Guide : Le GRAFCET du Point de Vue de la Commande

Le GRAFCET (Graphe Fonctionnel de Commande Étape-Transition) est un outil graphique puissant utilisé pour concevoir et analyser le comportement des systèmes automatisés. Du point de vue de la commande, le GRAFCET permet de définir précisément les séquences d’opérations qu’un système automatisé doit suivre, ainsi que les actions et conditions de transition nécessaires pour avancer d’une étape à l’autre.

Dans ce guide, nous examinerons comment utiliser le GRAFCET pour concevoir la commande d’un système automatisé, en identifiant les étapes, transitions, actions et conditions de commande. Nous verrons également comment intégrer les dispositifs de commande tels que les capteurs, les actionneurs, et les composants de sécurité.

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1. Structure de base du GRAFCET

Du point de vue de la commande, le GRAFCET est constitué de deux éléments essentiels :

• Étapes : Représentent les états ou les phases d’un processus. Chaque étape peut être associée à une ou plusieurs actions.
• Transitions : Permettent de passer d’une étape à l’autre. Les transitions sont contrôlées par des conditions logiques (basées sur des capteurs, des boutons, etc.).

Représentation :

• Étape : Représentée par un carré. Chaque étape correspond à un état stable du système.
• Transition : Représentée par une ligne horizontale avec une barre, indiquant un changement d’état lorsque la condition est remplie.
• Action associée : Une action qui se produit lorsque l’étape est active.

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2. Du GRAFCET au système de commande

Pour qu’un GRAFCET fonctionne en pratique, il est crucial de le traduire en actions de commande sur un automate programmable industriel (API). Cela implique d’identifier les capteurs, actionneurs, et autres dispositifs de commande pour chaque étape et transition.

Capteurs :

Les capteurs fournissent les informations nécessaires pour effectuer les transitions entre les étapes. Par exemple :

• Capteur de position pour valider la fin d’un déplacement.
• Capteur de température pour vérifier qu’un seuil de température est atteint.

Actionneurs :

Les actionneurs réalisent les actions définies dans chaque étape, comme :

• Un moteur qui démarre ou s’arrête.
• Un système de chauffage qui s’active ou se désactive.

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3. Exemple d’application : Commande d’un Convoyeur

Contexte :

Un convoyeur transporte des objets. Lorsqu’un capteur détecte qu’un objet arrive en fin de ligne, le convoyeur doit s’arrêter, attendre que l’objet soit retiré, puis redémarrer.

Étapes et transitions :

Étape 1 : Le convoyeur est en marche.

• Action associée : L’actionneur du convoyeur est activé.
• Transition T1 : Le capteur détecte un objet en fin de ligne.

L’Étape 2 : Le convoyeur s’arrête.

• Action associée : L’actionneur du convoyeur est désactivé.
• Transition T2 : L’opérateur retire l’objet, un autre capteur signale que la ligne est dégagée.

Étape 3 : Le convoyeur redémarre.

• Action associée : L’actionneur du convoyeur est réactivé.

GRAFCET correspondant :

• Étape 1 : Convoyeur en marche → [T1 : objet détecté en fin de ligne] → Étape 2 : Convoyeur arrêté.
• Étape 2 : Convoyeur arrêté → [T2 : ligne dégagée] → Étape 3 : Convoyeur redémarre.

Commandes :

• Capteur d’objet : Contrôle la transition T1 (arrêt du convoyeur).
• Capteur de dégagement : Contrôle la transition T2 (redémarrage du convoyeur).
• Actionneur du convoyeur : Démarre ou arrête le convoyeur.

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4. Les règles de conception du GRAFCET pour la commande

Lors de la conception d’un GRAFCET pour la commande d’un système automatisé, certaines règles doivent être respectées pour garantir une transition fluide et efficace :

Règle 1 : Chaque étape doit avoir une action définie

Chaque étape doit correspondre à une action claire, que ce soit un mouvement mécanique, un changement d’état ou une attente. Cela garantit que le système sait toujours ce qu’il doit faire lorsqu’il se trouve dans une étape particulière.

Règle 2 : Chaque transition doit être associée à une condition de passage

Une transition ne doit se produire que si une condition spécifique est remplie. Cela peut être un signal provenant d’un capteur, un bouton d’arrêt, ou une temporisation. Il est essentiel de définir ces conditions de manière logique et précise.

Règle 3 : Le GRAFCET doit être cyclique pour les systèmes en continu

Si le système fonctionne en boucle (comme un convoyeur ou une machine de production), le GRAFCET doit revenir à l’étape initiale pour permettre au processus de recommencer après chaque cycle.

Règle 4 : Intégrer des dispositifs de sécurité

Il est impératif d’inclure des dispositifs de sécurité dans la conception du GRAFCET, tels que des arrêts d’urgence ou des détecteurs de surcharge. Ces dispositifs doivent être intégrés dans le GRAFCET comme des conditions prioritaires, interrompant toute action dangereuse.

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5. Implémentation pratique sur un API

Pour mettre en œuvre le GRAFCET sur un automate programmable (API), il est nécessaire de traduire chaque étape et transition en instructions de commande. Voici les principales étapes d’implémentation :

Étape 1 : Déclaration des entrées et sorties

Les entrées correspondent généralement aux capteurs, tandis que les sorties contrôlent les actionneurs. Les instructions logiques dans l’automate doivent correspondre à ces entrées/sorties.

Étape 2 : Codage des étapes et des transitions

Chaque étape du GRAFCET est traduite par un bloc de programme qui contrôle l’état du système. Les transitions sont gérées par des conditions logiques qui déclenchent le passage à l’étape suivante.

Exemple de programme en langage structuré (pour un convoyeur) :

IF StartButton = TRUE THEN
    Conveyor := TRUE;   // Démarrer le convoyeur
END_IF;

IF SensorObjectDetected = TRUE THEN
    Conveyor := FALSE;  // Arrêter le convoyeur si un objet est détecté en fin de ligne
END_IF;

IF ObjectRemoved = TRUE THEN
    Conveyor := TRUE;   // Redémarrer le convoyeur lorsque l'objet est retiré
END_IF;

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6. Avantages du GRAFCET pour la commande d’automates

Le GRAFCET présente plusieurs avantages lorsqu’il est utilisé pour concevoir des systèmes de commande dans des environnements automatisés :

• Modélisation visuelle : Le GRAFCET offre une représentation graphique claire et intuitive des séquences de commande, facilitant ainsi la conception et la communication entre les ingénieurs.
• Simplicité de la gestion des étapes : Le découpage en étapes rend le suivi du fonctionnement du système plus simple, car chaque état du système est associé à une action spécifique.
• Gestion des transitions conditionnelles : Les transitions peuvent être contrôlées par des conditions logiques complexes, ce qui permet une grande flexibilité dans la commande.
• Sécurisation des processus : En intégrant des dispositifs de sécurité dans les étapes et transitions du GRAFCET, il est possible de garantir la sécurité du processus.

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La conception d’un système automatisé à l’aide du GRAFCET (Graphe Fonctionnel de Commande Étape-Transition) suit plusieurs étapes clés pour garantir une modélisation précise du fonctionnement du système et une commande efficace. Voici les principales étapes à suivre pour concevoir un système automatisé avec le GRAFCET :

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1. Analyse du processus

La première étape consiste à bien comprendre le processus automatisé que vous souhaitez modéliser. Cela inclut :

• Identification des objectifs : Quel est le résultat final attendu du système automatisé ? (Exemple : déplacer des pièces, trier des objets, chauffer un matériau, etc.)
• Analyse des actions : Quelles sont les actions spécifiques que le système doit réaliser pour atteindre cet objectif ? (Exemple : démarrer un moteur, ouvrir une vanne, activer un bras robotisé).
• Identification des contraintes : Quelles sont les contraintes physiques et logiques du processus ? (Exemple : limites de temps, précautions de sécurité, tolérances).

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2. Décomposition du processus en étapes

Après avoir analysé le processus, vous devez le décomposer en étapes successives qui représentent les différents états ou phases du système. Chaque étape doit correspondre à un état stable du processus, pendant lequel une ou plusieurs actions sont réalisées.

Points clés :

• Chaque étape doit représenter un état significatif du processus (exemple : « attente de la pièce », « déplacement de la pièce », « traitement de la pièce »).
• Chaque étape est représentée graphiquement par un carré dans le GRAFCET.

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3. Définition des transitions entre les étapes

Les transitions permettent de passer d’une étape à une autre. Une transition est activée lorsque certaines conditions logiques sont remplies, souvent basées sur des événements tels que des signaux provenant de capteurs, des commandes manuelles, ou des temporisations.

Points clés :

• Une transition se produit lorsque la condition d’entrée (généralement un capteur ou un événement) est vraie.
• Les transitions sont représentées par des barres horizontales dans le GRAFCET.
• Les conditions logiques (comme « pièce détectée », « température atteinte », ou « bouton appuyé ») doivent être clairement définies pour chaque transition.

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4. Affectation des actions aux étapes

Chaque étape du GRAFCET doit être associée à une ou plusieurs actions. Une action correspond à une commande envoyée à un ou plusieurs actionneurs du système (moteurs, pompes, vannes, etc.).

Points clés :

• Les actions associées aux étapes sont exécutées tant que l’étape est active.
• Les actions peuvent inclure des opérations simples (exemple : démarrer un moteur) ou complexes (exemple : une séquence de mouvements pour un bras robotique).
• Les actions sont souvent liées à des sorties (comme les relais, actionneurs ou moteurs) qui commandent le fonctionnement des équipements.

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5. Définition des conditions de fin d’étape et d’événements de commande

Une étape reste active jusqu’à ce qu’une transition soit déclenchée par un événement ou une condition spécifique (exemple : un capteur atteint une position, une temporisation se termine). Vous devez définir clairement les conditions d’arrêt d’une étape et de passage à la suivante.

Exemples de conditions de transition :

• Capteur activé : Un capteur signale la présence d’un objet ou l’atteinte d’une position.
• Temporisation écoulée : Une action doit être effectuée pendant une période définie (exemple : un moteur tourne pendant 10 secondes).
• Condition logique : La combinaison de plusieurs événements (par exemple, si une certaine température et une certaine pression sont atteintes).

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6. Prise en compte des dispositifs de sécurité

Dans les systèmes automatisés, il est important d’intégrer des dispositifs de sécurité dans le GRAFCET pour éviter des accidents ou des dysfonctionnements. Ces dispositifs peuvent inclure des arrêts d’urgence, des limites de température, ou des capteurs de surcharge.

Points clés :

• Ajouter des conditions de priorité pour garantir que le système s’arrête immédiatement en cas de danger.
• Intégrer des boucles de rétroaction pour surveiller les états critiques (comme la température, la pression, ou la position des composants).

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7. Simulation et validation du GRAFCET

Avant d’implémenter le GRAFCET sur un automate programmable, il est important de simuler et de valider son bon fonctionnement. La simulation permet de vérifier que le séquencement des étapes et transitions se déroule correctement et que les actions associées sont exécutées comme prévu.

Points clés :

• Utiliser un logiciel de simulation pour tester les séquences.
• Vérifier que toutes les conditions de transition sont correctement implémentées.
• Tester la sécurité du système en simulant des scénarios d’urgence.

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8. Programmation sur un API

Une fois le GRAFCET validé, vous devez le traduire en un programme destiné à un automate programmable industriel (API). Le GRAFCET peut être converti en langage d’instructions ou en langage structuré pour contrôler les différentes entrées et sorties du système.

Points clés :

• Traduire les étapes et transitions en blocs logiques qui peuvent être programmés dans un automate.
• Associer chaque étape à une sortie physique (actionneur).
• Utiliser les entrées (comme les capteurs ou boutons) pour déclencher les transitions.

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9. Suivi et maintenance

Une fois le système en place, il est important de suivre le fonctionnement du GRAFCET en conditions réelles et de l’ajuster si nécessaire. La maintenance consiste à vérifier que toutes les étapes et transitions fonctionnent correctement et à modifier le GRAFCET si le processus évolue.

Points clés :

• Surveiller les performances du système pour détecter les inefficacités ou erreurs.
• Ajuster les timings ou les conditions de transition si des problèmes sont observés (par exemple, si une action est trop lente).
• Effectuer des mises à jour régulières en fonction des besoins du système.

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10. Optimisation et amélioration continue

Une fois le GRAFCET en place, il est possible d’analyser les performances du système pour optimiser le processus. Cela peut inclure la réduction des temps de cycle, l’ajout de nouveaux capteurs ou actionneurs, ou la modification des conditions de transition pour améliorer l’efficacité globale.

Points clés :

• Utiliser les données de performance pour améliorer les séquences.
• Intégrer des algorithmes d’optimisation si nécessaire.
• Envisager l’ajout de capteurs supplémentaires pour une commande plus précise du processus.

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La conception d’un système automatisé avec le GRAFCET suit un ensemble d’étapes bien définies allant de l’analyse du processus à la mise en œuvre sur un automate programmable. Chaque étape du GRAFCET représente un état du système, tandis que les transitions sont déclenchées par des conditions spécifiques basées sur des capteurs ou des événements. La simulation et la validation du GRAFCET avant l’implémentation sur un API garantissent que le système automatisé fonctionnera de manière fiable et sécurisée.

Voici une série d’exercices basés sur les étapes de conception d’un système automatisé à l’aide du GRAFCET. Ces exercices sont conçus pour approfondir votre compréhension de la modélisation, de la gestion des transitions, et de l’implémentation des systèmes automatisés dans des environnements industriels.

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Exercice 1 : Système de convoyeur à étapes multiples

Contexte :

Un système de convoyeur est chargé de transporter des objets à travers trois stations :

• Station 1 : L’objet est scanné.
• Station 2 : L’objet est trié.
• Station 3 : L’objet est stocké.

Le convoyeur doit transporter les objets de station en station et s’arrêter à chaque station pour permettre l’exécution des tâches. Chaque station est équipée d’un capteur qui détecte la présence de l’objet. Une fois les trois tâches terminées, le cycle se répète pour le prochain objet.

Objectifs :

1. Décomposer le processus en étapes du GRAFCET.
2. Définir les transitions associées à chaque étape.
3. Proposer un programme en langage structuré pour commander le système de convoyeur.

Solution attendue :

1. Étapes du GRAFCET :

• Étape 1 : Convoyeur en marche, transport de l’objet vers la Station 1.
• Étape 2 : Convoyeur arrêté, objet scanné.
• Étape 3 : Convoyeur en marche, transport de l’objet vers la Station 2.
• Étape 4 : Convoyeur arrêté, objet trié.
• Étape 5 : Convoyeur en marche, transport de l’objet vers la Station 3.
• Étape 6 : Convoyeur arrêté, objet stocké.

1. Transitions :

• ( T1 ) : Capteur de position 1 activé (objet à Station 1).
• ( T2 ) : Scan terminé.
• ( T3 ) : Capteur de position 2 activé (objet à Station 2).
• ( T4 ) : Tri terminé.
• ( T5 ) : Capteur de position 3 activé (objet à Station 3).
• ( T6 ) : Stockage terminé.

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Exercice 2 : Système de contrôle de température avec GRAFCET

Contexte :

Un système de chauffage doit maintenir la température d’un four industriel entre 100°C et 200°C. Lorsque la température descend en dessous de 100°C, le système doit activer le chauffage. Lorsque la température dépasse 200°C, le système doit arrêter le chauffage.

Le processus doit être sécurisé par un capteur de surchauffe qui arrête immédiatement le système si la température dépasse 250°C.

Objectifs :

1. Créer le GRAFCET pour ce système de contrôle de température.
2. Définir les actions de commande pour le chauffage.
3. Ajouter un dispositif de sécurité avec un arrêt d’urgence.

Solution attendue :

1. Étapes du GRAFCET :

• Étape 1 : Température en dessous de 100°C, activation du chauffage.
• Étape 2 : Température entre 100°C et 200°C, maintien du chauffage.
• Étape 3 : Température au-dessus de 200°C, arrêt du chauffage.

1. Transitions :

• ( T1 ) : Température < 100°C.
• ( T2 ) : Température entre 100°C et 200°C.
• ( T3 ) : Température > 200°C.

1. Dispositif de sécurité :

• ( T4 ) : Température > 250°C, activation de l’arrêt d’urgence.

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Exercice 3 : Gestion d’un distributeur de boissons

Contexte :

Un distributeur automatique doit fournir une boisson en fonction de la sélection de l’utilisateur (choix entre eau, soda, jus). Une fois que l’utilisateur a sélectionné une boisson et inséré la monnaie, le distributeur doit délivrer la boisson et revenir à l’état initial, prêt à servir un autre client.

Objectifs :

1. Décomposer le processus en étapes du GRAFCET.
2. Définir les transitions en fonction des événements (choix, paiement).
3. Proposer une solution avec des actions associées aux étapes.

Solution attendue :

Étapes du GRAFCET :

• Étape 1 : Attente de la sélection de boisson.
• Étape 2 : Attente de l’insertion de monnaie.
• Étape 3 : Délivrance de la boisson sélectionnée.
• Étape 4 : Retour à l’état initial.

Transitions :

• ( T1 ) : Boisson sélectionnée.
• ( T2 ) : Monnaie insérée.
• ( T3 ) : Boisson délivrée.

Actions :

• Étape 3 : Activation du mécanisme de distribution correspondant à la boisson sélectionnée.

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Exercice 4 : Bras robotique pour assemblage automatique

Contexte :

Un bras robotique doit assembler des composants mécaniques en trois étapes :

• Étape 1 : Saisie d’une pièce.
• Étape 2 : Déplacement vers la zone d’assemblage.
• Étape 3 : Assemblage de la pièce.

Le bras doit retourner à sa position de départ une fois l’assemblage terminé, et recommencer le processus pour la pièce suivante.

Objectifs :

1. Définir les étapes et transitions du GRAFCET.
2. Associer les capteurs pour valider chaque transition (capteur de position, capteur de pression).
3. Proposer un programme pour contrôler le bras robotique.

Solution attendue :

1. Étapes du GRAFCET :

• Étape 1 : Saisie de la pièce.
• Étape 2 : Déplacement vers la zone d’assemblage.
• Étape 3 : Assemblage de la pièce.
• Étape 4 : Retour à la position de départ.

1. Transitions :

• ( T1 ) : Capteur de pièce détectée.
• ( T2 ) : Capteur de position atteint (bras à la zone d’assemblage).
• ( T3 ) : Assemblage terminé.
• ( T4 ) : Bras retourné à la position de départ.

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Exercice 5 : Système de tri automatique avec tri par taille

Contexte :

Un système de tri automatique classe des objets en fonction de leur taille (petit, moyen, grand). Les objets sont transportés sur un convoyeur et un capteur de mesure détermine la taille de chaque objet. Selon la taille, l’objet est orienté vers le convoyeur correspondant.

Objectifs :

1. Définir les étapes du GRAFCET pour trier les objets.
2. Créer les transitions basées sur les signaux du capteur de taille.
3. Proposer un programme pour commander les actionneurs des différents convoyeurs.

Solution attendue :

Étapes du GRAFCET :

• Étape 1 : Transport de l’objet vers le capteur de taille.
• Étape 2 : Si taille petite, envoi vers le convoyeur 1.
• Étape 3 : Si taille moyenne, envoi vers le convoyeur 2.
• Étape 4 : Si taille grande, envoi vers le convoyeur 3.

Transitions :

• ( T1 ) : Taille petite détectée.
• ( T2 ) : Taille moyenne détectée.
• ( T3 ) : Taille grande détectée.

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Ces exercices couvrent une variété de scénarios industriels utilisant le GRAFCET pour modéliser et commander des systèmes automatisés. Chaque exercice se concentre sur des actions spécifiques, des transitions et des conditions logiques pour guider la conception et la mise en œuvre des systèmes de commande. En réalisant ces exercices, vous approfondirez votre compréhension des principes fondamentaux de l’automatisation et de l’utilisation du GRAFCET.