Industrie 4.0 : modernisation des systèmes automatisés

L’industrie 4.0 est un terme utilisé pour la première fois en 2011 par l’Union de recherche allemande (German Industry-Science Research Alliance). Elle se réfère à la numérisation totale de la production industrielle. Ce concept décrit la vision des usines intelligents qui se caractérise par la mise en réseau complète de toutes les pièces à produire [25] c’est-à-dire le contrôle en temps réel de la chaîne de production à travers les techniques d’informations et de communication et également par l’installation des robots qui sont de plus en plus nombreux dans les entreprises.

Il s'agit de repenser les systèmes de production, autour d'une nouvelle génération d'usines intelligentes (Smart Factories) [62], ce qui signifie mettre l’ensemble des technologies et des

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nouveaux concepts tel que BigData et l’Internet des objets pour valoriser la chaîne de production.

Les systèmes d'automatisation évoluent vers un environnement intelligent tel que les appareils intelligents, les systèmes intelligents, les organisations intelligentes et les villes intelligentes, où l’intelligence ici peut être défini comme des systèmes qui présentent des fonctionnalités étendues, des fonctionnalités multiples, autodiagnostic, configuration et connectivité [54].

Les entreprises de futur vont être un mélange entre le monde réel et le monde virtuel, c’est-à-dire la communication continue et instantanée entre les différents systèmes et outils intégrés dans la chaîne de production à l’aide des capteurs connectés ou bien des puces RFID. Les systèmes de production seront assez intelligents pour effectuer des auto-diagnostiques ou de détecter une faille dans leur fonctionnement et ainsi de pouvoir effectuer une maintenance préventive de manière proactive (anticipée).

La finalité de cette quatrième révolution industrielle est l’aide précieuse des industriels à gagner en productivité, à surmonter plus facilement les difficultés et à améliorer les processus de décision. Elle permet également la flexibilité et l’adaptation facile aux nouveaux modèles économiques.

L’industrie 4.0 se caractérisent par une grande flexibilité et par une utilisation plus efficace des ressources. Pour caractériser l'industrie 4.0 plusieurs leviers ont été pris en compte :

• Communication en temps réel pour obtenir des données en temps réel et au moment opportun.

• Évaluation à grande échelle des critères choisis.

• Autoformation des liaisons ad hoc des données.

• Mise au point de la normalisation des rapports pour l'implémentation dans l'ensemble du système.

• Représentations virtuelles des objets physiques pour la collaboration avec le monde physique.

• Contrôle automatique et prétraitement des données pour soulager les employés des activités routinières.

• L’industrie 4.0 ne sera activée que par des niveaux de collaboration plus élevées à l'intérieur et à l'extérieur des cycles de fabrication. [63]

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Outre que l'industrie 4.0, un autre terme qui est en relation étroite avec elle est le cyber-système physique (CPS) où des éléments informatiques collaborent pour le contrôle et la commande d'entités physiques. Les capacités physiques et informatiques sont intégrées [64] telles que la détection, la communication et l'actionnement physique.

6.1. Système cyber physique : la base de l’industrie 4.0

Les systèmes Cyber-physiques (CPS en anglais pour Cyber Physical Systems) intègrent des dispositifs électroniques (appelé objets pour être en harmonie avec l’internet des objets) et de logiciels. Les CPS se connectent entre eux ou par l'intermédiaire le plus souvent l'internet afin de construire un système réseau caractérisé par sa simplicité. Ils sont connu aussi comme des systèmes cyber-physiques d'automatismes industriels [65], qui intègrent des fonctionnalités innovantes, où des éléments informatiques en interaction avec des entrées et des sorties physiques [66] collaborant pour le contrôle et la commande d'entités physiques.

Lors de l’acquisition des données, les CPS convertissent les valeurs physiques en données numériques ce qui permet l’interaction avec différents logiciels même s’ils sont très loin des endroits où ces systèmes sont y installés. Ces données sont alors mises à disposition aux divers services connectés au réseau qui utilisent ces actionneurs pour impacter directement les mesures prises dans le monde réel. Le CPS simulera et comparera donc les options de production sur la base d’instructions fournies, il proposera alors la solution optimale en se basant sur cinq fonctions principales [67] informatique, communication, contrôle de précision, coordination et autonomie.

L’utilisation principale des CPS, dans les chaînes de production industrielle, est pour assurer le développement des architectures construites sur l’internet afin de simplifier le contrôle et la commande à distance de systèmes automatisés de production. Le cyber système physique permettra la communication dans l’industrie de demain entre trois éléments principaux: les êtres humains, les machines et les produits [68]. Pour ce faire le CPS nécessite trois niveaux essentiels [69]:

• Les objets physiques

• Modèles de données des objets physiques mentionnées dans une infrastructure de réseau

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Figure 29: Les trois niveaux du CPS [69]

Ces niveaux (figure 29) permettent aux processus indépendants de mangement et à l’internet des objets (Internet of Things IoT) d’interagir [70] avec le monde réel et virtuel. Cette interaction ouvre un nouvel aspect de la production est celui du passage de la production centralisée à la production décentralisée. Les clients peuvent commander leurs produits directement via des applications en temps réel grâce à des logiciels de production, des objets physiques réels en tant que source d’informations et de la boucle de rétroaction entre employés et clients.

Selon les travaux de [71], Chaque CPS se détermine par les caractéristiques suivantes :

• Haut niveau d’intégration physique/cyber.

• Capacités de traitement dans chaque composant physique, dû au fait que les ressources en traitement et communication sont généralement limitées.

• Hautement connectés, via réseaux avec ou sans fil, Bluetooth, GSM, GPS etc.

• Adapté à des échelles temporelles et spatiales multiples.

• Capable de reconfiguration/réorganisation dynamique.

• Hautement automatisés, en boucles fermées.

• Fiables, voire certifiés dans certains cas.