Czym jest GRAFCET? Pełny przewodnik po normie IEC 60848

GRAFCET to język graficzny opisujący działanie sekwencyjnego układu sterowania: maszyny, linii produkcyjnej, sygnalizacji świetlnej. Wykres GRAFCET to ciąg kroków (co układ robi) połączonych tranzycjami (warunkami przejścia dalej). Jest znormalizowany międzynarodowo jako IEC 60848 (w Polsce PN-EN 60848) i dał początek językowi SFC (Sequential Function Chart) sterowników PLC.

Ten przewodnik objaśnia każdy element i każdą regułę normy na diagramach i przykładach. Wszystkie diagramy narysowano w GrafcetMaker, darmowym edytorze i symulatorze GRAFCET działającym w przeglądarce: otwórz przykłady i obserwuj, jak ewoluują krok po kroku.

Co oznacza skrót GRAFCET

GRAFCET to skrót od GRAphe Fonctionnel de Commande Étape-Transition, po francusku „funkcjonalny wykres sterowania krok–tranzycja”. Zaproponowała go w 1977 roku grupa robocza AFCET, francuskiego stowarzyszenia cybernetyki, wspólnie z ADEPA, francuską agencją rozwoju produkcji zautomatyzowanej. Wyrósł z sieci Petriego i powstał jako przejrzysty, niezależny od technologii sposób zapisania, co ma robić układ sterowania, zanim ktokolwiek napisze choćby jeden wiersz kodu PLC.

• 1982: norma francuska NF C03-190.
• 1988: norma międzynarodowa IEC 848, Preparation of function charts for control systems.
• 2002: IEC 60848 wydanie 2, GRAFCET specification language for sequential function charts.
• 2013: IEC 60848 wydanie 3, obecnie obowiązujące, opublikowane też w Europie jako EN 60848 (w Polsce PN-EN 60848).

GRAFCET jest nauczany w technikach, na kursach zawodowych i na studiach inżynierskich z automatyki i robotyki, szczególnie w krajach francusko-, niemiecko-, hiszpańsko- i portugalskojęzycznych. Zgodnie z konwencją GRAFCET to język, a grafcet to pojedynczy wykres w nim zapisany.

Elementy grafcetu

• Krok to kwadrat z numerem. Oznacza stabilną sytuację układu: oczekiwanie, napełnianie, wiercenie. W każdej chwili każdy krok jest aktywny albo nieaktywny, a zbiór aktywnych kroków to sytuacja grafcetu. Zmienna kroku X1 jest prawdziwa, dopóki krok 1 jest aktywny.
• Krok początkowy, rysowany jako podwójny kwadrat, jest aktywny przy starcie układu. Każdy grafcet potrzebuje co najmniej jednego.
• Tranzycja to krótka pozioma kreska przecinająca połączenie. Zawsze leży między krokami: dwa kroki nigdy nie są połączone bezpośrednio, tak samo jak dwie tranzycje.
• Warunek tranzycji (receptywność) to warunek zapisany obok tranzycji, na przykład start lub pressure > 6. Warunek 1 jest zawsze prawdziwy.
• Połączenia skierowane łączą kroki i tranzycje. Czyta się je z góry w dół; połączenie biegnące w górę ma strzałkę.
• Akcje to prostokąty na prawo od kroku: co układ robi, gdy krok jest aktywny, na przykład włącz silnik.

Pięć reguł ewolucji

IEC 60848 dokładnie określa, jak ewoluuje grafcet, za pomocą pięciu reguł.

1. Sytuacja początkowa: przy starcie kroki początkowe są aktywne, a wszystkie pozostałe nieaktywne.
2. Zadziałanie tranzycji: tranzycja jest odblokowana, gdy wszystkie kroki bezpośrednio nad nią są aktywne. Zadziała (zostaje przekroczona), gdy jest odblokowana i jej warunek jest prawdziwy.
3. Ewolucja kroków aktywnych: zadziałanie tranzycji aktywuje wszystkie kroki bezpośrednio pod nią i dezaktywuje wszystkie kroki bezpośrednio nad nią.
4. Jednoczesne zadziałanie: wszystkie tranzycje, które mogą zadziałać w tej samej chwili, zadziałają jednocześnie.
5. Jednoczesna aktywacja i dezaktywacja: krok, który w tej samej chwili jest aktywowany i dezaktywowany, pozostaje aktywny.

Gdy zmienia się wejście, reguły są stosowane raz za razem, przy tych samych wejściach, aż żadna tranzycja nie może już zadziałać. To poszukiwanie stanu stabilnego. Krok, który zostaje aktywowany i opuszczony w trakcie tego poszukiwania, to krok niestabilny (krok chwilowy): jego akcje ciągłe nigdy się nie wykonują, ale akcje zapamiętane tak. Jeśli na przykład warunki pod krokami 1 i 2 są już oba prawdziwe, gdy krok 1 staje się aktywny, grafcet przechodzi przez krok 2 prosto do kroku 3, a wyjścia kroku 2 nigdy się nie włączają.

Warunki tranzycji: warunki, zbocza i timery

Warunek tranzycji to wyrażenie logiczne z wejść, zmiennych wewnętrznych, zmiennych kroków i czasu. Notacja podręcznikowa i sposób jej wpisywania w GrafcetMaker:

Zbocza mają znaczenie, gdy sygnał pozostaje prawdziwy: z ↑start cykl rusza raz na każde naciśnięcie przycisku i nie rusza ponownie, dopóki przycisk jest trzymany. Pełna składnia edytora jest opisana w pomocy, w rozdziale Pisanie warunków tranzycji.

Akcje

• Akcja ciągła jest prawdziwa, dopóki jej krok jest aktywny: Lamp świeci, dopóki krok 4 jest aktywny.
• Akcja warunkowa to akcja ciągła z warunkiem przypisania zapisanym nad jej ramką: Horn brzmi tylko, gdy krok 4 jest aktywny i alarm jest prawdziwy.
• Akcje opóźnione i ograniczone w czasie to akcje warunkowe, których warunek zawiera timer: z 3s/X4 wyjście włącza się 3 s po aktywacji kroku 4; z /(3s/X4) jest włączone tylko przez pierwsze 3 s.
• Akcja zapamiętana przypisuje wartość jednorazowo, a wartość pozostaje, dopóki inna akcja jej nie zmieni. Wykonuje się przy aktywacji kroku (strzałka w górę), przy jego dezaktywacji (strzałka w dół) lub przy zdarzeniu, gdy krok jest aktywny (chorągiewka ze zdarzeniem, tutaj ↑reset). Liczniki takie jak C := C + 1 to typowe akcje zapamiętane.

Wyjście sterowane akcjami ciągłymi automatycznie podąża za krokami. Wyjście ustawione akcją zapamiętaną pozostaje ustawione, dopóki inna akcja zapamiętana go nie skasuje, więc zaplanuj, gdzie to nastąpi.

Sekwencje, rozgałęzienia LUB i gałęzie równoległe

Wybór drogi: rozgałęzienie LUB

Gdy po kroku następuje kilka tranzycji, grafcet wybiera drogę, której warunek jest prawdziwy: gałąź alternatywną, rysowaną pojedynczą poziomą linią (rozgałęzienie LUB, w SFC wybór sekwencji). Drogi łączą się ponownie na pojedynczej linii (zbieżność LUB).

Warunki powinny się wykluczać, tak aby nigdy nie były prawdziwe jednocześnie, jak tutaj a i /a * b. W przeciwnym razie obie tranzycje zadziałają naraz (reguła 4) i obie gałęzie staną się aktywne. GrafcetMaker ostrzega, gdy nie może udowodnić, że warunki gałęzi alternatywnych się wykluczają.

Kilka czynności naraz: rozgałęzienie I

Gdy po tranzycji następuje kilka kroków, wszystkie są aktywowane razem: to gałęzie równoległe, rysowane podwójną linią (rozgałęzienie I, w SFC sekwencja współbieżna). Gałęzie również kończą się podwójną linią (zbieżność I): tranzycja pod nią jest odblokowana dopiero, gdy ostatni krok każdej gałęzi jest aktywny, więc czeka na zakończenie wszystkich gałęzi. W ten sposób grafcet synchronizuje zadania.

Pętle, skoki, tranzycje źródłowe i końcowe

• Pętla wraca do wcześniejszego kroku połączeniem w górę ze strzałką: zwykły sposób na powtarzanie cyklu.
• Skok (pominięcie kroków) to rozgałęzienie LUB, którego jedna gałąź prowadzi prosto do późniejszego kroku, na przykład aby pominąć opcjonalną operację.
• Tranzycja źródłowa nie ma nad sobą kroku. Jest zawsze odblokowana, więc zadziała za każdym razem, gdy jej warunek jest prawdziwy; użyj zbocza, np. ↑a.
• Tranzycja końcowa (ujście) nie ma pod sobą kroku: jej zadziałanie tylko dezaktywuje kroki nad nią.

Strukturyzacja dużych aplikacji

Rzeczywiste maszyny opisuje się kilkoma współpracującymi grafcetami.

• Grafcety częściowe opisują każdy jedną część układu, na przykład cykl produkcyjny, tryby pracy i bezpieczeństwo. Działają jednocześnie i widzą nawzajem swoje kroki przez zmienne kroków Xn. Razem tworzą grafcet globalny.
• Makrokrok zastępuje szczegółową sekwencję narysowaną na osobnym arkuszu, jego rozwinięcie. Rozwinięcie ma jeden krok wejściowy E i jeden krok wyjściowy S. Zadziałanie tranzycji nad makrokrokiem aktywuje krok E; tranzycja pod makrokrokiem jest odblokowana, gdy krok S jest aktywny.
• Krok obejmujący zawiera jeden lub więcej całych grafcetów, które żyją tylko, gdy jest on aktywny. Gdy zostaje aktywowany, kroki objęte oznaczone gwiazdką stają się aktywne; gdy zostaje dezaktywowany, wszystkie kroki objęte są dezaktywowane.
• Rozkaz wymuszania, rysowany w ramce akcji z podwójnym obramowaniem, narzuca sytuację innemu grafcetowi: G2{8} wymusza, by aktywny był tylko krok 8 grafcetu G2, G2{*} zamraża G2 w bieżącej sytuacji, a G2{} dezaktywuje wszystkie jego kroki. Wymuszany grafcet nie może ewoluować samodzielnie. Wymuszanie to standardowy sposób opisu zatrzymań awaryjnych i inicjalizacji.

GRAFCET a SFC

Język SFC (Sequential Function Chart) z normy IEC 61131-3 wywodzi się z GRAFCET i wygląda niemal tak samo, ale oba służą innym celom.

Typowy sposób pracy to najpierw zapisać i sprawdzić GRAFCET, a potem zaimplementować go w SFC, LD lub Structured Text. GrafcetMaker generuje z wykresu Structured Text i PLCopen TC6 XML jako punkt wyjścia tej implementacji; zawsze sprawdź wygenerowany kod przed użyciem.

Przykłady

Sygnalizacja świetlna z przyciskiem dla pieszych

Krok 0 daje pieszym zielone światło przez 10 s (10s/X0), potem krok 1 przepuszcza samochody. Samochody mają zielone przez 30 s, ale naciśnięcie przycisku dla pieszych skraca ten czas do 10 s: naciśnięcie jest zapamiętywane akcją zapamiętaną przy zdarzeniu ↑request i zapominane, gdy krok 0 znów staje się aktywny. Krok 2 pokazuje żółte przez 3 s.

Stanowisko wiercenia z licznikiem detali

Cykl obróbki: zamocuj detal, wierć w dół, wycofaj, odmocuj. Uchwyt jest ustawiany i kasowany akcjami zapamiętanymi, a krok 4 liczy detale. Po kroku 4 rozgałęzienie LUB z wykluczającymi się warunkami wraca do początku albo co 100 detali przechodzi do konserwacji.

Edytor zawiera więcej przykładów: napełnianie zbiornika z wejściami liczbowymi, przenośniki równoległe z grafcetem bezpieczeństwa wymuszającym linię, linię rozlewniczą (makrokrok, trzy stanowiska równolegle, kontrola i liczniki) oraz tryby pracy (krok obejmujący, pauza zamrażająca cykl, zatrzymanie awaryjne). Otwórz je z ekranu startowego GrafcetMaker.

Rysowanie i symulacja GRAFCET online

GrafcetMaker to darmowy edytor GRAFCET o otwartym kodzie, stworzony dla automatyków, nauczycieli i studentów. Działa w całości w przeglądarce, również offline, i nie wymaga konta; Twoje wykresy zostają na Twoim komputerze.

• Rysuj kroki, tranzycje, akcje i gałęzie myszą lub klawiaturą i utrzymuj porządek dzięki automatycznemu układowi.
• Pisz warunki tranzycji z autouzupełnianiem i tabelą zmiennych oraz otrzymuj jasne komunikaty o błędach z szybkimi poprawkami.
• Symuluj zgodnie z regułami IEC 60848: kroki aktywne, timery, zbocza, kroki niestabilne, wymuszanie i wykres czasowy każdej zmiennej.
• Strukturyzuj projekty grafcetami częściowymi, makrokrokami, krokami obejmującymi i rozkazami wymuszania.
• Eksportuj do PDF z tabliczką, SVG i PNG albo do Structured Text i PLCopen TC6 XML, i udostępniaj cały projekt jako link.

Otwórz darmowy edytor GRAFCET

Najczęściej zadawane pytania

Do czego służy GRAFCET?

Do specyfikowania działania układów automatyki z sekwencjami: maszyn, linii montażowych, pakowania, procesów wsadowych, wind, sygnalizacji świetlnej. Wykres jest wspólnym punktem odniesienia dla osób, które projektują maszynę, programują sterownik PLC i ją testują.

Czy GRAFCET to to samo co SFC?

Nie. SFC (IEC 61131-3) wywodzi się z GRAFCET i używa tych samych symboli, ale GRAFCET jest językiem specyfikacji o precyzyjnych regułach ewolucji, a SFC jest językiem programowania PLC, którego wykonanie zależy od sterownika. Zobacz GRAFCET a SFC.

Czym różni się krok od tranzycji?

Krok to sytuacja, która trwa (układ napełnia zbiornik); tranzycja to chwila, w której układ przechodzi z jednej sytuacji do następnej, gdy jej warunek staje się prawdziwy (zbiornik jest pełny).

Co oznacza X1?

X1 to zmienna kroku 1: jest prawdziwa, dopóki krok 1 jest aktywny. Używa się jej w warunkach tranzycji, w warunkach akcji i w innych grafcetach, na przykład 5s/X1 lub X1 * /X5.

Czym jest krok niestabilny?

To krok, który zostaje aktywowany i ponownie dezaktywowany w ramach jednego poszukiwania stanu stabilnego, ponieważ warunek pod nim był już prawdziwy. Jego akcje ciągłe nie są wykonywane; jego akcje zapamiętane tak.

Jak zamienić GRAFCET na program PLC?

Każdy krok staje się bitem pamięci, każda tranzycja warunkiem, który ustawia kroki pod nią i kasuje kroki nad nią, a wyjścia są wyznaczane z bitów kroków. Można to zrobić ręcznie w LD lub Structured Text, użyć języka SFC swojego sterownika albo pozwolić GrafcetMaker wygenerować Structured Text lub PLCopen XML jako punkt wyjścia.

Czy istnieje darmowy program do GRAFCET?

Tak: GrafcetMaker jest darmowy i ma otwarty kod (licencja MIT). Działa w każdej nowoczesnej przeglądarce na Windows, macOS, Linux, tabletach i telefonach, a firmy mogą hostować go we własnej sieci.