Vad är GRAFCET? En komplett guide till IEC 60848

GRAFCET är ett grafiskt språk som beskriver hur ett sekventiellt styrsystem beter sig: en maskin, en produktionslinje, ett trafikljus. Ett GRAFCET-diagram är en serie steg (det systemet gör) förbundna med övergångar (villkoren för att gå vidare). Språket är internationellt standardiserat som IEC 60848, i Sverige fastställt som SS-EN 60848, och är ursprunget till språket Sequential Function Chart (SFC) i PLC-system.

Den här guiden förklarar varje element och varje regel i standarden med diagram och exempel. Alla diagram är ritade med GrafcetMaker, en kostnadsfri editor och simulator för GRAFCET som körs i webbläsaren: öppna exemplen och se dem utvecklas steg för steg.

Vad GRAFCET står för

GRAFCET står för GRAphe Fonctionnel de Commande Étape-Transition, franska för ”funktionellt styrdiagram med steg och övergångar”. Det föreslogs 1977 av en arbetsgrupp inom AFCET, den franska föreningen för cybernetik, tillsammans med ADEPA, den franska myndigheten för utveckling av automatiserad produktion. Det växte fram ur Petrinät och utformades som ett tydligt, teknikoberoende sätt att skriva ned vad ett styrsystem ska göra, innan någon skriver en enda rad PLC-kod.

• 1982: fransk standard NF C03-190.
• 1988: internationell standard IEC 848, Preparation of function charts for control systems.
• 2002: IEC 60848 utgåva 2, GRAFCET specification language for sequential function charts.
• 2013: IEC 60848 utgåva 3, den gällande, även publicerad i Europa som EN 60848 och i Sverige som SS-EN 60848.

GRAFCET lärs ut på tekniska gymnasier, i yrkesutbildningar och i ingenjörsutbildningar, framför allt i fransk-, tysk-, spansk- och portugisisktalande länder. Enligt konvention är GRAFCET språket och en grafcet ett diagram som är skrivet i det.

Elementen i en grafcet

• Ett steg är en kvadrat med ett nummer. Det står för en stabil situation i systemet: väntar, fyller, borrar. I varje ögonblick är varje steg antingen aktivt eller inaktivt, och mängden aktiva steg är grafcetens situation. Stegvariabeln X1 är sann medan steg 1 är aktivt.
• Ett initialsteg, ritat som en dubbel kvadrat, är aktivt när systemet startar. Varje grafcet behöver minst ett.
• En övergång är ett kort vågrätt streck över en länk. Den sitter alltid mellan steg: två steg förbinds aldrig direkt, och inte heller två övergångar.
• Övergångsvillkoret är villkoret som skrivs bredvid en övergång, till exempel start eller pressure > 6. Övergångsvillkoret 1 är alltid sant.
• Riktade länkar förbinder steg och övergångar. De läses uppifrån och ned; en länk som går uppåt har en pil.
• Aktioner är rektanglar till höger om ett steg: det systemet gör medan steget är aktivt, till exempel kör motorn.

De fem utvecklingsreglerna

IEC 60848 definierar exakt hur en grafcet utvecklas, med fem regler.

1. Initialsituation: vid start är initialstegen aktiva och alla andra inaktiva.
2. Passering av en övergång: en övergång är möjliggjord när alla steg direkt ovanför den är aktiva. Den passeras när den är möjliggjord och dess övergångsvillkor är sant.
3. De aktiva stegens utveckling: när en övergång passeras aktiveras alla steg direkt nedanför den och avaktiveras alla steg direkt ovanför den.
4. Samtidig passering: alla övergångar som kan passeras i samma ögonblick passeras samtidigt.
5. Samtidig aktivering och avaktivering: ett steg som aktiveras och avaktiveras i samma ögonblick förblir aktivt.

När en ingång ändras tillämpas reglerna om och om igen, med samma ingångar, tills ingen övergång längre kan passeras. Det är sökningen efter stabilitet. Ett steg som aktiveras och lämnas igen under sökningen är ett instabilt steg (eller transient steg): dess kontinuerliga aktioner utförs aldrig, men dess lagrade aktioner utförs. Om till exempel övergångsvillkoren under steg 1 och 2 redan är sanna när steg 1 blir aktivt går grafceten direkt genom steg 2 till steg 3, och utgångarna i steg 2 slås aldrig på.

Övergångsvillkor: villkor, flanker och tidsfördröjningar

Ett övergångsvillkor är ett logiskt uttryck av ingångar, interna variabler, stegvariabler och tid. Läroboksnotationen och hur du skriver den i GrafcetMaker:

Flanker spelar roll när en signal förblir sann: med ↑start startar cykeln en gång per tryck på knappen och inte igen så länge den hålls nedtryckt. Editorns fullständiga syntax beskrivs i Skriva övergångsvillkor.

Aktioner

• En kontinuerlig aktion är sann så länge dess steg är aktivt: Lampa lyser medan steg 4 är aktivt.
• En villkorad aktion är en kontinuerlig aktion med ett tilldelningsvillkor skrivet ovanför dess ruta: Siren ljuder bara medan steg 4 är aktivt och alarm är sant.
• Fördröjda och tidsbegränsade aktioner är villkorade aktioner vars villkor använder en tidsfördröjning: med 3s/X4 slås utgången på 3 s efter att steg 4 blev aktivt; med /(3s/X4) är den på bara under de första 3 s.
• En lagrad aktion tilldelar ett värde en gång, och värdet finns kvar tills en annan aktion ändrar det. Den utförs när steget aktiveras (pil uppåt), när det avaktiveras (pil nedåt) eller vid en händelse medan steget är aktivt (en flagga med händelsen, här ↑reset). Räknare som C := C + 1 är typiska lagrade aktioner.

En utgång som styrs av kontinuerliga aktioner följer stegen automatiskt. En utgång som sätts av en lagrad aktion förblir satt tills en annan lagrad aktion återställer den, så planera var det sker.

Sekvenser, alternativ och parallella grenar

Välja mellan vägar: ELLER-förgrening

När ett steg följs av flera övergångar tar grafceten den väg vars övergångsvillkor är sant: en alternativ förgrening, ritad med en enkel vågrät linje (ELLER-förgrening, kallad selection of sequence i SFC). Vägarna möts igen på en enkel linje (ELLER-sammanföring).

Gör övergångsvillkoren ömsesidigt uteslutande, så att de aldrig kan vara sanna samtidigt, som a och /a * b här. Annars passeras båda övergångarna på en gång (regel 4) och båda grenarna blir aktiva. GrafcetMaker varnar dig när den inte kan bevisa att alternativa övergångsvillkor är uteslutande.

Göra saker samtidigt: OCH-förgrening

När en övergång följs av flera steg aktiveras de alla tillsammans: parallella grenar, ritade med en dubbel linje (OCH-förgrening, en simultaneous sequence i SFC). Grenarna slutar också på en dubbel linje (OCH-sammanföring): övergången nedanför den är möjliggjord först när det sista steget i varje gren är aktivt, så den väntar tills alla grenar är klara. Det är så en grafcet synkroniserar uppgifter.

Återgångar, hopp, källor och sänkor

• En återgång går tillbaka till ett tidigare steg via en uppåtgående länk med en pil: det vanliga sättet att upprepa en cykel.
• Ett hopp (stegöverhopp) är en ELLER-förgrening där en av grenarna leder direkt till ett senare steg, till exempel för att hoppa över en valfri operation.
• En källövergång har inget steg ovanför sig. Den är alltid möjliggjord, så den passeras varje gång dess övergångsvillkor är sant; använd en flank som ↑a.
• En sänkövergång har inget steg nedanför sig: när den passeras avaktiveras bara stegen ovanför den.

Strukturera stora tillämpningar

Verkliga maskiner beskrivs med flera grafcetar som arbetar tillsammans.

• Delgrafcetar beskriver var och en en del av systemet, till exempel produktionscykeln, driftlägena och säkerheten. De körs samtidigt och ser varandras steg genom stegvariablerna Xn. Tillsammans bildar de den globala grafceten.
• Ett makrosteg står för en detaljerad sekvens som ritas på ett eget blad, dess expansion. Expansionen har ett ingångssteg E och ett utgångssteg S. När övergången ovanför makrosteget passeras aktiveras steg E; övergången nedanför makrosteget är möjliggjord när steg S är aktivt.
• Ett omslutande steg innehåller en eller flera hela grafcetar som bara lever medan steget är aktivt. När det aktiveras blir de omslutna stegen som är markerade med en asterisk aktiva; när det avaktiveras avaktiveras alla omslutna steg.
• En tvångsstyrning, ritad i en aktionsruta med dubbel ram, påtvingar en annan grafcet en situation: G2{8} tvingar bara steg 8 i G2 att vara aktivt, G2{*} fryser G2 i dess aktuella situation och G2{} avaktiverar alla dess steg. En tvångsstyrd grafcet kan inte utvecklas av sig själv. Tvångsstyrning är standardsättet att beskriva nödstopp och initiering.

GRAFCET och SFC

Språket Sequential Function Chart (SFC) i IEC 61131-3 härleddes ur GRAFCET och ser nästan likadant ut, men de två har inte samma syfte.

Ett vanligt arbetssätt är att först skriva och kontrollera grafceten och sedan implementera den i SFC, ladder (kontaktschema) eller Structured Text. GrafcetMaker genererar Structured Text och PLCopen TC6 XML från ett diagram som utgångspunkt för den implementeringen; granska alltid den genererade koden före användning.

Exempel

Trafikljus med knapp för fotgängare

Steg 0 ger fotgängarna grönt ljus i 10 s (10s/X0), sedan låter steg 1 bilarna köra. Bilarna har grönt i 30 s, men ett tryck på fotgängarknappen förkortar det till 10 s: trycket minns av en lagrad aktion vid händelsen ↑request och glöms när steg 0 blir aktivt igen. Steg 2 visar gult i 3 s. (Exemplets variabler har engelska namn.)

Borrstation med detaljräknare

En bearbetningscykel: spänn fast detaljen, borra ned, dra tillbaka, lossa. Fastspänningen sätts och återställs av lagrade aktioner, och steg 4 räknar detaljerna. Efter steg 4 leder en ELLER-förgrening med uteslutande övergångsvillkor tillbaka till början, eller till underhåll var 100:e detalj.

Editorn har fler exempel: en tankfyllning med numeriska ingångar, ett parallellt transportband med en säkerhetsgrafcet som tvångsstyr linjen, en tappningslinje (makrosteg, tre stationer parallellt, kontroll och räknare) och driftlägen (ett omslutande steg, en paus som fryser cykeln, ett nödstopp). Öppna dem från startskärmen i GrafcetMaker.

Rita och simulera GRAFCET online

GrafcetMaker är en kostnadsfri GRAFCET-editor med öppen källkod, gjord för automationsingenjörer, lärare och studenter. Den körs helt i webbläsaren, fungerar offline och kräver inget konto; dina diagram stannar på din dator.

• Rita steg, övergångar, aktioner och förgreningar med musen eller tangentbordet, och håll allt prydligt med automatisk layout.
• Skriv övergångsvillkor med automatisk komplettering och en variabeltabell, och få tydliga felmeddelanden med snabbkorrigeringar.
• Simulera enligt reglerna i IEC 60848: aktiva steg, tidsfördröjningar, flanker, instabila steg, tvångsstyrning och ett tidsdiagram över varje variabel.
• Strukturera projekt med delgrafcetar, makrosteg, omslutande steg och tvångsstyrningar.
• Exportera till PDF med namnruta, SVG och PNG, eller till Structured Text och PLCopen TC6 XML, och dela ett helt projekt som en länk.

Öppna den kostnadsfria GRAFCET-editorn

Vanliga frågor

Vad används GRAFCET till?

Till att specificera beteendet hos automatiserade system med sekvenser: maskiner, monteringslinjer, förpackning, satsprocesser, hissar, trafikljus. Diagrammet är den gemensamma referensen för dem som konstruerar maskinen, programmerar PLC-systemet och testar det.

Är GRAFCET samma sak som SFC?

Nej. SFC (IEC 61131-3) härleddes ur GRAFCET och använder samma symboler, men GRAFCET är ett specifikationsspråk med exakta utvecklingsregler, och SFC är ett programspråk för PLC-system vars exekvering beror på styrsystemet. Se GRAFCET och SFC.

Vad är skillnaden mellan ett steg och en övergång?

Ett steg är en situation som varar (systemet fyller tanken); en övergång är ögonblicket då systemet går från en situation till nästa, när dess övergångsvillkor blir sant (tanken är full).

Vad betyder X1?

X1 är stegvariabeln för steg 1: den är sann medan steg 1 är aktivt. Den används i övergångsvillkor, i villkor för aktioner och i andra grafcetar, till exempel 5s/X1 eller X1 * /X5.

Vad är ett instabilt steg?

Ett steg som aktiveras och avaktiveras igen inom en och samma sökning efter stabilitet, eftersom övergångsvillkoret under det redan var sant. Dess kontinuerliga aktioner utförs inte; dess lagrade aktioner utförs.

Hur gör jag om en GRAFCET till ett PLC-program?

Varje steg blir en minnesbit, varje övergång ett villkor som sätter stegen nedanför och återställer stegen ovanför, och utgångarna skrivs utifrån stegbitarna. Du kan göra det för hand i ladder eller Structured Text, använda SFC-språket i ditt PLC-system, eller låta GrafcetMaker generera Structured Text eller PLCopen XML som utgångspunkt.

Finns det kostnadsfri programvara för GRAFCET?

Ja: GrafcetMaker är kostnadsfri och har öppen källkod (MIT-licens). Den körs i alla moderna webbläsare på Windows, macOS, Linux, surfplattor och mobiler, och företag kan driva den i sitt eget nätverk.