Chapitre 3Modélisation des systèmes automatisés de production

Chapitre 3

Modélisation des systèmes automatisés de production

Conception et simulation des systèmes de production

Quelques exemples de FMS/FAS pour d’autres application

SMC Training Corp

Source: SMC Training Corp

http://www.youtube.com/watch?v=2qc0-yTXBts&feature=related

Quelques exemples de FMS/FAS pour d’autres application

Pourquoi modéliser ?

Buts de la modélisation

• Représenter la dynamique d’un système complexe

• et tester le système « sur papier » : « QUE SE PASSE-T-IL SI L ’EVENEMENT n ARRIVE AVANT m MAIS APRES p ET QUE

…. »

• Permettre la communication entre spécialistes de divers domaines

• Valider le design (conception) coûts et délais Erreur détectée « sur le papier », facteur 1 Erreur détectée « en production », facteur 10 Erreur détectée « chez le client », facteur 100

• Structurer le logiciel de commande

• Outil de diagnostic et dépannage (local et à distance) Modélisation des systèmes automatisés

Gestion globale Pilotage système

Pilotage machines Modèle hiérarchique

Modélisation « multi-couches)

MACHINES A ETATS FINIS / FINITE STATE MACHINE

e * s s ’

événement action

e a

-Déterministe

- Nombre fini d’états (stables ou transitoires) fs : e . s s ’

fa : e : s a

Modélisation par machines à états finis

ETAT

n STATE IN ACTION OUT ACTION

n n° de l ’état STATE dénomination

* IN ACTION: ACTION TOUJOURS EXECUTEE A L ’ENTREE DANS L’ETAT

* OUT ACTION : ACTION TOUJOURS EXECUTEE A LA SORTIE DE L’ETAT

EVENT m EVENT

EVA m

m n° de l ’événement EVENT dénomination EVENT ACTION m

• EVENT ACTION : ACTION TOUJOURS EXECUTEE LORSQUE L’EVENEMENT m SE PRODUIT

STATE / EVENT ACTION

n

m ^SEA_{n m}

* STATE/EVENT ACTION : ACTION CORRES POND A L ’ARRIVEE DE L ’EVENEMENT m DANS L’ETAT n

STATE/TRANSITION ACTION

n

m ^STA_{n n ’}

n´

* STATE TRANSITION ACTION : ACTION CORRESPONDANT A LA TRANSITION n n ’

EXEMPLES

n

m ^SEA_{n m}

n

m

p

STA n n ’ SEA

n p SEA n m

n ’

n

m

n ’

INDIRECT TRANSITION ACTION n

m

n ’

n ’ ’ 1

2 ITA n m

INDIRECT TRANSITION ACTION: TEST EFFECTUE SUR UNE OU PLUSIEURS CONDITIONS ET DETERMINANT LA TRANSITION VERS L ’ETAT SUIVANT

n

m DEFERRED EVENT

DEFERRED EVENT : TEST SUR L’APPARITION DE L ’EVENEMENT m DANS D’AUTRES ETATS ANTERIEURS

O

Exemple d’une modélisation par machine à états finis

Commande logique d’une grue d’un magasin automatique

http://www.youtube.com/watch?v=ePL3-SBa9ew

1. Reçoit un ordre (Prendre, Déposer, Aller à ) X,Y,Z 2. Exécute l’ordre de manière autonome

3. Annonce le résultat (OK, pas OK)

1 ^IDLE

1 ^{ORDRE STA}₁₂

2 ^BUSY

4 ACK STA

21

Cela suffit-il?

1 ^IDLE

1 ^{ORDRE STA}₁₂

2 ^BUSY

4 ACK

5 ^RETRY

3 NACK

5 ^RESET

3 ^DOWN

INA STA

21

SEA 23 STA

32

STA 31

Cela suffit-il?

1 ^IDLE

1 ^{ORDRE STA}₁₂

2 ^BUSY

4 ACK

5 ^RETRY

3 NACK 2 ^{Time Out}

5 ^RESET

3 ^DOWN

INA STA

21

SEA

22 SEA

23 STA

32

STA 31

1 ^IDLE

1 ^{ORDRE STA}₁₂

2 ^BUSY

4 ACK

5 ^RETRY

3 NACK 2 ^{Time Out}

5 ^RESET

3 ^DOWN

INA STA

21

SEA

22 SEA

23 STA

32

STA 31 Base de données

ETAT ETAT:

UNITE 1 UNITE 2

* VISUALISER

* MODIFIER L ’ETAT

*GENERER DES EVENEMENTS

L’outil Stateflow®

Intégré dans la suite MATLAB / Simulink®

• sous-diagrammes (encapsule une partie des états)

• super-transitions (transitions entre sous-diagrammes)

• données (valeurs numériques référencées dans le diagramme)

• parallélisme (plusieurs états actifs simultanément)

• historique (point final d’une transition basé sur des informations du passé

L’outil Stateflow®

Intégré dans la suite MATLAB / Simulink®

Introduction à Stateflow

http://www.mathworks.com/products/demos/stateflow/introduction/index.html

Exemple d’application

http://www.mathworks.com/products/demos/simdrive/powertrain_controller/

La simulation des systèmes automatisés

Buts de la simulation:

•

valider la conception (capacité du système)

• tester des variantes

• tester les limites (rattrapage après arrêt)

• former le personnel

Exemple de simulation d’un système physique:

http://www.youtube.com/watch?v=V2RZO9W6V6k&feature=related

Sécurité des systèmes de production

Conception et simulation des systèmes de production

Loi de Murphy

Sécurité des systèmes de production

Cadre légal en Suisse:

• divers règlements et lois contrôlé par la SUVA

• règles semblables en Europe

• norme européenne CE (analyse des risques et mesures préventives)

• responsabilité civile produits

Mesures préventives

• Chaîne d’arrêt d’urgence stoppant toute l’installation

• Accès protégé par grillages, portes, capots etc. avec/sans coupe-circuit

• Sécurité de l’alimentation et mise en route

• Aspect sécurité à prendre en compte dans la conception

• Sécurité « active » permettant l’intervention sans arrêts de production

Exemples de mesures préventives

Protection contre les collisions Eliminer l’écrasement

Marche manuelle protégée

a) boucliers de sécurité b) parois latérales

lisses

c) Espace > 500mm d) Panneau incliné e) Pupitre de

commande avec touches à impulsions

Buts Mesures

Sécurité durant la conception

P₁ Barrière photoélectrique de présence

D₁ Barrière photoélectrique de débordement (bloque les mouvements de la navette)

P₂ Barrière photoélectrique de présence D₂

Sécurité durant la conception

Passage du convoyeur sur la navette :

1. Navette vide en position 2. Convoyeur 2 en marche 3. Convoyeur 1 en marche

4. Arrêt convoyeur 1 à la chute de P₁ou time-out correspondant à une longueur de convoyeur

5. Arrêt du convoyeur 2 sur apparition de P₂

6. Départ de la navette si D₁et D₂à 0 et convoyeur 1 et 2 arrêté

Ce système a un défaut de conception, lequel?

D₂

Sécurité durant la conception

Si la distance vue entre 2 charge = 0 (emballage débordant par exemple), le convoyeur 1 ne s’arrête pas et pousse la charge hors de la navette même avec le convoyeur 2 arrêté !

D₂

Sécurité active

Travaux de réglage en cours de production

Tunnel permettant d’accéder aux éléments à régler uniquement

Réglage par la commande numérique

Réglage par éléments extérieurs

La loi de Murphy, fidèle compagne de l’ingénieur

If it can go wrong, it will.

Si quelque chose peut foirer, alors ça foirera

Un accident est presque toujours une combinaison ou une suite d’applications de la loi de Murphy

Edward Aloysius Murphy, Jr.(January 11, 1918 – July 17)

Un exemple parmi tant d’autres : le vol AC 143 « Planeur de Gimli »

Vol AC143 à court de carburant à mi-parcours et à 12’000 m d’

altitude :

- posé après avoir plané 17 min.

sans moteurs et commandes hydrauliques minimales ! Causes principales:

- calcul du fuel basé sur la masse et non le volume pour le premier avion (B767) d’AC utilisant le système métrique…►

- erreur de conversion : ~1.77 lbs/l au lieu de 0.8 kg/l soit 9144 litres chargés au lieu de 20’400

- panne du système de contrôle des jauges non détectée - alimentation électrique des indicateurs très réduite - incident pas simulé durant la formation des pilotes - par chance, le pilote était amateur de vol à voile et les

ingénieurs avaient conçu une petite turbine de secours !

http://www.youtube.com/watch?v=4yvUi7OAOL4

Un exemple parmi tant d’autres : la plateforme Deepwater Horizon

Un tuyau coincé à l'origine de la marée noire du golfe du Mexique….

Un défaut des obturateurs à mâchoires (BSR, blind shear rams), qui ont pour rôle de couper les conduits de forage en dernier ressort pour éviter le jaillissement incontrôlé du pétrole.

"La cause initiale de l’accident a été identifiée comme étant due au fait que les BSR n’ont pas pu se fermer complètement en raison d’un morceau de conduit.

de forage coincé entre les blocs", conclut l’étude, qui recommande à l’industrie pétrolière de se pencher sur la question pour éviter que cela ne se produise ailleurs…..

Que faire pour contrer Murphy ?

AMDEC : une méthode de prévention

AMDEC Analyse des Modes de Défaillances, de leurs Effets de leur Criticité

FMECA Failure Mode Effect and Criticity Analysis Origine : USA, dans les années 50

Mise en évidence des défaillances potentielles le plus tôt possible

• identifier les causes de défaillances

• identifier leurs effets

• hiérarchiser les défaillances

• prévenir les défaillances

Une AMDEC par étape de vie du produit:

• AMDEC produit/projet au stade de la conception

• AMDEC produit/process lors de la conception du système de production

• AMDEC SàV au niveau de l’utilisation

Le triplet « Effet / Cause / Détection » définit un mode de défaillance:

Effet : conséquence pour l’utilisateur (simple gêne, perte de production, accident grave…)

Cause : une parmi les causes, construire l’arbre des défaillances

Que faire pour contrer Murphy ?

Cotation d’un mode de défaillance:

Fréquence d’apparition : probabilité que la cause existe x probabilité que la cause entraîne la défaillance

Gravité : effet pour l’utilisateur

Détection : probabilité de détecter le défaut

inéxistante critique

souvent 15

incertaine moyenne

possible 5

100%

sans

~jamais 3

Détection Gravité

Fréquence Cotation

IPR

Exemple : casse d’un manche d’outil

Que faire pour contrer Murphy ?

Les cygnes noirs (Nassim Nicholas Taleb)

-6σ -3σ -2σ -1σ x +1σ +2σ +3σ +6σ

LSL Normal Distribution Centered USL Distribution normale centrée

σ DPMO^* Probabilité

6 3,4 99,9997%

5 233 99,977%

4 6 210 99,379%

3 66 807 93,32%

2 308 537 69,2%

1 690 000 31%

* Défauts par million d’unités produites

« Médiocristan » « Extremistan »

Evénements peu probables, mais scalables (sans limites) : dinde de Noel Evénements non scalables.

limités, p.ex. taille d’un être humain

Un vol de « cygnes noirs », l’amerrissage sur la Hudson River

Un vol de « cygnes noirs », l’amerrissage sur la Hudson River

http://www.dailymotion.com/video/x8jn6a_atterissage-hudson-river-animation_news

On ne peut que se préparer à réagir aux cygnes noirs qui sont par nature imprévisibles!

Un « cygne noir » de taille, la centrale nucléaire de Fukushima

Destruction des systèmes de refroidissement suite à un

Plateforme Deepwater Horizon: damned blind sheer ram !