Diseno automatismo logicos

2. DISEÑO DE
AUTOMATISMOS LÓGICOS
2.1. INTRODUCCIÓN
La creciente complejidad de los pro
cesos y la disponibilidad de controla
dores más potentes y con mayor nú
mero de funciones, obligan a replan
tearse los métodos de diseño de los sis
temas de control.
Tradicionalmente, los automatismos
a base de relés han sido diseñados con
métodos intuitivos a base de ensayo y
error, métodos que se han seguido em
pleando en los autómatas programa-
bles, debido quizás a que muchos de
ellos eran y siguen siendo programa-
bles a base de dibujar un esquema de
contactos. Sin embargo, la disponibi
lidad de estos y otros sistemas digitales
más potentes, con bloques funcionales
más complejos que un simple relé (re
gistros de desplazamiento, contadores
bidireccionales, comparadores, etc.)
obliga al empleo de métodos de diseño
más globales y sistemáticos. F.n defi
nitiva, más adaptados a las nuevas tec
nologías. Muchas de las variables y fun
ciones que se manejan en los autó
matas, por ejemplo, no son siquiera re-
presentables en un esquema clásico de
relés.
Por otro lado, en un mismo auto
matismo coexisten elementos de tipo
electromecánico, neumático, hidráuli
co, electrónico, etc., y esto hace ne
cesario utilizar modelos y herramientas
de diseño que permitan una represen
tación y tratamiento común de todos
ellos para poder hacer un estudio glo
bal del sistema de control y la planta.
La clave de un método de diseño
«sistemático» y que permita un trata
miento global del sistema, está preci
samente en interesarse por los «esta
dos» posibles de cada componente o
bloque más que por su naturaleza fí
sica. Aun asi cabe distinguir distintos
tipos de bloques, que tendrán un tra
tamiento con métodos específicos tal
como se Índica a continuación.
Un componente o bloque del cual
nos interesa sólo distinguir dos estados
posibles lo trataremos como un sub
sistema Iónico. Por ejemplo, un inte
rruptor abierto o cerrado, un circuito
que conduce o no conduce, un motor
en marcha o parado, una presión o
temperatura mayor o menor que un li
mite, etc. Se suele identificar el estado
de un componente lógico con una va
riable Iónica representada matemática
mente por un 6/7, que toma sólo los
valores 1 y 0.
Por otro lado, un componente o blo
que en el que interese distinguir varios
estados posibles lo trataremos como
subsistema ilinital. siempre que el nú
mero de estados posibles sea finito y.
por tanto, numerable. Este conjunto de
estados se representa por una variable
numérica y cada estado viene represen
tado por un nrupo ¡le bits.
Finalmente, quedarían los compo
nentes analónicos, en los que teórica
mente habría que distinguir infinitos
estados posibles. Sin embargo, muchos
sistemas de control utilizan actualmen
te métodos numéricos para el trata
miento de magnitudes analógicas, trun
cando su valor a un número limitado
de cifras decimales (dependiendo de la
resolución deseada) y, por tanto, li
mitándose a tratar un número finito de
estados. De esta forma, las magnitudes
analógicas pueden ser tratadas median
te sistemas de control digitales. Los au
tómatas programables son un buen
ejemplo de ello, ya que mediante con
vertidores analógico/digitales suelen
convertir las magnitudes analógicas en
valores numéricos y, así, podemos de
cir que se trata de un sistema digital
que procesa magnitudes analógicas, con
un cierto grado de resolución.
La tabla 2.1 presenta de forma es
quemática la división de los sistemas
según el tipo de variables e indica cuá
les son las herramientas de diseño em
pleadas en el supuesto de utilizar con
troladores de tipo lógico-digital.
Tabla 2.1. Modelos pura tratamiento genérico de automatismos.
SISTEMAS
AUTOMATICOS
PARTES TIPOS MODELO VARIABLES ('TILES DE
DISEÑO
S IS T E M A
D E
C O N T RO L
+
A C C IO N A M IEN T O S
+
PLA N T A
C O M P O N E N ! ES
0
B LO Q U ES
TO D O
0 N A D A 2 EST A D O S
L Ó G IC A S
T IPO B IT
1 o 0
FU N C . LÓ G IC A S
G R A F C E T
A N A LO G IC O S
N U M E R IC O S
N. FIN IT O
D E E ST A D O S
N U M E R IC A S
TIPO
R E G IS T R O
(B IN A R IO ,
BCD. A SC II)
FU N C . LÓ G IC A S
G R A F C E T
O P A R IM F T IC A S
T E X T O S
F T R A N S F E R E N C IA
T R A N S F L A P l.A C E
T R A N S E Z
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DISEÑO D I AUTOMATISMOS
LÓGICOS
En este capítulo presentaremos los
métodos de diseño específicos para sis
temas lógicos y en el siguiente trata
remos de los sistemas en que intervie
nen variables numéricas. Los primeros
se diseñan con métodos basados en el
álgebra de Boole y requieren un cierto
conocimiento del sistema de numera
ción binario y de las operaciones con
bits y registros, l iemos considerado que
sobre estos temas básicos existe una
bibliografía suficientemente amplia y
detallada y. por tanto, en este texto nos
limitaremos a dar unos resúmenes en
ios anexos I y 2, remitiendo al lector
a las referencias [1] y [2), por ejemplo,
para más detalles sobre dichos lemas.
2.2. M O D ELO S Y FU N C IO N ES DE
TRANSFERENCIA
En el apartado anterior hemos in
dicado ya la necesidad de métodos sis-
Figura 2.I. Modelos de sistemas lógicos.
a) Modelo psqüema de reles
o
b) Modelo con puertas lógicas
LOD A
AND B
LODN C
CRN D
AND E
OR LOD
OUT 5
A
Hl
B
II
S
I H
c) Modelos con lista de instrucciones
o diagrama de contactos utilizado
en autómatas
5 - A B + (C + D) •E
d) Modelo matemático mediante
función lógica
V
1á■
COMPONENTE
£V =0,1V
<1
71 ir
t I
P1 P2
ov
©T OC
VARIABLES LÓGIC&S
0 ' Abie-to
1 Cebado
0 - Bobina str> tensión
1 - Bobino con tensróo
0 - A *
- A *
0 Pq'O
1 - M a r c h o
0 - T em p eratu ra < X °C
1 - Tem p eratura >X °C
0 - Nivel ¿ h
1 - N i v e l > h
0 - C a u d a l = 0
1 Cauda* > 0
VARIABLES NUMERICAS
Ve n.iv
1 - 5 A
V -- * x % * i v )
tQn- * * * •1*1
P 1: x x * x ( b a r )
PJ z x x x x (b a r >
n = x x x x (r p.rn )
M r - x x * * ( n v k g )
T : n n ( 0C)
N i v e l = xx x x ( m ^ )
h s x x * x ( m )
Q z ** * » ( f n } / h l
Figura 2.2. Variables lógicas y numéricas.
temáticos y herramientas de diseño que
permitan un estudio global de los sis
temas de control, con cierta indepen
dencia de su naturaleza fisica. Dichos
métodos se basan en el empleo de mo
delos, entendiendo como tal cualquier
tipo de representación de tipo mate
mático o gráfico, que permita deducir
el comportamiento del sistema ante
unas condiciones de entrada determi
nadas.
Así, por ejemplo, los esquemas de
relés o los esquemas lógicos a base de
puertas son modelos gráficos de los sis
temas que representan, en tanto que
permiten predecir el comportamiento
de los mismos. De la misma manera,
la función o funciones lógicas que re
lacionan las entradas con las salidas del
mismo sistema constituyen un modelo
matemático de éste. Extrapolando el
criterio podríamos decir que el progra
ma de un autómata es un modelo del
sistema de control que implementa, ya
que define perfectamente su compor
tamiento. La figura 2.1 muestra, a titulo
de ejemplo, algunos modelos habitual
mente empleados en el campo de la
automatización con tecnología eléctrica
o electrónica.
El concepto de modelo no es exclu
sivo de los sistemas lógicos; en el pró
ximo capítulo trataremos con modelos
de sistemas digitales o incluso de blo
ques analógicos. Por ejemplo, las ex
presiones matemáticas que relacionan
el par y la velocidad de un motor con
la tensión y la corriente permiten ob
tener un modelo del comportamiento
del motor.
Debemos aclarar que el modelo no
depende estrictamente del componente
o sistema, sino de lo que deseemos
«observar» del mismo. Como ejemplo,
la figura 2.2 representa una serie de
componentes y algunas de las variables
en las que podemos centrar nuestro In
terés; en unos casos se trata de varia-
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AUTÓMATAS
PftOORAMABLKS
bles lógicas, representadas por 0 y I y
en otros casos de variables numéricas,
representadas en sistema de numera
ción decimal, binario, hexadecimal u
otro. Así, por ejemplo, en el caso del
motor, nos puede interesar simplemen
te si está en marcha o parado, lo cual
se representaría por una variable lógica,
o podemos estar interesados en co
nocer su velocidad y su par y entonces
debemos utilizar variables numéricas
para representar estas magnitudes.
En un mismo sistema pueden mez
clarse, y de hecho es común que asi
suceda, variables de tipo lógico y de
tipo numérico. Aún más, existen ope
raciones con variables numéricas que
pueden dar como resultado una varia
ble lógica, como es el caso de las ope
raciones de comparación ( > , ;> , etc.).
Como ejemplo, en la figura 2.3 hemos
representado un sistema completo de
control de rumbo, donde se mezclan
variables de distintos tipos. El estudio
de tales sistemas se hará dividiéndolos
en subsistemas o bloques más simples
y tratando cada parte con el modelo y
los métodos de diseño que les corres
ponda.
F.I diseño sistemático, en contrapo
sición a los métodos más o menos in
tuitivos, pasa casi siempre por estable
cer un modelo de tipo matemático y
unas reglas de operación que no ad
mitan ambigüedades. Por otro lado, la
forma de hacer un tratamiento gené
rico de todas las partes de un sistema,
cualesquiera que sean sus componen
tes y la tecnología empleada, se basa en
los siguientes principios:
a) Dividir el sistema en bloques. En un
primer estudio, estos bloques pue
den ser muy globales y posterior
mente, cuando se avanza en el es
tudio, pueden ser divididos a su vez
en bloques más elementales, hasta
llegar al nivel de componentes.
b) De cada bloque nos interesan sólo
las magnitudes de entrada y las
magnitudes de salida.
c) Cada magnitud de entrada o salida
se representará por una variable. Es
tas variables podrán ser de tipo ló
gico o numérico, según la propiedad
que interese observar.
d) Hallar, para cada bloque, la función
que relaciona las variables de entra
da y de salida, denominada /'unción
(le transferencia, Dichas funciones
podrán ser de tipo Iónico, algebraico
o numérico, según la naturaleza del
bloque que representen,
e) A todos los efectos, dos bloques que
tengan funciones de transferencia
idénticas se considerarán idénticos,
con independencia de los compo
nentes que los formen e incluso de
la tecnología empleada en su im-
plementación.
Una vez establecidos estos principios
fundamentales, podemos planteamos
el estudio del sistema de control desde
dos puntos de vista: el análisis y la sín
tesis.
El análisis parte de un sistema pre
viamente construido y pretende pre
decir su comportamiento o, lo que es
lo mismo, pretende obtener sus salidas,
conocido su estado inicial y las entra
das. El proceso a seguir, según se ilus
tra en la figura 2.5, consta de los si
guientes pasos:
• Identificar los componentes.
• Conocer para cada uno el modelo de
Finura 2.3. Sistema de control con magnitudes y variables de distintos tipos.
COMPONENTE
ENTRADA SALIDA MODELO
m a g n it u d TIPO MAGNITUD TIPO MAGNITUD
TIPO DE
V A RIA BLES
BU Q U E Rumbo
deseado
Analógico Rum bo
seguido
Analógico «s N UM ÉRICAS
CAPTADOR
MAGNÉTICO
Orientación Analógico Tensión A nalógico c< 2 . Vp N U M ÉRIC A S
SELECTOR
DE RUMBO
Botón
m ando Anológico Tensión Analógico CK, Vr N U M ÉRIC A S
c o m p a r a d o r
>
oc>
Analógico Tensión Lógico
Va >Vf 1
Vp >VR 0
NUM ÉRICAS-
LÚGICAS
A ♦V Lógico C o n ta c to
Lógico
C e rra d o 1
A b ierto 0
LOGICAS
B -V Lógico C ontacto
EIECTROVÁLVUIAS Tensión Logico Presió n Lógico
Pre sió n +
P re s ió n —
LÓGICA5
CILINDRO Presión Lógico Desplazamiento Analógico
Po sició n
ém bolo
LÓGICAS-
NUM ÉRICAS
TIMÓN Posición A nalógico
Rumbo
seguido Analógico 0 o< 2 N U M ÉR IC A S
12
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DISKÑO D I AUTOMATISMOS
LÓGICOS
M O DELO
Ü -
I
H
SU BSISTEM A S
- - i c e - '
— C23
X< -
X2-
Xn '
TABLAS DE VERDAD
r.o Atmc. p.c c 11 icxir iaUnArv)j ww r LUCINLIA
r~i iMriZMICC MCEUNCIÜNth DE
t r a n s f e r e n c ia ■—►
Y<
Yz
F N TRAD AS SIST EM A
DE CONTROL
S A LID A S VA RIA BLES
DE ENTRADA
VARIABLES
CE SALIDA
Finura 2.4. Sistemas y modelos.
SISTEM A
FUNCIONES DE
TRANSFERENCIA
ANALISIS
í>
e n t r a d a s
y, =f ix,)
S i - f ( E l )
PREDICCIÓN DEL
COMPORTAMIENTO
Figura 2.S. Análisis de un sistema.
comportamiento (función de trans
ferencia).
• Identificar las entradas del sistema.
• Determinar las salidas de cada uno
de los componentes, según sus fun
ciones de transferencia y las inter
conexiones entre ellos.
La síntesis plantea el problema a la
inversa, es decir, se parte del compor
tamiento deseado de un sistema (es
pecificaciones), generalmente indican
do la respuesta ante determinadas con
diciones de entrada y se pretende di
señar o construir un sistema que obe
dezca a dicho comportamiento. El pro
ceso sería el siguiente:
resultar de una síntesis no es único, ya
que posiblemente existirán multitud de
combinaciones de componentes que en
su conjunto den como resultado la fun
ción de transferencia deseada. Como
consecuencia, aun basando la síntesis
en métodos sistemáticos, existirá siem
pre una cierta indeterminación que de
berá resolverse mediante criterios de
tipo tecnológico o económico. Es en
este punto precisamente donde la má
quina programable puede aportar enor
mes ventajas, ya que se trata de un
componente con una configuración fí
sica (hardware) estándar en el que po
demos elegir la función de transferen
cia mediante el software.
2.3. AU TO M ATISM O S
C O M BIN A C IO N A LES Y
SECUENC1ALES
Los sistemas o bloques lógicos po
demos dividirlos en dos grandes cate
gorías: combinacionales y secucncialcs.
Un sistema o bloque cnmbinacional
es aquel cuyas salidas dependen úni
camente del estado de sus entradas, con
total independencia de cuál sea el es
tado inicial de partida. Esta definición
lleva implícito que la función o fun
ciones de transferencia del sistema son
simplemente funciones lógicas que re
lacionan las salidas con las entradas
mediante combinación Je los operadores
«Y», «O» y «NO». El nombre combi-
nacional se deriva precisamente del
hecho que las variables de salida de
penden exclusivamente de la combi
nación de variables de entrada que se
aplique.
Un sistema secuencia/, en cambio, es
aquel cuyas salidas dependen de las va
riables de entrada y del propio estado
inicial del sistema. Si tenemos en cuen
ta que cualquier estado puede ser to
mado como estado inicial, se despren
de que el sistema ha de ser capaz de
memorizar todos y cada uno de los es
tados posibles. Dichos estados se me-
morizan mediante variables internas
denominadas variables de estado. La
denominación de sistema secuencial se
debe precisamente a que el valor de las
salidas depende de los estados de las
entradas y de la secuencia anterior de
estados en dichas entradas.
Como ejemplo de sistema secuencial
tomemos el circuito de la figura 2.7 y
supongamos que se le aplica la siguien
te sucesión de señales de entrada, par
tiendo del estado inicial A = 0, B = 0.
S = 0:
Dar la especificación del sistema, in
dicando las salidas deseadas ante de
terminadas condiciones iniciales y
entradas.
Traducir dicha especificación a una
función de transferencia global del
sistema completo.
Elegir componentes de función de
transferencia conocida o programa-
ble y obtener la función de transfe
rencia deseada.
Obsérvese que el sistema que puede
Figura 2.6. Síntesis de un sistema.
ESPECIFICACIONES S ÍN T E S IS
ELECCIÓN DE
COMPONENTES
FU N C IO N ES DE
TRANSFERENCIA
S i= f <E¿>
Yi s f <X. )
COMBINACIÓN DE
FUNCIONES DE
T R A N S FER EN C IA
HARDWARE Y
SOFTW ARE
DEL SISTEM A
13
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AUTÓMATAS
PftOORAMABLKS
1) A = 1. B = 0
2) A = 0, B = 0
3) A = 0, B = I
4) A = 0, B = 0
La tabla de la figura 2.7 muestra la
evolución de la salida del sistema y en
ella puede observarse que para com
binaciones idénticas de entradas, A = 0.
B = 0 por ejemplo, se tiene distinta sa
lida, en concreto en el paso 2 se tiene
S = 1 y en el paso 4 se tiene S = 0, a
igualdad de entradas. Vemos, pues, que
la salida no depende sólo de las entra
das sino de la evolución anterior o, si
se quiere, del estado inicial de partida.
Desde un punto de vista estructural,
los sistemas secuenciales están forma
dos por interconexión de bloques com-
binacionales, pero aparece en ellos un
elemento nuevo, una variable interna
que se introduce nuevamente como
entrada (la variable interna Y en el caso
de la figura 2.7). Este tipo de variables
internas hace que la respuesta del sis
tema ya no dependa exclusivamente de
las entradas, sino que dependa también
del estado interno, por lo cual se suelen
llamar variables de estado. La figura 2.8
muestra la estructura más general de
un sistema secuencial, que se conoce
como estructura de Meuiy.
Desde el punto de vista del modelo
matemático, la función o funciones de
transferencia de un sistema secuencial
siguen siendo funciones lógicas, pero
contienen variables internas que guar
dan «memoria» del estado del sistema
o, si se quiere, de su evolución ante
rior. Precisamente este tipo de variables
internas son las que marcan la diferen
cia entre un sistema combinacional y
un sistema secuencial. En el primero
hemos dicho que la función de trans
ferencia relacionaba salidas con entra
das con los operadores «Y», «O» y
«NO», en los secuenciales las salidas y
las entradas están relacionadas por los
operadores «Y», «O», «NO» y «ME
M ORIA». De hecho, los nombres de los
operadores para la función memoria
suelen llamarse 5£7'(memorizar un I)
y R ESET (memori/ar un 0). Obsérvese
que, en el ejemplo de la figura 2.7. ha
cen falta dos funciones lógicas para de
finir la función de transferencia n una
única función de tipo implícito, donde
la salida aparece también en el segundo
miembro.
Hay que señalar también que la tabla
incluida en la figura 2.7 no es propia
mente una tabla de la verdad, sino una
tabla de evolución de estados La dife
rencia entre ambas es que en una tabla
de verdad podemos deducir el estado
de la salida sin más que elegir la fila
correspondiente a la combinación de
entradas. En cambio, en una tabla de
evolución se indica una sucesión de es
tados en que cada fila tiene como
estado inicial la fila anterior.
Cabe preguntarse ¿qué implica la
existencia del nuevo operador que he
mos llamado «memoria», desde un
punto de vista tecnológico?; pues bien,
esto quiere decir que para poder cons
truir sistemas secuenciales con una de
terminada tecnología debe disponerse
en ella de una célula básica de memoria,
capaz de ejecutar esta operación. A esta
célula básica de memoria se le suele
llamar también biesiable y suele estar
formada por dispositivos lógicos com-
binacionales, inlerconectados de forma
que exista un enclavamiento interno
entre ellos. La propia figura 2.7 cons
tituye un ejemplo de biestable cons
truido a base de dos puertas lógicas
NO-O. Obsérvese que el biestable es
un elemento con dos entradas llamadas
SET y R E SE T y con una salida. Po
demos encontrar también un ejemplo
de biestable, en el caso de los relés, con
el esquema clásico de un paro-marcha
como el que muestra la figura 2.9.
Debemos pues replantear cuál es la
estructura básica de un bloque lógico
dentro de un sistema de control. Hasta
ahora habíamos considerado cada blo
que como una caja en la que intro
ducíamos entradas y obteníamos sali
das. Después de lo dicho para los sis
temas secuenciales deberemos añadir
un nuevo tipo de variables, las variables
internas de estado.
El concepto de variable interna es
importante en el mundo de los autó
matas programables y se refiere de for
ma general a variables que no tienen
conexión con el exterior. Existe tam
bién un paralelismo en los automatis-
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DISEÑO DK AUTOMATISMOS
LÓOICOS
' i I V i f W í "i . 4’ L
- s con contactos con aquellos relés
.ue no tienen interconexión con in-
'ruptores o pulsadores de mando ni
. m accionamientos externos. Sin em-
- -go. no debe confundirse el concepto
de variable interna de un automatismo
con el de variable de estado que hemos
definido en los sistemas secuenciales.
La figura 2.10 muestra un esquema con
los distintos tipos de variables que in
tervienen en un sistema y, a continua
ción, se dan las definiciones.
Las entradas de un bloque son va
riables independientes, es decir, su es
tado varia de acuerdo a unas condicio
nes u órdenes externas, no controladas
por el propio bloque. No se descarta
que dichas variables puedan ser a su
vez salidas de un bloque anterior o de
pendientes a su vez de otras, pero a
efectos del modelo del bloque que es
tudiemos tendrán el tratamiento de va
riables independientes.
Las variables internas son aquellas
que elabora el sistema a partir de las
entradas y eventualmente de otras va
riables internas. Dentro de las variables
internas podemos distinguir dos tipos:
las dependientes sólo de las entradas o
combinaeionales y las de estado.
Finalmente, las variables de salida
son, en el caso más general, variables
dependientes de las entradas y de las va
riables de estado.
Obsérvese que si un bloque forma
parte de un sistema más amplio y sus
entradas proceden de otro bloque pre
vio pasarían a tener la condición de va
riables internas para el sistema. Así por
ejemplo, sí en la figura 2.11 estudiamos
el bloque B individualmente, el con
junto de señales Z 4 y X8 serían las en
tradas y Z„ e Yh serían las salidas; pero
en este mismo bloque, considerado
como parte del sistema completo, todas
las variables serían internas.
En realidad, si se analizan las acti
vidades de un proceso cualquiera, po
dremos encontrar casi siempre los dos
tipos de acciones; combinaeionales y
secuenciales y, en consecuencia, los sis
temas como tales suelen ser híbridos,
conteniendo parte combinacional y
parte secuencial.
A titulo de resumen de los conceptos
analizados en este apartado, la labia 22
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c a r a c t e r ís t ic a
ESENCIAL
Salidas independientes del estado inicial
Salidas dependientes del estado inicial

AUTÓMATAS
M tOÓRAM AftLIS
muestra las diferencias esenciales entre
sistemas combinacionales y secuencia-
íes.
2.4. D ISEÑ O D E AUTO M ATISM O S
C O M BIN A C IO N A LES
El término «diseño» con el que he
mos titulado este apartado suele to
marse como sinónimo de «síntesis», es
decir, obtención de un sistema físico
que responda a unas ciertas especifi
caciones. Sin embargo, las herramien
tas de análisis y de síntesis suelen ser
las mismas: concretamente en el caso
de sistemas lógicos combinacionales, el
álgebra de Boole (véase anexo I).
En el apartado anterior hemos in
dicado que los sistemas combinacio
nales quedan perfectamente definidos
mediante funciones de transferencia
que relacionan cada salida con las en
tradas mediante los operadores «Y».
«O» y «NO». El proceso de síntesis em
pezará, pues, por obtener una tabla de
verdad que refleje la relación de cada
salida con las entradas, de acuerdo con
las especificaciones. Posteriormente,
deberá traducirse cada una de dichas
tablas a una función lógica y, a con
tinuación, deberán implementarse las
funciones lógicas mediante componen
tes cableados o programables.
Para concretar algo más el método
vamos a desarrollar un ejemplo apli
cado al diseño de un sistema de control
de una machacadora de áridos (figura
2. 12).
Supóngase que las especificaciones
del sistema son las siguientes:
— El motor M3 se pone en marcha
con un interruptor M.
— El motor M2 se pone en marcha
siempre que esté en marcha M3.
— El motor M I se pone en marcha
si lo está M2 y no se detecta so
brecarga en la machacadora (relé
R1 con un contacto normalmente
cerrado).
— Cada motor está además prote
gido por un relé térmico: R T I,
RT2 y RT3, respectivamente. El
contacto del relé térmico estará
normalmente cerrado si no hay
sobrecarga.
— Debe sonar una alarma si M I está
en marcha y se paran M2 o M3
/«i
/ K2
I / « T ?
RT3
Ü )
ENT RAD A S S A LID A S DESCRIPCIÓ N
M Interruptor de m archa
RT1 Relé térm ico m otor MI
RT2 R elé térm ico m otor M2
RT3 R elé térm ico m otor M3
RI R elé sobrecarga M2
Kl C o n tacto r motor M I
K2 C ontactor m otor M2
K3 Contactor m otor M3
AL A larm a
Figura 2.12. Ejemplo de diseno de sistema combinacional.
y también si M2 está en marcha
y se para M3.
Las fases del diseño serán las si
guientes:
a) Identificación tic entradas i salidas
del sistema.
En nuestro ejemplo, las entradas y
salidas serán las indicadas en la tabla
de la propia figura 2.12.
b) H allar ana tabla de verdad para cada
salida.
En nuestro caso, dichas tablas se in
dican en la tabla 2.3.
tj Deducir las ecuaciones Iónicas.
Las ecuaciones lógicas se deducen de
las tablas de verdad, sin más que apli
car los métodos indicados en el anex
I. En nuestro caso, las ecuaciones so
las siguientes:
a) K3 =M RT3
b) K2 =K3 ■RT2 RI
c) K.1 =K3 • K2 -RTI
d) A L =K2 •K3 + Kl K2
Obsérvese que la ecuación d se h:
obtenido después de una simplifica
ción, pero, como se dice en el anexa
I, no siempre es preciso llegar al má
ximo grado de simplificación.
d) Deducir el esquema de cableado o i
programa del automatismo.
A partir de las ecuaciones lógicas, l»
implementación depende ya de la leo
nologia con la cual se quiera construí*
16
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DltCÑO D I AUTOMATISMOS
LÓOICOS
ENTRADAS SALIDA
M RT3 K3
0 0 0
0 1 0
l 0 0
! 1 1
1¡ indo motor M3
Manilo motor MI
ENTRADAS SALIDA
K3 K2 R TI K l
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 0
0 0 0
| 0 1 0
| 1 0 0
1 1 1 1
ENTRADAS SAI.IDA
K3 RT2 R I K2
0 0 0 0
0 0 1 0
0 1 0 0
0 1 1 0
1 0 0 0
1 0 1 0
1 1 0 0
1 1 I 1
b) Mando motor M2
d) Mando alarma Ai.
2.3. Tablas de verdad correspondientes aI ejemplo de la figura 2.12.
ENTRADAS SALIDA
K l K2 K3 A L
0 0 0 0
0 0 1 0
0 1 0 1
0 1 1 0
i 0 0 1
1 0 1 1
1 1 0 1
1 1 1 0
. automatismo (contactos, neumática,
7-.rtas lógicas, autómata programable,
i No obstante, de las ecuaciones
* ¿Mas puede deducirse de forma in-
- cdiala la interconexión de sistemas
anisados o el programa de un autó-
-aia. Un paso intermedio que puede
* jdar a la implementación práctica,
• nre todo en sistemas cableados, son
•? esquemas utilizando los símbolos
¿icos convencionales definidos en el
. " íxo I. La figura 2.13 muestra dicho
r-quema para el ejemplo que hemos
Jesarrollado.
Obsérvese que, a pesar de que los
contactos de los relés térmicos son nor
malmente cerrados, en la expresión ló
gica aparecen sin complementar. Efec
tivamente esto es asi porque el sistema
de control debe recibir un I lógico para
indicar que no ha disparado el térmico.
La detección de condiciones de alarma
mediante contactos normalmente ce
rrados es una práctica común para ase
gurar que en caso de rotura del cable
el sistema interpretará una condición
de alarma y no se quedará sin protec
ción como podría ocurrir en el caso
de utilizar un contacto normalmente
abierto.
2.5. D ISEÑ O D E AUTO M ATISM O S
SEC U EN C IA LES
En la práctica son muchos los pro
cesos que implican la realización de una
serie de actividades u operaciones, si
guiendo una determinada secuencia.
Dichas actividades y los dispositivos
empleados para ejecutarlas pueden ser
de índole muy diversa, incluyendo par
tes lógicas, analógicas, cálculos arit
méticos, manipulación de datos, etc.,
pero el desarrollo del proceso consiste
casi siempre en una sucesión encade
nada de operaciones, cuya evolución se
controla mediante unas condiciones de
tipo lógico, que indican si el proceso
puede continuar y cómo. Un diagrama
de flujo genérico para representar el
funcionamiento de tales sistemas po
dría ser el de la ligura 2.14.
Los automatismos que controlan este
tipo de procesos no puede decirse que
sean puramente secuenciales, sino que
combinan partes combinacionales con
partes secuenciales dando un sistema
híbrido. En realidad un sistema pura
mente secuencial no existe ya que, es
tructuralmente. los sistemas secuencia
les están formados por bloques com
binacionales y células de memoria
(biestables) interconectados, tal como
se indicó en la figura 2.8. No debe, por
tanto, extrañarnos que una de las he
rramientas básicas del diseño secuen
cial sea una vez más el álgebra lógica,
aunque, como se verá, los métodos pu
ramente algebraicos no bastan por sí
solos para el estudio completo de tales
sistemas.
Desde los años setenLa han apare
cido numerosos útiles para el diseño de
sistemas lógicos secuenciales. Algunos
de ellos, presentados por diversos gru
pos de investigación, son de tipo ana-
lítico-teórico y otros, menos rigurosos,
son de tipo más práctico. Los primeros
suelen tener poca implantación por su
relativa complejidad para la mayoría de
los usuarios y los últimos suelen ser,
en general, muy dependientes de tec
nologías particulares y, por tanto, no
aplicables de forma general.
Uno de los métodos teóricos más co
nocidos para resolver sistemas secuen
ciales es et método de HuíTmann (ver
referencias [11"y [2]), que tiende a la
obtención de las ecuaciones de un sis
tema lógico con el mínimo número de
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componentes. Pero su aplicación re
sulta, en general, compleja para siste
mas grandes y el automatismo resul
tante es difícil de interpretar y analizar
una vez alcanzada la simplificación de
dichas ecuaciones. Esto dificulta la
comprensión y el posterior manteni
miento del automatismo por parte de
no especialistas. Otros útiles de tipo
más práctico no son del todo adecua
dos, o resultan incompletos, por cuanto
centran más el interés en la forma de
realización del sistema que en el fun
cionamiento propiamente dicho.
Ante la necesidad de unificar y ra
cionalizar el lenguaje para describir los
sistemas lógicos y en particular la parte
secuencial de los mismos, la A FC E T
(Association Fran<;aise pour la Cyber-
nétique Économique et Technique)
creó una comisión formada por varios
organismos universitarios, fabricantes y
usuarios con objeto de armonizar los
criterios de cada uno de estos colecti
vos y obtener un método de represen
tación del funcionamiento de sistemas
lógicos independiente de la materiali
zación tecnológica de los mismos. El
resultado de los estudios de dicha co
misión fue un útil de tipo gráfico, apo
yado por métodos de álgebra lógica,
que una vez depurado ha dado lugar
al denominado G R A F C E T (GRÁfico
Funcional de Control de Etapas y
Transiciones).
El método de diseño que vamos a
emplear en este texto para sistemas ló
gicos. incluyendo parte secuencial, es
precisamente un método basado en el
G R A F C ET , cuya utilidad en el análisis
y síntesis de dichos sistemas se verá en
los siguientes apartados.
2.6. GRAFCET: RESU M EN
H ISTÓ RICO
El G R A F C E T nació como resultado
de los trabajos de la A FC ET , iniciados
en la década de los setenta. En prin
cipio se pretendía satisfacer la necesi
dad de disponer de un método de des
cripción de procesos, con total indepen
dencia de la tecnología, mediante un
gráfico funcional que pudiera ser in
terpretado por no especialistas en au
tomatización. El gráfico funcional per
mite unificar la forma de descripción
del proceso para técnicos de distintos
campos, desde el ingeniero de orga
nización o de producción, que define
las necesidades del automatismo, pa
sando por el de diseño, que debe im-
plcmentar el sistema de control y los
accionamientos, hasta el técnico de
mantenimiento, que debe cuidar de su
funcionalismo o introducir modifica
ciones en la fase de explotación.
A partir de 1977 y gracias a la co
laboración entre A FC E T y A D EPA
(Agence pour le DÉveloppement de la
Productique Appliquée) se crearon una
serie de útiles metodológicos, entre los
que destaca el G E M M A (Guide d'Etu-
de des Modes de Marche et Arrét), para
apoyar el G R A F C E T como método no
sólo descriptivo, sino como herramien
ta de diseño.
En 1982 el trabajo fue recogido por
un grupo de trabajo de A FN O R, or
ganismo encargado de la normalización
en Francia, compuesto por miembros
AUTÓMATAS
M O O A A M A BLU
18
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DISEÑO DE AUTOMATISMOS
LÓOICOS
de U TE, CNOM O. U N M y de otros
organismos relacionados con la indus
tria, la automatización y la enseñanza
culminado con la publicación de la
Norma N F C-03-1904. Esta norma fue
también adoptada por IEC en 1988, con
el número 1EC-84H y título «Établis-
sement des dlagrammes fonctionnels
oour svstémes de commande».
En la actualidad, diversos autómatas
orogramables incorporan algunas ins
trucciones de programación que per
miten introducir directamente el grafo
ce G R A FC ET . En otros casos se dis
pone de software capaz de compilar un
¿rafia G R A F C E T al lenguaje de la má-
.uina, permitiendo en ambos casos una
aran flexibilidad y rapidez de diseño,
con ventajas sustanciales en las fases de
.erificación, explotación o eventual
modificación del automatismo. A pesar
de ello no debe confundirse el G R A F
C ET con un lenguaje de programación.
FJ gráfico funcional, complementado
._on los métodos del álgebra de Boole,
-'ermite ir más allá de la simple des
cripción c interpretación gráfica de un
proceso y se ha convertido en una po
tente herramienta de diseño de siste
mas lógicos, con unas regias bastante
simples.
2.7. D ISEÑ O BASADO EN
GRAFCET
Los principios que inspiraron la crea
ción del G R A F C E T y en los que se
basa su aplicación son los siguientes:
a) Debe caracterizarse el funciona
miento del automatismo con total
independencia de los componentes
;on los que vaya a ser construido.
Esto equivale a centrar nuestro in
terés no tanto en la estructura física
o en la tecnología empicada para
¡mplementar el automatismo, sino
en la «función» que debe realizar.
b) El conjunto de un sistema auto
mático se divide en dos partes: parle
de control (PC) y parte operativa
(PO). La parle de control compren
de todo aquello que contribuye a la
automatización del proceso y la par
te operativa incluye el resto del mis
mo. El conjunto está relacionado
con e! medio exterior a través de un
diálogo con el operador y comuni
caciones con otros automatismos
que operen en el mismo contexto,
(figura 2.15)
c) El elemento fundamental de un
proceso es la «operación» (deno
minada etapa en el lenguaje de
G R A FC ET ), entendiendo como tal
una acción realizada por el auto
matismo. Obsérvese que en una pri
mera aproximación podemos dividir
el proceso en unas pocas operacio
nes relativamente complejas (por
ejemplo: taladrar, roscar, cambiar
herramienta, etc.), llamadas tam
bién macroetapas (apartado 2.10).
Estas operaciones complejas podrán
ser subdivididas a su vez en ope
raciones más elementales a medida
que avanzamos en el nivel de de
talle. Por ejemplo, una operación de
taladrar puede subdividlrse en otras
más elementales como: impulsar
pieza, bloquear pieza, giro de broca,
aproximación de broca, etc.
d) Debe dividirse el proceso en ma
croetapas y éstas en etapas más ele
mentales, hasta conseguir que las
acciones a realizar en cada una de
ellas dependan sólo de relaciones
combinacionales entre entradas y
salidas. Cada una de estas etapas
elementales tendrá asociada una va
riable de estado.
e) Establecer un gráfico de evolución
que indique la secuencia de ope
raciones (secuencia de etapas) y las
condiciones lógicas para pasar de
una a otra (denominadas candiao-
nes ile transición en el lenguaje de
G R A FC ET ). Como resultado de
esta lase se obtienen las ecuaciones
lógicas de las variables de estado y,
por tanto, queda resuelta la parle
secuencial del automatismo.
0 Establecer para cada operación ele
mental (etapa) las relaciones lógicas-
entre entradas y salidas, utilizando
eventualmente otras variables inter
nas combinacionales.
g) Finalmente, ¡mplementar el sistema
utilizando tantos biestables como
variables de estado y cableando o
programando las relaciones lógicas
obtenidas en las fases e y f.
La figura 2.16 muestra las lases del
diseño en forma de diagrama de flujo.
Es importante resaltar que el G R A F
C ET no sólo es útil como herramienta
de diseño, sino también en las fases de
especificación y posteriormente en la
fase de explotación y mantenimiento.
Obsérvese que el método está ba
sado en una pregunta clave, que per
mite identificar la parte secuencial de
un proceso; la pregunta es: ¿cuántos
estados debe metnorizar el sistema,
para poder fijar su comportamiento
posterior, partiendo de cualquier esta
do inicial? La respuesta a esta pregunta
nos permitirá identificar las etapas y, en
consecuencia, las variables de estado.
El número de estados distintos en un
Figura 2.15. Estructura del sistema automatizado.
PARTE DE CONTRO! PARTE OPERATIVA
19
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AUTÓMATAS
PROORAMABLKS
proceso no puede ser infinito, sino que
se repiten de forma más o menos cí
clica una serie de estados equivalentes
y, por tanto, el número de etapas es
finito; de lo contrario, nos encontraría
mos ante un sistema de comporta
miento aleatorio.
Aparece aquí el concepto de-estados
equivalentes, que se definen de la si
guiente forma; Dos estados son equi
valentes si la evolución posterior del
sistema a partir de ellos y para cual
quier combinación de entradas es la
misma. En el G R A F C E T los estados
equivalentes se asocian a una única eta
pa y en el modelo algebraico quedarán
representados por una misma variable
de estado.
Al contrario de lo que ocurre con
otros métodos, como el de Huffmann,
el método basado en G R A F C E T no
pretende minimizar el número de va
riables de estado, por lo que puede no
resultar óptima desde el punto de vista
de minimizar el hardware. Sin embar
go, el coste y volumen de un sistema
dependen cada vez menos del número
de variables empleadas, sobre todo si
se emplean autómatas programables y,
en cambio, adquieren cada vez más im
portancia otros aspectos como el pro
pio coste de diseño, tiempo de desa
rrollo de software, fiabilidad y facilidad
de test y mantenimiento, aspectos que
permite optimizar el método propues
to.
El G R A F C E T es, como se ha dicho,
un modelo de representación gráfica
del funcionamiento de un sistema au
tomático. Dicho modelo está definido
basándose en los siguientes elementos
y reglas de evolución que se relacionan
a continuación:
A ) E L E M E N T O S G R Á F IC O S D E
BASE.
Estos elementos constituyen los
símbolos a partir de los cuales se
dibuja el gráfico funcional. Los
símbolos básicos son los siguientes
(figura 2.17):
A l) Las etapas, que representan
cada uno de los estados del
sistema. Cada etapa debe co
rresponder a una situación tal
que las salidas dependan úni
camente de las entradas o, di
cho de otro modo, la relación
de entradas y salidas dentro de
una etapa es puramente com-
binacional. El símbolo em
pleado para representar una
etapa es un cuadrado con un
número o símbolo en su in
terior que la identifica y even
tualmente una etiqueta.
Se denominan etapas inicia
les aquellas en que se posicio-
na el sistema al iniciarse el
proceso por primera vez. Las
etapas iniciales se representan
por un cuadrado con doble lí
nea.
A2) Las lineas de evolución, que
unen entre sí las etapas que
representan actividades con
secutivas. Las lineas se enten
derán siempre orientadas de
arriba hacia abajo, a menos
que se represente una flecha
en sentido contrario.
A3) Las transiciones, que represen
tan las condiciones lógicas ne
cesarias para que finalice la ac
tividad de una etapa y se inicie
la de la etapa o etapas inme
diatamente consecutivas. Estas
condiciones lógicas se obten
drán por combinación de va
riables denominadas receptiv-
dades. Gráficamente se repre-
20
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►V*’'•••■, ■ ■í . • J
DISKÑO D I AUTOMATISMO!
LÓGICOS
sentan las transiciones por una
linea cruzada sobre las lincas
de evolución (figura 2.17).
A4) Los reenvíos son símbolos en
forma de flecha que indican la
procedencia o destino de las
lincas de evolución. Las fle
chas de reenvió permiten frac
cionar un gráfico o evitan di
bujar líneas de evolución con
excesivos cruces.
A5) Dos lineas de evolución que se
crucen debe interpretarse, en
principio, que no están unidas.
Las reglas para cruces y bifur
caciones se explican en detalle
en el apartado de estructuras
del G R A FC ET .
A6) Cuando se recorre el gráfico
de evolución, por cualquier ca
mino posible, deben alternarse
siempre una etapa y una tran
sición.
La regla básica de sintaxis
del G R A F C E T es que entre
dos etapas debe existir una y
sólo una condición de transi
ción, bien entendido que ésta
puede venir expresada por una
función lógica combinacional
todo lo compleja que sea ne
cesario, siempre que dé como
resultado un bit <1=condición
verdadera, O=condición falsa).
Téngase en cuenta que el gráfico
funcional representa en forma es
tática un conjunto de situaciones
posibles. Es posible, sin embargo,
representar la situación dinámica en
un instante dado, indicando qué
etapa o etapas están activas y cuáles
están inactivas. El simbolismo uti
lizado para ello consiste en marcar
con un punto las etapas activas (fi
gura 2.18).
Cabe señalar, finalmente, que
los números de las etapas nada in
dican respecto a su orden de eje
cución. sino que simplemente tie
nen carácter de identificación.
Como consecuencia, pueden nu
merarse las etapas de la forma que
se desee, sin que ello tenga ningún
significado desde el punto de vista
funcional.
B ) M E N S A JE S D E IN T E R P R E T A
CIÓN.
Estos mensajes pueden ser tex
tos, símbolos o ecuaciones lógicas
asociados a las etapas o transicio
nes para indicar la actividad desa
rrollada o las relaciones entre va-
Figura 2.18. Estado instantáneo de un
proceso, indicado por las etapas activas e
inactivas.
riables del sistema que deben cum
plirse. Pueden distinguirse dos ti
pos de mensajes:
B l) Mensajes de acción asociados
a cada etapa. Indican cuál es la
actividad a desarrollar en dicha
etapa cuando esté activa (ver
reglas de evolución), bien sea
en forma de texto o en forma
de ecuaciones lógicas que in
diquen la relación salidas-en
tradas (figura 2.17).
B2) Mensajes de receptividad aso
ciados a cada transición. Estos
mensajes indican las condicio
nes lógicas necesarias y sufi
cientes para pasar de cada eta
pa a la consecutiva o conse
cutivas (figura 2.17).
C) R EG LA S D E EVO LUCIÓN.
Estas reglas permiten definir e in
terpretar de forma univoca el com
portamiento dinámico del sistema.
Las hay que hacen referencia a las
etapas y otras a las transiciones, por
lo que algunas resultan redundan
tes entre sí. A continuación damos
una lista de las esenciales:
C 1) Cada etapa tiene asociada una
variable de estado Xi de tipo
bit.
C2) Se distinguen dos posibles es
tados de una etapa: activa o
inactiva. Diremos que una eta
pa está activa cuando su varia-
21
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sentan las transiciones por una
linea cruzada sobre las líneas
de evolución (figura 2.17).
A4) Los reenvíos son símbolos en
forma de flecha que indican la
procedencia o destino de las
líneas de evolución. Las fle
chas de reenvío permiten frac
cionar un gráfico o evitan di
bujar lineas de evolución con
excesivos cruces.
A5) Dos líneas de evolución que se
crucen debe interpretarse, en
principio, que no están unidas.
Las reglas para cruces y bifur
caciones se explican en detalle
en el apartado de estructuras
del G R A FC ET .
A6) Cuando se recorre el gráfico
de evolución, por cualquier ca
mino posible, deben alternarse
siempre una etapa y una tran
sición.
La regla básica de sintaxis
del G R A F C E T es que entre
dos etapas debe existir una y
sólo una condición de transi
ción, bien entendido que ésta
puede venir expresada por una
función lógica combinacional
todo lo compleja que sea ne
cesario, siempre que dé como
;ura 2.17. Elementos gráficos Jel GRAFCET.
resultado un hit (l=condición
verdadera, O=condición falsa).
Téngase en cuenta que el gráfico
funcional representa en forma es
tática un conjunto de situaciones
posibles. Es posible, sin embargo,
representar la situación dinámica en
un instante dado, indicando qué
etapa o etapas están activas y cuáles
están inactivas. El simbolismo uti
lizado para ello consiste en marcar
con un punto las etapas activas (fi
gura 2.18).
Cabe señalar, finalmente, que
los números de las etapas nada in
dican respecto a su orden de eje
cución, sino que simplemente tie
nen carácter de identificación.
Como consecuencia, pueden nu
merarse las etapas de la forma que
se desee, sin que ello tenga ningún
significado desde el punto de vista
funcional.
B) M E N S A JE S D E IN T E R P R E T A
CIÓN.
Estos mensajes pueden ser tex
tos, símbolos o ecuaciones lógicas
asociados a las etapas o transicio
nes para indicar la actividad desa
rrollada o las relaciones entre va-
ET A PA
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Acciones
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activas
Figura 2.18. Estado instantáneo de un
proceso, indicado por las etapas activas e
inactivas.
riables del sistema que deben cum
plirse. Pueden distinguirse dos ti
pos de mensajes:
B l) Mensajes de acción asociados
a cada etapa. Indican cuál es la
actividad a desarrollar en dicha
etapa cuando esté activa (ver
reglas de evolución), bien sea
en forma de texto o en forma
de ecuaciones lógicas que in
diquen la relación salidas-en
tradas (figura 2.17).
B2) Mensajes de receptividad aso
ciados a cada transición. Estos
mensajes indican las condicio
nes lógicas necesarias y sufi
cientes para pasar de cada eta
pa a la consecutiva o conse
cutivas (figura 2.17).
C) REG LA S D E EVOLUCIÓN.
Estas reglas permiten definir e in
terpretar de forma unívoca el com
portamiento dinámico del sistema.
Las hay que hacen referencia a las
etapas y otras a las transiciones, por
lo que algunas resultan redundan
tes entre sí. A continuación damos
una lista de las esenciales:
C l) Cada etapa tiene asociada una
variable de estado X i de tipo
bit.
C2) Se distinguen dos posibles es
tados de una etapa: activa o
inactiva. Diremos que una eta
pa está activa cuando su varia-
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AUTÓMATA!
PftOOftAMABLKI
ble de estado vale 1 e inactiva
cuando vale 0.
C3) Denominaremos arranque en
frío a la inicialización de un
proceso automático sin guar
dar memoria de ninguna si
tuación anterior. La orden de
arranque en frío puede pro
ceder de un operador humano
o de un sistema automático je
rárquicamente superior (figura
2.19).
Después de un arranque en
frío se activan todas las etapas
iniciales y quedan inactivas to
das las demás.
C4) Denominaremos arranque en
caliente a la reinicialización de
un automatismo cuando éste
guarde memoria de alguna si
tuación anterior. Esta situación
suele corresponder a un rea
rranque sin pérdida del con
texto anterior, es decir, man
teniendo memorizadas las
variables de estado del pro
ceso.
En un arranque en caliente
pueden activarse las etapas ini
ciales o mantener el contexto
o estado anterior al arranque
en caliente. Esta decisión suele
tomarla una parte específica
del automatismo destinado a
ejecutar lo que se denomina
una tarea previa.
C5) Durante la evolución normal
del proceso, una etapa no ini
cial se activará cuando esté ac
tivada la etapa anterior y se
cumplan las condiciones de
transición entre ambas.
C6) Cualquier etapa se desactiva
cuando se cumplan las condi
ciones de transición a la si
guiente o siguientes y dicha
transición se haya efectuado.
En el gráfico de la figura 2.18,
por ejemplo, si se cumple la
c o n d ició n de tra n sició n
T I 1/12, se activaría la etapa 12
y se desactivaría la etapa 11.
C7) Una transición puede encon
trarse en una de las cuatro si
tuaciones siguientes (figura
2.20):
Na validada: La etapa o eta
pas inmediatamente anteriores
o siguientes no están activas.
íiOPERADOR
TU?
10
Marcha
3 Tarea
N°10
21
22
Automansmo Maestro Automatismo Esclavo
Figura 2.19. Ejemplos de inicialización por operador humano o por automatismo maestro.
Validada: La etapa o etapas
inmediatamente anteriores es
tán activas, pero no se cumple
la condición lógica de transi
ción.
Franqueable: La etapa o eta
pas inmediatamente anteriores
están activas y se cumple la
condición lógica de transición.
Esta es únicamente una situa
ción transitoria, pues dicha
transición será automática
mente franqueada, según C9.
Franqueada: Se ha activado
la etapa o etapas inmediata
mente siguientes y se han des
activado la etapa o etapas in
mediatamente anteriores.
Finura 2.20. Estados posibles de una transición.
C8) Sólo se podrá franquear una
transición si ésta está previa
mente validada.
C9) Toda transición franqueable
será inmediatamente fran
queada.
CIO) Si hay varias transiciones fran
queables simultáneamente,
serán franqueadas simultá
neamente.
C11) El franqueo de una transición
implica automáticamente la
desactivación de todas las eta
pas inmediatamente anterio
res.
C12) Si en el curso de funciona
miento de un automatismo
una etapa debe ser simullá-
2 2 2 2
• •
T2/3=0 o i TZ/3 =0 T2I3: 1 T2/3=Gul
o) Transición
no validada
b) Transición
validada
el Transición
franqueable
d) Transición
franqueada
22
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>D ISIÑ O D I AUTOMATISMOS
LÓGICOS
neamente activada y desacti
vada, dicha etapa permane
cerá activada.
Esta regla es un convencio
nalismo para resolver casos
de indeterminación, pero es
muy difícil de llevar a la prác
tica ya que en automatismos
programables, por ejemplo, la
respuesta de un S E T y un
R E S E T simultáneos suele de
pender del orden de progra
mación, pero en automatis
mos cableados puede depen
der de una «carrera crítica» en
la que juegan los tiempos de
respuesta de los componen
tes. Es preferible, pues, evitar
que una etapa pueda ser ac
tivada y desactivada al mismo
tiempo.
Como consecuencia de esto
se verá más adelante que hay
que imponer ciertas reglas
«de coherencia» no explíci
tadas por el G R A F C E T .
(Como ejemplos véanse la re
gla A del apartado 2.11.1 y la
C del apartado 2.11.3)
É 13) El gráfico de evolución ex
presado en G R A F C E T debe
ser siempre cerrado, sin dejar
ningún camino abierto. En
efecto, tal circunstancia mos
traría una incoherencia o una
situación en la que el proceso
es incapaz de continuar. Na
turalmente pueden existir si
tuaciones en que la salida sea
inicializar el proceso median
te alguna señal externa.
P R IN C IP IO S C O M PLEM EN T A
RIOS.
Existen otra serie de reglas re
lativas a la forma de expresar el
diagrama funcional y a su forma de
interpretarlas que se irán introdu
ciendo a medida que estudiemos
las distintas estructuras posibles.
Sin embargo, recogemos aquí una
serie de principios que no pueden
considerarse propios del GRAF-
CRT sino genéricos para cualquier
automatismo secuencial:
D I) Denominaremos evento a cual
quier situación en la que se
produzca el cambio de al me-
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■■
AUTÓMATAS
PROORAMAftLKS
llar un ejemplo. Se traía del diseño de
un automatismo para control del ma
nipulador de la figura 2.21. Es intere
sante resaltar que en una primera fase
no estarían decididos todavía cuáles son
los accionamientos ni los sensores que
se han representado en el dibujo.
/." FASE: GRAFCET FUNCIONAl.
En esta fase se seguirán los pasos in
dicados en el apartado 2.7. La figura
2.22 muestra el diagrama G R A F C E T
tal y como lo concibe el ingeniero de
producción, es decir, como una simple
sucesión de acciones a desarrollar, sin
definir la forma ni los medios emplea
dos para ejecutarlas. En dicho diagrama
no se han detallado deliberadamente
los procedimientos de arranque y paro,
puesto que dichos procedimientos re
quieren estructuras de G R A F C E T más
complejas que las que hemos visto has
ta el momento. El proceso se presenta,
pues, como una sucesión de etapas in
dicando al lado de cada una las accio
nes a desarrollar y entre ellas las con
diciones de transición.
Figura 2.22. GRAFCET descriptivo del proceso
secuencial.
2 " FASE G RAFCET CON SEN SO RES
Y ACCIONAM IENTOS
A partir del diagrama descriptivo de
la figura 2.21, el técnico en automatis
mos puede decidir cuáles son los ac
cionamientos destinados a ejecutar las
distintas operaciones (cilindros, moto
res, electroválvulas. etc.) y los sensores
(pulsadores, finales de carrera, capta
dores, etc.) destinados a suministrar las
receptividades, que nos permitirán for
mular las condiciones de transición. El
resultado seria el G R A F C E T de la fi
gura 2.23.
Obsérvese que estructuralmente los
diagramas de las figuras 2.22 y 2.23 son
idénticos, pero en el último se entra ya
en el detalle de cuál es la tecnología
empleada para implementar el auto
matismo. Hay que indicar también que
aunque en el ejemplo se trata de un
proceso gobernado por señales digita
les, puede aplicarse el método a pro
cesos con señales de tipo analógico o
cálculos aritméticos, siempre que las
condiciones de transición sean de tipo
lógico (pueden ser, por ejemplo, com
paraciones de variables analógicas con
valores limites, resultados de operacio
nes aritméticas o cálculos más o menos
complejos).
3.“ FASE: D ISEÑO D EL SISTEM A D E
CONTROL
Una vez obtenido el gráfico de con
trol, conteniendo todos los acciona
mientos y sensores, éste puede ser uti
lizado para el diseño del sistema de
control, con los componentes de una
determinada tecnología.
En nuestro ejemplo hemos explici-
tado el diseño mediante puertas lógicas
y biestables, resultando el esquema ló
gico de la figura 2.24. Hemos elegido
esta representación por considerar que
el logigrama obtenido es lo suficien
temente genérico para poder aplicarlo
a todo tipo de dispositivos, desde los
circuitos lógicos programables (PLD ,
PLA, LCA, EPLD . etc.), los autómatas
programables o incluso para poder im-
plementarlo a base de relés.
El proceso de diseño consta de dos
partes;
a) Diseño de la parte secuencial. que
comprende la estructura de etapas
Figura 2.2S. GRAFCET con accionamientos y
sensores.
y las condiciones de transición que
las unen.
b) Diseño de la parte combinacional.
que comprende todas las acciones
a ejecutar dentro de cada etapa.
A ) Diseño de la parte secuencial
El método consiste en asignar a cada
etapa un biestable de tipo R-S (BO a Bh
en nuestro ejemplo), cuyas condiciones
de «set» y «reset» se determinan a par
tir de las condiciones de transición in
dicadas en el gráfico.
— Condiciones de «set» del biestable
de la etapa X:
La activación del biestable de
una etapa X tiene lugar cuando la
etapa o etapas previas están acti
vadas y se cumplen las condicio
nes de transición entre dichas eta
pas y la etapa X.
— Condiciones de «reset» del biestable
tle la etapa X:
La desactivación del biestable
de una etapa tiene lugar cuando
la etapa o etapas posteriores que
dan activadas.
M ARCHA
24
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OlflÑO DI AUTOMATISMO!
LÓGICOS
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R 05
BB
S 06
R Qb
q ) Esquema de la parte
secuencia!
finura 2.24. Esquema lógico del automatismo.
Asi, en nuestro ejemplo, la etapa 1
puede resultar activada a partir de la
etapa 0 o de la etapa 6, con las co-
•respondienles condiciones de transi
ción. Esto queda expresado por la ecua
ción lógica:
SET QI = QO Si S 3 S 5 E Q 6 S I
La desactivación de la etapa 1, debe
producirse tan pronto como se active
la etapa 2; por tanto, la condición lógica
es:
R E S E T Q1 = Q2
Aplicando este procedimiento a cada
una de las etapas, se obtiene el esque-
Qi-
□o-
Qb-
o2-
Qo-
q „-
o-r
do-
Qs-
-1
-A +
-A-
-c+
>,
-c-
b) Esquem a de la par re
CDmbmacional
ma lógico de la parte sccuencial del
proceso (ver figura 2.24o, para el ejem
plo que estamos desarrollando).
B ) Diseño de lo parle atmhinacionnl
En esta fase se diseñan las acciones
a desarrollar en cada etapa del proceso
y se obtiene el esquema lógico, utili
zando las salidas de los biestables y
eventualmente otras condiciones adi
cionales. Los procedimientos emplea
dos para obtener las ecuaciones lógicas
serán en este caso los clásicos del ál
gebra de Boole para sistemas combi
nacionales.
En el ejemplo que nos ocupa, ten
dremos que las ecuaciones lógicas para
cada una de las salidas a controlar son:
Electroválvula A+: A E = Ql
Electroválvula A-: A - = QO+ Q6
Electroválvula B e :B+ = Q2
Electroválvula B-:B— = QO + Q4
Electroválvula C+: C e = Q3
Electroválvula C—: C—= QOE Q5
El esquema de puertas puede verse
en la figura 2.246.
En este caso, las acciones a desarro
llar dentro de cada etapa resultan sim
ples, pero en un caso general pueden
resultar todo lo complejas que sea ne
cesario mientras se trate de acciones
puramente combinacionales.
2.10. M ACROETAPAS Y
REPRESEN TA C IÓ N EN D ET A LLE
Cuando se aplican las técnicas del
G R A F C E T a la solución de procesos
complejos, se empieza por representar
un diagrama con las líneas principales
a ejecutar en el proceso, definiendo
grandes bloques de acciones denomi
nados macroetapas y sin desarrollar los
detalles del proceso.
El símbolo para representar una ma-
croetapa es un cuadrado dividido en
tres partes En una de las partes puede
colocarse un número, en otra la iden
tificación de la macro y en la tercera
una etiqueta (figura 2.25).
Las macroetapas representan, pues,
«tareas» y equivalen a lo que en ciertos
lenguajes se define como «macros».
Desde un punto de vista formal, una
macroetapa no es más que un conjunto
de etapas agrupadas que se definen,
posteriormente, en lo que se conoce
como representación en detalle o ex
pansión de ¡a macroetapa (figura 2.26).
El objetivo esencial de la macroetapa
Figura 2.25. Símbolos de macroetapa.
M 20
TE X70
M20
(P re te rid o )
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AUTÓMATAS
M tO O RAM ASLIS
Macro 1 M 20
T A R E A
- TE20
5 20
Expansión de la
ta re a de M2Q
Figura 2.26. Expansión de una macroetapa.
es el de permitir una aproximación pro
gresiva y estructurada tanto en la Tase
de diseño como en la de explotación
y mantenimiento de un automatismo.
Se puede partir de una definición muy
genérica del proceso y posteriormente
desarrollar cada macroetapa en las ac
ciones simples correspondientes.
Las reglas básicas a tener en cuenta
cuando se introducen macroetapas en
un gráfico funcional son las siguientes:
A) La expansión de una macro debe
tener una única etapa inicial y una
única etapa final.
Hay que hacer notar que esta re
gla no implica necesariamente que
la expansión de una macro tenga
estructura lineal (ver apartado si
guiente), sino que puede contener
en su interior estructuras de cual
quier complejidad.
B) El franqueo de la transición inme
diatamente anterior a la macro activa
la etapa E de entrada de la misma.
C) La activación de la etapa de salida
de la macro «valida» la transición
inmediatamente posterior a la mis
ma. (Véase el concepto de transi
ción validada en el apartado 2.8.)
D) Por motivos de claridad o de es
tructuración pueden utilizarse ma
croetapas anidadas. En otras pala
bras, la expansión de una macro
etapa puede, a su vez, utilizar otras
macroetapas, fraccionando asi el
problema global en «tareas» que se
procura que correspondan a partes
del proceso tecnológicamente com
pletas (taladrado, roscado, trata
miento térmico, traslado de piezas,
cambios de herramienta, etc.).
iO BSER VACION IM I’OR TANTE!
La definición de A F C E T excluye ex
plícitamente que una misma expansión
pueda ser llamada desde dos macroeta
pas distintas del gráfico funcional, tal
como se representa, por ejemplo, en la
figura 2.27. Es decir, excluye la utili
zación del concepto de macroetapa
como sinónimo de «subrutina».
Esta restricción se Introduce para
evitar conflictos de acceso en caso de
que la misma expansión fuese llamada
por dos macroetapas activas simultá
neamente. Sin embargo, si se evita ex
plícitamente esta posibilidad puede eli
minarse esta restricción y ul¡fizar la
misma expansión para desarrollar va
rias macroetapas distintas.
Sobre todo en automatismos progra
mabas, la utilidad de las macroetapas
se incrementa notablemente si no se
impone la restricción indicada ante
riormente. En tal caso, las macroetapas
Figura 2.27. Utilización de macroetapas con
carácter de subrutina.
M100
RCSCAs
E 100
- T E 100
10»
T ,toi
M500
(XI50-Tt50)(..>
7S500
150 FIN
■r iso
pueden definirse como verdaderas
«subrutinas» o «procedimientos» que
pueden ser llamados desde diversos
puntos del programa, con la única con
dición de que no sean llamadas mien
tras se están ejecutando. Esto exige
ciertas precauciones en su inicialización
y utilización, tal como se ha indicado'
en la propia figura 2.27, pero a cambio
permite una programación más estruc
turada de las tareas de un proceso y op
timiza la longitud del programa.
Algunos autómatas disponen ya de
lenguajes de programación estructura
dos, capaces de interpretar macroetapas
con carácter de subrutina, incluso con
más de un nivel de anidamienlo.
2.11. ESTRUCTURAS BASICAS DEL
GRAFCET
En el ejemplo del apartado 2.9 he
mos tratado el caso de un proceso re
lativamente simple, con una estructura
de tipo lineal, ciclica y sin bifurcacio
nes. Pero existen otros procesos qu
requieren estructuras mas complejas
en las que se presentan bucles, toma-
de decisiones o tareas simultáneas qué
deben sincronizarse. Para estos casos e
G R A F C E T dispone de otras estructu
ras básicas a partir de las cuales pueder
generarse los diagramas de dichos pro
cesos.
Las tres estructuras básicas en
G R A F C ET , de las cuales pueden de
rivarse todas las demás, son:
— Secuencia lineal.
— Convergencia y divergencia er
«O» (subprocesos alternativos).
— Convergencia y divergencia er
«Y» (subprocesos simultáneos).
Al hablar de lógica combinación:
(véase anexo I) hemos dicho que cual
quier función lógica puede expresara
mediante combinación de las operad
nes «Y» , «O» y «NO». Pues bien, ha
ciendo un paralelismo podemos dee-i
que los sistemas secuenciaies, cu¿
quiera que sea su complejidad, puedH
expresarse siempre en G R A F C E T ni;
diante gráficos que sólo incluyan come
estructuras básicas las tres citadas an
(eriormente.
En la práctica, como se ha visto e«
el apartado anterior, se empieza r-
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D ISIÑ O 01 AUTOMATISMOS
LÓGICOS
describir los procesos mediante gráficos
funcionales muy genéricos, con poco
nivel de detalle, que casi siempre serán
Je tipo lineal, pero al ir avanzando en
el nivel de detalle aparecen las bifur
caciones (convergencias y divergencias
en O y en Y).
A continuación se estudiarán las for
mas puras de cada una de las eslruc-
uras mencionadas, bien entendido que
en un proceso real aparecerán entre
mezcladas de tal forma que en el ¡n-
erior de estructuras en «O» aparecerán
ramos lineales u otras en «Y» o vi
ceversa. Sin embargo, casi siempre se
-tuede recuperar la estructura en «Y»
' en «O» pura, haciendo uso del con-
.epto de macroetapa expuesto ante-
rmente.
2-11.1. Secuencia lineal
La secuencia lineal es la estructura
- ls simple posible y consiste en una
•ucesión de etapas unidas consecuti-
¡mente por las líneas de evolución y
adiciones de transición, tal como se
Tjdo observar en el ejemplo de la fi
gura 2.22.
Las propiedades que cumple dicha
estructura son las siguientes:
’ Dentro de un tramo de secuencia
lineal, solamente una etapa debe
estar activa en un instante deter
minado.
En realidad las reglas del G R A F
C ET no impiden formalmente la
posibilidad de que en una secuen
cia lineal pueda existir más de una
etapa activa, pero si esto sucede
suele denotar una incoherencia de
diseño. En efecto, la implicación
práctica de que se activen dos eta
pas simultáneamente es que deben
ejecutarse dos grupos de acciones
simultáneamente y esto tiene una
forma más apropiada de represen
tación mediante bifurcaciones en
«Y», como podrá verse a continua
ción.
Por otra parte, si en una estruc
tura lineal progresan varias etapas
activas a la vez pueden «darse caza»
y esto podría provocar condiciones
contradictorias de que una etapa
deba activarse y desactivarse a la
vez.
B) Se activa una etapa cuando se en
cuentre activada la anterior y se
cumplan las condiciones de transi
ción entre ambas.
C) La activación de una etapa implica
automáticamente la desactivación
de la etapa anterior,
D) Una secuencia lineal puede formar
parte de una estructura más com
pleja.
La estructura lineal aparece casi
siempre a nivel de descripción general
con macroetapas y también como parte
de las estructuras más complejas.
Figura 2.28. Divergencia y convergencia en «O».
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2.11.2. Divergencia y convergencia
en «O»
La divergencia y convergencia en
«O», a las que llamaremos conjunta
mente bifurcación en «O», forman una
estructura en la que existen los siguien
tes elementos (figura 2.28):
1) Una divergencia en «O», en la que
se inician varios caminos o subpro-
cesos alternativos posibles.
2) Una serie de caminos alternativos
con una macroestruclura lineal.
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'0 20 30
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— — — — — — Convergencia en ‘0“
C34 /
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AUTÓMATAS
PROGRAM AS LIS
aunque pueden contener otras es
tructuras más complejas.
3) Una o más confluencias en «O» de
dichos caminos alternativos, de tal
forma que la macroestruclura debe
ser globalmente cerrada.
Esta estructura se prevé para repre
sentar procesos alternativos que deban
ejecutarse dependiendo de ciertas con
diciones lógicas. Por ejemplo, en una
barrera de peaje si el importe intro
ducido es exacto entregar ticket y abrir
barrera, si no es exacto devolver cam
bio. Haciendo un símil con estructuras
de tipo informático, la bifurcación en
«O» corresponde a una estructura del
tipo «IF... THEN... ELSE».
El camino o subproceso que se se
guirá en cada caso dependerá de cuáles
sean las condiciones de transición que
se cumplan a partir de la etapa previa
a la bifurcación.
No es imprescindible que los sub-
procesos que parten de una misma di
vergencia deban confluir en una misma
convergencia. Lo que si ocurrirá en
todo proceso es que toda divergencia
implica la existencia de una conver
gencia en algún lugar del ciclo, ya que,
como se ha dicho, el gráfico de liuencia
visto globalmente ha de ser cerrado.
Las propiedades básicas que cumple
la estructura de bifurcación en «O» son
las siguientes:
A) A partir del punto de divergencia
el proceso podrá evolucionar por
distintos caminos alternativos, cada
uno de los cuales debe tener su
propia condición de transición.
B) Las condiciones de transición de los
diversos caminos de divergencia
han de ser excluyentes entre si (in
tersección nula), de forma que el
proceso sólo podrá progresar en
cada caso por uno de ellos.
En realidad, las reglas del G R A F
C E T no imponen esta restricción,
pero si no se cumple se produce una
incoherencia. En efecto, si las con
diciones no son exclusivas entre sí,
indicaría la posibilidad de procesos
que pueden iniciarse simultánea
mente en caso de cumplirse dos o
más condiciones de transición si
multáneamente. Si esta situación es
deseada, debe resolverse utilizando
la estructura de bifurcación en «Y»,
que se estudia más adelante. Pero
si la situación es accidental, esto
pondría de manifiesto una falta de
especificación ante tal caso, que de
berá ser resuelta o bien imponiendo
condiciones adicionales para evitar
la simultaneidad o especificando
claramente cuándo el proceso ha de
ser exclusivo y cuándo simultáneo.
Además, en automatismos reales
donde no puede garantizarse la si
multaneidad de eventos, debido a
los tiempos de respuesta, el no
cumplimiento de la mencionada
restricción puede ocasionar res
puestas aleatorias, debido a lo que
se conoce como '<carreras criticas».
Por tanto, es aconsejable imponerse
tal restricción en las bifurcaciones
en «O».
C) A nivel de gráfico global, los dis
tintos caminos iniciados como di
vergencia en «O» deben conlluir en
uno o más puntos de convergencia
en «O». Dicho de otra forma, la es
tructura debe ser globalmente ce
rrada y no pueden existir caminos
abiertos, ya que esto denotaría si
tuaciones sin posible salida.
Se excluye también que los ca
minos de una divergencia en «O»
puedan concurrir en una conver
gencia en «Y» (ver apartado si
guiente), puesto que esto provoca
ría un bloqueo del sistema en el
punto de convergencia ante la ¡m-
Finura 2.29. Esquema iónico de la parle secuencial en una estructura de divergencia y convergencia
en aOo.
08
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B9
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050
R 050
28
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d i u ñ o dk a u t o m a t is m o s
LÓGICOS
posibilidad de finalizar simultánea
mente todos los caminos, habiendo
iniciado sólo uno.
l..n la obtención del esquema lógico
.i. la parte secuencial. las únicas etapas
qt e merecen comentario son las que
se encuentran inmediatamente antes o
Jespués de la divergencia y convergen-
.ut. pues las demás son simplemente
arte de una estructura lineal, que ya
emos estudiado. Así pues, en la figura
2 2d se han representado los esquemas
^ la parte de control secuencial co-
;spondientes al gráfico de la figura
2 28. incluyendo sólo dichas etapas.
Como detalles más significativos de
figura 2.29, puede observarse que:
- L.a desactivación de la etapa previa
a una divergencia se produce al
activarse una cualquiera de las
etapas siguientes, según una ecua
ción lógica en «O»:
R ESET B9 = Q10 + Q20 + Q30
(«O» de todas las ramificaciones
divergentes)
— La activación de la etapa siguiente
a una divergencia depende de la
etapa previa y de la condición par
ticular del camino activado, como
si se tratara de una secuencia lineal:
SET B10 = Q9 •(C9-I)
La activación de la etapa siguiente
a una convergencia depende de
las etapas previas según una ecua
ción lógica en «O»:
SET B40 = Q19 •C19 + Q25 C25
O» de todas las ramificaciones
concurrentes)
* 1 1J . Divergencia y convergencia en «Y»
La divergencia y convergencia en
i . a las que llamaremos conjunta
mente bifurcación en «Y», forman una
-- rjetura en la que existen los siguien-
-. elementos (figura 2.30):
Una divergencia en «Y» en la que
se inician varios caminos o subpro-
>:esos que deben iniciarse simultá
neamente cuando se cumpla una
determinada condición de transi
ción común (C9 en el gráfico de la
figura 2.30).
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34
Figura 2.30. Divergencia y convergencia en «Y».
2) Una serie de caminos simultáneos
con una macrocstructura lineal,
aunque pueden contener otras es
tructuras más complejas.
3) Una o más confluencias en «Y» de
dichos caminos, de manera que la
macrocstructura debe ser global
mente cerrada.
Esta estructura se prevé para repre
sentar procesos que se inician simul
táneamente, se ejecutan de forma in
dependiente con distintos tiempos y
condicionan la continuación del pro
ceso en tanto no hayan terminado to
dos ellos. Como ejemplo tenemos el
caso de una estación de mecanizado,
con un plato giratorio de tres posicio
nes, una para alimentación y evacua
ción de piezas, otra para taladrado y la
tercera para roscado. Las tres operacio
nes se inician simultáneamente y no
puede proseguir el proceso en tanto no
hayan terminado las tres operaciones o
tareas. La continuación consiste en dar
1/3 de vuelta al plato e iniciar otro ciclo
si se desea (figura 2.31).
Al igual que se dijo para las bifur
caciones en «O», no es imprescindible
que los subprocesos simultáneos que
parlen de una misma divergencia de
ban confluir en una misma convergen-
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AUTÓMATA!
PROOltAMABLES
Figura 2.J1. Ejemplo de proceso que requiere bifurcaciones en uV» (Cortesía de Telemecanique).
cia. Lo que sí es imprescindible es que
el gráfico, visto globalmente, sea cerra
do.
Las propiedades que cumplen las
convergencias y divergencias en «Y»
son las siguientes:
A) A partir del punto de divergencia
el proceso evolucionará por varios
caminos a la vez, ejecutando varias
tareas simultáneamente.
B) La condición de transición para ini
ciar las tareas simultáneas es única
y común para todas ellas.
C) A nivel de gráfico global, los dis
tintos caminos iniciados como di
vergencia en «Y» deben confluir en
uno o más puntos de convergencia
en «Y». Dicho de otra forma, la es
tructura debe ser globalmente ce
rrada y no pueden existir caminos
abiertos, ya que esto denotaría si
tuaciones sin posible salida.
Se excluye también que los ca
minos de una divergencia en «Y»
puedan concurrir en una conver
gencia en «O». En realidad las re
glas del G R A F C E T no prohíben
explícitamente esta situación, pero
en caso de cerrar una divergencia
en «Y» con una convergencia en
«O» se podrían activar varias etapas
consecutivas de una estructura li
neal que estuviera a continuación
y esto está en desacuerdo con la
regla A del apartado 2.11.1.
D) La convergencia en «Y» impone de
por sí una condición de transición:
todas las tareas que confluyan en
ella deben haber terminado para
que el proceso pueda continuar. Por
tanto, a la hora de comprobar la
regla A6 del apartado 2.8. puede
considerarse a todos los efectos que
una convergencia «Y» equivale a
una transición. Esto no impide que
puedan existir condiciones adicio
nales, aparte de la propia de con
vergencia, tal como se ha supuesto
en la figura 2.30 con las condicio
nes C A y CB.
En caso de que no existieran di
chas condiciones adicionales puede
escribirse también CA=1 o CB=1,
para indicar esta circunstancia. Es
frecuente utilizar este criterio, ha
ciendo que las últimas etapas pre
vias a la convergencia «Y» sean
simplemente etapas de espera, don
de no se desarrolla ninguna tarea
específica más que esperar que ter
minen las otras tareas que conflu
yen en ella.
En la figura 2.32 se ha representado
el esquema lógico de la parte secuen-
cial correspondiente al G R A F C E T de
la figura 2.30. Las únicas etapas que se
han considerado son las que se en
cuentran inmediatamente antes o des
pués de la divergencia y convergencia,
pues las demás son simplemente parte
de una estructura lineal, que ya hemos
estudiado.
Como detalles más significativos de
la figura 2.32, puede observarse que:
— La etapa previa a una divergencia
«Y» no debe desactivarse hasta
que se hayan activado todas las
etapas siguientes, según una ecua
ción lógica en «Y»:
R E S E T B9 = Q10 Q20 Q30
(«Y» de todas las ramificaciones
divergentes)
— La activación de cualquier etapa
inmediatamente después de una
divergencia depende de que este
activa la etapa inmediatamente
anterior y de la condición de tran
sición común.
SET B10 = Q9 C9;
SET B20 = Q9 •C9;
SET B30 = Q9 •C9
— La activación de la etapa siguiente
a una convergencia «Y» depende
de que estén activas todas las eta
pas previas y eventualmente de al
guna condición adicional (C A o
C B en nuestro ejemplo).
SET B40 = Q19 Q25 -CA
(«Y» de todas las ramificacione?
concurrentes)
SF.T B50 = Q47 Q34 ■CB
2.12. DIAGRAM AS D E F L U JO Y
D IAGRAM AS GRAFCET
Para el lector habituado a trabaja-
con los clásicos gráficos de flujo em
pleados en informática, puede ser in
teresante establecer una comparación
entre éstos y el G R A F C ET . haciende
resaltar algunas diferencias esenciak-
que existen entre ambos.
30
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O ISIÑ O DK AUTOMATISMOS
LÓGICOS
Qfl -
C8-
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0 2 0
030-
& S Q9
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09 -
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011
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071
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C 9 -
031
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R 030
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Q/«0
& S 025
R Q 2 l
Q19-
075-
CA-
Q¿1
& S CU.0
R QiÓ
Figura 2.32. Esquema lógico de la parle secuencial en una estructura de divergencia y convergencia
*n «Y» (corresponde a la figura 2.30).
) Un gráfico de flujo representa una
sucesión de tareas que se ejecutan
secuencialmente a la velocidad del
procesador, m ientras que un
G R A F C E T es una sucesión de ta
reas, eventualmente controladas por
un procesador, pero que se ejecu
tan a la velocidad impuesta por el
proceso. En general, pues, durante
el tiempo de actividad de una etapa
G R A F C E T el procesador ejecuta
muchos barridos del gráfico funcio
nal completo.
B) Un gráfico de flujo representa, en
general, procesos monotarea, mien
tras que en G R A F C E T es perfec
tamente lícito representar tareas si
multáneas (divergencia y conver
gencia en Y). Dicho de otra forma,
no existe una estructura en diagra
mas de flujo para representar tareas
simultáneas.
Para clarificar mejor este concep
to, cabe decir incluso que un mis
mo procesador puede ejecutar a la
vez varios gráficos funcionales, que
pueden estar relacionados entre si
o ser completamente disjuntos.
C) Como consecuencia de lo anterior,
un bucle en un diagrama de flujo
implica que sólo se está ejecutando
la parte de programa interior al bu
cle, hasta que se cumpla la condi
ción que permita salir de él, mien
tras que en G R A F C E T se explora
la totalidad del programa, con in
dependencia de que se cumplan o
no las condiciones de transición.
D) Un G R A F C E T debe separar las ac
ciones combinacionales de las se
cuenciales, mientras que en un grá
fico de flujo no existe tal distinción,
E) Un diagrama de flujo no contiene
información suficiente para deducir
de él el programa de forma univoca,
mientras que el G R A F C E T permite
una «compilación» directa a pro
grama máquina.
A pesar de estas diferencias, que no
deben pasarse por alto, resulta intere
sante desarrollar en G R A F C E T algu
nas de las estructuras habituales en
programación estructurada. Tal como
se ha dicho, el G R A F C E T permite re
presentar cualquier estructura lógica se
cuencial a partir de las tres estructuras
básicas estudiadas anteriormente, tal
como se puede ver en los ejemplos si
guientes:
Pueden obtenerse diversas estructu
ras de saltos y bucles basándose casi
siempre en la estructura simple de di
vergencia y convergencia en «O». Asi,
por ejemplo, pueden obtenerse saltos
condicionales, ya sea hacia etapas pos
teriores o hacia etapas anteriores, según
se muestra en la figura 2.33.
Figura 2.33. Saltos y hueles: a) Salto adelante,
b) Salto atrás.
10 10
CIO- c,°
en -■
Ci 2H
20
C 2 0 -
C IO ”
C11--
12
C12 -J-
20
C20
íí
C 20
o I Sallo adelante b| Salto atrás
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Figura 2..14. Huele can comprobación final:
«REPF.AT UNffl. X».
De forma similar podrían obtenerse
bucles con estructuras típicas como
« W H IL E DO», «RF.PEAT U N TIL»,
«FO R N EXT», etc., según se muestra
en las figuras 2.34 a 2.36.
La propia estructura «1F...THEN...
ELSE. .ELSE...» o las de tipo «C A SE»
son directamente equivalentes a una
bifurcación en «O», con una rama para
el «IF» y una para cada «ELSE».
A las anteriores hay que añadir el
concepto de subrulina o procedimien
to, que en G R A F C E T se obtiene con
el concepto extendido de macroetapa
tal y como lo hemos definido en el
apartado 2.10. Recuérdese que la nor
ma del G R A F C E T no admite utilizar
el concepto de macroetapa como si
nónimo de subrulina, pero en cambio
no impide que existan varias etapas ini
ciales ni que dos gráficos funcionales
Figura 2.35. Bucle con comprobación inicial:
«WHILE... DO».
Figura 2.36. Equivalente en GRAFCET a un
bucle «FOR NEXT».
puedan tener condiciones de transición
cruzadas (figuras 2.19 y 2.27).
2.13. ETAPAS IN IC IA LES,
PR EPO SIC IO N A M IEN T O Y
ALARM AS
Uno de los problemas que debe re
solverse al plantear un problema de
automatización de un proceso es el de
inicializar dicho proceso en el momen
to de arranque inicial (arranque en frió)
y el de establecer cómo debe rearrancar
en condiciones anómalas como pueda
ser la pérdida de tensión del sistema de
control con salvaguarda de datos
(arranque en caliente). Este problema
recibe el nombre genérico de «trata
miento preliminar».
Para establecer el comportamiento
del sistema de control en estos casos
singulares se incorporan ciertas varia
bles internas capaces de detectar el es
tado de servicio del propio sistema, co
nocidas habitualmenle como variables
de sistema.
La estructura com pleta de un
G R A F C E T quedará, pues, formada por
tres grandes bloques: tratamiento pre
liminar, tratamiento secuencial y tra
tamiento combinacional o posterior,
según se muestra la figura 2.37.
El tratamiento preliminar se ejecuta
sólo en el primer ciclo después de un
arranque, distinguiendo entre arranque
en frió o arranque en caliente y permite
rciniciar el proceso a partir de sus eta
pas iniciales (caso más frecuente en el
arranque en frío) o posicionarlo en
otras etapas intermedias para proseguir
un proceso interrumpido en condicio
nes anómalas (caso de arranque en ca
liente, con memoria de datos que per
mita continuar el proceso). En el úl
timo caso las variables de sistema
cventualmcnle los datos memori/ados
suelen emplearse para decidir el pre-
posicionamiento del sistema.
El tratamiento secuencial se ejecuta,
en general, cíclicamente en condiciones
normales de funcionamiento y resuelve
las distintas fases de evolución que
debe seguir el proceso.
El tratamiento combinacional queda
también incluido dentro del ciclo nor
mal de ejecución y contiene todas las
acciones a ejecutar en cada una de la-.
etapas del proceso.
Otro aspecto a contemplar es el de
posibles condiciones anómalas de fun
cionamiento, ante las cuales se desea
generalmente que el sistema de control
reaccione de distintas formas, depen
diendo de la gravedad de la anomalía.
Si se quisieran contemplar estas con-;
diciones en el G R A F C ET , cada etapa
debería tener al menos dos salidas (di
vergencia en O), una para evolución
normal y otra para responder a con
diciones de alarma. Sin embargo, si se
Figura 2.37. Estructura general de ejecución de:
GRAFCET.
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quiere dibujar esto resulta un gráfico
funcional excesivamente complicado.
Así pues, se opta generalmente por re
presentar en el gráfico funcional sólo
la evolución normal del proceso y se
da por entendido que dicho funcio
namiento normal puede ser «interrum
pido» en cualquier etapa por una con
dición genérica de alarma.
El útil para efectuar un tratamiento
sistemático de los arranques, paradas,
preposicionamientos y alarmas es el co
nocido con el nombre G EM M A , que
se estudia en el apartado siguiente
2.14. PU ESTA S EN MARCHA Y
PARADAS: G EM M A
Hemos insistido varias veces en que
el desarrollo y explotación de sistemas
lülomáticos de producción requiere el
empleo de útiles metódicos, con un vo
cabulario preciso y una aproximación
s stemática y guiada, donde se reflejen
runto por punto los procedimientos a
..Tiplear a modo de un «check list».
En lo que se refiere al desarrollo de
a parte de mando, hemos visto que el
■rR A FC ET es un útil adecuado para
r io. pero es preciso partir de unas es
: ecificaciones precisas y prever posi-
” les condiciones anómalas. En otras
relabras, las especificaciones son la
materia prima» a partir de la cual
construimos un proyecto. Unas espe-
. (¡cationes incorrectas o incompletas
nos llevarán a un resultado final in
correcto. Es necesario, pues, un útil
revio que nos permita generar unas
especificaciones correctas, asegurando
:ue no dejan situaciones imprevistas y
■contienen incoherencias.
Uno de los intentos de creación de
: cho útil ha sido llevado a cabo por
n equipo de investigadores impulsado
in Francia por A D E P A (Agence pour
i DÉveloppement de la Productique
Nppliquée) y ha dado como resultado
i creación del G E M M A (Guide d’Étu-
r des Modes de Marches et d’Arréts).
El G E M M A es un método para el
:«tudio de las posibles situaciones de
' archa y parada en que puede encon-
~arse la parte operativa (PO) de un pro-
:so (ver apartado 2.7) y las formas de
solucionar de unas a otras. Para ello
apoya en un útil gráfico que repre-
cnta una serie de estados tipificados
de la PO y muestra las posibles formas
de evolución de unos a otros.
A continuación presentaremos los
principios de este útil, aunque nece
sariamente en forma resumida. Para
ampliar los conceptos aquí desarrolla
dos remitimos al lector a la referencia
[6],
2.14.1. Elementos de base
La aplicación práctica del G E M M A
se apoya en un útil gráfico, que consta
de los siguientes elementos:
A) Rectángulos de estado, donde se de
finen una serie de situaciones ti
pificadas, que se suelen dar en cual
quier automatismo. La figura 2,38
muestra los estados normalizados
que deberán analizarse siempre. En
caso de que el automatismo a di
señar disponga de alguna situación
o estado especial, debería incluirse
en el marco de alguno de los pro
puestos. Puede ocurrir también que
alguna de las situaciones tipificadas
no tenga sentido para el automa
tismo que estamos diseñando; en
tal caso se tachará el cuadro co
rrespondiente.
B) Familias de estadas. El conjunto de
estados posibles de un sistema se
agrupan en tres familias:
— Familia A: Estados de paro.
— Familia F: Estados de funciona
miento.
— Familia D: Estados de fallo.
Desde otro punto de vista, se di
vide el total de estados en dos gran
des grupos: producción y fuera de
producción (figura 2.39).
Se dice que un sistema está en
producción cuando cumple el obje
tivo para el cual ha sido diseñado y
fuera de producción en caso contra
rio. Obsérvese que los términos «en
producción» y «en estado de funcio
namiento» tienen significados distin
tos. En efecto, se puede estar en pro
ducción teniendo todo o parte del
sistema en estado de paro (paro por
fin de ciclo, por ejemplo) o se puede
estar en funcionamiento sin estar en
producción (preparación de máqui
na. por ejemplo).
C) Lineas orientadas. Estas líneas con
templan todos los pasos posibles de
una situación o estado a otro Ln
la propia línea se marcará el sentid'
de paso.
D) Condiciones de evolución. que in
dican si el paso de un estado a otro
está condicionado o si se debe to
mar alguna acción previa. Al con
trario de lo que ocurría en el
G R A F C LT . estas condiciones en
tre estados pueden o no existir. F.n
caso de no existir, se entenderá que
el paso es Incondicional, sin ningún
requisito previo.
El método de diseño consiste en que
el diseñador rellene el gráfico estándar
de la figura 2.38, lo cual le obliga a pre
ver una serie de posibilidades que, de
otra forma, podrían pasar inadvertidas
y, eventualmente, pueden obligar a in
cluir sensores o controles adicionales
para prever la evolución controlada en
tre algunos de los estados.
Como se lia dicho, es perfectamente
admisible considerar alguno de los es
tados normalizados como imposible o
añadir algún otro no previsto, bien en
tendido que esto supone una elección
deliberada del diseñador y no responde
a un descuido. Esto es asi, sobre todo,
en estados como test, rearranque au
tomático, ciertos preposicionamientos,
etc. Hay que matizar, sin embargo, que
no debería admitirse como imposible
ningún estado de fallo o de paro de
emergencia.
2.14.2. Estados de funcionamiento
La familia de estados de funciona
miento comprende todos aquellos por
los que debe pasar la parle operativa
para obtener el resultado deseado del
proceso. Así, forman parte de esta fa
milia los estados preparatorios de pro
ducción, los tests o controles previos o
posteriores y, en gran parte, los propios
del proceso. Concretamente, el gráfico
contempla los siguientes estados'nor
malizados (figura 2.38):
F l (Producción normal)
Éste comprende las etapas para la
obtención del proceso propiamente di
cho, Este estado se representa en el
gráfico G E M M A por un rectángulo en
trazo más grueso. El proceso a efectuar
se define en términos de un diagrama
G R A FC ET . denominado «de base»

AUTÓMATAS
PROGRAM A IILKS
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l'5 ( Verificación de marcha cu urden)
Permite verificar paso a paso o de
idrma continua ciertos movimientos o
partes del proceso, respetando el orden
nabitual del ciclo, ya sea produciendo
0 en vacio.
f'6 (Marcha de test)
Permite el reajuste o calibración de
ciertos sensores o la ejecución de cier-
1js operaciones de mantenimiento prc-
entivo, correcciones por desgaste, etc.
2.14.3. Estados de paro
Dentro de la familia de estados de
aro se consideran todos aquellos que
ietienen el funcionamiento del pro-
aso. La familia comprende los siguien-
estados normalizados:
í / (Paro en estado inicial)
Estado inicial de reposo de la parte
«perativa. Se suele corresponder con
.as etapas iniciales del G R A FC ET . El
c.tángulo correspondiente del gráfico
íE M M A se dibuja también con doble
trazo.
i Demanda de paro a ,final de ciclo)
Cuando se solicita este paro, la má-
_jina debe continuar hasta el final de
.•do y finalmente detenerse. Se trata,
~ues, de un estado transitorio hacia Al.
(Demanda de paro en un estado
.¡•terminado)
Cuando se solicita este paro, la má-
c na debe continuar hasta detenerse
11 un estado determinado, distinto del
n de ciclo. Se trata de un estado tran-
• >rio hacia A4.
' - iParo en estado intermedio)
La máquina está detenida en un es
tán distinto del inicial y del final.
) (Preparación de arranque después de
■i" tallo)
Fn este estado deben efectuarse las
reraciones necesarias para una nueva
ruesta en marcha.
'h IInicialización de la parle operativa)
Estado en el que se prepara la par
: operativa para efectuar un rearran-
^uc desde las condiciones iniciales. Se
ata, pues, de un estado transitorio ha-
ua A l.
A l (Preposicionamiento de la parte
operativa)
Estado en el que se prepara la parte
operativa para efectuar un rearranque
desde unas condiciones cualesquiera,
distintas de las iniciales. Se trata, pues,
de un estado transitorio hacia A4.
2.14.4. Estados de fallo
Esta familia comprende todos aque
llos estados de paro por fallo de la parte
operativa o de marcha en condiciones
anómalas. Los estados normalizados
dentro de esta familia son:
D I (Paro de emergencia)
En este estado debe preverse: un
paro lo más rápido posible y otras ac
ciones necesarias para limitar las con
secuencias del fallo, tanto desde el pun
to de vista de la producción como de
la seguridad humana.
1)2 (Diagnóstico y/o tratamiento del
fallo)
Incluye las acciones a ejecutar para
averiguar el origen del fallo. Lógica
mente la salida de este estado debe
evolucionar hacia A5 o evenlualniente
hacia D3.
D3 (Seguir en producción con fallo)
Este estado corresponde al caso de
necesidad o conveniencia de continuar
la producción en caso de ciertos fallos,
incluso aceptando una degradación de
la calidad o pérdida total del producto.
Se incluye también la posibilidad de
intervención de operadores humanos
para suplir ciertas disfunciones del sis
tema automático.
2.15. M ÉTO D O G EN ERA L DE
D ISEÑ O BASADO EN G EM M A
La secuencia típica aplicando el mé
todo sistemático de diseño comprende
las siguientes fases:
Ai — Estudio de las acciones del pro
ceso,
— Definición del ciclo normal de
producción.
— Formulación del G R A F C E T de
base.
B) — Definir la parte operativa (accio
namientos y sensores).
— G R A F C E T operacional, con de
finición de la parte operativa.
C) - Definir los modos de marcha y
paro con ayuda del GF.M M A.
D) - Definir, con ayuda del G E M
MA, de las condiciones de evo
lución entre los distintos estados
de funcionamiento, parada y fa
llo.
— Definir la comunicación hom
bre-maquina (pupitre de mando)
y comunicación con otros con
troladores de proceso.
— Formulación del G R A F C E T
completo.
F.) — Escoger la tecnología del mando
(eléctrico, neumático, electróni
co, programable o no. etc.).
F) — Concepción del esquema o pro
grama de mando.
Figura 2.40. Bucles Je evolución en GEMMA.
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AUTÓMATAS
raO O R A M A ftllf
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DISEÑO DE AUTOMATISMOS
LÓOICOS
dueción normal o hacia el estado 1)1
de alarma (figura 2.43).
Sin embargo, no se suele utilizar este
tipo de representación por la complc-
idad que añade a los G R A F C E T de
lorma innecesaria.
Los autores del G E M M A proponen
dos posibles formas de evolución a par
ir dé un paro de emergencia:
) Bloqueo inmediato de todas las sa
lidas de acción y entrar en un
G R A F C E T de alarma genérico,
donde se decidirá la evolución pos
terior.
B> Con secuencia especifica de emer
gencia, lo cual obliga a introducir
en todas y cada una de las etapas
del G R A F C E T una posible salida
hacia una etapa de emergencia.
La elección de uno u otro método
ependerá. en general, del número lo-
i¡ de etapas del G R A F C E T y de las
tficullades de entrelazar las distintas
¿reas con el paro de emergencia. En
jüiómatas programables se suele ent
ra r el primer método, ya que se dis-
- ne de variables de sistema o incluso
:e instrucciones especificas que per-
ten una fácil ¡mplementación del
mismo.
117. E JE M P L O D E D ISEÑ O
Para resumir el método general de
: 'Cño desarrollaremos un ejemplo sen
. ¡ o basado en los útiles gráficos del
C.EM M A y G R A FC ET . Para realizar
ejemplo hemos escogido una parte
J ; una planta embotelladora, que com-
,'ide las secciones de carga, llenado
• .¡ponado y hemos aplicado los prin-
. ->os expuestos en el apartado 2.15.
I I 7.1. Fases A y B de diseño
La figura 2.44 muestra esquemáti-
. ' ente la máquina, con estas partes:
Estación de cania: Los recipientes
llegan por una cinta y se transfie
ren a la cinta de máquina a través
del cilindro neumático A.
- Avance cinta: La cinta de máquina
avanza un paso con el cilindro B.
El acoplamiento de piñón y cre
mallera avanza sólo de izquierda
Figura 2.43. Tratamiento de alarmas y estados
de fallo.
a derecha, es decir, cuando el ci
lindro B retrocede no arrastra la
cinta hacía atrás.
— Estación de llenado: El llenado lo
efectúa un dosificador volumétri
co controlado por el cilindro C y
una válvula D.
Estación de taponado: La opera
ción de taponado consiste en la
transferencia del tapón mediante
el cilindro G. aproximación me
diante el cilindro E. El tapón que
da retenido en el receptáculo, se
retiran los cilindros G y E y pos
teriormente se rosca el tapón
aproximando nuevamente E y ha
ciendo girar el tapón mediante el
motor neumático F.
Sensores: Inicialmente se ha pre
visto que cada cilindro lleve un
sensor final de carrera, identifi
cado por la misma letra (en mi
núscula) y el subíndice I o 0, se
gún este extendido o replegado,
Asi. por ejemplo, el sensor a, in
dica cilindro A extendido y a„ ci
lindro A replegado,
El cilindro E, como caso es
pecial. lleva un detector de pre
sión (e,) para detectar que el ta
pón ha llegado a tope en la trans
ferencia o durante el roscado del
tapón a! recipiente.
Obsérvese que en estas fases se han
definido algunos accionamientos y sen
sores. pero no todos. A medida que se
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