GRAFCET Estructuras Para Su Programacion

Sistemas de Automatización, Tema 4: GRAFCET. Diseño e implantación en autómatas

15/05/2009

Vicente Arévalo, Dpto. de Ingeniería de Sistemas y Automática 1

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emas Tema 4: GRAFCET. Diseño e

implantación en autómatasSistemas de Automatización

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Vicente Aré[email protected]

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Temario

1. Introducción a los automatismos.2. Autómatas programables industriales.3. Método clásico de diseño de automatismos.4. GRAFCET. Diseño e implantación en autómatas:

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4. GRAFCET. Diseño e implantación en autómatas:– Introducción.– Conceptos básicos:

• Elementos del GRAFCET.• Estructuras básicas.

– Reglas de evolución.– Ejemplos.– Sistemas con varios GRAFCETs:

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• GRAFCETs parciales y globales.• Jerarquía y forzado.• Macroetapas.

5. Introducción a la robótica*.


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Introducción (I)

• Definición:– El GRAFCET (Graphe de Commande Etape-Transition) es un método

gráfico, evolucionado a partir de las redes de Petri, que permite representar sistemas secuenciales (o automatismos) complejos.

• Automatismos con varias etapas simultáneas

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• Automatismos con varias etapas simultáneas.

– Surge, fundamentalmente, por las dificultades que comportaba la descripción de estos automatismos con diagramas de flujo o listas de instrucciones.

– Se utiliza para explicar cualquier cosa que sea secuencial, no sólo automatismos:

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• una receta de cocina, • un plan de estudios,• etc.


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Introducción (II)

• Un poco de historia:– En el año 1977 nace, desarrollado en un grupo de trabajo de la

AFCET (Association Française pour la Cybernétique Economique et Technique), el GRAFCET (Graphe de Commande Etape-Transition).

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– En el año 1982 se crea la norma francesa UTE NF C 03-190(Diagramme fonctionnel "GRAFCET" pour la description des systèmes logiques de commande).

– En el año 1988 se crea, reconociéndolo internacionalmente, la normal IEC-848 (Preparation of function charts for control systems) con el nombre de Function Chart.

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• La norma IEC-848 no reconoce el nombre GRAFCET porqué las traducciones pueden dar lugar a ambigüedades.

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Introducción (III)

• Principios del GRAFCET:– Un GRAFCET es una sucesión de etapas.

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Introducción (III)


• Las etapas iniciales se activan en la puesta en marcha y se representan con doble línea.

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Introducción (III)



Cada etapa tiene unas acciones asociadas

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emas – Cada etapa tiene unas acciones asociadas.

• Las acciones se ejecutan sólo si la etapa se activa.

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Introducción (III)




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• Las acciones se ejecutan sólo si la etapa se activa.– Entre dos etapas hay una transición.

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Introducción (III)




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• Las acciones se ejecutan sólo si la etapa se activa.– Entre dos etapas hay una transición.– A cada transición le corresponde una receptividad, es decir, una

condición que se ha de cumplir para pasar la transición.

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Introducción (III)ng

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ría d

e Si

stem

as – Cada etapa tiene unas acciones asociadas.• Las acciones se ejecutan sólo si la etapa se activa.

– Entre dos etapas hay una transición.– A cada transición le corresponde una receptividad, es decir, una

condición que se ha de cumplir para pasar la transición.

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Introducción (y IV)

• Capacidad de especificación del GRAFCET:– El GRAFCET puede utilizarse para describir los tres niveles de

especificación de un automatismo, estos son:• Descripción funcional GRAFCET de nivel 1:

Descripción global (poco detallada) del automatismo que permita comprender

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– Descripción global (poco detallada) del automatismo que permita comprender rápidamente su función.

– No debe contener ninguna referencia a las tecnologías utilizadas.

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• Descripción tecnológica GRAFCET de nivel 2.• Descripción operativa GRAFCET de nivel 3.


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especificación de un automatismo, estos son:• Descripción funcional GRAFCET de nivel 1.

D i ió t ló i GRAFCET d i l 2

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emas • Descripción tecnológica GRAFCET de nivel 2:

– Descripción a nivel operativo y tecnológico del automatismo, es decir, las tareas a realizar y las diferentes tecnologías utilizadas para ello.

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• Descripción operativa GRAFCET de nivel 3.

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especificación de un automatismo, estos son:• Descripción funcional GRAFCET de nivel 1.

D i ió t ló i GRAFCET d i l 2

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Sist

emas • Descripción tecnológica GRAFCET de nivel 2.

• Descripción operativa GRAFCET de nivel 3:– Descripción del automatismo, es decir, la evolución del estado del automatismo y

la activación de las salidas en función del estado actual y las entradas.

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Elementos del GRAFCET (I)

• Etapas:– Caracteriza el comportamiento invariante de una parte (o totalidad) del

sistema representado.– Tipos:

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emas • Iniciales:

– Corresponde al estado en el que se ha de encontrar el sistema al poner en marcha, al conectar la alimentación, a una situación de reposo o de parada segura, etc.

• Normales.

– Cuando representamos un estado concreto del automatismo una etapa puede estar:

• Activa o

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Activa o • Inactiva.

– Un GRAFCET puede tener varias etapas (iniciales o normales) activas simultáneamente.


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Elementos del GRAFCET (I)

• Etapas:– Se representan mediante cuadrados:

• con línea doble las iniciales y • con línea sencilla las normales.

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y para indicar que una etapa está activa:• Se utiliza un punto debajo del identificador entero o• Se colorea el interior del cuadrado.

– Se etiquetan con números enteros

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Se etiquetan con números enteros• La numeración debe ser única en todo el GRAFCET.

– La entrada a una etapa es siempre por la parte superior y la salida por la parte inferior.

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Elementos del GRAFCET (II)

• Transiciones:– Representan la capacidad de evolución de una etapa a la siguiente.– Tipos:

• Válida:

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emas – Si las etapas que la preceden están activas.

• Franqueable:– Si es válida y se cumple su receptividad.– Al franquear una transición se desactivan sus etapas anteriores y se activan sus

etapas posteriores.

– Se representan con un trazo perpendicular a la línea que conecta dos etapas consecutivas.

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– Se etiquetan con números enteros entre paréntesis:• No es obligatorio su etiquetado. • La numeración debe ser única en todo el GRAFCET.


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Elementos del GRAFCET (III)

• Ejemplos de etapas y transiciones:– Una etapa con 3 entradas:

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– Una etapa con 3 salidas:

– Hay que evitar las representaciones que puedan inducir a confusión

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• Por ejemplo, en las siguientes se puede dudar si hay o no hay conexión entre la línea vertical y la horizontal.

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• Caminos y re-envíos:– Caminos que unen una etapa con otra.

• Se dibujan preferentemente en sentido vertical.

Elementos del GRAFCET (IV)

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• La evolución de un camino siempre es, mientras no se especifique lo contrario, en sentido descendente (de arriba a abajo).

– Cuando un GRAFCET se complica o no cabe en una sola página son necesarios los re-envíos:

• Ejemplos:– El GRAFCET continuará en la etapa 7.

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– El GRAFCET viene de la etapa 6.


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Elementos del GRAFCET (V)

• Acciones asociadas a las etapas:– Las acciones representan lo que hay que hacer mientras la etapa está

activa.– Las acciones pueden estar condicionadas, esto es, sólo se ejecuta si la

t tá ti d á ifi i t di ió

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emas etapa está activa y, además, se verifica cierta condición.

– Tipos:• Externo:

– Implican la emisión de órdenes hacia el sistema que se está controlando.

• Interno:– Afectan a funciones propias del sistema de control:

» incremento de un contador, etc.

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– Etapas sin ninguna acción.• Se utilizan para representar que el sistema esta esperando que se produzca

una determinada circunstancia.

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• Acciones asociadas a las etapas:– Se representan como rectángulos unidos por un trazo con la etapa a la

que están asociadas.

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• Según el tipo de GRAFCET que estemos realizando, las acciones se pueden escribir en forma:

– literal (cerrar válvula, avanzar cilindro, etc.) o– simbólica (XBR, SL1, etc.)

» será necesaria una tabla con el significado de los símbolos utilizados.

• Ejemplos:

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Ejemplos:– En el caso de que una etapa tenga más de una acción …


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• Acciones asociadas a las etapas:– Se representan como rectángulos unidos por un trazo con la etapa a la

que están asociadas.

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emas

• Según el tipo de GRAFCET que estemos realizando, las acciones se pueden escribir en forma:

– literal (cerrar válvula, avanzar cilindro, etc.) o– simbólica (XBR, SL1, etc.)

» será necesaria una tabla con el significado de los símbolos utilizados.

• Ejemplos:

Dep

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Ejemplos:– En el caso de que una etapa tenga más de una acción …– En el caso de que una acción esté condicionada …

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Elementos del GRAFCET (VI)

• Receptividades asociadas a las transiciones:– Condición que se requiere para poder franquear una transición válida.– Una receptividad puede ser cierta (puede ser franqueada) o falsa (no

puede serlo).

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emas • Una receptividad puede estar compuesta por sólo un dato o por una

expresión booleana que incluya varios datos.• Tipos de datos:

– externos o» implican la comprobación de variables del sistema que se está

controlando.– Internos:

» dependen de funciones propias del sistema de control (valor de un contador, etc.).

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Elementos del GRAFCET (VI)

• Receptividades asociadas a las transiciones:– Se pueden describir en forma:

• literal (fin retroceso, temperatura alcanzada, etc.),• simbólica (SA1, BQ3, etc.) o

S i t bl l i ifi d d l í b l tili d

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Sist

emas – Se requiere una tabla con el significado de los símbolos utilizados.

• dibujos normalizados (diagramas de relés, puertas lógicas, etc.)

– Ejemplos:

Temp > 30°C Cierta si la temperatura es superior a 30°C

C12 Cierta si el contador 12 ha alcanzado la preselecciónSL1 Cierta si SL1 está desactivadoSL3 + SB2 Cierta si SL3 o SB2 están activados (indistintamente)

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SL3 + SB2 Cierta si SL3 o SB2 están activados (indistintamente)

SL2 · SB4 Cierta si SL2 y SB4 están activados (simultáneamente)BQ2 · (SL1 + SA1) Cierta si BQ2 está activado y también SL1 o SA1

= 1 Receptividad siempre cierta

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Estructuras básicas (I)

• Secuencia:– Una secuencia es una sucesión alternada de

etapas y transiciones en la que las etapas se van activando una detrás de otra.

• Una secuencia está activa cuando como mínimo

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• Una secuencia está activa cuando, como mínimo, una de sus etapas está activa.

• Una secuencia está inactiva cuando todas sus etapas están inactivas.

• Selección de secuencia:– A partir de una determinada etapa, hay dos (o más)

secuencias entre las que se escogerá en función de las transiciones:

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de las transiciones:• No es necesario que las distintas secuencias tengan

el mismo número de etapas.

y

Estructuras básicas (II)

• Salto de etapas:– Es un caso particular de selección entre dos

secuencias en el que una de las secuencias no tiene ninguna etapa.

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• Repetición de secuencia:– Es un caso particular del salto de etapas en el

l lt li tid d t d

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que el salto se realiza en sentido ascendente, de forma que se repite la secuencia de etapas anteriores al salto.


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Estructuras básicas (III)

• Paralelismo estructural:– Se produce cuando a partir de una determinada

etapa, hay dos (o más) secuencias que se ejecutan simultáneamente.

• No es necesario que las distintas secuencias tengan

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• No es necesario que las distintas secuencias tengan el mismo número de etapas.

• La transición j sólo es válida cuando todas las etapas inmediatamente anteriores están activas.

• Representación:– El inicio de secuencias paralelas se indica con una

línea horizontal doble después de la transición correspondiente.

El final de las secuencias paralelas se indica con otra

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– El final de las secuencias paralelas se indica con otra línea horizontal doble antes de la transición correspondiente.

y

• Paralelismo interpretado:– Se produce cuando una etapa tiene dos (o más) salidas y las

transiciones correspondientes no son excluyentes.– Ejemplos:

Estructuras básicas (IV)

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emas • Se tendrá un paralelismo interpretado en el caso de que ambas

receptividades se hagan ciertas al mismo tiempo.

• En ocasiones (ver figura) el paralelismo interpretado se fuerza

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En ocasiones (ver figura) el paralelismo interpretado se fuerza intencionadamente; de manera que siempre de lugar a secuencias paralelas.


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• Diferencias entre paralelismo estructural e interpretado:– Hay una diferencia muy importante entre los dos tipos de paralelismos

cuando convergen (ver figuras).• En el paralelismo estructural la transición no es válida (y, por tanto, no se

puede pasar a la etapa 1 si no están activas las etapas 2 y 3

Estructuras básicas (V)ng

enie

ría d

e Si

stem

as

puede pasar a la etapa 1 si no están activas las etapas 2 y 3.

• En el paralelismo interpretado se pasará de 1 a 5 cuando f sea cierta (y la etapa 1 esté activa) aunque 2 no esté activa. De esta forma la secuencia común puede continuar evolucionando y, cuando 2 esté activa y r sea cierta,

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común puede continuar evolucionando y, cuando 2 esté activa y r sea cierta, se volverá a activar 5.

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Estructuras básicas (VI)

• Reglas de sintaxis:– No puede haber nunca dos transiciones consecutivas sin una etapa en

medio.

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– No puede haber nunca dos etapas consecutivas sin transición intermedia.

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Reglas de evolución

• Reglas:1. Inicialización:

• Corresponde al estado en el que se ha de encontrar el sistema al poner en marcha, al conectar la alimentación, a una situación de reposo o de parada segura etc

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segura, etc.• En la inicialización del sistema se han de activar todas las etapas iniciales y

sólo las iniciales.

2. Evolución de las transiciones.3. Evolución de las etapas activas.4. Simultaneidad en el franqueamiento de las transiciones.5. Prioridad de la activación.

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• Reglas:1. Inicialización.2. Evolución de las transiciones:

• Una transición es válida (o está validada) cuando todas las etapas i di t t t i ll tá ti ( )

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emas inmediatamente anteriores a ella están activas (a).

• Una transición es franqueable cuando está validada y su receptividad asociada es cierta (b).

• Toda transición franqueable debe ser obligatoriamente e inmediatamente franqueada (c).

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3. Evolución de las etapas activas.4. Simultaneidad en el franqueamiento de las transiciones.5. Prioridad de la activación.

(a) (b) (c)

y


• Reglas:1. Inicialización.2. Evolución de las transiciones.3. Evolución de las etapas activas:

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emas • Al franquear una transición (a) se deben activar todas las etapas

inmediatamente posteriores y desactivar simultáneamente todas las inmediatamente anteriores (b).

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4. Simultaneidad en el franqueamiento de las transiciones.5. Prioridad de la activación.

(a) (b)


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• Reglas:1. Inicialización.2. Evolución de las transiciones.3. Evolución de las etapas activas.

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emas 4. Simultaneidad en el franqueamiento de las transiciones:

• Las transiciones simultáneamente franqueables han de ser simultáneamente franqueadas.

• La existencia de esta regla permite la descomposición de un GRAFCET complejo (a) en dos más sencillos (b).

X? ≡ Etapa ? activa

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• Las transiciones en las que el cumplimiento de esta regla es obligatorio para su correcto funcionamiento deben señalarse mediante un asterisco (*).

5. Prioridad de la activación.

(a) (b)

X? ≡ Etapa ? activa

m franqueable y 2 activa

m franqueable y 3 activa

y


• Reglas:1. Inicialización.2. Evolución de las transiciones.3. Evolución de las etapas activas.

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Sist

emas 4. Simultaneidad en el franqueamiento de las transiciones.

5. Prioridad de la activación:• Si al evolucionar un GRAFCET, una etapa ha de ser activada y desactivada

al mismo tiempo, deberá permanecer activa.

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Cuando se implanta un GRAFCET en un API es habitual utilizar elementos de memoria para almacenar la información de actividad de las etapas. Estos elementos tienen , pensando en la seguridad, desactivación prioritaria que pueden darse estados en los que el funcionamiento no sea el correcto.


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Ejemplos (I)

• Algunos ejemplos ilustrados:a) 1 carrito va y viene.b) 2 carritos van y vienen.c) Taladradora de piezas.

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emas d) Taladradora de 4 piezas.

e) Clasificador de piezas.f) Aclarado desengrase y electrólisis de piezas.

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1 carrito va y vieneng

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tam

ento

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InA

utom

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2 carritos van y vienen

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Taladradora de piezasng

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e Si

stem

asD

epar

tam

ento

de

InA

utom

átic

a


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Taladradora de 4 piezas

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Clasificador de piezasng

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ría d

e Si

stem

asD

epar

tam

ento

de

InA

utom

átic

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Aclarado, desengrase y electrólisis de piezas

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GRAFCETs parciales y globales (I)

• Definiciones:– GRAFCET conexo:

• Cuando se puede ir de una etapa cualquiera a otra etapa cualquiera siguiendo caminos propios del GRAFCET; es decir, que cualquier etapa está unida con otra del mismo GRAFCET

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está unida con otra del mismo GRAFCET.– Un automatismo puede ser representado mediante más de un GRAFCET conexo.

– GRAFCET parcial:• Cada uno de los GRAFCETs conexos que forman un sistema o cualquier

agrupación de dos o más GRAFCETs parciales; incluso la agrupación de todos ellos.

– GRAFCET global:

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GRAFCET global:• Agrupación de todos los GRAFCETs parciales de un sistema.


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GRAFCETs parciales y globales (II)

• GRAFCETs parciales:– Se utilizan para simplificar las representaciones o para funciones

auxiliares.

S ti t l l t G id d b d ú

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emas – Se etiquetan con la letra G seguida de un nombre o de un número:

• En un mismo sistema no puede haber dos etapas (ni dos transiciones) con el mismo número, aunque estén en GRAFCETs parciales diferentes.

– Ejemplo:• Una aplicación muy corriente de los GRAFCETs auxiliares es el

intermitente.

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Jerarquía y forzado (I)

• En sistemas formados por varios GRAFCETs parciales…– un GRAFCET puede forzar el estado de otro.

• Características del forzado:

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emas – Útil para el tratamiento de defectos de funcionamiento y emergencias.

– Implica una jerarquía entre GRAFCETs parciales.

– Lo fija el diseñador mediante reglas.

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Jerarquía y forzado (II)

• Reglas de forzado:– Fijan la forma de interpretar una orden de forzado y son dos:

• El forzado es una orden interna que aparece como consecuencia de una evolución.

– En una situación que comporte una o más órdenes de forzado los GRAFCETs

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– En una situación que comporte una o más órdenes de forzado, los GRAFCETs forzados deben pasar en forma inmediata y directa a la situación forzada.

• En cualquier cambio de situación, el forzado es prioritario respecto a cualquier otra evolución.

– Las reglas de evolución del GRAFCET no se aplican en los GRAFCETs forzados.

– Las acciones de forzado:• se representan mediante cuadrados con línea discontinua.

O OJ

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• se etiquetan del siguiente modo:– La letra F seguida de una barra, el nombre del GRAFCET que se desea forzar,

dos puntos y la situación deseada (etapas que han de estar activas) escrita entre llaves.


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y

Jerarquía y forzado (III)

• Reglas de forzado:– Ejemplos:

• Al activarse la etapa 7, el GRAFCET G3 pasa a tener activada la etapa 4 (y sólo la etapa 4) y se mantendrá en esta situación hasta que se desactive la etapa 7

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en esta situación hasta que se desactive la etapa 7.

• Al activarse la etapa 1, el GRAFCET G2 pasa a tener activadas las etapas 9, 10 y 12 (y sólo estas) y se mantendrá en esta situación hasta que se desactive la etapa 1.

• Al activarse la etapa 8, el GRAFCET G4 pasa a tener todas sus etapas desactivadas y se mantendrá en esta it ió h t d ti l t 8

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situación hasta que se desactive la etapa 8.– Después habrá que forzarle alguna etapa dado que sino

continuará indefinidamente sin ninguna etapa activa.

• Mientras esté activa la etapa 0, el GRAFCET G8 deberá mantenerse en la situación actual invariablemente.

y

Jerarquía y forzado (y IV)

• Reglas de jerarquía:– Definen las condiciones de diseño de sistemas jerarquizados y son dos:

• Si un GRAFCET tiene la posibilidad de forzar a otro, este no tiene ninguna posibilidad de forzar al primero.

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emas • En todo instante, un GRAFCET sólo puede ser forzado por otro GRAFCET.

– Resumiendo:• El forzado sigue una jerarquía en la que cada miembro sólo puede ser

forzado por su superior inmediato.

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Temario


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Macroetapas (I)

• Definición:– Representaciones de secuencias que, en conjunto, constituyen una

actividad.

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emas – Características:

• Permite representar diferentes niveles de descripción (desde los más generales -nivel 1- a los más detallados -nivel 3-)

– La expansión de una macroetapa permite acceder a un nivel de representación mayor.

• La macroetapa no es una etapa de un GRAFCET ni actúa como tal sino que es una representación de un GRAFCET parcial (expansión de la macroetapa) que ha de poderse insertar en sustitución de la macroetapa.

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• Una macroetapa está activa cuando lo está una (o más) etapas de su expansión.

• La transición de salida de la macroetapa puede tener cualquier receptividad pero normalmente será una transición siempre válida (=1) ya que las condiciones correspondientes ya se habrán tenido en cuenta en la expansión.


15/05/2009


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Macroetapas (II)

• Expansión de una macroetapa:– Puede contener etapas iniciales pero ha de ser siempre conexa.

– Tiene una sola etapa de entrada y una sola etapa de salida.

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emas • La etapa de entrada se activará cuando se active la macroetapa.

• La activación de la etapa de salida implicará la validación de las transiciones inmediatamente posteriores a la macroetapa.

• Las etapas de entrada y de salida no tendrán acción asociada y la primera transición de la expansión será =1.

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GRAFCET Estructuras Para Su Programacion

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