Guía Gemma - Proyecto de automatización

Implementación programada de La GUÍA GEMMA basada en GRAFCET a un equipo mecatrónico didáctico Duque Jovanny * *

Video

https://youtu.be/GdB79NOt4CI

ITSA - Instituto Tecnológico de Soledad Atlántico - Colombia

http://www.youtube.com/c/JovannyDuque?sub_confirmation=1_ https://mecatronica-itsa.blogspot.com/ https://www.mecatrónica.com.co/  Abstract — The project involves the designing of a teaching system that recreates the process of fabrication of an electropneumatic-press and its control panel, in order to implement in it, the greatest possible number of modes or states from the operational part (OP), to achieve this was necessary follow a series of steps that lead to structured design of automation systems, implementing the GEMMA Guide with GRAFCET, a powerful graphical programming language of PLCs. The device finally built and programmed delivery to the human operator the government of the process, the ability to act against possible contingencies and to introduce decisions in the control part (PM) of the device at any time through the safety module and the start and stop modes. This is possible by designing a control panel that embraces the guidelines of the GEDIS guide, and includes the possible human decisions with the modes of the guide GEMMA. The systematic use of the GEMMA guide in the project, as general methodology for the design of automated systems, allowed cover aspects of supervision and control of electromechanical sequential processes through a modular structure since the same stage of planning.

Palabras clave: GRAFCET/SFC (State -Transition Graph / Secuential Flow Chart), Guía GEMMA (Guide d'Étude des Modes de Marches et Arrêts), HMI - (Human Machine Interface).

Este proyecto ha sido desarrollado con recursos propios con el fin de servir como requisito de ascenso en el escalafón docente del ITSA, desde la categoría docente asistente a la de docente asociado, exigido por el estatuto docente en su Artículo 48, Parágrafo 1.así: “Para acceder a la Categoría de Docente Asociado se requiere además, la elaboración y sustentación ante pares de un (1) trabajo que constituya un aporte significativo a la docencia, a las ciencias, a las artes o a las humanidades; debe tratarse de un trabajo diferente de tesis o trabajos requeridos para la obtención de títulos”.

I. INTRODUCCIÓN la práctica corriente de estudio de máquinas Enautomatizadas, no se aborda metódicamente la selección de los modos de marchas y paradas, situación que suele causar largas y costosas modificaciones de la máquina después de su realización. El proyecto se diseñó en su Parte Operativa (PO) para representar una prensa electroneumática provista de un Tablero de mando que permita desde la Parte de Mando (PM), implementar la gran mayoría de los estados de la Guía GEMMA, ofreciendo al operario las funciones de automatización, visualización y supervisión. Superando las prestaciones de los actuales Sistemas Modulares de Producción (MPS), cuyo pupitre de control es limitado. El equipo permite validar desde la académica, las herramientas de modelado GRAFCET y Guía GEMMA, creando una base conceptual clara para aplicaciones industriales.

La revisión bibliográfica de textos y de artículos científicos que abordarán aspectos de la implementación de la Guía GEMMA hizo parte importante del método de investigación aplicado en el proyecto. Cabe destacar los trabajos realizados por (Ponsa, P; Vilanova, R. 2007) [1], de Piedrahita, R. (2004) [2], así como García, E. Morant, F., Salt J. con su trabajo [3] entre muchos otros.

El equipo resultado de esta investigación representa un sistema mecatrónico portátil y un aporte a la docencia con capacidad para desarrollar gran cantidad de estados de la guía GEMMA, superando en usabilidad y supervisión a sus similares MPS, ofrecidos por empresas multinacionales de la Automatización.

El GRAFCET no sólo es útil como herramienta de diseño, sino también en la fase de explotación y mantenimiento, por su propiedad gráfica de indicar en cada instante la operación en la que se encuentra la (PO).

Fig. N°1

Modelo del equipo Mecatrónico

Como elemento innovador el equipo cuenta con la guía GEMMA impresa adyacente al panel de control, equipada con LED´s indicadores del estado en el que se encuentra la PO, convirtiéndose en un elemento ideal de ayuda a la monitorización del proceso por parte del operario.

Se presentan suficientes antecedentes sobre GRAFCET y GEMMA, las herramientas de modelado usadas en el proyecto, para el diseño jerárquico del sistema automatizado.

1) ELEMENTOS DEL GRAFCET La figura N°2 muestra un ejemplo que contiene los elementos básicos del Grafcet y constituyen los símbolos a partir de los cuales se dibuja el gráfico funcional. El GRAFCET se compone de etapas interconectadas con transiciones. Las etapas representan a los estados del GRAFCET y se representan por un cuadrado con un número en su interior que la identifica. La situación dinámica en un instante dado se simboliza con un punto dentro de la etapa para indicar la etapa está activa actualmente. Las etapas dibujadas con recuadros dobles se llaman etapas iniciales, son aquellas en que se posiciona el sistema al iniciarse el proceso por primera vez. Asociadas a cada etapa están una serie de acciones a realizar. La sintaxis del gráfico debe ser tal que al recorrer el programa, por cualquier camino posible, deben alternarse siempre una etapa y una única transición.

A. GRAFCET El GRAFCET es un potente lenguaje gráfico de programación para autómatas, evolucionado a partir de las redes de Petri, que permite representar los sistemas secuenciales de eventos discretos. Nació en el año 1977 como resultado de las investigaciones hechas por la AFCET (Association Française pour la Cybernétique Economique et Technique), en 1982 se crea la norma francesa UTE NFC 03190 (Diagramme fonctionnel "GRAFCET" pour la description des systèmes logiques de commande) y en el año 1988, el GRAFCET es reconocido por una norma internacional, la IEC-848 (Preparation of function charts for control systems). [4] El GRAFCET o diagramas de función secuencial (SFC), se ha convertido en una herramienta estándar de la industria para la programación de PLC´s, Al ser una especialización de las Redes de Petri, los métodos para el análisis de la mismas pueden aplicarse al GRAFCET [DavidandAlla, 1992].

El GRAFCET es idóneo para proyectar sistemas secuenciales de automatización, la denominación de sistema secuencial se debe precisamente a que el valor de las salidas depende de las variables de entrada y del propio estado en el que se encuentre previamente el sistema. Si tenemos en cuenta que cualquier estado puede ser tomado como estado inicial, se desprende que el sistema ha de ser capaz de memorizar todos y cada uno de los estados posibles. Dichos estados se memorizan mediante variables internas denominadas variables de estado (Bit de Etapa).

Los números de las etapas nada indican respecto a su orden de ejecución, sino que simplemente tienen carácter de identificación. Como consecuencia, pueden numerarse las etapas de la forma que se desee, sin que ello tenga ningún significado desde el punto de vista funcional, con la precaución de no asignar un mismo número a dos etapas diferentes, lo cual no es permitido.

Las etapas están conectadas a través de transiciones, cada transición contiene una condición lógica llamada receptividad. Esta condición es evaluada en cada ciclo del PLC y en caso de ser verdadera, habilita la finalización de la actividad de la etapa o etapas anteriores y se inicie simultáneamente la de la etapa o etapas inmediatamente consecutivas. [5] 2) REGLAS DE EVOLUCIÓN DEL GRAFCET Estas reglas permiten definir e interpretar de forma unívoca el comportamiento dinámico del sistema.

- Cada etapa tiene un bit interno en el PLC asociado del tipo % Xi. - Se distinguen dos posibles estados de una etapa: activa o inactiva. Una etapa está activa cuando el estado de su bit asociado (% Xi) vale 1 e inactiva cuando vale 0.

- Durante un arranque en frio se inicializa proceso automático sin guardar memoria de ninguna situación anterior. Después de un arranque en frío se activan todas las etapas iniciales y quedan inactivas todas las demás.

- Durante la evolución normal del proceso. una etapa no inicial se activará sólo cuando esté activada la etapa o etapas anteriores (transición validada) y se cumpla la

receptividad entre ambas (transición flanqueable). El flanqueo de una transición validada implica simultaneidad de dos eventos, la activación de las etapas aguas debajo de la transición y la desactivación de las etapas precedentes.

puntos de convergencia en «O». Dicho de otra forma, la estructura debe ser globalmente cerrada y no pueden existir caminos abiertos, ya que esto denotaría situaciones sin posible salida.

Divergencia y convergencia en <<Y>>

3) ESTRUCTURAS BÁSICAS DEL GRAFCET Las tres estructuras básicas en GRAFCET, de las que pueden derivarse todas las demás, son: - Secuencia lineal - Divergencia y convergencia en <<O>> (subprocesos alternativos).

- Divergencia y convergencia en <<Y>> (subprocesos simultáneos).

Sin importar la complejidad del sistema secuencial, este puede ser bosquejado como una combinación de las estructuras básicas.

- Secuencia lineal consiste en una sucesión de etapas unidas consecutivamente por las líneas de evolución y condiciones de transición.

Las propiedades que cumple dicha estructura son las siguientes: - Dentro de un tramo de secuencia lineal, solamente una etapa debe estar activa en un instante determinado.

- Se activa una etapa cuando se encuentre activada la anterior y se cumplan las condiciones de transición entre ambas.

- La activación de una etapa implica automáticamente la desactivación de la etapa anterior.

Divergencia y convergencia en <<O>> Una estructura de bifurcación <<O>> se caracteriza por los siguientes elementos: - Una divergencia en «O», en la que se inician varios caminos o subprocesos alternativos posibles.

- Una serie de caminos alternativos con una macroestructura lineal, aunque pueden contener otras estructuras más complejas.

- Una o más confluencias en «O» de dichos caminos alternativos, de tal forma que la macroestructura debe ser globalmente cerrada.

Las propiedades básicas que cumple la estructura de bifurcación en «o» son las siguientes: - A partir del punto de divergencia el proceso podrá evolucionar por distintos caminos alternativos, cada uno de los cuales debe tener su propia condición de transición mutuamente excluyente, tal que en ningún caso puedan registrarse al tiempo como verdaderas dos condiciones de la transición.

- A nivel de gráfico global, los distintos caminos iniciados como divergencia en «O» deben confluir en uno o más

Una estructura de bifurcación <<Y>> se caracteriza por los siguientes elementos: - Una divergencia en «Y» en la que se inician varios caminos o subprocesos que deben iniciarse simultáneamente cuando se cumpla una terminada condición de transición común.

- Una serie de caminos simultáneos con una macroestructura lineal, aunque pueden contener otras estructuras más complejas.

- Una o más confluencias en «Y» de dichos caminos, de manera que la macroestructura debe ser globalmente cerrada.

Esta estructura se prevé para representar procesos que se inician simultáneamente, se ejecutan de forma independiente con distintos tiempos y condicionan la continuación del proceso en tanto no hayan terminado todos ellos.

Las propiedades que cumplen las convergencias divergencias en <<Y>>son las siguientes: - A

y

partir del punto de divergencia el proceso evolucionará por varios caminos a la vez, ejecutando varias tareas simultáneamente.

- La condición de transición para iniciar las tareas simultáneas es única y común para todas ellas.

- A nivel de gráfico global, los distintos caminos iniciados como divergencia en <<Y>> deben confluir en uno o más puntos de convergencia en <<Y>>. Dicho de otra forma, la estructura debe ser globalmente cerrada y no pueden existir caminos abiertos, ya que esto denotaría situaciones sin posible salida. [6]

emergencia en previsión de posibles daños humanos o materiales. [7] La guía GEMMA considera una elevada cantidad de situaciones posibles con las que nos podemos encontrar cuando queremos automatizar una máquina o proceso. Es en este sentido que debemos ver la GEMMA como una guía de aplicación y no como una exigencia en que deben entrar en consideración todos los casos posibles. Es imposible concebir todas las situaciones posibles de una sola vez, y, además plasmarlas de forma correcta en los correspondientes GRAFCET´s. No obstante, como veremos, la aplicación es sumamente sencilla si se aplica de forma incremental.

1) CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE LA GUÍA GEMMA - Concepto nº1 - Partes de un sistema Automatizado

Fig. N° 2

Elementos y estructuras del GRAFCET

B. LA GUIA GEMMA La guía GEMMA, es producto de la investigación desarrollada durante dos años por la Agencia Nacional Francesa para el Desarrollo de la Producción Aplicada a la Industria (ADEPA, 1981). Desde su creación, se concibió de obligatorio cumplimiento en la Comunidad Europea (CE), entrando en armonía con las normas de seguridad Industrial (UTE C 03-191).

La guía GEMMA es una representación gráfica que describe de forma simple, todos los posibles modos o estados en los que puede estar la Parte de Mando de la máquina (PM), así como sus posibles evoluciones de un estado a otro. Su implementación incluye los estados de funcionamiento correcto del proceso automatizado, tanto en manual, automático o test (Grupo F), el funcionamiento en estado de defecto o deteriorado ante anomalías o fallos (Grupo D), los procedimientos de paro o parada solicitada (Grupo A), sin dejar de mencionar, los procesos de rearme, puesta en marcha de la máquina y el tratamiento de situaciones de

 Un sistema automatizado se divide en Parte Operativa (PO) y Parte de Mando (PM).  Donde PO serán aquellos órganos de campo, motores, cilindros neumáticos, incluidos sus amplificadores de señal, sean contactores, variadores de frecuencia en su parte de potencia, sondas PT100 y sus amplificadores, finales de carrera, detectores, etc...  Donde PM serán PLC, procesadores dedicados, lógica cableada, PC's en control distribuido, secuenciadores neumáticos.La PM puede estar ENERGIZADA o NO ENERGIZADA. (Alimentada o no Alimentada)  Una zona menor, a la izquierda, corresponde al estado no alimentado de la parte de mando. En esta zona aparece el rectángulo-estado PZ. - Concepto nº 2 El criterio "Producción" Un sistema industrial automatizado está concebido fundamentalmente para la producción. Es una zona donde se ubicaran los rectángulos-estados, que son productivos directa o parcialmente. Se representa con un rectángulo zonal de doble trazo discontinuo.

- Concepto nº 3 - Familias de Modos Se definen tres familias de modos que se representan por tres rectángulos zonales de fondo sombreado. En ellos se ubican los rectángulos - estados propios de cada familia. Nótese que Funcionamiento, no quiere decir Productivo. Los rectángulos - estados de las familias están reagrupados por la intersección del rectángulo - zonal PRODUCCIÓN. - (F) PROCEDIMIENTOS DE FUNCIONAMIENTO - (A) PROCEDIMIENTOS DE PARADA - (D) PROCEDIMIENTOS DE FALLO

Cada modo de marcha está representado gráficamente por un RECTANGULO-ESTADO, cada rectángulo está situado en su zona conceptual del gráfico, por ejemplo, el rectángulo estado F1 está situado dentro del espacio de los conceptos, PM energizada, familia F, área PRODUCCIÓN.

Fig. N° 3

La Guía GEMMA

2) F- PROCEDIMIENTOS DE FUNCIONAMIENTO O MARCHA Este grupo contiene todos los modos de funcionamiento necesarios para la obtención de la producción; es decir los de funcionamiento normal (F1 a F3) y los de prueba y verificación (F4 a F6).

- F1 - Producción normal: Estado en que la máquina produce normalmente, su rectángulo se representa en trazo grueso, a menudo corresponde al denominado GRAFCET DE BASE. - F2 - Marcha de preparación: Este estado es necesario para aquellas máquinas que requieren de una preparación previa a la producción normal F1. Estas pueden ser precalentamientos de moldes, de útiles, llenado de la máquina de varias estaciones, o puestas en marcha, diversas.

- F3 - Marcha de cierre: Este es el estado necesario para ciertas máquinas que deben ser vaciadas, limpiadas, etc., al final de la jornada o al final de serie.

- F4 - Marcha de verificación en el desorden: Este estado permite verificar ciertas funciones, sin respetar el orden del ciclo de máquina.

- F5 - Marcha de verificación en el orden: En este estado, el ciclo de producción puede ser ejecutado al ritmo que se requiera para su verificación, la máquina podrá producir o no producir.

- F6 - Marcha de test: En máquinas de control, de medida, llevan dispositivos que deben ser ajustados o contrastados, esto requerirá operaciones propias de facilitar estos ajustes o contrastes.

3) A- PROCEDIMIENTOS DE PARADA Este grupo contiene todos los modos en los que el sistema está parado (A1 y A4), los que llevan a la parada del sistema (A2 y A3) y los que permiten pasar el sistema de un estado de efecto a un estado de parada (A5 a A7). Corresponden a todas las paradas por causas externas al proceso.

- A1 - Parada en el estado inicial: Es el estado de "reposo" de la máquina, y corresponde a la situación inicial del GRAFCET. Corresponde a la representación mecánica de la máquina (representación descriptiva).

- A2 - Parada solicitada al fin de ciclo: Cuando la parada es solicitada, la máquina continúa hasta fin de ciclo. Es un estado de tránsito hacia A1.

- A3 - Parada solicitada al estado determinado: La máquina continua hasta la parada en una situación distinta a la de fin de ciclo. Es un estado de tránsito hacia A4.

- A4 - Parada obtenida: La máquina está parada en una posición distinta de la inicial A1.

- A5 - Preparación para puesta en marcha después del fallo: - Se procede a las operaciones de vaciado de restos, limpiezas y recargas de productos o reengrases, para su vuelta a la marcha después del fallo, o aviso preventivo de fallo.

- A6 - Puesta de la Parte Operativa al estado inicial: La máquina estando en cualquier estado permite, manualmente o automáticamente, llevar la Parte Operativa a la situación inicial.

- A7 - Puesta de la Parte Operativa al estado determinado: La máquina permite llevar la parte operativa a la situación determinada en A4, de forma similar a A6.

4) D- PROCEDIMIENTOS DE DEFECTO O FALLO Este grupo contiene todos los modos en los que el sistema está en defecto tanto si está produciendo (D3), está parado (D1) o está en fase de diagnóstico o tratamiento del defecto (D2).

Corresponden a todas las paradas por causas internas al proceso.

- D1 - Parada de emergencia: En este estado, provocado por una parada de urgencia, no solamente prevé el paro, también los ciclos de caída, de procedimientos y precauciones a tener en cuenta para evitar las

consecuencias que causaron el paro o fallo.

- D2 - Diagnóstico y/o tratamiento de fallo: Este estado permite examinar, monitorizar, el fallo y/o prever los procedimientos manuales o automáticos para permitir el arranque.

- D3 - Producción "a pesar de defecto": También llamada, producción degradada o producción forzada. A veces es necesario continuar la producción a pesar del defecto/fallo. Será el momento de prever anulaciones parciales de la máquina que sean imprescindibles, a pesar de la baja productividad. [8] II. DESARROLLO

DEL ARTÍCULO

El diseño de sistemas de producción automatizados y complejos requiere de nuevas herramientas y metodologías como GRAFCET Y GEMMA. La aplicación sistemática de la guía GEMMA como metodología de uso genérico para el diseño de sistemas automatizados, permite cubrir los aspectos de supervisión y control de procesos secuenciales electromecánicos en general, mediante una estructura modular estructurada, teniendo previstas las posibles contingencias y su gobernabilidad desde la etapa de planeación. Entregando al operario humano la posibilidad de introducir decisiones sobre la Parte de Mando (PM) del dispositivo en cualquier momento a través del módulo de seguridad y el módulo de modos de marcha y paradas. Esto es posible al diseñar un panel de mando (físico, HMI o SCADA) que acoja los lineamientos de la guía GEDIS y que contemple las posibles decisiones humanas con los modos de la guía GEMMA. A. DISEÑO ESTRUCTURADO DE LOS SISTEMAS DE CONTROL AUTOMÁTICO En el diseño de cualquier un sistema automatizado la jerarquía entre los diversos aspectos del modelo global, viene dada por este orden: seguridad, modos de marcha y funcionamiento normal. [8] Es común realizar el diseño de dispositivos de control automático, teniendo en cuenta exclusivamente las necesidades de funcionamiento normal del automatismo, sin otras consideraciones. Sin embargo, las necesidades de altos niveles de automatización en los procesos, así como dedicación especial a tareas de seguridad, vigilancia y autodiagnóstico imponen una complejidad creciente a dichos temas, sobre todo en la fase de concepción y de realización.[9] En esta fase de diseño existen una serie de conceptos que han de ser tenidos en cuenta para obtener la máxima disponibilidad y seguridad en el funcionamiento de los sistemas automáticos. Algunos de estos conceptos dependen en ocasiones de la naturaleza misma de dichos sistemas,

pero en general existen algunos comunes a casi todos ellos.

Estos conceptos son: - La seguridad: entendida como la capacidad del sistema automatizado a minimizar la probabilidad de aparición de fallos en su funcionamiento, así como sus efectos, incorporando la posibilidad de efectuar paradas de emergencia.

- Los modos de marcha y Producción del automatismo.

Por tanto, para un análisis más adecuado y comprensión posterior del modelo global de estos sistemas, es conveniente imponer su diseño de forma estructurada teniendo en cuenta los diversos aspectos constitutivos del modelo global. La estructuración en diversos submodelos permite realizar un diseño más detallado de cada una de las tareas a atender por parte del sistema de control, al tiempo que permite y facilita su representación documentada de forma más comprensible y legible para su posterior mantenimiento.

Fig. N° 4 Jerarquía entre los diversos aspectos del modelo 1) REGLAS DE JERARQUÍA Las reglas de jerarquía se basan en la idea de diseño estructurado de sistemas y en un enfoque top-down en el que la visión global de como los GRAFCET parciales se integran entre ellos prevalece frente a un enfoque botton – up, en el que se focaliza la atención en un GRAFCET parcial concreto.

Es necesario establecer las reglas de jerarquía entre GRAFCET y su relación con las reglas de evolución convencionales.

- Regla de unidireccionalidad: Si un GRACET tiene la posibilidad de forzar a otro, este último no tiene ninguna posibilidad de forzar al primero.

- Regla de unicidad: En todo instante un GRACET solo puede ser forzado por otro.

La primera regla de jerarquía, es indiscutible y resalta el carácter unidireccional del forzado, ya que así se concibe el diseño estructurado del sistema automático. La segunda regla

refleja la simpleza de la metodología, en el sentido de que sería problemático que un GRAFCET pudiera ser forzado desde diversas fuentes; si fuera así, la representación de los GRAFCET sería compleja, y se dificultaría la intervención segura y clara ante situaciones de emergencia.

coordinación en función de lo definido en la Guía GEMMA. La metodología de estructuración por tareas plantea la integración de cada Modo en un "grafo contenedor" de secuencias de la siguiente forma:

2) FORZADO DE GRAFCET El Grafcet de Seguridad es jerárquicamente superior a los demás, su activación envía órdenes de forzado de carácter prioritario a los Grafcet de modos de marcha y de Producción, ubicándolos en sus estados iniciales e impidiendo que puedan ser ejecutados mientras está el estado D1 activo. Los grafcet de producción y de marcha solo quedarán habilitados cuando se salga de la situación de emergencia.

Las órdenes de forzado afectan la dinámica global del sistema, por tal razón, se requiere que cumplan con reglas de evolución que despeje ambigüedades o interpretaciones diversas.

A. REGLA N°1. Cuando un GRAFCET parcial es forzado, debe pasar de forma inmediata y directa a la situación de forzado B. REGLA N°2. Esta regla relaciona el forzado con las reglas de evolución del GRAFCET convencional, y se divide en dos:  En cualquier cambio de situación, el forzado es prioritario frente a cualquier otra evolución.  Las reglas de evolución del GRAFCET no se aplican en los GRAFCET forzados, y se permanece en esta situación hasta que no se desactive la situación de forzado.

3) DESCRIPCIÓN DE LA METODOLOGÍA APLICADA PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE GEMMA

Fig. N° 5

Estructura de un GRAFCET Parcial

1. COORDINACIÓN VERTICAL DE GRAFCET DE MODOS DE MARCHA O CONDUCCIÓN Las etapas del Grafcet de Conducción o de Marchas corresponden a cada uno de los estados de GEMMA a implementar y los bits asociados a cada etapa en el Grafcet de Conducción desencadenan la ejecución del Grafcet´s parciales correspondientes. En otras palabras los estados a implementar de la guía GEMMA son un boceto de GRAFCET de nivel superior del cual se desprende directamente el Grafcet de Conducción o de Marchas.

Para implementar en forma programada la guía GEMMA, todo proyecto de automatización debe partir de la obtención del GRAFCET base o de producción automática (F1), que describe la tarea para el que fue concebido y posteriormente del GRAFCET de Modos de marcha o conducción. Los estados de la guía GEMMA que se van a programar, se implementaran como etapas en el de GRAFCET de Modos de marcha. Así mismo los saltos entre estados se implementarán mediante transiciones entre las etapas. [6] .

A) ESTRUCTURA DE GRAFCET PARCIALES

Fig. N° 6. El GRAFCET de Modos de Marchas se desprende directamente de la Guía GEMMA.

Es recomendable estructurar cada modo de GEMMA (A6, F4, F5, D1, etc.) en Grafcet´s parciales independientes, debido a que muchos de ellos exigen un proceso similar o de mayor complejidad que el de producción normal (F1). Cada GRAFCET parcial permite representar fácilmente una estructuración por tareas, con ciertas condiciones de

En condiciones normales de funcionamiento, el Grafcet de Conducción o de Marchas es quien domina la activación de los Grafcet parciales de producción mediante una coordinación vertical, donde una y solo una etapa debe estar activa en todo momento. El operario en su pupitre de mando cuenta con los elementos necesarios para manipular este

Grafcet, conduciendo de esta forma, el sistema a su placer, debido a que los Grafcet parciales están subordinados en su ejecución al estado en que se encuentre el Grafcet de conducción.

Fig. N° 8. Coordinación jerarquizada de la Guía GEMMA. A. COORDINACION HORIZONTAL DE GRAFCET EN EL PROTOCOLO DE SEGURIDAD Fig. N° 7. Coordinación vertical entre el GRAFCET de Conducción y los GRAFCET parciales.

Las etapas del Grafcet de conducción representan las condiciones de lanzamiento de los grafcet de nivel jerárquico inferior.

Esta forma de organizar los programas en el Autómata ofrece al programador, una visión global y a la vez detallada del estado que está ejecutando el sistema.

Realizar un diseño estructurado del sistema de control automático consiste en realizar, en la medida de lo posible, una representación separada de los diversos aspectos del modelo del sistema, tales como: el funcionamiento normal de producción, distintos modos de marchas posibles, paradas de emergencia asociadas a la seguridad, etc. Mediante la utilización de GRAFCET parciales, que, de la forma más exhaustiva posible sin perder su legibilidad, modelen cada uno de ellos el comportamiento del sistema de control. Ver fig. N°8.

La secuencia de acciones desencadenadas por el GRAFCET de seguridad es un buen ejemplo de coordinación horizontal entre GRAFCET. En el momento que el operario acciona el Paro de Emergencia, se active el estado D1, forzando los GRAFCET de conducción, de servicio y de producción a sus etapas iniciales, quedando estos inhabilitados, prevaleciendo sólo las reglas de evolución en el GRAFCET de seguridad. El estado D1 puede requerir de una secuencia de emergencia, constituida por una o más etapas, cuyas acciones están orientadas a situar al operador y al sistema mismo en las mejores condiciones posibles, para evitar o limitar las consecuencias debidas a los fallos. Sólo cuando el operario valora la gravedad de la situación y corrige los incidentes más urgentes, puede proceder a desenclavar el paro de emergencia, haciendo que GEMMA evolucione al estado A5, donde se procede a realizar las operaciones de limpieza, desbloqueos y/o reposicionamientos requeridos para el arranque después de un fallo. Estas operaciones se realizan en el GRAFCET de Rearme (A5), finalizada estas actividades, el operario puede acceder al estado (A6) o GRAFCET de inicio de la GEMMA accionando el pulsador de REARME, terminando este con la ubicación del sistema en su posición inicial correspondiente al estado (A1).

La señal que determina la finalización del GRAFCET de inicio o estado A1, concluye el GRAFCET de Seguridad, y el sistema puede volver a funcionamiento normal activando el GRAFCET de servicio.

El uso combinado entre el interruptor de Paro de Emergencia y Pulsador de Rearme

garantiza un protocolo eficaz y ordenado en situaciones de emergencia. Ver fig. N°9.

Fig. N° 10. Croquis de situación

Fig. N° 11. Diagrama Espacio - Fase

Fig. N° 9. Coordinación horizontal de GRAFCET en el protocolo de seguridad.

El GRAFCET de Servicio no corresponde a un estado de la Guía GEMMA sino a un programa auxiliar, requerido para conectar o desconectar la parte de mando (PM) del automatismo, considerando que la máquina / proceso está preparada.

B. METODOLOGÍA DE APLICADA AL PROYECTO

Fig. N° 12. Circuito Electroneumático Especificaciones para la automatización 1.

AUTOMATIZACIÓN

1) Descripción del proceso, análisis y creación de la marcha de producción normal. (GRAFCET de base, o ciclo de máquina).

El objetivo fundamental de este primer paso es la productividad de la máquina y para ello es necesario conocer a fondo el proceso, junto con la definición de las especificaciones requeridas para el control.

El proyecto a automatizar mediante la implementación de la guía GEMMA consiste en una prensa – dobladora electroneumática de láminas de metal, diseñada para que en cada ciclo de operación ejecute los movimientos descritos en el Diagrama Espacio Fase, la parte operativa o hardware está representado por el circuito electroneumático y un tablero de control para el operador.

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El sistema de control debe permitir la selección entre funcionamiento AUTOMÁTICO (Ciclo Continuo), funcionamiento CaC – Ciclo a Ciclo, funcionamiento CXN (N° de ciclos determinados), funcionamiento MANUAL en desorden, funcionamiento Manual en Orden o funcionamiento en Marcha de Test.

Antes de ejecutar alguno de los modos mencionados, el operador debe seleccionarlo con el SELECTOR DE MODO y validarlo con el pulsador START_MODO. El funcionamiento AUTOMÁTICO (Ciclo Continuo) o funcionamiento en CXN, deben quedar interrumpido (termina el ciclo actual y se detiene) por la acción del pulsador de Parada a fin de Ciclo FDC_A2, por agotamiento de PIEZAS en el depósito de gravedad o por efecto del Paro de Emergencia (PE).

El dispositivo se explora a través de un detector de PIEZA, cuando no hay piezas en el depósito de gravedad, no podrá iniciar el proceso en ningún modo, debiendo quedar la instalación en su en su posición base.

En funcionamiento AUTOMÁTICO, funcionamiento CaC, o en funcionamiento CXN el sistema debe realizar los movimientos contemplados en el diagrama Espacio – Fase y asegurar una temporización entre ciclos de 5s antes de su repetición.

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En funcionamiento CaC, el sistema debe realizar los movimientos contemplados en el diagrama Espacio – Fase una sola vez, ya que en este modo de operación se hace un llamado de parada a fin de ciclo inmediatamente después de comenzar el ciclo, sin necesidad de la actuación sobre ningún pulsador. El modo CaC debe ser con anti-repetición, de esta forma se garantiza que el operador ha de garantizar la señal (CaC y START_MODO) cada vez que ha de comenzar un ciclo.

Estando en la posición inicial (A1) el sistema puede evolucionar a un modo MANUAL donde el operador puede mover los cilindros simultáneamente en cualquier orden, haciendo uso de los pulsadores PMANUAL_A y PMANUAL_B situación de la que solo puede salir por medio de la señal POS_INICIAL quien hace que los cilindros se organicen rápidamente y tomen la posición de reposo.

Una vez accionado el botón de Paro de Emergencia (PE), se debe salirse de cualquier estado de operación en el que esté y ejecutar una secuencia de movimientos tales que asegure el retorno de todos los cilindros a la posición de partida, pero el cilindro B debe hacerlo primero y una vez asegurada esta condición retornará el cilindro A. El sistema de control permite llevar la (PO) de la máquina por los siguientes bucles.  A1-F1-A2-A1 ( Star_modo / Fdc A2 o CaC)  A1-F1-A3-A4-F1 ( Presencia de falla en el proceso)  A1-F4-A1 (Accionamiento manual de la máquina desde estado inicial)  A1-F1-F4-A1 (Accionamiento manual de la máquina desde partiendo del estado F1)  A1-F1-F5-F1 (Accionamiento semiautomático)  A1-F1-F5-F4-A1 (Accionamiento manual de la máquina desde F5)  A1-F1-F6-F1 (Marcha de Test)  A1-F1-D1-A2-A5-A6-A1 (Secuencia de Emergencia) Este bucle representa los estados sucesivos de un sistema ante parada de emergencia desde una producción normal hasta la reanudación de la posición inicial.  A1-F1-D1-A5-A7-A4 (Posicionamiento de máquina en estado determinado después de fallo).  A1-F1-D3-D2-A5-A6-A1 (Salida automática de Producción por presencia de defecto agravado)  A1-F1-D3-A2-A1 (Salida de Producción por operador ante presencia de defecto).  Desde PZ a (PROCEDIMIENTOS F-A-D) (La alimentación del PLC posiciona la PO en estado A1).  Desde los (PROCEDIMIENTOS F-A-D) a PZ (Perdida de alimentación en el PLC).

 DESDE CUALQUIER MODO a D1 (Al estado D1 puede llegarse desde cualquier estado).

Del diagrama Espacio-Fase y del circuito electroneumático se deduce el GRAFCET de Producción normal (F1).

Fig. N° 13. Ejemplo de GRAFCET base o de producción automática (F1).

2) Selección de los modos de marcha a implantar.

A partir de la revisión de las especificaciones de control se definen sobre la Guía GEMMA los modos que se utilizaran.

Por la simplicidad del proceso productivo, los únicos modos que no se contempló en la implementación del proyecto fueron el modo Marcha de reparación (F2) y el modo Marcha de cierre (F3).

Fig. N° 14. Modos de la Guía GEMMA no implementados.

3) Diseño del Panel Industrial Una vez definidos los Modos de Marcha y Paro para la

máquina, la guía GEMMA se utiliza para precisar las señales de accionamiento que componen el pupitre de mando, con las que interactúa el operario para conducir el proceso de un estado a otro.

III. CONCLUSIONES Durante el desarrollo del proyecto se expusieron los lineamientos claves para la implementación programada de la guía GEMMA, enfocada al caso específico de la automatización de una prensa didáctica electroneumática, sentando las bases de un modelo para superar gran generalidad que supone la guía GEMMA.

Fig. N°15

Pupitre de mando

El tablero de mando sigue las recomendaciones de la normatividad relacionada con el código de colores. [10] Aplicando los criterios de ergonomía en interfaces industriales, se dispone a nivel horizontal de tres niveles conceptuales sobre el panel de mando. A la izquierda se representa la situación de Servicio, en el centro, los dispositivos asociados a los Modos de Marcha y Paro convencional, y finalmente a la derecha se disponen los dispositivos asociados a la Seguridad. El paro de emergencia se ha situado abajo a la derecha para facilitar la accesibilidad sin ambigüedades. La zona superior se estableció para labores de verificación y visualización. [11] 4) Creación del Grafcet de Marchas o Conducción y de los Grafcet parciales de producción.

Se asegurará el enlace de tipo vertical u horizontal entre ellos según las reglas de jerarquía y forzado.

5) Instalación, implementación, puesta a punto y prueba.

Después de una adecuada instalación y conexión de las entradas y salidas al autómata, se recomienda probar uno a uno los bucles de proceso, desde el más sencillo hasta el de mayor complejidad, generalmente se parte por comprobar la parte operativa en modo manual, para luego seguir con la marcha en automático.

El equipo didáctico resultado de la investigación, contiene elementos únicos que lo diferencian de las propuestas actuales de (MPS´s) y lo hacen apropiado para la formación académica, en temas avanzados de automatización, por su portabilidad, ergonomía, simplicidad de la parte operativa (pupitre de mando frontal complementado con guía GEMMA y equipo electroneumático), posibilidad de monitorización y supervisión, tanto del modo-estado de operación como de la etapa en la que se encuentra la parte de mando dentro de cada tarea.

Con el uso de la guía GEMMA basada en GRAFCET, se previó todas las formas de interacción entre el operario humano y el controlador lógico programable (PLC), compartiendo entre ambas partes, las tareas de control de las operaciones, desde la idea misma del proyecto.

Al concebir la automatización del equipo basado en el cumplimiento de la guía GEMMA, fue posible ofrecer al usuario, una interfaz de mando, que le facilite la monitorización, supervisión y control del estado en que se encuentra el proceso, pudiendo este intervenir en cualquier momento en el ciclo de operaciones básicas. La metodología usada generó un control centrado en el operario, siendo el dispositivo quien se adapta a los diversos requerimientos del operador, reduciendo la posibilidad de errores.

Por su naturaleza gráfica la GEMMA y el GRAFCET fueron creados para complementarse, permitiendo una descripción progresiva del automatismo de producción, implementar GEMMA con un lenguaje distinto al GRAFCET representa un reto muy alto para las habilidades del programador.

IV. REFERENCIAS [1] P. Ponsa y R. Vilanova, “Automatización de procesos mediante guía GEMMA”, 1ª ed., Barcelona, Ed Edicións UPC, 2005.

[2] R. Piedrahita Moreno, “Ingeniería de la automatización industrial”. 2nd ed.

México: Ra-Ma, 2004. ISBN: 8478976043.

[3] E. García, F. Morant, J. Salt y A. Correcher, “Herramientas de modelado para el diseño jerárquico de sistemas de automatización industrial”, Conferencia en el Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática, Universidad Politécnica de Valencia, Valencia, nov. 2008. Disponible en http://www.ceaifac.es/

[4] ADEPA /AFCET. ”Le GRAFCET”. : Cépaduès. Second edition, Toulouse, 1995.

[5] Robert C. Kline, Jr. “Sequential function chart validation tool”, U.S. Patent 7 827 022, Nov. 2, 2010.

[6] J. Bacells, J. Romeral, “Autómatas Programables”. 1ª ed. México.

Marcombo grupo editorial, ISBN 9701502477. 1998 [7] ADEPA. Le GEMMA. ”Guide d’tude des Modes de Marches et d’Arrts”.

Rept. Montrouge: ADEPA, 1981.

[8] Curso GEMMA, traducción de informe ADEPA. Le GEMMA. “Guide d’tude des Modes de Marches et d’Arrts”. Disponible en http://olmo.pntic.mec.es/jmarti50/gemma/gemma.htm [9] E. Garcia Moreno, “Automatización de procesos industriales”. Valencia.

2nd. Ed. Alfaomega. 2000., 1999. ISBN: 9788477217596 [10] Notas Técnicas de Prevención, NTP n° 53,Equipo eléctrico de máquinasherramientas. Órganos de servicio.

Colores, En URL: http://www.mtas.es/insht/ntp (2007).

[11] P. Ponsa, R. Vilanova y M. Diaz. “An Integral Human-Machine System Framework: From Automation to Usability Engineering”, Mem. Symp. HFT Kuala Lumpur, vol. 1, pp. 316 319, 2008.

Duque Jovanny, Ingeniero mecánico, especialista en automatización industrial y mecatrónica; en Ingeniería de procesos industriales, en manipuladores y PLC´s, y en gestión eficiente de energía. Desde hace 10 años se desempeña como docente tiempo completo en la el programa de tecnología en electromecánica del (ITSA), orientando los módulos de sistemas hidráulicos y neumáticos, CAD, PLC I y PLC II entre otras. Información de contacto: Dirección - ITSA. Calle 18 N° 39-100 Soledad, Atlántico, Colombia. Correo electrónico: jduque@itsa.edu.co.