Grafcet Teoria y Ejemplos

1

Universidad de Oviedo

12005

GRAFCET

Regulación Automática II

Antonio Robles Álvarez



22005

Índice

• Introducción. Necesidad de metodologías.• ¿Cómo abordar la descripción de un sistema automatizado?

• Modelo GRAFCET.• Estructuras básicas.

• Estudio de las órdenes o acciones

• Macrorrepresentaciones

• Forzado y paralización de estados.

• GRAFCET jerarquizado.• Materialización de un GRAFCET en un autómata programable.

• Herramientas de construcción de GRAFCET.

2



32005

Necesidad de metodologías

• La automatización de instalaciones constituye uno de los factores esenciales en la mejora de la productividad.

• El avance de la técnica permite cada vez abordar automatizaciones más complejas.

• Aparece la necesidad de disponer de métodos de análisis y síntesis apropiados.



42005

Métodos

• Tablas de Karnaugh• Cronogramas• Diagrama de fases• Método Huffman o método matricial• Logigrama• Organigrama• Técnica de paso a paso• Método en cascada• Organifase

3



52005

Evolución

• El más prometedor parecía el paso a paso. A partir de él surgieron los secuenciadores: neumáticos, a base de relés, electrónicos, etc.

• Su puesta en práctica variaba con el modelo y con el fabricante.

• Se plantea la necesidad de un método de análisis independiente del material.



62005

Historia de GRAFCET (I)

• 1962 Redes de Petri (más teórico, menos práctico)

• 1975 Se crea una Comisión para la normalización de la representación del pliego de condiciones de los automatismos lógicos en la AFCET

• 1977 De los trabajos de esta comisión nace GRAFCET. ADEPA se encarga de su difusión.

• 1982 Norma francesa: NFC 03-190

• 1985 GREPA añade nuevos conceptos

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72005

Historia de GRAFCET (II)

• 1988 CEI 848 (Ahora 60848) Base de SFC.

• 1990 UTE C 03-190

• 1992 CEI 61131-3 Programación de autómatas (incluye SFC)

• 1993 UTE C 03-191

• 1995 Reedición de norma francesa que no incluye los cambios de la UTE

• 2002 CEI 60848 Ed. 2



82005

ACRÓNIMOS (I)

• ADEPA (Agence nationale pour le DEveloppemmentde la Production Automatisée)

• AFCET (Association Française pour la Cybernétique Economique et Technique)

• CEI (Comisión Electrotécnica Internacional)

• EN (European Norms)

• GEMMA (Guide d’Etude des Modes de Marche et d’Arrêt)

5



92005

ACRÓNIMOS (II)

• GRAFCET (GRAphe Fonctionel de Commande, Etapes, Transitions)

• GREPA (Groupe Equipement de Production Automatisée)

• NF (Norme Française)

• SFC (Sequential Function Chart)

• UTE (Union Technique de l’Électricité)



102005

Problema propuesto

6



112005

Análisis descendente del automatismo

• Búsqueda de las funciones y de las restricciones– Función global– Funciones principales

– Funciones secundarias

• Inventario de las tareas (asociadas a las funciones

secundarias)– Una tarea puede ser una acción o conjunto de acciones.

• Coordinación de las tareas• Descripción del ciclo automático de la máquina



122005

Búsqueda de las funciones y de las restricciones

Función global

Funciones principales

Automatización de una sierra circular

alimentación de materia

prima (barra)

bloqueo de la barra

desplazamiento del brazo

corte de la barra

evacuación del trozo

manualgravedad

7



132005

Funciones secundarias y restricciones

→ descenso → aprox. rápida

→ avance lento

→ ascenso

Esfuerzo reducido, velocidad, carrera regulable.

Desplazamiento del brazo

→corte→rotación → marcha

→ parada

→lubricación → marcha

(manual) → parada

Naturaleza del material de la sierra: carburo o acero rápido, velocidad de corte, desgaste, calentamiento.

Esfuerzo de corte, longitud de corte mínimo-máximo.

Naturaleza del producto, caudal, bomba, motor

Corte de la barra

→ sujeción

→ suelta

Capacidad de apertura máxima, carrera de sujeción, esfuerzo de apriete en función de los esfuerzos de avance y corte, velocidad

Bloqueo de la barra

Funciones secundariasRestriccionesFunciones principales



142005

Inventario de las tareas (I)

• T1: función sujeción de la barra• T2: función suelta de la barra• T3: función puesta en marcha de la sierra• T4: función parada de la sierra• T5: función descenso con aproximación rápida del

brazo• T6: función descenso con avance lento del brazo• T7: función ascenso del brazo

8



152005

Inventario de las tareas (II)

Además, para casi cualquier automatismo hace falta:• T8: función preparación del puesto de trabajo

(manual)• T9: función puesta en referencia• Funciones de protección del material y del operador



162005

Coordinación de las tareas

Para cada tarea se pueden plantear las siguientes preguntas:

• ¿Cuáles son las condiciones que autorizan el arranque de una tarea?

(arranque si condiciones entonces ejecutar tarea)

• ¿Cuáles son las condiciones que verifican que la tarea ha terminado?

(fin si condiciones)• ¿Qué tareas son autorizadas a continuación?

(fin autoriza tareas siguientes)

Y presentar la información en forma algorítmica.

9



172005

Aplicación de coordinación

Tarea T1 (sujeción de la barra)arranque si la máquina está en referencia (fin T9)

y si la barra está en topey si la bomba está en marchay si se autoriza el arranque de ciclo

entonces sujetar la barrafin si la barra está sujeta

fin autoriza el arranque de la tarea T3(puesta en marcha de la sierra)



182005

Descripción del ciclo automático de la

máquina

10



192005

Descripción por GRAFCET teniendo

en cuenta las opciones

tecnológicas



202005

Índice

• Introducción. Necesidad de metodologías.• ¿Cómo abordar la descripción de un sistema automatiz ado?

• Modelo GRAFCET.

• Estructuras básicas.



• Forzado y paralización de estados.• GRAFCET jerarquizado.

• Materialización de un GRAFCET en un autómata programable.


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212005

¿Cómo abordar la descripción de un sistema automatizado?

• Primer tipo de aproximación: Descomposición: PR-PC-PO

• Segundo tipo de aproximación:– dimensión “punto de vista”: proceso, PC,

realizador– dimensión “especificaciones”: funcionales,

tecnológicas, operacionales– dimensión “detalle”: global, intermedia, detallada



222005

Descomposición PR-PC-PO

informaciones

informaciones

órdenes

órdenes

PARTE de CONTROL

(P.C.)

PARTE OPERATIVA

(P.O.)

PARTE de RELACIÓN

(P.R.)

12



232005

Dimensión “punto de vista”

• Descripción de la PC hecha por un observador situado en un punto de vista:– Externo al sistema (proceso)

– Interno al SAP, y externo a la PC (PC)

– Interno a la PC (realizador)



242005

Posición del observador según el “punto de vista”

PARTE de CONTROL

(PC)

Punto de vista del realizador

PARTE OPERATIVA

(PO)

Punto de vista de la PC

PARTE de RELACIÓN

(PR)

Punto de vista del proceso

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252005

Punto de vista del proceso

• Describe el comportamiento de PC y PO independientemente de la elección tecnológica, teniendo en cuenta las especificaciones funcionales.

• Precisa un inventario de las funciones principales, de la funciones secundarias, y después de las tareas en que se descomponen.

• Gráfico de Coordinación de las Tareas . Estudio de viabilidad, estimación de las cadencias de producción que pueden ser obtenidas.



262005

Punto de vista de la PC

• Describe el funcionamiento de la PC, teniendo en cuenta:– las elecciones tecnológicas hechas para los mecanismos, y

bloques operativos

– los captadores suministran las informaciones necesarias para el control de las evoluciones del sistema

• Se puede estructurar la descripción a este nivel en forma de un conjunto de GRAFCET.

• Se puede completar la descripción con un estudio de los modos de marcha y parada (GEMMA)

14



272005

Jerarquía entre GRAFCET

GRAFCET de vigilancia

GRAFCET de conducción

GRAFCET de coordinación de tareas

GRAFCET de subprogramas GRAFCET particularesGRAFCET de las tareas



282005

Punto de vista del realizador

• Describe el automatismo en su versión definitiva, tras haber:– Hecho una elección tecnológica de la PC (solución

cableada, programada o mixta).

– Elegido los preaccionadores en tipo y modo de mando

– Trasladado o no a los componentes externos a la PC, ciertos tratamientos (memoria, temporización, contaje)

– Definido las características y las de los elementos que se implantarán en la PC. En un autómata: nº E/S, memoria, potencia de cálculo, velocidad de adquisición y conversión, lenguajes disponibles, etc.

15



292005

Niveles de GRAFCET

• Nivel 1: Punto de vista del proceso• Nivel 2: Punto de vista de la PC• Nivel 3: Punto de vista del realizador



302005

Índice

• Introducción. Necesidad de metodologías.

• ¿Cómo abordar la descripción de un sistema automatizado?







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312005

Modelo GRAFCET

• Modelo de representación gráfica del comportamiento de la parte de mando de un sistema automatizado.

• Está constituido por:– Elementos gráficos básicos (etapas, transiciones

y arcos orientados)– Interpretación (acciones y receptividades)– 5 reglas de evolución– Postulado sobre la duración relativa de las

evoluciones



322005

Elementos gráficos básicos

• Etapas• Transiciones• Arcos orientados: enlazan las etapas y transiciones,

estructuradas en una red que alterna etapa-transición-etapa, y que forma el esqueleto secuencial gráfico del GRAFCET.

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332005

Etapa

Corresponde a una situación en la que el comportamiento de la P.C. no varía

10

Espera

En un instante dado la etapa puede estar:• Activa• Inactiva



342005

Etapa (II)

• El estado interno de la parte de control se define por las etapas que está activas en un instante dado. Se puede expresar así:

S(Gn) = {1, 3, 7, ..., 28}

• Etapas iniciales e inicializables:

10 10

X14 >

18



352005

Acciones asociadas a la etapa

• Las acciones indican lo que se debe hacer cada vez que se active la etapa a la que están asociadas.

10

Acción A Acción B Acción C Acción A

Acción B

Acción C

10



362005

Transiciones

• Señalan la posibilidad de transición entre una o varias etapas.

• Una transición puede estar:– validada si todas las etapas inmediatamente precedentes

están activas,

– no validada.

• La transición se franquea obligatoriamente cuando está validada y se verifica la receptividad (función lógica) asociada.

19



372005

Transiciones (II)

10

11

r(10 → 11)(1)

r(11 → 12)(2)

12

21 22

23

r(21,22 → 23)



382005

Receptividades

• A cada transición hay asociada una expresión lógica llamada receptividad.

• La receptividad agrupa informaciones de diferentes fuentes:– PR (pulsadores, interruptores, selectores, ...)– PO (sensores)– PC (temporizadores, contadores, resultados de cálculos,

estados de otras etapas Xi, ...)– condición siempre cierta (=1)

• La información puede ser de nivel mantenido o de tipo flanco (ascendente ↑ o descendente ↓)

20



392005

Receptividades (II)

• Las relaciones lógicas se representan:– Y con un punto « . »– O con el signo más « + »– NO con la barra inclinada « / »

13

14

↑a.(b+c)

15

16

t1/X15/2s



402005

Arcos orientados

• Unen las etapas con las transiciones

• Indican la vía que siguen las evoluciones

• Se representan con líneas verticales y horizontales. Se desaconsejan las oblicuas.

• Por convención el sentido es de arriba abajo.

• Se usarán flechas cuando:

– No se respete la convención (abajo arriba).

– Para evitar errores de interpretación en las evoluciones a lo largo de líneas horizontales.

• Habrá doble trazado horizontal si hay que reagrupar varios enlaces ligados a la misma transición

21



412005

Reglas de sintaxis

• Un GRAFCET está correctamente trazado si:– Respeta la regla de alternancia etapa-transición y transición-

etapa.

• Por lo tanto:– dos etapas no pueden unirse directamente,

– no puede haber dos transiciones consecutivas.



422005

Reglas de evolución

Regla 1. Relativa a la situación inicial de la PC– La situación inicial del GRAFCET caracteriza el comportamiento

inicial de la PC respecto a la PO y corresponde al conjunto de las etapas activas, autorizando el comienzo del funcionamiento.

Regla 2. Relativa al franqueo de una transición– La evolución de la situación del GRAFCET correspondiente al

franqueo de una transición no se puede producir a menos que:• esta transición esté validada,• y la receptividad asociada sea cierta.

– Esta condición recibe el nombre de función de transición

22



432005

Reglas de evolución

Regla 3. Relativa a la evolución de la situación de la PC– El franqueo de una transición entraña simultáneamente la activación

de todas las etapas inmediatamente siguientes y la desactivación de todas las etapas inmediatamente precedentes (evolución síncrona).

Regla 4. Relativa a las evoluciones simultáneas– Varias transiciones simultáneamente franqueables son

simultáneamente franqueadas.

Regla 5. Relativa a la activación y desactivación simultánea de una misma etapa– Si en el curso de una evolución, una misma etapa se encuentra a la

vez activada y desactivada, permanece activada.



442005

Casos particulares de reglas de evolución

• Transición siempre validada• Transición fuente y transición sumidero• Registro de desplazamiento• Registro de apilado• Registro de desapilado

23



452005

Transición siempre validada

01

↑ fallo

r1

00

01

↑ fallo

r1



462005

Transiciones fuente y sumidero

• Por definición:– Una transición fuente es una transición sin etapa precedente

y por tanto está siempre validada– Una transición sumidero es una transición sin etapa

inmediatamente posterior.

07

d0

c0

24



472005

Registro de desplazamiento



482005

Registro de desplazamiento (II)

25



492005

Registro de apilado



502005

Registro de apilado (II)

26



512005

Registro de desapilado



522005

Postulado sobre la duración

• La duración del franqueo de una transición puede ser considerada tan pequeña como se quiera pero no nula

• La duración de la activación de una etapa no puede ser considerada nula

• El modelo GRAFCET:– excluye formalmente la simultaneidad de dos eventos

externos a la P.C. no correlacionados– Impone la simultaneidad de ocurrencia de los eventos

internos a la P.C.

27



532005

Índice



• Modelo GRAFCET.• Estructuras básicas.• Estudio de las órdenes o acciones







542005

Estructuras básicas

• Secuencia única• Secuencias simultáneas (Paralelismo estructural)• Selección de secuencia

– Secuencias exclusivas (exclusividad lógica, tecnológica, prioridad)

– Salto de etapas

– Repetición de secuencia

– Selección alternativa por semáforo– Paralelismo interpretado

28



552005

Secuencia única

2

3

T1

T2



562005

Secuencias simultáneas (paralelismo estructural)

2

3

9

10

19

T2

T1

20

T19

29



572005

Selección de secuencia

2

T1

3

9

T9

T2

10

19

T19

20



582005

Secuencias exclusivas

• Exclusividad lógica:– T1 = a./b T2 = /a.b

• Exclusividad tecnológica:– T1 = a0.a T2 = a1.b

• Exclusividad por prioridad:– T1 = a T2 = /a.b

30



592005

Salto de etapas

4

5

3

T2

T3

T4

/T3



602005

Repetición de secuencia

4

5

T3

Tr

6

7

T4

T5

/Tr

31



612005

Paralelismo interpretado

2

T1

3

9

T9

T2

10

19

T19

20



622005

Índice




• Estudio de las órdenes o acciones• Macrorrepresentaciones




32



632005

Estudio de acciones u órdenes

• Las acciones pueden ser de naturaleza binaria, analógica, numérica o alfanumérica.

• A nivel 1, el término “acción” encubre además la función de asegurar que una tarea se va a ejecutar.

• A nivel 2 o 3 se trata sobre todo de órdenes a los preaccionadores.



642005

Estudio de acciones u órdenes (II)

• Teniendo en cuenta la duración de activación de la etapa:– Continua o por nivel

– Condicional (C)

– Retardada (D)

– Duración limitada (L)

– Impulsional o puntual (P)– Mantenida o memorizada (S)

33



652005

Acción mantenida o memorizada

• El efecto debe continuar durante varias etapas consecutivas

• Descripciones posibles:– Asociación de la acción a todas las etapas implicadas

– Asociación a una etapa de un paralelismo estructural

– Memorización de la acción por medio de un GRAFCET particular

– Empleo de instrucciones SET y RESET de la PC– Empleo de un operador de memoria externo a la PC:

• Componentes biestables• Realización cableada con componentes monoestables



662005

Estudio de acciones u órdenes (III)

• Órdenes emitidas por las etapas para modificar la situación interna de la PC:– Lanzamiento de GRAFCET de subprogramas o de tareas

– Lanzamiento de ramas de GRAFCET (macroetapas)

– Forzado y paralización de la situación

– Selección de los modos de marcha y parada

– Petición de cálculo o de tratamiento de texto

34



672005

Índice





• Macrorrepresentaciones• Forzado y paralización de estados.





682005

Macrorrepresentaciones

• Permiten realizar una descripción de ciertas secuencias agrupadas en:– Tareas: conjunto de acciones que corresponde a la

ejecución de una función determinada

– Subprogramas: conjunto de acciones o de tareas que deben ser ejecutadas varias veces en el mismo ciclo de producción

• Se estudiarán dos conceptos:– Lanzamiento de GRAFCET subprograma, o GRAFCET de

tarea

– Macroetapa asociada a su expansión

35



692005

Representación de subprogramas

10

S/P110

Tarea 3

10

S/P1

10

T3



702005

GRAFCET subprograma

• La estructura de un GRAFCET subprograma o de un GRAFCET de tarea se caracteriza por:– Una etapa de entrada, necesaria para el lanzamiento

– Una etapa de salida que señala el fin de la ejecución

– Estas dos etapas no pueden tener acciones asociadas

• La coordinación entre el GRAFCET principal y el subprograma puede ser:– Asíncrona: llamada-respuesta

– Síncrona: elimina la etapa de salida (regla 4).

36



712005

Coordinación asíncrona

20

GRAFCET S/P1GP: GRAFCET Principal

21

22

23

24

30

31

37

38

/X22./X24

X22 + X24pm.ci

a1

X38

a0

X38

S/P1

A+

A–

S/P1

B+

B–

b1

b0

También es posible

X23 + X20



722005

Coordinación síncrona

20

GRAFCET S/P1GP: GRAFCET Principal

21

22

23

24

30

31

37

X22 + X24pm.ci

a1

X37.b0

a0

X37.b0

S/P1

A+

A–

S/P1

B+

B–

b1

b0

37



732005

Macroetapa y expansión

• La macroetapa es una representación unificada de un conjunto de etapas y de transiciones llamada expansión.

• La macroetapa no tiene existencia física y no puede ser asimilada a una etapa, pues las reglas de GRAFCET no serían respetadas.

• No se debe asociar por tanto ninguna acción a una macroetapa



742005

Representación de Macroetapas

100

E

101

102

S

10

11

M1

12

Expansión XM1 de la macroetapa M1GRAFCET de Gestión

=1

38



752005

Estructura de la expansión

• La expansión siempre tiene una etapa de entrada (E) y otra de salida (S).

• La etapa de entrada es una etapa normal. No puede ser etapa inicial.

• No se debe asociar acción a la etapa de salida• La transición después de la macroetapa es siempre

cierta (=1)



762005

Interés y limitaciones de las macrorrepresentaciones

• Las macrorrepresentaciones permiten evitar el ocuparse de detalles inútiles en el comienzo del análisis y consagrarse únicamente al análisis de las tareas y su coordinación

• La descomposición en tareas y subprogramas permite estructurar mejor el conjunto de la descripción por GRAFCET y ahorrar memoria en los autómatas

• Las macroetapas y sus expansiones asociadas son de gran interés aunque se haga el diseño manualmente

• El concepto de subprograma GRAFCET o de tarea presenta la ventaja de ser independiente del lenguaje del autómata.

39



772005

Índice






• Forzado y paralización de estados.• GRAFCET jerarquizado.• Materialización de un GRAFCET en un autómata programable.




782005

Forzado e inmovilización de situación

• Por forzado de situación se entiende el paso impuesto de la situación actual del GRAFCET a una situación determinada distinta a la que se podría obtener por una evolución normal.

• La situación del GRAFCET forzado evoluciona entonces sin franqueo de transición.

• La orden solo puede ser emitida desde una etapa jerárquicamente superior contra un GRAFCET jerárquicamente inferior.

40



792005

Ejemplo de jerarquía

G0

G1

G2

Gn

órdenes de forzado Nivel SEGURIDAD

Nivel CONDUCCIÓN

Nivel PRODUCCIÓN

coordinación sin forzado



Gestión de energía y seguridad de la PO

Gestión de los modos de marcha y parada

Coordinación de las tareas de la producción normal

Tareas, subprogramas, GRAFCETS particulares



802005

Forzado a situación no vacía

10

X1 >1

F/G1 > {10}

S/G1 = {10}

S/G1 = {10} = X10./X11./X12./X13...

GRAFCET G0 GRAFCET G1

41



812005

Forzado a situación vacía

X1 > F/G1 > { }

1

F/G1 > { }

S/G1 = { }

S/G1 = { } = /X10./X11./X12./X13...

GRAFCET G0GRAFCET G1

10



822005

Orden de forzado

• Un GRAFCET no puede ser forzado más que por un GRAFCET jerárquicamente superior.

• Un GRAFCET inferior no puede ser forzado más que a una sola situación a la vez, a partir de uno o varios GRAFCETS superiores.

• La orden de forzado es prioritaria sobre las otras condiciones que establecen la evolución del GRAFCET forzado.

42



832005

Orden de forzado (II)

• Cuando se trata de un forzado de situación NO vacía, la orden de forzado provoca simultáneamente la activación de las etapas correspondientes a la situación impuesta, y la desactivación del resto.

• Cuando se trata de un forzado de situación vacía, la emisión de la orden de forzado provoca simultáneamente la desactivación de todas las etapas del GRAFCET diseñado.



842005

Orden de inmovilización

• No se trata tanto de forzar una situación sino al contrario, de bloquear la evolución del GRAFCET

X13 > F/G2 > {* }

13

F/G2 > {* }

GRAFCET G1GRAFCET G2

20

43



852005

Problemas por inmovilización

• Se para la evolución pero las órdenes asociadas a las etapas activas siguen ejecutándose.



862005

Forzado de las salidas

X14 > F/Salidas G2 = 0

12

F/Salidas =0

GRAFCET G2

2014

F/Salidas G2 =0

GRAFCET G1

44



872005

Índice







• GRAFCET jerarquizado.• Materialización de un GRAFCET en un autómata

programable.• Herramientas de construcción de GRAFCET.



882005

Materialización. Elementos básicos

• Etapa: Su imagen debe tener dos estados estables ⇒ biestable

• Transición y receptividad asociada:– Función de transición: ft(m -> n), ft(m, n -> p, q)

– Receptividad: r(m ->n), r(m, n -> p, q)

– ft(m -> n) = Xm.r(m -> n)

– ft(m, n -> p, q) = Xm.Xn. r(m,n -> p, q)

45



892005

Materialización. Ecuaciones (I)

• Inicialización– Inicialización manual– Inicialización automática (puede usar forzados)

• Ecuaciones de etapas:– Biestable: S(Xi) = ftant

R(Xi) = /ftant.ftsig

– Monoestable: Xi = ftant + /ftsig.Xi



902005

Materialización. Ecuaciones (II)

• Incluyendo forzados:– Biestable:

Prioridad a 1 S(Xi) = FS + ftant

R(Xi) = /FS./ftant.ftsig

Prioridad a 0 S(Xi) = /FS.ftant

R(Xi) = FS + /ftant.ftsig

– Monoestable: Xi = ftant + /ftsig.XiPrioridad a 1 Xi = FS + ftant + /ftsig.Xi

Prioridad a 0 Xi = /FS.(ftant + /ftsig.Xi)

46



912005

Dosificación de líquidos

.

0

1

pb.ac.a0(1)

a1(2)

2

/m.pb.a0

pb (presencia botella)PAP (avance paso a paso)

a0 a1D

A+ A-

m.pb.a0

A+ D

A- PAP

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