grafcet intro

Sistemas Avanzados de control de Produccin.

Introduccin al GRAFCET.

INTRODUCCIN AL GRAFCET

Departamento de Ingeniera Elctrica y Electrnica

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NDICE:Definicin. Historia. Preliminares. Estructura del sistema automatizado. Elementos grficos de base. Etapas. Lneas de evolucin. Transiciones. Reglas de evolucin. Acciones asociadas a etapas. Principios complementarios. Ejemplo de diseo: Fases. Ejemplo de giro de una pieza. Macroetapas. Estructuras bsicas. Secuencia lineal. Divergencia y convergencia en o. Divergencia y convergencia en y. Diagramas de flujo y GRAFCET. Descripciones tiles. Activacin de una tarea. Desactivacin de una tarea. Estructuras WHILE DO y REPEAT UNTIL. Estructuras FOR NEXT y CASE OF Autorizacin de evolucin. Ejemplo de diseo: Planta embotelladora. Bibliografa. Anexo: programa de visualizacin. 1 1 2 2 3 3 4 4 5 7 8 9 10 11 12 12 13 14 15 16 16 16 17 17 18 19 23 25


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GRAFCETGrfico Funcional de Control de Etapas y de Transiciones. Mtodo de descripcin de procesos con independencia de la tecnologa. Encaminado a diversos usuarios: Ingeniero de produccin; define la necesidad de automatismos Ingeniero de diseo, que implementa el sistema de control. Tcnico de mantenimiento, que vigila el funcionamiento. Proviene de las Redes de Petri en las que se han impuesto una serie de restricciones.

GRAFCET: HISTORIA 1977: AFCET (Assotiation Franaise pour la Cyberntique Economique et Technique) y ADEPA (Agence pour le Dveloppement de la Productique Applique) crean GRAFCET. 1982: AFNOR (organismo encargado de la normalizacin en Francia) crea la norma NF C03-1904 relativa al GRAFCET. 1988: IEC (International Electrotechnical Commission) crea la norma IEC-848 titulada tablissement des diagrammes fonctionnels pour systmes de commande. En la actualidad muchos fabricantes de autmatas incorporan la capacidad de programar en GRAFCET.


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

ESTRUCTURA DEL SISTEMA AUTOMATIZADOParte de control o p e r a d o r D I L O G O Parte operativa Energa Producto inicial Mquina Sensores PLANTA Comunic. Otros sistemas. Producto procesado

Accionad. control


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Se debe establecer un grfico de evolucin que indique la secuencia de etapas y las condiciones lgicas para pasar de unas a otras. Para cada etapa se establecen las relaciones entrada-salida. Una vez resuelto el grfico se debe implementar a partir de una tecnologa adecuada. El GRAFCET no busca minimizar el nmero de estados o etapas de forma que no es ptimo para ahorrar hardware. Cada vez se valora ms en los sistemas el coste del diseo, el tiempo de desarrollo, la fiabilidad, la facilidad de test y la sencillez del entorno, factores superados por el GRAFCET.

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

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El smbolo que representa una etapa es un cuadrado con un nmero o smbolo que la identifica. Debe existir al menos una etapa inicial. Se llaman etapas iniciales a aquellas en las que se

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3

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

Lneas de evolucin. Unen entre s etapas que representan actividades consecutivas.Departamento de Ingeniera Elctrica y Electrnica 3



Se consideran orientadas de arriba a abajo.

1A

En caso contrario se especifica la orientacin con una flecha. Dos lneas que se crucen no estn unidas en principio. Transiciones. Son las condiciones lgicas

2

3

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

Se

obtienen

por

combinacin

de

variables

denominadas

receptividades (entradas a la unidad de control). Se representan por una lnea cruzada sobre las lneas de evolucin. El grfico funcional representa un conjunto de situaciones posibles. La informacin del grfico de por s, es esttica. La situacin dinmica del sistema se representa indicando qu etapas estn activas en cada momento. Una etapa se indica como activa cuando est marcada con un punto (testigo). Si el grfico ocupa ms espacio que una hoja de

2

3

trabajo se establecen los reenvos para indicar la continuidad del grfico en otras hojas.


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REGLAS DE EVOLUCIN Definen de forma unvoca el comportamiento del sistema. Cada etapa tiene asociada una variable de estado de tipo bit, Xi Una etapa est activa si la variable asociada tiene valor 1, y est inactiva si la variable asociada tiene valor 0. Durante la evolucin normal del proceso una etapa se activar cuando est activada la etapa anterior y se cumplan las condiciones de transicin entre ambas. Cualquier etapa se desactivar cuando se cumplan las condiciones de transicin a la siguiente etapa y la transicin se haya efectuado. Las transiciones pueden encontrarse en las siguientes situaciones: No validada: Validada: Franqueable:

la etapa anterior no est activada. las etapas anteriores estn activadas, pero

no se cumple la condicin lgica de transicin. las etapas anteriores estn activas y se

cumple la condicin de transicin. Es una situacin transitoria. La transicin se debe franquear. Franqueada: se han activado las etapas siguientes y

desactivado las etapas anteriores.


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Estados posibles de una transicin:

2 T2/3=0,1 3

2 T2/3=0 3

2 T2/3=1 3

2 T2/3=0,1 3

Transicin no validada

Transicin validada

Transicin franqueable

Transicin franqueada

REGLAS DE EVOLUCIN Toda transicin franqueable debe ser inmediatamente franqueada. El franqueo de una transicin implica la desactivacin de las etapas anteriores. Si en el curso de una automatizacin una etapa se debe activar y desactivar a la vez, dicha etapa permanece activa. Esta situacin se debe evitar en lo posible en los diseos ya que puede dar lugar a fenmenos de carreras. El grafo de evolucin del GRAFCET debe ser siempre cerrado, sin tener ningn camino abierto.


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

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

1 ACCIN A:18 Accin A

C19

X18 C A

2 ACCIN MEMORIZADA18 S Accin A: arranque

C25 S Accin A: paro

K

X18 C A K X25


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3 ACCIN RETARDADA18 D Accin B: retardo D=5s.

C

X18 C B

5 s.

4 ACCIN CONDICIONAL18 C Accin B si ocurre D

H

X18 D B H

5 ACCIN CONDICIONAL MEMORIZADA18 SC Accin B si ocurre D

H

X18 D B H

PRINCIPIOS COMPLEMENTARIOS Existen principios que se suponen en muchos sistemas automticos. Se denomina evento a cualquier situacin en la que se produzca el cambio de al menos una de las variables que intervienen en el sistema; Ser un flanco en una variable. Se considera que dos eventos externos no pueden producirse nunca de forma instantnea. Se debe tener presente que aunque el GRAFCET considera el franqueo de una transicin de forma instantnea, la realidad tecnolgica no es as.


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

unidad operativa. DISEO DEL SISTEMA DE CONTROL. Seleccionamos una tecnologa para realizar la unidad de control. El diseo de la etapa de control se divide en diseo de la parte secuencial y diseo de la parte combinacional. La parte secuencial se encarga de avanzar de una etapa a la siguiente cuando se realice una transicin. Se genera con biestables, circuitos combinacionales. La parte combinacional genera las salidas de control en funcin de la etapa actual y de las entradas. Se genera con circuitos combinacionales.


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EJEMPLO DE DISEO: GIRO DE UNA PIEZA

Ejemplo de diseo.A+ A 90

AS1 S2 S3

S5 S6

S4 B+ B-

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

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

C+ CC

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

0 1 2 3 4 5 6

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

0 1 2 3 4 5 6

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

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


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

posteriormente en la representacin en detalle. Se introducen para permitir una aproximacin progresiva y estructurada

a una automatizacin. Las macroetapas deben verificar: La expansin de una macroetapa debe tener una nica etapa inicial

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

entrada a la macroetapa. La activacin de la etapa de salida valida la transicin posterior a

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

(taladrar, enroscar, etc.)

E20 10 T1020 M20TAREA

TE20 21 T21M100

Macroetapa anidada.

TS20 (fin M20)

30 S20 Expansin de la tarea M20

T30

Fin de la macroetapa anidada.


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ESTRUCTURAS BSICAS DE GRAFCET GRAFCET tiene tres estructuras que generan las dems: Secuencia lineal. Convergencia y divergencia en o. Convergencia y divergencia en y.

1 2 3 4 2 5

1 3 6 8 4 7 2 5

1 3 6 8 4 7

Secuencia lineal Consiste en una sucesin de etapas unidas

1 2 3 4

consecutivamente por lneas de evolucin y condiciones de transicin. Dentro de un tramo slo puede haber una

etapa activa en cada momento. En caso

contrario

se

entiende

que

hay

una

incoherencia en el diseo. Se supone que este tipo de acciones son secuenciales. La activacin de etapas es la que ya se ha

descrito.Departamento de Ingeniera Elctrica y Electrnica 12



Divergencia y convergencia en o. La bifurcacin en o est compuesta de: Divergencia en o en la que se indican

1 2 5 3 6 8 4 7

varios caminos alternativos posibles. Caminos alternativos con macroestructura

lineal. Una confluencia en o de dichos caminos. Se entiende que esta estructura se utiliza para

ejecutar una de entre varias acciones posibles alternativas. Se

corresponde

con

la

estructura

de

programacin IF THEN ELSE tambin con el CASE OF. Propiedades de la divergencia en o. A partir del punto de divergencia el camino podr evolucionar por

caminos alternativos cada uno de los cuales tendr su propia condicin de transicin. Las condiciones de transicin de cada uno de los distintos caminos

deben ser excluyentes entre s, de forma que el proceso evolucione por un solo camino. De otra forma se produciran incoherencias en el diseo. Los distintos caminos iniciales de una convergencia en o deben

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


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Divergencia y convergencia en y. La bifurcacin en y est compuesta de: Una divergencia en y de la que arrancan

1 2 5 3 6 8ejecutan de forma paralela.

los procesos que deben iniciarse de forma

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simultnea cuando se cumpla una condicin de transicin. Una serie de caminos simultneos con una

macroestructura lineal. Una o ms confluencias en y. La estructura se prev para representar

procesos que se inician simultneamente y se

Propiedades de la divergencia en y. Se entiende que los procesos que se han iniciado en una

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

caminos a la vez ejecutando tareas de forma simultnea. La condicin de transicin para iniciar las tareas es nica y comn

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

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

caso es comn que la condicin de transicin de convergencia en y sea siempre activa: 1.


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DIAGRAMAS DE FLUJO Y GRAFCET En Informtica y diseo de sistemas digitales se utilizan los diagramas

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

flujo y los GRAFCETs. Un grfico de flujo representa una sucesin de tareas que se ejecutan

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

GRAFCET representa sistemas multitarea. Un mismo autmata puede ejecutar varios GRAFCETs. El GRAFCET est pensado para su compilacin directa a cdigo de

autmata, lgica en escalera, circuito discreto cableado, resolucin neumtica, etc. Hay estructuras muy comunes en los diagramas de flujo que se

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

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

representacin y la implementacin del funcionamiento de la unidad de control del sistema.


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DESCRIPCIONES TILES Existen varios esquemas que se utilizan comnmente en la descripcin

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

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

A1

El diseo se debe realizar de forma que no haya inconsistencias, es decir, no se debe arrancar de nuevo la tarea hasta que no haya finalizado la ejecucin actual.

B1 C1

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

Desactivacin de una tarea.

Sirve para dejar una tarea sin la opcin de ejecutarse.

A1

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

B1 C1

La condicin de desactivacin de la tarea debe ser disyuntiva con la ejecucin de la misma.

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


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Estructuras WHILE DO y REPEAT UNTIL

10 A M1 A 20 NOT(A)

M1 10 NOT(A) 20

Estructura WHILEDO Estructura FOR NEXT y CASE OF

Estructura REPEATUNTIL

10 M1 11 12

inicializar contador

10 Acontador < preseleccin

TAREAincrementar contador

B M1 M2

C M3

Contador=preseleccin

continuar

20 Estructura CASE OF: Las opciones son excluyentes.

Estructura FORNEXT


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Autorizacin de evolucin. Es un sistema similar al

A1 S0 B1 C1 D1

A2 B2 C2 D2

semforo

pero

con

capacidad para un slo testigo. Aquel de los dos procesos

que consiga capturar el testigo es el que se

ejecuta, de forma que el otro se queda inhabilitado. Una vez que el proceso ha ejecutado su seccin crtica devuelve el

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

en cada tarea, as como en la etapa que funciona como semforo. El semforo no puede tener ms que una marca.


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EJEMPLO DE DISEO.PLANTA EMBOTELLADORA:

ESTACIN 2: dosificado y llenado c+

e+ ce-

E

e0

ESTACIN 3: Taponado

e1 f+

Cc0 b+ c1 bLlenado d+

F

g-

g+

D g1 Taponado

Gg0

Bb0 b1 ESTACIN 1: Carga

Color rojo: Actuadores Color azul: Sensoresa1 aa+

Aa0

Debemos estudiar la automatizacin de una planta embotelladora en la

que se ejecutan varios procesos de forma simultnea. Descomponemos la automatizacin en unidad operativa y unidad de

control. Analizaremos qu actuadores y sensores son necesarios para la

automatizacin. Disearemos un GRAFCET que resuelva la secuenciacin de comandos. Finalmente entenderemos que la implementacin se realiza a partir de

autmatas programables.


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

mquina a travs del cilindro A. Avance de cinta: La cinta avanza una longitud con el cilindro B.

El avance de la cinta es slo a derechas; al retroceder el cilindro no hay retroceso de la cinta. Estacin de llenado: El llenado lo efecta un dosificador volumtrico controlado por el

cilindro C y una vlvula D que controla la salida del lquido. Estacin de taponado: Realiza la transferencia del tapn mediante el cilindro G y la

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

por la misma letra y con el subndice 0 1 indicando que est extendido o desplegado. El sensor E lleva un detector de presin e1 para la rosca. Actuadores:Departamento de Ingeniera Elctrica y Electrnica 20



Los elementos actuadores del sistema son: Las vlvulas de seleccin que mueven los cilindros. El sistema de enroscado. La vlvula de llenado. El control del sistema se realiza al generar las rdenes sobre los

actuadores anteriores. Estas rdenes se generan en funcin de las etapas activas y de la

informacin de los sensores. La implementacin del control,

de la parte secuencial y

combinacional recae en un autmata.

GRAFCET DEL SISTEMA:11 12

b+b1

A: cilindro de carga.22

a+ ba1*b0

c+ d+c1

32

g+g1

B: de desplazamiento. C: de dosificacin. D: de control de valv. E: de mov. tapn. F: motor de rosca tapn. G: cilindro aprox. Tapn

33

e+e1

ESTACIN 1: CARGA ESTACIN 2: DOSIFICAC. Y LLENADO

ESTACIN 3: TAPONADO 34

ee0

35

gg0

36

e+ f+e1

13

a-

23

c-

37

e-

a0*b0*c0*e0*g0


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La condicin a0*b0*c0*e0*g0 corresponde a la situacin correcta de

arranque. a0*b0*c0*e0*g0 indica tambin que los cilindros estn en la posicin

contrada, de forma que se puede comenzar el ciclo de nuevo. Ecuaciones de los actuadores: Cilindro A: Cilindro B: Cilindro C: Vlvula D: Cilindro E: Motor F: Cilindro G:

Avance: Avance: Avance: Abierto:

X12 X11 X22 X22

Retroceso: X13 Retroceso: X12 Retroceso: X23

Avance: X33+X36 Activo: Avance: X36 X32

Retroceso: X34+X37

Retroceso

X35

Se cumple que las salidas de control dependen de forma combinacional

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

concurrentes.


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BIBLIOGRAFA:

BIBLIOGRAFA: BALCELLS, Josep y ROMERAL, Jos Luis. Autmatas programables. Barcelona : Marcombo, 1997. ISBN 84-267-1089-

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

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

Sebastin. Automatizacin : problemas resueltos con autmatasprogramables. 2a. ed. Madrid : Paraninfo, 1996. ISBN 84-283-

2077-2

BIBLIOGRAFA ADICIONAL: ARNOLD, Andr (et al). Programas Paralelos. Modelos y validacin. Madrid: Paraninfo, 1994. ISBN 84-283-2059-4 SILVA, Manuel. Las Redes de Petri en la Automtica y la Informtica. Madrid: Editorial AC, 1985. ISBN 84-7288-045-1 WIENER, Richard y SINCOVEC, Richard. Programacin en

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

DOCUMENTACIN ADICIONAL:IEC 848. First Edition. 1988. International Standard.Preparation ofFunction charts for control systems. Bureau Central de la Commission

Electrotechnique Internationale


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grafcet intro

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