GRAfico Funcional de Control de Etapas y Transiciones
Los diagramas de Karnaugh, a pesar de ser un procedimiento general de resoluci�n, se vuelven demasiado grandes a medida que crece el n�mero de variables y los esquemas finales son igualmente dif�ciles de interpretar a partir de unas pocas memorias.
No importa la tecnolog�a: Los esquemas de contactos o de bloques o algoritmos de programaci�n, se vuelven enrevesados a partir de un grado de complejidad relativamente bajo. Intentar deducir la causa de aver�as a partir de estos tipos de informaci�n es un lujo demasiado caro que no se pueden permitir las empresas.
Para resolver automatismos, encontrar aver�as, o simplemente aprender el uso correcto de sistemas autom�ticos, se necesita conocer con cierto detalle las secuencias que podr�n ejecutarse. Al respecto, los esquemas de contactos y de bloques reflejan c�mo est�n realizados pero no c�mo se desarrollan los ciclos. Los diagramas de flujo son mucho m�s aclarativos y �tiles en programaci�n, pero no permiten representar secuencias simult�neas (procesos paralelos). Por �ltimo, nuestro lenguaje corriente resulta muy pobre para expresar todos los condicionantes posibles, basta recordar que el n�mero de combinaciones es una funci�n exponencial del n�mero de variables. Si alg�n caso posible no se tiene en cuenta en la resoluci�n, la respuesta que tendr� el sistema es una cuesti�n de azar si ese caso llega a presentarse, incluso combinaciones poco probables son posibles por causa de aver�as o una manipulaci�n impropia.
UNA RESPUESTA A LOS PROBLEMAS:
El Grafcet, que supone una recopilaci�n de la experiencia adquirida con otros medios descriptivos, permite representar gr�ficamente las especificaciones funcionales, que son totalmente independientes de la realizaci�n tecnol�gica, pudiendo �sta ser cableada o programada. Se basa en los conceptos de etapa y transici�n, que simplifican en gran medida la s�ntesis de los automatismos secuenciales.
Surge en Francia a mediados de los a�os 70, debido a la colaboraci�n entre algunos fabricantes de aut�matas como Telemec�nique y Aper, con dos organismos oficiales: AFCET (Asociaci�n Francesa para la Cibern�tica, Econom�a y T�cnica) y ADEPA (Agencia Nacional para el Desarrollo de la Producci�n Automatizada). Homologado en Francia (NFC), Alemania (DIN) y posteriormente por la Comisi�n Electrot�cnica Internacional (norma IEC 848, a�o 1988). Actualmente es una herramienta imprescindible cuando se trata de automatizar procesos complejos con aut�matas programables. El campo de aplicaci�n abarca a todos los sistemas l�gicos de mando en automatismos industriales, sea cual sea su complejidad o tecnolog�a empleada.
Una cadena programable:
El siguiente programa contiene una cadena secuencial que le permitir� resolver f�cilmente el problema propuesto en la zona derecha. La soluci�n precisa un m�nimo de tres memorias, pero la aplicaci�n de una cadena secuencial facilita notablemente su resoluci�n, a la vez que refleja con claridad el funcionamiento. Solo se ha previsto espacio para 6 etapas, por lo que puede esperarse que no ser�n necesarias m�s de 6 para resolver el problema. Aunque al principio no son visibles, pulsando junto a las etapas puede activar campos en los que introducir datos. Intente resolver el problema y si tiene dificultades pulse el bot�n azul.
REGLAS DE UNA CADENA SECUENCIAL:
Como cabe esperar, una cadena secuencial debe poderse programar o resolver con esquemas cableados. Actualmente los fabricantes de aut�matas programables est�n dotando los nuevos modelos con programaci�n gr�fica mediante Grafcet, lo que en esencia es una simple aplicaci�n de cadenas secuenciales con determinadas prestaciones a�adidas. Si no tenemos la posibilidad de programar en Grafcet, podemos crear nosotros mismos las cadenas secuenciales que hagan exactamente la misma funci�n.
1.- Cada etapa es un elemento de memoria con su correspondiente condici�n de conexi�n y condici�n de desconexi�n. Por lo tanto, no ser� el sistema idoneo cuando sea importante simplificar las funciones l�gicas, pero esto tendr� muy poca importancia en programaci�n, puesto que cada memoria solo ocupa un bit. En esquemas cableados, el exceso de componentes (su coste) se compensa f�cilmente con otras prestaciones: Se comprende mejor el funcionamiento y, sobre todo, se localizan aver�as con facilidad, como pronto se indicar� con m�s detalle.
2.- La conexi�n de cada etapa se hace cuando se encuentra activa la etapa anterior y se cumple la transici�n que sigue a dicha etapa. La desconexi�n de cada etapa se hace cuando se activa la etapa siguiente.
3.- Puesto que sin alimentaci�n, todas las memorias estar�n desconectadas, hace falta una condici�n adicional que permita activar, solo la primera vez, a la etapa de inicio (se marca con doble recuadro) y opcionalmente, que desconecte al resto de las etapas (en este caso funcionar� como un reset que lleva a la cadena a su estado inicial, independientemente de la etapa que estuviera activa en el momento de ejecutar el reset). Resetear la cadena no significa que el automatismo controlado volver� a su estado de inicio, son cosas distintas que no debemos confundir.
La siguiente figura es la traducci�n directa de estas reglas, aplicado al problema de l�mparas que se ha resuelto anteriormente (si no tiene la soluci�n presente, pulse el bot�n azul). Cada etapa se ha representado como una memoria X seguida del n�mero de etapa, indicando la condici�n de conexi�n con un 1 entre par�ntesis y la condici�n de desconexi�n con un 0 entre par�ntesis. La condici�n de reset se ha hecho con un pulsador R y las acciones asignadas a las etapas (las l�mparas) se han colocado a la derecha. Cada una de las acciones es simplemente igual a la suma l�gica de las etapas en las que aparece activada.
Los condensadores que se han puesto junto con las bobinas de los rel�s aseguran que la secuencia funcione correctamente sin depender de las caracter�sticas de los rel�s. Supongamos los rel�s X2 y X3: Cuando la bobina X3 recibe alimentaci�n, sus contactos cerrados cortan la se�al r�pidamente pero sus contactos abiertos tardan un poco m�s en cerrarse. Puesto que un contacto cerrado de X3 desconecta el rel� X2, es posible que X3 pierda su alimentaci�n antes de ser capaz de realimentarse a s� mismo, ya que el X2 abierto que conecta X3 tambi�n se desconecta con rapidez. Es una cuesti�n de la inercia de los rel�s en sus cambios de estado, que no causar� problemas si unos condensadores mantienen un instante la alimentaci�n de las bobinas recien conectadas.
Al esquema representado se puede a�adir una l�mpara o diodo led con cada rel�. De esta forma, al detenerse la secuencia por una aver�a, el piloto que quede encendido nos dir� en qu� etapa se ha quedado parado. Bastar� consultar el Grafcet o cadena secuencial para saber las acciones en ejecuci�n y las variables que deber�an activarse para pasar a la siguiente etapa. Es posible que una de esas acciones se haya bloqueado o que alguno de los captadores no funcione, pero en todo caso el abanico de posibilidades se habr� reducido considerablemente. Esto es una gran ventaja que suele compensar con creces el mayor coste del esquema de control, adem�s, si este coste se compara con el de la parte operativa, resulta que ser� casi siempre una m�nima parte y porcentualmente ser� despreciable.
POSIBILIDADES DE UN GRAFCET.
Un programador tiene que tratar directamente con se�ales que llegan y salen del dispositivo programable, al t�cnico de mantenimiento le interesan los accionadores y captadores, al encargado que plantea una modificaci�n en el proceso le interesa tratar el problema en lenguaje m�s coloquial, pero exacto, sin ambig�edades. El Grafcet satisface todas estas exigencias, es decir, se puede dibujar uno para cada caso de forma que sea comprensible para la persona que lo interpreta.
Pong�monos en el caso de un t�cnico de mantenimiento: Ante una aver�a nueva (las conocidas se detectan por experiencia), el primer paso ser�a buscar en el programa en qu� etapa se ha quedado parada la m�quina (suelen funcionar simulando el estado de variables y acciones, y en el caso de Grafcet se simula directamente el estado de las etapas). La programaci�n suele admitir nombres simb�licos que facilitan con qu� captadores y accionadores van asociadas las variables de programaci�n, por lo tanto, ser� sencillo detectar qu� captadores y accionadores pueden haber tenido influencia en la aver�a, incluso las referencias para buscar los repuestos en almac�n pueden haberse previsto en el Grafcet. Por lo tanto, a menos que se trate de problemas mec�nicos, la reparaci�n suele consistir en unas pocas consultas y sustituci�n de un componente.
Aunque son innumerables las formas de combinar las posibilidades de un grafcet, el siguiente cuadro resume las que se utilizan con m�s frecuencia. Las acciones de las etapas y las variables de las transiciones son ficticias, puesto que no se ha pretendido resolver ning�n problema concreto.
Como se puede ver en el cuadro, en las transiciones puede intervenir m�s de una variable. En general ser� una funci�n l�gica que tiene en cuenta solamente las variables que se necesitan para avanzar etapa, no importando el estado del resto de variables. Adem�s de las variables del proceso, en las transiciones puede intervenir el estado de otras etapas del esquema o de esquemas independientes, de modo que varias cadenas secuenciales podr�n estar relacionadas por la consulta del estado de etapas.
Las acciones de las etapas no tienen porqu� corresponder necesariamente con el control de accionadores, tambi�n pueden representar acciones propias de programaci�n, como conexi�n y desconexi�n de memorias, lanzamiento de temporizadores, control de contadores, ejecuci�n de partes del programa que se encargan de tareas especiales como puede ser modificaciones de par�metros en procesos de regulaci�n, selecci�n de subrutinas, etc.
F�jese especialmente en las posibilidades de salto como repeticiones o selecci�n de secuencia, as� como las ejecuciones de secuencias simult�neas. En este �ltimo caso, cada secuencia avanza independiente, pero es obligada a esperar cuando se encuentra el cierre con doble trazo, aunque se cumpla la transici�n siguiente. Dicha transici�n solo es tenida en cuenta cuando todas las secuencias simult�neas han finalizado.
En las etapas pueden ponerse varias acciones, bien en fila o formando una lista, pero el orden en que se coloquen no implica un orden de ejecuci�n sino que todas se ejecutan a la vez. Sin embargo, algunas acciones pueden tener condiciones adicionales de ejecuci�n, vease acci�n H de etapa 10, cuya activaci�n exige que est� activa la etapa 10 y a la vez, que se cumpla la condici�n "u" que tiene asociada. Entre otras cosas, esto permite establecer turnos de ejecuci�n, obligando a que determinadas acciones se vayan activando solo cuando hayan terminado otras.
La norma establece una serie de principios para representar un Grafcet, entre los que cabe destacar los siguientes: Las l�neas descendentes no llevar�n flecha y ser�n horizontales o verticales, a menos que de otra forma se aporte claridad al esquema. Se admiten los cruces, pero deben evitarse porque se pueden confundir con uniones de lineas. La figura muestra algunos ejemplos a evitar:
CASOS DE APLICACI�N FRECUENTE.
Si determinados subprocesos tienen que repetirse con frecuencia, no es aconsejable repetir muchas veces la parte de la secuencia que ejecuta el subproceso. En su lugar, se puede dedicar una secuencia solamente para el subproceso y llamarla desde distintas etapas de la secuencia principal. En el primer recuadro de la siguiente figura se muestra un ejemplo que ejecutar�a un subprograma cada vez que pasa por las etapas 5 y 12. El subprograma, parado en su etapa de inicio, consulta con la primera transici�n si est� activa alguna de las etapas que lo debe arrancar y cuando se cumple comienza su ejecuci�n. La indicaci�n en las etapas 5 y 12 solo es una nota informativa. Otra forma de ejecutar un subproceso es forzar directamente su cadena secuencial, de forma similar a la ejecuci�n de un reset (en este caso el forzado depender�a de una variable que se podr� activar como una acci�n en cualquier etapa). En el segundo recuadro se muestran dos formas de mantener activa alguna ejecuci�n (acci�n B) a lo largo de varias etapas: En el primer caso se pone la acci�n en todas las etapas que deba estar conectada, en el segundo caso se conecta con memoria (B = 1) en una etapa y ya no se pone m�s hasta llegar a la etapa en que deber� desconectarse (B = 0). Para hacer esto se necesita una memoria adicional y asignar su estado directamente a la acci�n a mantener.
Con frecuencia los automatismos se configuran con diversos modos de marcha. En el primer recuadro de la siguiente figura se trata el caso en que se requiere una intervenci�n del operador para ejecutar cada uno de los ciclos: Se obliga a que la condici�n de comienzo (CC) se haya desconectado para poder volver a la primera etapa (un mantenimiento accidental o provocado de esta condici�n hace imposible la repetici�n). Cuando se necesita una marcha autom�tica en ciclo continuo y el mando de paro (P en segundo recuadro) tiene que permitir la finalizaci�n del ciclo antes de ejecutarse la detenci�n, la estructura utilizada con m�s frecuencia incluye un segundo grafcet que memoriza las informaciones de comienzo de ciclo y de parada (en el caso de que dichas informaciones tengan car�cter de impulso). Otra posible representaci�n para el caso anterior es la que utiliza informaciones permanentes (tercer recuadro), por ejemplo las que provienen de un conmutador. En el ejemplo, el ciclo comienza al accionar CC y se repite si el conmutador est� en �auto� pero pasa de nuevo a la etapa 1 si se encuentra en modo �ciclo a ciclo�, con lo que exige accionar de nuevo CC. La parada se consigue poniendo el conmutador en la posici�n �ciclo a ciclo�.
Las marchas de intervenci�n o de mantenimiento, de las que son m�s conocidas las marchas manuales, exigen de qui�n las utiliza un conocimiento muy preciso de la m�quina y sus posibilidades. Generalmente son ejecutadas por el encargado de la puesta a punto o de mantenimiento. Por definici�n, en los funcionamientos manuales, la ejecuci�n de una acci�n est� relacionada directamente con una orden manual; la ejecuci�n de esta orden est� sujeta generalmente a unos determinados grados de seguridad, que se clasifican en dos niveles:
- Seguridades de primer nivel, que deben teener en cuenta las circunstancias de la m�quina y los modos de
marcha. La no observaci�n de estas seguridades puede provocar una cat�strofe a nivel del sistema.
- Seguridades de segundo nivel, que generallmente tienen por objeto asegurar la protecci�n de los �rganos de
la m�quina y tambi�n evitar acciones simult�neas incompatibles, como el caso, por ejemplo, de los
enclavamientos.
Cuando el funcionamiento se realiza secuencia por secuencia o etapa por etapa, la evoluci�n del ciclo est� fraccionada. En el primer recuadro de la siguiente figura, el paso de una etapa a la siguiente se realiza por orden del operador (activando e, f, etc). Este modo de funcionamiento es particularmente �til despu�s de la localizaci�n de una aver�a o cuando hay que efectuar un ajuste. Una variante perfeccionada consiste en provocar la parada del ciclo en una etapa predeterminada; una vez que se ha producido esa parada, el operador tendr� la posibilidad de continuar etapa por etapa, o de continuar el ciclo, que se parar� otra vez en esa etapa determinada previamente.
En el segundo recuadro de la figura anterior se encuentra una seguridad bimanual: Cuando se acciona uno cualquiera de los pulsadores (P1 o P2) se lanza una temporizaci�n de 0,2 segundos. La orden de mando solo se ejecuta si est�n pulsados los dos pulsadores antes de dicho tiempo, en caso contrario queda anulada la operaci�n. Este tipo de seguridad es caracter�stico en prensas, cizallas y otras m�quinas en las que interesa ejecutar la operaci�n solo si se tiene la garant�a de que las manos est�n en posici�n de seguridad, es decir, sobre los respectivos botones de mando. En el tercer recuadro de la figura anterior tenemos un Grafcet dedicado exclusivamente al tratamiento de aver�as: La secuencia principal debe estar dise�ada de forma que las �rdenes solo puedan ejecutarse si la secuencia de aver�as se encuentra en la etapa 10, en caso contrario, esta secuencia tendr� el control, procediendo de la forma que m�s segura resulte en el proceso controlado.