Le Grafcet

OF.grafcet 1999 1/8 Techno / Génie mécanique

AUTOMATISME : LE GRAFCET Ce document a été originalement rédigé par MM. Jean Caudron, Yvan Crévits, Benoit Evrard, Jean-Pierre Hiolle, Hubert Huyon, Richard Nael, Vincent Senocq.

1111 SSSSYSTEME AUTOMATISE DEYSTEME AUTOMATISE DEYSTEME AUTOMATISE DEYSTEME AUTOMATISE DE PRODUCTION PRODUCTION PRODUCTION PRODUCTION (SAP)(SAP)(SAP)(SAP)

1.11.11.11.1 Définition Définition Définition Définition et fonction d’un SAP et fonction d’un SAP et fonction d’un SAP et fonction d’un SAP Un système automatisé de production (SAP) est un ensemble d’éléments chargé de fournir de la valeur ajoutée à de la matière d’œuvre. Le résultat constitue le produit fini qui peut être intermédiaire s’il sert de matière d’œuvre à un autre SAP.

Les différentes tâches accomplies par le système sont gérées dans le temps en fonction d’événements qui caractérisent le processus de réalisation de la valeur ajoutée.

1.21.21.21.2 Décomposition d’un SAP Décomposition d’un SAP Décomposition d’un SAP Décomposition d’un SAP Tout système de production comporte deux éléments fondamentaux : la partie opérative et la partie commande (Cf. Figure 1).

PO

Préactionneurs

Machine

Actionneurs

PC

Traitement

Organes de communication

Frontière PO/PC

Autres parties commandes

Dialoguehomme/machine

Capteurs

Figure 1 : organisation d’un système automatisé de production.

1.2.11.2.11.2.11.2.1 La partie opérative La partie opérative La partie opérative La partie opérative La partie opérative (PO) traite la matière d’œuvre pour obtenir un produit fini. Elle est constituée des actionneurs (vérins, moteurs, etc.) et de tous les éléments en contact avec la matière d’œuvre. Ces éléments véhiculent et nécessitent une énergie importante.

Dans une production manuelle, l’opérateur humain gère directement la partie opérative sans intervention d’une autre partie : on parle alors de système mécanisé.

1.2.21.2.21.2.21.2.2 La partie commande La partie commande La partie commande La partie commande La partie opérative est contrôlée en permanence par la partie commande (PC) qui mémorise le savoir-faire de l’opérateur humain et gère la coordination des tâches (le séquencement). Ici l’énergie est faible : juste ce qui est nécessaire pour véhiculer et traiter les informations.

1.2.31.2.31.2.31.2.3 Liens entre PO et PC Liens entre PO et PC Liens entre PO et PC Liens entre PO et PC Les deux parties précédemment citées doivent être en communication. La PC reçoit en permanence des comptes-rendus de la PO, tandis que cette dernière est stimulée par la PC. En outre, l’opérateur humain (OH), de manière directe ou non, doit pouvoir agir sur le système ou obtenir des informations (aide à la décision , compte-rendu, état du système,...). Des organes de dialogue assurent ces fonctions :

• dialogue Homme/machine ; • dialogue partie commande/partie opérative ; • dialogue système/système (via PC/PC).

Automatisme : le GRAFCET

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2222 LLLLE GRAFCETE GRAFCETE GRAFCETE GRAFCET Le grafcet est un outil de liaison qui traduit le cahier des charges du processus et permet aux différents intervenants de le concevoir, le fabriquer et l’exploiter.

Le grafcet est un langage graphique possédant sa syntaxe et ses règles de fonctionnement. Il permet de décrire le fonctionnement de la partie commande d’un automatisme indépendamment du matériel utilisé.

2.12.12.12.1 Eléments graphiques de base Eléments graphiques de base Eléments graphiques de base Eléments graphiques de base Le langage Grafcet dispose de signes graphiques au nombre de trois : l’étape, la transition et la liaison.

2.1.12.1.12.1.12.1.1 Etape et actions assoc Etape et actions assoc Etape et actions assoc Etape et actions associéesiéesiéesiées Une étape traduit une situation dans laquelle le comportement de la partie commande est invariant : le système réalise une ou des actions (Cf. Figure 2).

Une étape, identifiée par un repère alphanumérique, peut prendre deux états distincts : soit elle est active, soit elle est inactive. Ceci se traduit par une variable binaire Xi à l’étape n°i : si l’étape est active, Xi=1 sinon Xi=0. On indique l’activité d’une étape en la marquant d’un point. Une étape possède une entrée (en haut) et une sortie (en bas). Enfin, pour traduire une situation initiale, on définit une étape initiale symbolisée par un cadre double (Cf. règle d’évolution 1).

i i i i

Etape Etape active Entrée et sortied'une étape

Etape initiale

Figure 2 : les symboles associés aux étapes.

A une étape sont associées des actions qui ne sont réalisées que si l’étape est active (Cf. Figure 3).

i Action 1 Action 2

Figure 3 : les actions associées aux étapes.

On appelle situation l’ensemble des étapes actives à un instant donné.

2.1.22.1.22.1.22.1.2 Transition et réceptivité Transition et réceptivité Transition et réceptivité Transition et réceptivité Une transition marque une possibilité d’évolution d’une situation donnée à une autre situation. Cette évolution est effective si la transition est franchie. Le symbole correspondant est une barre horizontale.

A une transition t[i, i+1], on associe une réceptivité qui est une expression booléenne. Elle traduit la combinaison des variables qui peut faire évoluer le système vers une autre situation.

2.1.32.1.32.1.32.1.3 LiaisonLiaisonLiaisonLiaison Une liaison relie une étape à une transition ou une transition à une étape. Les liaisons tracent les voies d’évolution du système. Une liaison est orientée : le sens naturel est haut/bas et seules les liaisons ascendantes sont fléchées.

Les liaisons peuvent conduire d’une étape à une transition (et vice versa), de plusieurs étapes à une seule transition (et vice versa) ou d’une étape à plusieurs transitions (et vice versa). Pour traduire ces différentes possibilités, on définit les liaisons divergentes et convergentes (Cf. Figure 5).

La divergence OU marque une évolution conditionnelle, c’est à dire un fonctionnement obtenu après un choix. La divergence ET permet les évolutions simultanées (parallélisme).

i

i+1

r(α)

Figure 4


CPGE TSI 3333////8888

Divergence OU

Convergence OU

Divergence ET

Convergence ET Figure 5 : divergences et convergences sur les liaisons.

2.22.22.22.2 Règles d’évolution du grafcet Règles d’évolution du grafcet Règles d’évolution du grafcet Règles d’évolution du grafcet Après avoir défini les « mots du langage », on décrit maintenant les règles qui permettent de les associer.

Règle Enoncé

R1 La situation initiale d’un grafcet caractérise le comportement initial de la partie commande vis à vis de sa partie opérative. Elle correspond aux étapes actives au début du fonctionnement de la partie commande

R2 Un changement de situation correspond au franchissement d’une transition. Un franchissement ne peut se produire que si les deux conditions suivantes sont réalisées en même temps :

• la transition est validée (étapes(s) précédente(s) actives), • la réceptivité associée est vraie.

R3 Le franchissement d’une transition entraîne simultanément : • l’activation de toutes les étapes immédiatement suivantes, • la désactivation de toutes les étapes immédiatement précédentes.

R4 Plusieurs transitions simultanément franchissables sont franchies simultanément.

R5 Une étape simultanément activée et désactivée reste active.

2.32.32.32.3 Règle d’alternance Règle d’alternance Règle d’alternance Règle d’alternance L’alternance étape-transition et transition-étape doit toujours être respectée quelle que soit la séquence parcourue (Cf. Figure 6). C’est donc un moyen de vérification simple qu’il faut appliquer.

Figure 6 : ces structures ne sont pas correctes

3333 NNNNIVEAUX DE REPRIVEAUX DE REPRIVEAUX DE REPRIVEAUX DE REPRESENTATION DE LA PARESENTATION DE LA PARESENTATION DE LA PARESENTATION DE LA PARTIE COMMANDETIE COMMANDETIE COMMANDETIE COMMANDE La caractérisation du niveau de représentation du grafcet prend en compte trois dimensions :

• le point de vue d’observation du fonctionnement du processus (au nombre de trois), • le niveau de spécification demandé (au nombre de trois), • la finesse qui caractérise le détail de la description (du global au détail ultime).

3.13.13.13.1 Les points de vue Les points de vue Les points de vue Les points de vue

3.1.13.1.13.1.13.1.1 Système, global ou contexte Système, global ou contexte Système, global ou contexte Système, global ou contexte C’est le point de vue de l’observateur qui regarde le fonctionnement global de l’automatisme. Tout grafcet écrit de ce point de vue reste accessible à une personne non spécialiste (Figure 7).


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3.1.23.1.23.1.23.1.2 Procédé ou partie opérativeProcédé ou partie opérativeProcédé ou partie opérativeProcédé ou partie opérative On se place ici du point de vue de la partie opérative. On perçoit les ordres et le comportement de la partie commande sans y avoir accès (Figure 7).

3.1.33.1.33.1.33.1.3 Partie commande Partie commande Partie commande Partie commande C’est ce qui permettra de passer à la description puis réalisation de la commande (Figure 7).

Système

PCPO

effets

événements

PO PC

ordres

informations

. Point de vue système Point de vue PO Point de vue PC

Figure 7 : les différents points de vue

3.23.23.23.2 Niveaux de spécification Niveaux de spécification Niveaux de spécification Niveaux de spécification

3.2.13.2.13.2.13.2.1 Spécifications fonctionnelles Spécifications fonctionnelles Spécifications fonctionnelles Spécifications fonctionnelles Le fonctionnement de la partie commande est ici décrit en termes de fonctions face aux informations globales de la partie opérative. Les solutions technologiques (PC et PO) ne sont pas choisies. Les notions abordées sont donc accessibles à un non-spécialiste.

3.2.23.2.23.2.23.2.2 Spé Spé Spé Spécifications technologiquescifications technologiquescifications technologiquescifications technologiques Ici, on a effectué des choix technologiques pour la partie opérative (actionneurs, préactionneurs et capteurs). Les éléments sont décrits par des termes technologiques.

3.2.33.2.33.2.33.2.3 Spécifications opérationnelles Spécifications opérationnelles Spécifications opérationnelles Spécifications opérationnelles A ce niveau, l’automatisme est plongé dans son contexte de production en tenant compte de tous les éléments fournis par les autres niveaux de spécification : liaisons avec les autres automatismes (hiérarchisation des tâches, graphes de contrôle, etc.), règles de fonctionnement particulières (rapidité, simultanéité des tâches), prise en compte des modes de marche et d’arrêt (MMA) incluant les sécurités, la maintenance, les essais et les réglages.

3.33.33.33.3 La finesseLa finesseLa finesseLa finesse La finesse définit le niveau de détail dans la description du fonctionnement qui s’étend de la macro-représentation jusqu’au niveau de détail complet où toutes les informations élémentaires sont prises en compte.

4444 NNNNOTIONS ASSOCIEES AUXOTIONS ASSOCIEES AUXOTIONS ASSOCIEES AUXOTIONS ASSOCIEES AUX ETAPES ETAPES ETAPES ETAPES

4.14.14.14.1 Tâche ou fonction Tâche ou fonction Tâche ou fonction Tâche ou fonction Le terme de tâche constitue une extension de la notion d’action. C’est une représentation développée comportant plusieurs actions simultanées ou une séquence représentée par un grafcet. Une tâche est aussi dénommée sous-programme (Cf. §V. Tâches ou sous-programmes).

Un ordre est normalement continu et émis durant toute l’activité de l’étape. Pour réaliser les actions, on effectue leur bilan puis chacune d’entre elles est réalisée si l’une des étapes associée est active. Ceci est illustré à la page suivante (Figure 8 et Figure 9).

Ce traitement est direct dans le cas des séquenceurs câblés et postérieur dans le cas des automates programmables.


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i

i+1

i-1 Ordre A Ordre C

Ordre A Ordre B

Ordre C Ordre A

Figure 8

≥1

≥1

Ordre A

Ordre B

Ordre C

Xi-1Xi

Xi+1

Xi

Xi-1

Xi+1

Figure 9

4.24.24.24.2 Ordre conditionnel Ordre conditionnel Ordre conditionnel Ordre conditionnel L’ordre conditionnel permet d’autoriser une action suivant une condition (Cf. Figure 10).

i Ordre A

c

i Si c, Ordre A

i Sortir vérin

c

Rentrer vérin

Ordre conditionnel Autre notation Cas interdit

Figure 10 : diverses représentations d’un ordre conditionnel.

L’ordre A est émis si l’étape i est active et ) chaque fois que la condition c est vraie.

Cette possibilité de fonctionnement très souple interdit cependant de déclencher deux ordres contraires sur la même étape.

4.34.34.34.3 Temporisation Temporisation Temporisation Temporisation Pour utiliser cet opérateur dans un graphe, on applique les représentations de la Figure 11. On note l’information logique représentant les temporisations par “t1/Xn” où Xn représente l’étape d’enclenchement de la temporisation et t1 la durée.

i Ordre A

4s/Xi . β Représentation « classique » avec les variables

i Ordre A, L=4s

β

L

L’ordre A est effectué pendant 4s (L= Limité)

Figure 11 : différentes représentations d’un ordre temporisé.

4.44.44.44.4 Ordre émis pendant plusieurs étapes (action mémorisée) Ordre émis pendant plusieurs étapes (action mémorisée) Ordre émis pendant plusieurs étapes (action mémorisée) Ordre émis pendant plusieurs étapes (action mémorisée) Il arrive que des ordres soient maintenus pendant plusieurs étapes. L’écriture la plus simple est la première forme (Figure 12) et pour éviter d’alourdir le grafcet, on peut utiliser la deuxième forme.

i

i+1

i-1 Ordre A Ordre BS

Ordre A Ordre D

Ordre C

...

...

...

R

i

i+1

i-1 Ordre B

Ordre C

Ordre D

j Ordre A

Première forme Deuxième forme Figure 12 : action mémorisée.

Dans la deuxième forme, il faut avoir recours à une structure externe de mémorisation .


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5555 AAAAPPROCHE PROGRESSIVE PPROCHE PROGRESSIVE PPROCHE PROGRESSIVE PPROCHE PROGRESSIVE STRUCTUREESTRUCTUREESTRUCTUREESTRUCTUREE

5.15.15.15.1 Tâches ou sous Tâches ou sous Tâches ou sous Tâches ou sous----programmesprogrammesprogrammesprogrammes Si le fonctionnement du SAP nécessite des actions composées exécutées plusieurs fois, on a recours au sous-programme. Il est représenté par un graphe indépendant associé au graphe principal et déclenché par ce dernier. Une série d’informations circule entre les deux graphes comme l’illustre la Figure 13.

10

Xi+(Xi+2)+(Xi+4)

11

...

Ordre A

Ordre N

j

j-1

(Xi+1)+(Xi+3)+(Xi+5)

"Sous-programme SP1"i+1

i+2

i

Ordre 1

SP1

Appel

SP1

i+4 SP1

i+3 Ordre 2

Xj

Xj

...

...

i+5 Ordre 3

Xj

Grafcet principal Grafcet du sous-programme

Acquittement

Retour

Figure 13 : appel et retour de sous-programme.

On remarque qu’il n’est pas possible de lancer le sous-programme de deux étapes consécutives puisqu’il faut attendre les accusés de réceptions pour poursuivre : information « fin de SP » envoyée par l’étape j, acquittement de SP par l’étape suivante (ici i+1, i+3, i+5,...). S’il n’y a pas d’ordre à émettre, ce sont des étapes d’attente. Enfin, l’étape j est indispensable pour la synchronisation entre les deux graphes.

5.25.25.25.2 Macro Macro Macro Macro----étapesétapesétapesétapes Pour aborder la description du SAP de manière globale, puis de plus en plus fine, il est nécessaire de définir des blocs globaux dont le détail est décrit à un autre niveau : ce sont les macro-étapes (Figure 14).

Une telle écriture offre des avantages non négligeables :

• les graphes ne sont pas surchargés de détails annexes, inutiles à la compréhension du SAP (à un stade global de la description),

• la maintenance est facilitée puisque que l’on peut, par une approche hiérarchisée, atteindre rapidement le coeur du problème,

• la modification du système est facilement réalisable. Elle s’opère sans modifier la structure générale du graphe principal.

i

Ei

Fin MEi

...

"Macro-étape MEi"

Si Figure 14 : macro-étape (à gauche) et son expansion (à droite).

Les étapes d’entrée Ei et de sortie Si sont les bornes de ce que l’on dénomme expansion de la macro-étape MEi. Ce sont des étapes d’attente nécessaires à la synchronisation des deux graphes. De plus, une macro-étape est un mode d’écriture qui évite des développements longs sur des graphes généraux. A ce titre l’expansion de la macro-étape est une représentation unique d’un fonctionnement et n’est donc pas duplicable comme un sous-programme.

5.35.35.35.3 Coordination (pour information) Coordination (pour information) Coordination (pour information) Coordination (pour information) La gestion d’un système peut être représentée à l’aide de plusieurs grafcets. Divers moyens de représentation des échanges d’informations sont résumés dans cette partie.


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5.3.15.3.15.3.15.3.1 Situation d’un gra Situation d’un gra Situation d’un gra Situation d’un grafcetfcetfcetfcet La situation d’un grafcet est l’ensemble de ses étapes actives à un instant donné. On distingue alors :

• la situation initiale pour laquelle toutes les étapes initiales sont actives, • la situation courante correspond à la situation à un instant donné. Elle est notée {*}, • la situation vide correspond à un état où aucune étape n’est active. Elle est notée {}, • la situation donnée correspond à la situation dans laquelle les étapes i, j,... sont actives. Elle est notée {i,

j,...}. Pour faire référence à une situation, des variables de situation sont définies sous la forme :

NS:GRn, {LE} où NS est le nom de la situation, GRn est le nom du grafcet auquel appartient NS

et LE la liste des étapes représentant cette situation.

On peut ainsi mémoriser une situation (pour une reprise ultérieure par exemple) par :

S/NS:GRP, ST où NS est le nom de la situation, GRP est le nom du grafcet partiel

et ST la liste des étapes actives à l’instant donné.

L’utilisation de la situation permet de caractériser rapidement l’état d’un ensemble de grafcets pour situer le fonctionnement du système.

5.3.25.3.25.3.25.3.2 Synchronisation entre grafcets Synchronisation entre grafcets Synchronisation entre grafcets Synchronisation entre grafcets Le fonctionnement d’un SAP peut être décrit par un ensemble de grafcets. Ces différents graphes s’échangent des informations sur leur état (situation) grâce aux variables Xi. Ce procédé est, par exemple, utilisé dans l’appel et le retour de sous-programme.

5.3.35.3.35.3.35.3.3 Forçage Forçage Forçage Forçage Les ordres de forçage permettent à un grafcet partiel d’établir des situations pour d’autres grafcets partiels. Il s’établit alors une hiérarchie de cause à effet entre ces différents grafcets qui implique :

• quand un grafcet GRi force un grafcet GRj, la réciproque est fausse, • à tout instant du fonctionnement, un grafcet ne peut être forcé que par un seul autre.

Aux règles d’évolution du grafcet, viennent s’adjoindre deux autres règles concernant le forçage.

5.3.3.15.3.3.15.3.3.15.3.3.1 RRRREGLE EGLE EGLE EGLE RF1RF1RF1RF1

Le forçage est un ordre interne, consécutif à une évolution. Pour une situation comportant un ou plusieurs ordres de forçage, les grafcets forcés prendront immédiatement et directement la ou les situations imposées.

5.3.3.25.3.3.25.3.3.25.3.3.2 RRRREGLE EGLE EGLE EGLE RF2RF2RF2RF2

A toute apparition d’une nouvelle situation, l’application du forçage est prioritaire par rapport à toute activité du modèle (évolution, affectation des sorties,...).

Les règles d’évolution ne s’appliquent qu’à une situation pour laquelle le grafcet partiel forcé est dans la situation imposée par le grafcet forçant.

i F/Gn:{8}

...

Figure 15 : ordre interne de forçage du grafcet Gn à la situation {8}.


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1 SYSTEME AUTOMATISE DE PRODUCTION (SAP) ........................................................... 1 1.1 DEFINITION ET FONCTION D’UN SAP ............................................................................................................ 1 1.2 DECOMPOSITION D’UN SAP........................................................................................................................ 1

1.2.1 LA PARTIE OPERATIVE................................................................................................................ 1 1.2.2 LA PARTIE COMMANDE ............................................................................................................... 1 1.2.3 LIENS ENTRE PO ET PC ............................................................................................................ 1

2 LE GRAFCET ...................................................................................................................... 2 2.1 ELEMENTS GRAPHIQUES DE BASE................................................................................................................ 2

2.1.1 ETAPE ET ACTIONS ASSOCIEES ................................................................................................... 2 2.1.2 TRANSITION ET RECEPTIVITE....................................................................................................... 2 2.1.3 LIAISON.................................................................................................................................... 2

2.2 REGLES D’EVOLUTION DU GRAFCET ............................................................................................................. 3 2.3 REGLE D’ALTERNANCE ............................................................................................................................... 3

3 NIVEAUX DE REPRESENTATION DE LA PARTIE COMMANDE....................................... 3 3.1 LES POINTS DE VUE.................................................................................................................................... 3

3.1.1 SYSTEME, GLOBAL OU CONTEXTE................................................................................................ 3 3.1.2 PROCEDE OU PARTIE OPERATIVE ................................................................................................ 4 3.1.3 PARTIE COMMANDE ................................................................................................................... 4

3.2 NIVEAUX DE SPECIFICATION ........................................................................................................................ 4 3.2.1 SPECIFICATIONS FONCTIONNELLES.............................................................................................. 4 3.2.2 SPECIFICATIONS TECHNOLOGIQUES............................................................................................. 4 3.2.3 SPECIFICATIONS OPERATIONNELLES............................................................................................ 4

3.3 LA FINESSE ............................................................................................................................................... 4 4 NOTIONS ASSOCIEES AUX ETAPES ................................................................................ 4

4.1 TACHE OU FONCTION.................................................................................................................................. 4 4.2 ORDRE CONDITIONNEL ............................................................................................................................... 5 4.3 TEMPORISATION ........................................................................................................................................ 5 4.4 ORDRE EMIS PENDANT PLUSIEURS ETAPES (ACTION MEMORISEE).................................................................... 5

5 APPROCHE PROGRESSIVE STRUCTUREE ..................................................................... 6 5.1 TACHES OU SOUS-PROGRAMMES................................................................................................................. 6 5.2 MACRO-ETAPES......................................................................................................................................... 6 5.3 COORDINATION (POUR INFORMATION) .......................................................................................................... 6

5.3.1 SITUATION D’UN GRAFCET .......................................................................................................... 7 5.3.2 SYNCHRONISATION ENTRE GRAFCETS.......................................................................................... 7 5.3.3 FORÇAGE................................................................................................................................. 7

5.3.3.1 Règle RF1 7 5.3.3.2 Règle RF2 7

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