1. Matre de confrences lIUFM de Franche-Comt Besanon.2. Par convention, on crira Grafcet (avec un grand G) lorsqu'il s'agira du modleoutil et grafcet (avec un petit g) dans les autres cas.3. Le chiffre entre crochets renvoie lencadr Rfrences bibliographiques.mcaZOOMGrafcet: utilisationdes primitives de macro-tapeet de forageDOMINIQUE GENDREAU1Loutil grafcet, qui fut enseign dans nos lyces avant mme dtre utilis dans lindustrie, reste malgrcela encore mal matris par certains dentre nous. Cet article prsente les concepts de macro-tape et forage, dont le grafcet sest enrichi depuis.IntroductionLe Grafcet2, outil de reprsentation du cahier des charges dun systme logique, est n en 1977 et a t normalis une premirefois en France en 1982 (NF C03-190) [1]2. La plupart des rgleset concepts de base ont t repris et complts pour aboutir une norme internationale (CEI/IEC 848) [2] parue en 1988.Depuis son origine, il a t de plus en plus utilis pour laconceptiondessystmesautomatissdeproduction.De nouveaux concepts sont alors apparus [3], confrant au grafcetune puissance de modlisation plus grande. Un document a alorst rdig (UTE C03-191) [4] en vue dune nouvelle norme qui, ce jour, na pas encore t tablie. De nombreux concepteursutilisent maintenant la notion de macro-tape et le conceptde forage.La macro-tape est une forme de reprsentation qui simplielcriture et permet galement une approche progressive dansla conception de grafcets. La lecture et la comprhension en sontamliores.Le forage dun grafcet une situation est un nouveau conceptqui introduit une notion de hirarchie dexcution. Son emploi esttrs apprci pour la mise en place de procdures de scurit,lorsque des dysfonctionnements apparaissent dans le systme.Point de vue de la descriptionAvant daborder toute modlisation, il est ncessaire de prci-ser le point de vue du concepteur du systme, lequel point de vuepermettra de dnir les entres et sorties du systme dcrit [5].On peut dire que toute volution sur le processus est produitesous leffet dordres manant de lunit de commande qui agit enfonction de comptes rendus renseignant sur ltat du processus(voir gure 1).Dans la suite de notre dveloppement, nous allons nous situeren phase de dbut de conception, cest--dire que nous allons nousrestreindre dcrire le comportement de la partie commandevis--vis de leffecteur et du processus (voir gure 2). Le Grafcetest utilis pour dcrire ce comportement.MOTS-CLS automatisme, grafcet, partie commande, logiquePr- actionneurActionneurCapteurnergie de puissance nergie mcaniqueEffecteurConditionneurde signalSignal lectriqueDialogues et communicationsUnit de commandeInformation sur le processusUnit de commandeSignal de retourSignal de retour Signal de commandeSignal de commande Processusnergie mcaniquenergie mcanique Information sur le processusOrdresComptes rendusFigure 1. Boucle de commande dun systme automatisPartie oprativePartie commandePupitre oprateurSortiesEntresSortiesEntresSortiesEntresFigure 2. Frontires de descriptionLa partie commande, ainsi dlimite, comporte lensembledes composants de la boucle, alors inconnus du concepteur. Il abesoin de faire une modlisation du comportement an de choisirles composants ncessaires et dadapter les programmes ou lescblages satisfaisant les fonctions ainsi identies.Les ordres allant de la partie commande vers la partie oprative(nergie mcanique ncessaire aux effecteurs), ainsi que lesinformations destination de loprateur, via le pupitre, vontcorrespondre aux sorties du grafcet dcrivant le comportementde cette partie commande.Les comptes rendus provenant de la partie oprative (ren-seignements sur ltat du processus) destination de la partiecommande et les consignes fournies par loprateur, via le pupitre,vont constituer les entres du grafcet.Application: machine de traitement de surfaceLa machine prsente sur la gure 3 effectue un traitement debrunissage sur la surface de pices mtalliques. Elles sont dis-poses dans des paniers pendant tout le cycle de traitement.Le cahier des charges du systme est le suivant : dans la posi-tion pos0, le treuil descend et la pince prend le panier des pices.Puis, le treuil lve le panier et le pont roulant se dplace vers lagauche jusqu la position pos1. Le treuil descend alors le panierdans le bac de traitement 1, o les pices subissent un dgrais-sage pendant 5 secondes. Le cycle se poursuit par un nettoyagedes pices dans le bac de traitement 2, pendant 2 secondes, puiselles subissent le traitement de brunissage dans le bac de trai-tement 3 pendant une dure de 10 secondes. Pour terminer, lepanier de pices est dpos en position pos4 pour gouttage etle treuil et le pont roulant reviennent en position initiale, prts saisir un autre panier.36I TECHNOLOGIE 116 I NOVEMBRE-DCEMBRE 2001NOVEMBRE-DCEMBRE 2001 I TECHNOLOGIE 116 I 37Il existe quelques contraintes technologiques sur les mouve-ments rsultant du choix des effecteurs: le dplacement verticaldu treuil ne peut seffectuer que dans une position xe du pontroulant (pos0 pos4). Les dplacements du pont roulant nepeuvent seffectuer que si le treuil est en position haute. Leprhenseur saisit le panier de pices au poste de prise (pos0)pour ne le lcher quau poste de dpose (pos4), en position bassedu treuil. Lapprovisionnement des paniers de pices au poste deprise et lvacuation des paniers de pices traites au poste dedpose ne font pas lobjet de ltude. La gure4 prsente les entres-sorties du systme dcrit par Grafcet.Partie commandeDescription par GrafcetPartie oprativePupitre oprateurMarcheAutoManuelMachine disponible (voyant V)Treuil Pinces Bac1 Bac2 Bac3Pos1Pos2Pos3Pos4Pos0 HautMonteBas DescenteOuvertFerm OuvertureFermeture Dtails pinces Pont roulant Panier de picesGauche DroiteFigure 3. Machine de traitement de surfacegrafcetdcrivant le comportement de la partie commandeManuelAuto Marche Pos0 Pos1 Pos2 Pos3 Pos4 Haut Bas Ouvert FermAllumer V Aller G. Aller D. Monter Descendre Ouvrir FermerFigure 4. Entres-sorties du systmeLes entres correspondent dune part aux informations enprovenance de la partie oprative et dautre part aux dialoguesavec loprateur. Les sorties sont exprimes en termes dordres.Premire descriptionLe premier grafcet (voir gure 5) prsente une structure linairemonolithique qui dcrit lenchanement des ordres ncessairesau processus pour permettre le fonctionnement de cette machine.Cette structure est simple, mais la description est longue et ellencessite la connaissance de toutes les actions.Cette structure fait apparatre plusieurs fois les mmessquences (voir figure 6) correspondant au dplacement dupanier de pices dun bac de traitement au suivant. Elle estcomplte par une squence de dbut la prise du panier etune squence de n la dpose du panier et le retour en positioninitiale (voir gure 7).Seconde descriptionCette seconde description (voir figure 8) est compose de quatre grafcets connexes. Ils ont t crits grce une approchefonctionnelle. Le premier (tapes 0 9) correspond la gammede traitement qui dcrit le processus global. Le second (tapes10 13) dcrit une fonction de prise de panier , le troisime11121314Conditions initiales CI = pos0.haut.ouvert Vers tape 0Pos0 20 Aller D.Haut19 MonterOuvert 18 OuvrirBas 17 DescendrePos416 Aller G.HautMonter 1510s/X14BasDescendre Pos3Aller G.HautMonterBas2s/X10DescendrePos2Aller G.HautMonter5s/X6BasDescendrePos1Aller G.012391087654HautFermFermer MonterBasDescendreMarche.auto.CIAllumer VFigure 5. Solution grafcet linaireFigure 6. Rptition de squences38I TECHNOLOGIE 116 I NOVEMBRE-DCEMBRE 2001(tapes2024)exprimeunefonctionde dplacement dun bac lautre du panier, etle dernier (tapes 30 34) correspond unefonction de dpose de panier , qui inclut leretour en position initiale.On peut remarquer que la squence 10 13nest excute quune seule fois au cours du cyclede traitement dun panier de pices. Il en est demme pour la squence 30 34. Par contre, lasquence 20 24 est excute quatre fois etconstitue ainsi un sous-programme ressourcedu programme principal qui dcrit la gamme detraitement.Utilisation de la notion de macro-tapeOn peut remarquer que la seconde descriptionest mieux structure que la premire. Chaquegraphereprsenteunefonctionparticulire(gamme de traitement, prise de panier, trans-fert de panier, dpose de panier). Cependant, lalecture dun tel grafcet global peut tre renduedifcile par la ncessaire synchronisation quilfaut apporter pour permettre la liaison entre lesgraphes.La notion de macro-tape permet dappr-hender une approche plus progressive de lastructure globale, jusqu la description la plusdtaille ncessaire expliciter compltementle fonctionnement. On exploite ainsi la notionde zoom dans la reprsentation. Il peut ainsitre dni autant de niveaux de reprsentationque ncessaire (chaque expansion peut compor-ter des macro-tapes).On sintresse en premier lieu la spcica-tion du systme global qui fait apparatre lagamme de traitement, sans se soucier de lamanire dont on va produire les mouvements debase pour les dplacements (voir gure 9).Par la suite, on va sintresser exprimer lessous-fonctions. Cest en dveloppant lexpan-sion de chaque macro-tape que lon dtaille lesdiffrents mouvements lmentaires ncessaires prendre le panier de pices, le dplacer dansle bac suivantFigure 8. Solution grafcet structurFermerDescendreConditions initiales CI = pos0.haut.ouvert X34X2410s/X7X242s/X5X2401239876545s/X3X24X13Marche.auto.CIAllumer V 10111213 X1FermBasX1Aller G.Monter20212224Baspos1 + pos2 + pos3 + pos4BasX2 + X4 + X6 + X8X2 . X4 . X6 . X8Descendre 23MonterOuvrir30313234Pos0HautOuvertX9X9Aller D. 33FermerDescendreConditions initiales CI = pos0.haut.ouvert = 1 = 110s/X7= 12s/X5= 101239876545s/X3= 1= 1Marche.auto.CIAllumer V111213Expansion de la macro-tape 1Expansion de la macro-tape 4Expansion de la macro-tape 8FermBasAller G.Aller G. MonterDescendreDescendre Aller D.MonterMonter Ouvrir2151 312252 322353 33BasBas Pos0Expansion de la macro-tape 2Expansion de la macro-tape 6Expansion de la macro-tape 9Pos1Pos3 HautHautHaut Ouvert24Aller G. Aller G.Descendre DescendreMonter Monter 41 6142 6243 63Bas BasPos2 Pos4Haut Haut44 6454 34Figure 7.Dbut et n de cycleFigure 9. Solution grafcet utilisant des macro-tapesNOVEMBRE-DCEMBRE 2001 I TECHNOLOGIE 116 I 39Dans les deux fonctionnalits ajoutes, on retient le caractreurgent de lvnement qui survient. Une mauvaise valeur de pH a une incidence sur la qualit du produit ; il convient donc darrter le traitement en cours et dappliquer une procdure desauvegarde du produit. Dautre part, lactionnement dun boutondarrt durgence est souvent conscutif un dysfonctionnementdont leffet peut nuire au systme ou lenvironnement, et enparticulier loprateur. Une procdure prioritaire vient doncsexcuter pour limiter ou anantir le danger potentiel. Dans cesdeux cas, le concept de forage peut tre utilis bon escient(voir gure 11).La solution obtenue prsente un premier avantage au niveaude lapproche mthodologique de conception: il est ainsi possiblede traduire, dans un premier temps, le fonctionnement normal,puis dexprimer dautres fonctionnalits sans remise en cause dela premire structure. Le rsultat obtenu est le second avantagequi sexprime en termes de simplicit du modle obtenu; la lectureen est ainsi grandement facilite. La surcharge dinformations(expressions avec Au et pH) et de saut de squences de lapremire solution disparat au prot dordres de forage, qui, deplus, permettent une certaine hirarchie.Cependant, il est ncessaire de se prmunir contre des compor-tements qui savreraient dlicats, au regard des modalitsdapplication du concept. On doit ainsi examiner toutes les situationsengendrant un ordre de forage pour viter tout conit de forage.Dans notre systme, lapparition de linformation pH permetau grafcet partiel G1 dmettre un ordre de forage du grafcetpartiel G2 qui dcrit le fonctionnement normal. De mme, lapparition de linformation Au permet au grafcet partiel G0dmettre un autre ordre de forage du mme grafcet partiel G2.Que se passe-t-il lorsque les deux informations sont prsentesdans le mme temps, indpendamment du fait thoriquementimpossible car ce sont des vnements indpendants quellespeuvent survenir au mme instant ? Un mme grafcet partiel nepeut pas tre forc dans deux situations diffrentes; il est alorsAllumer R teindre V Sonner SAllumer V teindre RAller GCFermerCDescendre (10s/X7 + pH).Au2s/X5.Au.pH012387654Au.pH AuAuAuAuAuAuAuMarche.auto.CI.Au.pHCAllumer Rteindre VCAllumer Vteindre R1112pHpH13Ferm + AuBas.Au AuAuAuAu.pHAu.pHAu.pH Au.pH5s/X3.Au.pHExpansion de la macro-tape 1CAller G.CMonter5152pHpH5354Pos3.AuHaut.Au AuAuCDescendre pHBas + Au + pHExpansion de la macro-tape 6 CAller G.Monter6162 pH6364Pos4.AuHaut.Au AuAuCDescendre pHBas + Au70 CSonner S pHExpansion de la macro-tape 8g r a f c e tAupH Manuel Auto Marche Pos0 Conditions initiales CI = pos0.haut.ouvert Figure 10. Solution nutilisant pas le concept de forageDans lutilisation de cette notion de macro-tape, on peutremarquer que labsence de synchronisation simplie la repr-sentation, par suppression des variables dtape et des tapesservant ces synchronisations.Par contre, linconvnient majeur est la non-rutilisabilit desquence; chaque macro-tape correspond sa propre exten-sion. Si, comme dans le cas prsent, une mme squence doit sereproduire quatre fois, il faut ncessairement dupliquer cettesquence dans chacune des expansions correspondant aux autresmacro-tapes.Utilisation du concept de forageLa notion de macro-tape se limite simplier la reprsentationpuisque, en lieu et place dune macro-tape, on peut placer lex-pansion correspondante. Le concept de forage une situationest une notion beaucoup plus forte, au sens o il privilgie et traduit une hirarchie dcisionnelle. On rservera lutilisationde ce concept la mise en place de procdures de scurit, tellesque la conduite tenir en cas darrt durgence ou encore leffetde lactionnement dun contact de scurit sur une porte.Par contre, son utilisation pour coordonner un fonctionne-ment ou encore slectionner un mode de marche est possible maisserait dtourne de ses objectifs initiaux.Ainsi, dans notre exemple prcdent, on souhaite rajouterdeux fonctionnalits supplmentaires: lappui sur un bouton-poussoir darrt durgence Au a poureffet dannuler tout ordre de commande, de remettre le grafceten situation initiale et dallumer un voyant R (voyant Vteint) ; une information pH en provenance du bac de traitement nousindiquant une mauvaise valeur de pH de la solution a pour effetde stopper le cycle de traitement, de relever un ventuel panierimmerg dans ce bac3 et dalerter un oprateur par une sirne S.Ces deux fonctionnalits peuvent tre exprimes en compltantle grafcet prcdent (voir gure 10).40I TECHNOLOGIE 116 I NOVEMBRE-DCEMBRE 2001ncessaire de xer (arbitrairement ou non) une priorit dansces deux ordres.La solution retenue vise prfrer larrt durgence commevnement majeur entre les deux informations. En consquence,le grafcet partiel G1 (qui est rceptif pH) est rendu inop-rant par forage la situation vide partir de G0. Par contre, ilest ncessaire de lui rendre sa fonctionnalit ds lors que Aunest plus effectif, en particulier lorsque pH est dj prsent ;cest la raison pour laquelle la rceptivit associe la transi-tion source ne possde pas de front montant ( pH) ; lexpressionde pH est assortie du complment de X90, pour viter lefranchissement continuel de la transition lorsque ltape 90 estdj active.Il faut tre galement attentif au fait quun grafcet partiel resteforc tant quil est contraint par un ordre de forage. Lorsque pHapparat, le panier de pices doit se relever sil est plong dansle bac de traitement correspondant (information bac3) ; lordrede forage contraint G2 prendre la situation 61, tape quipermet lmission de la sortie Monter qui doit se poursuivrejusqu ce que le treuil soit en position haute (information haut sans effet sur le grafcet partiel G2 qui est toujours forc) ; il fautalors supprimer cet ordre de forage pour arrter le mouvement.Il en est de mme quel que soit ltat de la machine quand sur-vient cet vnement pH ; par consquent, dans toutes lesautres situations du panier de pices, le forage la situationvide aura pour effet dannuler tout mouvement en cours. On peutremarquer que, par rapport la solution prcdente, on perd lanotion de mmorisation darrt du cycle en cours.ConclusionLapport de la notion de macro-tape et du concept de foragede grafcet est indiscutablement positif dans une dmarche de conception. Lutilisation de ces nouveaux lments dapprochefonctionnelle et de structuration dcisionnelle amliore gran-dement le travail des spcificateurs et la comprhension dufonctionnement par les utilisateurs; attention tout de mme nepas utiliser maladroitement ou abusivement ces concepts. Enn,le passage dune telle spcication un langage de program-mation pour automates programmables industriels peut aussi se rvler plus difcile que la simple utilisation des concepts debase. IFigure 11. Solution utilisant le concept de forageFermerDescendreConditions initiales CI = pos0.haut.ouvert = 12s/X5= 101236545s/X3= 1= 1Marche.auto.CI111213Expansion de la macro-tape 1Expansion de la macro-tape 8FermBasAller G.DescendreMonter 515253BasExpansion de la macro-tape 6Pos3HautAller G.DescendreMonter 616263BasPos4Haut64 54A0A1AuAllumer Vteindre RAllumer Rteindre VF/G1>{}F/G2>{INIT}Au90pH.X90Sonner SF/G2>{ 61} CCBac3.hautBac3 + haut F/G2>{}pHG2 G0G1Rfrences bibliographiques[1] Diagramme fonctionnel Grafcet pour la description des systmeslogiques de commande, Norme franaise NF C03-190, UTE*, juin1982,30 p.[2] tablissement des diagrammes fonctionnels pour systmes decommande/Preparation of function charts for control systems , Normeinternationale/International Standard, CEI/IEC 848**, 1988, 99 p.[3] Le Grafcet : de nouveaux concepts, Grepa, Cepadus ditions, coll. Automatisation et production, dcembre 1985, 104 p.[4] tablissement des diagrammes fonctionnels pour systmes decommande Diagramme fonctionnel grafcet. Extension des conceptsde base, Documentation de rfrence (documentation et symboles graphiques), UTE C03-191, juin 1993, 35 p.[5] 7 facettesduGrafcet : approchespratiquesdelaconceptionlexploitation, collectif dauteurs, Cepadus ditions, coll. Automati-sation et production, avril 2000, 168 p.* UTE, Cedex 64, 92052 Paris-La Dfense, France.** Bureau central de la CEI, 3, rue Varemb, Genve, Suisse.