T02_GRAFCET metodologia de diseño secuencial.pdf

GRAFCET Universidad de Oviedo
ISA
Universidad de Oviedo
Área de Ingeniería de Sistemas y Automática
automatización industrial · GRAFCET

ISA
sumario
1 · sistemas de eventos discretos
2 · sistemas combinacionales
3 · sistemas secuenciales
4 · GRAFCET

ISA
sistemas de eventos discretos
ISA
• un Sistema de Eventos Discretos (SED) es el sistema cuyas variables solo
pueden tomar un conjunto finito de diferentes valores en el tiempo
• los valores de las variables no cambian de forma continua en el tiempo, si
no en instantes determinados (eventos)
• estado del sistema es la menor colección de variables cuyo valor resume
su pasado dinámico y describe el mismo, en un instante concreto

ISA
SED · señales digitales (binarias)
ISA
• el sensor (entrada) sólo toma dos
valores (niveles lógicos) y cambian
cuando ocurre un evento
• los actuadores (salidas) también se
codifican en niveles lógicos
• los niveles lógicos se corresponden
con señales eléctricas (voltages)
• sensores NO / NC: Normalmente
abierto / cerrado

ISA
SED · algunos componentes de SED
ISA
motor eléctrico pulsador interruptor
cilindro neumático electro-válvula neumática relé de control

ISA
SED · conexionado de sensores y actuadores
ISA
Vcc+
AC
L∿
N
EV-L
NS NI INICIO
Tarjeta de entradas
digitales (todo/nada)
Tarjeta de salidas
digitales (todo/nada)
I0.0 I0.1 I0.2
Q0.0
CPU
~

ISA
sistemas combinacionales
Sistema
combinacional
u y
y = f(u)
la respuesta o salida de un sistema combinacional es una función lógica que
depende exclusivamente de las variables de excitación externas o entradas

ISA
sistemas secuenciales
la respuesta o salida de un sistema secuencial es una función lógica que
depende no solamente de las variables de excitación externas o entradas,
sino también del estado anterior o estado interno
Sistema
secuencial
( estado x )
u y
y = g(u,x)
x = f(u,x)
estado del sistema es la menor colección de variables cuyo valor resume su pasado
dinámico y describe el mismo, en un instante concreto

ISA
GRAFCET · ¿Qué es el GRAFCET ?
0
1
2
3
0
1
2
3
0
1
2
3
0
1
2
3
• un diagrama funcional cuyo objetivo es describir de forma gráfica el
comportamiento de un automatismo secuencial
• modelo GRAFCET definido por :
- elementos gráficos
- reglas de evolución
reflejando la dinámica del comportamiento del sistema

ISA
GRAFCET · informativo
• en los años 70 aumentan las posibilidades de la Automática (aparición del
microprocesador)
• los métodos clásicos (Karnaugh, Tablas de Fases) son muy complicados al
aumentar el número de variables
• abaratamiento de los circuitos integrados. La minimización del número de
puertas lógicas deja de ser problema
• unificar y racionalizar los modelos descriptivos relativos a los sistemas lógicos
de automatismos secuenciales
• fundamentos: concepto de receptividad y etapa; redes de Petri.
• GRAFCET, GRAphe Fonctionnel de Commande Etape/Transition, (gráfico
funcional de control etapa/transición)
• definido en 1977 por las comisiones de AFCET, Association Française pour la
Cybernétique Economique et Technique, (Asociación Francesa para la
cibernética económica y técnica) y de ADEPA, Agence Nationale pour le
Développment de la Production Automatisée, (Agencia nacional para el
desarrollo de la producción automatizada)

ISA
GRAFCET · informativo
• es una herramienta metodológica gráfica para la implementación de los
automatismos de carácter secuencial en sistemas de eventos discretos
• presenta ventajas tales como legibilidad y presentación sintética (sintaxis
y reglas de evolución). Evita incoherencias y bloqueos en el
funcionamiento
• diseño estructurado jerárquicamente. En cada nivel de descripción, el
diagrama puede ser modificado sin retomar partes ya estudiadas
• ha sido ampliado a lo largo de los últimos años en varias Normas
publicadas por la IEC (Comisión Electrotécnica Internacional)
• sequential Function Chart (SFC) es un lenguaje de programación gráfico
para PLCs definido por IEC-61131-3 en 1993, IEC-6848 en 1988 y que se
basa en GRAFCET
• no es un lenguaje de programación, es un lenguaje gráfico descriptivo

ISA
GRAFCET · ventajas
• es independiente de las partes de control y operativa
• el automatismo se comprueba con facilidad. Si se bloquea en una etapa,
se localiza con sencillez el fallo
• se reducen los tiempos de parada del sistema. Se identifica la transición
defectuosa
• menos errores en la programación
• modificaciones simples de realizar debido a la estructura de GRAFCET.

ISA
Y1
NS
NI
Unidad
de
Control
Automatismo:
función lógica:
si NS=1  Y1=0, Y2=1
si NI=0  Y1=1, Y2=0
Captadores:
sensores de nivel NS, NI
Actuador:
válvula todo-nada
Y2
Aporte externo
Consumo externo
2
Y1=1
Y2=0
NS=1
Tran1_2
Y1=0
Y2=1
NI=0
Tran2_0
GRAFCET · ejemplo a implementar
ISA
0
1
=1
Tran0_1

ISA
GRAFCET · niveles de GRAFCET
GRAFCET de Nivel 1 - Descripción funcional
es una descripción global (normalmente poco detallada)
del automatismo que permita comprender rápidamente
su función.
este GRAFCET no debe contener ninguna referencia a las
tecnologías utilizadas; es decir no se especifica cómo
hacemos avanzar la pieza (cilindro neumático, motor y
cadena, cinta transportadora, etc.), ni cómo detectamos
su posición (fin de carrera, detector capacitivo, detector
fotoeléctrico, etc.), ni tan solo el tipo de automatismo
utilizado (autómata programable, neumática, ordenador
industrial, etc.).

ISA
GRAFCET de Nivel 2 - Descripción tecnológica
se hace una descripción a nivel tecnológico y operativo
del automatismo.
quedan perfectamente definidas las diferentes
tecnologías utilizadas para cada función. El GRAFCET
describe las tareas que han de realizar los elementos
escogidos.
en este nivel completamos la estructura de la máquina y
nos falta el automatismo que la controla

ISA
GRAFCET de Nivel 3 - Descripción operativa
deben especificarse todos los elementos, con los
distintivos propios de las entradas y salidas, así como
las marcas o relés internos que serán utilizados
0
1
2
I0.1.0
I0.1.1
I0.1.2
Q0.2.0
Q0.2.1
NIVEL DE CONTROLADOR
NIVEL III

ISA
GRAFCET · GRAFCET nivel 3
Símbolo Dirección Comentario
Qx_EvLlenado %Q0.2.0 Salida digital (todo-nada) del PLC a la electroválvula de llenado (si
es 1 indica apertura de válvula)
Ix_NS %I0.1.0 Entrada digital (todo-nada) al PLC del interruptor de nivel superior
del depósito (NA)
(si está a 1 indica depósito lleno)
Ix_NI %I0.1.1 Entrada digital (todo-nada) al PLC del interruptor de nivel inferior
del depósito (NA)
(si está a 0 indica depósito vacío)
Ix_Inicio %I0.1.2 Entrada digital (todo-nada) al PLC del pulsador de inicialización del
sistema
%Etapa0 Variable interna o marca que corresponde al estado o etapa 0 (si
está a 1 indica etapa activa)
%Etapa1 Variable interna o marca que corresponde al estado o etapa 1 (si
está a 1 indica etapa activa)
Tran1_2 Variable interna o marca que corresponde a la transición entre la
etapa 1 y la 2 (si está a 1 indica franqueo)
Tran2_3 Variable interna o marca que corresponde a la transición entre la
etapa 2 y la 3 (si está a 1 indica franqueo)

ISA
GRAFCET · definiciones · conceptos básicos
Avance
Cilindro
Retroceso
Cilindro
Pieza presente
Cilindro adelante
1
2
3
Etapa
inicial
Acción asociada
a la etapa
Receptividad
Etapa
Conexión
orientada
Transición
Cilindro hacia atrás
CILINDRO
CINTA
PUESTO DE
TRABAJO
PIEZA

ISA
• etapas o estados a las que van asociadas acciones
• transiciones a las que van asociadas receptividades
• uniones orientadas que unen las etapas a las transiciones y las
transiciones a las etapas
GRAFCET · elementos del GRAFCET

ISA
GRAFCET · elementos del GRAFCET · etapas
etapas simples
simbolizan un estado estable del automatismo.
se representan por un cuadrado con un número
como identificación.
etapas iniciales
simbolizan las etapas iniciales activas en
principio de ciclo después de una inicialización
o un arranque en frío. Se representa mediante
un doble cuadrado.
el número máximo de etapas es configurable.
el número máximo de etapas
simultáneamente activas es configurable.

ISA
GRAFCET · elementos del GRAFCET · etapas
• las etapas deben estar numeradas; aunque no necesariamente de forma
correlativa. No puede haber dos etapas con el mismo número
• cuando es necesario determinar la situación del GRAFCET, se identifican
todas las etapas activas en ese momento, mediante un punto en la parte
inferior de los símbolos de las etapas activas

ISA
• una transición entre dos etapas se representa mediante una línea
perpendicular a las uniones orientadas. Es referenciada a la izquierda de la
línea perpendicular
• una transición puede estar validada o no validada. Se dice que la transición
está validada, cuando la etapa o etapas inmediatamente precedentes a la
transición están activadas
• una transición indica la posibilidad de evolución entre
dos etapas. Esta evolución se consuma al producirse
el franqueo de la transición
• la transición se franquea obligatoriamente cuando está
validada y se verifica la receptividad asociada
GRAFCET · elementos del GRAFCET · transiciones : validacion
11
a·b
Tran11_12
12

ISA
• cada transición va asociada a una condición lógica booleana (verdadera o
falsa) que se denomina receptividad
• la receptividad es función de informaciones externas (entradas) o internas
(estado de contadores, temporizadores, estados activos o inactivos de
otras etapas)
• la receptividad va escrita literal o simbólicamente, preferentemente a la
derecha del símbolo de la transición
GRAFCET · elementos del GRAFCET · transiciones : receptividad

ISA
• unen las etapas a las transiciones y viceversa
• señalan el camino de las evoluciones
• las uniones orientadas se representan mediante líneas horizontales o
verticales (oblicuas excepcionalmente)
• por convenio, el sentido de las evoluciones es de arriba hacia abajo y de
derecha a izquierda
• la flechas se utilizan para señalar la orientación de las uniones cuando no
se respeta el convenio o en casos especiales
GRAFCET · elementos del GRAFCET · uniones orientadas

ISA
• un GRAFCET está correctamente trazado si
• respeta la regla de alternancia etapa-transición y transición-etapa
• por lo tanto
• dos etapas no pueden unirse directamente
• no puede haber dos transiciones consecutivas
GRAFCET · reglas de sintaxis

ISA
GRAFCET · definiciones · GRAFCET de secuencia única
un automatismo se representa por un GRAFCET de secuencia única cuando puede
ser descrito por un conjunto de varias etapas formando una serie cuyo desarrollo
se efectúa siempre en el mismo orden.
en esta estructura, cada etapa es seguida por una única transición y cada
transición es validada para una única etapa.
el franqueo de una transición activa a la etapa
siguiente y desactiva la anterior.
para franquear la transición se deben cumplir
las dos condiciones siguientes :
1- que la etapa anterior esté activa
2- que la receptividad sea verdadera
0
1
2
AVANCE CLINDRO
RETROCESO CILINDRO
Pieza presente
Cilindro adelante
Cilindro hacia atrás

ISA
GRAFCET · definiciones · GRAFCET con derivaciones exclusivas
ofrece la posibilidad de varios recorridos en un GRAFCET, de los que sólo se autoriza uno a
la vez.
SALTO DE ETAPAS
REINICIO DEL CICLO
0
1
2
3
4
Tran0_1
Tran1_2
Tran2_3
Tran3_4
Tran4_0
4
5
3
Tran2_3
Tran3_4 = a
Tran4_5
Tran3_5 = /a

ISA
divergencia en “O”
transición de una etapa hacia varias etapas:
permite realizar un encaminamiento hacia un
máximo de etapas
convergencia en “O”
transición de varias etapas hacia una sola etapa:
permite realizar un fin de encaminamiento
desde un máximo de etapas
ejemplo
si la etapa activa es la 2 debe cumplirse la
receptividad asociada a la transición a para
activar la etapa 4
si la etapa activa es la 3 debe cumplirse la
receptividad asociada a la transición b, para que
la etapa 4 pase a estar activa
GRAFCET · definiciones · selección de secuencia (divergencia en O)

ISA
Al superarse la transición, se activan
simultáneamente todas las etapas que se
encuentren a continuación
Etapas de espera
o sincronización
Convergencia simultánea
(cuando se activen todas las
etapas de espera)
= 1
ESTE GRAFO
OFRECE LA POSIBILIDAD
DE MANTENER ACTIVAS
VARIAS ETAPAS DE
MANERA SIMULTÁNEA
GRAFCET · definiciones · secuencias simultáneas (divergencia en Y)
se utilizarán para la implementación de subprocesos concurrentes

ISA
GRAFCET · definiciones · secuencias simultáneas (divergencia en Y)
convergencia en Y. Para que se active la etapa 4 deben estar activas las
etapas 2 y 3 y cumplirse la receptividad asociada a la transición D.

ISA
remisiones de origen
'n' es el número de la
etapa de donde se viene
(etapa de origen)
remisiones de destino
'n' es el número de la
etapa de adonde se va
(etapa de destino)
GRAFCET · definiciones · remisiones

ISA
GRAFCET · definiciones · macro-etapas
macroetapas
simboliza un conjunto único de etapas y
transiciones
el número de macroetapas máximo se puede
configurar
la transición después de una macroetapa es
siempre cierta (=1)
etapas de macroetapas
simbolizan las etapas de una macroetapa
el número máximo de etapas para cada
macroetapa puede configurarse una etapa IN y
OUT por macroetapa
IN
0
1
2
OUT
= 1
PESAR A
Fin de pesada A
Fin de pesada B
PESAR B
= 1
3
4
PESAR C
Fin de pesada C
Expansion
Macro-etapa 1

ISA
M1 DOSIFICACION
2 LLENADO
MEZCLA
EVACUACION
Ciclo remoto y
condiciones iniciales
= 1
Fin del llenado
= 1
M2
IN
0
1
2
OUT
= 1
PESAR A
Fin de pesada A
Fin de pesada B
PESAR B
= 1
3
4
PESAR C
Fin de pesada C
IN
0
OUT
MEZCLAR
Fin de mezcla
Fin De evacuación
EVACUAR MEZCLAR
Expansion
Macro-etapa 1
Expansion
Macro-etapa 2
0
1
GRAFCET · definiciones · macro-etapas

ISA
Acciones
9
5
4
3
2
1
8
7
6
etapa inicial : define la situación inicial del
automatismo.
transición : las receptividades asociadas
indican las condiciones lógicas necesarias
para el franqueo de la transición.
activación simultánea de las etapas 3 y 6. Los
subconjuntos formados por las etapas 3, 4, 5 y
6, 7, 8 constituyen dos secuencias llamadas
simultáneas.
divergencia condicional a partir de la etapa 3
hacia la etapa 4 o la 5.
etapa fin de secuencia: permite la
sincronización de las secuencias simultáneas.
convergencia simultánea de las etapas 5 y 8.
etapa : las acciones asociadas no se ejecutan
si la etapa no está activa.
Acciones
Acciones
Acciones
Acciones
GRAFCET · definiciones · resumen

ISA
• Una etapa puede o no tener acciones asociadas
• La acción se representa por una etiqueta o rectángulo situado a la
derecha de la etapa asociada. La acción a ejecutar se indica literal o
simbólicamente
definiciones · acciones
análisis, modelado y control de sistemas de eventos discretos Universidad de Oviedo
ISA
10
Acción A Acción B Acción C Acción A
Acción B
Acción C
10

ISA
Etapa1.x AC1
mediante asignación directa del estado de las etapas, en este caso, la acción se
está ejecutando mientras la entrada correspondiente esté activa
definiciones · acción continua
análisis, modelado y control de sistemas de eventos discretos Universidad de Oviedo
ISA
Etapa1 AC1
AC1 := Etapa1.x;

ISA
Etapa3.x Sirena
la salida estará activa, igual que la etapa, un
tiempo determinado
definiciones · acción temporizada
Tran3_4:= Etapa3.t >= t#5s;
Sirena := Etapa3.x;

ISA
Etapa3.x Sirena
la salida estará activa un tiempo máximo
determinado siempre y cuando esté activa la
etapa3
definiciones · acción limitada
Etapa3.t <= t#0,5s
3 L Sirena 0,5s
k
Sirena := Etapa3.x AND Etapa3.t <= t#0,5s;

ISA
la salida estará activa después de un tiempo
transcurrido, siempre y cuando esté activa la
etapa3
definiciones · acción retardada
Etapa3.x Sirena
Etapa3.t >= t#0,5s
3 D Sirena 0,5s
k
Sirena := Etapa3.x AND Etapa3.t >= t#0,5s;

ISA
Etapa1.x Calentar
la salida estará activa siempre y cuando
esté activa la etapa1 y unas variables sean
ciertas
definiciones · acción condicionada
Termostato
1 Calentar
k
Termostato
Calentar := Etapa1.x AND Termostato;

ISA
la salida estará activa un sólo ciclo de programa
cuando lo esté el flanco de subida de la etapa3
definiciones · acción impulsional
Etapa3.x
Sirena
Sirena:=RE(Etapa3.x);
P

ISA
la salida estará activa de forma
memorizada (SET) aunque la etapa pase a 0
la salida se desactivará cuando se ejecute la
orden de borrado (RESET)
definiciones · acción memorizada
Etapa6.x XBR
S
Etapa8.x XBR
R
6
7
8
S XBR
R XBR
k
l
m
If Etapa6.x then
SET (XBR);
End_If;

ISA
• entrada de datos por etapa o transición
• tiene un tamaño máximo asignado
• presentación completa en la impresión de la documentación
• se transfieren al PLC ==> ocupan espacio de memoria
(*Inic. proceso*)
(*Abrir vávulas llenado*)
(*Medida = 5000*)
GRAFCET · comentarios de un programa

ISA
• inicialmente el reactor se encuentra vacío, solamente hay lodos activos.
• la purga de los lodos excedentes se lleva a cabo con el pulsador de purga
de lodos. Es una etapa opcional en el ciclo.
• el llenado del reactor con el influente a tratar se lleva a cabo por el
pulsador de arranque.
• posteriormente se deberá agitar.
• transcurridos 5 minutos, si el PH es ácido se procede con un aditivo
alcalino hasta la neutralización.
• una vez obtenido el PH neutro se realiza la etapa aeróbica hasta que se
produzca el ascenso del oxígeno disuelto.
• por último, se realiza la sedimentación durante 20 minutos y el vaciado
del efluente clarificado.
ejemplo · automatización de un reactor biológico de aguas residuales

ISA
GRAFCET (Nivel I)
0
1
2
3
4
5
6
7
LLENAR
AGITAR
ADICION ALCALINO
AGITAR
AIREACION
SEDIMENTACION
VACIAR
PURGAR
Pulsador arranque
Pulsador arranque
Pulsador purga
Nivel máximo
Temporizar 5min y PH ácido
Temporizar 20min
Nivel mínimo
PH no ácido
Concentración máxima de oxígeno disuelto
Temporizar 5min y
PH no ácido

ISA
0
1
2
3
4
5
6
7
V_LLENAR
M_AGITAR
V_ALCALINO
M_AGITAR
V_AIRE
V_VACIAR
V_PURGA
↑P_Arranque
↑P_Arranque
↑P_Purga
Nivel_Max
t/X2/5min & PH
t/X5/20min
Nivel_Min
PH
DO_Max
t/X2/5min & PH
Tran0_1
Tran1_2
Tran2_3
Tran3_4
Tran4_5
Tran5_6
Tran0_7
Tran7_1
Tran2_4
Tran6_0
GRAFCET (Nivel II)

ISA
• el proceso comienza mediante un pulsador que pondrá en marcha una
cinta transportadora en la que debe depositarse la pieza a taladrar.
• cuando el sensor inductivo detecta la pieza, se detiene la cinta y se
procede a inmovilizar la pieza.
• mediante un sensor de presión se detecta si la sujeción es correcta. Esto
se debe realizar en menos de 10s, en caso contrario se procede a la
expulsión de la pieza.
• se pone en marcha el motor que hace girar la broca y también el que la
hace descender hasta el final de carrera inferior.
• posteriormente se eleva la broca hasta su final de carrera superior.
• finalmente, se procede a la expulsión de la pieza mediante un cilindro
neumático que incorpora un final de carrera.
ejemplo · automatización de una taladradora

ISA
0
1
2
3
4
5
TRANSPORTAR LA PIEZA
APRESAR PIEZA
APRESAR PIEZA, GIRAR Y DESCENDER LA BROCA
EXPULSION
Pulsador arranque
Detección de la pieza
S_Presión
Final de carrera de descenso
t/X2/10s & S_PRESION
APRESAR PIEZA, GIRAR Y ASCENDER LA BROCA
Final de carrera de ascenso
Final de carrera de expulsión
GRAFCET (Nivel I)

ISA
0
1
2
3
4
5
CINTA_TRANSPORTADORA
SUJECION
SUJECION, BROCA_DESCENSO, BROCA_GIRO
EXPULSION
S_Inductivo
S_Presión
Temporizar 10s y no
hay sujección
SUJECION, BROCA_ASCENSO, BROCA_GIRO
FC_Ascenso
FC_Cilindro
Tran0_1
Tran1_2
Tran2_3
Tran3_4
Tran4_5
Tran5_0
Tran2_5
FC_Descenso
↑Pulsador
GRAFCET (Nivel II)

ISA
0
1
2
3
4
5
Tran0_1
GRAFCETS coordinados
Tran1_2
Tran2_3 = Etapa10.x
Tran3_4
Tran4_5 = Etapa20.x
Tran5_0
10
11
12
13
14
15
Tran10_11 = Etapa2.x
Tran11_12
Tran12_13
Tran13_14
Tran14_15
Tran15_10
20
21
22
23
24
25
Tran21_22
Tran22_23
Tran23_24
Tran24_25
Tran25_20

ISA
0
1
2
3
4
5
Tran0_1
GRAFCETS coordinados
Tran1_2
Tran2_3 = Etapa15.x
Tran3_4
Tran4_5 = Etapa25.x
Tran5_0
10
11
12
13
14
15
Tran11_12
Tran12_13
Tran13_14
Tran14_15
Tran15_10 = /Etapa2.x
20
21
22
23
24
25
Tran21_22
Tran22_23
Tran23_24
Tran24_25
Tran25_20= /Etapa4.x

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