O que é GRAFCET? Guia completo da norma IEC 60848

O GRAFCET é uma linguagem gráfica que descreve como se comporta um sistema de comando sequencial: uma máquina, uma linha de produção, um semáforo. Um diagrama GRAFCET é uma série de etapas (o que o sistema está fazendo) ligadas por transições (as condições para avançar). Ele é padronizado internacionalmente pela IEC 60848 e deu origem à linguagem SFC (Sequential Function Chart) dos CLPs.

Este guia explica cada elemento e cada regra da norma com diagramas e exemplos. Todos os diagramas foram desenhados com o GrafcetMaker, um editor e simulador de GRAFCET gratuito que funciona no navegador: abra os exemplos e veja-os evoluir etapa por etapa.

O que significa GRAFCET

GRAFCET é a sigla de GRAphe Fonctionnel de Commande Étape-Transition, em francês "gráfico funcional de comando etapa-transição". Foi proposto em 1977 por um grupo de trabalho da AFCET, a associação francesa de cibernética, junto com a ADEPA, a agência francesa para o desenvolvimento da produção automatizada. Derivado das redes de Petri, foi concebido como uma forma clara e independente da tecnologia de registrar o que um sistema de comando deve fazer, antes que alguém escreva uma linha de código de CLP.

• 1982: norma francesa NF C03-190.
• 1988: norma internacional IEC 848, Preparation of function charts for control systems.
• 2002: IEC 60848 edição 2, GRAFCET specification language for sequential function charts.
• 2013: IEC 60848 edição 3, a atual, também publicada na Europa como EN 60848 (DIN EN 60848 na Alemanha).

O GRAFCET é ensinado em escolas técnicas, na formação profissional e nos cursos de engenharia, sobretudo nos países de língua francesa, alemã, espanhola e portuguesa. Por convenção, GRAFCET é a linguagem e um grafcet é um diagrama escrito nela.

Os elementos de um grafcet

• Uma etapa é um quadrado com um número. Ela representa uma situação estável do sistema: aguardando, enchendo, furando. A cada instante, cada etapa está ativa ou inativa, e o conjunto das etapas ativas é a situação do grafcet. A variável de etapa X1 é verdadeira enquanto a etapa 1 está ativa.
• Uma etapa inicial, desenhada como um quadrado duplo, está ativa quando o sistema inicia. Todo grafcet precisa de pelo menos uma.
• Uma transição é uma barra horizontal curta que corta uma ligação. Ela fica sempre entre etapas: duas etapas nunca são ligadas diretamente, e duas transições também não.
• A receptividade é a condição escrita ao lado de uma transição, por exemplo start ou pressure > 6. A receptividade 1 é sempre verdadeira.
• As ligações orientadas conectam etapas e transições. Elas são lidas de cima para baixo; uma ligação que sobe leva uma seta.
• As ações são retângulos à direita de uma etapa: o que o sistema faz enquanto a etapa está ativa, por exemplo acionar o motor.

As cinco regras de evolução

A IEC 60848 define exatamente como um grafcet evolui, com cinco regras.

1. Situação inicial: no início, as etapas iniciais estão ativas e todas as outras, inativas.
2. Transposição de uma transição: uma transição está habilitada quando todas as etapas imediatamente acima dela estão ativas. Ela é transposta (atravessada) quando está habilitada e sua receptividade é verdadeira.
3. Evolução das etapas ativas: transpor uma transição ativa todas as etapas imediatamente abaixo dela e desativa todas as etapas imediatamente acima dela.
4. Transposições simultâneas: todas as transições que podem ser transpostas no mesmo instante são transpostas simultaneamente.
5. Ativação e desativação simultâneas: uma etapa que é ativada e desativada no mesmo instante permanece ativa.

Quando uma entrada muda, as regras são aplicadas repetidamente, com as mesmas entradas, até que nenhuma transição possa mais ser transposta. Essa é a busca de estabilidade. Uma etapa que é ativada e abandonada de novo durante essa busca é uma etapa instável (ou transitória): suas ações contínuas nunca são executadas, mas suas ações memorizadas sim. Por exemplo, se as receptividades abaixo das etapas 1 e 2 já forem verdadeiras quando a etapa 1 se torna ativa, o grafcet passa direto pela etapa 2 até a etapa 3, e as saídas da etapa 2 nunca são acionadas.

Receptividades: condições, bordas e temporizações

Uma receptividade é uma expressão lógica de entradas, variáveis internas, variáveis de etapa e tempo. A notação dos livros e a forma de digitá-la no GrafcetMaker:

As bordas importam quando um sinal permanece verdadeiro: com ↑start, o ciclo começa uma vez por toque no botão, e não de novo enquanto ele estiver pressionado. A sintaxe completa do editor está descrita em Escrever receptividades.

Ações

• Uma ação contínua é verdadeira enquanto sua etapa está ativa: Lamp fica acesa enquanto a etapa 4 está ativa.
• Uma ação condicional é uma ação contínua com uma condição de atribuição escrita acima do seu retângulo: Horn soa somente enquanto a etapa 4 está ativa e alarm é verdadeira.
• As ações retardadas e limitadas no tempo são ações condicionais cuja condição usa uma temporização: com 3s/X4 a saída liga 3 s depois que a etapa 4 se tornou ativa; com /(3s/X4) ela fica ligada apenas nos primeiros 3 s.
• Uma ação memorizada atribui um valor uma vez, e o valor permanece até que outra ação o mude. Ela é executada quando a etapa é ativada (seta para cima), quando é desativada (seta para baixo) ou em um evento enquanto a etapa está ativa (uma bandeira com o evento, aqui ↑reset). Contadores como C := C + 1 são ações memorizadas típicas.

Uma saída comandada por ações contínuas acompanha as etapas automaticamente. Uma saída acionada por uma ação memorizada permanece acionada até que outra ação memorizada a desligue, então planeje onde isso acontece.

Sequências, alternativas e ramos paralelos

Escolher entre caminhos: divergência em OU

Quando uma etapa é seguida de várias transições, o grafcet segue o caminho cuja receptividade é verdadeira: um ramo alternativo, desenhado com uma linha horizontal simples (divergência em OU, chamada de seleção de sequência no SFC). Os caminhos se juntam novamente em uma linha simples (convergência em OU).

Torne as receptividades exclusivas, de modo que nunca possam ser verdadeiras ao mesmo tempo, como a e /a * b aqui. Caso contrário, as duas transições são transpostas juntas (regra 4) e os dois ramos ficam ativos. O GrafcetMaker avisa quando não consegue provar que receptividades alternativas são exclusivas.

Fazer coisas ao mesmo tempo: divergência em E

Quando uma transição é seguida de várias etapas, todas são ativadas juntas: ramos paralelos, desenhados com uma linha dupla (divergência em E, uma sequência simultânea no SFC). Os ramos também terminam em uma linha dupla (convergência em E): a transição abaixo dela só fica habilitada quando a última etapa de cada ramo está ativa, então ela espera todos os ramos terminarem. É assim que um grafcet sincroniza tarefas.

Retornos, saltos, transições fonte e sumidouro

• Um retorno (laço) volta a uma etapa anterior por uma ligação ascendente com seta: a forma usual de repetir um ciclo.
• Um salto (salto de etapas) é uma divergência em OU em que um dos ramos leva direto a uma etapa posterior, por exemplo para pular uma operação opcional.
• Uma transição fonte não tem etapa acima dela. Ela está sempre habilitada, então é transposta sempre que sua receptividade é verdadeira; use uma borda como ↑a.
• Uma transição sumidouro não tem etapa abaixo dela: transpô-la apenas desativa as etapas acima dela.

Estruturar aplicações grandes

Máquinas reais são descritas com vários grafcets que trabalham juntos.

• Os grafcets parciais descrevem, cada um, uma parte do sistema, por exemplo o ciclo de produção, os modos de operação e a segurança. Eles funcionam ao mesmo tempo e enxergam as etapas uns dos outros pelas variáveis de etapa Xn. Juntos formam o grafcet global.
• Uma macroetapa representa uma sequência detalhada desenhada em folha própria, a sua expansão. A expansão tem uma etapa de entrada E e uma etapa de saída S. Transpor a transição acima da macroetapa ativa a etapa E; a transição abaixo da macroetapa fica habilitada quando a etapa S está ativa.
• Uma etapa encapsulante contém um ou mais grafcets inteiros que só existem enquanto ela está ativa. Quando ela é ativada, as etapas encapsuladas marcadas com asterisco se tornam ativas; quando ela é desativada, todas as etapas encapsuladas são desativadas.
• Uma ordem de forçamento, desenhada em um retângulo de ação com moldura dupla, impõe uma situação a outro grafcet: G2{8} força apenas a etapa 8 de G2 a ficar ativa, G2{*} congela G2 na sua situação atual e G2{} desativa todas as suas etapas. Um grafcet forçado não pode evoluir por si só. O forçamento é a forma padrão de descrever paradas de emergência e a inicialização.

GRAFCET e SFC

A linguagem SFC (Sequential Function Chart) da IEC 61131-3 foi derivada do GRAFCET e é quase idêntica na aparência, mas as duas não têm a mesma finalidade.

Um fluxo de trabalho comum é escrever e verificar primeiro o GRAFCET e depois implementá-lo em SFC, ladder ou Texto Estruturado. O GrafcetMaker gera Texto Estruturado e PLCopen TC6 XML a partir de um diagrama como ponto de partida para essa implementação; revise sempre o código gerado antes de usá-lo.

Exemplos

Semáforo com botão de pedestre

A etapa 0 dá o sinal verde aos pedestres por 10 s (10s/X0), depois a etapa 1 libera os carros. Os carros ficam com o verde por 30 s, mas um toque no botão de pedestre reduz isso para 10 s: o toque é memorizado por uma ação memorizada no evento ↑request e esquecido quando a etapa 0 volta a ficar ativa. A etapa 2 mostra o amarelo por 3 s.

Estação de furação com contador de peças

Um ciclo de usinagem: fixar a peça, descer a broca, recuar, soltar. A fixação é acionada e desligada por ações memorizadas, e a etapa 4 conta as peças. Após a etapa 4, uma divergência em OU com receptividades exclusivas volta ao início ou, a cada 100 peças, vai para a manutenção.

O editor tem mais exemplos: um enchimento de tanque com entradas numéricas, esteiras em paralelo com um grafcet de segurança que força a linha, uma linha de engarrafamento (macroetapa, três estações em paralelo, inspeção e contadores) e modos de operação (uma etapa encapsulante, uma pausa que congela o ciclo, uma parada de emergência). Abra-os na tela inicial do GrafcetMaker.

Desenhar e simular GRAFCET online

O GrafcetMaker é um editor de GRAFCET gratuito e de código aberto, feito para engenheiros de automação, professores e estudantes. Ele funciona inteiramente no navegador, funciona off-line e não exige conta; seus diagramas ficam no seu computador.

• Desenhe etapas, transições, ações e ramos com o mouse ou o teclado, e mantenha tudo organizado com a organização automática.
• Escreva receptividades com preenchimento automático e uma tabela de variáveis, e receba erros claros com correções rápidas.
• Simule com as regras da IEC 60848: etapas ativas, temporizações, bordas, etapas instáveis, forçamento e um cronograma de cada variável.
• Estruture projetos com grafcets parciais, macroetapas, etapas encapsulantes e ordens de forçamento.
• Exporte para PDF com carimbo, SVG e PNG, ou para Texto Estruturado e PLCopen TC6 XML, e compartilhe um projeto inteiro como link.

Abrir o editor de GRAFCET gratuito

Perguntas frequentes

Para que serve o GRAFCET?

Para especificar o comportamento de sistemas automatizados com sequências: máquinas, linhas de montagem, embalagem, processos em batelada, elevadores, semáforos. O diagrama é a referência compartilhada por quem projeta a máquina, programa o CLP e a testa.

GRAFCET é a mesma coisa que SFC?

Não. O SFC (IEC 61131-3) foi derivado do GRAFCET e usa os mesmos símbolos, mas o GRAFCET é uma linguagem de especificação com regras de evolução precisas, e o SFC é uma linguagem de programação de CLP cuja execução depende do controlador. Veja GRAFCET e SFC.

Qual é a diferença entre etapa e transição?

Uma etapa é uma situação que dura (o sistema está enchendo o tanque); uma transição é o instante em que o sistema passa de uma situação para a seguinte, quando sua receptividade se torna verdadeira (o tanque está cheio).

O que significa X1?

X1 é a variável de etapa da etapa 1: ela é verdadeira enquanto a etapa 1 está ativa. É usada em receptividades, em condições de ações e em outros grafcets, por exemplo 5s/X1 ou X1 * /X5.

O que é uma etapa instável?

Uma etapa que é ativada e desativada de novo dentro de uma única busca de estabilidade, porque a receptividade abaixo dela já era verdadeira. Suas ações contínuas não são executadas; suas ações memorizadas sim.

Como transformar um GRAFCET em um programa de CLP?

Cada etapa vira um bit de memória, cada transição uma condição que liga as etapas abaixo e desliga as etapas acima, e as saídas são escritas a partir dos bits de etapa. Você pode fazer isso à mão em ladder ou Texto Estruturado, usar a linguagem SFC do seu CLP ou deixar o GrafcetMaker gerar Texto Estruturado ou PLCopen XML como ponto de partida.

Existe software de GRAFCET gratuito?

Sim: o GrafcetMaker é gratuito e de código aberto (licença MIT). Ele funciona em qualquer navegador moderno no Windows, macOS, Linux, tablets e celulares, e as empresas podem hospedá-lo na sua própria rede.