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什么是 GRAFCET？IEC 60848 顺序功能图完整教程

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GRAFCET 是一种图形化语言，用于描述顺序控制系统的行为，例如一台机器、一条生产线或一组交通信号灯。GRAFCET 图由一系列步（系统正在做什么）组成，步与步之间由转换（进入下一步的条件）连接。它的国际标准是 IEC 60848（中国国家标准 GB/T 21654），也是 PLC 顺序功能图（SFC）语言的起源。

本教程通过图示和示例讲解该标准的每个元素和每条规则。所有图示均使用 GrafcetMaker 绘制，这是一款在浏览器中运行的免费 GRAFCET 编辑器和仿真器：打开示例，即可逐步观察它们的演变。

GRAFCET 是什么意思

GRAFCET 是法语 GRAphe Fonctionnel de Commande Étape-Transition 的缩写，意为“步-转换功能控制图”。它由法国控制论协会 AFCET 的一个工作组与法国自动化生产发展署 ADEPA 于 1977 年共同提出。GRAFCET 源自 Petri 网，旨在以清晰且与技术无关的方式写下控制系统必须完成的工作，而且是在编写任何一行 PLC 代码之前。

  • 1982 年：法国标准 NF C03-190。
  • 1988 年：国际标准 IEC 848，控制系统功能图的编制。
  • 2002 年：IEC 60848 第 2 版，GRAFCET 顺序功能图规范语言。
  • 2013 年：IEC 60848 第 3 版，即现行版本，在欧洲也以 EN 60848 发布（德国为 DIN EN 60848）。

GRAFCET 广泛用于技术学校、职业培训和工程专业的教学，在法语、德语、西班牙语和葡萄牙语国家尤为普及。按照惯例，GRAFCET 指这种语言，而 grafcet 指用它绘制的一张图。

grafcet 的组成元素

grafcet 的各个组成部分 初始步 转换 + 转换条件 带动作的步 返回（向上箭头） start stop 0 1 Motor
grafcet 的各个组成部分
  • 步是一个带编号的方框，代表系统的一种稳定状况：等待、灌装、钻孔。任何时刻每个步要么激活，要么非激活，所有激活步的集合就是 grafcet 的情况。步 1 激活期间，步变量 X1 为真。
  • 初始步画成双线方框，在系统启动时处于激活状态。每个 grafcet 至少需要一个初始步。
  • 转换是横穿连线的一条短横杠。它总是位于步与步之间：两个步之间从不直接相连，两个转换之间也一样。
  • 转换条件是写在转换旁边的条件，例如 start 或 pressure > 6。转换条件 1 恒为真。
  • 有向连线连接步和转换。连线按从上到下的方向阅读；向上走的连线要画箭头。
  • 动作是画在步右侧的矩形框：表示步激活期间系统所做的事，例如 运行电机。

五条演变规则

IEC 60848 用五条规则精确定义了 grafcet 的演变方式。

  1. 初始情况：启动时，初始步激活，其他所有步均不激活。
  2. 转换的实现：当转换正上方的所有步都激活时，该转换被使能。当转换被使能且其转换条件为真时，转换实现（越过）。
  3. 激活步的演变：实现一个转换，会激活其正下方的所有步，并停用其正上方的所有步。
  4. 同时实现：所有可在同一时刻实现的转换同时实现。
  5. 同时激活与停用：在同一时刻既被激活又被停用的步保持激活。

当某个输入发生变化时，在输入不变的情况下反复应用这些规则，直到再也没有可实现的转换为止。这就是寻求稳定。在此过程中被激活后又立即离开的步称为不稳定步（或瞬态步）：它的连续动作永远不会执行，但它的存储型动作会执行。例如，如果步 1 变为激活时，步 1 和步 2 下方的转换条件都已为真，grafcet 会直接经过步 2 到达步 3，而步 2 的输出永远不会接通。

转换条件：逻辑条件、边沿和定时器

转换条件是由输入、内部变量、步变量和时间组成的逻辑表达式。下表列出教科书记法以及在 GrafcetMaker 中的输入方式：

记法含义在 GrafcetMaker 中输入
a · ba 与（AND）ba * b
a + ba 或（OR）ba + b
带上划线的 a非（NOT）a/a
↑a上升沿：a 变为真的瞬间为真↑a 或 RE a
↓a下降沿：a 变为假的瞬间为真↓a 或 FE a
X3步 3 激活X3
5 s/X2步 2 激活 5 s 后为真5s/X2
t1/a/t2a 变为真 t1 后为真，a 变为假 t2 后恢复为假2s/a/1s
[level > 80]数值比较level > 80
= 1恒为真1
定时器转换条件：加热器运行 5 秒 ↑start 5s/X1 0 1 Heater
定时器转换条件：加热器运行 5 秒

当信号持续为真时，边沿就很重要：使用 ↑start 时，每按一次按钮循环只启动一次，按住按钮期间不会再次启动。编辑器的完整语法请参阅编写转换条件。

动作

步 4 上的连续动作、条件动作和存储型动作 4 Lamp Horn alarm C := C + 1 C := 0 ↑reset
步 4 上的连续动作、条件动作和存储型动作
  • 连续动作在其步激活期间一直为真：步 4 激活期间 Lamp 点亮。
  • 条件动作是带有赋值条件的连续动作，条件写在动作框上方：只有在步 4 激活且 alarm 为真时，Horn 才鸣响。
  • 延时动作和限时动作是条件中使用定时器的条件动作：使用 3s/X4 时，输出在步 4 激活 3 s 后接通；使用 /(3s/X4) 时，输出只在最初 3 s 内接通。
  • 存储型动作只赋值一次，该值一直保持，直到另一个动作改变它。它在步激活时（向上箭头）、停用时（向下箭头）或步激活期间事件发生时（带事件的旗标，此处为 ↑reset）执行。C := C + 1 这样的计数器就是典型的存储型动作。

由连续动作驱动的输出会自动跟随步变化。由存储型动作置位的输出会一直保持，直到另一个存储型动作将其复位，因此要事先规划好在哪里复位。

顺序、选择分支和并行分支

在路径之间选择：选择分支

当一个步后面跟有多个转换时，grafcet 会沿转换条件为真的那条路径前进：这就是选择分支（OR 分支），用一条单横线表示，在 SFC 中称为 选择序列。各条路径最后在一条单横线上重新汇合（选择汇合）。

选择分支与选择汇合：执行其中一个分支 a a·b c d 0 1 Left 2 Right 3
选择分支与选择汇合：执行其中一个分支

应使各转换条件互斥，即它们永远不会同时为真，例如此处的 a 和 /a * b。否则两个转换会同时实现（规则 4），两个分支都会被激活。当 GrafcetMaker 无法证明选择分支的转换条件互斥时，会发出警告。

同时做几件事：并行分支

当一个转换后面跟有多个步时，这些步会同时被激活：这就是并行分支（AND 分支），用双横线表示，在 SFC 中称为 并行序列。各分支最后也在一条双横线上结束（并行汇合）：只有当每个分支的最后一步都激活时，双横线下方的转换才被使能，因此它会等待所有分支完成。grafcet 正是以这种方式同步各项任务的。

并行分支与并行汇合：钻孔和夹紧同时进行 start done1·done2 0 1 Drill 2 Clamp 3
并行分支与并行汇合：钻孔和夹紧同时进行

循环、跳转、源转换和阱转换

  • 循环通过一条带箭头的向上连线返回到前面的步：这是重复一个周期的常用方法。
  • 跳转（跳步）是一种选择分支，其中一个分支直接通向后面的步，例如用于跳过某个可选工序。
  • 源转换上方没有步。它始终被使能，因此只要其转换条件为真就会实现；请使用 ↑a 这样的边沿。
  • 阱转换下方没有步：实现它只会停用其上方的步。

大型应用的结构化

真实的机器通常由多个协同工作的 grafcet 来描述。

  • 每个局部 grafcet 描述系统的一个部分，例如生产循环、运行模式和安全。它们同时运行，并通过步变量 Xn 读取彼此的步。所有局部 grafcet 共同构成全局 grafcet。
  • 宏步代表一个绘制在单独图页上的详细序列，即它的展开。展开有一个入口步 E 和一个出口步 S。实现宏步上方的转换会激活步 E；当步 S 激活时，宏步下方的转换被使能。
  • 封装步包含一个或多个完整的 grafcet，这些 grafcet 只在封装步激活时存在。封装步被激活时，标有星号的被封装步变为激活；封装步被停用时，所有被封装的步都被停用。
  • 强制命令画在双框动作框中，用于将某个情况强加给另一个 grafcet：G2{8} 强制 G2 只有步 8 激活，G2{*} 将 G2 冻结在当前情况，G2{} 停用 G2 的所有步。被强制的 grafcet 不能自行演变。强制是描述急停和初始化的标准方法。
宏步：方框内有两条横线 宏步：其展开图 画在单独的图纸上 start end 0 10
宏步：方框内有两条横线

GRAFCET 与 SFC

IEC 61131-3 中的顺序功能图（SFC）语言源自 GRAFCET，两者看起来几乎一样，但用途不同。

GRAFCET（IEC 60848）SFC（IEC 61131-3）
用途规范：描述所需的行为，与实现技术无关由 PLC 执行的编程语言
演变所有可实现的转换同时实现，然后寻求稳定通常每个 PLC 周期演变一次，取决于 PLC
动作连续、条件、延时、限时和存储型动作动作限定符 N、S、R、P、P0、P1、L、D、SD、DS 和 SL
层次局部 grafcet、宏步、封装步和强制命令通过程序结构实现

常见的工作流程是先编写并检查 GRAFCET，然后用 SFC、梯形图或结构化文本实现它。GrafcetMaker 可以从图表生成结构化文本和 PLCopen TC6 XML，作为实现的起点；使用前务必检查生成的代码。

示例

带行人按钮的交通信号灯

交通信号灯：定时器和存储的请求 10s/X0 30s/X1 + Req·10s/X1 3s/X2 0 Pedestrians cross Red Walk Req := 0 1 Cars drive Green Req := 1 ↑request 2 Cars slow down Yellow
交通信号灯：定时器和存储的请求 在编辑器中打开此示例

步 0 为行人亮绿灯 10 s（10s/X0），然后步 1 让车辆通行。车辆的绿灯持续 30 s，但按下行人按钮会将其缩短为 10 s：按钮请求由事件 ↑request 上的存储型动作记住，并在步 0 再次激活时清除。步 2 亮黄灯 3 s。

带工件计数器的钻孔工位

钻孔工位：每加工 100 个工件进行一次维护的加工循环 ↑start·part clamped low high released·(Count < 100) released·(Count ≥ 100) ↑ack 0 Waiting 1 Clamping Clamp := 1 2 Drilling Spin Down 3 Retracting Spin Up 4 Unclamping Clamp := 0 Count := Count + 1 5 Maintenance Service Count := 0
钻孔工位：每加工 100 个工件进行一次维护的加工循环 在编辑器中打开此示例

一个加工循环：夹紧工件、向下钻孔、退回、松开。夹具由存储型动作置位和复位，步 4 对工件计数。步 4 之后，一个转换条件互斥的选择分支返回起点，或每加工 100 个工件转入维护。

编辑器中还有更多示例：带数值输入的储罐灌装、带有强制生产线的安全 grafcet 的并行输送机、灌装生产线（宏步、三个并行工位、检测和计数器）以及运行模式（封装步、冻结循环的暂停、急停）。可在 GrafcetMaker 的开始屏幕中打开它们。

在线绘制和仿真 GRAFCET

GrafcetMaker 是一款免费、开源的 GRAFCET 编辑器，专为自动化工程师、教师和学生打造。它完全在浏览器中运行，可离线使用，无需注册账户；您的图表保留在您的计算机上。

  • 用鼠标或键盘绘制步、转换、动作和分支，并通过自动布局保持图面整洁。
  • 借助自动补全和变量表编写转换条件，并获得清晰的错误提示和快速修复。
  • 按照 IEC 60848 规则进行仿真：激活步、定时器、边沿、不稳定步、强制，以及所有变量的时序图。
  • 用局部 grafcet、宏步、封装步和强制命令组织项目。
  • 导出为带标题栏的 PDF、SVG 和 PNG，或导出为结构化文本和 PLCopen TC6 XML，还可以将整个项目作为链接分享。

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常见问题

GRAFCET 有什么用途？

用于规定具有顺序过程的自动化系统的行为：机器、装配线、包装设备、批处理过程、电梯、交通信号灯。这张图是设计机器、编写 PLC 程序和测试机器的人员共同使用的参考。

GRAFCET 和 SFC 是一回事吗？

不是。SFC（IEC 61131-3）源自 GRAFCET，使用相同的符号，但 GRAFCET 是一种具有精确演变规则的规范语言，而 SFC 是一种 PLC 编程语言，其执行方式取决于控制器。请参阅 GRAFCET 与 SFC。

步和转换有什么区别？

步是一种持续存在的情况（系统正在给储罐灌装）；转换是系统从一种情况进入下一种情况的瞬间，即其转换条件变为真的时刻（储罐已满）。

X1 是什么意思？

X1 是步 1 的步变量：步 1 激活期间它为真。它用于转换条件、动作条件以及其他 grafcet 中，例如 5s/X1 或 X1 * /X5。

什么是不稳定步？

在一次寻求稳定的过程中被激活后又被停用的步，因为它下方的转换条件已经为真。它的连续动作不会执行；它的存储型动作会执行。

如何将 GRAFCET 转换为 PLC 程序？

每个步对应一个存储位，每个转换对应一个条件，该条件置位其下方的步并复位其上方的步，输出则根据步的存储位写出。您可以用梯形图或结构化文本手工实现，也可以使用 PLC 自带的 SFC 语言，或者让 GrafcetMaker 生成结构化文本或 PLCopen XML 作为起点。

有免费的 GRAFCET 软件吗？

有：GrafcetMaker 是免费开源软件（MIT 许可证）。它可以在 Windows、macOS、Linux、平板电脑和手机上的任何现代浏览器中运行，企业也可以将其部署在自己的网络中。