Qué es el GRAFCET: guía completa de la norma IEC 60848

El GRAFCET es un lenguaje gráfico que describe el comportamiento de un sistema de control secuencial: una máquina, una línea de producción, un semáforo. Un grafcet es una sucesión de etapas (lo que hace el sistema) unidas por transiciones (las condiciones para avanzar). Está normalizado internacionalmente como IEC 60848 y es el origen del lenguaje SFC de los autómatas programables (PLC).

Esta guía explica todos los elementos y reglas de la norma con esquemas y ejemplos. Todos los esquemas se dibujaron con GrafcetMaker, un editor y simulador de GRAFCET gratuito que funciona en el navegador: abra los ejemplos y véalos evolucionar paso a paso.

Qué significa GRAFCET

GRAFCET significa GRAphe Fonctionnel de Commande Étape-Transition, en francés «gráfico funcional de control etapa-transición». Lo propuso en 1977 un grupo de trabajo de la AFCET, la asociación francesa de cibernética, junto con la ADEPA, la agencia francesa para la automatización de la producción. Se inspiró en las redes de Petri y se pensó como una forma clara e independiente de la tecnología de describir lo que debe hacer un sistema de control, antes de escribir una sola línea de programa.

• 1982: norma francesa NF C03-190.
• 1988: norma internacional IEC 848, Preparation of function charts for control systems.
• 2002: IEC 60848 segunda edición, GRAFCET specification language for sequential function charts.
• 2013: IEC 60848 tercera edición, la vigente, publicada en Europa como EN 60848 (en España, UNE-EN 60848).

El GRAFCET se enseña en formación profesional (ciclos de Automatización y Robótica Industrial, Mecatrónica Industrial, Sistemas Electrotécnicos), en escuelas de ingeniería y universidades de España, Latinoamérica y otros países. Por convención, el GRAFCET es el lenguaje y un grafcet es un diagrama escrito en él.

Los elementos de un grafcet

• Una etapa es un cuadrado numerado. Representa una situación estable del sistema: espera, llenado, taladrado. En cada instante, cada etapa está activa o inactiva, y el conjunto de etapas activas es la situación del grafcet. La variable de etapa X1 es verdadera mientras la etapa 1 está activa.
• Una etapa inicial, dibujada con un cuadrado doble, está activa al arrancar. Todo grafcet necesita al menos una.
• Una transición es una pequeña barra horizontal que corta un enlace. Siempre está entre etapas: dos etapas nunca se unen directamente, ni tampoco dos transiciones.
• La receptividad es la condición escrita junto a una transición, por ejemplo marcha o presion > 6. La receptividad 1 siempre es verdadera.
• Los enlaces orientados unen etapas y transiciones. Se leen de arriba abajo; un enlace que sube lleva una flecha.
• Las acciones son rectángulos a la derecha de una etapa: lo que hace el sistema mientras la etapa está activa, por ejemplo hacer girar el motor.

Las cinco reglas de evolución

La norma IEC 60848 define con exactitud cómo evoluciona un grafcet mediante cinco reglas.

1. Situación inicial: al arrancar, las etapas iniciales están activas y todas las demás inactivas.
2. Franqueamiento de una transición: una transición está validada cuando todas las etapas inmediatamente anteriores están activas. Se franquea cuando está validada y su receptividad es verdadera.
3. Evolución de las etapas activas: franquear una transición activa todas las etapas inmediatamente posteriores y desactiva todas las etapas inmediatamente anteriores.
4. Franqueamiento simultáneo: todas las transiciones franqueables en el mismo instante se franquean simultáneamente.
5. Activación y desactivación simultáneas: una etapa que se activa y se desactiva a la vez sigue activa.

Cuando cambia una entrada, las reglas se aplican una y otra vez, con las mismas entradas, hasta que ninguna transición sea franqueable: es la búsqueda de estabilidad. Una etapa que se activa y se abandona durante esa búsqueda es una etapa inestable (evolución fugaz): sus acciones continuas no se ejecutan, pero sus acciones memorizadas sí. Por ejemplo, si las receptividades bajo las etapas 1 y 2 ya son verdaderas cuando se activa la etapa 1, el grafcet atraviesa la etapa 2 hasta la etapa 3 y las salidas de la etapa 2 nunca se encienden.

Receptividades: condiciones, flancos y temporizaciones

Una receptividad es una expresión lógica de entradas, variables internas, variables de etapa y tiempo. La notación habitual y cómo se escribe en GrafcetMaker:

Los flancos son útiles cuando una señal permanece activa: con ↑marcha, el ciclo arranca una vez por pulsación y no vuelve a arrancar mientras el botón siga pulsado. La sintaxis completa del editor está en la ayuda Writing receptivities (en inglés).

Acciones

• Una acción continua es verdadera mientras su etapa está activa: Lampara está encendida mientras la etapa 4 está activa.
• Una acción condicional es una acción continua con una condición de asignación escrita encima de su rectángulo: Bocina suena solo si la etapa 4 está activa y alarma es verdadera.
• Las acciones retardadas y limitadas en el tiempo son acciones condicionales cuya condición contiene una temporización: con 3s/X4 la salida se activa 3 s después de activarse la etapa 4; con /(3s/X4) solo está activa durante los 3 primeros segundos.
• Una acción memorizada asigna un valor una sola vez, y el valor se mantiene hasta que otra acción lo cambie. Se ejecuta al activarse la etapa (flecha hacia arriba), al desactivarse (flecha hacia abajo) o ante un evento mientras la etapa está activa (un banderín con el evento, aquí ↑reset). Los contadores como C := C + 1 son acciones memorizadas típicas.

Una salida gobernada por acciones continuas sigue a las etapas automáticamente. Una salida puesta a 1 por una acción memorizada se mantiene hasta que otra acción memorizada la ponga a 0: prevea dónde ocurre.

Secuencias, selección y paralelismo

Elegir un camino: la divergencia en O

Cuando a una etapa le siguen varias transiciones, el grafcet toma el camino cuya receptividad es verdadera: una selección de secuencia, dibujada con una línea horizontal simple (divergencia en O). Los caminos vuelven a unirse en una línea simple (convergencia en O).

Haga que las receptividades sean excluyentes, es decir, que nunca sean verdaderas a la vez, como a y /a * b aquí. Si no, las dos transiciones se franquean juntas (regla 4) y las dos ramas se activan. GrafcetMaker le avisa cuando no puede demostrar que las receptividades alternativas son excluyentes.

Hacer varias cosas a la vez: la divergencia en Y

Cuando a una transición le siguen varias etapas, todas se activan juntas: son secuencias simultáneas, dibujadas con una línea doble (divergencia en Y). Las ramas terminan también en una línea doble (convergencia en Y): la transición situada debajo solo está validada cuando la última etapa de cada rama está activa. Por tanto espera a que terminen todas las ramas: así se sincronizan las tareas.

Bucles, saltos, transiciones fuente y sumidero

• Un bucle (retorno) vuelve a una etapa anterior mediante un enlace que sube, con una flecha: es la forma habitual de repetir un ciclo.
• Un salto de etapas es una divergencia en O en la que una de las ramas lleva directamente a una etapa posterior, por ejemplo para saltarse una operación opcional.
• Una transición fuente no tiene etapa anterior. Siempre está validada, así que se franquea cada vez que su receptividad es verdadera; use un flanco como ↑a.
• Una transición sumidero no tiene etapa posterior: al franquearla solo se desactivan las etapas anteriores.

Estructurar aplicaciones grandes

Las máquinas reales se describen con varios grafcets que trabajan juntos.

• Los grafcets parciales describen cada uno una parte del sistema, por ejemplo el ciclo de producción, los modos de marcha y parada (GEMMA) y la seguridad. Evolucionan a la vez y ven las etapas de los demás mediante las variables de etapa Xn. Juntos forman el grafcet global.
• Una macroetapa representa una secuencia detallada dibujada aparte, su expansión. La expansión tiene una etapa de entrada E y una etapa de salida S. Franquear la transición situada encima de la macroetapa activa la etapa E; la transición situada debajo está validada cuando la etapa S está activa.
• Una etapa encapsulante contiene uno o varios grafcets completos que solo existen mientras ella está activa. Al activarse, las etapas encapsuladas marcadas con un asterisco se activan; al desactivarse, todas las etapas encapsuladas se desactivan.
• Una orden de forzado, dibujada en un rectángulo de acción con doble marco, impone una situación a otro grafcet: G2{8} fuerza G2 con solo la etapa 8 activa, G2{*} congela G2 en su situación actual y G2{} desactiva todas sus etapas. Un grafcet forzado no puede evolucionar por sí mismo. El forzado es la forma normalizada de describir la parada de emergencia y la inicialización.

GRAFCET y SFC

El lenguaje SFC (Sequential Function Chart) de la norma IEC 61131-3 se deriva del GRAFCET y se le parece mucho, pero los dos no tienen el mismo propósito.

Lo habitual es escribir y comprobar primero el GRAFCET y después implementarlo en SFC, en ladder (LD) o en texto estructurado (ST). GrafcetMaker genera texto estructurado y PLCopen TC6 XML a partir de un grafcet como punto de partida; revise siempre el código generado antes de usarlo.

Ejemplos

Semáforo con pulsador para peatones

La etapa 0 da verde a los peatones durante 10 s (10s/X0) y luego la etapa 1 deja pasar a los coches. Los coches tienen verde 30 s, pero una pulsación del botón de peatones lo reduce a 10 s: la pulsación se memoriza con una acción ante el evento ↑request y se olvida cuando la etapa 0 vuelve a activarse. La etapa 2 muestra ámbar durante 3 s. (Las variables del ejemplo están en inglés.)

Estación de taladrado con contador de piezas

Un ciclo de mecanizado: sujetar la pieza, bajar el taladro, subir, soltar. La sujeción se activa y desactiva con acciones memorizadas, y la etapa 4 cuenta las piezas. Tras la etapa 4, una divergencia en O con receptividades excluyentes vuelve al inicio o pasa a mantenimiento cada 100 piezas.

El editor incluye dos ejemplos más, un llenado de depósito con entradas numéricas y una cinta transportadora en paralelo con un grafcet de seguridad que fuerza la línea: ábralos desde la pantalla de inicio de GrafcetMaker.

Dibujar y simular GRAFCET en línea

GrafcetMaker es un editor de GRAFCET gratuito y de código abierto pensado para ingenieros de automatización, profesores y estudiantes. Funciona por completo en el navegador, sin conexión y sin cuenta; sus diagramas se quedan en su ordenador.

• Dibuje etapas, transiciones, acciones y ramas con el ratón o el teclado, con organización automática del diagrama.
• Escriba las receptividades con autocompletado y una tabla de variables, y obtenga errores claros con correcciones rápidas.
• Simule con las reglas de la IEC 60848: etapas activas, temporizaciones, flancos, etapas inestables, forzado y un cronograma de todas las variables.
• Estructure sus proyectos con grafcets parciales, macroetapas, etapas encapsulantes y órdenes de forzado.
• Exporte a PDF con cajetín, SVG y PNG, o a texto estructurado y PLCopen TC6 XML, y comparta un proyecto completo con un enlace.

La interfaz del editor está en inglés; sus grafcets los escribe en su propio idioma.

Abrir el editor de GRAFCET gratuito

Preguntas frecuentes

¿Para qué sirve el GRAFCET?

Para especificar el comportamiento de sistemas automatizados secuenciales: máquinas, líneas de montaje, envasado, procesos por lotes, ascensores, semáforos. El grafcet es la referencia común de quienes diseñan la máquina, programan el PLC y la ponen en marcha.

¿GRAFCET y SFC son lo mismo?

No. El SFC (IEC 61131-3) se deriva del GRAFCET y usa los mismos símbolos, pero el GRAFCET es un lenguaje de especificación con reglas de evolución precisas y el SFC es un lenguaje de programación cuya ejecución depende del PLC. Vea GRAFCET y SFC.

¿Qué diferencia hay entre una etapa y una transición?

Una etapa es una situación que dura (el sistema llena el depósito); una transición es el instante en que el sistema pasa de una situación a la siguiente, cuando su receptividad se hace verdadera (el depósito está lleno).

¿Qué significa X1?

X1 es la variable de etapa de la etapa 1: es verdadera mientras la etapa 1 está activa. Se usa en receptividades, en condiciones de acciones y en otros grafcets, por ejemplo 5s/X1 o X1 * /X5.

¿Qué es una etapa inestable?

Una etapa que se activa y se desactiva dentro de una misma búsqueda de estabilidad, porque la receptividad situada debajo ya era verdadera. Sus acciones continuas no se ejecutan; sus acciones memorizadas sí.

¿Cómo se pasa un GRAFCET a un programa de PLC?

Cada etapa se convierte en una marca (bit de memoria), cada transición en una condición que activa las etapas posteriores y desactiva las anteriores, y las salidas se escriben a partir de las marcas de etapa. Puede hacerse a mano en ladder o en texto estructurado, con el lenguaje SFC de su PLC, o dejando que GrafcetMaker genere texto estructurado o PLCopen XML como punto de partida.

¿Hay algún programa gratuito para hacer GRAFCET?

Sí: GrafcetMaker es gratuito y de código abierto (licencia MIT). Funciona en cualquier navegador actual en Windows, macOS y Linux, en tabletas y móviles, y las empresas pueden alojarlo en su propia red.