Architecture des systèmes automatisés

Dans un contexte de digitalisation industrielle, la complexité des systèmes industriels s’est considérablement accrue au cours des dernières décennies. Les systèmes d’automatisme industriel répondent à des besoins grandissants comme nous avons pu le voir au chapitre précédent De l’Automatisme à l’usine du Futur .

Mais les architectures et les fondamentaux sont restés les mêmes, il est donc primordial de bien comprendre les architectures de l’automatisme avant de se lancer dans un projet. Ces architectures apportent une méthodologie et une normalisation, qui permet à un ensemble de milliers d’éléments que compose une usine ou un système peut fonctionner ensemble.  Je vais vous expliquer dans cet article, ce qu’est une architecture automatisée, en donnant les axes d’évolutions qu’apporte l’industrie du futur.

Structure des systèmes automatisés de production

Tous les systèmes automatisés sont différemment, mais l’architecture est toujours composée des mêmes fonctions comme décrites ci-dessous :

Niveau 0 : Niveau du terrain, ou appelé aussi « partie opérative » est l’ensemble des sous-ensembles qui effectue les actions physiques (déplacement, émission de lumière…), mesure des grandeurs physiques (température, humidité, luminosité…) et rend compte à la partie commande.   Elle est constituée d’actionneurs tels que vérins, moteurs… utilisant de l’énergie électrique, pneumatique, hydraulique…

  • Les effecteurs : dispositifs terminaux qui agissent directement sur la matière d’œuvre pour lui donner sa valeur ajoutée (outils de coupe, pompes, têtes de soudure, etc.) ;
  • Les actionneurs : éléments chargés de convertir l’énergie afin de l’adapter au besoin de la partie opérative ; cette énergie étant ensuite consommée par les effecteurs (moteur, vérin, électroaimant, résistance de chauffage, etc.) ;
  • Les pré-actionneurs : éléments chargés : – d’adapter le faible niveau énergétique disponible en sortie de la P.C. au besoin de la P.O ; de distribuer ou de moduler l’énergie délivrée aux actionneurs (contacteur, distributeur, variateur de vitesse…).
  • Les capteurs qui assument l’ensemble des fonctions de la chaîne d’acquisition de données (fin de course de vérin, détecteur de position, capteur de température, etc.)

Niveaux 1 : appelé aussi « partie commande » est composé d’un ou plusieurs contrôleurs coordonnant la succession des actions sur la Partie Opérative avec la finalité d’obtenir cette valeur ajoutée. Ces contrôleurs peuvent être des automates programmables, des microcontrôleurs ou des PC industriels.

Niveaux 2 : Supervision ou interfaces Homme machine : Pour prendre le contrôle ou pour surveiller une installation industrielle, on utilise des interfaces personne-machine ( IHM ) . L’IHM pouvant aller d’une solution basique avec quelques boutons poussoirs et voyants installés sur le pupitre jusqu’à des interfaces de contrôle 3D ou en réalité augmentée. La majorité des IHM sont des écrans tactiles ou des pc industriels.

Industry 4.0

Dans tout système automatisé, c’est trois éléments sont toujours présent, mais la limitation entre ceci n’est pas toujours évidente

C’est trois Niveaux, ont des exigences de sécurités et de complexités différentes, plus les systèmes sont proches des machines, plus ils sont simples est robuste. Cette architecture est très importante pour garder une usine fonctionnelle et sure.

Mais dans l’usine 4.0, tout ce mélange, et les niveaux supérieurs sont intégrés à avec les niveaux inférieurs, comme par exemple avec les capteurs IOT, et /ou une partie commande et une partie IHM (par l’intermédiaire de serveurs intégrés à l’objet). Un seul objet peut donc avoir plusieurs niveaux. Mais si on décompose son architecture, on retrouvera ces différents Niveaux.

 Cette architecture imbriquée engendre une complexité au niveau des objets, ils devront respecter le niveau de sécurités le plus contraignant, avec un niveau de connectivités important.

Les Systèmes de contrôle-commande (SNCC)

Les équipements de commande d’un SNCC (système numérique de contrôle-commande (SNCC, ou DCS pour distributed control system en anglais) sont en ensemble de solutions automatisées mise en réseaux. C’est la duplication de ce que l’on vient de voir.

À la différence des systèmes de contrôle centralisés à base d’automates programmables industriels, qui comportent un seul contrôleur central qui gère toutes les fonctions de contrôle-commande du système les SNCC sont constitués de plusieurs contrôleurs modulaires qui commandent les sous-systèmes ou unités de l’installation globale.

Contrôle-commande

Le SNCC ajoute deux niveaux à ceux vus précédemment, qui sont :

Niveau 3 – contrôle de la production : Contrôle du flux de travail et des recettes pour obtenir le produit final souhaité. Tenue de registres et optimisation du processus de production. Il est réalisé par un logiciel de pilotage de la production (en anglais américain manufacturing execution system ou MES) permettant de collecter en temps réel les données de production d’une usine ou d’un atelier, données qui sont analysées quant à la traçabilité, le contrôle de la qualité, le suivi de production, l’ordonnancement et la maintenance préventive et curative.

Niveau 4  – Planification centrale : Établir le programme de base de l’usine, la production, l’utilisation du matériel, la livraison et l’expédition. Déterminer les niveaux de stocks. Cet ensemble est souvent réalisé par un progiciel de gestion intégrée ou PGI (en anglais : Enterprise Resource Planning ou ERP). Le progiciel permet de gérer l’ensemble des processus d’une entreprise en intégrant l’ensemble de ses fonctions, dont la gestion des ressources humaines, la gestion comptable et financière, l’aide à la décision, mais aussi la vente, la distribution, l’approvisionnement et le commerce électronique.

Niveau 2 – IHM / SCADA : Oui j’ai déjà présenté le niveau 2 , mais ici il a un sens légèrement différent , il est appelé SCADA qui signifie Supervisory Control and Data Acquisition (système de supervision industrielle qui traite en temps réel un grand nombre de mesures et contrôle à distance les installations). Toute application qui reçoit les données de fonctionnement d’un système pour contrôler et optimiser ce dernier est une application SCADA. Un SCADA est généralement fourni sous forme de logiciel combiné à des éléments matériels, tels que des automates programmables industriels (API) et des unités terminales distantes (RTU). L’acquisition des données commence avec les API et RTU, qui communiquent avec l’équipement d’un centre de production, par exemple les machines et les capteurs d’une usine. Les données recueillies à partir de l’équipement sont ensuite envoyées au niveau supérieur, par exemple à une salle de contrôle, où des opérateurs peuvent superviser les contrôles des API et des RTU à l’aide d’interfaces personne-machine (IHM). Les IHM sont un composant essentiel des systèmes SCADA. Il s’agit des écrans que les opérateurs utilisent pour communiquer avec le système SCADA. Comme le montre très justement le schéma, l’architecture de SNCC, multiplie énormément le nombre de connexions, d’équipement de contrôle, de bus, de protocole, de couche logicielle. Tout cela est un sacré bordel, chaque constructeur ayant ces propres protocoles maison qui ne sont pas toujours interopérables. Cette complexité mais surtout les éléments propriétaire est un réel frein dans l’évolution de l’industrie 4.0. Des initiatives normatives, d’open source et de matériel ouvert (Open hardware) essaye de résoudre ce problème, mais avant que tout cela soit réellement en place avec le niveau de sécurité adéquate, il faudra faire avec et jonglé avec tout cela.  

Industrie 4.0

Le schéma montre une organisation hiérarchique, ou chaque bloc fonctionnel ne peut communiquer qu’avec celui qui est juste au-dessus et celui qui est juste au-dessous. Cette hiérarchisation est historique, par une analogie avec les structures managériales traditionnelles et l’existence de types de communication matérielle très différents à chaque niveau. 

Aujourd’hui, « l’intelligence » n’est plus réservée au haut de la pyramide, l’objectif des IOT est d’avoir un capteur intelligent au plus près de la machine. Les standards Ethernet et TCP/IP se sont imposés et ont remplacé un grand nombre de couches propriétaire.  Les architectures deviennent de plus en plus complexes, mais il est très important de garder une logique dans son architecture.  

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