Industrie 4.0 – De la vision à la réalité

Réalité Mixte dans des concepts de commande intelligents. (Photo : OPTIMA packaging group GmbH) / Réalité Mixte dans des concepts d'exploitation intelligents. (Photo : OPTIMA packaging group GmbH)

La surveillance de l'état fournit des informations sur des machines individuelles ou des lignes complètes en temps réel. Sur la base de limites d'alerte et de défaillance prédéfinies, il est possible de détecter et de corriger les écarts dès leur apparition. (Photo : Bosch Packaging Technology) / La surveillance de l'état fournit des informations sur les machines individuelles ou les lignes complètes en temps réel. Sur la base de limites d'alarme et de défaillance prédéfinies, il est possible de détecter et d'éliminer les écarts rapidement. (Photo : Bosch Packaging Technology)

La transformation numérique vers des environnements de production connectés dans le sens de l'industrie 4.0 (I4.0) ou de l'Internet des objets (Internet of Things, IoT) prend de plus en plus d'ampleur. De nombreuses applications dans les domaines de la surveillance des produits et des processus, de la technique d'identification, de l'emballage, de la logistique ainsi que de la maintenance et de la réparation démontrent déjà aujourd'hui le potentiel d'optimisation que recèle cette transition vers l'Internet des objets.

Il s'agit de capteurs, de puces RFID (Radio Frequency Identification), d'appareils, de machines et d'installations. Ceux-ci ne devront plus à l'avenir fournir de manière autonome des informations en continu sur tous les états importants des processus et des systèmes, mais aussi communiquer entre eux via Internet et intervenir de manière corrective et optimisante dans les flux de production sans intervention humaine. La base de cette communication via Internet est le protocole Internet (IP) avec ses adresses IP clairement identifiables. L'ancien protocole Internet IPv4 ne pouvait cependant fournir qu'un espace d'adresses d'environ 4,3 milliards d'adresses IP – et celles-ci étaient déjà toutes attribuées dès le début de 2012 – aux PC, ordinateurs portables, tablettes et téléphones mobiles. C'est pourquoi le nouveau standard IPv6 a été développé, couvrant un espace d'adresses de 3,4 x 10^38 adresses IP. La pénurie d'adresses n'est donc plus à craindre. La transition vers IPv6 est encore en cours. Les défis sont donc moins liés aux objets eux-mêmes et à leurs adresses qu'à l'afflux de données qu'ils génèrent, lorsque des milliards de capteurs envoient chacun des milliers de données par seconde à un ordinateur central. Ces données doivent être analysées en temps réel pour des visualisations et des simulations, et stockées à des fins de documentation (traçabilité).

Dans l'Internet des objets, il s'agit donc principalement de données. Plus précisément – des informations extraites de ces données. Et c'est le domaine des logiciels et des algorithmes. Ce qui peut déjà être réalisé aujourd'hui constitue une raison suffisante pour activer activement la transformation. Les exemples suivants montrent des applications qui s'avèrent déjà rentables à court terme.

Changement de paradigme dans la maintenance

Les dommages aux roulements, transmissions, pompes ou équipements de remplissage et de dosage n'apparaissent pas soudainement dans la réalité, mais annoncent leur arrivée longtemps à l'avance par des vibrations inhabituelles, des écarts de température ou des variations de consommation électrique, une chute de pression, etc. Ces écarts détectés par des capteurs dans le cadre du monitoring conditionnel peuvent aujourd'hui être analysés en temps réel grâce à des programmes d'analyse et de simulation très complexes, visualisés et intégrés dans des contextes procéduraux. Sur la base de ces informations, les responsables des machines et des installations peuvent intervenir de manière ciblée, mais surtout à distance, dans les systèmes via la télécommande. Par exemple, pour maintenir les installations dans leur zone optimale, effectuer des modifications de programme ou déployer de nouveaux programmes de commande et d'application. De plus, grâce aux résultats de la simulation, il est possible de faire des prévisions précises sur la durée de vie restante des pièces critiques, ce qui ouvre de nouvelles perspectives pour la maintenance.

On s'éloigne ainsi de la maintenance réactive et préventive, avec leurs intervalles de remplacement périodiques, pour passer à une maintenance prédictive, c'est-à-dire à des interventions planifiées avec précision. Les avantages sont une meilleure disponibilité des machines et des installations, un risque de panne nettement réduit, une sécurité accrue en exploitation et en production, ainsi que des coûts de maintenance considérablement inférieurs.

La maintenance prédictive constitue en outre un élément clé en matière de durabilité. Lors du remplacement périodique de composants, on était toujours en sécurité, mais on gaspillaient une durée de vie restante précieuse de composants coûteux, faute de données comportementales précises. Aujourd'hui, la connaissance du comportement des matériaux, des sollicitations en charge variable, etc., a considérablement progressé par rapport à il y a 10 ou même 20 ans. Un autre aspect est la puissance de calcul nettement accrue disponible aujourd'hui, ainsi que des programmes d'analyse, de méthode des éléments finis (FEM) et de simulation plus intelligents. Cela permet de déterminer et de prévoir avec une grande précision les durées de vie restantes attendues, et c'est cette connaissance qui profite à la maintenance prédictive.

Discuter avec des machines

La capacité croissante, la flexibilité et l'intelligence des machines et des installations conduisent à des systèmes de plus en plus complexes, ce qui impose des exigences très élevées pour le développement de concepts de commande pour les interfaces homme-machine (HMI, Human Machine Interface). Sur le plan matériel, les HMI sont des appareils avec des écrans tactiles, comme la plupart des gens en connaissent grâce à leurs smartphones ou tablettes. Cela permet de s'appuyer sur des connaissances familières lors de l'apprentissage de la manipulation des machines et des installations, ce qui motive et réduit considérablement le temps d'apprentissage.

Un aspect central dans le développement des interfaces utilisateur est que les machines doivent de plus en plus être utilisables en toute sécurité par des personnes sans formation spécifique ou avec des connaissances linguistiques souvent insuffisantes. Pour éviter les erreurs de manipulation, les développeurs privilégient donc des éléments graphiques intuitifs plutôt que le langage. Les représentations en 3D photoréalistes des machines, des installations et des composants deviennent également de plus en plus courantes. De plus, une HMI doit répondre aux exigences de différents utilisateurs, en fonction de leurs qualifications et de leurs droits. Les conducteurs de machines voient ainsi des interfaces différentes de celles des chefs d'équipe, des réparateurs ou des responsables de production. Chaque utilisateur ne voit que les données correspondant à sa tâche et pertinentes pour lui dans la situation donnée. Les informations sont également limitées à l'essentiel, ce qui garantit une présentation claire et une vue immédiate sur les principaux indicateurs de machine et les données de production.

La mobilité et la continuité sont d'autres caractéristiques des HMI modernes. La tendance va vers des appareils mobiles permettant de contrôler et de commander les machines et installations à distance, en fonction des droits de l'utilisateur. Cela permet surtout d'économiser du temps et des coûts de déplacement dans le domaine du service et de la maintenance.

Travailler dans des mondes virtuels

Peu de sujets suscitent autant de réactions dans le contexte de l'Internet des objets que le jumeau virtuel ou numérique. Ses bases techniques sont des programmes puissants de CAO 3D, de simulation et d'analyse, ainsi que des copies virtuelles à l'échelle 1:1 de programmes de commande réels de machines et d'installations. En s'appuyant sur de tels outils logiciels, il modélise l'ensemble du processus de production, y compris les composants, les machines, les installations et leurs commandes, sous forme de modèle virtuel – avec toutes les données physiques nécessaires aux simulations. Il offre également la possibilité de programmation hors ligne. Tout cela fait du jumeau virtuel un outil universel pour les développeurs, exploitants et réparateurs.

Grâce à des simulations proches de la réalité, il est possible dès la phase de développement de repérer et de corriger les erreurs de conception ou les faiblesses sans même fabriquer une pièce réelle au préalable. Cela concerne également la programmation et l'optimisation des commandes.

Une des applications principales est la mise en service virtuelle. Il ne s'agit pas seulement d'une phase de test virtuelle, mais aussi d'une étape pour familiariser les employés responsables de l'installation avec les particularités et les possibilités du système. En d'autres termes : le jumeau numérique est le simulateur de vol pour les processus industriels, les machines et les installations. La prévisualisation virtuelle de la mise en service réelle porte ses fruits à plusieurs niveaux. Si des erreurs subsistent dans le système ou dans le concept de commande, elles peuvent être corrigées à l'avance, sans endommager les composants réels. La programmation hors ligne permet également aux planificateurs de production de réaliser virtuellement des modifications en cours d'exploitation, d'en évaluer les effets sur les temps de cycle ou de tester différents modes de fonctionnement. L'aspect le plus important est que le jumeau virtuel rassemble le savoir-faire de nombreux spécialistes, qui pourra ensuite être réutilisé dans d'autres projets.

En résumé, les constructeurs d'installations et les utilisateurs peuvent réduire significativement la durée des projets, accélérer la mise en service et réaliser des gains d'efficacité importants lors du développement d'installations et de processus similaires, grâce à des simulations sophistiquées. Cela permet d'économiser non seulement du temps, mais aussi des ressources, de l'énergie et de la main-d'œuvre.

Des interfaces standardisées sont indispensables

La standardisation reste un défi majeur, car la majorité des fabricants de machines disposent encore de leurs propres interfaces. Cependant, l'intégration est la caractéristique essentielle de l'Internet des objets. Et cette intégration nécessite surtout une fluidité dans l'échange de données et d'informations entre machines – verticalement comme horizontalement. Et cela impose des protocoles standard ouverts. La tendance va donc vers des solutions open source, qui, en tant que systèmes non propriétaires, offrent une grande sécurité d'investissement et une indépendance. Un exemple en est l'architecture unifiée OPC (OPC UA), un ensemble de spécifications pour la connexion de machines de différents fabricants. La sécurité est assurée par l'authentification, l'autorisation, le chiffrement et l'intégrité des données.

Grâce à cela, OPC UA est idéal pour un transport sécurisé, fiable et neutre vis-à-vis des fabricants, des données brutes et des informations prétraitées depuis le niveau de production vers des systèmes de planification de la production ou ERP supérieurs.

Les anciennes installations peuvent aussi devenir 4.0

De nombreuses machines, installations, moteurs et compresseurs plus anciens ne sont pas équipés de la technologie de capteurs et de communication nécessaire pour l'industrie 4.0 – parfois même pas pour fonctionner dans des systèmes connectés. Mais cela ne signifie pas que ces installations deviennent obsolètes face à la transformation numérique. On peut, en tant que solution d'entrée dans l'industrie 4.0, ajouter des capteurs intelligents. Ceux-ci mesurent régulièrement des paramètres d'état importants des machines et des installations et transmettent les données sans fil via une interface de communication intégrée à l'évaluation sur les HMI ou les smartphones ou tablettes des employés. Avec ces méthodes simples, les entreprises peuvent entrer à moindre coût dans le monde de l'industrie 4.0 et profiter de temps d'arrêt réduits, de durées de fonctionnement prolongées, de consommation d'énergie moindre, etc.

Pour l'Interpack 2017, la Fédération spécialisée des machines alimentaires et d'emballage du VDMA organise une exposition spéciale sur le thème de l'industrie 4.0. Elle présente, sous forme de lounge technologique au stand du VDMA, des exemples d'applications de solutions dans le domaine des machines d'emballage ou de la technologie des procédés, offrant de nouvelles possibilités dans les domaines de la sécurité, de la traçabilité, de la protection contre la copie ou le plagiat, et des emballages individualisés.