L’automatisation industrielle au 21e siècle
L’automatisation est un sujet qui a accompagné toute l’histoire de l’industrie : des débuts, avec la quête de productivité et les grandes séries standardisées pour répondre à la demande, jusqu’à la recherche d’une production ultra-personnalisée qui émerge dans certains secteurs aujourd’hui.
Chaque époque a connu ses enjeux et ses innovations sur les lignes de production : automates, robots, bus de terrain, tablettes et applications connectées. Et à chaque étape, la fabrication est un peu plus automatisée.
Le principal défi que l’automatisation doit relever au 21e siècle est, comme nous allons le voir, celui de la communication des différents équipements pour bénéficier des avantages de la digitalisation.
Qu’est-ce que l’automatisation industrielle ?
On peut définir comme relevant de l’automatisation industrielle tout projet ou solution qui vise à remplacer une action humaine par un équivalent, réalisé par un ou plusieurs systèmes automatisés.
L’automatisation comprend plusieurs niveaux : l’exécution, le contrôle, la surveillance, la prise de décision. Prenons un exemple simple, avec un interrupteur on/off qui lancerait et arrêterait la production : l’exécution correspond à l’action d’appuyer sur l’interrupteur, le contrôle à l’action de donner l’ordre d’appuyer sur le bouton, la surveillance à l’action de vérifier que le bouton est bien dans la bonne position, et la prise de décision à l’action de déclencher l’arrêt de la machine suite à une observation (il n’y a plus de matière première sur le convoyeur) et une analyse (la machine ne peut pas tourner à vide).
Quels sont les principaux composants d’un système d’automatisation industrielle ?
Nous allons voir quels sont les principaux composants qui peuvent être intégrés dans un système d’automatisation industrielle, à l’échelle d’une machine. Ces mêmes composants peuvent ensuite être reliés à des solutions de contrôle à distance pour créer des systèmes SCADA de contrôle et d’acquisition de données en temps réel (Supervisory Control And Data Acquisition). Ces systèmes complexes, de plus en plus présents dans l’industrie, permettent de gérer la production de manière intégrée, depuis un local de supervision.
Les actionneurs
L’actionneur est le composant le plus opérationnel du système. C’est lui qui, en bout de chaîne d’automatisation, déclenchera l’action souhaitée. Il se situe dans ce que l’on appelle la partie opérative (PO) du système d’automatisation.
Les actionneurs sont des objets alimentés en énergie, et qui transforment l’énergie en mouvement. L’énergie peut être thermique, électrique, pneumatique, hydraulique, et le mouvement peut être linéaire ou circulaire. La combinaison de tous ces critères donne une multitude de types d’actionneurs.
Sont des actionneurs des éléments simples tels que des leviers, des engrenages, des cames, ou des éléments plus complexes comme les vis à billes ou les vérins.
Les capteurs
Tout comme les actionneurs, les capteurs appartiennent à la partie opérative des systèmes d’automatisation. Mais leur rôle est bien différent. Ils sont chargés de surveiller les variations d’un ou plusieurs paramètres particuliers (température, pression, couple, position, etc.) et de transmettre les valeurs qu’ils observent au système de commande.
Les capteurs ont toujours été utilisés dans les processus d’automatisation industrielle. Ils sont indispensables pour que l’API puisse adapter ses ordres en fonction du contexte. Depuis quelques années, avec les capteurs miniaturisés (MEMS) et les capteurs connectés, ils se multiplient sur les machines. Ils jouent un rôle essentiel dans la communication au sein des systèmes automatisés contemporains.
Les automates programmables
Les automates programmables industriels (API ou PLC en anglais pour Programmable Logic Controller) sont un type particulier d’ordinateur, dédié à l’automatisation des processus. Les API appartiennent à la partie commande (PC) du système d’automatisation. Ils se caractérisent notamment par un grand nombre d’entrées et de sorties physiques, utilisées pour récupérer des données et envoyer des ordres vers la partie opérative, dont font partie les actionneurs. Ils sont aussi particulièrement robustes, pour pouvoir fonctionner dans des environnements difficiles. Enfin, ils utilisent historiquement des langages de programmation propres aux automaticiens, très différents des langages utilisés dans l’informatique de bureau. Historiquement car les choses sont en train d’évoluer, comme nous le verrons plus loin.
Les interfaces homme-machine (IHM)
L’IHM constitue le dernier maillon de la chaîne de commande automatisée. Celui qui, comme son nom l’indique, va faire le lien avec l’opérateur humain. L’IHM est in fine l’endroit où l’homme peut reprendre la main sur le système automatisé.
L’IHM a trois fonctions principales : une fonction de communication des données de la machine sous une forme facilement accessible aux opérateurs, une fonction d’alerte via le déclenchement d’alarmes quand un problème survient, et une fonction d’interaction lorsque l’opérateur doit déclencher manuellement une opération.
Les IHM de dernières générations sont fortement influencées par l’univers de la téléphonie mobile, avec des écrans tactiles et des fonctions intuitives de type WYSIWYG. On voit même arriver sur les lignes de production des tablettes tactiles utilisées comme IHM mobiles.
Automatisation industrielle : les principales évolutions en cours
La tendance, en matière d’automatisation, est à l’intégration avec les systèmes de gestion de la production, au développement de l’intelligence des composants dans la partie opérative et au développement de solutions qui permettent de reconfigurer facilement une ligne, voire une usine. Toutes ces évolutions sont poussées par l’Industrie 4.0 et/ou l’Industrie 5.0, selon que l’on intègre ou pas la dimension RSE.
Communication et interopérabilité
Pour être en mesure de piloter la production à l’échelle de l’usine, il faut pouvoir coordonner de plus en plus de machines, de robots, d’AMR, de convoyeurs, etc. Il faut aussi pouvoir créer des échanges d’information entre les équipements en production et les logiciels de gestion type MES ou ERP. Ce qui implique de faire se rencontrer de nombreux protocoles de communication et langages : tous les protocoles propriétaires et les langages d’automatisation d’un côté (monde de l’OT) et tous les langages de programmation informatiques de l’autre (monde de l’IT).
Tous ces éléments communiquent aujourd’hui de mieux en mieux grâce au développement de nouveaux standards tels que OPC UA, et à l’intégration de passerelles qui jouent le rôle de traducteurs entre les deux mondes de l’information d’entreprise.
Un autre sujet important dans le domaine de la communication est celui du développement des technologies sans fil, rendu possible par l’arrivée de la 5G, et de leur cohabitation avec les technologies filaires qui restent majoritaires dans les usines.
Décentralisation
Plus un processus est automatisé, plus l’architecture du système d’automatisation est complexe. Le câblage peut devenir très long et coûteux, les temps de réponses peuvent s’allonger, les défaillances peuvent augmenter.
Pour pallier ces inconvénients, la tendance est à intégrer de l’intelligence au coeur même des composants, plutôt que de faire tout remonter à des API centraux. On peut aujourd’hui effectuer des cycles « mesure-traitement-contrôle » simples dans des composants autonomes. On peut également intégrer des variateurs dans des entraînements, pour réduire voire supprimer les armoires.
La décentralisation vaut aussi pour le traitement des données, avec le développement du Edge Computing, ou traitement de périphérie, qui évite de remontées des quantités gigantesques de données vers un serveur.
Modularité
Une usine moderne est une usine flexible, qui peut s’adapter à moindre coût au lancement d’un nouveau produit ou à un changement d’activité. Pour que cela soit possible, il faut des composants et des systèmes d’automatisation polyvalents, et facilement reconfigurables. Il faut aussi des machines conçues comme des sommes de fonctions, que le client peut ajouter ou retirer selon ses besoins. C’est l’avènement de la conception modulaire, soutenue par des composants qui tendent vers le Plug&Play.
Quels enjeux pour les systèmes d’automatisation industrielle aujourd’hui ?
La vision d’une usine entièrement connectée, portée par l’Industrie 4.0, oriente les innovations dans les composants et les systèmes d’automatisation. Elle crée aussi de nouveaux enjeux, auxquels les solutions techniques devront répondre pour livrer tous les bénéfices attendus.
La cybersécurité
La cybersécurité est le point de vigilance majeur dans tous les projets où le réseau de production peut entrer en contact avec l’extérieur via divers points de connexion au réseau web.
Cet enjeu est relativement récent et représente un véritable changement de culture dans les usines, où le réseau OT est traditionnellement fermé à tout accès extérieur. Il s’intègre progressivement via des bonnes pratiques partagées, telles que celles de l’ANSSI, et la création de poste de responsables cybersécurité chez les utilisateurs de systèmes automatisés.
L’utilisation pertinente de la donnée
Après une décennie à collecter de la donnée à tout va, si 9 décideurs français sur 10 jugent important d’exploiter leurs données, près d’un sur deux juge la qualité des données dont il dispose peu satisfaisantes (enquête Infopro Digital octobre 2021).
L’enjeu se déplace du Big Data au Smart Data. Ce qui implique qu’il va falloir définir quelles sont les données pertinentes, les remonter de manière fiable et les analyser de manière intelligente, tout ceci afin d’en extraire la valeur ajoutée que recherchent les entreprises industrielles dans des applications aussi variées que la maintenance prédictive, l’optimisation des processus ou la gestion des flux.
L’assistance à la prise de décision
La principale application permise par une bonne analyse des données est l’assistance à la prise de décision. Les systèmes de diagnostic automatique que l’on voit apparaître dans la maintenance par exemple, sont des systèmes de résolution de problèmes au sein desquels la prise de décision est en partie automatisée. Cela est possible grâce aux algorithmes et au développement des réseaux neuronaux, couplés au savoir-faire et à l’expertise développés par les équipes, sur le terrain, au fil des années.
La prise de décision automatisée permet de réagir plus rapidement en cas de problème. Elle accompagne aussi la montée en compétences des collaborateurs, sur une prise ou un changement de poste. Elle est un soutien important lorsque l’on souhaite augmenter le TRS d’une ligne.
L’automatisation industrielle est probablement à un moment charnière de son évolution. Comprendre comment elle s’intègre dans la stratégie de digitalisation ou encore dans la politique RSE des entreprises permet de faire les bons choix en matière de technologies, d’architectures et de prestataires.