MODELADO DE SISTEMAS

SECUENCIALESGRAFCET

Ing. Jean Alejandro Cubillos RojasSENA CAUCA

2013

Conocer una metodología de Gráficos Funcionales para describir procesos y diseñar sistemas lógicos.

Conocer y asimilar las reglas de evolución que permiten describir los procesos secuenciales.

Practicar e implementar diferentes procesos en GRAFCET; los ejemplos y ejercicios serán la base de una metodología organizada de programación de autómatas (PLCs).

GRAFCET nació en la década de los 70´s como resultado del esfuerzo de la Association Francaise pour la Cybernétique Economique el Technique (AFCET) que reunió fabricantes, universidades y usuarios para “armonizar” los criterios de los diferentes colectivos y “unificar” un método de representación del funcionamiento de sistemas.

En 1982 sale la norma NF C03 1904 y en 1988 la IEC 848.

Hoy día, se ha convertido en una poderosa herramienta de diseño de sistemas lógicos con unas reglas bastante simples.

Método de descripción de procesos con total independencia de la tecnología a implementar. Es un Gráfico funcional que permite unificar la forma de describir un proceso para ser interpretado por personal de distintas áreas, especialistas o no. GRAFCET no es un lenguaje de programación, aunque algunos PLC’s incorporan instrucciones de programación que permiten introducir directamente el grafo GRAFCET y se dispone de un software capaz de compilar el gráfico al lenguaje de máquina.

Caracterización del funcionamiento del automatismo con total independencia de los componentes con los que vaya a ser construido

El sistema automático se divide en dos partes: la parte operativa (PO) y la parte de control (PC)

El elemento fundamental de un proceso es la “operación” denominada “ETAPA” en GRAFCET y se refiere a una acción realizada por el automatismo.

Debe dividirse el proceso en macroetapas y estas en etapas más elementales, hasta conseguir que las acciones a realizar solo dependan de las relaciones combinacionales entre entradas y salidas.

Cada etapa tendrá asociada una variable de estado. Ejemplo: Macroetapas: Taladrar, roscar, cambiar herramienta

Taladrar: Impulsa pieza, bloquear pieza, giro de broca, aproximación de broca, etc.

Establecer un grafico de evolución que indique la secuencia de operaciones o etapas y las condiciones lógicas para pasar de una a otra (transiciones).

Obtener las ecuaciones lógicas de las variables de estado. (parte secuencial)

Establecer para cada etapa las relaciones lógicas entre entradas y salidas

Implementar el sistema

¿Cuántos estados debe memorizar el sistema para poder fijar su comportamiento posterior partiendo de cualquier estado inicial?

Identificación de etapas y variables de estado

El numero de etapas debe ser finito y el comportamiento más o menos cíclico

Puede no resultar óptimo porque no pretende minimizar el número de variables de estado.

ETAPASLas etapas se representan por un cuadrado con un número en su parte interna como identificación. Se deben enumerar o etiquetar aunque la numeración no necesariamente indica el orden secuencial de ejecución de etapas

Las etapas representan cada uno de los estados del sistema. La relación entradas salidas en una etapa es puramente combinacional. En un momento determinado, y según sea la evolución del sistema una etapa puede estar activa o inactiva.

Las etapas iniciales, aquellas en las que se posiciona el sistema al iniciarse el proceso, se representan con un cuadro doble.

Acciones asociadas a las etapasLas acciones están descritas, literal o simbólicamente, en el interior de uno o varios rectángulos unidos al símbolo de la etapa a la que van asociados

En una primera clasificación se puede dividir las acciones en dos tipos :

Incondicionales : acciones que se ejecutan con solo quedar activadas las etapas correspondientes.

Condicionales : son las acciones que necesitan el cumplimiento de una condición además de la propia activación de la etapa correspondiente.

Otra clasificación: Internas : acciones que se producen

en el equipo de control, por ejemplo temporizaciones, contadores, cálculos matemáticos, etc.

Externas : las acciones que se producen sobre el proceso, por ejemplo abrir o cerrar una válvula, activar o desactivar una bomba, etc.

Líneas de evolución:unen entre sí las etapas que representan actividades consecutivas y se entenderán siempre orientadas de arriba hacia abajo a menos que se presente una flecha en sentido contrario

Reenvíos:Son símbolos en forma de flecha que indican la procedencia o destino de las líneas de evolución. Permiten fraccionar un grafico o evitan dibujar líneas de evolución con excesivos cruces.Dos líneas de evolución que se crucen deben interpretase, en principio, que no están unidas.

Reenvíos:

Transiciones:Representan las condiciones lógicas necesarias para que finalice una etapa y se inicie la etapa o etapas inmediatamente consecutivas. Estas condiciones lógicas se obtendrán por combinación de variables denominadas receptividades.

Transiciones:

Cuando se recorre el grafico de evolución, por cualquier camino posible, siempre deben alternarse una etapa y una y solo una transición. La transición puede ser expresada por una función lógica combinacional todo lo compleja que sea necesario, siempre que de cómo resultado un bit con dos estados 1 = condición verdadera0 = condición falsa

Mensajes de receptividad

Mensajes asociados a cada transición. Estos mensajes indican las condiciones lógicas necesarias y suficientes para que el proceso cambie de etapa.

1. Cada etapa tiene asociada una variable de estado Xi de tipo bit.

2. Existen dos posibles estados de una etapa Activa cuando la variable de estado vale 1 o Inactiva cuando la variable de estado vale 0.

3. Durante la evolución normal del proceso, una etapa no inicial se activará cuando este activada la etapa anterior y se cumplan las condiciones de transición entre ambas

4. Arranque en frio: inicialización sin memoria de ninguna situación anterior. Después de un arranque frio se activan todas las etapas iniciales y quedan inactivas todas las demás.

5. Arranque en caliente: reinicialización cuando se guarde memoria de algún estado anterior. Suele corresponder a un rearranque sin perdida del contexto anterior.

6. Cualquier etapa se desactiva cuando se cumplan las condiciones de transición a la o las siguientes etapas y dicha transición se haya efectuado.

7. Una transición puede encontrarse en una de las cuatro situaciones siguientes:

No validada: La etapa anterior no esta activaValidada: La etapa anterior esta activa pero no se cumplen la condición lógica de transición Franqueable: Etapa anterior activa y se cumple condición lógica de transición. Franqueada: Se activa la etapa siguiente y se desactiva la etapa anterior

8. Solo se podrá franquear una transición si esta previamente validada.

9. Toda transición franqueable será inmediatamente franqueada.

10. Si hay varias transiciones franqueables simultáneamente, serán franqueadas simultáneamente.

11. El franqueo implica automáticamente la desactivación de todas las etapas anteriores

12.El gráfico de evolución debe ser siempre cerrado, sin dejar ningún camino abierto. En efecto tal circunstancia mostraría una incoherencia o una situación en la que el proceso es incapaz de continuar.Naturalmente pueden existir situaciones en que la salida sea inicializar el proceso mediante alguna señal externa.

Las tres estructuras básicas en GRAFCET de las cuales pueden derivarse las demás son:

Secuencia LinealConvergencia y divergencia en “O”Convergencia y divergencia en “Y”

Consiste en la asociación de etapas consecutivas unidas por líneas de evolución y condiciones de transición. Sus propiedades son:Solamente una etapa debe estar activa en un instante determinado.Se activa una etapa al estar activada la inmediatamente anterior y cumplirse la condición de transición.La activación de una etapa implica la desactivación automática de la anterior.Una secuencia lineal puede formar parte de una estructura más compleja.

Ejemplo. Un carrito de transporte funciona de la siguiente manera: Estando en reposo en el extremo izquierdo, con un pulsador se pone en marcha hacia la derecha. Cuando toca el final de carrera B, invierte su marcha hacia la izquierda. Cuando toca el final de carrera A, se para esperando una nueva orden de marcha.

Secuencia lineal.exe

Esta estructura se prevé para representar procesos que:• Se inician simultáneamente, • Se ejecutan de forma independiente con

distintos tiempos, y • Condicionan la continuación del proceso

en tanto no hayan terminado todos ellos.

• Una divergencia, en la que se inician varios caminos o subprocesos simultáneamente cuando se cumpla una transición.

• Varios caminos simultáneos (secuencias lineales u otras estructuras más complejas).

• Una ó mas convergencia de caminos.

Una bifurcación en “Y” es una macroestructura compuesta por:

• A partir del punto de divergencia el proceso evolucionará por varios caminos a la vez, ejecutando varias tareas simultáneamente.

• La condición de transición para iniciar es única y común a todas las tareas simultáneas (está previo a la divergencia).

• Todos los caminos iniciados deben confluir en una o mas convergencias. En todo caso la estructura global debe ser cerrada.

• No es necesario que los procesos que parten de una misma divergencia deban confluir en una misma convergencia.

Una divergencia en “Y” no puede confluir en una convergencia “O”.

Se deberá implementar un programa que controle el funcionamiento de dos carritos que funcionan igual que el anterior con la diferencia de que deben esperarse mutuamente en el extremo derecho para poder invertir el sentido de giro. Además, deben esperarse en el extremo izquierdo para realizar un nuevo ciclo, debiéndose dar nuevamente la orden de marcha con el pulsador.

Carritos Y.exe

EJEMPLO

• Una divergencia, en la que se inician varios caminos o subprocesos alternativos posibles.

• Varios caminos alternativos (secuencias lineales u otras estructuras más complejas).

• Una convergencia de caminos.

Una bifurcación en “O” es una macroestructura compuesta por:

A partir del punto de divergencia, el proceso podrá evolucionar por distintos caminos, cada uno de los cuales deben tener su propia transición.

Los caminos alternativos se activan por transiciones excluyentes entre sí, de forma que el proceso solo podrá progresar por uno de ellos.

Los diferentes caminos iniciados en la divergencia en O deben confluir en uno o más puntos de convergencia en O. Es decir, se debe garantizar que la macroestructura es globalmente cerrada.

El clasificador se encuentra en reposo, en la posición f4. Entonces, cae una pieza a la orden de marcha y el clasificador avanza en dirección f3. La pieza será clasificada en grande ó pequeña por medio de las señales que proporcionan los captadores f1 y f2. Una pieza grande puede activar los dos captadores a la vez, en cambio, una pieza pequeña no puede.

EJEMPLO

Las piezas pequeñas serán llevadas hacia el contenedor izquierdo y las piezas grandes al contenedor derecho. A continuación, el clasificador deberá regresar a su posición inicial. Tal como se observa en la imagen, se disponen de los siguientes elementos:

Actuador: un motor de corriente continua. Captadores: cinco finales de carrera. Tres

situados en el recorrido del clasificador (E3, E4, E5) y otros dos, situados en el recorrido de la pieza a clasificar (E1, E2)

ClasificadorPiezas O.exe

EJEMPLO

Implementar el GRAFCET de una máquina de taladrado que funciona así: una vez colocada la pieza en la máquina, el operario pulsa marcha. En ese momento, el cilindro 1 se desplaza hacia la derecha. Una vez el presóstato P detecta que la pieza está suficientemente presionada, el cilindro 2 se desplaza hacia abajo y el taladro empieza a girar. Cuando el taladro toca el final de carrera C2I, indica que la pieza ha sido ya taladrada y el cilindro 2 debe efectuar el retorno hacia arriba, hasta tocar el final de carrera C2S y el taladro debe pararse. A continuación, el cilindro 1 inicia el retorno hacia la izquierda hasta tocar el final de carrera C1D.

Taladradora lineal.exe

Implementar el GRAFCET de un proceso electrolítico: La grúa introducirá la jaula portadora de las piezas a tratar en cada uno de los baños, comenzando por el de desengrasado; a continuación, en el de aclarado; y, por último, les dará el baño electrolítico. En este último, la grúa debe permanecer un tiempo de 3 seg. para conseguir una uniformidad en la superficie de las piezas tratadas.

El proceso de electrólisis sirve para tratar superficies, con el fin de hacerlas resistentes a la oxidación. Consta de tres baños:• Desengrasado de las piezas. • Aclarado de las piezas. • Baño electrolítico.

Para realizar el proceso, se cuenta con:• Dos motores de doble sentido de rotación, uno para el

movimiento vertical de la grúa y otro para el transversal. • Seis finales de carrera ( F2, F3, F4, F5, F6, F7 ). • Un pulsador de marcha.• Un temporizador T programado a 3 seg.   

Electrolisis lineal.exe

Se realizará un programa que controle el funcionamiento de la máquina herramienta, de manera que al dar una orden de marcha, se realice el taladrado de cuatro piezas.Como se observa en la imagen de la máquina herramienta, se dispone de los siguientes elementos para controlar dicha máquina:Actuadores: dos motores de corriente continua. Captadores: tres finales de carrera. Dos situados en el recorrido de la taladradora ( E4 y E5 ) y otro, situado para detectar la posición de las piezas ( E3 ).  

Taladradora salto.exe

Se desea automatizar el proceso de transporte de productos con un ascensor de 2 niveles. Trace el grafcet y pase la solución a ladder. El ascensor cuenta con los siguientes elementos : •Un pulsador en cada nivel para llamar el ascensor (PP1 PP2)•Un sensor que detecta que el ascensor esta en el piso 1 (AP1)•Un sensor que detecta que el ascensor esta en el piso 2 (AP2)•Un sensor que detecta que la puerta esta totalmente abierta (PA)•Un sensor que detecta que la puerta esta totalmente cerrada (PC)•Un motor 1 que invierte su giro para subir y bajar el ascensor (M1S - M1B)•Un motor 2 que invierte su giro para abrir y cerrar la puerta (M2D - M2I) 

El ascensor se encuentra en un estado de espera con la puerta cerrada. La espera se suspende al presionarse PP1 O PP2, con lo que se llama el ascensor y se sigue una rutina de carga: • Primero se abre la puerta.• Luego espera 10 segundos para cargar material.• Finalmente se cierra la puerta.  Tenga en cuenta que:• Si el ascensor es llamado desde el

otro piso se debe primero acudir a ese piso antes de seguir la rutina de carga.

• Luego de ejecutar la rutina de carga se debe dirigir automáticamente al ascensor al otro piso.

• Al llegar al otro piso, para bajar los productos se debe realizar la rutina de descarga (abrir la puerta, esperar 10 seg. y cerrar la puerta).

FASE I: GRAFCET FUNCIONALen esta fase se seguirán los principios y reglas mencionados, es decir como una sucesión de acciones a desarrollar sin definir la forma ni los medios empleados para ejecutarlas.

FASE II: GRAFCET CON SENSORES Y ACTUADORESA partir del GRAFCET funcional se decide cuales son los accionamientos destinados a ejecutar las distintas operaciones y los sensores destinados a suministrar las receptividades, que permitan formular las condiciones de transición.

FASE III: DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROLPasar del GRAFCET al lenguaje de programación LADDER. Esta fase consta de dos partes:

LADDER SECUENCIAL LADDER COMBINACIONAL

FASE IV: REALIZAR AJUSTES ACORDE AL SISTEMA DE CONTROL Y CONDICIONES DE LA PLANTAIncluir las restricciones necesarias en el ladder a fin de evitar condiciones indeseables.

Comprende la estructura de etapas y condiciones de transición que las relacionan. El método consiste en asignar a cada etapa un bit interno del PLC que representa el estado de la etapa, determinado a partir de las condiciones de transición indicadas en el GRAFCET

Comprende todas las acciones a ejecutar dentro de cada etapa. En esta fase se diseñan las acciones a desarrollar por cada etapa de proceso y se obtiene el esquema lógico, utilizando los estados de las variables de estado y eventualmente otras condiciones adicionales.

Se pretende automatizar un proceso que permita controlar el desplazamiento de una pieza por medio de un brazo manipulador el cual tendrá que recoger la pieza de una bandeja y colocarla sobre una banda transportadora para su distribución.

Para la taladradora, realizar el ladder que permita automatizar el proceso.

Grafcet funcional:

Grafcet de sensores y actuadores:

Para la clasificadora de piezas, realizar el ladder que permita automatizar el proceso.

Grafcet funcional: