GRAFCET Prof. Luiz Marcelo Chiesse da Silva UTFPR – Cornélio Procópio 1 GRAFCET INTRODUÇÃO O controle discreto pode vir a ter características combinacionais ou sequenciais e tais características definem o modelamento da linguagem a ser abordado na técnica de controle. A metodologia de projeto de um sistema automatizado consiste na adoção de uma linguagem adequada à descrição das especificações do sistema de forma objetiva, concisa, sem ambiguidades e omissões do objetivo e desempenho dos equipamentos. Nos sistemas de controle de lógica combinacional as saídas ou ações são diretamente dependentes das condições das entradas, enquanto nas ações de controle sequenciais ou de tempo dependente é necessário um método de representação de controle sequencial, dentro de uma técnica específica, exibindo as várias ações a serem efetuadas em uma etapa e indicar as condições que devem ser executadas antes do avanço para uma próxima etapa. HISTÓRICO Uma das técnicas disponíveis empregada para este fim é o modelamento através de uma ferramenta denominada GRAFCET, elaborada pelo grupo de trabalho “Sistemas Lógicos” da AFCET (Associação Francesa pela Cibernética Econômica e Técnica) entre 1975 e 1978, composto por indústrias e universidades; visando um compromisso entre os modelos mais formais e práticos utilizados pelas indústrias. O GRAFCET foi normalizado na França em 1982. CONCEITO O GRAFCET é um método específico desenvolvido para descrever um sistema de controle industrial através de um modelo gráfico com o qual se representam as funções de um sistema sequencial através de elementos denominados etapas e transições. Geralmente é necessário dividir a descrição das especificações em dois níveis sucessivos e complementares. Um primeiro nível de “Especificações Funcionais” : caracteriza as reações do sistema frente às informações da parte operativa, definindo as diferentes funções, informações e comandos da mesma, denominado GRAFCET nível 1. O segundo nível, de “Especificações Tecnológicas”: define a maneira pela qual o controle deverá fisicamente ser incluído no conjunto que forma o sistema automatizado e seu meio, sendo que, a este nível, somente devem intervir as informações sobre a natureza exata dos sensores e atuadores utilizados, suas características e restrições, sendo denominado GRAFCET nível 2. Portanto, o GRAFCET é um método (ou uma ferramenta) gráfico de descrição do comportamento determinístico da parte de controle de um sistema automatizado isolado, dado pela representação gráfica de seu comportamento. Os elementos: etapas, arcos orientados e transições; constituintes deste modelamento gráfico, são descritos pelos seguintes símbolos:
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GRAFCET
INTRODUÇÃO
O controle discreto pode vir a ter características combinacionais
ou sequenciais e tais
características definem o modelamento da linguagem a ser abordado
na técnica de controle. A
metodologia de projeto de um sistema automatizado consiste na
adoção de uma linguagem
adequada à descrição das especificações do sistema de forma
objetiva, concisa, sem
ambiguidades e omissões do objetivo e desempenho dos
equipamentos.
Nos sistemas de controle de lógica combinacional as saídas ou ações
são diretamente
dependentes das condições das entradas, enquanto nas ações de
controle sequenciais ou de
tempo dependente é necessário um método de representação de
controle sequencial, dentro de
uma técnica específica, exibindo as várias ações a serem efetuadas
em uma etapa e indicar as
condições que devem ser executadas antes do avanço para uma próxima
etapa.
HISTÓRICO
Uma das técnicas disponíveis empregada para este fim é o
modelamento através de uma
ferramenta denominada GRAFCET, elaborada pelo grupo de trabalho
“Sistemas Lógicos” da
AFCET (Associação Francesa pela Cibernética Econômica e Técnica)
entre 1975 e 1978,
composto por indústrias e universidades; visando um compromisso
entre os modelos mais
formais e práticos utilizados pelas indústrias. O GRAFCET foi
normalizado na França em 1982.
CONCEITO
O GRAFCET é um método específico desenvolvido para descrever um
sistema de
controle industrial através de um modelo gráfico com o qual se
representam as funções de um
sistema sequencial através de elementos denominados etapas e
transições.
Geralmente é necessário dividir a descrição das especificações em
dois níveis sucessivos
e complementares. Um primeiro nível de “Especificações Funcionais”:
caracteriza as reações do
sistema frente às informações da parte operativa, definindo as
diferentes funções, informações e
comandos da mesma, denominado GRAFCET nível 1. O segundo nível, de
“Especificações
Tecnológicas”: define a maneira pela qual o controle deverá
fisicamente ser incluído no conjunto
que forma o sistema automatizado e seu meio, sendo que, a este
nível, somente devem intervir
as informações sobre a natureza exata dos sensores e atuadores
utilizados, suas características
e restrições, sendo denominado GRAFCET nível 2.
Portanto, o GRAFCET é um método (ou uma ferramenta) gráfico de
descrição do
comportamento determinístico da parte de controle de um sistema
automatizado isolado, dado
pela representação gráfica de seu comportamento. Os elementos:
etapas, arcos orientados e
transições; constituintes deste modelamento gráfico, são descritos
pelos seguintes símbolos:
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- Etapas: são geralmente representadas através de uma figura
geométrica plana regular,
geralmente um quadrado, e estão associadas à uma ou várias ações de
controle. Ações são as
“ordens” emitidas pelo sistema de controle quando, e somente
quando, o processo se encontrar
na etapa a que estiver relacionado. Toda etapa é denotada através
de uma “palavra chave” que
a caracterize, ou apenas por um algarismo arábico que a
identifique. Toda a ação associada a
uma etapa é descrita de maneira literal ou simbólica no interior de
um retângulo ligado à etapa
correspondente.
- Arcos Orientados: são representados por linhas verticais ou
horizontais, e caracterizam o
sentido das evoluções, ou seja, caminho lógico de um processo
sequencial. Quando várias
etapas estiverem ligadas à mesma transição, os arcos orientados
deverão ser separados por
dois traços duplos, caracterizando um segmento de sequência
simultâneo.
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- Transições: representadas por um traço perpendicular aos arcos
orientados, com a
indicação literal ou simbólica da receptividade a que ela estiver
associada. Receptividade são
condições lógicas que, associadas a uma transição, definem o
término de uma etapa e início de
outra etapa.
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DESCRIÇÃO
A cada etapa associamos comandos ou ações que só poderão ser
ativadas quando a
etapa relacionada estiver ativa. O fluxo de controle, que é
definido pelo arco orientado, passa de
uma etapa para outra através de uma transição representada pela sua
condição ou
receptividade, a qual poderá ser verdadeira ou falsa. Se a
receptividade da transição for
verdadeira, indicada pelo estado lógico de suas entradas, o estado
do processo passa da
primeira etapa para a próxima etapa que se torna ativa,
consequentemente desativando a etapa
inicial.
Cada função de controle pode, portanto, ser representada por um
grupo de etapas de
transições denominado rede de diagramas de funções sequenciais.
Estes diagramas podem ser
interconectados por uma ordem de união, mostrando o fluxo de
controle completo de um
processo, definindo um GRAFCET. A etapa inicial (espera) é
representada por um quadrado de
duplo traço, e contém a ação lógica que é executada inicialmente.
As etapas seguintes devem
ser representadas por um quadrado de traço simples, que pode conter
um nome, ou símbolo
representando a sua principal função. A condição lógica associada a
cada transição pode ter
uma programação oriunda da álgebra de boole ou de natureza numérica
comparativa – Ex.:
temperatura>500C.
Dois tipos de etapas podem ser utilizadas num diagrama de função
sequencial: etapas
iniciais e regulares. Uma etapa regular deve ser programada
associada a uma ação lógica, e sua
representação se dá através de um quadrado de único traço sendo
possível existir várias etapas
regulares (a etapa inicial é um tipo especial de etapa regular). É
possível associá-la a uma ação
específica, tornando-se ativa assim que o GRAFCET for
“setado”.
Verifica-se ainda que cada etapa pode estar associada a uma ou
várias ações de
comando. Por exemplo, uma determinada etapa pode acionar um motor,
um sinal de alarme e
um sinal luminoso, configurando-se assim três ações na mesma etapa.
Cada etapa pode estar
ativada ou desativada. Uma eventual transição é ativada quando a
etapa imediatamente
precedente estiver sido ativada. Se uma transição eventualmente for
verdadeira, então a etapa
imediatamente precedente é deixada desativada e as etapas
imediatamente sucessoras são
ativadas. Este processo é identificado como “a evolução” de um
GRAFCET.
Sequência de operações:
- Evolução das transições através de todas as etapas ativas.
- Bloco de GRAFCET inicialmente executado: “setado”.
- Ação lógica associada, quando houver, é executada e a transição
correspondente torna-
se ativa.
A sequência de operações de um processo sequencial modelado
graficamente, na varredura
de um CLP, tem como objetivos:
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- executar a ação lógica da etapa ativa;
- evolução das transições através de todas as etapas ativas.
O seguinte segmento de GRAFCET proporciona um exemplo simplificado
de um CLP
executando as sequências de operação:
Quando um bloco de GRAFCET é inicialmente executado, o mesmo é
considerado
setado. A etapa inicial é ativada e sua ação lógica associada,
quando houver, é então
executada. A transição T1 torna-se ativa também.
Em uma segunda varredura, a receptividade (lógica) da transição
associada a T1 é
ativada e testada. Caso seja verdadeira tal transição, a primeira
etapa é desativada, e T1
também. A segunda etapa torna-se ativa e a transição T2 também. A
ação lógica associada à
segunda etapa é executada. Na terceira varredura, supomos que a
lógica da transição
associada à transição ativa T2 seja testada e que a mesma seja
falsa. Então a condição da
transição não é satisfeita, a segunda etapa permanece ativa e T2
também.
Na quarta varredura, supomos que a lógica da transição associada à
T2 seja novamente
testada e verificada como sendo verdadeira. T2 é desativado e a
segunda etapa também. A
terceira etapa torna-se ativa, e T3 também. A ação lógica associada
à E3 é então executada.
DIAGRAMAS DE SEQUÊNCIA ÚNICA
Diagramas de Função Sequencial
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O exemplo a seguir mostra parte de um GRAFCET incorretamente
estruturado, porque
não há uma transição entre duas etapas (E2 e E3).
Duas etapas nunca devem estar ligadas diretamente, devendo estar
separadas por uma
transição; e duas transições não devem estar ligadas diretamente. A
alternância etapa/transição
deve ser obrigatória. O gráfico anterior mostra um segmento de
sequência única, denominada
também de sequência simples. O controle passa da etapa E1 para E2
somente se E1 estiver
ativo e T1 com valor verdadeiro.
DIAGRAMAS DE SEQUÊNCIA SELETIVA
DIVERGÊNCIA DE UMA SEQUÊNCIA SELETIVA
Uma divergência seletiva, ou “divergência em ou”, deve estar
precedida por uma etapa. O
primeiro elemento após uma divergência seletiva deve ser uma
transição.
No gráfico a seguir, o controle passa da etapa E2 para E3 somente
se a etapa E2 for
ativa e a transição T2 for verdadeira. O controle passa de E2 para
E4 somente se T2 não for
verdadeira, a etapa E2 estiver ativada e a transição T3 for
verdadeira (a prioridade da transição
é da esquerda para a direita). Exatamente apenas um ramo de
sequência seletiva é
selecionado, como mostrado na figura a seguir:
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CONVERGÊNCIA DE UMA SEQUÊNCIA SELETIVA
Uma convergência seletiva, ou “convergência em ou”, deve apenas ser
precedida por
transições e, deve ser seguida de uma etapa. Em uma sequência de
seleção convergente, o
controle passa da etapa E3 para a E5 somente se a etapa E3 estiver
ativa e a transição T4 for
verdadeira. O controle passa de E4 para E5 somente se a etapa E4
for ativa e T5 for verdadeira.
DIAGRAMAS DE SEQUÊNCIA SIMULTÂNEA
DIVERGÊNCIA DE UMA SEQUÊNCIA SIMULTÂNEA
Uma divergência simultânea, ou “divergência simultânea em e”, deve
ser precedida por
uma transição. Uma etapa deve ser o primeiro elemento após um ramo
de divergência
simultânea. Em uma sequência simultânea divergente, o controle
passa da etapa E3 para as
etapas E4 e E5 somente se a etapa E3 estiver ativa e a transição T6
for verdadeira. Ambas
etapas serão ativadas, embora a ação lógica contida em uma etapa
será executada antes da
ação lógica da outra etapa. Esta ordem de execução destas etapas é
indefinida. O arco
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orientado que indica a simultaneidade é representado por uma barra
horizontal dupla, como na
figura a seguir:
CONVERGÊNCIA DE UMA SEQUÊNCIA SIMULTÂNEA
Uma convergência simultânea, ou “convergência em e”, deve apenas
ser precedida por
etapas. As mesmas devem ser seguidas por uma transição. Na
sequência simultânea
convergente o controle passa da etapa E3 e da etapa E4 para a E5
somente se as etapas E3 e
E4 forem ambas ativas e a transição T7 possuir valor
verdadeiro.
A lógica da transição T7 é executada apenas quando todas as etapas
do final da
sequência simultânea forem ativadas.
CONECTORES DE ORIGEM E DE DESTINO
Conectores de origem e de destino são utilizados para criarem
saltos de avanço e
retrocesso no GRAFCET. Nos saltos de avanço da sequência exibida a
seguir, o controle passa
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da etapa E2 para a etapa E4 somente se a etapa E2 estiver ativa, a
transição T2 for falsa, e a
transição T3 tiver valor verdadeiro.
Na sequência de saltos de retrocesso, o controle da etapa E4 para a
etapa E1 ocorre
somente se a etapa E4 for ativa e a transição T5 estiver com valor
verdadeiro. Os conectores de
origem e de destino não podem ocorrer antes de uma transição.
Conectores não podem ser
utilizados em adjacência a um ramo.
Observa-se a ocorrência da divergência em ou na figura anterior e
os respectivos saltos.
EXEMPLOS
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Quando E3 é ativado e executado, as transições T2, T3 e T4 serão
avaliadas, e a
primeira habilitada constitui o ramo selecionado, sendo, que se
mais de uma transição avaliada
for verdadeira, o primeiro ramo da esquerda para a direita será
selecionado.
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Quando a etapa E3 é ativada por uma evolução, a transição T2
ativada é avaliada.
Quando a transição T2 for verdadeira, a etapa E3 torna-se inativa e
as etapas E4, E5, E6 e E7
são ativadas (todos os ramos simultaneamente são executados em
paralelo). A transição T2 é
desabilitada e as transições T3 e T4 são habilitadas. Quando as
etapas E5, E7, E8 e E9 forem
ativadas e a transição T5 avaliada como verdadeira, todos os ramos
simultaneamente serão
finalizados e a etapa E10 ativada.
REGRAS PARA UMA ESTRUTURA BÁSICA DE CONTROLE
Na construção de um GRAFCET as seguintes regras devem ser
seguidas:
- a etapa inicial não pode ocorrer dentro de uma estrutura
simultânea;
- quaisquer duas etapas em sequência devem ser separadas por uma
transição;
- quaisquer duas transições em sequência devem estar separadas por
uma etapa;
- cada transição deve conter uma lógica que no mínimo a torne
verdadeira.
- as etapas terminais são permitidas, exceto quando elas ocorrem
dentro de uma
sequência simultânea. Uma etapa terminal é uma etapa que não é
seguida por uma
transição, exceto por uma instrução que execute o reset no
GRAFCET.
No segmento a seguir de um GRAFCET, note que não existe transição
após a etapa 6.
Esta etapa terminará o GRAFCET, nenhuma evolução poderá ser
realizada, portanto, e a etapa
E5 continuará a executar tais evoluções enquanto a transição T5
ativa continuar sendo
verdadeira.
- um salto não pode “saltar” para dentro de um ramo de sequência
simultânea. No
segmento a seguir de um GRAFCET inválido, existe um salto para
dentro de uma
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sequência simultânea.
- um salto não pode “pular” para fora de uma sequência simultânea.
Caso oposto ao
exemplo anterior.
- dois pontos divergentes (T2 e T3) oriundos de uma mesma sequência
(simultânea ou
seletiva) podem ter um ponto convergente comum. Similarmente, um
ponto divergente
pode ter múltiplos pontos convergentes.
A seguinte porção de um segmento de um GRAFCET válido ilustra um
ponto comum de
convergência para duas sequências simultâneas.
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- a divergência e convergência de sequências devem ser propriamente
aninhadas. Por
exemplo, se uma sequência simultânea diverge após uma sequência
seletiva, a
sequência simultânea deve convergir antes da sequência seletiva
convergir. O
diagrama a seguir ilustra um aninhamento próprio de sequências
diferentes:
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O próximo exemplo de um segmento de GRAFCET é inválido e ilustra um
aninhamento
impróprio de duas sequências diferentes:
A seguir um segmento de GRAFCET é inválido porque, quando a etapa
E2 for ativada e a
transição T2 avaliada verdadeira, ambas as etapas E2 e E3 tornam-se
ativas simultaneamente
dentro de uma estrutura seletiva de sequência única.
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RESULTADOS DO GRAFCET
A importância da utilização do GRAFCET no modelamento de um
processo sequencial é
justificada por suas vantagens, como:
documentação: por se tratar de um diagrama de fluxo, a documentação
é clara e de
fácil diagnóstico;
oferece uma metodologia simples e adequada, quando interpretado
e
consequentemente “compilado” o GRAFCET para um outro tipo de
linguagem de uso
corrente pelos fabricantes de CLPs;
alguns fabricantes de CLPs já estão atendendo a novas tendências do
mercado
incluindo como linguagem direta de programação o GRAFCET, ou
Sequential
Function Chart;
rapidez na compreensão e modelamento da lógica de um processo
sequencial por
técnicos e engenheiros, reduzindo o grau de dificuldade associado a
outras
linguagens do tipo ladder;
o GRAFCET se constitui hoje como: o método de modelamento gráfico
de processos
industriais sequenciais contínuos ou por batelada. Não se aplica a
processos que
utilizam lógica combinacional.