Hvad er GRAFCET? En komplet guide til IEC 60848

GRAFCET er et grafisk sprog, der beskriver, hvordan et sekventielt styresystem opfører sig: en maskine, en produktionslinje, et trafiklys. Et GRAFCET-diagram er en række trin (det, systemet gør) forbundet af transitioner (betingelserne for at gå videre). Sproget er standardiseret internationalt som IEC 60848 (i Danmark DS/EN 60848) og er ophavet til PLC'ernes sprog Sequential Function Chart (SFC).

Denne guide forklarer alle standardens elementer og regler med diagrammer og eksempler. Alle diagrammerne er tegnet med GrafcetMaker, en gratis GRAFCET-editor og -simulator, der kører i din browser: åbn eksemplerne, og se dem udvikle sig trin for trin.

Hvad GRAFCET står for

GRAFCET står for GRAphe Fonctionnel de Commande Étape-Transition, fransk for »funktionelt styringsdiagram med trin og transitioner«. Det blev foreslået i 1977 af en arbejdsgruppe under AFCET, den franske forening for kybernetik, sammen med ADEPA, det franske agentur for udvikling af automatiseret produktion. Det udsprang af Petri-net og blev udformet som en klar, teknologiuafhængig måde at skrive ned, hvad et styresystem skal gøre, før nogen skriver en linje PLC-kode.

• 1982: fransk standard NF C03-190.
• 1988: international standard IEC 848, Preparation of function charts for control systems.
• 2002: IEC 60848 udgave 2, GRAFCET specification language for sequential function charts.
• 2013: IEC 60848 udgave 3, den gældende, også udgivet i Europa som EN 60848 (DS/EN 60848 i Danmark).

GRAFCET undervises på tekniske skoler, erhvervsuddannelser og ingeniøruddannelser, især i fransk-, tysk-, spansk- og portugisisktalende lande. Efter konvention er GRAFCET sproget og en grafcet ét diagram skrevet i det.

Elementerne i en grafcet

• Et trin er en firkant med et nummer. Det står for en stabil situation i systemet: venter, fylder, borer. På ethvert tidspunkt er hvert trin enten aktivt eller inaktivt, og mængden af aktive trin er grafcettens situation. Trinvariablen X1 er sand, mens trin 1 er aktivt.
• Et initialtrin, tegnet som en dobbelt firkant, er aktivt, når systemet starter. Hver grafcet skal have mindst ét.
• En transition er en kort vandret streg på tværs af en forbindelse. Den sidder altid mellem trin: to trin forbindes aldrig direkte, og det gør to transitioner heller ikke.
• Transitionsbetingelsen er den betingelse, der står ved siden af en transition, for eksempel start eller pressure > 6. Transitionsbetingelsen 1 er altid sand.
• Orienterede forbindelser forbinder trin og transitioner. De læses oppefra og ned; en forbindelse, der går opad, har en pil.
• Aktioner er rektangler til højre for et trin: det, systemet gør, mens trinnet er aktivt, for eksempel kør motoren.

De fem udviklingsregler

IEC 60848 definerer præcist, hvordan en grafcet udvikler sig, med fem regler.

1. Initialsituation: ved start er initialtrinnene aktive, og alle de andre er inaktive.
2. Skift af en transition: en transition er frigivet, når alle trinnene lige over den er aktive. Den skifter (passeres), når den er frigivet, og dens transitionsbetingelse er sand.
3. Udvikling af de aktive trin: når en transition skifter, aktiveres alle trinnene lige under den, og alle trinnene lige over den deaktiveres.
4. Samtidigt skift: alle de transitioner, der kan skifte i samme øjeblik, skifter samtidig.
5. Samtidig aktivering og deaktivering: et trin, der aktiveres og deaktiveres i samme øjeblik, forbliver aktivt.

Når en indgang ændres, anvendes reglerne igen og igen, med de samme indgange, indtil ingen transition længere kan skifte. Det er søgningen efter stabilitet. Et trin, der aktiveres og forlades igen under denne søgning, er et ustabilt trin (eller transient trin): dets kontinuerlige aktioner udføres aldrig, men det gør dets lagrede aktioner. Hvis for eksempel transitionsbetingelserne under trin 1 og 2 begge allerede er sande, når trin 1 bliver aktivt, går grafcetten direkte gennem trin 2 til trin 3, og udgangene i trin 2 tændes aldrig.

Transitionsbetingelser: betingelser, flanker og timere

En transitionsbetingelse er et logisk udtryk af indgange, interne variabler, trinvariabler og tid. Lærebogsnotationen og den måde, du skriver den på i GrafcetMaker:

Flanker har betydning, når et signal forbliver sandt: med ↑start starter cyklussen én gang pr. tryk på knappen og ikke igen, så længe knappen holdes nede. Editorens fulde syntaks er beskrevet i Skriv transitionsbetingelser.

Aktioner

• En kontinuerlig aktion er sand, så længe dens trin er aktivt: Lampe lyser, mens trin 4 er aktivt.
• En betinget aktion er en kontinuerlig aktion med en tildelingsbetingelse skrevet over sin boks: Horn lyder kun, mens trin 4 er aktivt, og alarm er sand.
• Forsinkede og tidsbegrænsede aktioner er betingede aktioner, hvis betingelse bruger en timer: med 3s/X4 tændes udgangen 3 s efter, at trin 4 blev aktivt; med /(3s/X4) er den kun tændt i de første 3 s.
• En lagret aktion tildeler en værdi én gang, og værdien bevares, indtil en anden aktion ændrer den. Den udføres, når trinnet aktiveres (pil, der peger opad), når det deaktiveres (pil, der peger nedad), eller ved en hændelse, mens trinnet er aktivt (et flag med hændelsen, her ↑reset). Tællere som C := C + 1 er typiske lagrede aktioner.

En udgang, der styres af kontinuerlige aktioner, følger automatisk trinnene. En udgang, der sættes af en lagret aktion, forbliver sat, indtil en anden lagret aktion nulstiller den, så planlæg, hvor det sker.

Sekvenser, alternativer og parallelle grene

Vælg mellem veje: ELLER-forgrening

Når et trin efterfølges af flere transitioner, tager grafcetten den vej, hvis transitionsbetingelse er sand: en alternativ forgrening, tegnet med en enkelt vandret linje (ELLER-forgrening, kaldet selection of sequence, sekvensvalg, i SFC). Vejene samles igen på en enkelt linje (ELLER-sammenføring).

Gør transitionsbetingelserne gensidigt udelukkende, så de aldrig kan være sande samtidig, som a og /a * b her. Ellers skifter begge transitioner på én gang (regel 4), og begge grene bliver aktive. GrafcetMaker advarer dig, når den ikke kan bevise, at alternative transitionsbetingelser udelukker hinanden.

Gør flere ting på samme tid: OG-forgrening

Når en transition efterfølges af flere trin, aktiveres de alle sammen: parallelle grene, tegnet med en dobbeltlinje (OG-forgrening, en simultaneous sequence, samtidig sekvens, i SFC). Grenene slutter også på en dobbeltlinje (OG-sammenføring): transitionen under den er kun frigivet, når det sidste trin i hver gren er aktivt, så den venter på, at alle grene bliver færdige. Sådan synkroniserer en grafcet opgaver.

Tilbageføringer, spring, kilder og dræn

• En tilbageføring går tilbage til et tidligere trin via en opadgående forbindelse med en pil: den almindelige måde at gentage en cyklus på.
• Et spring (overspringning af trin) er en ELLER-forgrening, hvis ene gren fører direkte til et senere trin, for eksempel for at springe en valgfri operation over.
• En kildetransition har intet trin over sig. Den er altid frigivet, så den skifter, hver gang dens transitionsbetingelse er sand; brug en flanke som ↑a.
• En dræntransition har intet trin under sig: når den skifter, deaktiveres kun trinnene over den.

Strukturering af store applikationer

Virkelige maskiner beskrives med flere grafcets, der arbejder sammen.

• Delgrafcets beskriver hver en del af systemet, for eksempel produktionscyklussen, driftsformerne og sikkerheden. De kører samtidig og ser hinandens trin via trinvariablerne Xn. Tilsammen udgør de den globale grafcet.
• Et makrotrin står for en detaljeret sekvens, der tegnes på sit eget ark, dets ekspansion. Ekspansionen har ét indgangstrin E og ét udgangstrin S. Når transitionen over makrotrinnet skifter, aktiveres trin E; transitionen under makrotrinnet er frigivet, når trin S er aktivt.
• Et omsluttende trin indeholder en eller flere hele grafcets, der kun lever, mens det er aktivt. Når det aktiveres, bliver de omsluttede trin, der er markeret med en stjerne, aktive; når det deaktiveres, deaktiveres alle omsluttede trin.
• En tvangsstyring, tegnet i en aktionsboks med dobbelt ramme, påtvinger en anden grafcet en situation: G2{8} tvinger kun trin 8 i G2 til at være aktivt, G2{*} fastfryser G2 i dens aktuelle situation, og G2{} deaktiverer alle dens trin. En tvangsstyret grafcet kan ikke udvikle sig af sig selv. Tvangsstyring er standardmåden at beskrive nødstop og initialisering på.

GRAFCET og SFC

Sproget Sequential Function Chart (SFC) i IEC 61131-3 er afledt af GRAFCET og ser næsten ens ud, men de to har ikke samme formål.

En almindelig arbejdsgang er først at skrive og kontrollere grafcetten og derefter implementere den i SFC, ladder eller Structured Text. GrafcetMaker genererer Structured Text og PLCopen TC6 XML ud fra et diagram som udgangspunkt for den implementering; gennemgå altid den genererede kode før brug.

Eksempler

Trafiklys med fodgængerknap

Trin 0 giver fodgængerne grønt lys i 10 s (10s/X0), og derefter lader trin 1 bilerne køre. Bilerne har grønt i 30 s, men et tryk på fodgængerknappen afkorter det til 10 s: trykket huskes af en lagret aktion ved hændelsen ↑request og glemmes, når trin 0 bliver aktivt igen. Trin 2 viser gult i 3 s.

Borestation med emnetæller

En bearbejdningscyklus: spænd emnet fast, bor ned, kør tilbage, løsn emnet. Fastspændingen sættes og nulstilles af lagrede aktioner, og trin 4 tæller emnerne. Efter trin 4 fører en ELLER-forgrening med gensidigt udelukkende transitionsbetingelser tilbage til starten eller, for hver 100 emner, til vedligeholdelse.

Editoren har flere eksempler: en tankpåfyldning med numeriske indgange, et parallelt transportbånd med en sikkerhedsgrafcet, der tvangsstyrer linjen, en aftapningslinje (makrotrin, tre stationer parallelt, inspektion og tællere) og driftsformer (et omsluttende trin, en pause, der fastfryser cyklussen, et nødstop). Åbn dem fra startskærmen i GrafcetMaker.

Tegn og simuler GRAFCET online

GrafcetMaker er en gratis GRAFCET-editor med åben kildekode, lavet til automatikingeniører, undervisere og studerende. Den kører helt i din browser, virker offline og kræver ingen konto; dine diagrammer bliver på din computer.

• Tegn trin, transitioner, aktioner og grene med musen eller tastaturet, og hold alt ryddeligt med automatisk layout.
• Skriv transitionsbetingelser med autofuldførelse og en variabeltabel, og få klare fejlmeddelelser med hurtige rettelser.
• Simuler med reglerne i IEC 60848: aktive trin, timere, flanker, ustabile trin, tvangsstyring og et tidsdiagram over alle variabler.
• Strukturer projekter med delgrafcets, makrotrin, omsluttende trin og tvangsstyringer.
• Eksporter til PDF med titelfelt, SVG og PNG, eller til Structured Text og PLCopen TC6 XML, og del et helt projekt som et link.

Åbn den gratis GRAFCET-editor

Ofte stillede spørgsmål

Hvad bruges GRAFCET til?

Til at specificere opførslen af automatiserede systemer med sekvenser: maskiner, samlelinjer, pakkemaskiner, batchprocesser, elevatorer, trafiklys. Diagrammet er den fælles reference for dem, der konstruerer maskinen, programmerer PLC'en og tester den.

Er GRAFCET det samme som SFC?

Nej. SFC (IEC 61131-3) er afledt af GRAFCET og bruger de samme symboler, men GRAFCET er et specifikationssprog med præcise udviklingsregler, og SFC er et programmeringssprog til PLC'er, hvis afvikling afhænger af styringen. Se GRAFCET og SFC.

Hvad er forskellen på et trin og en transition?

Et trin er en situation, der varer (systemet fylder tanken); en transition er det øjeblik, hvor systemet går fra én situation til den næste, når dens transitionsbetingelse bliver sand (tanken er fuld).

Hvad betyder X1?

X1 er trinvariablen for trin 1: den er sand, mens trin 1 er aktivt. Den bruges i transitionsbetingelser, i betingelser for aktioner og i andre grafcets, for eksempel 5s/X1 eller X1 * /X5.

Hvad er et ustabilt trin?

Et trin, der aktiveres og deaktiveres igen inden for én og samme søgning efter stabilitet, fordi transitionsbetingelsen under det allerede var sand. Dets kontinuerlige aktioner udføres ikke; det gør dets lagrede aktioner.

Hvordan bliver en GRAFCET til et PLC-program?

Hvert trin bliver en hukommelsesbit, hver transition en betingelse, der sætter trinnene under den og nulstiller trinnene over den, og udgangene skrives ud fra trinbittene. Du kan gøre det i hånden i ladder eller Structured Text, bruge din PLC's SFC-sprog eller lade GrafcetMaker generere Structured Text eller PLCopen XML som udgangspunkt.

Findes der gratis GRAFCET-software?

Ja: GrafcetMaker er gratis og open source (MIT-licens). Den kører i enhver moderne browser på Windows, macOS, Linux, tablets og telefoner, og virksomheder kan hoste den på deres eget netværk.