L'intuition
Imagine que tu es le chef d'orchestre d'une usine de jus d'orange. Pour produire une bouteille, tu dois suivre un ordre précis : d'abord, les oranges sont lavées, puis pressées, le jus est filtré, mis en bouteille, et enfin les bouteilles sont étiquetées. Tu ne peux pas étiqueter une bouteille vide, ni presser des oranges non lavées. Chaque action dépend de la fin de la précédente.
Un système automatisé fonctionne exactement comme ça. Une machine à laver ne peut pas essorer avant d'avoir lavé. Elle exécute une série d'opérations séquentielles. Le GRAFCET (GRAphe Fonctionnel de Commande Étapes/Transitions) est un langage graphique qui permet de décrire cette séquence d'opérations de manière claire et universelle. C'est comme une partition pour la machine, indiquant ce qui doit être fait, quand, et quelles conditions doivent être remplies pour passer à l'action suivante.
Le cours
Le GRAFCET est un outil graphique de modélisation du comportement séquentiel des systèmes automatisés. Il est normé (norme IEC 60848) et permet de représenter la commande d'un système en termes d'étapes, d'actions et de transitions.
1. Éléments de base du GRAFCET
Un GRAFCET est composé de :
-
Étapes : Elles représentent des états stables du système où des actions sont exécutées.
- Représentation : Un carré numéroté.
- Étape initiale : C'est la première étape du cycle, active au démarrage du système. Elle est représentée par un double carré.
- Actions associées : Ce sont les opérations à réaliser lorsque l'étape est active. Elles sont inscrites dans un rectangle relié à l'étape par un trait horizontal.
- Exemple :
Moteur ON,Vérin A+. - Syntaxe :
Action_X(action continue),Action_Y / t(action temporisée),Action_Z / (condition)(action conditionnelle).
- Exemple :
-
Transitions : Elles représentent les conditions de passage d'une étape à une autre.
- Représentation : Un trait horizontal reliant deux étapes.
- Réceptivités : Ce sont les conditions logiques associées à une transition. Elles doivent être vraies pour que la transition soit franchie. Elles sont inscrites à côté du trait de transition.
- Exemple :
bp_depart(bouton poussoir départ),fincourse_a(capteur de fin de course A). Une réceptivité est une expression booléenne (combinaison de capteurs, de temporisations, etc.).
- Exemple :
-
Liaisons orientées : Elles relient les étapes aux transitions et les transitions aux étapes, indiquant le sens d'évolution.
2. Les 5 règles d'évolution du GRAFCET
Ces règles définissent le comportement dynamique et l'évolution des étapes actives dans un GRAFCET :
-
Règle 1 : Situation initiale Au début du fonctionnement, l'étape initiale est active. Elle est marquée par un double carré.
-
Règle 2 : Franchissement d'une transition Une transition est franchissable si :
- Toutes les étapes immédiatement précédentes sont actives (la transition est dite validée).
- La réceptivité associée à cette transition est vraie. Le franchissement d'une transition est instantané.
-
Règle 3 : Évolution des étapes actives Le franchissement d'une transition entraîne l'activation de l'étape (ou des étapes) immédiatement suivante(s) et la désactivation de l'étape (ou des étapes) immédiatement précédente(s).
-
Règle 4 : Activation et désactivation simultanées Si une étape est simultanément activée et désactivée par le franchissement d'une même transition, elle reste active. (Ceci est rare et se produit dans des boucles directes).
-
Règle 5 : Activation multiple Une étape peut être active plusieurs fois simultanément. On parle alors de "marquage multiple". Chaque activation est indépendante. (Cette règle est plus avancée et rarement rencontrée au niveau Bac, mais elle est fondamentale pour la norme).
3. Structures de base
- Séquence linéaire : Les étapes se succèdent une à une.
- Divergence en OU (aiguillage) : Le système choisit une branche parmi plusieurs en fonction des réceptivités. Une seule branche sera activée. Les réceptivités doivent être mutuellement exclusives.
- Convergence en OU : Plusieurs branches mènent à une seule étape. L'activation d'une seule des branches suffit pour activer l'étape suivante.
- Divergence en ET (parallélisme) : Le système active plusieurs branches simultanément. Toutes les branches sont activées.
Les réceptivités R1 et R2 sont souvent des conditions de validation de la branche (par exemple, un capteur de présence pour démarrer une action spécifique à cette branche). Si elles sont toujours vraies, on les omet ou on met '1'.
- Convergence en ET : Toutes les branches parallèles doivent être terminées pour activer l'étape suivante.
Pour franchir la transition de convergence, toutes les étapes précédentes (A et B) doivent être actives et toutes les réceptivités ($R_a$ et $R_b$) doivent être vraies.
4. Points de vue du GRAFCET
Le GRAFCET peut être représenté selon différents points de vue, chacun ayant un niveau d'abstraction différent :
-
GRAFCET point de vue Système (S) : Décrit le comportement global du système, sans se soucier des détails technologiques. Il est souvent utilisé en phase d'analyse fonctionnelle. Les actions sont des fonctions globales (ex: "Produire pièce").
-
GRAFCET point de vue Partie Opérative (PO) : Décrit les actions que la partie opérative (les actionneurs : moteurs, vérins, etc.) doit réaliser. Les actions sont des ordres aux préactionneurs (ex: "Moteur M1 tourne", "Vérin C+"). Les réceptivités sont les informations des capteurs de la PO. C'est le plus courant en Sciences de l'Ingénieur.
-
GRAFCET point de vue Partie Commande (PC) : Décrit le comportement de la partie commande (l'automate programmable, le microcontrôleur). Les actions sont des ordres aux sorties de la PC, et les réceptivités sont les informations des entrées de la PC. C'est le plus détaillé, souvent utilisé pour la programmation.
Exemple résolu
Reprenons un extrait d'annale (2023, DREP Tâche 1.3.b) :
Contexte : Chaîne d’information et automatisation partielle du passage de la tôle sur la profileuse. Le système assure la commande de passage de la tôle sur la profileuse. On te demande de compléter le GRAFCET du point de vue partie opérative.
Analyse du problème :
Le GRAFCET fourni est un extrait, il faut donc comprendre la logique séquentielle des étapes 2, 3 et 4.
Les réceptivités dcy et Cp sont des capteurs. dcy est probablement un capteur de début de cycle ou de présence de tôle, et Cp un capteur de position.
Les actions associées aux étapes ne sont pas explicitement données mais sont implicites par le contexte de "passage de la tôle".
GRAFCET à compléter :
(1)
|
| dcy
v
(2)
|
| Cp
v
(3)
|
|
v
(4)
|
|
v
(5)
Résolution :
- Étape 1 : C'est l'étape initiale (double carré). Elle est active au démarrage.
- Transition 1-2 : La réceptivité est
dcy. Cela signifie que pour passer de l'étape 1 à l'étape 2, le capteurdcydoit être activé (par exemple, tôle détectée au début du passage). - Étape 2 : Une fois
dcyvrai, l'étape 2 devient active. - Transition 2-3 : La réceptivité est
Cp. Pour passer de l'étape 2 à l'étape 3, le capteurCpdoit être activé (par exemple, tôle en position pour le profilage). - Étape 3 : Une fois
Cpvrai, l'étape 3 devient active. C'est dans cette étape que l'action principale de profilage ou d'entraînement de la tôle se déroule. - Transition 3-4 : La réceptivité est
ce. C'est un capteur de fin de cycle ou de fin de tôle. - Étape 4 : Une fois
cevrai, l'étape 4 devient active. - Transition 4-5 : La réceptivité est
dcy.Cp. C'est une condition pour revenir à l'étape 1 ou continuer le cycle.
Le GRAFCET complété (extrait de la correction officielle) est le suivant :
Note : Les réceptivités dcy, Cp, ce sont des capteurs. La réceptivité dcy.Cp est une condition logique (ET logique) entre les deux capteurs.
Équations d'activation et de désactivation (extrait de la correction officielle) :
| Étapes | Équation d’activation | Équation de désactivation |
|---|---|---|
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
- représente l'état actif de l'étape .
- L'équation d'activation d'une étape est : .
- L'équation de désactivation d'une étape est : .
Équation de sortie (extrait de la correction officielle) :
Pour le moteur ME d'entraînement de la tôle sur la profileuse :
- Cela signifie que le moteur ME est actif uniquement lorsque l'étape 3 est active. C'est une action continue associée à l'étape 3.
La méthode
Pour modéliser un fonctionnement séquentiel par un GRAFCET et en déduire les équations :
-
Identifier les étapes clés (états stables) :
- Lis attentivement le cahier des charges ou la description du fonctionnement.
- Découpe le processus en phases distinctes où des actions sont réalisées. Chaque phase correspond à une étape.
- Identifie l'étape initiale (double carré).
-
Définir les actions associées à chaque étape :
- Pour chaque étape, liste les actions que le système doit effectuer lorsqu'il est dans cet état.
- Place ces actions dans un rectangle relié à l'étape.
-
Identifier les transitions et leurs réceptivités :
- Détermine les conditions qui permettent de passer d'une étape à la suivante. Ces conditions sont les réceptivités.
- Les réceptivités sont souvent liées à des capteurs (fin de course, présence, niveau), des temporisations, ou des actions de l'opérateur (bouton poussoir).
-
Représenter les structures d'évolution :
- Séquence linéaire : Si les étapes se suivent sans choix.
- Divergence/Convergence en OU (aiguillage) : Si le système doit choisir une seule voie parmi plusieurs. Utilise une ligne simple. Assure-toi que les réceptivités sont mutuellement exclusives.
- Divergence/Convergence en ET (parallélisme) : Si plusieurs actions doivent se dérouler simultanément et indépendamment. Utilise une ligne double.
-
Appliquer les 5 règles d'évolution :
- Vérifie que ton GRAFCET respecte les règles, notamment le franchissement des transitions et l'activation/désactivation des étapes.
-
Distinguer les points de vue (Système/PO/PC) :
- Adapte le niveau de détail des actions et réceptivités en fonction du point de vue demandé. Pour le Bac, le point de vue PO est le plus fréquent.
-
Déduire les équations logiques (si demandé) :
- Équation d'activation d'une étape : .
- Équation de désactivation d'une étape : .
- Équation de sortie d'une action : (si l'action est réalisée dans les étapes ). Si l'action est conditionnelle, .
Pièges classiques
- Oubli de l'étape initiale (double carré) : L'étape initiale est cruciale pour le démarrage du cycle. Un simple carré est une erreur.
- Réceptivités non mutuellement exclusives dans un OU : Dans une divergence en OU, si plusieurs réceptivités sont vraies simultanément, le comportement du système est indéfini. Il faut s'assurer que .
- Non-respect des règles d'évolution : Par exemple, une transition franchie sans désactiver l'étape précédente, ou une étape activée sans que la transition précédente soit validée et sa réceptivité vraie.
- Confondre divergence/convergence en OU et en ET :
- OU (ligne simple) = choix d'une seule branche.
- ET (ligne double) = activation/attente de toutes les branches.
- Mauvaise interprétation des points de vue : Utiliser des actions trop détaillées (PC) pour un GRAFCET PO, ou trop générales (S) pour un GRAFCET PO.
- Erreurs dans les équations logiques :
- Oublier le terme (étape active) dans l'équation de désactivation.
- Confondre ET () et OU () logique.
Contre-exemple pour les réceptivités non exclusives (divergence en OU) :
Si tu as :
\begin{array}{|c|} \hline \text{2} \\ \hline \end{array} \xrightarrow{\text{R}} \begin{array}{c} \text{---} \\ \xrightarrow{\text{Capteur_A}} \begin{array}{|c|} \hline \text{3} \\ \hline \end{array} \\ \xrightarrow{\text{Capteur_B}} \begin{array}{|c|} \hline \text{4} \\ \hline \end{array} \end{array}Si Capteur_A et Capteur_B sont tous les deux vrais en même temps, le système ne sait pas quelle branche choisir. Il faut ajouter des conditions pour les rendre exclusives, par exemple :
Ou si Capteur_A est prioritaire :
Ce qui tombe à l'examen
Le GRAFCET est un élément récurrent dans la partie "Automatique & systèmes asservis" et "Analyse fonctionnelle & structurelle" des épreuves de Sciences de l'Ingénieur. Il est souvent intégré dans l'étude d'un système pluritechnologique.
Les formats de questions typiques sont :
-
Compléter un GRAFCET partiel : On te donne un GRAFCET avec des étapes, transitions ou réceptivités manquantes. Tu dois les déduire du fonctionnement décrit dans le dossier technique. (Pondération : ~1 à 2 points).
- Exemple (2023, DREP Tâche 1.3.b) : "Compléter le grafcet du point de vue partie opérative." (1,5 pt)

- Exemple (2023, DREP Tâche 1.3.b) : "Compléter le grafcet du point de vue partie opérative." (1,5 pt)
-
Identifier les éléments d'un GRAFCET : Nommer les étapes, actions, transitions, réceptivités.
- Exemple (2019, DREP Tâche 1.2.a) : "Compléter le grafcet de point de vue partie commande." (5,5 pts)
-
Déduire les équations d'activation/désactivation des étapes : À partir d'un GRAFCET donné, tu dois écrire les équations logiques qui gèrent l'activation et la désactivation de chaque étape. (Pondération : ~1 à 2 points).
- Exemple (2023, DREP Tâche 1.3.c) : "Les équations d'activation et de désactivation des étapes 2, 3 et 4." (1,5 pt)
- Exemple (2018, DREP Tâche 1.3.b) : "Le tableau des équations d’activation et de désactivation des étapes." (1,5 pt)
-
Déduire les équations de sortie des actionneurs : À partir du GRAFCET, tu dois écrire l'équation logique qui commande un actionneur (moteur, vérin, voyant, etc.). (Pondération : ~0,5 à 1 point).
- Exemple (2023, DREP Tâche 1.3.d) : "L’équation de sortie du moteur ME, d'entraînement de la tôle sur la profileuse." (1 pt)
- Exemple (2022, DREP Tâche 1.3.b.3) : "Donner l'équation de sortie du Moteur KM." (1 pt)
-
Analyser l'évolution du système : Décrire l'état des étapes actives à un instant donné ou suite à un événement.
-
Représenter un programme en langage Ladder (pour API) : Parfois, il est demandé de traduire une partie du GRAFCET en langage Ladder, surtout pour la partie commande (PC). Cela implique de connaître la correspondance entre les étapes/transitions du GRAFCET et les contacts/bobines du Ladder.
- Exemple (2019, DREP Tâche 1.2.c) : "Compléter le programme en langage Ladder, relatif au module Zelio, de l’opération de soudure du film en plastique de l’étape 5 à l’étape 7 (c’est-à-dire de M5 à M7)." (1,5 pt)
- Exemple (2018, DREP Tâche 1.3.c) : "Le programme en langage LADDER de la bobine KM2." (1,5 pt)
Le poids de ce chapitre à l'examen est d'environ 0.2, ce qui signifie qu'il représente une part significative des points (souvent 2 à 4 points sur 20). La maîtrise du GRAFCET est donc essentielle pour réussir l'épreuve de Sciences de l'Ingénieur.



