Grafcet, ladder, SFC : qui fait quoi
Le Grafcet est un langage de spécification. La norme IEC 60848 (troisième édition en 2013) le définit pour décrire le comportement de la partie séquentielle d'un système de commande : ses symboles graphiques, ses règles et leur interprétation. Il sert à écrire le cahier des charges de façon non ambiguë, avant de choisir l'automate.
Le ladder (schéma à contacts) et le SFC sont des langages de programmation d'automate, décrits par l'IEC 61131-3. Le SFC ressemble beaucoup au Grafcet, mais ce sont deux normes distinctes : un Grafcet se transpose en SFC, ou en ladder, il ne se copie pas tel quel.
Les éléments d'un Grafcet
| Élément | Représentation | Rôle |
|---|---|---|
| Étape | carré numéroté | une situation stable du système ; active ou inactive |
| Étape initiale | double carré | active au démarrage |
| Action | rectangle à droite de l'étape | ce que fait le système quand l'étape est active |
| Transition | trait horizontal entre deux étapes | le passage possible d'une étape à la suivante |
| Réceptivité | condition écrite à côté de la transition | la condition logique qui autorise ce passage |
| Liaison | trait vertical | relie étapes et transitions, de haut en bas ; les reprises de séquence remontent |
L'état d'une étape se note X suivi de son numéro : X4 est vrai quand l'étape 4 est active. On l'utilise dans les réceptivités et dans d'autres grafcets.
Les réceptivités
Une réceptivité combine des entrées avec ET (noté .), OU (+) et NON (/a ou a surligné). Deux compléments sont indispensables :
- Les fronts.
↑dcyest vrai seulement à l'instant où dcy passe de 0 à 1,↓dcyà l'instant où il retombe. Sans front, un bouton maintenu enfoncé relance le cycle à chaque retour à l'étape initiale. - Les temporisations. L'IEC 60848 note
5s/X2une condition qui devient vraie 5 secondes après l'activation de l'étape 2. L'ancienne notation françaiset/X2/5sse rencontre encore dans les cours et les dossiers anciens.
Une réceptivité peut aussi porter sur une comparaison, par exemple [niveau >= 80] ou [C = 3] pour un compteur.
Les actions
| Type | Effet |
|---|---|
| Continue | la sortie est vraie tant que l'étape est active |
| Conditionnelle | la sortie est vraie tant que l'étape est active et qu'une condition est vraie |
| Mémorisée à l'activation | une affectation faite une fois, quand l'étape devient active (mettre un compteur à zéro, l'incrémenter) |
| Mémorisée à la désactivation | une affectation faite quand l'étape cesse d'être active |
Évitez de piloter la même sortie à la fois par des actions continues et par des actions mémorisées : le comportement devient difficile à prévoir et à dépanner.
Les cinq règles d'évolution
- Situation initiale. Au démarrage, les étapes initiales sont actives, et elles seules.
- Franchissement d'une transition. Une transition est validée quand toutes ses étapes amont sont actives. Elle est franchie quand elle est validée et que sa réceptivité est vraie ; elle l'est alors obligatoirement.
- Évolution des étapes actives. Le franchissement active toutes les étapes aval et désactive toutes les étapes amont, simultanément.
- Franchissements simultanés. Plusieurs transitions franchissables en même temps sont franchies en même temps.
- Activation prioritaire. Une étape à la fois activée et désactivée reste active.
Une conséquence importante : les évolutions fugaces. Si, après un franchissement, une autre transition est déjà franchissable, elle est franchie dans la foulée, sans que les actions continues de l'étape traversée aient d'effet. Le Grafcet évolue jusqu'à une situation stable. Une boucle de transitions toujours vraies n'atteint jamais cette stabilité : c'est une erreur de conception.
Divergences et convergences
En OU : un choix de séquence
Une étape mène à plusieurs transitions, chacune vers une branche. Une seule branche doit être prise. Si deux réceptivités peuvent être vraies en même temps, la règle 4 les franchit toutes les deux : c'est un conflit. On le lève en rendant les réceptivités exclusives, par exemple a . b d'un côté et a . /b de l'autre. En convergence en OU, plusieurs branches rejoignent une même étape, chacune par sa propre transition.
En ET : des séquences simultanées
Une transition unique active plusieurs étapes en même temps ; on la dessine avec un double trait horizontal. En convergence en ET, la transition commune n'est franchissable que lorsque toutes les étapes amont sont actives et que sa réceptivité est vraie. On y place souvent des étapes d'attente vides, pour que la branche la plus rapide attende l'autre.
Grafcets partiels et forçages
Un automatisme réel se découpe en plusieurs grafcets : la production normale, la sécurité, les modes de marche. Un grafcet de niveau supérieur peut forcer un grafcet partiel dans une situation donnée : situation initiale, situation vide (toutes les étapes inactives) ou situation figée. C'est ainsi qu'on décrit proprement un arrêt d'urgence : le grafcet de sécurité force la production dans une situation sûre tant que le défaut est présent.
Du Grafcet au ladder
Le ladder s'évalue réseau par réseau, de haut en bas, à chaque cycle de l'automate. Pour y traduire un Grafcet, la méthode la plus lisible consiste à donner un bit mémorisé à chaque étape :
- le bit de l'étape est mis à 1 (bobine S) quand l'étape amont est active et que la réceptivité est vraie ;
- il est mis à 0 (bobine R) quand l'étape suivante devient active ;
- les sorties sont écrites dans des réseaux séparés, à partir des bits d'étape.
Réseau 1 : X0 et ↑dcy et a0 S X1 R X0
Réseau 2 : X1 et a1 S X2 R X1
Réseau 3 : X1 ( ) A+L'ordre des réseaux compte : une étape activée en haut de programme peut être franchie dans le même cycle si sa réceptivité est déjà vraie, ce qui reproduit, ou non, les évolutions fugaces du Grafcet. Relisez cet ordre étape par étape. Les fronts, temporisations (TON, TOF) et compteurs ont leurs blocs dédiés.
Simuler avant de charger dans l'automate
Un programme qui se compile n'est pas un programme juste. Avant la mise en service, déroulez au moins ces scénarios :
- le cycle normal, du départ au retour à l'étape initiale ;
- un appui maintenu sur le bouton de départ : le cycle ne doit pas repartir seul ;
- les commandes incompatibles : jamais les deux sens de marche d'un moteur ensemble, jamais de chauffe cuve vide ;
- l'arrêt d'urgence à chaque étape, puis la reprise ;
- un capteur qui ne répond pas : le système doit rester bloqué dans une étape identifiable, pas repartir au hasard.
Le chronogramme des entrées et des sorties, avec l'étape active en regard, est l'outil de relecture le plus efficace. La simulation trouve les erreurs de logique ; elle ne remplace ni les essais sur l'automate réel ni la vérification du câblage.
S'entraîner avec Banc Automatisme
Banc Automatisme est un simulateur pour la classe, qui s'ouvre dans le navigateur sans installation, même hors ligne. L'élève écrit son Grafcet en texte selon l'IEC 60848 (actions continues, conditionnelles et mémorisées, temporisations, fronts, forçages, grafcets partiels) ou dessine son ladder (contacts, bobines, S et R, fronts, TON, TOF, compteur), puis pilote l'un de cinq procédés virtuels : portail, perçage, tri de colis, cuve, carrefour à feux. Quinze exercices sont corrigés automatiquement d'après leur cahier des charges, et un mode dépannage fait diagnostiquer des pannes injectées. Ses limites : pas de texte structuré ni de liste d'instructions, des procédés en 2D, et une correction qui juge le comportement et non la qualité de la conception. Ce n'est pas un outil de mise en service virtuelle de votre machine : le passage sur automate réel reste indispensable. Une démo gratuite de trois exercices est proposée.
Sources
- IEC 60848:2013, GRAFCET specification language for sequential function charts, 3e édition (non reproduite)
- IEC 61131-3, Automates programmables, partie 3 : langages de programmation (non reproduite)
- Cours d'automatismes industriels et Grafcet, document élève (règles d'évolution, divergences et convergences)
- Banc Automatisme 1.0, guide de l'enseignant et fiche produit