Systèmes automatisés (GRAFCET)

L'intuition

Imagine que tu es en charge d'un système de lavage de voiture automatique. C'est une succession d'opérations : d'abord, la voiture entre, puis elle est aspergée d'eau, ensuite elle est brossée, rincée, et enfin séchée. Chaque étape doit se dérouler dans un ordre précis. Pour passer de "asperger d'eau" à "brosser", il faut que la voiture ait été entièrement mouillée. Parfois, plusieurs choses peuvent se passer en même temps, comme l'activation des brosses et la distribution du savon. Le GRAFCET est un outil qui permet de décrire précisément cette séquence d'opérations, les conditions pour passer d'une étape à l'autre, et les actions à réaliser à chaque moment. C'est le langage des systèmes automatisés.

Le cours

Le GRAFCET (GRAphe Fonctionnel de Commande Étapes/Transitions) est un langage graphique normalisé (CEI EN 60848) utilisé pour modéliser le comportement séquentiel des systèmes automatisés. Il est fondamental pour l'analyse, la conception et la maintenance des automatismes industriels. Sa maîtrise est cruciale pour l'examen, car elle permet de modéliser des systèmes pluritechnologiques, une compétence évaluée à hauteur de 30%.

1. Éléments de base du GRAFCET

Un GRAFCET est composé d'étapes, de transitions et de liaisons orientées.

1.1. Les étapes

Une étape représente un état stable du système. Elle est identifiée par un numéro unique et est représentée par un carré.

• Étape initiale : C'est l'étape active au démarrage du système. Elle est représentée par un double carré. Un GRAFCET doit toujours comporter au moins une étape initiale.

  <!-- Placeholder for a double square representing an initial step --> Figure 1 : Représentation d'une étape initiale (double carré)

• Actions associées : Ce sont les opérations à exécuter lorsque l'étape est active. Elles sont inscrites dans un rectangle relié à l'étape par un trait horizontal.

  • Action continue : Exécutée tant que l'étape est active. C'est le type d'action par défaut.

    +---+
    | 1 |
    +---+
      |
      +---->[Moteur M1 en marche]
    

  • Action conditionnelle : Exécutée si l'étape est active ET qu'une condition interne est vraie.

    +---+
    | 2 |
    +---+
      |
      +---->[Vérin A sort SI (Capteur_Présence_Pièce)]
    

  • Action mémorisée (impulsionnelle) : Exécutée une seule fois à l'activation de l'étape. Elle utilise des ordres SET (mise à 1) ou RESET (mise à 0) pour des variables binaires.

    +---+
    | 3 |
    +---+
      |
      +---->[SET Moteur_ON]
      +---->[RESET Voyant_Défaut]
    

  • Action temporisée : Exécutée pendant une durée déterminée après l'activation de l'étape.

    +---+
    | 4 |
    +---+
      |
      +---->[Éclairage / 10s]
    

1.2. Les transitions et réceptivités

Une transition est un trait horizontal qui indique une possibilité d'évolution.

• Réceptivité : C'est une condition logique associée à une transition, inscrite à sa droite. La réceptivité doit être vraie pour que la transition puisse être franchie. Elle est souvent une combinaison de variables d'entrée (capteurs, boutons) ou de variables internes (compteurs, temporisateurs).

  Exemple de transition avec réceptivité :

  +---+
  | 1 |
  +---+
    |
    |  --- T1 --- (c1 AND c2)
    |
  +---+
  | 2 |
  +---+
  

  Ici, (c1 AND c2) est la réceptivité. La transition T1 ne peut être franchie que si les conditions c1 ET c2 sont vraies.

2. Les 5 règles d'évolution du GRAFCET

Ces règles définissent le comportement dynamique du GRAFCET.

• Règle 1 : Situation initiale Au début du fonctionnement, les étapes initiales sont actives. Toutes les autres étapes sont inactives.

• Règle 2 : Franchissement d'une transition Une transition est franchissable si et seulement si :

  1. Toutes les étapes immédiatement précédentes sont actives (la transition est validée).
  2. La réceptivité associée à la transition est vraie. Si ces deux conditions sont remplies, la transition est franchie.

• Règle 3 : Évolution des étapes Le franchissement d'une transition entraîne l'activation de toutes les étapes immédiatement suivantes et la désactivation de toutes les étapes immédiatement précédentes. Ce processus est considéré comme instantané.

• Règle 4 : Activations et désactivations simultanées Si plusieurs transitions sont franchissables simultanément, elles sont toutes franchies simultanément.

• Règle 5 : Conflit d'activation/désactivation Si une étape doit être simultanément activée et désactivée par le franchissement de transitions, elle reste active. Cette règle est une convention pour éviter les ambiguïtés, bien qu'elle soit rarement rencontrée dans des GRAFCET bien conçus.

3. Structures d'évolution

Le GRAFCET permet de modéliser des séquences simples ou complexes.

3.1. Séquence linéaire

C'est la structure la plus simple, où les étapes s'enchaînent de manière séquentielle.

+---+
| 1 |
+---+
  |
  | -- T1 -- (R1)
  |
+---+
| 2 |
+---+
  |
  | -- T2 -- (R2)
  |
+---+
| 3 |
+---+

3.2. Divergence et convergence en OU (choix d'aiguillage)

Une divergence en OU permet de choisir entre plusieurs séquences alternatives. Une seule branche est activée. Elle est représentée par une seule ligne horizontale d'où partent plusieurs transitions. Les réceptivités de ces transitions doivent être mutuellement exclusives pour éviter les ambiguïtés.

<!-- Placeholder for a divergence OU --> Figure 2 : Divergence en OU

Une convergence en OU permet de regrouper plusieurs séquences alternatives vers une étape commune. Elle est représentée par une seule ligne horizontale vers laquelle convergent plusieurs transitions.

<!-- Placeholder for a convergence OU --> Figure 3 : Convergence en OU

3.3. Divergence et convergence en ET (séquences parallèles)

Une divergence en ET permet d'activer simultanément plusieurs séquences parallèles. Elle est représentée par deux lignes horizontales parallèles d'où partent plusieurs transitions. Toutes les branches sont activées en même temps.

<!-- Placeholder for a divergence ET --> Figure 4 : Divergence en ET

Une convergence en ET permet de synchroniser plusieurs séquences parallèles vers une étape commune. Elle est représentée par deux lignes horizontales parallèles vers lesquelles convergent plusieurs transitions. La transition de convergence ne peut être franchie que lorsque toutes les étapes des séquences parallèles précédentes sont actives.

<!-- Placeholder for a convergence ET --> Figure 5 : Convergence en ET

4. Points de vue du GRAFCET

Le GRAFCET peut être représenté selon différents points de vue, essentiels pour l'analyse d'un système pluritechnologique.

• Point de vue système (GRAFCET de spécification) : Il décrit le comportement global du système, sans se soucier des détails technologiques. Il est souvent utilisé en début de projet pour définir les fonctions à réaliser. Il répond à la question "Que fait le système ?".

• Point de vue partie opérative (PO) : Il décrit les actions des actionneurs (vérins, moteurs, etc.) et les informations des capteurs de la partie opérative. Il est plus détaillé que le point de vue système et intègre des éléments technologiques. Il répond à la question "Comment la partie opérative agit-elle ?".

• Point de vue partie commande (PC) : Il décrit le comportement de l'automatisme, c'est-à-dire comment les ordres sont générés en fonction des informations reçues. C'est le GRAFCET qui sera directement implémenté dans un automate programmable. Il répond à la question "Comment la partie commande gère-t-elle la PO ?".

Exemple résolu

Considérons un système de tension de bande, comme celui que l'on trouve dans les annales. L'objectif est de tendre une bande en plastique à l'aide d'un vérin pneumatique.

Énoncé (inspiré d'annales) : Un système de tension de bande utilise un vérin pneumatique simple effet (1A2) pour appliquer une tension.

• Le cycle démarre par l'appui sur un bouton poussoir S1.
• Le vérin 1A2 sort (action 1A2+) pour tendre la bande.
• La sortie du vérin est détectée par un capteur de fin de course a1.
• Une fois la bande tendue, le vérin doit rester sorti pendant 5 secondes pour stabiliser la tension.
• Après ce délai, le vérin rentre (action 1A2-).
• La rentrée du vérin est détectée par un capteur de fin de course a0.
• Le cycle se termine et attend un nouvel appui sur S1.

Question : Modéliser le fonctionnement séquentiel de ce système par un GRAFCET du point de vue partie commande.

Solution :

Analyse du besoin :

• Entrées (réceptivités) : S1 (bouton poussoir), a1 (capteur vérin sorti), a0 (capteur vérin rentré), T1 (temporisation).
• Sorties (actions) : 1A2+ (sortie vérin), 1A2- (rentrée vérin).

GRAFCET du point de vue Partie Commande :

+---+
| 0 | (Initialisation)
+---+
  |
  | --- T0 --- (S1 AND a0)  <-- Le cycle démarre si S1 est appuyé et le vérin est rentré
  |
+---+
| 1 | (Tension de la bande)
+---+
  |
  +---->[1A2+]              <-- Le vérin sort
  |
  | --- T1 --- (a1)         <-- Le vérin est sorti
  |
+---+
| 2 | (Stabilisation de la tension)
+---+
  |
  +---->[1A2+]              <-- Le vérin reste sorti
  +---->[Temporisation T1 / 5s] <-- Démarrage d'une temporisation de 5 secondes
  |
  | --- T2 --- (T1)         <-- La temporisation est terminée
  |
+---+
| 3 | (Relâchement de la bande)
+---+
  |
  +---->[1A2-]              <-- Le vérin rentre
  |
  | --- T3 --- (a0)         <-- Le vérin est rentré
  |
+---+
| 0 | (Retour à l'étape initiale)
+---+

Explication des étapes et transitions :

• Étape 0 (Initiale) : Le système est en attente.
• Transition T0 : Le cycle commence si l'opérateur appuie sur S1 et que le vérin est bien rentré (a0).
• Étape 1 : L'ordre de sortie du vérin 1A2+ est activé.
• Transition T1 : Le système passe à l'étape suivante lorsque le capteur a1 détecte que le vérin est complètement sorti.
• Étape 2 : L'ordre 1A2+ est maintenu (le vérin reste sorti) et une temporisation T1 de 5 secondes est lancée.
• Transition T2 : Le système passe à l'étape suivante lorsque la temporisation T1 est écoulée.
• Étape 3 : L'ordre de rentrée du vérin 1A2- est activé.
• Transition T3 : Le système revient à l'étape initiale lorsque le capteur a0 détecte que le vérin est complètement rentré.

Ce GRAFCET modélise le fonctionnement séquentiel du système de tension de bande en intégrant des actions mécaniques (mouvement du vérin) et des éléments de commande (capteurs, temporisation).

La méthode

Modéliser un système avec un GRAFCET demande une démarche structurée. Voici les étapes clés :

1. Analyser le cahier des charges ou le fonctionnement du système :

   • Comprendre l'objectif du système.
   • Identifier les séquences principales et les sous-séquences.
   • Définir les conditions de démarrage et d'arrêt.

2. Identifier les entrées/sorties du système :

   • Entrées (réceptivités) : Capteurs (fin de course, présence, pression, etc.), boutons poussoirs, temporisations, compteurs.
   • Sorties (actions) : Actionneurs (vérins, moteurs, lampes, électrovannes, etc.).

3. Définir le point de vue du GRAFCET :

   • Système : Description globale, sans détail technologique.
   • Partie Opérative (PO) : Description des actions des actionneurs et des informations des capteurs.
   • Partie Commande (PC) : Description des ordres générés par l'automatisme. C'est le plus souvent demandé à l'examen.

4. Tracer le GRAFCET pas à pas :

   • Étape initiale : Toujours commencer par une étape initiale (double carré).
   • Séquence linéaire : Enchaîner les étapes et les transitions en respectant l'ordre chronologique des opérations.
   • Actions associées : Pour chaque étape, lister les actions à réaliser. Préciser si elles sont continues, mémorisées (SET/RESET), ou temporisées (/ durée).
   • Réceptivités : Pour chaque transition, définir la condition logique de passage à l'étape suivante. Utiliser des opérateurs logiques (AND, OR, NOT).
   • Divergences/Convergences :
     • OU : Pour un choix entre plusieurs séquences. S'assurer que les réceptivités sont mutuellement exclusives.
     • ET : Pour des séquences parallèles qui s'exécutent simultanément et nécessitent une synchronisation.
   • Boucles : Utiliser des transitions pour revenir à des étapes précédentes et créer des cycles.

5. Vérifier le GRAFCET :

   • Appliquer les 5 règles d'évolution pour simuler le fonctionnement.
   • S'assurer qu'il n'y a pas de blocage (deadlock) ou de comportement imprévu.
   • Vérifier la cohérence entre les réceptivités et les actions.
   • S'assurer que toutes les conditions de démarrage et d'arrêt sont prises en compte.

Pièges classiques

Voici les erreurs fréquentes qui coûtent des points à l'examen :

• Oubli de l'étape initiale : Un GRAFCET doit toujours commencer par une étape initiale (double carré).
• Réceptivités non exclusives dans une divergence en OU : Si plusieurs réceptivités sont vraies en même temps, le choix est ambigu.
  • Exemple de piège :

    +---+
    | 1 |
    +---+
      |
      +------------------
      | T1a (c1)  | T1b (c1 AND c2)
      |           |
    +---+       +---+
    | 2a|       | 2b|
    +---+       +---+
    

    Si c1 et c2 sont vraies, les deux branches peuvent être activées, ce qui est contraire au principe du OU.
• Non-respect de la synchronisation en convergence en ET : La transition de convergence en ET ne peut être franchie que si TOUTES les étapes précédentes sont actives.
• Actions mal définies : Ne pas préciser si une action est continue, mémorisée (SET/RESET) ou temporisée peut entraîner des ambiguïtés.
• Réceptivités mal formulées : Utiliser des phrases au lieu de conditions logiques claires (ex: "le vérin est sorti" au lieu de a1).
• Liaisons non orientées ou mal orientées : Les flèches doivent toujours indiquer le sens de l'évolution (étape -> transition -> étape).
• Confondre point de vue système, PO et PC : Un GRAFCET PC doit utiliser des noms de capteurs et d'actionneurs, pas des descriptions fonctionnelles générales.
• Absence de retour à l'étape initiale ou de bouclage : Pour un système cyclique, le GRAFCET doit prévoir un retour à l'étape d'attente ou de début de cycle.

Ce qui tombe à l'examen

Le GRAFCET est un chapitre à fort poids pour la modélisation des systèmes automatisés. Les questions sont généralement intégrées dans l'étude d'un système technique pluritechnologique.

Formats de questions réels :

• Compléter un GRAFCET partiel : Il s'agit souvent de compléter les réceptivités, les actions associées, ou d'ajouter des étapes et des transitions manquantes.
  • Exemple (inspiré d'annales) : "Compléter le GRAFCET de la partie commande du système de tension de bande en ajoutant les actions et réceptivités manquantes."
• Établir le GRAFCET d'une séquence donnée : On vous demande de modéliser une partie ou la totalité du fonctionnement séquentiel d'un sous-système.
  • Exemple : "Établir le GRAFCET de niveau 1 (point de vue système) décrivant le cycle de production des plaques creuses en plastique."
• Analyser un GRAFCET existant : Identifier des erreurs, des blocages, ou décrire le comportement du système à partir du GRAFCET.
  • Exemple : "À partir du GRAFCET fourni, décrire la séquence d'opérations lorsque le capteur C1 est activé."
• Questions sur les règles d'évolution : Tester la compréhension des 5 règles, notamment le franchissement de transition ou la gestion des activations/désactivations.
  • Exemple : "Expliquer pourquoi la transition T5 ne peut pas être franchie à l'instant t, sachant que l'étape 3 est active et que la réceptivité BP_STOP est vraie."
• Identification des points de vue : Distinguer un GRAFCET système d'un GRAFCET PO ou PC.
  • Exemple : "Le GRAFCET proposé est-il du point de vue système, partie opérative ou partie commande ? Justifier."

Barème et attendus :

Les questions sur le GRAFCET peuvent représenter une part significative des points dans la section "Automatique & systèmes asservis" ou "Analyse fonctionnelle & structurelle".

• Lecture correcte du dossier technique : Essentiel pour extraire les informations nécessaires (nom des capteurs, actionneurs, conditions).
• Justesse des modèles : Le GRAFCET doit être conforme aux normes et traduire fidèlement le comportement attendu du système. Chaque erreur de réceptivité, d'action ou de structure peut entraîner une perte de points.
• Clarté et rigueur : Un GRAFCET doit être lisible, avec des numéros d'étapes clairs, des réceptivités précises et des actions bien identifiées. L'utilisation correcte des symboles (double carré pour l'initiale, double ligne pour le ET) est impérative.

La pratique régulière de la modélisation de systèmes variés (mécaniques, pneumatiques, électriques) est la clé de la réussite pour cette partie de l'examen.