Faculté des Sciences Département d’Informatique
Thèse de Doctorat en Sciences
Spécialité : Informatique
Modélisation et Gestion
des Activités de Maintenance
dans les Systèmes de Production
Présentée par
BENAOUDA Nacéra
Soutenue le 11/03/2017 Devant le jury composé de :
ALIOUAT Makhlouf Prof. Univ. Sétif-1 Président MOSTEFAI Mohammed Prof. Univ. Sétif-1 Rapporteur KAZAR Okba Prof. Univ. Biskra Examinateur BELLAMI Azzedine Prof. Univ. Batna Examinateur BOURAHLA Mustapha MCA Univ. Msila Examinateur ALTI Adel MCA Univ. Sétif-1 Examinateur
Je commence par remercier les membres de jury, pour m’avoir hono-rée par la lecture de ma thèse, et d’avoir accepté de juger mon travail.
Je remercie vivement le Pr. Mostefai Mohammed, pour ses orientations et ses remarques, ainsi que son soutien durant la réalisation de ma thèse.
Je tiens à remercier vivement le Pr. Hervé Guyennet pour toute la do-cumentation qu’il a mis à ma disposition, pour m’avoir toujours bien reçu au Lifc(Laboratoire d’Informatique de Franche Comté), ainsi que pour ses conseils,orientations et remarques. Qu’il trouve ici l’expression de ma gratitude.
Je remercie également le Pr. Noureddine Zerhouni du LAB(Laboratoire d’Automatique de Besançon) pour tout son soutien et appui durant la réalisation de ma thèse.
J’adresse aussi mes remerciements à Mr Ahmed Hammad pour son soutien durant mes stages au LIFC.
Pour finir, je remercie ma petite famille pour toute la compréhension et le soutien, sans lesquels je n’aurai jamais pu arriver à terme de ce travail.
A La mémoire de mes Parents,
A toute ma famille
1 Introduction générale 19
1.1 Cadre général de l’étude et motivation . . . 19
1.2 Contributions de la thèse . . . 21
1.3 Organisation de la thèse . . . 21
2 La Maintenance Industrielle : Définition, Objectifs et Évolution 23 2.1 Introduction . . . 23
2.1.1 Définition de la Maintenance . . . 24
2.1.2 Importance de la Maintenance Industrielle . . . 24
2.1.3 Définition de la dégradation, défaillance et panne . . . 25
2.1.4 Les Niveaux de Maintenance . . . 25
2.1.5 Les Composants d’un système de maintenance indus-trielle . . . 26
2.1.6 Déroulement de l’opération de Maintenance . . . 27
2.2 Stratégie de la Maintenance Industrielle . . . 29
2.2.1 La Maintenance Corrective . . . 30
2.2.2 La Maintenance Préventive . . . 31
2.2.3 La Maintenance Prévisionnelle . . . 32
2.2.4 Prognostic et Estimation de la Durée de Fonctionne-ment avant Défaillance (Remaining Useful Life) . . . . 32
2.3 Organisation des travaux de maintenance . . . 32
2.3.1 Maintenance décentralisée . . . 33
2.3.2 Maintenance centralisée . . . 33 7
2.3.3 Organisation Mixte . . . 34
2.3.4 Maintenance sous-traitée . . . 35
2.3.5 Maintenance distribuée . . . 35
2.3.6 Discussion . . . 36
2.4 L’informatisation de la Maintenance . . . 37
2.4.1 La Gestion de la Maintenance Assistée par Ordina-teur(GMAO) . . . 37
2.4.2 Principe de l’opération de Maintenance par Ordinateur 38 2.4.3 La Télémaintenance(maintenance à distance) . . . 38
2.4.4 La e-maintenance(télémaintenance via le Web) . . . . 39
2.5 L’intégration des Réseaux de Capteurs sans Fil Dans les Tâches de Maintenance Industrielle . . . 46
2.5.1 Introduction . . . 46
2.5.2 Suivi de l’état des machines avec un réseau de cap-teurs (Maintenance Prévisionnelle) . . . 46
2.6 Discussion . . . 47
3 Les Réseaux de Capteurs sans Fil : état de l’art 49 3.1 Introduction . . . 49
3.1.1 Structure d’un capteur intelligent . . . 50
3.1.2 Principe de fonctionnement d’un réseau de capteurs . 51 3.1.3 La différence entre un réseau Ad hoc et un RCsF . . . 51
3.2 Les domaines d’application des réseaux de capteurs . . . 52
3.2.1 Militaires . . . 52 3.2.2 Surveillance . . . 53 3.2.3 Environnementales . . . 53 3.2.4 Médicales . . . 53 3.2.5 Domotiques . . . 54 3.2.6 Industrielles . . . 54
3.3 Les Caractéristiques des réseaux de Capteurs . . . 55 8
3.3.1 La consommation de l’énergie . . . 55
3.3.2 Origine de la surconsommation d’énergie . . . 57
3.3.3 Le schéma de localisation des capteurs . . . 57
3.3.4 Le Champ de Capture et le Champ de Communication 58 3.3.5 Le problème du trou d’énergie . . . 59
3.3.6 La mobilité . . . 59
3.3.7 Nécessité de l’agrégation des données . . . 60
3.3.8 L’acheminement des informations dans les RCsF . . . 60
3.4 Les Défis de Recherche dans les Réseaux de Capteurs . . . . 61
3.5 Les protocoles de la sous-couche MAC (Medium Access Control) 63 3.5.1 Les Protocoles ordonnancés . . . 63
3.5.2 Les Protocoles basés sur la contention . . . 64
3.6 La gestion du lien radio dans les RCsF . . . 65
3.6.1 La Description de la Couche MAC IEEE 802.15.4 . . . 66
3.7 Discussion . . . 66
4 Le Partitionnement dans les réseaux et les Systèmes Distribués 69 4.1 Introduction . . . 69
4.2 Le Partitionnement dans les systèmes distribués . . . 70
4.2.1 Partitionnement des Traitements . . . 70
4.2.2 Le Partitionnement de graphe . . . 71
4.2.3 Discussion . . . 74
4.3 Le Partitionnement dans les réseaux de capteurs . . . 75
4.3.1 Problématique . . . 75
4.4 La Clusterisation . . . 76
4.4.1 La Notion de "groupe" dans les systèmes distribués . . 76
4.4.2 Les groupes dans les systèmes distribués . . . 77
4.4.3 Discussion . . . 81
4.5 La clusterisation dans les réseaux ad hoc et de capteurs . . 81 9
4.5.1 Définition formelle du processus de clusterisation . . 81
4.5.2 Démarche globale de clusterisation . . . 82
4.5.3 Principe d’élection du cluster-head . . . 82
4.6 Algorithmes de clusterisation pour réseaux de capteurs . . . 83
4.6.1 Low-Energy Adaptative Clustering Hierarchy (LEACH) 83 4.6.2 Les variantes de Leach . . . 84
4.6.3 TEEN (Threshold-sensitive Energy Efficient sensor Net-work protocol) . . . 84
4.6.4 Adaptive Threshold-sensitive Energy Efficient sensor Network protocol (APTEEN) . . . 85
4.6.5 Hybrid Energy Efficient Distributed Clustering (HEED) 86 4.6.6 Distributed Weight-Based Energy-Efficient Hierarchi-cal Clustering (DWEHC) . . . 86
4.6.7 Power-Efficient and Adaptative Clustering Hierarchy (PEACH) . . . 87
4.6.8 Multi-Hop Routing Protocol with Unequal Clustering (MRPUC) . . . 88
4.7 Discussion . . . 88
5 Structure hiérarchique pour le partitionnement d’un RCsF 91 5.1 Introduction . . . 91
5.2 Préliminaires . . . 92
5.2.1 Hypothèses . . . 92
5.2.2 La modélisation du réseau . . . 93
5.2.3 La métrique utilisée pour l’élection du cluster-head . 93 5.3 Principe de WSN-2-LTS . . . 94
5.3.1 Les Structures de données principales . . . 95
5.3.2 Liste des messages échangés . . . 95
5.3.3 Formation des clusters . . . 95
5.3.4 Le modèle de communication et le routage . . . 99
5.3.5 L’agrégation des données . . . 101 10
5.4 Paramètres de cohésion et stratégie de ré-organization . . . . 102
5.4.1 Paramètres de cohésion . . . 102
5.4.2 Stratégie de ré-organization . . . 105
5.5 La Relation entre les paramètres de cohésion et le partition-nement . . . 106
5.6 Discussion . . . 107
5.7 Simulation . . . 108
5.8 Présentation des algorithmes HSL-2-AN et CSOS . . . 110
5.8.1 HSL-2-AN . . . 110
5.8.2 CSOS . . . 114
5.8.3 Etude Comparative de WSN-2-LTS, HSL-2-AN et CSOS 114 5.9 Conclusion . . . 117
6 Conclusion générale 121
2.1 Architecture d’un système de maintenance . . . 24
2.2 Modes de fonctionnement d’un système . . . 25
2.3 Les Composants d’un Système de Maintenance Industrielle . 27 2.4 Déroulement de l’Opération de Maintenance . . . 29
2.5 Stratégies de Maintenance Industrielle . . . 30
2.6 Maintenance décentralisée . . . 33
2.7 Maintenance centralisée . . . 34
2.8 Maintenance Mixte . . . 34
2.9 Maintenance sous-traitée . . . 35
2.10 Intensité du lien entre l’unité de maintenance (UM) et l’en-treprise . . . 36
2.11 Architecture d’un système de télémaintenance . . . 38
2.12 Architecture d’un système de e-maintenance . . . 39
2.13 Architecture de PROTEUS . . . 40
2.14 Schéma de la Configuration matérielle de la plateforme réelle 40 2.15 Acteurs d’un Service Soap/RPC . . . 43
2.16 Structure de l’Application . . . 45
2.17 Fonctionnement de la plateforme à terme . . . 45
3.1 Modèle de réseaux de capteurs . . . 49
3.2 Structure d’un capteur intelligent . . . 50
3.3 Principe de fonctionnement d’un réseau de capteurs . . . 51
3.4 Schéma de Localisation . . . 58 13
3.5 Champ de Capture et Champ de communication . . . 59
3.6 Problème du Trou d’énergie . . . 60
3.7 L’agrégation de Données . . . 61
3.8 L’architecture de Zigbee . . . 66
4.1 3-Partitionnement avec COUPE=7 . . . 72
4.2 Exemple d’insuffisance de la métrique basée sur la coupe d’arêtes . . . 74
4.3 création de groupes . . . 78
4.4 Groupes de pairs et groupes hiérarchisés . . . 79
4.5 Groupes fermés et groupes ouverts . . . 80
4.6 Clusterisation dans un RCsF . . . 82
4.7 Fonctionnement de TEEN . . . 85
4.8 Fonctionnement de APTEEN . . . 86
4.9 Clusterisation dans DWEHC . . . 87
5.1 Structures des messages . . . 97
5.2 Les clusters formés par WSN-2-LTS (Nombre de nœuds=30). 100 5.3 Modèle de communication . . . 102
5.4 l’agrégation . . . 102
5.5 Un cas de l’état de cohesion. . . 104
5.6 Cas 1 de la forte cohésion. . . 105
5.7 Cas 2 de la Forte Cohésion. . . 105
5.8 La Cohésion Absolue. . . 106
5.9 Le Nombre de Clusters formés en fonction du nombre de nœuds . . . 109
5.10 variation de Network_Cohesion en fonction du nombre de nœuds . . . 110
5.11 La variation de Network_Cohesion en fonction de la portée . 111 5.12 Temps d’exécution de WSN-2-LTS. . . 111
5.13 Taux de ré-Affiliation de CSOS et WSN-2-LTS. . . 116 14
5.14 Network Cohesion dans WSN-2-LTS et HSL-2-AN. . . 117 5.15 Balance du nombre de nœuds dans les clusters (WSN-2-LTS
vs CSOS vs HSL-2-AN) . . . 118
3.1 Consommation d’énergie dans MICA2 . . . 56 4.1 Tableau récapitulatif des protocoles de clustering pour RCsFs 89 5.1 Desciption messages échangés . . . 96 5.2 Network_Cohesion et Nombre de Clusters de WSN-2-LTS en
fonction du nombre de nœuds . . . 108 5.3 Les valeurs de Network_Cohesion dans WSN-2-LTS en
fonc-tion de la portée . . . 108 5.4 Temps d’exécution de WSN-2-LTS en fonction du nombre de
nœuds . . . 109 5.5 Taux de Re-Affiliation pour WSN-2-LTS et CSOS en fonction
du nombre de nœuds . . . 115 5.6 Valeurs de NETWORK_COHESION pour WSN-2-LTS et
HSL-2-AN en fonction du nombre de nœuds . . . 116 5.7 Les valeurs de l’écart type en fonction du nombre de nœuds
pour les trois protocoles . . . 118
Introduction générale
1.1
Cadre général de l’étude et motivation
La maintenance est devenue de nos jours l’un des problèmes de l’heure, soutenue par les gestionnaires et décideurs dans les pays du monde en-tier, notamment dans le domaine industriel où la maintenance trouve son terrain le plus favorable d’application. Dans une application indus-trielle, nous manipulons des équipements dont la défaillance peut avoir des conséquences fâcheuses, notamment sur le plan économique, car le rendement d’un équipement est calculé comme étant le rendement si l’équipement était tout le temps en marche duquel on soustrait le rende-ment qu’aurait pu avoir l’équiperende-ment alors qu’il était en arrêt. C’est pour cette raison que les études liées à la maintenance, sont orientées vers les méthodes et stratégies de maintenance préventive, dont l’objectif est de prévenir les pannes avant qu’elles n’arrivent.
L’informatisation est l’un des tout premiers résultats des recherches concernant la maintenance préventive, ceci consiste à connecter les équi-pements à des ordinateurs qui les surveillent, supervisent et envoient aux opérateurs humains des sonnettes d’alarmes en cas d’anomalie. L’opéra-teur réagit sur l’équipement en changeant un moL’opéra-teur menaçant de s’ar-rêter, ou une pièce sur le point de se rouiller, etc. . . , selon l’équipement maintenu. L’évolution a été ensuite vers la télémaintenance qui consiste à effectuer l’opération de maintenance à l’aide d’ordinateurs distants via un réseau local.
L’avènement d’Internet a ouvert d’autres horizons qui consistaient à connecter les équipements à des ordinateurs via le web. Cette nouvelle forme de télémaintenance a été appelée e-maintenance par analogie avec e-mail et tout ce qui se rapporte à Internet. Il s’agit de plateformes soft-wares de maintenance sur le web, utilisant tous les atouts d’Internet : sites web, services web, http, etc. . . .
Notre travail sur la maintenance [2], a commencé dans le cadre du projet PROTEUS, qui consistait à réaliser une plateforme générique de e-maintenance industrielle. Notre participation dans ce projet a eu lieu dans le cadre de la collaboration entre le laboratoire d’automatique de Sétif et le laboratoire d’informatique de Franche Comté. [La plateforme de base de PROTEUS sera expliquée en chapitre 2].
Avec l’évolution des réseaux sans fil, une suite à PROTEUS consis-tait à intégrer des équipements sans fil dans la plateforme de base. La plateforme est devenue un réseau hybride composé d’une partie d’équi-pements fixes avec interfaces sans fil (cartes wireless) reliés entre eux par câbles, et d’une partie d’équipements sans fil qui peuvent d’une part, communiquer avec la partie fixe et d’autre part communiquer entre eux en ad hoc. Le résultat est une e-maintenance industrielle sur réseau hy-bride.
Au sein de cette plateforme de maintenance hybride, qui est bien com-plexe que ce soit sur le plan matériel ou logiciel, nous nous sommes inté-ressés à la communication dans la partie Ad hoc du réseau. Comme les protocoles de communication dans un réseau en général dépendent forte-ment de l’organisation, notre travail consistait à concevoir un algorithme de clusterisation pour réseaux ad hoc, baptizé HSL-2-AN[48][49].
Notre travail a été poursuivi ensuite avec les RCsF(réseaux de cap-teurs sans fil) : les RCsF sont des réseaux ad hoc particuliers dont l’ap-plication basique est la surveillance de l’environnement. Les apl’ap-plications industrielles qui les intègrent ont été classifiées dans trois groupes : la surveillance de l’environnement qui concerne la pollution, les dangers et la sécurité en milieu industriel ; l’automatisation des processus de pro-duction ; et enfin la surveillance de l’état [10]. Dans la surveillance par RCsF, les capteurs prélèvent les informations d’état et les envoient en multi-sauts à la station de base(SB) qui les envoie à son tour à un poste fixe pour prise de décision. Dans ce scénario, nous nous sommes fixés comme objectif d’optimiser le routage en optimisant le nombre de sauts, entre les capteurs et la SB. Et comme un réseau de capteurs est un sys-tème distribué particulier, nous nous sommes penchés sur la question d’appliquer les méthodes de partitionnement de la théorie des graphes. Ces méthodes fréquemment utilisées dans les systèmes distribués clas-siques (filaires), ne peuvent pas être appliquées aux RCsF. Ces derniers sont caractérisés par une communication multi-sauts et un environne-ment dynamique, et par conséquent, ils doivent obéir à des routines spé-cifiques de partitionnement. Comme la clusterisation est une organisa-tion qui permet d’optimiser le routage entre les capteurs et la SB, nous avons essayé d’adapter HSL-2-AN à un réseau de capteurs et établi des paramètres nous permettant de connaître le nombre de sauts effectués entre le capteur et la SB lors d’une communication. WSN-2-LTS [47] est l’algorithme de clusterisation pour RCsF. HSL-2-AN et WSN-2-LTS sont présentés dans le chapitre 5.
Cette thèse est le résultat d’un travail de recherche théorique et pra-tique qui a donné lieu aux contributions que nous citons ci-après.
1.2
Contributions de la thèse
HSL-2-AN : Algorithme de clusterisation d’un réseau Ad Hoc Nous avons proposé, un algorithme de formation de groupes original pour seaux Ad Hoc, ce protocole baptisé HSL-2-AN permet de donner au ré-seau, une structure hiérarchique de niveau deux, constituée de plusieurs clusters au niveau un, avec un cluster-head par cluster, et un super-leader pour tout le réseau. Le cluster-head permet de router les mes-sages entre les membres du cluster, le super-leader permet de router les messages entre les clusters différents [49].
WSN-2-LTS : HSL-2-AN adapté à un réseau de capteurs Il s’agit de notre contribution principale, c’est également, une structure hiérarchique de niveau deux, avec une démarche de clusterisation différente, et un choix de super-leader en accord avec le fonctionnement d’un réseau de capteurs. Nous intégrons trois paramètres pour évaluer la cohésion du réseau. Ces paramètres sont à la base de la stratégie de réorganisation que nous proposons[47].
1.3
Organisation de la thèse
Cette thèse est composée de cinq chapitres, et une conclusion géné-rale.
Chapitre2 : La Maintenance Industrielle : Définition, Objectifs et Evolution
Nous présentons les concepts de base de la maintenance indus-trielle, à travers lesquels nous définissons la durée de vie de l’équi-pement, les notions de dégradation, défaillance et panne, sachant que sur le terrain ces notions sont la raison d’être de la mainte-nance. Nous abordons ensuite les niveaux, stratégies ainsi que les différentes organisations de la maintenance.
Comme l’outil informatique a une influence sur tous les aspects de la maintenance industrielle, nous présentons ensuite les systèmes de GMAO(Gestion de la Maintenance Assistée par Ordinateur), le principe de la maintenance industrielle par ordinateur, la notion de télémaintenance et de e-maintenance, ensuite l’intégration des réseaux sans fil et en particulier des RCsF dans la surveillance in-dustrielle. Nous présentons dans ce cadre un état de l’art sur
lisation des RCsF dans la surveillance de l’état des équipements. Chapitre3 : Les Réseaux de Capteurs : Etat de l’Art
L’objectif de ce chapitre est de présenter les RCsF en tant que ré-seaux ad hoc dont les nœuds sont des micro-capteurs intelligents. Nous présentons alors, la structure d’un capteur, et le mode de fonctionnement d’un RCsF. Nous montrons ensuite la différence entre un RCsF et un réseau ad hoc ainsi que les caractéristiques, applications et défis des RCsF. Et comme les problèmes majeurs liés aux RCsF sont dus à la surconsommation d’énergie lors de la communication, nous enchaînons ensuite avec les protocoles de la sous-couche MAC, responsable de la communication et de l’accès au médium radio.
Chapitre4 : Le Partitionnement dans les Réseaux et les Systèmes Distribués
Nous abordons dans ce chapitre le problème du partitionnement dans les systèmes distribués, en général. Dans ce cadre, nous don-nons un aperçu sur les différentes méthodes de théorie des graphes utilisées pour le partitionnement, et nous montrerons leur ineffica-cité dans le cas des RCsF. Nous proposons la clusterisation comme solution adaptée pour le partitionnement des RCsF. Nous enchaî-nons alors avec la notion d’organisation par les groupes(clusters) dans les systèmes distribués en général ; et nous présentons cette notion dans le cas des réseaux ad hoc et de capteurs. Nous finis-sons par quelques approches de clusterisation propres aux RCsF. Chapitre5 : Structure Hiérarchique pour RCsF
Ce chapitre constitue notre contribution qui est un algorithme de clusterisation de RCsF baptisé WSN-2-LTS. Nous présentons alors le principe de WSN-2-LTS. Les algorithmes des différentes étapes, les structures de données utilisées et les messages échangés. Nous décrivons les protocoles de communication et l’agrégation de don-nées à deux niveaux. Nous présentons des paramètres baptisés paramètres de cohésion. Ces paramètres définis en fonction de la structure hiérarchique de niveau deux, ainsi que des protocoles de communication, permettent de nous informer sur l’état de cohésion dans le réseau et sont utilisés dans la stratégie de ré-organisation. Les résultats de simulation sont ensuite enchaînés. La simulation concerne WSN-2-LTS seul, ensuite comparé à deux autres proto-coles HSL-2-AN et CSOS, publiés précédemment.
Chapitre6 : Conclusion Générale La conclusion générale parcourt les éléments réalisés dans la thèse, et propose quelques issues de re-cherche, comme perspectives du travail réalisé.
La Maintenance Industrielle :
Définition, Objectifs et
Évolution
2.1
Introduction
Le succès d’une entreprise réside dans sa performance et progrès au cours du temps pour rester compétitive sur le marché. La performance nécessite de l’entreprise de produire plus, mieux et au plus bas prix. Cela nécessite un système de production composé d’équipements de bonne qualité, qui est tout le temps en marche, et surtout qui ne s’arrête que pour des tâches qui sont liées à la production elle même (changement de cartouche, de bac, etc...). Maintenir le système de production dispo-nible et en bon état de marche, est à l’origine des travaux de recherche concernant la maintenance industrielle. Initialement, la maintenance in-dustrielle consistait uniquement à réparer le plus vite possible l’équi-pement qui tombe en panne. mais ensuite, l’évolution a été vers le fait de prévenir que les pannes surviennent, et même prédire le temps res-tant de bon fonctionnement de l’équipement. Une panoplie de méthodes, techniques et stratégies ont été le fruit des travaux de recherche dans le domaine, et ont donné naissance à des normes qui font l’objet de dévelop-pement jusqu’à aujourd’hui. L’évolution technologique et l’informatique ont beaucoup apporté à la maintenance industrielle, nous notons ici, les logiciels d’acquisition des données, les systèmes de gestion de bases de données, les logiciels de GMAO, la technologie sans fil et en particulier les réseaux de capteurs intelligents ; ce sont tous des outils qui ont aidé dans l’accomplissement des tâche de maintenance au sein de l’entreprise. Dans ce chapitre, nous essayons de mettre au clair, la notion de mainte-nance industrielle ainsi que tous les concepts qui y sont liées.
FIGURE 2.1 – Architecture d’un système de maintenance
2.1.1
Définition de la Maintenance
Selon l’AFNOR [1] par la norme NF X 60-010, la maintenance se dé-finit comme étant l’ensemble des actions permettant de maintenir ou de rétablir un bien dans un état spécifié ou en mesure d’assurer un service déterminé. Bien maintenir, c’est assurer l’ensemble de ces opérations au coût optimal[9]. La définition de la maintenance met en relief quatre no-tion :
a) Maintenir qui suppose un suivi et une surveillance
b) Rétablir qui sous-entend l’idée d’une correction de défaut
c) État spécifié et service déterminé qui précise le niveau de compé-tences et les objectifs attendus de la maintenance
d) Coût optimal qui conditionne l’ensemble des opérations dans un souci d’efficacité économique.
Le rôle de la fonction maintenance dans une entreprise (quelque soit son type et son secteur d’activité) est donc de garantir la plus grande disponibilité des équipements au meilleur rendement tout en respectant le budget alloué.
2.1.2
Importance de la Maintenance Industrielle
L’importance de la maintenance industrielle réside dans le fait que tout équipement a un cycle de vie qui commence en général, par un mode de fonctionnement normal qui est à priori bon. Ce mode est caractérisé par un certain nombre de paramètres, définis par le concepteur. Avec l’exploitation au cours du temps, l’équipement passe à l’état ou mode de fonctionnement "dégradé", avec la dégradation de ses performances. Dans cet état, l’équipement ne peut accomplir que partiellement sa mis-sion. Si la dégradation n’est pas maîtrisée par le personnel qualifié pour la correction, l’équipement passe à l’état "défaillant" considéré comme l’état dans lequel l’équipement ne peut pas accomplir sa fonction principale. A partir de là, l’AFNOR[1] a définit les termes dégradation, défaillance et
panne. La figure 2.2 prise de [6] montre le cycle de vie d’un équipement. Temps T 1 T 2 T 3 T 4 Mode nominal Seuil de dégradation M a i n t e n a n c e Mode dégradé
FIGURE 2.2 – Modes de fonctionnement d’un système
2.1.3
Définition de la dégradation, défaillance et panne
Selon l’AFNOR [1] la dégradation et la panne ont été définies de la ma-nière suivante :
La dégradation est une évolution irréversible liée au temps, à la durée d’utilisation ou à une autre cause externe, d’une ou plusieurs caracté-ristiques d’un équipement. Par contre, la défaillance caractérise l’équipe-ment s’il est inapte à accomplir une fonction requise.
Quant à la panne, elle concerne l’état d’un équipement inapte à accom-plir une fonction requise en excluant l’inaptitude due à la maintenance préventive ou à d’autres actions programmées ou à un manque de res-sources extérieures. Si la défaillance se produit à l’instant t2, la panne représente l’état du système après défaillance.
N.B. Les modes de fonctionnement Dégradé et Panne sont considérés, comme étant, des états de fonctionnement anormal de l’équipement.
2.1.4
Les Niveaux de Maintenance
Plusieurs niveaux de maintenance ont été définis par l’AFNOR [1] selon le degrés de défaillance de l’équipement et la complexité des opérations. Ces niveaux ont été repris dans [15] de la manière suivante :
Niveau1 : C’est un contrôle effectué par le constructeur ou le service de maintenance, il est superficiel et n’implique aucun démontage ou ouver-ture de l’équipement. C’est généralement, un contrôle visuel et auditif des organes sensibles ainsi que des vérifications des niveaux d’huile, d’eau et des températures du bon fonctionnement.
Niveau2 : Dépannage par échange standard des éléments prévus à cet effet et d’opérations mineures de maintenance préventive. Ces interven-tions peuvent être réalisées par un technicien habilité ou l’utilisateur de l’équipement dans la mesure où ils ont reçu une formation particulière. Ce sont des opérations de remplacement, d’analyse, de réglages simples nécessitant éventuellement un outillage spécifique.
Niveau3 : Identification et diagnostic de panne suivis d’échange de com-posant, de réglage et d’étalonnage général. Ces interventions peuvent être réalisées par un technicien spécialisé sur place ou dans un local de maintenance à l’aide de l’outillage prévu dans des instructions de main-tenance. Ces opérations de maintenance de type curative, concernent des réglages et des réparations mécaniques ou électriques mineures, comme le remplacement de capteurs ou de modules défaillants.
Niveau4 : Travaux importants de maintenance corrective ou préventive à l’exception de la rénovation et de la reconstruction. Ces interventions peuvent être réalisées par une équipe disposant d’un encadrement tech-nique très spécialisé et des moyens importants adaptés à la nature de l’in-tervention. Ce sont des opérations assez complexes comme par exemple le rebobinage d’un moteur électrique, la rectification de culasse, etc.
Niveau5 : Travaux de rénovation, de reconstruction ou de réparation importante confiés à un atelier central de maintenance ou une entreprise extérieure prestataire de service. Ce niveau nécessite des moyens simi-laires à ceux utilisés en fabrication.
2.1.5
Les Composants d’un système de maintenance
in-dustrielle
Un système de maintenance industrielle est composé principalement de deux sous-systèmes : sous-système des activités techniques et celui des activités de gestion comme illustré dans la figure 2.3 tirée de [5]. Le sous-système technique concerne les opérations de maintenance, préven-tive et curapréven-tive, le diagnostic et les études des méthodes. Le sous-système
gestion englobe, tous les types de gestion, à savoir : ressources humaines, documentation, parcs des pièces, interventions, budgets.
Le dépannage et la remise en route Le diagnostic La prévention La réparation Les études et méthodes La gestion de l’information et de la documentation La gestion des ressources humaines La gestion des parcs et des pièces
La gestion des interventions La maintenance La gestion des budgets Activités à dominance technique Activités à dominance gestion
FIGURE 2.3 – Les Composants d’un Système de Maintenance Industrielle
2.1.6
Déroulement de l’opération de Maintenance
L’opération de maintenance est réalisée suivant un ensemble de tâches qui dépend du type de maintenance. Dans [17] on a essayé d’établir un schéma générique illustrant cet enchaînement, et valable pour tout type de maintenance, cet enchaînement peut être illustré dans les points sui-vants :
La demande Elle représente la formulation du besoin du client envers le prestataire du service.
Le déclenchement représente une signalisation souvent automatique d’un problème (défaillance ou panne) ce qui se traduit par une requête appelée demande d’intervention. La requête peut être ex-terne, déclenchée pour la plupart du temps par le client comme c’est le cas de la maintenance corrective et interne, initiée par un opérateur de maintenance qui signale un problème après son
contrôle ou une autre intervention. Elle peut être également dé-clenchée par le système de gestion des interventions préventives dans la GMAO ou par les capteurs ou plus généralement par un système de surveillance comme le SCADA. Comme la maintenance améliorative ne se fait pas régulièrement mais à titre exceptionnel, la phase déclenchement ne fait pas partie de son processus.
La préparation apparaît dans la maintenance préventive, proactive et dans la maintenance améliorative. Les deux premiers cas concernent une première étude de l’équipement, consistant en sa décompo-sition hiérarchique, de l’analyse fonctionnelle à l’AMDEC (Analyse des Modes de Défaillance, et de leurs Effets Critiques). Cette étude a pour but de développer la stratégie de maintenance la mieux adap-tée à l’équipement et éventuellement d’installer les capteurs néces-saires pour assurer la disponibilité et la fiabilité de l’équipement. Dans le cas de la maintenance améliorative, la phase préparatoire contient une étude spécifique de l’équipement en vue de proposi-tion de devis ou de l’amélioraproposi-tion du foncproposi-tionnement ou encore de la disponibilité de l’équipement.
Validation et correction se fait après la réception de la demande d’in-tervention. Celle-ci est corrigée et validée par le prestataire de ser-vices de maintenance et renvoyée au client qui exprime les disponi-bilités ou son accord pour la date de l’intervention. La planification et le lancement consécutif de l’intervention se font suivant la dispo-nibilité de l’opérateur dont les compétences sont nécessaires pour effectuer cette intervention (ses compétences sont identifiées dans le type d’intervention) et suivant le planning de la production et donc de la disponibilité de l’équipement. La demande d’interven-tion complétée de la date précise d’exécud’interven-tion est communiquée à l’opérateur en tant qu’ordre de travail.
L’ordonnancement et l’approvisionnement cette phase est requise dans le cas de la maintenance préventive, proactive et améliorative. Les outils et les pièces de rechange nécessaires pour la réalisation de l’intervention sont identifiés dans l’ordre de travail et peuvent être commandés si nécessaire par les acheteurs auprès des four-nisseurs. Suivant le délai d’approvisionnement, la date d’interven-tion est re-planifiée ou non. La prise en compte représente un mo-ment important pour les calculs des indicateurs élémo-mentaires pour la gestion de maintenance et notamment pour l’exploitation du re-tour d’expérience comme par exemple le temps de la réparation.
Le diagnostic et l’expertise de panne sur l‘équipement concernent la localisation et l’identification de la cause ainsi que les actions conduisant à sa réparation. Actuellement il est réalisé par l’opé-rateur de maintenance intervenant sur l’équipement, en se basant
sur le premier diagnostic fait par l’opérateur de production pen-dant la création de la demande d’intervention. Cette phase est pré-sente dans la maintenance corrective et proactive ce qui est dû au fait que pour les autres types de maintenance, le problème et sa solution, respectivement le diagnostic et l’action de réparation, sont identifiés dans la phase préparation et déclenchement. Suite au manque d’information sur la défaillance de l’équipement dans la maintenance corrective, l’approvisionnement ne peut se faire qu’après avoir identifié la panne et sa cause ce qui nous amène à identifier les besoins en outils et pièces de rechange nécessaires pour réaliser la réparation. Dans le cas de la maintenance proac-tive, l’approvisionnement peut se faire suite au diagnostic et à l’ex-pertise faits précédemment.
L’intervention représente une action de réparation de l’équipement en panne dans la maintenance corrective, une action de l’entretien de l’équipement dans la maintenance préventive et proactive ou encore l’intervention de la maintenance améliorative. Après avoir effectué l’intervention sur l’équipement donné, l’opérateur de main-tenance remplit obligatoirement le rapport d’intervention qui sert à l’exploitation du retour d’expérience et à la gestion de la mainte-nance.
Le contrôle et la restitution de l’équipement sont faits par l’opéra-teur de maintenance et le client (opéral’opéra-teur de production) qui véri-fient le fonctionnement de l’équipement.
FIGURE 2.4 – Déroulement de l’Opération de Maintenance
2.2
Stratégie de la Maintenance Industrielle
On distingue deux types de maintenance Industrielle : la maintenance corrective et la maintenance préventive. On parle de maintenance mixte
ou opportuniste lorsqu’une maintenance préventive est effectuée sur un équipement suite à la défaillance d’un autre équipement. Nous expli-quons ci-après les différentes stratégies.
FIGURE 2.5 – Stratégies de Maintenance Industrielle
2.2.1
La Maintenance Corrective
La maintenance corrective est définie par [1] comme étant une main-tenance accomplie après détection d’une panne et a pour objectif de re-mettre un équipement dans un état dans lequel il peut accomplir une fonction requise. Elle se fait selon deux types d’interventions : le
dépan-nage appelé aussi maintenance palliative et réparation appelé mainte-nance curative.
a) La maintenance palliative
Il s’agit d’interventions rapides, qui peuvent être effectuées sur le site de la panne ou à distance, et parfois elles ne nécessitent même pas l’interruption du système de production. Il en découle une re-mise en bon état de fonctionnement provisoire uniquement.
b) La maintenance curative
C’est une intervention sur le site de la panne et il en découle une remise en bon état de fonctionnement définitive.
2.2.2
La Maintenance Préventive
Deux types de maintenance préventive ont été définies : la mainte-nance systématique et la maintemainte-nance conditionnelle.
a) La maintenance systématique
C’est une intervention de maintenance pré-programmée effectuée selon un calendrier, avant la date probable d’apparition d’une dé-faillance. Elle est définie par [1] comme étant une maintenance ac-complie à des intervalles prédéterminés ou selon des critères pres-crits et destinés à réduire la probabilité de défaillance ou la dégra-dation du fonctionnement d’un équipement.
En pratique, lorsqu’un nouvel équipement est mis en service, des visites préventives périodiques, permettent de surveiller l’état de cet équipement, mais surtout de répertorier et de mettre en mémoire les informations qui permettront de connaître les lois de dégrada-tion et les seuils d’admissibilité. Ces visites préventives, permet-tront ainsi de prévenir les défaillances, donc de préparer des inter-ventions préventives. Lorsque le comportement du matériel devient connu, la maintenance évoluera vers la maintenance systématique à fréquence constante légère à gérer.
Une autre forme de maintenance préventive plus évoluée, consiste à mettre l’équipement sous surveillance continue. Elle est appelée la maintenance conditionnelle.
b) La Maintenance Conditionnelle
Cette forme moderne de maintenance appelée par l’abréviation CBM (Condition-Based Maintenance), permet d’assurer le suivi continu du matériel en service dans le but d’éviter un remplacement pré-coce des composants en bon état, ainsi que de prévenir les dé-faillances attendues. Le majeur avantage de cette stratégie est qu’elle n’implique pas nécessairement la connaissance de la loi de dégra-dation. Elle est définie par l’AFNOR [1] comme étant une main-tenance préventive basée sur une surveillance du fonctionnement
du bien et/ou des paramètres significatifs de ce fonctionnement intégrant les actions qui en découlent. La détection d’intervention préventive est prise lorsqu’il y a évidence expérimentale de défaut imminent, ou approche d’un seuil de dégradation prédéterminé. Sur le plan technique, l’information sur le fonctionnement des dif-férents composants d’un équipement est fournie par des capteurs fixés en permanence à la machine. Souvent reliés à une chaîne de télémesure (télésurveillance), ils permettent d’obtenir un signal d’alarme, un arrêt automatique du fonctionnement, un enregistre-ment continu, des paramètres mesurés devenant ainsi un éléenregistre-ment indispensable d’un système de télémaintenance.
2.2.3
La Maintenance Prévisionnelle
La maintenance prévisionnelle est une CBM approfondie. Elle est en effet basée sur l’analyse de l’évolution des paramètres techniques signifi-catifs de l’état de l’équipement et permet de repérer les éventuelles dégra-dations dès leur apparition. elle permet d’anticiper et de prévoir au mieux le moment où l’intervention devra être réalisée, de façon plus précise que la CBM. L’application de cette stratégie nécessite la maîtrise de la techno-logie et du comportement de l’équipement concerné dans ses conditions d’exploitation. Elle a été définie de façon plus formelle par l’AFNOR[1], comme étant "une maintenance conditionnelle exécutée en suivant les prévisions extrapolées de l’analyse et de l’évaluation des paramètres si-gnificatifs de la dégradation du bien."
2.2.4
Prognostic et Estimation de la Durée de
Fonction-nement avant Défaillance (Remaining Useful Life)
. Actuellement, c’est l’activité principale de la CBM ; dans la commu-nauté scientifique, elle est appelée PHM(Prognostic and Health Manage-ment) [12], elle implique les mêmes étapes que la CBM, mais son objectif est de faire le prognostic sur la durée de vie restante de bon fonctionne-ment de l’équipefonctionne-ment. Les techniques de PHM constituent une actualité dans la recherche en maintenance industrielle.
2.3
Organisation des travaux de maintenance
La réussite de La maintenance industrielle dans l’entreprise implique la maîtrise de deux aspects : l’aspect technique englobant entre autres, les stratégies de maintenance et les niveaux de maintenance, et l’aspect organisationnel qui constitue la base du bon accomplissement des tâches
techniques. Plusieurs modèles d’organisation ont été adoptés jusqu’à pré-sent, nous exposons ci-après, les caractéristiques des modèles d’organi-sation existant dans une entreprise [11], en commençant par les architec-tures traditionnelles et allant vers les strucarchitec-tures de plus en plus évoluées.
2.3.1
Maintenance décentralisée
La spécificité de ce type d’organisation est l’existence de la mainte-nance rapprochée, dite aussi maintemainte-nance de plateforme. Cette dernière consiste en un service de maintenance intégré aux équipes de production et d’exploitation ; ce service effectue quelques tâches initiales de main-tenance telles que : les diagnostics, l’orientation vers les compétences adéquates en cas de défaillance, la gestion des commandes, surveillance des travaux de remise en état, et participation aux améliorations. Le ser-vice de maintenance central n’intervient que lorsque le serser-vice de main-tenance rapprochée se trouve incompétent.
FIGURE 2.6 – Maintenance décentralisée
2.3.2
Maintenance centralisée
Dans ce cas, c’est un service central de maintenance qui gère toutes les activité de maintenance. Ce service est indépendant des services de production et d’exploitation et, est composé entre autres d’un service "mé-thodes" chargé de l’ordonnancement des travaux de maintenance, de leur préparation, des équipes techniques d’intervention, des magasiniers,. . . .
FIGURE 2.7 – Maintenance centralisée
2.3.3
Organisation Mixte
La fonction maintenance de plate-forme est étroitement intégrée à la conduite de processus. Les processus de dégradation sont de mieux en mieux maîtrisés grâce aux systèmes de surveillance intégrés dès la conception des installations.
En dehors de l’appel à des compétences très pointues (souvent externes), l’entreprise Générale de Maintenance(l’EGM) gère, dans ce cas, une main-tenance "courante" par rapport à celle de plate-forme et assure toute la partie logistique.
Avantages : bonne répartition des compétences, maîtrise des processus de vieillissement, préservation du savoir et maîtrise technique.
Inconvénients : nécessité d’un bon niveau technique des opérateurs de production qui doivent interpréter et prendre en compte les informations des systèmes de diagnostic. Il y a une redéfinition importante du rôle de la maintenance.
2.3.4
Maintenance sous-traitée
Certaines entreprises ont opté pour le choix de la sous-traitance totale avec des obligations de résultats. L’entreprise prestataire ou l’EGM peut elle-même sous-traiter certaines activités nécessitant des compétences pointues et, éventuellement, prendre en charge les stocks de pièces de rechange.
Avantages : des gains importants peuvent être obtenus par une di-minution du nombre d’interfaces et d’intervenants de corps de métiers différents.
L’EGM arrivant sur un site pose un regard neuf, ne subit pas l’entrave des habitudes et des inerties et peut entreprendre plus facilement une nouvelle politique de maintenance.
Elle doit apporter de solides compétences organisationnelles ; ces com-pétences techniques sont complétées par celles d’autres sous-traitants spécialisés. Elle a la responsabilité de détecter le dysfonctionnement, de déclencher la maintenance préventive et de faire appel aux spécialistes. Inconvénients : risque de perte de la maîtrise technique, de mobilité du personnel en fonction de la nature du contrat et de la politique de res-sources humaines pratiquées par l’EGM.
FIGURE 2.9 – Maintenance sous-traitée
2.3.5
Maintenance distribuée
La maintenance distribuée réalise toutes les tâches de maintenance industrielle en profitant des avantages technologiques offerts par les ré-seaux ; dans un premier temps, dans le cadre d’une télémaintenance, et ensuite dans le cadre d’une e-maintenance sur le réseau d’internet. En pratique, l’architecture du système comprend un ensemble de
pro-cesseurs (humains, matériels et informationnels), internes ou externes à l’entreprise, qualifiés pour réaliser un ensemble de processus. Deux so-lutions sont utilisées [5].
Partage : Une seule unité de maintenance prend en charge la mainte-nance de plusieurs entreprises.
Partage et collaboration : réseau dynamique de maintenance quand tous les membres du réseau interagissent entre eux (pas de leader). L’in-tensité de la relation entre l’unité de maintenance et l’entreprise peut varier alors de l’intégration à la co-entreprise.
Vision interne ENT1 UM1 UM Ent1 Ent2 Ent3 Ent4 UM Ent1 Ent2 Ent3 Ent4
Partage Partage plus collaboration
FIGURE 2.10 – Intensité du lien entre l’unité de maintenance (UM) et l’en-treprise
2.3.6
Discussion
Tous les types d’organisations précités ont été utilisés et ont des avan-tages et des inconvénients. Dans le cas de l’organisation décentralisée, la maintenance rapprochée intégrée aux équipes de production et d’exploi-tation permet une meilleure prévention et une bonne maîtrise du pro-cessus de dégradation, avec des possibilités renforcées d’actions sur les procédés d’exploitation, d’où diminution des micro défaillances, et facilité des actions qualité à la source des dysfonctionnements. Seulement, sa réussite nécessite une bonne coordination entre le service de production et celui de la maintenance de plate-forme d’une part, et celui de la main-tenance centrale et la mainmain-tenance de plate-forme d’autre part. Dans le cas de la maintenance centralisée, L’avantage d’avoir un service spécia-lisé pour assurer les activités de maintenance, est de maîtriser la fonction technique, et d’optimiser les efforts. Mais l’éloignement de ce service des
équipes de production fait qu’elle soit parfois éloignée de ses véritables préoccupations.
L’évolution technologique sur le plan matériel et logiciel, en particulier, internet et les réseaux de capteurs intelligents sans fil(RCsF) change les visions en matière d’organisation.
2.4
L’informatisation de la Maintenance
2.4.1
La Gestion de la Maintenance Assistée par
Ordina-teur(GMAO)
D’après [18] en premier, et [14] ensuite, la GMAO a été définie comme étant :"Un progiciel organisé autour d’une base de données permettant de programmer et de suivre sous les trois aspects techniques, budgétaire et organisationnel, toutes les activités d’un service de maintenance et les objets de cette activité (services, lignes d’atelier, machines, équipements, sous-ensembles, pièces, etc...) à partir de terminaux disséminés dans les bureaux techniques, les ateliers, les magasins et bureaux d’approvi-sionnement." La GMAO est devenue incontournable aujourd’hui par les facilités qu’elle a offert, à savoir : une meilleure réactivité, la traçabilité des procédures et des actions de qualité et un suivi des coûts. Elle peut s’interfacer avec la comptabilité, les achats les logiciels de gestion de pro-duction assistée par ordinateurs (GPAO), etc...Ce qui facilite les échanges transversaux entre les services [19]. Selon [19] quatre fonctionnalités ca-ractérisent la GMAO :
La Gestion des opérations de Maintenance proprement dites : toutes les interventions préventives et curatives.
La gestion du personnel : établissement des plannings, affectation des tâches aux personnes.
La gestion des stocks des pièces détachées : Contrôle des stocks en magasin, alerte sur seuil,réception des pièces.
La gestion des achats : édition des commandes, gestion des fournis-seurs et de leur prix,facturation.
2.4.2
Principe de l’opération de Maintenance par
Ordi-nateur
Pour faire une maintenance industrielle par ordinateur, on doit au préalable avoir stocké sur le disque dur de cet ordinateur une base de données qui contienne les différentes informations concernant l’équipe-ment, entre autres, les intervalles des valeurs de fonctionnement normal des paramètres relatifs aux composants des équipements. L’ordinateur doit aussi être relié à l’équipement et pouvoir acquérir les valeurs de fonctionnement effectif de cet équipement ; l’opération de maintenance est basée sur la surveillance des composants de l’équipement à l’aide de systèmes d’acquisition, et à comparer à chaque fois les paramètres de fonctionnement effectif du composant en question à l’intervalle de va-leurs de fonctionnement normal de ce composant. Un problème est si-gnalé lorsque la valeur de fonctionnement effectif est en dehors de l’in-tervalle des valeurs de fonctionnement normal.
2.4.3
La Télémaintenance(maintenance à distance)
Forme évoluée de la maintenance, la télémaintenance est un système permettant de rapatrier et de traiter toutes les informations techniques du processus de production[3]. Elle est définie par l’AFNOR[1] comme étant la maintenance d’un équipement sans accès physique du person-nel à l’équipement.
La télémaintenance vise donc à exploiter et gérer à distance Les machines du parc industriel en entreprise.
L’un des composants, les plus importants du système de télémaintenance est le réseau de communication. De nombreux travaux ont montré l’in-térêt que peuvent avoir les technologies Internet pour l’accès distant aux équipements à maintenir[7] L’infrastructure du réseau et l’interface uti-lisateur déjà existantes diminuent considérablement les coûts de déve-loppement des applications, l’accès aux équipements par un expert se fait indépendamment de sa localisation (à condition, bien évidemment, d’avoir une connexion Internet et un client Web installé, etc.)
2.4.4
La e-maintenance(télémaintenance via le Web)
La e-maintenance est une télémaintenance dans laquelle le réseau d’interconnexion est basé sur Internet. C’est à dire, une maintenance qui utilise les outils logiciels (soap, http,. . . ) et matériels (lignes télé-phoniques,. . . ) offerts par Internet. Comme exemple de plateforme de e-maintenance, nous présentons la plateforme Protéus, qui constitue notre premier contact avec la maintenance industrielle dans le cadre de cette thèse.
FIGURE 2.12 – Architecture d’un système de e-maintenance
PROTEUS :Plateforme de e-Maintenance Industrielle
Description de PROTEUS PROTEUS est une large plateforme qui en-globe toutes les activités de la maintenance industrielle incluant l’opéra-tion de maintenance elle même et toutes les applical’opéra-tions nécessaires à son bon déroulement à savoir la gestion de ressources (recherche, équi-librage de charge, etc. . . ) qui concernent les équipements, la pièce de rechange, les ressources humaines, et de surveillance.
En ce qui nous concerne, notre travail a porté sur l’opération de main-tenance au sein de cette plateforme. En tant qu’informaticiens, nous avons testé la faisabilité logicielle de l’opération de maintenance sur le web. Avant d’expliquer notre contribution à ce niveau, nous présentons, ci-après, le principe et le schéma de la plateforme de base relatif à l’opé-ration de maintenance dans PROTEUS.
FIGURE 2.13 – Architecture de PROTEUS Equipement n Equipement 2 Plateforme de e-maintenance e-documentation SCADA Equipement 1
FIGURE 2.14 – Schéma de la Configuration matérielle de la plateforme réelle
Principe de l’Opération de Maintenance dans Protéus
description La plateforme réelle est composée des éléments suivants :
1. Plateforme de maintenance : Poste contenant le portail de e-maintenance : site web ou interface utilisateur.
2. E-documentation : poste contenant un système de recherche documentaire. Ce système fait la gestion d’une base de données (locale ou distribuée) contenant, entre autres, toutes les
caracté-ristiques des équipements. Nous citons en particulier, les para-mètres de fonctionnement normal de chaque composant d’équi-pement.
3. Le SCADA : Système de supervision et d’acquisition, qui est re-lié à plusieurs équipements et permet d’acquérir et de numéri-ser les paramètres de fonctionnement effectifs des équipements pour qu’ils puissent être traités par ordinateur.
Scénario de l’opération de maintenance[2] Le scénario de e-maintenance se déroule de la manière suivante :
1. Le client se connecte au site de la plateforme de e-maintenance et demande de faire une maintenance préventive sur un équipe-ment qu’il spécifie.
2. La plateforme de e-maintenance doit :
-Récupérer du scada les paramètres de fonctionnement effectif de l’équipement.
-Récupérer de la e-documentation les paramètres de fonction-nement normal.
-Comparer les paramètres de fonctionnement effectif aux para-mètres de fonctionnement normal et informer le client par des affichages sur la (les) composant(s) à changer ou à vérifier dans l’équipement.
NB. Tout se déroule de façon transparente à l’utilisateur qui ne communique qu’avec le site de la plateforme. La communication entre les différents composants se fait par services Web.
Les Technologies Utilisées : Les Services Web Le service Web est une nouvelle technologie qui permet la communication entre applications web. Sa vulgarisation rend possible, la situation suivante : Un utilisateur programmeur éloigné, à Oran par exemple peut par programme invoquer un service implémenté et disponible sur un serveur se trouvant à Sé-tif ; et tout se passe de façon transparente, comme si le programmeur se trouvant à Oran, invoquait une simple procédure stockée sur son propre disque. Cette simplicité apparente cache derrière, toute une architecture et plusieurs couches de logiciel et de structures de données. Nous expli-quons ci-après l’architecture des services web.
Architecture d’un service web Soap/RPC Un service web est basé sur trois composants : SOAP/XML (Simple Object Access Protocol) comme middleware de communication, le WSDL (Web Service Description Lan-guage) le langage de description du service web, l’UDDI (Universal
Des-cription Discovery and Integration) (l’annuaire des services) Le Service est invoqué suivant les étapes suivantes :
1. Le client cherche le service dans l’annuaire des services, ceci lui permettra de connaître le serveur qui l’héberge.
2. Le Client demande au serveur le contrat WSDL représentant la des-cription du service.
3. Le contrat envoyé est utilisé par le client pour formuler sa requête qu’il envoie au serveur.
4. Le serveur exécute le service web approprié en réponse à la requête et renvoie la réponse dans un format soap.
SOAP : Soap est un protocole de transmission de messages. Il définit un ensemble de règles pour structurer des messages qui peuvent être utilisés dans de simples transmissions unidirectionnelles, mais il est particulièrement utile pour exécuter des dialogues requête-réponse RPC. Ses caractéristiques peuvent être résumés dans les points suivants :
-Norme du W3C.
-Il n’est pas lié à un protocole particulier mais http est le plus uti-lisé.
-Il passe à travers les firewalls puisqu’il peut utiliser le protocole principal d’internet (http).
-Il n’est pas lié à un système d’exploitation ni à un langage de pro-grammation, donc, théoriquement, les clients et serveurs de ces dialogues peuvent tourner sur n’importe quelle plateforme et être écrits dans n’importe quel langage, du moment qu’ils puissent for-muler et comprendre des messages soap.
-Pour ses caractéristiques précitées, c’est un composant de base pour développer des applications distribuées qui exploitent des fonc-tionnalités publiées comme services par des intranets ou internet. Le WSDL : La notion de contrat définie dans le modèle RPC (Remote
Procedure Call) est mise en oeuvre dans les services web par le WSDL. Le WSDL a été introduit pour décrire de manière standard comment deux applications peuvent communiquer, à l’instar d’IDL pour Corba. Avec le WSDL, on peut décrire les opérations d’un Ser-vice Web ainsi que son emplacement sur Internet. Dans la pratique un document WSDL ne représente qu’une simple abstraction de l’interface publique d’un Service Web. De ce fait, on peut générer un document WSDL depuis un code source et inversement. Dans la majorité des cas, le développeur s’attardera en premier lieu à dé-velopper une application fonctionnelle et fera appel à des outils de traduction pour générer les interfaces WSDL.
Le WSDL est écrit en XML et décrit principalement les quatre en-sembles de données suivants :
-Information d’interface décrivant toutes les fonctions disponibles publiquement.
-Information de type de donnée pour toutes les requêtes de mes-sage et requêtes de réponse.
-Information de liaison sur le protocole de transport utilisé. -Information d’adresse pour localiser le service spécifié.
Une fois qu’un Service Web est développé, il faut publier sa descrip-tion et faire un lien vers elle dans un catalogue UDDI , de sorte que les utilisateurs potentiels peuvent le trouver. Quand un utilisateur souhaite utiliser le service, il fait une demande de son fichier WSDL afin de connaître son emplacement, les appels de fonctions et com-ment y accéder. A partir de cela, il peut composer, par exemple, une requête SOAP vers l’ordinateur du service.
L’annuaire UDDI : L’UDDI est un registre public créé par un cer-tain nombre d’entreprises, notamment Microsoft, IBM, Sun, Oracle, Compaq, Hewlett Packard, Intel, SAP et plus de 300 autres, conçu pour héberger des informations sur les entreprises et leurs services de façon structurée. Au travers l’UDDI, il est possible de publier et de découvrir des informations sur une entreprise et ses services Web. Ces données peuvent être classifiées à l’aide de taxonomies standards. Ces informations peuvent donc être recherchées par ca-tégories. Enfin et surtout, l’UDDI contient des informations sur les interfaces techniques des services d’une entreprise. Grâce à un jeu d’API XML basées sur SOAP, il est possible d’interagir avec l’UDDI au moment de la conception et de l’exécution pour découvrir des données techniques, de sorte que ces services peuvent être invo-qués et utilisés. De cette façon, l’UDDI sert d’infrastructure à un paysage logiciel reposant sur des services Web.
En pratique, il existe principalement deux plateformes d’implémen-tation des services web : J2EE de Sun et .NET de Microsoft. A titre de test, nous avons utilisé pour notre simulation, la plateforme .NET.
Simulation du Scénario de maintenance Notre objectif est de montrer la faisabilité de ce script. Afin d’en faire une simulation, nous avons rem-placé le scada par un simple PC qui englobe un service web qui fait une simple lecture des valeurs au clavier simulant ainsi le fonctionnement d’un scada. Les valeurs lues supposées être les paramètres de fonction-nement effectif d’un équipement.
-Description des services web SW0, SW1, SW2
1. Le service SW0 Service Emaint( ) ; {
Lire (cod_equip, nom_crit) ;
// Récupérer les références du service // scada dans l’UDDI
Recup_ref_servscada_Uddi( ) ;
// récupérer les références du service // e-doc dans l’UDDI
Recup_ref_servedoc_uddi( ) ; //invocation du SW scada Envoi_soap_scada( ) ; //invocation du SW edoc Envoi_soap_edoc( ) ;
// Comparaison des valeurs et affichage des résultats Affichage_diagnostic( ) ;
}
2. Le service SW1 service_edoc( ) ; {
Lire_bd(cod_equip, nom_crit, val_min, val_max) ; // Récupération de val_min et val_max
}
3. Le service SW2 Service_scada( ) ;{
// Récupération de val_effect
Lire(cod_equip, nom_crit, val_effect) ; }
P C1 Val_effe ct Code equip, Val_min, val_max P C2 Sw1 Sw2 Sw0 Site web P C 0
FIGURE 2.16 – Structure de l’Application
Schéma de la plateforme finale visée Comme PROTEUS est une pla-teforme générique, elle doit regrouper et s’interfacer avec des systèmes, déjà existant de e-documentation, d’acquisition et surveillance. Dès lors une grande partie du projet est consacré à l’adaptation de systèmes déjà existants à la nouvelle vision adoptée par PROTEUS qui a la structure schématisée dans la figure 2.17.
2.5
L’intégration des Réseaux de Capteurs sans
Fil Dans les Tâches de Maintenance
Indus-trielle
2.5.1
Introduction
Depuis l’émergence de la technologie sans fil, et l’apparition des ré-seaux de capteurs intelligents. L’opération de surveillance en mainte-nance industrielle peut ne pas être effectuée à l’aide de grosses instal-lations ou systèmes d’acquisition de données stationnaires tels que les Scadas. Ces installations ont été remplacées dans plusieurs cas par un système de réseaux de capteurs sans fil.
Comme l’application basique d’un réseau de capteurs est la surveillance, et que la surveillance industrielle est une phase clé dans le processus de maintenance. Il est évident, que les industriels soient les précurseurs dans le test de ces équipements, notamment en maintenance prévision-nelle et particulièrement le PHM [13][12][16]. L’avantage des capteurs intelligents réside dans le fait qu’ils soient des équipements miniaturi-sés, faciles à déployer et placés n’importe ou. Et la structure de réseaux de capteurs permet le transfert d’information multi-sauts à la station de base pour prise de décision. Le recourt à de tels systèmes de sur-veillance en industrie, s’avère souvent nécessaire ; comme, par exemple, les usines de production industrielle manipulant ou dégageant des pro-duits toxiques, inflammables ou radioactifs.
Dans ce type d’usines l’outil technologique et informatique joue un rôle très important. Car toutes les opérations d’exploitation et de maintenance sont télécommandées à partir de salles de commandes, dans l’objectif de mettre le personnel de l’usine à l’abri des dangers pouvant provenir de la matière manipulée.
2.5.2
Suivi de l’état des machines avec un réseau de
capteurs (Maintenance Prévisionnelle)
Plusieurs systèmes de surveillance avec réseaux de capteurs ont été décrits dans la littérature, [10] a fait la synthèse de plusieurs travaux dans le domaine. Parmi ces travaux nous exposons : [20], [21], [22] et [23] qui concernent la maintenance basée sur l’état des machines. Cela constitue l’une des dernières avancées en recherche dans le domaine de la maintenance industrielle d’une part, et dans l’utilisation spécifique des RCsF d’autre part.
[20] concerne l’utilisation d’un RCsF pour la surveillance de pipeline. les auteurs décrivent le RCsF dédié à détecter, localiser et quantifier les
ex-plosions, les fuites, et autres anomalies tels que les blocages ou dysfonc-tionnement des soupapes de commandes dans les canalisation de trans-mission de l’eau. Les auteurs présentent des résultats et l’expérience d’un déploiement réel d’un RCsF et fournissent même des algorithmes pour détecter et localiser, l’endroit exact des fuites.
[21] concerne le développement d’un RCsF pour la surveillance de l’état de machines. Les auteurs présentent les exigences de conception, les li-mites et les lignes directrices pour ce type d’applications de RCsFs. En plus ils implémentent leur système de surveillance d’état sur les instal-lations de chauffage et de climatisation dans l’institut de recherche en automatique et robotique de l’université de Texas.
Dans [22], les auteurs proposent un système basé sur un accéléromètre pour la surveillance d’état des vibrations de machine et abordent le pro-blème de la maintenance prédictive et la surveillance basée sur l’état des machines dans les usines en général. Ils démontrent une relation linéaire entre la finition de la surface, l’usure de l’outil et les vibrations de la ma-chine prouvant ainsi la convivialité du système proposé dans le suivi de l’équipement.
Les auteurs de [23] se concentrent sur la maintenance des équipements de prévention. Les signatures des vibrations sont réunies pour prédire les défaillances de l’équipement. Ils étudient l’application de l’analyse des vibrations pour la surveillance de l’état de l’équipement dans un bâti-ment central de support d’utilité dans une usine de fabrication de semi-conducteurs qui abrite la machinerie pour produire de l’eau pure, ma-nipuler des gaz et des eaux usées, de procédé pour des lignes de fabri-cation. En outre, les auteurs déploient le même réseau de capteurs sur un pétrolier afin de surveiller les machines à bord. À la fin, ils discutent les lignes directrices de conception d’une plate-forme et des applications industrielles idéales, une étude de l’impact de la plate-forme sur l’archi-tecture, la comparaison des deux déploiements susmentionnés et une démonstration du rendement de l’application.
2.6
Discussion
La maintenance industrielle a toujours existé en tant que concept, mais elle consistait uniquement à réparer l’équipement une fois qu’il tom-bait en panne. Mais à présent, la maintenance industrielle a pris d’autres formes beaucoup plus complexes, et elle constitue un créneau très actif de la recherche. Nous avons présenté dans ce chapitre les concepts fon-damentaux de la maintenance industrielle, nous avons défini les niveaux associés aux tâches de maintenance qui sont fonction de la profondeur de l’intervention, ainsi que les différentes stratégies qui dépendent du mode de gestion adopté qui dépend lui même des équipements mainte-nus. Nous avons présenté également les différentes organisations
exis-tantes : centralisée, décentralisée et sous traitée. Le choix de la stratégie et de l’organisation est décidé par le responsable du service maintenance, et il est conduit par le profit tiré par les méthodes adoptées. L’informatisa-tion, a une très grande influence sur la maintenance, que ce soit dans la gestion du service maintenance ou bien dans la réalisation des opérations techniques. Nous avons présenté dans ce cadre, les systèmes de GMAO, le principe de l’opération de maintenance par ordinateur, la télémainte-nance ou maintetélémainte-nance à distance réalisée sur un réseau local permettant de faire la maintenance de machines distantes de quelques mètres, et enfin la e-maintenance qui est une télémaintenance via internet qui per-met de maintenir des équipement distants de milliers de kilomètres. La plateforme PROTEUS a été présentée dans ce cadre. Les recherches en maintenance ont conduit aujourd’hui à une nouvelle tendance qui est la maintenance prévisionnelle qui est une maintenance conditionnelle (CBM) approfondie, de laquelle plusieurs notions ont surgi : Le PHM(le Prognostic et le Health Management) qui est le cœur de la CBM et qui consiste à estimer le temps restant de bon fonctionnement à l’équipe-ment. La maintenance prévisionnelle se base fondamentalement, sur la surveillance continue de l’état de l’équipement. Et comme l’utilisation des réseaux de capteurs s’impose dans le milieu industriel, nous les avons explorés pour essayer d’apporter une contribution concernant leur utili-sation pour la surveillance en maintenance prévisionnelle.
Les Réseaux de Capteurs sans
Fil : état de l’art
3.1
Introduction
Le besoin de maîtriser et de contrôler l’environnement d’une part, et l’évolution conjointe des systèmes micro-électromécaniques(MEMS), de la communication sans fil et l’électronique numérique d’autre part, ont mené à la création des réseaux de capteurs sans fil(RCsF). Ces derniers sont des réseaux ad hoc peu mobiles ou stationnaires, dont les nœuds sont des capteurs. Le capteur est un dispositif miniaturisé, doté d’une unité d’acquisition capable de prélever une grandeur physique(température, pression, humidité,etc...), la numériser, la traiter, la stocker, et la trans-mettre dans le réseau via un canal de communication radio.
3.1.1
Structure d’un capteur intelligent
Le capteur intelligent est composé de quatre unités :
1. L’unité d’acquisition : composée d’un dispositif de capture (Trans-ducer) qui permet d’acquérir les valeurs des paramètres de l’envi-ronnement en question et de les transformer en signaux analo-giques, et d’un convertisseur analogique/numérique (A/D Conver-ter) qui permet de numériser les signaux prélevés et de les trans-mettre à l’unité de traitement.
2. L’unité de traitement : composée d’une mémoire et d’un proces-seur dont le fonctionnement est basé sur le système d’exploitation, généralement, TinyOS[24]. Elle acquiert les informations en pro-venance de l’unité d’acquisition, éventuellement les analyse et les traite et les envoie à l’unité de communication.
3. L’unité de communication(Transceiver) : responsable de toutes les communications utilisant le support de communication radio. Il en existe deux types : optique comme les capteurs Smart Dust, ou radio-fréquence comme les capteurs MICA2.
4. Batterie : le capteur s’alimente à partir d’une petite batterie d’éner-gie limitée et généralement irremplaçable. C’est pour cette raison que la ressource énergie est précieuse dans les réseaux de cap-teurs.
Certains capteurs sont dotés de systèmes de positionnement comme le GPS(Global Positioning System) et d’un mobilisateur permettant le dé-placement.
