Pyramide d’automatisation dans l’industrie 4.0.

L’invention de la machine à vapeur est considérée comme le début de la première révolution industrielle. La deuxième était liée à l’invention de l’électricité et du moteur à combustion interne, qui ont permis l’automatisation de nombreux processus de production et un transport efficace des produits manufacturés. La troisième et suivante était liée au développement des technologies numériques – l’invention d’ordinateurs bon marché, de téléphones portables et d’Internet. Elle a commencé dans la seconde moitié du XXe siècle et a donné naissance à la quatrième révolution à laquelle nous assistons aujourd’hui.

• IoT et IIoT
• Différences entre IIoT et M2M
• Pyramide d’automatisation
• Mise en œuvre basée sur l’approvisionnement

Nous associons cette quatrième révolution industrielle de l’histoire du monde au concept d’Industrie 4.0. Comme toutes les suivantes, celle-ci est liée à l’introduction et à la diffusion des applications des nouvelles technologies. Cette fois, il s’agissait des robots industriels, de l’intelligence artificielle, de l’Internet des objets et de son sous-ensemble : l’Internet industriel des objets. D’un autre côté, on ne peut pas dire que seules les inventions techniques ont contribué à la 4ème révolution industrielle, et celle-ci repose certainement aussi sur les changements sociaux et le souci de l’environnement naturel. Cependant, au-delà des considérations philosophiques, concentrons-nous uniquement sur les aspects techniques et sur ce qui peut nous aider à réaliser des tâches individuelles liées aux applications industrielles.

Il semble que le moteur de tous les changements qui ont lieu aujourd’hui (et pas seulement dans le domaine technologique) ait été l’invention d’Internet en tant que réseau mondial d’appareils offrant une opportunité sans précédent de communication à moindre coût et d’accès à la connaissance et à l’information au-delà des divisions qui s’étendent sur différents plans. Au départ, Internet était principalement utilisé pour la communication entre les utilisateurs. Ensuite, l’accès multimédia a été introduit, puis les données de divers capteurs ont commencé à être transmises via ce réseau mondial. Il y a ici un problème, car Internet est parfaitement adapté à la transmission de gros paquets de données, mais il ne gère pas bien les petits paquets de données provenant de capteurs, contenant généralement entre une douzaine de bits et une douzaine d’octets. Sur Internet, un tel paquet doit être accompagné d’un certain nombre de données supplémentaires, telles qu’un en-tête et une somme de contrôle, qui dans ce cas sont redondantes et occupent souvent plus de place que les résultats de mesure réels envoyés par le capteur. Un autre problème est le temps qu’il faut pour que ces données parviennent au destinataire et si elles arriveront, car dans des cas extrêmes, cela peut prendre beaucoup de temps ou être perdues. Il peut arriver qu’ils parviennent au destinataire avec un retard de plusieurs secondes, ce qui ne pose pas de problème lors du suivi d’un conteneur de fret envoyé du port « A » au port « B » en naviguant sur un site Web ou dans un courrier électronique, mais ne convient pas pour la plupart des applications industrielles. Oui, cela sera utile au niveau de la gestion ou du suivi des processus globaux, mais ce n’est pas adapté pour superviser et contrôler le processus de production.

Pour de nombreuses personnes impliquées dans l’industrie et les processus de fabrication, l’idée d’exploiter un réseau mondial dans une installation industrielle ou une logistique liée à l’approvisionnement et au transport était très tentante. Par conséquent, deux technologies qui sont en quelque sorte un sous-ensemble d’Internet ont été développées et sont appelées Internet des objets (IoT) et Internet industriel des objets (IIoT). En quoi diffèrent-ils d’Internet et pourquoi a-t-on décidé de les séparer ?

Internet des objets et Internet des objets industriel

L’Internet des Objets (Internet of Things soit IoT) est un réseau composé d’appareils connectés, principalement des capteurs, nécessitant la transmission de petits paquets de données. Il convient de souligner que les normes de réseau de capteurs individuels sont très bien préparées pour la transmission de plusieurs ou d’une douzaine d’octets de données provenant de capteurs utilisant des émetteurs alimentés par une énergie librement disponible. Dans de nombreuses applications, l’interface du capteur économise ou accumule de l’énergie en restant en veille pendant une longue période, à partir de laquelle elle est extraite selon un horaire défini, à une certaine fréquence ou à la demande.

Les appareils individuels inclus dans le réseau IoT peuvent communiquer entre eux et partager des données via Internet. Selon les besoins, ils peuvent être connectés via un réseau avec différentes topologies. Il est important de noter que diverses normes promues par des fabricants indépendants sont utilisées pour créer ces connexions. Dans de nombreuses applications, un réseau maillé est utilisé, ce qui augmente considérablement la portée et dispose d’un mécanisme de redondance de connexion, dans lequel les données sont transmises par radio via les nœuds jusqu’au concentrateur. Cependant, les réseaux maillés ne sont pas la règle et les capteurs peuvent également être connectés dans des réseaux à topologie arborescente ou mixte. Dans un tel réseau, les capteurs partagent des données à la demande ou se font concurrence pour accéder au concentrateur.

Bien que les capteurs eux-mêmes ne soient pas trop compliqués et puissent communiquer à l’aide d’un standard interne, le concentrateur, qui constitue un pont entre eux et Internet, doit effectuer une translation appropriée des données et former des paquets standard à partir d’elles. Les appareils IoT sont utilisés pour collecter, analyser et automatiser le traitement de données provenant de divers domaines, notamment la production et la distribution d’énergie, la gestion et la surveillance de l’éclairage, la surveillance des transports, les conditions météorologiques, les rivières ou les soins de santé. Les applications IoT impliquent différents types d’interfaces, elles sont très nombreuses et on s’attend à ce que l’inventivité dans l’utilisation de cette technologie donne lieu à de nombreuses autres applications. D’autant plus que l’IoT peut être et est lié aux appareils grand public.

L’Internet industriel des objets se distingue de son ancêtre principalement par son domaine d’application. Il s’agit d’un réseau de capteurs industriels interconnectés qui peuvent non seulement communiquer entre eux, déterminant de manière asynchrone les moments de démarrage de chaque étape des processus de fabrication, mais également permettre leur surveillance en temps réel, ce qui aide les opérateurs et gestionnaires de machines à gérer les usines plus efficacement. Les informations provenant de systèmes de gestion ou de capteurs individuels peuvent être intégrées et évaluées par des logiciels fonctionnant dans le cloud, contenant des algorithmes d’apprentissage automatique (machine deep learning) ou de gestion de processus soutenus par l’intelligence artificielle (artificial intelligence). Ces systèmes permettent un haut niveau d’intégration des processus logistiques et de fabrication, ce qui se traduit par une rentabilité et une compétitivité accrues de l’entreprise..

La technologie IIoT constitue un pont entre les technologies opérationnelles et informatiques, elle permet la mise en réseau des processus industriels et des systèmes qui les gèrent, et elle constitue un outil clé soutenant la révolution de l’Industrie 4.0.

Ne pas confondre avec M2M !

Lorsqu’on écrit sur l’IIoT, il convient de mentionner la technique de communication appelée Machine-to-Machine, en abrégé M2M, car son développement a été crucial pour la mise en œuvre de l’IIoT. Cette abréviation désignait autrefois les interfaces utilisateur, mais aujourd’hui, elle désigne principalement la connexion de machine à machine. Il convient de noter que même si le destinataire des informations générées par une machine est un humain, celles-ci sont toujours envoyées via un type de traducteur automatique. Il s’agit donc toujours d’une transmission de données de machine à machine.

M2M est une technologie de transmission de données entre machines ou entre une machine et ce qu’on appelle une porte dans une topologie point à point. La passerelle peut être connectée au réseau de l’entreprise ou à un réseau mondial, par exemple un opérateur mobile. Dans certaines applications, notamment lorsque la conversion de données est nécessaire, la passerelle peut également assurer la communication entre les machines.

La technologie M2M est plutôt difficilement évolutive. Il est recommandé de l’utiliser en particulier lorsque la communication doit être bien protégée contre tout accès non autorisé et que sa fiabilité accrue est requise. Par exemple, la communication avec une autre machine ou un autre opérateur doit également fonctionner lorsqu’un réseau interne ou une connexion Internet n’est pas disponible. Contrairement à l’IIoT, la communication M2M ne permet pas de synchroniser plusieurs appareils en temps réel ou de les contrôler à l’aide d’une application basée sur le cloud. Il est également limité à une norme d’échange de données spécifique, contrairement à l’IIoT, où il faudrait assurer le respect de différentes normes ou se convertir en une norme mondiale. Par conséquent, les appareils M2M ne constituent pas une source de données pour les logiciels ERP, PLM ou SCM de l’entreprise.

En raison des différences entre les deux types de communication, leur application est également différente. La technologie M2M s’applique principalement aux machines, appareils et terminaux tels que les smartphones ou les tablettes, tandis que l’IIoT est liée aux systèmes d’appareils numériques tels que les capteurs. Par conséquent, le M2M dans l’industrie est principalement utilisé, par exemple, dans la maintenance, pour avertir d’une éventuelle panne de machine, d’un délai de maintenance ou pour signaler un dommage, tandis que l’IIoT est utilisé pour intégrer des systèmes étendus. On peut voir que le M2M est davantage axé sur le matériel et que l’IIoT est axé sur les logiciels.

La communication M2M a été conçue pour contrôler une seule machine industrielle ou un groupe de celles-ci. Cela se fait via une communication radio ou filaire, à l’aide de modules matériels M2M spécialisés. La supervision est assurée par une unité spécialisée appropriée transmettant les commandes et recevant les données en utilisant la transmission point à point mentionnée ci-dessus. Les systèmes IIoT utilisent Internet pour envoyer les données des capteurs ou des appareils vers le cloud, où de nombreux services et applications peuvent être exécutés.

Les termes IIoT et M2M ont des racines communes car ils font référence au même groupe d’appareils. Cependant, l’IIoT offre des fonctionnalités supplémentaires là où les systèmes M2M traditionnels échouent. Les systèmes IIoT permettent le partage de données dans toute l’entreprise pour extraire des données commerciales et mieux gérer les opérations. Le passage des déploiements en silos fermés aux technologies IIoT ouvertes multifonctionnelles permet aux données des capteurs et des appareils d’être intégrées à d’autres applications d’entreprise telles que le Big Data et l’analyse. Les systèmes M2M décodent les problèmes au niveau de la machine ou améliorent les services des appareils, tandis que les systèmes IIoT exploitent le Big Data et l’analyse pour générer des améliorations dans toute l’entreprise.

Les systèmes M2M réduisent les dépenses de service grâce à des fonctionnalités à distance telles que les diagnostics à distance, les mises à jour et le dépannage à distance afin de minimiser l’envoi d’ingénieurs de service sur site sur des sites distants. En revanche, les systèmes IIoT mettent l’accent sur les améliorations opérationnelles et fournissent des produits d’information sous forme de service via le cloud. En d’autres termes, l’IIoT signifie passer du matériel (tel que la connectivité et les appareils) au logiciel (tel que les services, les connaissances exploitables et les données) pour rationaliser les opérations.

« Diagramme de la pyramide d’automatisation dans l’industrie 4.0 – auteur : Transfer Multisort Elektronik »

Pyramide d’automatisation dans l’industrie

Les technologies liées au M2M, à l’IoT ou à sa variante particulière IIoT suffisent peut-être à automatiser le processus de production, mais on est encore loin de la révolution évoquée en introduction. Les révolutions peuvent être déclenchées par de nouvelles idées qui remettent en question l’ordre existant et proposent des solutions alternatives. Lors de la planification de l’automatisation d’une entreprise conformément aux principes de l’Industrie 4.0, vous pouvez utiliser un diagramme qui est généralement présenté sous la forme de ce qu’on appelle pyramide d’automatisation. Discutons des différents niveaux de cette pyramide.

Niveau 0 – Niveau de la zone de production/Processus de production

Au niveau 0 il y a les appareils, les actionneurs et les capteurs qui sont utilisés dans la zone couverte par le processus de production. Cette zone ne doit pas être identifiée uniquement avec l’usine, car les vannes de régulation de débit sont souvent montées à l’extérieur de l’usine, par exemple sur les drains des réservoirs fournissant des matières premières pour la production montés à l’extérieur du hall. D’autres exemples de tels dispositifs ou capteurs sont les moteurs de pompes électriques, les actionneurs hydrauliques et pneumatiques, les capteurs de proximité pour détecter des objets ou leur mouvement, les interrupteurs photoélectriques remplissant une fonction similaire etc.

Niveau 1 – Niveau de contrôle/Détection et manipulation

C’est le niveau où les objets physiques sont manipulés et traités. Ici, les contrôleurs PLC et les contrôleurs PID sont contrôlés et gérés. Les outils et manipulateurs qui leur sont attachés effectuent un véritable usinage en utilisant diverses technologies. Ces automates PLC et contrôleurs PID exploitent les informations des capteurs, commutateurs et autres périphériques d’entrée pour prendre des décisions sur les sorties à activer pour accomplir une tâche programmée.

Les PLC contiennent un processeur, une mémoire pour stocker la programmation et d’autres données, ainsi que des modules d’entrée et de sortie. Le contrôleur PID est généralement intégré au contrôleur PLC ou réalisé sous la forme d’un programme approprié exécuté par le PLC. Un processus industriel courant contrôlé par PID est le contrôle de la température. De nombreux processus de fabrication nécessitent un chauffage ou un refroidissement et le maintien d’une certaine marge admissible pour les changements de température.

Niveau 2 – Niveau de supervision/Suivi et supervision

Ce niveau est appelé niveau de supervision. Il utilise le logiciel SCADA (le terme SCADA vient des premières lettres des mots Supervisory Control And Data Acquisition). SCADA est une combinaison des niveaux précédents permettant l’accès aux données et la gestion des processus de production, avec des systèmes permettant le contrôle et le contrôle à partir d’un seul endroit. Généralement, une interface utilisateur graphique est installée ici pour permettre le contrôle à distance des fonctions. Grâce à SCADA, vous pouvez surveiller et contrôler plusieurs systèmes à partir d’un seul endroit. Cela ne se limite pas à une seule machine, processus ou appareil.

Niveau 3 – Niveau de planification/gestion opérationnelle

Le quatrième niveau de la pyramide d’automatisation (en partant de 0) est appelé niveau de planification. Ce niveau utilise un système de gestion informatique appelé MES (Manufacturing Execution System). MES surveille l’ensemble du processus de production dans une usine ou une usine, depuis l’approvisionnement en matières premières jusqu’à la réception du produit fini. Grâce à cela, la direction de l’usine a une image complète de ce qui se passe pendant la production et peut prendre des décisions sur la base de ces informations. Par exemple, vous pouvez corriger les commandes de matières premières ou les plans d’expédition de produits finis en fonction des données réelles reçues des systèmes.

Niveau 4 – Niveau de planification des affaires et logistique

Au sommet de la pyramide il y a le niveau de gestion. Il utilise un système intégré appelé ERP (Enterprise Resource Planning). Grâce à lui, la direction de l’entreprise peut observer et contrôler ses activités. L’acronyme ERP désigne généralement un ensemble de diverses applications informatiques qui collectent, traitent et surveillent tout ce qui se passe dans l’entreprise. L’ERP utilise les informations disponibles aux niveaux inférieurs de la pyramide et des logiciels supplémentaires qui intègrent les données qu’ils fournissent. Grâce à cela, vous pouvez suivre tous les niveaux de l’activité de l’entreprise, depuis les ressources, en passant par la production, la distribution des produits, les achats, les finances et la paie, et bien d’autres.

Niveau 5 – Cloud

Le cloud est un terme qui vient de l’anglais et qui ne reflète pas très bien la signification réelle de cette zone. Le cloud est simplement un cluster d’appareils et d’applications exécutées sur ceux-ci qui permettent une collecte, une intégration, une évaluation et un traitement de données à grande échelle. Les données peuvent être envoyées vers le cloud depuis n’importe quel niveau de la pyramide d’automatisation. Dans ce cloud, ils peuvent être collectés, traités et évalués par des logiciels d’intelligence artificielle soutenus par des mécanismes d’apprentissage automatique. En fait, seuls le cloud et les mécanismes qui y sont disponibles nous permettent d’atteindre un niveau accru d’efficacité et d’excellence opérationnelle.

La transformation d’une entreprise dans la forme requise par l’Industrie 4.0 nécessite d’introduire de nombreux changements techniques et organisationnels. Cela nécessite du temps et des ressources techniques et, de manière réaliste, ne peut pas être réalisé en peu de temps. Par conséquent, il vaut la peine de le diviser en étapes et de fixer des objectifs spécifiques et réalisables, en s’efforçant d’apporter des changements progressifs. Il convient également de se concentrer sur les solutions locales avant de les étendre à des solutions mondiales, tout d’abord en extrayant les informations nécessaires disponibles localement et en créant des applications qui prennent en compte les cas d’utilisation de ces données. Dans cette optique, trois étapes de transformation peuvent être distinguées :

1. Connectivité numérique et capteurs : l’objectif de cette étape est d’atteindre la plus grande efficacité et l’excellence opérationnelle possibles. Cette étape comprendra donc l’amélioration de la productivité, de la qualité et de l’efficacité ainsi qu’une meilleure gestion des risques grâce à l’intégration et à l’automatisation, aux solutions IoT, à l’intelligence artificielle, au cloud et à l’analyse avancée. Sa mise en œuvre implique la nécessité de créer un réseau numérique et d’y introduire les informations provenant de nombreux capteurs. La fiabilité et la rapidité de ce réseau détermineront en grande partie s’il sera possible d’exploiter pleinement les avantages de l’Industrie 4.0, car une entreprise « numérique » ne pourra pas fonctionner efficacement sans une transmission fiable des données.
2. Ingénierie numérique : Son utilisation a pour but d’améliorer la croissance. Une fois les bases posées, vous pouvez commencer à approfondir les avantages en appliquant les technologies disponibles dans l’Industrie 4.0 dans le but de rationaliser votre processus de conception et vos chaînes d’approvisionnement. Dans certains groupes de produits, vous pourriez également être tenté de développer ce que l’on appelle des produits intelligents qui créent certains écosystèmes au sein desquels la communication a lieu et les données sont transférées. L’ingénierie impliquant l’automatisation intelligente et les contrats intelligents basés sur la blockchain pourrait entrer en jeu. Un tel écosystème peut influencer le processus de production et la chaîne d’approvisionnement, garantissant ainsi une optimisation accrue des coûts d’exploitation de l’entreprise.
3. Opérations numériques : l’objectif est de parvenir à une plus grande différenciation. La dernière étape se produit lorsque l’entreprise est entièrement numérique et nécessite l’utilisation des capacités de l’Industrie 4.0 pour offrir un véritable avantage concurrentiel. L’introduction des changements mentionnés ci-dessus dès la conception jusqu’au produit fini permettra de répondre rapidement aux besoins du marché et de créer des produits uniques. Cela permettra également de répondre plus facilement à l’opinion du marché cible, permettant ainsi de répondre encore mieux, plus efficacement et plus rapidement à ses besoins. Cependant, il convient de noter que parvenir à se différencier ne consiste pas seulement à différencier une entreprise de ses concurrents, mais peut également créer des marchés, des services et des modèles commerciaux complètement nouveaux.

Dans une révolution, l’approvisionnement est essentiel

Lorsque vous construisez votre propre pyramide d’automatisation dans une entreprise et recherchez les solutions techniques nécessaires, vous aurez besoin non seulement de dispositifs tels que des routeurs mais également de petits composants électroniques et électromécaniques tels que des voyants, des capteurs, des connecteurs et bien d’autres. Ils seront nécessaires pour créer une infrastructure réseau, des connexions entre les machines, des interfaces signalant l’état de l’appareil au personnel, etc. Il vaut la peine de choisir un partenaire éprouvé qui sera en mesure de fournir à l’entreprise les composants nécessaires dans un délai raisonnablement court. TME est un partenaire éprouvé. La société est présente sur le marché depuis 1990 et est impliquée depuis le début dans le secteur de la distribution et de la fourniture. La norme de service a été confirmée par les certificats ISO 9001:2015-10 et ISO 14001:2015, et l’offre comprend une large sélection de composants nécessaires pour mettre pleinement en œuvre l’idée de l’Industrie 4.0.

Transfer Multisort Elektronik (TME) est l’un des plus grands distributeurs mondiaux de composants électroniques, de pièces électrotechniques, d’équipements d’atelier et d’automatisation industrielle. Le catalogue comprend plus de 1 500 000 de produits provenant de 1 300 fabricants leaders. Les centres logistiques modernes de TME à Łódź et Rzgów (Pologne), avec une superficie totale de plus de 40 000 m², expédient près de 6 000 colis par jour à des clients dans plus de 150 pays.

TME investit également dans le développement des connaissances et compétences des jeunes ingénieurs et passionnés d’électronique grâce au projet TME Education et soutient la communauté technologique en organisant la série d’événements TechMasterEvent, promouvant l’innovation et l’échange d’expériences.