Diseño de Automatismos mediante el GRAFCET 1. Introducción. 2. Definición de elementos gráficos. 2.1. Etapa. 2.2. Acción asociada. 2.3. Transición y Receptividad. 2.4. Arco. 2.5. Trazos paralelos. 3. Condiciones evolutivas. 3.1. Implementación del GRAFCET en un PLC. 4. Estructuras en el GRAFCET. 4.1. Estructuras básicas. 4.2. Estructuras lógicas. 4.3. Saltos condicionales. 4.4. Macroetapas. 5. Ciclos de ejecución. 6. Ejemplo.
1. Introducción El GRAFCET es un método de análisis y diseño de automatismos. En los automatismos intervienen un elevado número de variables de entrada, lo que hace que sea un problema intratable para el diseño clásico con puertas lógicas. En la implementación de dispositivos basados en Lógica Programada no resulta ya rentable buscar una ley de mando con un número mínimo de “puertas lógicas”. El coste de dicha búsqueda excede al de la memoria disponible en el dispositivo programable, ya que esta experimenta abaratamientos constantes debido al alto nivel de integración alcanzados con los avances tecnológicos en la microelectrónica. El GRAFCET no busca la minimización de las funciones lógicas que representan la dinámica del sistema, bien al contrario su potencia radica precisamente en que impone una metodología rigurosa y jerarquizada de solución de problemas, evitando así las incoherencias, los bloqueos o los conflictos durante el funcionamiento del automatismo. Las principales características del GRAFCET son: - Claridad, legibilidad y presentación sintética. - Ofrece una metodología de programación estructurada, “top -down” (de forma descendente) que permite el desarrollo conceptual de lo general a lo particular. - Introduce un concepto de “tarea” de forma jerarquizada.
2. Definición de elementos gráficos Se definen los siguientes elementos gráficos en el GRAFCET: - Etapa. - Acción asociada. - Transición y Receptividad. - Arco. - Trazos paralelos.
2.1 E tapa Se define como la situación del sistema que representa un estado invariante con respecto a las entradas y salidas del sistema automatizado.
Gráficamente se representa por un rectángulo que se numera en su interior dando de esta manera una secuencialidad a las etapas representadas.
10
0
Cuando la etapa es de inicialización, el rectángulo se representa con doble línea.
2.2 Acción asociada La acción o acciones elementales a realizar durante una etapa, vienen indicadas mediante etiquetas. Se representan mediante rectángulos conectados a las etapas correspondientes y situados a la derecha de las mismas.
10
Abrir válvula
Se dice que la etapa está activa, cuando se ejecutan sobre el proceso las tareas elementales programadas. Las acciones asociadas se pueden clasificar como: -
Reales: acciones concretas que se producen en el automatismo: - Internas: acciones que se producen en el interior del dispositivo de control, tales como temporizaciones, contéos. - Externas: acciones que se producen sobre el proceso en si, tales como abrir/cerrar una válvula, arrancar/parar un motor.
-
Virtuales: no se realiza ninguna acción sobre el sistema, suelen utilizarse como situaciones de espera a que se produzcan determinados eventos (activación de determinadas señales) que permitan la evolución del proceso. En estas etapas la etiqueta está vacía o no hay.
-
Incondicionales: acciones que se producen con solo quedar activada la etapa correspondiente.
x 10
Abrir válvula nº1
Abrir válvula nº2
-
Condicionales: acciones que requieren el cumplimiento de una condición adicional además de la propia activación de la etapa correspondiente.
Puede haber diferentes tipos de acciones asociadas a una misma etapa. El estado de activación de una etapa, se indica gráficamente, mediante la colocación de una señal testigo (token) en el interior de la etapa. Dicho testigo irá avanzando por las etapas conforme vaya ejecutándose el automatismo. Una etapa no activa puede ser a su vez activable o inactiva dependiendo de si la etapa precedente está activa o no.
2.3 Transición y Receptividad El concepto de transición se asocia a la barrera existente entre dos etapas consecutivas y cuyo franqueo hace posible la evolución lógica del automatismo. A toda transición le corresponde una receptividad, que es la condición lógica necesaria para que se produzca el paso de una etapa a la siguiente; si bien este se producirá siempre que además la etapa precedente esté activa. La condición lógica viene expresada mediante una función lógica booleana. Gráficamente se representa mediante dos segmentos perpendiculares, junto a la correspondiente condición lógica de la receptividad.
10
Transición nº10
2.4 Arco Un arco es un segmento de recta que une una transición con una etapa o viceversa, pero nunca elementos homónimos entre sí.
10
Transición nº10 11
2.5 Trazos paralelos Se utilizan para representar a varias etapas cuya evolución está condicionada por una misma transición.
17
18
a·b+c
19
20
3. Condiciones evolutivas La dinámica evolutiva del GRAFCET viene dada por un conjunto de reglas que nos permitirán hacer un seguimiento de las señales testigo (token), a través del diagrama funcional.
Una etapa puede ser activa, inactiva o activable, y su evolución viene dada por el gráfico siguiente:
Activa
Si se satisface la receptividad
Si se activa la etapa posterior
Activable
Inactiva
Si se activa la etapa anterior
Reglas: - La etapa de inicialización se activa de forma incondicional. - El franqueamiento de una transición, tiene como consecuencia la activación de la/s etapa/s siguiente/s, y el paso a inactiva/s de la/s precedente/s. - Transiciones conectadas en paralelo que sean franqueables, se franquean de forma simultánea si se cumplen las condiciones para ello. - Si una etapa es activada y desactivada simultáneamente, permanecerá activada. - Una transición se define como validada, si todas las etapas que le preceden son activas. - Una etapa se define como activable, si la transición precedente está validada. - Una transición puede estar: validada, no validada y liberada (franqueada).
3.1 I mplementación del GRAF CE T en un PL C La implementación de un autómata programable (PLC) consiste en la programación de las ecuaciones lógicas del automatismo (mediante diagrama de contactos o en lenguajes propios del PLC). Puesto que el PLC ejecuta una tras otra las ecuaciones, para su correcta ejecución de deben programar en un orden determinado. La ejecución del programa en un PLC consiste en: 1. Leer las variables de entrada. 2. Evaluar las ecuaciones de actualización de los estados. 3. Evaluar las ecuaciones de salida. 4. Fin de ciclo (volver al paso 1). Ecuaciones de activación de cada una de las etapas:
En
-
Set n
E n ·Reset n
Set n : Condición de activación de la etapa n (que este activada la etapa o etapas precedentes y se cumplan sus receptividades).
-
Resetn : Condición de desactivación de la etapa n (que se active la etapa o etapas precedentes).
Ecuaciones de activación de las salidas: una salida estará activada si está activada alguna de las etapas donde aparezca dicha salida como acción asociada. Si además la acción asociada es condicional, además se multiplicará la etapa por dicha condición para activar dicha salida. Activación de la etapa inicial (E0): Los PLC’s disponen de una señal de Start (SM2) que sólo se activa durante el primer ciclo de ejecución permitiendo la inicialización del automatismo.
E0
Set 0
E 0 ·Reset0
Start
4. Estructuras en el GRAFCET 4.1 Estructuras básicas Permiten realizar el análisis del sistema mediante su descomposición en subprocesos. Secuencia única: está compuesta de un conjunto de etapas que van siendo activadas una tras otra, sin interacción con ninguna otra estructura. - A cada etapa le sigue una sola transición y cada transición es validada por una sola etapa. - La secuencia estará activa, si una de sus etapas lo está. Y estará inactiva si todas sus etapas lo
están.
Secuencias paralelas: son aquellas 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.
4.2 E structuras lógicas Divergencia en OR : nos permite optar por secuencias alternativas cuando el automatismo así lo requiere. - La etapa n pasa a ser activa si, estando activa la etapa n 1 se satisface la receptividad de la
n 1 En
a n
b n+1
1
En En
Set n En
1
1
En
1
a 1
En En
b
En
1
En
1
Reset n
En
1
Reset n
1
-
transición a. La etapa n+1 pasa a ser activa si, estando activada la etapa n 1 se satisface la receptividad de la transición b.
Convergencia en OR : se utiliza cuando se puede llegar a una misma etapa desde diferentes situaciones. - La etapa n pasa a ser activa, si estando activa la etapa n 1 se satisface la receptividad de la
n 1
n 2 c
d
En
1
Set n
En
2
Set n
En
En
1
En
1
En
2
c
En
En
1
En
2
2
d
En
Reset n
n
Set n
transición c, o si estando activada la etapa n 2 se satisface la receptividad de la transición d . Divergencia en AND: se utiliza para activar simultáneamente dos o más secuencias paralelas.
-
Las etapas n+1 y n+2 pasan al estado activo, si estando activa la receptividad de la transición f .
etapa n se satisface la
Convergencia en AND: permite la convergencia de dos o más secuencias paralelas.
n En
n+1
-
n+2
Set n
En
En
En
1
E n f
En
En
2
E n f
En
1 2
1
En
2
Reset n Reset n
1 2
La etapa n pasa al estado activo, si estando las etapas n 1 y n 2 activas, se satisface la receptividad de la transición f .
4.3 Saltos condicionales n el GRAFCET de la figura 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=0. En caso contrario ( A=1) se prosigue la secuencia normal: n, n+1, n+2, etc. Figura a
Figura b
n
n A
A n+1
n+1
B
B
n+2
n+2 D C
n+3
n+i G
n+i+1
D n+4
En el GRAFCET de la figura b, se producirá la repetición de las etapas n, n+1, n+2, n+3 mientras se mantenga el valor de la variable D en D=0.
4.4 Macroetapa Un conjunto de etapas cuya aparición puede repetirse a lo largo del diagrama GRAFCET, puede ser representado mediante una macroetapa. De esta forma sólo habrá que detallar de forma explícita la secuencia una sola vez. Una macroetapa se representa con un rectángulo con bordes verticales de doble trazo y conteniendo los números de la etapa inicial y final.
5 a 6
15-20 b
7
c 8 d 9
15-20
e 10
5. Ciclos de Ejecución Dependiendo de las características del automatismo, éste requerirá distintas modalidades de ejecución de ciclo, de tal forma que podemos tener ciclos ininterrumpidos, ciclos interrumpidos bajo determinadas condiciones al principio de su ejecución, etc. Atendiendo a diversos criterios los ciclos de ejecución pueden clasificarse en:
5.1 Marcha ciclo a ciclo Para cada nueva ejecución, se requiere la inicialización del mismo por parte del operario que está al cargo del sistema.
0
Visor de encendido
Ac·Ci 1
Ciclo
n
Ac = Arranque del ciclo Ci = Condiciones iniciales fin
5.2 Ciclo único Se ejecuta una sola vez, aunque se mantenga accionada la orden de arranque.
0
Visor de encendido
Ac·Ci 1
Ciclo
n fin n+1 Ac Ac = Arranque del ciclo Ci = Condiciones iniciales
5.3 Marcha automática/Parada de ciclo: El ciclo se repite automáticamente tras su arranque, hasta que se active una señal de parada tras lo cual, el ciclo en curso acabará su ejecución y se detendrá.
0
Visor de encendido
19
E20·Ci
Parada
1 Ac·Ci 20
Marcha automática
Ciclo
Pc n fin Ac = Arranque del ciclo Ci = Condiciones iniciales Pc = Parada de ciclo
5.4 Marcha automática/Marcha ciclo a ciclo El ciclo se inicia por la actuación so bre la señal de “arranque de ciclo”. El bloqueo se producirá actuando nuevamente sobre dicha señal.
0
Ac·Ci 1
Ciclo
finauto n finciclo a ciclo
Ac = Arranque del ciclo Ci = Condiciones iniciales
6. Ejemplos Ejercicio 1:
Un grupo moto-bomba lleva agua a un depósito a partir de estanques de reserva. El grupo deberá arrancar o pararse automáticamente en función de los niveles de agua del depósito (S2 bajo, S1 alto). Diséñese el diagrama funcional GRAFCET del sistema.
Ejercicio 2:
Realizar el diagrama funcional de un automatismo, para el control de acceso a un túnel que es compartido por dos vías recorridas por trenes en sentidos contrarios.
Ejercicio 3:
-
-
-
-
-
El sistema de la figura se trata de un proceso compuesto por un brazo-robot, una máquina envasadora y tres cintas transportadoras. Las condiciones de funcionamiento son las siguientes: La cinta C1 suministra piezas de forma aleatoria al robot. Dispone de un sensor de posición S1 de aviso de llegada de pieza. La cinta se ha de detener si llega una pieza y el robot no está disponible. La cinta C2 recoge las cajas empaquetadas y las transporta a su destino final. Dispone de un sensor de posición S2 de aviso de llegada de una caja a la cinta, tras lo cual la cinta se pone en marcha durante 10 seg. La cinta C3 suministra cajas vacías al robot. Dispone de un sensor de posición S3 de aviso de llegada de caja. Cuando la caja es retirada por el robot la cinta arranca hasta situar una nueva caja en posición. El robot recoge las piezas de la cinta C1 y las coloca en la caja situada en la cinta C3. Una vez la caja llena con seis piezas, el robot la coge, la lleva a la envasadora y espera a que ésta termine. Cuando la caja está empaquetada el robot la vuelve a coger y la deposita sobre la cinta C2. El robot dispone de una señal DR, que advierte que está en disposición de coger una nueva pieza. La empaquetadora dispone de un sensor de posición Se para detectar de la presencia de una caja para empaquetar; además dispone de una señal DE que advierte que está en disposición de empaquetar una nueva caja.
DR
S2
DE C2 S1 Se C1 S3
C3
Ejercicio 4: Túnel de pintado
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Sensores: F1: Sensor de peso instalado en la grúa (F1=1 si el Peso > Peso mínimo). F2 ... F8: Sensores de posición (Fx=1, si se detecta presencia).
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Accionadores: Motor 1: (MS=1 sube la grúa, MB=1 baja la grúa, MS=MB=0 parado). Motor 2: (MA=1 avanza la grúa, MR=1 retrocede la grúa, MR=MA=0 parado).
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Automatismo: El proceso comienza, estando la grúa en F2 y F4 (posición inicial en la zona de carga), se detecta peso de una pieza en el sensor F1. La pieza tiene que pasar por todos los tanques sucesivamente. Para pasar de un tanque a otro la grúa debe subir, avanzar hasta el siguiente tanque y bajar. Cuando se llega a la zona de descarga (F2 y F8) la grúa debe esperar a que le desenganchen la pieza, cuando el sensor F1 ya no detecta peso la grúa debe regresar a la zona de carga (subir, retroceder y bajar) volviendo al estado inicial.
Ejercicio 5: Control de un tanque
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Sensores: Tok = 1 (si la temperatura está en el rango correcto). Nok = 1 (si el nivel está `por encima de un nivel máximo). Nmin = 1(si el nivel está por encima de un nivel mínimo). Accionadores: V1 y V2 = 1 (Válvulas abiertas). PIDon = 1 (Control PID de temperatura en marcha). Ag = 1 (Agitador en marcha). Funcionamiento del proceso: Si Nmin=0 no debe funcionar el PID ni el agitador ( para prevenir averias). El punto de operación normal del proceso consiste en V1=V2=1 (válvulas abiertas) y el control de temperatura activado. Para modificar los niveles se pueden utilizar V1 y V2. Si la temperatura no es la correcta no debe abrirse V2.
