Phương pháp lập trình Grafcet

1. Khái niệm về Grafcet

1.1. Phương pháp Grafcet

• Biểu diễn các quá trình công nghệ dưới dạng lưu đồ (graph) các trạng thái làm việc.
• Xây dựng các hàm logic điều khiển và sơ đồ điều khiển từ lưu đồ các trạng thái làm việc.

Hình 1. Sơ đồ Grafcet.

1.2. Thành phần và ký hiệu thường gặp trong Grafcet

• Trạng thái (S_i).
• Chuyển tiếp (t_i).
• Cung định hướng (a_i).

Hình 2. Thành phần trong sơ đồ Grafcet.

1.3. Quy tắc hoạt động (Quy tắc vượt qua chuyển tiếp)

Khi một chuyển tiếp được vượt qua sẽ:

• Làm hoạt động trạng thái kế tiếp.
• Khử hoạt động của trạng thái đầu vào của chuyển tiếp.

1.4. Grafcet và hàm logic tương ứng

Hàm Logic:

\left\{ \begin{array}{l}
S_i^ +  = {a_i}\,.\,{S_{i - 1}}\\
S_i^ -  = {S_{i + 1}}
\end{array} \right.

Trong đó: 

• S_i: Là tín hiệu ra của trạng thái thứ i.  
• a_i: Là tác nhân kích thích vào chuyển tiếp tiếp. 
• S_i^–: Là hàm đóng của trạng thái i.  
• S_i⁺: Là hàm cắt của trạng thái i. 

Hình 3. Đặt các biến tương ứng trong sơ đồ Grafcet.

1.5. Chuyển sang mạch điện tương ứng

• Mạch điện không tiếp điểm (Dùng phần tử RS Flip Flop).
• Mạch relay tiếp điểm:

Hình 4. RS Flip Flop và mạch điểm relay tiếp điểm.

• Mạch relay tiếp điểm được biểu diễn trong phần mềm TIA Portal như sau:

Hình 5. Sơ đồ mạch Ladder.

2. Ý nghĩa các ký hiệu trong Grafcet

• Một trạng thái được biểu diễn bằng một hình vuông có đánh số. Gắn liền với biểu tượng trạng thái là một hình chữ nhật bên cạnh, trong hình chữ nhật này có ghi các tác động của trạng thái đó.
• Trạng thái khởi đầu được thể hiện bằng 2 hình vuông lồng vào nhau.
• Trạng thái hoạt động có thêm dấu “.” ở trong hình vuông trạng thái,
• Việc chuyển tiếp từ trạng thái này sang trạng thái khác được thực hiện khi các điều kiện chuyển tiếp được thoả mãn.

Bảng 1. Các ký hiệu Grafcet.

3. Thiết kế theo phương pháp Grafcet

Các bước thực hiện thiết kế mạch tuần tự bằng Grafcet:

• Bước 1: Xác định yêu cầu bài toán, lập bảng GRAFCET I.
• Bước 2: Xác định các biến input/output lập bảng GRAFCET II.
• Bước 3: Xác định hàm điều khiển.
• Bước 4: Xác định sơ đồ điều khiển.

Hình 6. Trình tự thực hiện thiết kế Grafcet.

3.1. Lập Grafcet I

Để xây dựng giản đồ Grafcet cho một quá trình nào đó thì trước tiên ta phải mô tả mọi hoạt động bao của hệ thống gồm các giai đoạn và các điều kiện chuyển tiếp, sau đó lựa chọn các tín hiệu (công tắc, cảm biến) rồi mô tả chúng bằng các ký hiệu. Ở Grafcet I cần mô tả thật chi tiết các trạng thái làm việc, chú thích đầy đủ.

Ví dụ 1: Cho hệ thống khoan phôi, chu trình hoạt động được mô tả bởi giản đồ sau:

Hình 7. Hệ thống khoan phôi và giản đồ GRAFCET I.

• Giai đoạn 1: S1 đầu khoan A đi xuống theo chiều A+ để khoan đến cuối hành trình mũi khoan quay, khi khoan đủ sâu, xác định bằng nút a₁ thì kết thúc giai đoạn 2, chuyển sang giai đoạn 2.
• Giai đoạn 2: S2 mũi khoan đi lên theo chiều A- và ngừng quay. Khi mũi khoan lên đủ cao, xác định bằng A₀ thì khoan dừng, kết thúc một chu kỳ gia công.

– Bảng Input/Output:

3.2. Lập Grafcet II

Grafcet II thì được mô tả hoạt động của hệ thống bằng cách dùng các biến Logic.

Hình 8. Giản đồ GRAFCET II.

3.3. Xác định hàm điều khiển

Từ giản đồ Grafcet II, ta suy ra các hàm:

• Trạng thái S₀:

\left\{ \begin{array}{l}
{\rm{S}}_0^ +  = {\rm{g}} + {{\rm{a}}_0}{{\rm{S}}_2}\\
{\rm{S}}_0^ -  = {{\rm{S}}_1}
\end{array} \right. \Rightarrow {S_0} = ({S_0} + g + {a_0}{S_2})\,.\,\overline {{S_1}} 

• Trạng thái S₁:

\left\{ \begin{array}{l}
{\rm{S}}_1^ +  = {\rm{m}}{{\rm{S}}_0}\\
{\rm{S}}_1^ -  = {{\rm{S}}_2}
\end{array} \right. \Rightarrow {S_1} = ({S_1} + m{S_0})\,.\,\overline {{S_2}} 

• Trạng thái S₂:

\left\{ \begin{array}{l}
{\rm{S}}_2^ +  = {{\rm{a}}_1}{{\rm{S}}_1}\\
{\rm{S}}_2^ -  = {{\rm{S}}_0}
\end{array} \right. \Rightarrow {S_2} = ({S_2} + {a_1}{S_1}).\,\overline {{S_0}}

3.4. Sơ đồ đấu nối

Hình 9. Sơ đồ đấu nối.

3.5. Sơ đồ điều khiển

Hình 10. Sơ đồ điều khiển dạng relay và dạng LAD.

4. Phân nhánh trong Grafcet

4.1. Phân kỳ “Hoặc”

\begin{array}{l}
S_i^ -  = {S_{i + 1}}\, + \,{S_{i + 2}} + {S_{i + 3}}\,\,\\
S_{i + 1}^ +  = {a_{i + 1}}.\,{S_i}\\
S_{i + 3}^ +  = {a_{i + 2}}.\,{S_i}\\
S_{i + 4}^ +  = {a_{i + 3}}.\,{S_i}
\end{array}

4.2. Hội tụ “Hoặc”

\begin{array}{l}
S_{i + 4}^ + \, = \,{a_{i + 1}}.\,{S_{i + 1}} + {a_{i + 2}}.\,{S_{i + 2}}\,. + {a_{i + 3}}.\,{S_{i + 3}}\\
S_{i + 1}^-= S_{i + 2}^ -  = S_{i + 3}^ -  = {S_{i + 4}}\,
\end{array}

Hình 11. Phân kỳ “Hoặc” (a) và hội tụ “Hoặc” (b).

4.3. Phân kỳ “Và”

\begin{array}{l}
{S_i} = {S_{i + 1}}.\,{S_{i + 2}}\,.\,{S_{i + 3}}\,\\
S_{i + 1}^ +  = S_{i + 2}^ +  = S_{i + 3}^ +  = {a_{i + 1}}.\,{S_i}
\end{array}

4.4. Hội tụ “Và”

\begin{array}{l}
{S_{i + 1}}\, = \,{S_{i + 2}}\, = {S_{i + 3}}\,\, = {S_{i + 4}}\,\\
S_{i + 4}^ + \, = \,{a_{i + 1}}.\,{S_{i + 1}}.\,{S_{i + 2}}\,.\,{S_{i + 3}}
\end{array}

Hình 12. Phân kỳ “Và” và Hội tụ “Và” (b).

5. Bài tập mẫu

Thiết kế Grafcet gắp vật từ vị trí A sang vị trí B của cẩu:

5.1. Mô tả bài toán

• Hệ thống gồm 2 cơ cấu chuyển động lên – xuống và phải – trái.
• Ban đầu cơ cấu lên – xuống sẽ thực hiện chuyển động từ trên đi xuống và cơ cấu chuyển động phải – trái đứng im.
• Khi gặp cảm biến a1 thì sẽ thực hiện chuyển động lên (cơ cấu chuyển động phải – trái vẫn đứng im). Khi gặp cảm biến a0 thì cơ cấu lên – xuống dừng, cơ cấu phải – trái thực hiện chuyển động sang phải và mang theo cả cơ cấu lên – xuống.
• Khi gặp cảm biến b1 cơ cấu phải – trái dừng và cơ cấu lên xuống hoạt động thực hiện chuyển động xuống. Khi gặp cảm biến a1 thì sẽ thực hiện chuyển động lên (cơ cấu chuyển động phải – trái vẫn đứng im). Khi gặp cảm biến a0 thì cơ cấu lên xuống dừng, cơ cấu phải – trái thực hiện chuyển động sang trái và mang theo cả cơ cấu lên xuống.
• Khi gặp b0 thì cơ cấu phải – trái dừng và cơ cấu lên xuống thực hiện chuyển động đi xuống và chu trình sẽ được lặp lại.

Hình 13. Quy trình hoạt động và mô hình của cẩu.

5.2. Hướng dẫn

5.2.1. Lập bảng Input/ Output

5.2.2. Giản đồ Grafcet

Hình 14. Giản đồ Grafcet I.

Hình 15. Giản đồ Grafcet II.

5.2.3. Tìm hàm logic đầu ra

• Trạng thái S₀:

\left\{ \begin{array}{l}
S_0^ +  = \,\,g + \,{b_0}{S_4}\\
S_0^ -  = {S_1}
\end{array} \right. \Rightarrow {S_0} = \left( {g + {b_0}{S_4} + {S_0}} \right).\,\overline {{S_1}}

• Trạng thái S₁:

\left\{ \begin{array}{l}
S_1^ +  = \,{a_0}\,{b_0}{S_0} + {b_1}{S_3}\\
S_1^ -  = {S_2}
\end{array} \right. \Rightarrow {S_1} = \left( {{a_0}\,{b_0}{S_0} + {b_1}{S_3} + {S_1}} \right)\,.\overline {{S_2}}

• Trạng thái S₂:

\left\{ \begin{array}{l}
S_2^ +  = \,\,{a_1}{S_1}\\
S_2^ -  = {S_3} + {S_4}
\end{array} \right. \Rightarrow {S_2} = (\,{a_1}{S_1} + {S_2}).\,\overline {{S_3} + {S_4}}  = (\,{a_1}{S_1} + {S_2}).\overline {{S_3}} .\overline {{S_4}}

• Trạng thái S₃:

\left\{ \begin{array}{l}
S_3^ +  = \,\,\,{a_0}{b_0}{S_2}\\
S_3^ -  = {S_1}
\end{array} \right. \Rightarrow {S_3} = ({a_0}{b_0}{S_2} + {S_3}).\,\overline {{S_1}}

• Trạng thái S₄:

\left\{ \begin{array}{l}
S_4^ +  = \,\,\,{a_0}{b_1}{S_2}\\
S_4^ -  = {S_0}
\end{array} \right. \Rightarrow {S_4} = ({a_0}{b_1}{S_2} + {S_4}).\,\overline {{S_0}}

• Các trạng thái khác:

\begin{array}{l}
{S_1} = A + \\
{S_2} = A - \\
{S_3} = B + \\
{S_4} = B - 
\end{array}

5.2.4. Sơ đồ đấu nối

Hình 16. Sơ đồ đấu nối.

5.2.5. Sơ đồ điều khiển

Hình 17. Sơ đồ điều khiển dùng relay và LAD.

5.2.6. Lập trình trên TIA Portal

Hình 18. Lập trình trên TIA Portal.

Xem đầy đủ tại đây.

5.2.7. Thiết kế giao diện HMI

Hình 19. Giao diện HMI.