introducción al grafcet

CAPíTU LO
7
INTRODUCCIÓN AL
GRAFCET
7.1. El Grafcet:
Gráfico de Mando etapa/transición
235
7.2. J;re~/asde E"olllción
2.,5
7.3. Estrllctllras
2.,;r
en el Grafcet
7..,. E;fel77plos de aplicación
252
7.5. Macro-representaciones
25;r
Introducción al Grafcet
Objetivos:
.
.
.
.
Conocer métodos potentes y eficaces para el modelado de sistemas automatizados con un gran número de entradas y salidas.
Describir los distintos elementos
grafcet.
que constituyen
un diagrama
Conocer las cinco reglas del grafcet que determinan la dinámica
de los sistemas implementados con esta herramienta.
Describir las distintas estructuras básicas y lógicas que permiten
el diseño de automatismos complejos.
7.1. El Grafcet: Gráfico de Mando etapa/transición
El Grafcet es un método gráfico de modelado de sistemas basados en
automatismos de carácter secuencial. Surge como consecuencia de la
voluntad de unificar y racionalizar los lenguajes de descripción relativos a
los sistemas lógicos en general, y de los automatismos de carácter secuencial en particular. Los trabajos de investigación que han precedido y
originado este método, con total implantación en el mundo industrial de los
automatismos, fueron los trabajos de P. GIRAUD que introdujo los conceptos de receptividad y etapa, y en la misma época en EE.UU. los de Karl
Petri que, a partir de su tesis doctoral, introduce las denominadas redes de
Petri (Petri Nets).
En los controladores lógicos basados en la lógica programada, a diferencia de la fabricación en serie de un gran número de tarjetas con C.I. de
lógica TTL o CMOS, no resulta decisiva, bajo el punto de vista de los costes, buscar una serie de operaciones de control secuencial realizables con
un número mínimo de "puertas lógicas". El coste de dicha búsqueda basada en la aplicación de los métodos tradicionales Karnaugh, McCluskey,
Tablas de Fases, resulta extremadamente engorrosa, dado que una de las
características a destacar en los automatismos, sobre todo en los dedicados al control de medianos y grandes procesos industriales, es el elevado
número de variables de entrada y salida que en ellos intervienen. A consecuencia de ello, los métodos clásicos de síntesis, vistos tradicionalmente
en la electrónica digital, se muestran inadecuados para su tratamiento, ya
que la intervención de más de 5 ó 6 variables de entrada complican sobremanera su resolución.
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235
Robótica y Automática
Por otra parte, teniendo en cuenta el incesante abaratamiento de los
C.I. de memoria, la utilización de ésta puede realizarse sin excesivas obsesiones en la minimización del algoritmo de control a implementar en la
memoria del dispositivo programable, considerando que los costes en diseño para la minimización pueden resultar poco rentables en términos
comparativos.
Por lo expuesto anteriormente, el Grafcet no se aplica de partida, buscando la minimización de las funciones lógicas que modelan la dinámica
del sistema. La mejor cualidad del Grafcet radica en que es una herramienta poderosa y sobre todo metodológica, para la implementación de
los automatismos de carácter secuencia!. Mediante una aplicación adecuada presenta ciertas cualidades en los modelos que pueden implementarse, tales como:
. claridad.
. legibilidad.
.
presentación sintética.
Las principales características del Grafcet como herramienta de modelado de sistemas de eventos discretos son que:
.
Ofrece una metodología de programación estructurada "topdown" (de forma descendente), que permite el desarrollo conceptual de lo general a lo particular, descendiendo a niveles muy
precisos de descripción y descomposición (granularidad) en las
diversas tareas a llevar a cabo por el automatismo en sus distintas fases de ejecución y funcionamiento.
.
Permite la introducción del concepto de diseño estructurado, de
forma que las diversas "tareas" del automatismo se estructuran
de forma jerarquizada, mediante el forzado de eventos de modelos Grafcet jerárquicamente superiores.
7.1.1. Definición de conceptos y elementos gráficos asociados
7. 1. 1. 1. Etapa
Se define la etapa como la situación del sistema en la cual todo o una
parte del órgano de mando es invariante con respecto a las entradassalidas del sistema automatizado.
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La característica fundamental de la etapa es la inclusión intrínseca del
concepto de activación (marcado binario) y la de acción o acciones asociadas. La etapa puede estar activada o no activada (marcada o no marcada).
Gráficamente la etapa normal se representa por un rectángulo que se
numera en su interior y en la parte superior, dando de esta manera un sentido de secuencialidad a las etapas representadas (Fig. 7.1.).
Figura 7. 1. Etapa
Las etapas pueden ser:
.
Etapa normal (a): Está ligada a una transición de entrada y a otra
de salida. El concepto de Transición se definirá posteriormente.
.
Etapa de inicialización (b): las etapas de inicialización son aquellas que deberán quedar activadas al comienzo de la ejecución
del algoritmo de control. Cuando la etapa es de inicialización, el
rectángulo se representa con doble recuadro (Fig. 7.2.)
.
Etapa fuente (c): es la etapa que no posee transición de entrada.
.
Etapa sumidero (d): es la etapa que no posee transición de salida y, por tanto, no está conectada con ningún elemento de salida.
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Robótica y Automática
Figura 7.2. Tipos de etapas
7. 1.1.2. Acción asociada
Se trata de una o más posibles operaciones a realizar sobre el sistema, cuando la etapa de la cual dependen dichas operaciones se encuentra
activada. La situación de etapa activada, se indica mediante la colocación
de una marca en el interior del gráfico representativo de la etapa.
La acción o acciones elementales a realizar durante la etapa en el
sistema, vienen indicadas mediante las etiquetas, que son rectángulos
conectados a las etapas correspondientes y situados a la derecha de las
mismas. En su interior se indica, bien de forma literal, bien de forma simbólica, lo que debe realizarse (Fig 7.3.). .
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Figura 7.3. Acción asociada
Cuando la etapa está activa, se ejecutan sobre el proceso las acciones
(operaciones) elementales referenciadas (inscritas en la/s etiqueta/s correspondiente/s). Dichas acciones pueden ser clasificadas como sigue:
.
Reales: se trata de acciones concretas que se producen en el
automatismo, tales como abrir/cerrar una válvula, arrancar/parar
un motor, etc. A su vez se clasifican en:
. Internas: son acciones que se producen en el propio dispositivo
de control, tales como temporizaciones, operaciones de cuenta,
cálculos numéricos, etc.
. Externas: se producen sobre el proceso en sí, externamente
respecto del dispositivo lógico de control.
. Incondicionales: son acciones que se ejecutan con solo quedar
activadas las etapas correspondientes.
. Condicionales: son aquellas que requieren el cumplimiento de
una condición (función lógica) adicional a la propia activación de
la etapa correspondiente.
En el ejemplo de la Fig 7.4. se da el supuesto de que varias acciones
puedan estar asociadas a una etapa concreta: puede darse el caso de que
alguna acción pueda estar condicionada, además, al cumplimiento de una
función booleana. La tarea de abrir la válvula n21 se ejecutará incondicionalmente, una vez se active la etapa correspondiente asociada, pero la
acción cerrar válvula n22 necesita, además, que se cumpla la condición
x='1'.
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Figura 7.4. Acción condicional
.
Virtuales
No se realiza ninguna acción sobre el sistema; suelen utilizarse como
situaciones de espera a que se produzcan determinados eventos o se
activen determinadas entradas al sistema, que permitan la evolución del
proceso. En estas etapas la etiqueta esta vacía o sin etiqueta. El estado de
activación de una etapa se indica gráficamente, mediante la colocación de
una señal de testigo (token) en el interior de la etapa.
En la Fig 7.5., los casos (a), (b), (c), y (d), son representaciones equivalentes de una misma etapa de carácter condicional.
Figura 7.5. Representaciones
240
de etapas condicionales
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al Grafcet
Una etapa no activa puede ser, a su vez, inactiva o activable. La diferencia entre ambas viene dada debido a que en la etapa activable la transición inmediata anterior está validada; y lo está porque la etapa inmediata
anterior está activa.
Por todo ello, una etapa es actívable cuando está activa la etapa precedente.
7.1.1.3. Transición y receptividad
El concepto de transición se asocia a la barrera existente entre dos
etapas consecutivas y cuyo franqueamiento hace posible la evolución del
sistema. A toda transición le corresponde una condición de transición o
función lógica booleana que se denomina receptividad, y que puede ser
verdadera o falsa.
Se dice que la transición está validada, cuando la etapa o etapas inmediatamente precedentes a la transición están activadas. El franqueamiento de la transición se producirá si, y sólo si, la transición está validada
y la receptividad es verdadera.
Gráficamente se representa mediante un segmento de recta dispuesto
ortogonalmente al arco, según se indica en la Fia 7.6.
Figura 7.6. Transición
La receptividad puede escribirse de forma literal, o de forma simbólica;
y debe situarse a la derecha del símbolo gráfico de la transición
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Robótica y Automática
En la Fig 7.7. se han dispuesto diversas maneras de escritura de la
receptividad:
.
.
.
Caso a: Forma literal.
Caso b: Forma simbólica.
Caso e: Forma especial de indicar receptividad siempre verdadera.
. Caso d: En la receptividad se toma en cuenta el flanco de subida
asociado a la variable h.
. Caso e: En la receptividad se toma en cuenta la activación simultánea de ambos flancos descendentes asociados a las variables a y c.
. Caso t. En este caso se toma en cuenta el flanco ascendente
coincidente con el final de la temporización.
Figura 7.7. Formas de representar la receptividad
Por otra parte, las transiciones pueden clasificarse en:
.
Transición fuente: si no está ligada a una etapa anterior.
.
Transición sumidero: si no está ligada a una etapa posterior.
I
L242
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Introducción al Grafcet
Este tipo de transiciones se suelen utilizar, por motivos de simplificación y clarificación en la escritura de los diagramas, cuando es necesario
representar el modelo del sistema mediante hojas aparte.
7.1.1.4. Arco
Un arco es un segmento de recta que une una transición con una etapa o viceversa, pero nunca elementos homónimos entre sí. Obligatoriamente ha de cumplirse la alternancia entre etapas y transiciones (Fig 7.8.)
Figura 7.8. Etapas y transiciones
Los arcos pueden representarse en sentido vertical y horizontal al
construir los diagramas, si bien los arcos verticales quedarán orientados
mediante una flecha en el caso que su sentido sea ascendente.
Vistos los elementos básicos que intervienen en un diagrama Grafcet,
podemos introducir un primer ejemplo de modelado que servirá de ayuda
al lector para fijar conceptos. Para ello hemos seleccionado un sencillo
dispositivo de arranque y parada de un motor.
.
Ejemplo nQ1
Se dispone de un motor junto con dos pulsadores de arranque A, y
parada P.
En un primer momento consideramos la situación de parada del motor,
que asociaremos con la propia etapa de inicialización. Cuando en situación
de reposo asociada a la inicialización, pulsamos A reunimos las condiciones de franqueamiento de la primera transición (Ea = '1', A = '1') con lo
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243
Robótica y Automática
cual, de inmediato, pasa a activarse la etapa 1. El motor volverá a la situación de parada con solo actuar sobre el pulsador P.
Figura 7.9. Ejemplo
7.1.1.5. Trazos paralelos
Se utilizan para representar varias etapas cuya evolución está condicionada por una misma transición (Fig. 7.10.). Los trazos paralelos se utilizarán para la implementación del concepto de concurrencia entre subprocesas.
Figura 7.10. Trazos paralelos
244
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al Grafcet
7.2. Reglas de Evolución
La dinámica evolutiva del Grafcet viene dada por un conjunto de reglas
que pasamos a enunciar seguidamente. También realizaremos una serie
de definiciones que nos ayudará a analizar el comportamiento del sistema.
Todo ello nos va a permitir hacer un seguimiento de las marcas, a través
del diagrama funcional.
No se produce franqueamiento
por no estar validada la transición
No se produce franqueamlento
por no ser cierta la CondIcIón
I
-
~
a+b =1
.
.
Figura 7.11. Reglas de evolución
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245
Robótica y Automática
7.2.1. Condiciones evolutivas: las cinco reglas del Grafcet
Las cinco reglas que se describen seguidamente, definen la dinámica
evolutivade los sistemas modeladosmediante esta herramienta.
. Regla n01
La situación inicial de un Grafcet, caracteriza el comportamiento inicial
de la Parte de Control frente a la Parte Operativa, el operador o los elementos exteriores. Se corresponde con las Etapas activadas al principio
del funcionamiento y se corresponde en general con una situación de reposo.
La etapa/s de inicialización se activan de forma incondicional.
. Regla n02
Una transición se dice validada cuando todas las etapas inmediatamente precedentes, unidas a dicha transición, están activadas.
El franqueamiento de una transición se produce:
. Cuando la transición está VALIDADA, y
. Cuando la RECEPTIVIDAD asociada a dicha transición es VERDADERA.
Una transición puede estar:
. validada
. no validada
. liberada(franqueada).
Una etapa se define como activable, si la transición precedente está
validada.
. Reglan03
El franqueamiento de una transición tiene como consecuencia la activación de todas las etapas siguientes inmediatas, y la desactivación de las
inmediatas precedentes.
246
UPV-CFP
Introducción al Grafcet
.
Regla nQ4
Transiciones conectadas en paralelo franqueables, se franquean de forma simultánea si se cumplen las condiciones para ello.
La regla de franqueamiento simultáneo permite
la descomposición de un Grafcet en varios diagramas, de forma que asegura rigurosamente su sincronización. En este caso, es indispensable hacer
intervenir en las receptividades los estados activos
de las etapas.
"""¡""ln'2
t5
[t
i
-+-Tn
[:J
i
.
Reglan!!5
Si durante su funcionamiento una misma etapa
es simultáneamente activada y desactivada, deberá
mantenerse activada.
[!J
+:0
;
Figura 7.12.
Secuencia única
7.3. Estructuras
en el Grafcet
Consisten en una serie de estructuras que dotan al Grafcet de una
gran capacidad de representación gráfica de los automatismos. A grandes
rasgos pueden ser clasificadas en estructuras básicas y lógicas. Las básicas atienden a conceptos tales como secuencialidad y concurrencia, y
permiten realizar el análisis del sistema mediante su descomposición en
subprocesos. Las estructuras lógicas atienden a conceptos de concatenación entre sí de las anteriores estructuras.
7.3.1. Estructuras básicas
7.3.1.1. Secuencia única
Una secuencia única está compuesta de un conjunto de etapas que
van siendo activadas, una tras otra, sin interacción con ninguna otra estructura. En la secuencia única, a cada etapa le sigue una sola transición y
cada transición es validada por una sola etapa (Fig- 7.12.).
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La secuencia se dice que está activa, si una de sus etapas lo está. Se
dice inactiva, si todas sus etapas lo están.
7.3.1.2. Secuencias paralelas
Se denominan secuencias paralelas al conjunto de secuencias únicas
que son activadas de forma simultánea por una misma transición. Después de la activación de las distintas secuencias su evolución se produce
de forma independiente (Fig.7.13.).
Figura 7.13. Secuencias paralelas
7.3.2. Estructuras lógicas en el Grafcet
Las estructuras lógicas OA y ANO son utilizadas para realizar el modelado de los conceptos de secuencias exclusivas y secuencias concurrentes respectivamente. Mediante la utilización de dichas estructuras se
contribuye especialmente a dotar al modelo de un aspecto legible, ya que
los conceptos de se.cuencialidad y concurrencia pueden ser implementados e identificados de inmediato con gran facilidad. Por ello pasamos seguidamente a realizar un análisis funcional de estas estructuras.
248
UPV-CFP
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al Grafcet
7.3.2.1. Divergencia en OR
La etapa n pasa a ser activa si, estando activa la etapa n-1, se satisface la receptividad de la transición a.
La etapa n+1 pasa a ser activa si, estando activa la etapa n-1 se satisface la receptividad de la transición b (Fig-7.14.).
Figura 7.14. Divergencia en OR
Esta estructura lógica debe utilizarse cuando de lo que se trata es de
modelar la posibilidad de tomar dos o más secuencias alternativas a partir
de una etapa común. El Grafcet permite el franqueamiento simultáneo de
las transiciones participantes, de modo que puedan dispararse de forma
concurrente. No obstante esta estructura no es la más adecuada para la
implementación de la concurrencia, debido a los problemas de sincronismo
posterior que introduce. Para el caso de tener que modelar la actuación
concurrente de dos o más subprocesos, el Grafcet posee otra representación más adecuada que se verá en otro apartado.
7.3.2.2. Convergencia en OR
La etapa n pasa a ser activa si, estando activa la etapa n-1, se satisface la receptividad de la transición a; o si, estando activa la Etapa n-2, se
satisface la receptividad de la transición b (Fig. 7.15.).
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-
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y Automática
Figura 7.15. Convergencia en OR
7.3.2.3. Divergencia en ANO
Las etapas n+1 y n+2 pasan al estado activo, si estando activa la etapa n se satisface la receptividad de la transición f cuya receptividad es d+c
(Fig.7.16.)
Mediante esta estructura lógica se implementa el concepto de concurrencia y sincronismo, de forma que dos o más subprocesos del sistema,
representados por las secuencias paralelas, pueden activarse de forma
sincronizada; y después de esto evolucionar concurrentemente de forma
independiente.
Figura 7.16. Divergencia en ANO
7.3.2.4. Convergencia en ANO
La etapa n pasa al estado activo, si estando las etapas n-1 y n-2 activas, se satisface la receptividad f (Fig. 7.17.)
250
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al Gratcet
Figura 7.17. Convergencia en ANO
7.3.2.5. Saltos Condicionales
En el Grafcet de la Fig. 7.18(a), se producirá un salto de la etapa n a la
etapa n+i+1, si la receptividad representada por la variable A es A=O. Si
A=1 se prosigue la secuencia n, n+1, n+2, etc.
En la Fig. 7.18(b), se producirá una repetición de la secuencia de etapas n, n+1,n+2, ...,n+i , en forma de bucle, mientras se mantenga el valor
de la variable O en 0=0.
Figura 7.18. (a) Salto condicional; (b) Bucle
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Robótica y Automática
7.4. Ejemplos
de aplicación
Para la utilización de las distintas estructuras anteriormente referidas,
y para que el lector pueda comprobar la flexibilidad del Grafcet, en el modelado de sistemas basados en eventos discretos, plantearemos el siguiente proceso basado en dos carretillas que se desplazan, bajo demanda, a derecha e izquierda a lo largo de unos carriles. Cuando se alcanza el
final de recorrido (b, d), se inicia de inmediato el camino de vuelta a la situación inicial (a, c). Variando sucesivamente las condiciones de funcionamiento, se seleccionarán las estructuras adecuadas para su modelado.
.
Primer supuesto: el accionamiento de los pulsadores m1 o m2 deberá
iniciar, de forma selectiva, el ciclo correspondiente de cada una de las
carretillas C1 o C2. La restricción que se impone es que únicamente
una carretilla debe estar funcionando en cada solicitud. También inicialmente se supone que el accionamiento simultáneo de los dos pulsadores no puede ocurrir.
Figura 7.19. Ejercicio
El modelo del sistema según las especificaciones
establecidas sería:
Figura 7.20. Modelo requerido (supuesto 1)
252
UPV-CFP
Introducción al Grafcet
.
Segundo supuesto: sincronismo en el inicio de funcionamiento. En
esta ocasión se desea que el funcionamiento de ambas carretillas se
inicie por el accionamiento de un solo pulsador m. Se contempla la posibilidad de distintas velocidades de funcionamiento de cada una de las
carretillas. La única restricción que se impone es que para cada ciclo
de funcionamiento, ambas carretillas han de estar situadas en su posición inicial (a, c).
Figura 7.21. Ejercicio
Un posible modelo del funcionamiento
requerido sería:
Figura 7.22. Modelo requerido (supuesto 2)
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Otra posible alternativa de modelado, utilizando el concepto de acciones condicionadas sería:
Figura 7.23. Modelo usando acciones condicionadas
Otro modelo que cumplirá las especificaciones de diseño, utilizando
etapas con acciones virtuales en operaciones de espera:
Figura 7.24. Modelo utilizando acciones virtuales
254
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A partir del concepto de paralelismo estructural quedaría:
Figura 7.25. Modelo usando paralelismo estructural
.
Tercer supuesto: en esta ocasión se desea que el sincronismo se
extienda a la operación de regreso de ambas carretillas. Debe contemplarse una situación de mutua espera de las carretillas en (b, d) antes
de iniciar el regreso simultáneo a la situación inicial (a, c). Véase figura
Fig.7.26.
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y Automática
:3l
LJ
--r-
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I:i~~
Figura 7.26. Modelo requerido (supuesto 3)
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Introducción
al Grafcet
7.5. Macro-representaciones
El objeto de las macrorepresentaciones es la búsqueda de la simplicidad (Iegibilidad) en los diagramas, con tal que puedan realizarse diversos
niveles de representación del sistema, adecuadas a las distintas fases de
diseño que todo proceso requiere. Esta idea persigue que la complejidad
asociada a los modernos sistemas automatizados puedan reducirse, evitando que conceptos de tipo general puedan ser enmascarados por la
profusión de análisis exhaustivos de mayor detalle, cuya especificación
puede quedar reseñada en documentación aparte.
7.5.1. El concepto de macro-etapa: repetición de secuencias
Un conjunto de etapas, cuya aparición puede repetirse en varias ocasiones a lo largo del diagrama Grafcet, puede ser representado de forma
compacta según puede verse en la Fig. 7.27.. Esta forma de representación recibe el nombre de macroetapa. Su utilización persigue el objetivo de
simplificar los modelos susceptibles de ser representados y que contienen
secuencias repetidas de un mismo conjunto de etapas y transiciones. De
esta forma sólo habrá que detallar de forma explícita la secuencia una sola
vez. Asimismo, su utilización permite el ahorro de código a implementar en
los programas de los controladores lógicos programables.
La macro-etapa es una representación simbólica de un conjunto de
etapas y transiciones. Este conjunto de etapas y transiciones representa.;
das por la macro-etapa recibe el nombre de expansión de la macro-etapa.
La expansión de la macro-etapa posee una única etapa de entrada y una
única etapa de salida y constituyen los únicos lazos de unión con el Grafcet al que pertenecen.
La macro-etapa responde a las reglas siguientes:
.
La expansión de la macro-etapa comporta una etapa de entrada,
E, y una etapa de salida S.
. El franqueamiento de una transición inmediatamente precedente
a la macro-etapaactivala etapade entrada(E) de su expansión.
.
La etapa de salida S participa en la validación de las transiciones
inmediatas y posteriores a la macro-etapa.
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T
I
Robótica y Automática
I
I
7.5. 1. 1. Representación
de la maGro-etapa
I
Su representación viene dada por un cuadrado dividido en tres partes
(Fig. 7.27.)
Figura 7.27. Macro-etapa
Resumen:
El Grafcet es un derivado de las redes de Petri binarias e interpretadas, utilizándose como método de modelado de sistemas de producción
automatizados, al igual que como lenguaje de programación de Autómatas
Programables Industriales.
Las etapas llevan asociadas acciones (salidas) sobre el sistema, las
transiciones llevan asociadas entradas del sistema.
El concepto de secuencialidad lleva aparejado el concepto de diseño
top-down, de descomposición granular de las distintas micro-operaciones a
realizar en el sistema.
258
UPV-CFP
Introducción al Grafcet
Las estructuras lógicas, divergencias, convergencias, etc., permiten
establecer de forma gráfica y legible las interrelaciones de los subprocesos
existentes en el funcionamiento del sistema.
La macro-etapa permite la realización de modelos más simples y legibles; y por lo tanto de mejor mantenimiento posterior.
Referencias bibliográficas:
.
Blanchard M. Camprendre maltriser et appliquer le Grafcet. Cépadues - Éditions, 1987.
. Groupe Equipement de Production Automatisée réuni á rADEPA. Le
Grafcet: de Nauveaux Cancepts. Cépadues - Éditions, 1991.
. Groupe G7W ADEPAlAFCET. Le Grafcet. Cépadues - Éditions,
1991.
. David, R, Halla, H. Petri Nets & Grafcet: Taals far madelling discrete
eventsystems.Prentice-HalllnternationalEditions,1992.
UPV-CFP
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