GrafCet Intro

Sistemas Avanzados de control de Producción.

Introducción al GRAFCET.

INTRODUCCIÓN AL GRAFCET

Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

1



ÍNDICE: Definición.

1

Historia.

1

Preliminares.

2

Estructura del sistema automatizado.

2

Elementos gráficos de base.

3

Etapas.

3

Líneas de evolución.

4

Transiciones.

4

Reglas de evolución.

5

Acciones asociadas a etapas.

7

Principios complementarios.

8

Ejemplo de diseño: Fases.

9

Ejemplo de giro de una pieza.

10

Macroetapas.

11

Estructuras básicas.

12

Secuencia lineal.

12

Divergencia y convergencia en “o”.

13

Divergencia y convergencia en “y”.

14

Diagramas de flujo y GRAFCET.

15

Descripciones útiles.

16

Activación de una tarea.

16

Desactivación de una tarea.

16

Estructuras WHILE DO y REPEAT UNTIL.

17

Estructuras FOR NEXT y CASE OF

17

Autorización de evolución.

18

Ejemplo de diseño: Planta embotelladora.

19

Bibliografía.

23

Anexo: programa de visualización.

25


2



GRAFCET Gráfico Funcional de Control de Etapas y de Transiciones. • Método de descripción de procesos con independencia de la tecnología. • Encaminado a diversos usuarios: • Ingeniero de producción; define la necesidad de automatismos • Ingeniero de diseño, que implementa el sistema de control. • Técnico de mantenimiento, que vigila el funcionamiento. • Proviene de las Redes de Petri en las que se han impuesto una serie de restricciones.

GRAFCET: HISTORIA • 1977: AFCET (Assotiation Française pour la Cybernétique Economique et Technique) y ADEPA (Agence pour le Développement de la Productique Appliquée) crean GRAFCET. • 1982: AFNOR (organismo encargado de la normalización en Francia) crea la norma NF C03-1904 relativa al GRAFCET. • 1988: IEC (International Electrotechnical Commission) crea la norma IEC-848 titulada “Établissement des diagrammes fonctionnels pour systèmes de commande”. • En la actualidad muchos fabricantes de autómatas incorporan la capacidad de programar en GRAFCET.


1



PRELIMINARES • Al introducir el GRAFCET se pretende caracterizar la automatización de forma independiente de la tecnología. • El conjunto del sistema de producción se divide en: • Parte de control: Gobierna la unidad operativa. • Parte operativa: Es la encargada de manipular el mundo real. • El elemento fundamental de un proceso es la etapa: una acción realizada por el automatismo. • Los procesos se dividen en macroetapas y éstas en etapas simples hasta llegar a etapas. • Las acciones asociadas a una etapa dependen sólo de las entradas.

ESTRUCTURA DEL SISTEMA AUTOMATIZADO Parte de control

Parte operativa Energía

o p e r a d o r

D I Á L O G O

Producto inicial

Accionad. control

Máquina Producto procesado

Sensores PLANTA Comunic. Otros sistemas.


2



• Se debe establecer un gráfico de evolución que indique la secuencia de etapas y las condiciones lógicas para pasar de unas a otras. • Para cada etapa se establecen las relaciones entrada-salida. • Una vez resuelto el gráfico se debe implementar a partir de una tecnología adecuada. • El GRAFCET no busca minimizar el número de estados o etapas de forma que no es óptimo para ahorrar hardware. • Cada vez se valora más en los sistemas el coste del diseño, el tiempo de desarrollo, la fiabilidad, la facilidad de test y la sencillez del entorno, factores superados por el GRAFCET.

ELEMENTOS GRÁFICOS DE BASE • Son los elementos a partir de los cuales se dibuja el gráfico funcional. • Etapas. Representan cada uno de los estados del sistema. • La relación entre entradas y salidas para cada etapa de control es combinacional.

1

• El símbolo que representa una etapa es un cuadrado con un número o símbolo que la identifica.

2

• Debe existir al menos una etapa inicial. • Se llaman etapas iniciales a aquellas en las que se

3

posiciona el sistema en el arranque. • Las etapas iniciales se representan con un cuadrado de líneas dobles.

• Líneas de evolución. Unen entre sí etapas que representan actividades consecutivas. Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

3



• Se consideran orientadas de arriba a abajo.

1

• En caso contrario se especifica la orientación con una flecha.

A

• Dos líneas que se crucen no están unidas en

2

principio. • Transiciones.

3

Son

las

condiciones

lógicas

necesarias para que finalice la actividad de una etapa y se inicie la actividad de la etapa o etapas inmediatamente consecutivas.

• Se

obtienen

por

combinación

de

variables

denominadas

receptividades (entradas a la unidad de control). • Se representan por una línea cruzada sobre las líneas de evolución. • El gráfico funcional representa un conjunto de situaciones posibles. • La información del gráfico de por sí, es estática. • La situación dinámica del sistema se representa indicando qué etapas están activas en cada momento.

2

• Una etapa se indica como activa cuando está marcada con un punto (testigo). • Si el gráfico ocupa más espacio que una hoja de

3

trabajo se establecen los reenvíos para indicar la continuidad del gráfico en otras hojas.


4



REGLAS DE EVOLUCIÓN • Definen de forma unívoca el comportamiento del sistema. • Cada etapa tiene asociada una variable de estado de tipo bit, Xi • Una etapa está activa si la variable asociada tiene valor 1, y está inactiva si la variable asociada tiene valor 0. • Durante la evolución normal del proceso una etapa se activará cuando esté activada la etapa anterior y se cumplan las condiciones de transición entre ambas. • Cualquier etapa se desactivará cuando se cumplan las condiciones de transición a la siguiente etapa y la transición se haya efectuado. • Las transiciones pueden encontrarse en las siguientes situaciones: • No validada:

la etapa anterior no está activada.

• Validada:

las etapas anteriores están activadas, pero

no se cumple la condición lógica de transición. • Franqueable:

las etapas anteriores están activas y se

cumple la condición de transición. Es una situación transitoria. La transición se debe franquear. • Franqueada:

se han activado las etapas siguientes y

desactivado las etapas anteriores.


5



Estados posibles de una transición:

2

2 T2/3=0,1

3

Transición no validada

2 T2/3=0

3

Transición validada

2 T2/3=1

3

Transición franqueable

T2/3=0,1 3

Transición franqueada

REGLAS DE EVOLUCIÓN • Toda transición franqueable debe ser inmediatamente franqueada. • El franqueo de una transición implica la desactivación de las etapas anteriores. • Si en el curso de una automatización una etapa se debe activar y desactivar a la vez, dicha etapa permanece activa. Esta situación se debe evitar en lo posible en los diseños ya que puede dar lugar a fenómenos de carreras. • El grafo de evolución del GRAFCET debe ser siempre cerrado, sin tener ningún camino abierto.


6



ACCIONES ASOCIADAS A ETAPAS • Un comando asociado a una etapa se indica mediante una orden dentro de un rectángulo conectado a la etapa. • Los comandos pueden ser de varios tipos:

1. Generar una salida durante la etapa. 2. Mantener una salida memorizada. 3. Establecer una salida de forma temporal. 4. Establecer una salida de forma condicional.

1º ACCIÓN A: 18

Acción A

C 19

X18 C A

2º ACCIÓN MEMORIZADA 18

S Acción A: arranque

C 25

S Acción A: paro

K

X18 C A K X25


7



3º ACCIÓN RETARDADA 18 D Acción B: retardo D=5s.

C

X18 C B

5 s.

4º ACCIÓN CONDICIONAL 18

C Acción B si ocurre D

H

X18 D B H

5º ACCIÓN CONDICIONAL MEMORIZADA 18

SC Acción B si ocurre D

H

X18 D B H

PRINCIPIOS COMPLEMENTARIOS • Existen principios que se suponen en muchos sistemas automáticos. • Se denomina evento a cualquier situación en la que se produzca el cambio de al menos una de las variables que intervienen en el sistema; Será un flanco en una variable. • Se considera que dos eventos externos no pueden producirse nunca de forma instantánea. • Se debe tener presente que aunque el GRAFCET considera el franqueo de una transición de forma instantánea, la realidad tecnológica no es así.


8



EJEMPLO DE DISEÑO: FASES. • Para solucionar un diseño con GRAFCET se descompone el problema en cuatro etapas: • GRAFCET FUNCIONAL. • Es el GRAFCET ideado por el ingeniero de producción. Especifica etapas y acciones a desarrollar. • SENSORES Y AUTOMATISMOS. • El técnico en automatismos decide los autómatas, sensores y actuadores que se van a emplear. • Las transiciones se caracterizan por el estado de los sensores, las etapas generan las acciones de control. • En este esquema ya se entra en detalle de la tecnología de la

unidad operativa. • DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL. • Seleccionamos una tecnología para realizar la unidad de control. • El diseño de la etapa de control se divide en diseño de la parte secuencial y diseño de la parte combinacional. • La parte secuencial se encarga de avanzar de una etapa a la siguiente cuando se realice una transición. Se genera con biestables, circuitos combinacionales. • La parte combinacional genera las salidas de control en función de la etapa actual y de las entradas. Se genera con circuitos combinacionales.


9



EJEMPLO DE DISEÑO: GIRO DE UNA PIEZA

Ejemplo de diseño. A+

A

90º

S5 S6

AS1

S4

S2 S3

B+ B-

ACCIONES A+ : empuje aliment. A- : retroceso alim. B+ : Cierre pinza B- : Apertura pinza C+ : Gira brazo dcha. C- : Gira brazo izda.

RECEPTIVIDADES S1 Final retroceso alim. B S2 Final avance alim. S3 Brazo en posic. izda. S4 Brazo en posic. dcha. S5 Pinza abierta S6 Pinza cerrada

C+ CC

GRAFCET FUNCIONAL Y SENSORES G R A F C E T F U N C I O N A L

0 1 2 3 4 5 6

Posicionamiento inicial Mecanismo en posición Avance alimentador de piezas Pieza introducida Coger pieza Pinza cerrada Giro brazo 90º a la derecha Brazo en posición derecha Soltar pieza Pieza soltada Retroceso brazo a izquierda Brazo en posición izquierda Retroceso alimentador pieza Fin retroceso


0 1 2 3 4 5 6

A-,B-,CS1*S3*S5 A+ S2 B+ S6 C+ S4 BS5 CS3 AS1

G. C O N S E N S O R E S A C.

10



MACROETAPAS • Una macroetapa es un conjunto de etapas agrupadas que se definen

posteriormente en la representación en detalle. • Se introducen para permitir una aproximación progresiva y estructurada

a una automatización. • Las macroetapas deben verificar: • La expansión de una macroetapa debe tener una única etapa inicial

y otra única etapa final. • El franqueo de la etapa anterior a la macroetapa activa la etapa de

entrada a la macroetapa. • La activación de la etapa de salida valida la transición posterior a

la macroetapa. • Pueden introducirse macroetapas anidadas. • Se procura que las macroetapas sean partes completas del proceso

(taladrar, enroscar, etc.)

E20 10 T10

TE20 21

20 M20

Macroetapa anidada.

T21

TAREA

TS20 (fin M20)

T30

M100

30 S20

Fin de la macroetapa anidada.

Expansión de la tarea M20


11



ESTRUCTURAS BÁSICAS DE GRAFCET • GRAFCET tiene tres estructuras que generan las demás: • Secuencia lineal. • Convergencia y divergencia en “o”. • Convergencia y divergencia en “y”.

1

1

1

2

2

3

4

2

3

4

3

5

6

7

5

6

7

4

8

8

• Secuencia lineal • Consiste en una sucesión de etapas unidas

1

consecutivamente por líneas de evolución y condiciones de transición.

2

• Dentro de un tramo sólo puede haber una

etapa activa en cada momento. En caso

3

contrario

se

entiende

que

hay

una

incoherencia en el diseño. Se supone que este tipo de acciones son secuenciales.

4

• La activación de etapas es la que ya se ha

descrito. Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

12



• Divergencia y convergencia en “o”. • La bifurcación en “o” está compuesta de: • Divergencia en “o” en la que se indican

1

varios caminos alternativos posibles. • Caminos alternativos con macroestructura

2

3

4

lineal. • Una confluencia en “o” de dichos caminos.

5

6

7

• Se entiende que esta estructura se utiliza para

ejecutar una de entre varias acciones posibles alternativas.

8

• Se

corresponde

con

la

estructura

de

programación “IF THEN ELSE” ó también con el “CASE OF”. • Propiedades de la divergencia en “o”. • A partir del punto de divergencia el camino podrá evolucionar por

caminos alternativos cada uno de los cuales tendrá su propia condición de transición. • Las condiciones de transición de cada uno de los distintos caminos

deben ser excluyentes entre sí, de forma que el proceso evolucione por un solo camino. De otra forma se producirían incoherencias en el diseño. • Los distintos caminos iniciales de una convergencia en “o” deben

confluir en un punto de convergencia en “o”, ó de forma sucesiva, en varias convergencias en “o”.


13



• Divergencia y convergencia en “y”. • La bifurcación en “y” está compuesta de: • Una divergencia en “y” de la que arrancan

1

los procesos que deben iniciarse de forma

2

3

4

simultánea cuando se cumpla una condición de transición. • Una serie de caminos simultáneos con una

5

6

7

macroestructura lineal. • Una o más confluencias en “y”.

8

• La estructura se prevé para representar

procesos que se inician simultáneamente y se ejecutan de forma paralela. • Propiedades de la divergencia en “y”. • Se entiende que los procesos que se han iniciado en una

divergencia en “y” finalizan en una convergencia en “y” para que no se produzcan incoherencias. • A partir del punto de divergencia el proceso continúa por varios

caminos a la vez ejecutando tareas de forma simultánea. • La condición de transición para iniciar las tareas es única y común

para todos los caminos. • La divergencia en “y” precisa que todas las tareas hayan finalizado

para poder continuar. • A menudo cada camino finaliza en una etapa de espera. En este

caso es común que la condición de transición de convergencia en “y” sea siempre activa: “1”.


14



DIAGRAMAS DE FLUJO Y GRAFCET • En Informática y diseño de sistemas digitales se utilizan los diagramas

de flujo como etapa previa a la implementación de sistemas. • Existen muchas similitudes y alguna diferencia entre los diagramas de

flujo y los GRAFCETs. • Un gráfico de flujo representa una sucesión de tareas que se ejecutan

secuencialmente con una velocidad que depende del procesador o del reloj del sistema. • El diagrama de flujo representa procesos monotarea, mientras que el

GRAFCET representa sistemas multitarea. • Un mismo autómata puede ejecutar varios GRAFCETs. • El GRAFCET está pensado para su compilación directa a código de

autómata, lógica en escalera, circuito discreto cableado, resolución neumática, etc. • Hay estructuras muy comunes en los diagramas de flujo que se

implementan de forma sencilla en GRAFCET: FOR NEXT, WHILE , REPEAT UNTIL, CASE OF, IF THEN. • En un diagrama de flujo el sistema sólo puede estar en un estado, un

GRAFCET puede tener varias etapas activas. • Tanto el diagrama de flujo como el GRAFCET constituyen la

representación y la implementación del funcionamiento de la unidad de control del sistema.


15



DESCRIPCIONES ÚTILES • Existen varios esquemas que se utilizan comúnmente en la descripción

de sistemas concurrentes. Estas son sus modelizaciones en GRAFCET. • Activación de una tarea. •

A1

El esquema sirve para arrancar, entrar, comenzar a ejecutar, una tarea.

•

El diseño se debe realizar de forma que no haya inconsistencias, es decir, no se debe arrancar de

B1

nuevo la tarea hasta que no haya finalizado la ejecución actual.

C1

•

En una etapa inferior debe posibilitarse el fin de la ejecución de la tarea.

• Desactivación de una tarea. •

ejecutarse.

A1 •

B1

Sirve para dejar una tarea sin la opción de

Debemos atender a que la tarea pueda ser arrancada externamente por otra tarea.

•

La condición de desactivación de la tarea debe ser disyuntiva con la ejecución de la

C1

misma. •

Un esquema normal dispondrá de tareas, arranques o autorizaciones y finales.


16


•


Estructuras WHILE DO y REPEAT UNTIL

10 A

M1 NOT(A)

M1

10 A

20

NOT(A) 20

Estructura WHILE…DO

Estructura REPEAT…UNTIL

• Estructura FOR NEXT y CASE OF

10

inicializar contador

M1

TAREA

11

incrementar contador

10 A contador < preselección

Contador=preselección

12

continuar

Estructura FOR…NEXT


B M1

C M2

M3

20 Estructura CASE OF: Las opciones son excluyentes.

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• Autorización de evolución. • Es un sistema similar al

semáforo

pero

A1 S0

con

capacidad para un sólo

A2

B1

B2

C1

C2

D1

D2

testigo. • Aquel de los dos procesos

que consiga capturar el testigo

es

el

que

se

ejecuta, de forma que el otro se queda inhabilitado. • Una vez que el proceso ha ejecutado su sección crítica devuelve el

testigo o la marca a la etapa S0 y el sistema recupera el estado inicial. • Es imprescindible que en el momento del arranque haya una única marca

en cada tarea, así como en la etapa que funciona como semáforo. • El semáforo no puede tener más que una marca.


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EJEMPLO DE DISEÑO. PLANTA EMBOTELLADORA:

ESTACIÓN 2: dosificado y llenado c+

e+ c-

e1

C

f+ c0

c1

e0

ESTACIÓN 3: Taponado

eg-

F

G g1

b-

B

g+

D

d+

b+

E

Llenado

b0 b1 ESTACIÓN 1: Carga

g0

Taponado

Color rojo: Actuadores Color azul: Sensores a1

a-

A a0

a+

• Debemos estudiar la automatización de una planta embotelladora en la

que se ejecutan varios procesos de forma simultánea. • Descomponemos la automatización en unidad operativa y unidad de

control. • Analizaremos qué actuadores y sensores son necesarios para la

automatización. • Diseñaremos un GRAFCET que resuelva la secuenciación de comandos. • Finalmente entenderemos que la implementación se realiza a partir de

autómatas programables.


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• Planta embotelladora: • La planta comprende las secciones: • Sección de carga. • Sección de llenado. • Sección de taponado. • Estación de carga: • Los recipientes llegan por una cinta y se transportan a la cinta de

máquina a través del cilindro A. • Avance de cinta: La cinta avanza una longitud con el cilindro B.

El avance de la cinta es sólo a derechas; al retroceder el cilindro no hay retroceso de la cinta. • Estación de llenado: • El llenado lo efectúa un dosificador volumétrico controlado por el

cilindro C y una válvula D que controla la salida del líquido. • Estación de taponado: • Realiza la transferencia del tapón mediante el cilindro G y la

colocación con el cilindro E. Posteriormente se enrosca el tapón haciendo que gire el motor F. • Sensores: • Cada cilindro lleva un sensor del tipo fin de carrera identificado

por la misma letra y con el subíndice 0 ó 1 indicando que está extendido o desplegado. • El sensor E lleva un detector de presión e1 para la rosca. • Actuadores: Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

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• Los elementos actuadores del sistema son: • Las válvulas de selección que mueven los cilindros. • El sistema de enroscado. • La válvula de llenado. • El control del sistema se realiza al generar las órdenes sobre los

actuadores anteriores. • Estas órdenes se generan en función de las etapas activas y de la

información de los sensores. • La implementación del control,

de la parte secuencial y

combinacional recae en un autómata.

GRAFCET DEL SISTEMA: 11

b+

A: cilindro de carga.

b1 12

a+ b-

c+ d+

22

32

g+

B: “ de desplazamiento.

e+

C: “ de dosificación.

e-

D: “ de control de valv.

g-

E: “ de mov. tapón.

g1 a1*b0

c1

33

ESTACIÓN 3: TAPONADO 34

ESTACIÓN 1: CARGA

e1 e0

ESTACIÓN 2: DOSIFICAC. Y LLENADO

35

g0

e+ f+

36

F: motor de rosca tapón.

e1 13

a-

23

c-

37

e-

G: cilindro aprox. Tapón

a0*b0*c0*e0*g0


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• La condición a0*b0*c0*e0*g0 corresponde a la situación correcta de

arranque. • a0*b0*c0*e0*g0 indica también que los cilindros están en la posición

contraída, de forma que se puede comenzar el ciclo de nuevo. • Ecuaciones de los actuadores: • Cilindro A:

Avance:

X12

Retroceso: X13

• Cilindro B:

Avance:

X11

Retroceso: X12

• Cilindro C:

Avance:

X22

Retroceso: X23

• Válvula D:

Abierto:

X22

• Cilindro E:

Avance: X33+X36

• Motor F:

Activo:

X36

• Cilindro G:

Avance:

X32

Retroceso: X34+X37

Retroceso

X35

• Se cumple que las salidas de control dependen de forma combinacional

de las etapas. • Se puede añadir una etapa de espera al fin de las secuencias lineales

concurrentes.


22



BIBLIOGRAFÍA:

BIBLIOGRAFÍA: • BALCELLS, Josep y ROMERAL, José Luis. Autómatas programables. Barcelona : Marcombo, 1997. ISBN 84-267-1089-

1 • BOSSY, Jean Claude (et al). Grafcet : práctica y aplicaciones.

Barcelona : Universidad Politécnica de Catalunya, 1.995 • ROMERA, Juan Pedro, LORITE, Juan Antonio y MONTORO,

Sebastián. Automatización : problemas resueltos con autómatas programables. 2a. ed. Madrid : Paraninfo, 1996. ISBN 84-283-

2077-2

BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL: • ARNOLD, André (et al). Programas Paralelos. Modelos y validación. Madrid: Paraninfo, 1994. ISBN 84-283-2059-4 • SILVA, Manuel. Las Redes de Petri en la Automática y la Informática. Madrid: Editorial AC, 1985. ISBN 84-7288-045-1 • WIENER, Richard y SINCOVEC, Richard. Programación en

ADA. México : Noriega : Limusa, 1989. ISBN 968-18-3022-9

DOCUMENTACIÓN ADICIONAL: IEC 848. First Edition. 1988. International Standard.“Preparation of Function charts for control systems”. Bureau Central de la Commission

Electrotechnique Internationale


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