámetros.
Parámetro ABBValor ConfiguradoDescripción
Start/Stop SourceDI1 (bornero)Arranque por contacto seco
Frequency ReferenceAI1 (0–10 V)Referencia de frecuencia analógica
AI1 Minimum0.0 VCorresponde a 0 Hz
AI1 Maximum10.0 VCorresponde a 50 Hz (fmax)
Min Frequency0 HzFrecuencia mínima de salida
Max Frequency50 HzFrecuencia máxima de salida
Configuración de parámetros del VFD ABB desde el panel de operación
1.PNG

Captura del panel del VFD ABB mostrando los parámetros de configuración.

⚠️
Seguridad Verificar que el motor esté correctamente acoplado y que no haya personas cerca del eje antes de realizar pruebas de arranque. Asegurar que la rampa de aceleración esté configurada (ej. 3–5 segundos) para evitar corrientes de arranque excesivas.
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02

Conexión del PLC Delta SE al VFD ABB

🔌 Esquema de Conexión

Se realizan dos tipos de conexión entre el PLC y el VFD ABB:

🟢 Señal Discreta (Arranque/Paro)

  • Salida Y20 del PLC → Borne DI1 del VFD
  • COM del PLC → Borne COM del VFD
  • Relé de salida (Y20) cierra contacto → VFD recibe señal de arranque

🔵 Señal Analógica (Frecuencia)

  • Salida VO1+ del módulo DVP06XA → Borne AI1+ del VFD
  • Salida VO1− del módulo DVP06XA → Borne AI1− del VFD
  • Rango: 0 V → 0 Hz | 10 V → 50 Hz

📊 Mapeo del Módulo DVP06XA

CanalTipoRangoRegistro PLCDestino VFD
VO1 (Ch4)Salida Analógica0 – 10 V DCD40 (valor 0–4000)AI1 (referencia frecuencia)
Y20Salida DiscretaRelé / TransistorY20DI1 (start/stop)
💡
Escala del módulo DVP06XA Para salida 0–10 V, el valor digital del PLC se escribe en el registro asociado al canal de salida. En el DVP06XA, el valor 0–4000 corresponde a 0–10 V. Es decir, D40 = 4000 → 10 V → 50 Hz; D40 = 2000 → 5 V → 25 Hz.
Diagrama de conexión entre PLC Delta SE salida Y20 y borne DI1 del VFD ABB
2.PNG

Conexión Y20 → DI1 (señal discreta de arranque/paro).

Conexión del módulo DVP06XA salida analógica VO1 al borne AI1 del VFD ABB
3.PNG

Conexión DVP06XA VO1 → AI1 (señal analógica 0–10 V de frecuencia).

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03

Programa en ISPSoft — Control Y20 y Escritura del Módulo 06XA

🎯 Lógica del Programa

💻 Código Ladder — Control de Arranque y Escritura Analógica

Programa Ladder en ISPSoft con control de Y20 por M0 y escritura del módulo DVP06XA con D40
4.PNG

Programa Ladder en ISPSoft — control Y20 y escritura del módulo 06XA con D40.

📐 Escala de Conversión

Relación D40 → Voltaje → Frecuencia
D40 = 0   →   0 V   →   0 Hz
D40 = 2000   →   5 V   →   25 Hz
D40 = 4000   →   10 V   →   50 Hz
Valor D40Voltaje SalidaFrecuencia VFDRPM Esperadas*
00 V0 Hz0 RPM
10002.5 V12.5 Hz375 RPM
20005 V25 Hz750 RPM
30007.5 V37.5 Hz1125 RPM
400010 V50 Hz1500 RPM

* Motor de 4 polos, deslizamiento despreciado para cálculo teórico.

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04

Diseño de Pantalla HMI Minimalista — Control desde HMI

📺 Requerimientos de la Pantalla

🟢 Elementos de Entrada

  • Numeric Input → D40 (rango 0–4000)
  • Push Button (NO) → SET M0
  • Push Button (NC) → RST M0

🔵 Elementos de Display

  • Numeric Display → D40 (valor actual)
  • Lamp/Indicator → M0 (estado ON/OFF)
  • Label → Frecuencia [Hz]

🎨 Distribución Propuesta de la Pantalla

SETPOINT
D40
[ Numeric Input ]
0 – 4000 → 0 – 50 Hz
CONTROL
▶ START
SET M0
⏹ STOP
RST M0
● Estado Motor: OFF   |   Frecuencia: __ Hz
Pantalla HMI minimalista con entrada numérica para D40, botones de arranque y paro, e indicador de estado
5.PNG

Pantalla HMI minimalista — control de setpoint D40, arranque/paro M0.

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05

Incorporar el Encoder y Escalar las RPM — Función SPD

📡 Configuración del Encoder en el PLC

Se utiliza la función SPD (Speed Detection) para contar pulsos del encoder y calcular la velocidad de rotación.

📐
PPR
1024
Pulsos por revolución
🔁
Modo
×4
Cuádruple (AB ambos flancos)
📊
Pulsos/Rev
4096
Resolución efectiva
🔌
Entradas
X0, X1
Fase A, Fase B

🔧 Ajuste del Tiempo de Muestreo SPD

El tiempo de muestreo de SPD afecta directamente la resolución y velocidad de actualización de la lectura de RPM:

Base T (ms)Resolución (RPM)ActualizaciónUso Recomendado
10000.015 RPMCada 1 sBaja velocidad, alta precisión
7000.021 RPMCada 0.7 sCompromiso general
3000.049 RPMCada 0.3 sLazo cerrado PID
2000.073 RPMCada 0.2 sRespuesta rápida PID
💡
Recomendación para lazo cerrado PID Para control PID en tiempo real, se recomienda una base de tiempo de 200 ms o 300 ms. Esto proporciona actualizaciones suficientemente rápidas para que el controlador PID responda adecuadamente a las variaciones de velocidad.

💻 Código Ladder — SPD y Escalado RPM

Programa Ladder con función SPD para lectura de encoder y escalado a RPM
6.PNG

Programa Ladder — SPD con base de tiempo ajustable y escalado a RPM.

Escalado a RPM
RPM = ( Dconteo × 1000 × 60 ) / ( PPR × 4 × T )
Con PPR=1024, ×4, T=200 ms → RPM = Dconteo × 60 / 819.2
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06

Incorporar Lectura de RPM en la Pantalla HMI

📺 Actualización de la Pantalla HMI

Se agrega a la pantalla HMI un display numérico que muestre en tiempo real el valor de las RPM calculadas a partir del encoder.

📝 Registro para RPM

  • D220 = RPM en punto flotante (resultado del escalado)
  • Formato: Real (DINT/REAL)
  • Se transfiere al HMI como numeric display

🔵 Elemento HMI

  • Numeric Display vinculado a D220
  • Formato: 0.0 (un decimal)
  • Unidad: RPM
  • Actualización: 200 ms
Pantalla HMI actualizada con display de velocidad en RPM en tiempo real
7.PNG

Pantalla HMI con display de velocidad en RPM incorporado.

Configuración del elemento numeric display en el software HMI vinculado al registro D220
8.PNG

Configuración del elemento de visualización de RPM en el software HMI.

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07

Estudiar la Función PID del Manual Delta para CPU SE

📖 Lectura del Manual

Se debe consultar el manual de programación Delta DVP-SE, específicamente la sección de la instrucción PID, para comprender:

📚 Parámetros del PID Delta

  • Kp — Ganancia proporcional
  • Ti — Tiempo integral (seg)
  • Td — Tiempo derivativo (seg)
  • ΔT — Tiempo de muestreo del PID
  • SV — Setpoint (valor deseado)
  • PV — Process Variable (valor medido)
  • MV — Manipulated Variable (salida)

📋 Registros del PID

  • D800 — Parámetros PID (Kp, Ti, Td)
  • D810 — Setpoint (SV)
  • D820 — Variable de proceso (PV)
  • D830 — Salida manipulada (MV)
  • M8xx — Banderas de estado

🔍 Puntos Clave a Investigar

  1. Identificar la sintaxis exacta de la instrucción PID en ISPSoft para la CPU SE.
  2. Determinar los registros de memoria asociados a cada parámetro del PID.
  3. Verificar el rango de valores permitidos para Kp, Ti y Td.
  4. Identificar el método de sintonía automática propuesto por Delta.
  5. Revisar las limitaciones del PID (windup, rango de salida, etc.).
📚
Referencia Consultar: "Delta DVP-SE Series PLC Programming Manual" — Sección de instrucciones avanzadas, bloque PID. También revisar la aplicación note AN-DVP-PID-01 de Delta Electronics.
Captura del manual de programación Delta mostrando la función PID para CPU SE
9.PNG

Captura del manual Delta DVP-SE — sección de la función PID.

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08

Incorporar la Función PID — Cerrar el Lazo de Control

🔄 Estructura del Lazo Cerrado

📝 SV (Setpoint)
D810 = RPM deseado
→
⚙️ PID
Delta SE
→
📤 MV (Salida)
D830 → D40
📡 PV (Medida)
D820 = RPM encoder
←
← Retroalimentación

📊 Mapeo de Registros del PID

SeñalRegistro PIDFuente/DestinoUnidad
Setpoint (SV)D810HMI (entrada numérica) → D810RPM
PV (Medida)D820SPD escalado → D820RPM
MV (Salida)D830D830 → D40 (módulo 06XA)0–4000
Ganancia KpD800Configurable%
Tiempo integral TiD801Configurablems
Tiempo derivativo TdD802Configurablems

💻 Código Ladder — PID con Lazo Cerrado

Programa Ladder con función PID cerrando el lazo: entrada RPM del encoder, salida D40 al módulo analógico
10.PNG

Programa Ladder — PID con lazo cerrado: PV = RPM encoder, MV = D40 (señal al VFD).

✅
Lazo cerrado establecido El PID lee las RPM del encoder (PV), compara con el setpoint (SV), calcula la acción correctiva y escribe en D40 la señal analógica que el módulo 06XA convierte a 0–10 V para el VFD ABB.
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09

Ganancia Proporcional Pura — Ki = 0, Kd = 0

🎯 Procedimiento

  1. Establecer Ti = 0 (acción integral deshabilitada).
  2. Establecer Td = 0 (acción derivativa deshabilitada).
  3. Seleccionar un valor inicial de Kp (ej. 1.0, 2.0, 5.0) según recomendación del manual.
  4. Desde la HMI, establecer un setpoint de RPM (ej. 750 RPM → 25 Hz).
  5. Activar M0 para poner en marcha el sistema en lazo cerrado.
  6. Observar la respuesta de velocidad en la HMI: tiempo de subida, sobreoscilación, error en estado estacionario.
  7. Ajustar Kp progresivamente hasta obtener una respuesta razonable (sin oscilación excesiva).

📋 Observaciones Esperadas con Solo Kp

Efecto de KpKp BajoKp MedioKp Alto
Tiempo de respuestaLentoModeradoRápido
Error en estado estacionarioGrandeMedianoPequeño
SobreoscilaciónNingunaBajaAlta
EstabilidadEstableEstablePuede oscilar
Respuesta de velocidad del motor con control proporcional puro mostrando error en estado estacionario
11.PNG

Respuesta del sistema con control proporcional puro (Kp solo, Ki=0, Kd=0).

⚠️
Nota — Con control proporcional puro siempre existirá un error en estado estacionario (offset). Este error se elimina al agregar la acción integral (Ti ≠ 0).
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10

Encontrar el 67 % y 23 % del Tiempo de Establecimiento

📐 Procedimiento

  1. Establecer el setpoint a la velocidad nominal del motor (ej. 1500 RPM).
  2. Con el lazo cerrado activo (PID con Kp inicial), registrar la respuesta de velocidad vs tiempo.
  3. Calcular los valores de umbral:
    V67% = Vnominal × 0.67
    V23% = Vnominal × 0.23
  4. Registrar el tiempo en que la velocidad cruza cada umbral.
  5. Estos dos puntos servirán para el método de los dos puntos de Smith.

📊 Cálculo de Umbrales

Umbrales para Vnominal = 1500 RPM
V67% = 1500 × 0.67 = 1005 RPM
V23% = 1500 × 0.23 = 345 RPM

🟢 67 %

Velocidad: 1005 RPM

Tiempo: t67 = ________ ms

🟣 23 %

Velocidad: 345 RPM

Tiempo: t23 = ________ ms

Gráfica velocidad vs tiempo con marcadores en 23% y 67% de la velocidad nominal
12.PNG

Gráfica de respuesta con marcadores al 23 % y 67 % de la velocidad nominal.

💡
Importancia Los puntos (t23%, 23%) y (t67%, 67%) permiten estimar los parámetros del modelo FOPDT (First Order Plus Dead Time): ganancia K, constante de tiempo τ y retardo L.
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11

Método de Sintonía de Smith — Dos Puntos Específicos

📖 Fundamento Teórico

El método de los dos puntos de Smith (1958) permite estimar los parámetros de un modelo FOPDT (First Order Plus Dead Time) a partir de dos puntos de la respuesta escalón del proceso:

Modelo FOPDT
G(s) = K · e−Ls / (τ·s + 1)
K = Ganancia del proceso  |  τ = Constante de tiempo  |  L = Retardo (dead time)

📐 Fórmulas del Método de Smith

Utilizando los puntos al 28.4 % y 63.2 % de la respuesta (o 23 % y 67 % como aproximación):

Estimación de Parámetros FOPDT
τ = 1.5 · (t67% − t23%)
L = t67% − τ
K = ΔYestable / ΔU (ganancia estática)

🔧 Fórmulas de Sintonía PID — Smith

Ganancias PID por Método de Smith
Kc = (1/K) · (τ/L + 1/3)
Ti = τ + L/3
Td = (τ · L) / (2τ + L/3)
📚
Referencia Smith, O.J.M. (1958). "Closed-loop tuning of a process controller." Instrumentation and Control Systems, 31(1), 118–121. También consultar: Åström & Hägglund, "PID Controllers: Theory, Design, and Tuning", 2nd Ed., 1995.
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12

Sintonizar el PID con los Criterios de Smith

🔧 Procedimiento

  1. Con los valores medidos de t67% y t23%, calcular τ y L usando las fórmulas de Smith.
  2. Calcular las ganancias PID: Kc, Ti y Td.
  3. Ingresar los valores calculados en los registros del PID del PLC (D800, D801, D802).
  4. Ejecutar el lazo cerrado y observar la respuesta de velocidad.
  5. Comparar con la respuesta obtenida con Kp sola (Actividad 9).
  6. Realizar ajustes finos si es necesario.

📝 Tabla de Cálculo

ParámetroFórmulaValor
t67%Medido________ ms
t23%Medido________ ms
τ1.5 · (t67% − t23%)________ ms
Lt67% − τ________ ms
K (ganancia proceso)ΔY/ΔU________
Kc(1/K) · (τ/L + 1/3)________
Tiτ + L/3________ ms
Td(τ·L)/(2τ + L/3)________ ms
🎯
Resultado esperado El PID sintonizado con el método de Smith debe presentar: menor tiempo de establecimiento, menor sobreoscilación, y error en estado estacionario igual a cero (gracias a la acción integral).
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13

Redacción del Informe Técnico

📄 Estructura del Informe

  1. Portada — Título, nombres, fecha, curso, institución.
  2. Resumen ejecutivo — Descripción breve del experimento y resultados principales.
  3. Introducción — Contexto del control de velocidad de motores trifásicos, VFD, encoder incremental, control PID.
  4. Marco teórico — Principio de funcionamiento del encoder, módulo DVP06XA, VFD ABB, control PID, método de Smith, modelo FOPDT.
  5. Metodología — Descripción detallada de las 13 actividades realizadas, diagramas de conexión, configuración de equipos.
  6. Resultados — Tablas de datos, gráficas de respuesta, parámetros calculados (τ, L, Kc, Ti, Td).
  7. Análisis y discusión — Comparación entre control P solo y PID sintonizado, evaluación del método de Smith, fuentes de error.
  8. Conclusiones — Hallazgos principales, eficacia del método de sintonía, recomendaciones.
  9. Bibliografía — Manuales Delta, artículo de Smith, referencias adicionales.
  10. Anexos — Código Ladder completo, capturas de pantalla HMI, tablas de parámetros del VFD.

📊 Contenido Obligatorio del Informe

SecciónContenidoIncluir
ConexionesDiagramas de cableadoPLC→VFD, Encoder→PLC, 06XA→VFD
VFD ABBTabla de parámetros configuradosStart source, Frequency ref, rangos
EncoderPPR, modo de conteo, base SPD1024 PPR, ×4, 200 ms
HMICapturas de pantallaSetpoint, botones, display RPM
PIDGanancias calculadasKp, Ti, Td (método Delta + Smith)
RespuestaGráficas velocidad vs tiempoP solo vs PID Smith
SmithCálculo de τ y Lt23%, t67%, τ, L, Kc, Ti, Td
💡
Criterios de evaluación El informe será evaluado según: claridad de la exposición, corrección de los cálculos, calidad de las gráficas, profundidad del análisis comparativo y conclusiones fundamentadas en los datos obtenidos.
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