2021 automatisation industrielle : état actuel et perspectives d’avenir

automatisation industrielle

L’émergence de l’industrie 4.0 a un impact significatif sur les branches de l’automatisation industrielle en 2021, notamment l’ingénierie des systèmes, des processus et de la conception. Cet impact va de la manière dont les produits sont conçus dans des usines intelligentes à la reconception des opérations de l’usine et des processus de fabrication eux-mêmes.

La production de masse a pour effet d’optimiser les méthodes de fabrication traditionnelles. Les usines de l’industrie 4.0 sont conçues pour prendre en charge la fabrication flexible et la personnalisation de masse. Cette dernière et la livraison de produits plus personnalisés suscitent une plus grande fidélité à la marque. De plus, elles augmentent le succès des entreprises. Les différentes branches du génie industriel sont essentielles pour développer les innovations nécessaires à l’industrie 4.0.

Le développement de systèmes de systèmes dans l’automatisation industrielle en 2021

L’émergence des systèmes cyber-physiques ou Cyber-Physical System (CPS) chez les anglophones et de systèmes de systèmes ou System of System (SoS) sont deux caractéristiques essentielles de l’industrie 4.0. 

Les CPS favorisent une collaboration accrue entre l’homme et la machine grâce à une connectivité sans fil omniprésente. Celle-ci intègre les actifs informatiques et physiques de l’usine au cloud. Les CPS ont un impact perturbateur sur les branches de l’automatisation industrielle et permettent le développement des SoS.

Un SoS est un groupe de systèmes qui fonctionnent ensemble pour permettre un nouveau système plus complexe. Ce dernier supporte une plus grande capacité et performance que la somme des systèmes constitutifs. Le SoS est un domaine émergent de l’industrie 4.0. Ainsi, les ingénieurs système et les chercheurs sont encore en train de développer les outils d’analyse quantitative pour optimiser le SoS.

Ingénierie des systèmes pour l’industrie 4.0 en automatisation industrielle en 2021

Le terme « ingénierie des systèmes » a été utilisé pour la première fois dans le cadre de l’industrie 2.0 aux Laboratoires Bell au début des années 1940. L’ingénierie des systèmes comprend cinq phases.

Les systèmes sont devenus de plus en plus complexes avec l’industrie 4.0. Malgré tout, les phases de base restent les mêmes :

  1. Les études préliminaires du système et la planification du programme.
  2. La planification exploratoire comprend la sélection des objectifs, la synthèse préliminaire des systèmes et l’analyse, en commençant par identifier la solution système préférée.
  3. La planification du développement comprend l’affinement des objectifs, l’affinement de la synthèse et de l’analyse des systèmes, l’identification d’une solution de système final.
  4. La mise en œuvre du développement prend en compte la croissance des éléments et des composants du système ainsi que l’intégration et les essais de ces parties.
  5. L’ingénierie simultanée, un processus continu qui se déroule pendant que le système est opérationnel et qu’il est affiné et mis à jour.

Un domaine pluridisciplinaire

L’ingénierie des systèmes est un domaine pluridisciplinaire. Un système comprend généralement le matériel, les logiciels, l’équipement, les installations, le personnel, les processus. Il comprend aussi les procédures nécessaires pour accomplir une tâche ou un ensemble de tâches données. 

L’objectif principal de l’ingénierie des systèmes est d’organiser les informations et les connaissances. Cela aide ceux qui gèrent, dirigent et contrôlent la planification, le développement, la production et l’exploitation des systèmes.

L’ingénierie des SdS pousse plus loin le processus d’ingénierie des systèmes. En effet, elle se concentre sur la planification, l’analyse, l’organisation et l’intégration des capacités de plusieurs systèmes.

L’utilisation de l’IoT et de l’informatique en cloud peut favoriser l’intégration de plusieurs systèmes dans un SdS. Les systèmes collaboratifs, mais autonomes peuvent fournir des capacités supérieures à la somme des capacités des systèmes individuels qui les composent. 

La combinaison de systèmes accroît les complexités auxquelles les ingénieurs système doivent faire face lorsqu’ils envisagent des mises en œuvre de SdS. Elle peut évoluer et inclure des systèmes ou des capacités et technologies encore à concevoir.

L’émergence de l’industrie 4.0 en 2021

L’émergence de l’industrie 4.0, des CPS et des SoS a développé la complexité des défis auxquels sont confrontés les ingénieurs système de manière accrue. Parmi ces défis, on peut citer :

  • Le contrôle numérique et l’optimisation de la production personnalisée.
  • L’automatisation de plus en plus flexible et adaptative en 2021
  • Une interaction homme-machine croissante
  • L’intelligence artificielle (IA) et l’apprentissage machine (ML), de la périphérie au cloud.

La nouvelle génération d’ingénieurs système a développé des compétences en matière d’extraction et d’analyse des données. De plus, ces informations sont capturées par l’intégration d’une périphérie ou d’une passerelle intelligente qui collecte de manière transparente les données correctes depuis l’usine. Cela nécessite ainsi les compétences combinées de :

  • l’ingénierie des processus pour identifier les données significatives et précieuses 
  • et des ingénieurs concepteurs pour développer des équipements et des dispositifs capables de capturer et de rapporter les données en temps réel.

Ingénierie des procédés et l’automatisation industrielle en 2021

Traditionnellement, les ingénieurs des procédés sont chargés de concevoir, de mettre en œuvre et d’optimiser les procédés chimiques et biochimiques. C’est particulièrement le cas des procédés continus au sein des industries chimique, pétrochimique, agricole, de traitement des minéraux, alimentaire, pharmaceutique et biotechnologique. 

Avec les développements de l’industrie 4.0, cette définition s’est élargie pour inclure les processus nécessaires à la personnalisation de masse de tous les types de produits. Dans les usines de l’industrie 4.0, presque tout est en ligne et connecté avec des capteurs partout. Les ingénieurs de processus doivent maximiser la valeur des réseaux massifs de capteurs connectés.

La collecte de données via des logiciels spécialisés

À tous les niveaux, les ingénieurs de processus utilisent des logiciels sophistiqués qui collectent, transfèrent et traitent les données des capteurs. Cela a pour but de surveiller les processus de production. Ce qui permet aussi d’identifier les inefficacités dans des processus spécifiques et les machines nécessitant une maintenance préventive. En ajoutant l’IA et le ML, on obtient des opérations pilotées par les données. Des opérations qui s’auto-optimisent en temps réel.

De nombreuses usines comprennent un mélange d’équipements, notamment des machines anciennes sans contrôles, capteurs ou communications intelligents, et de nouveaux systèmes optimisés pour l’industrie 4.0. Cela peut donner lieu à des îlots de production dans lesquels les pièces produites par un ensemble de machines vont à un autre pour l’étape suivante du processus de production. 

Pourtant, les différents îlots ne sont pas connectés. De plus, les données du premier îlot de production ne suivent pas la partie de l’îlot suivant. C’est un autre point où l’on peut exploiter l’IoT. Grâce aux capteurs sans fil et à l’IoT, les ingénieurs de processus peuvent connecter des îlots de production précédemment isolés. Ils peuvent ainsi améliorer considérablement le fonctionnement de l’usine.

Pour obtenir un maximum d’avantages, les ingénieurs de processus analysent chaque processus. Cela permet alors de déterminer l’approche la plus légère pour fournir un flux de données significatives entre les îlots et une plateforme centrale de surveillance et de contrôle. Les ingénieurs de processus sont habilités à mettre en œuvre des programmes d’amélioration continue dans toute l’usine. Ils peuvent ainsi utiliser les capteurs et les interconnexions appropriés.

La fabrication additive

La fabrication additive (AM) est un autre nouvel outil puissant que les ingénieurs de processus peuvent exploiter dans l’industrie 4.0. L’AM peut produire des structures avec des treillis internes pour des pièces légères avec une résistance structurelle accrue. Grâce à l’AM, les ingénieurs des procédés peuvent concevoir des systèmes permettant de personnaliser des composants. C’est le cas des appareils médicaux et des implants adaptés à chaque patient. 

La fabrication additive est également exploité dans divers segments de marché. Cela va des appareils grand public aux systèmes de défense et aérospatiaux. Le développement efficace des processus d’AM nécessite un partenariat étroit entre les ingénieurs de processus et l’ingénierie de conception. 

Les outils d’ingénierie de conception pour l’AM sont de plus en plus sophistiqués. Ils permettent ainsi de consolider les composants. Cela permet également de simplifier les produits et de générer des structures internes complexes.

Ingénierie de design 4.0 en automatisation industrielle en 2021

Les outils dont disposent les ingénieurs de conception dans l’industrie 4.0 ont évolué. De nouvelles techniques de modélisation informatique, telles que les jumeaux numériques et la réalité virtuelle, font leur apparition. Avec le développement de l’AM, ces nouvelles techniques de modélisation soutiennent le développement de formes complexes et de structures internes légères et solides. 

Les outils conventionnels de conception assistée par ordinateur (CAO) ne permettent pas de modéliser des surfaces. Cela est également des formes et des structures intérieures très complexes. De nouvelles plateformes de conception semblent pouvoir créer et valider des milliers d’options en temps réel. Elles peuvent aussi identifier la conception présentant le meilleur rapport coût/performance. Elles rendent possible la livraison des fichiers de conception prêts pour utilisation notamment par des cellules de travail AM automatisées.

La technologie Digital Twin

La technologie Digital Twin est le plus avancé des nouveaux outils de modélisation informatique que les ingénieurs de conception peuvent utiliser. Un jumeau numérique est une représentation numérique de tous les aspects d’un objet physique. On entend par aspect physique sa géométrie, ses capacités de performance, ses paramètres de fabrication, etc.

Ces jumeaux numériques peuvent être des composants individuels ou des assemblages complets. Leurs besoins de conception et de production peuvent être optimisés simultanément.

Grâce à ces outils de conception virtuelle, les équipes d’ingénieurs peuvent collaborer en temps réel. La communication se fait depuis différents endroits tout au long du processus de conception.

Digital Twin repose sur une modélisation multi-physique complète. Il est donc robuste et optimisé pour des capacités de processus de fabrication spécifiques. L’utilisation du Digital Twin favorise également l’innovation rapide. Elle favorise aussi la réduction des délais de développement des produits.

La réalité virtuelle

La technologie de la réalité virtuelle (RV) élargit également les outils à la disposition des ingénieurs concepteurs. La RV peut être utilisée pour produire un prototype virtuel

L’utilisation de la RV pour compléter ou même remplacer les outils traditionnels de CAO peut accélérer et améliorer l’innovation. Cela peut notamment accentuer l’identification des obstacles opérationnels et le perfectionnement des caractéristiques. De plus, son utilisation favorise la collaboration entre divers spécialistes en temps réel. 

Il faut concevoir des produits adaptés à la personnalisation de masse. Pour ce faire, il faut que la conception du produit et la simulation des processus de fabrication se fassent de manière interactive. Ce qui exige l’interaction en temps réel d’équipes de spécialistes.

Les ingénieurs de conception ont toujours travaillé en équipe avec d’autres ingénieurs et concepteurs. Il y a notamment des ingénieurs de processus qui coopèrent avec des ingénieurs d’essai, des ingénieurs de projet, des spécialistes du marketing, des concepteurs industriels, etc. Le développement d’environnements et d’outils virtuels va accroître les possibilités de collaboration.

Une tendance de l’ingénierie de conception de l’industrie 4.0 consiste à considérer les questions d’efficacité énergétique et d’économies d’énergie de manière plus globale. Ainsi, le nouvel objectif est de développer des méthodologies capables de quantifier la consommation d’énergie tout au long de la chaîne du cycle de vie du produit. Cela comprend donc l’obtention des matériaux, la fabrication du produit, et même le recyclage du produit.

Conclusion

L’industrie 4.0 a un impact énorme sur toutes les branches de l’automatisation industrielle en 2021. Elle modifie les systèmes, les processus et les produits qui sont conçus pour prendre en charge la personnalisation de masse. 

Elle change les outils à la disposition des ingénieurs. De même pour les interactions entre ces derniers et les autres membres des équipes de conception. Elle modifie également la définition des produits en incluant des mesures complètes de l’efficacité énergétique. Des mesures destinées aux processus de fabrication et le fonctionnement ainsi que l’utilisation des produits. 

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