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Techniques

Accroître l’intelligence et la productivité des usines par la maintenance prévisionnelle

Par Avner Goren, Directeur général Marketing stratégique, directeur Traitement embarqué et Internet des objets, Texas Instruments , et Miro Adzan, Directeur général Automatisation et Contrôle industriel, Texas Instruments

Publication: 27 février

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Imaginez que votre voiture puisse vous dire à quel moment chacune de ses pièces va cesser de fonctionner, qu’il s’agisse de la ceinture de sécurité, de la durite, de la bougie ou du roulement de roue...
 

Vous pourriez ainsi faire remplacer les pièces en quelques minutes et au cas par cas, avant même qu’elles ne soient complètement usées, et reprendre la route aussi rapidement qu’après un simple changement de pneumatiques. Vous économiseriez ainsi le temps et l’argent consacrés à la maintenance préventive planifiée, qui remplace des pièces en bon état par des pièces neuves afin de prévenir les défaillances lors de l’utilisation de la voiture. La maintenance planifiée, qui requiert de laisser la voiture au garage toute la journée, pourrait rester nécessaire occasionnellement, mais moins souvent et pour un moins grand nombre de pièces.

À présent, imaginez que votre véhicule soit une usine, d’une valeur autrement supérieure, et dotée de composantes extrêmement nombreuses. Chaque minute passée « au garage » par l’usine en vue de la maintenance vous coûte beaucoup d’argent. Vous respectez la planification de maintenance préventive pour remplacer les pièces qui pourraient se montrer défaillantes, mais vous souhaiteriez une meilleure solution de maintenance : une solution permettant de savoir le moment précis où une défaillance pourrait survenir afin de remplacer la pièce en temps voulu. La plupart de tels remplacements relèveraient d’opérations de maintenance de routine et pourraient être effectués hors des heures d’exploitation, permettant ainsi de ne pas mettre hors service une ligne de production ou l’ensemble de l’usine.

Cette solution s’appelle la maintenance prévisionnelle. Remplacer ou améliorer un système de maintenance traditionnelle au moyen de la maintenance prévisionnelle permet de réaliser des économies en pièces, en main d’oeuvre et en temps d’exploitation, qui compensent largement l’investissement. En outre, la maintenance prévisionnelle peut indiquer quelles pièces s’usent plus vite et permettre des reconfigurations permettant l’optimisation des processus et de l’utilisation des machines. Autrefois, la maintenance prévisionnelle, signalant la défaillance prochaine en temps voulu, relevait largement d’un idéal. Mais grâce à l’électronique avancée d’aujourd’hui, c’est devenu une réalité qui accroît rapidement la productivité industrielle. La télédétection, la transmission et l’agrégation des données, les communications en temps réel au sein de l’usine, les systèmes numériques de contrôle-commande et la connexion à de puissants algorithmes de traitement ultrarapide de données et d’apprentissage automatique sur le cloud toutes ces fonctions permettant de surveiller les systèmes électromécaniques tels que les moteurs, les systèmes de convoyage et les robots, ainsi que les émetteurs de terrain et les actionneurs, et permettent de signaler les défaillances probables qui pourraient perturber l’exploitation.

Ces mêmes avancées électroniques peuvent également faire évoluer d’autres aspects de la production industrielle, et par exemple rendre plus flexibles les lignes de production. Un effet important est la capacité à répondre aux demandes en faible quantité, voire aux demandes d’unités individuelles dans le cas de produits hautement personnalisés. Mais tandis que nombre de ces fonctions propres aux usines intelligentes (smart factories) de l’Industrie 4.0 doivent encore être développées, la maintenance prévisionnelle fait à présent ses débuts et peut être aisément mise en place en parallèle avec des systèmes de commande industrielle et de communication.

Les industriels souhaitant mettre en oeuvre une maintenance prévisionnelle effective doivent avoir recours à des solutions de circuits intégrés avancées couvrant chaque étape de la collecte de données, du capteur au cloud. Texas Instruments (TI) fournit de nombreux produits innovants conçus pour les applications industrielles, ainsi que l’expertise et l’engagement à apporter la maintenance prévisionnelle et les autres avantages propres aux smart factories aux sites de production du monde entier.

Réduire les coûts par la maintenance prévisionnelle

La maintenance préventive planifiée se fonde sur les informations recueillies en matière de taux de défaillance, qui associe les essais menés par le constructeur des équipements aux données recueillies sur le terrain pour la machine concernée, mais aussi pour les machines similaires déployées dans des environnements similaires. Généralement, si l’on sait que la durée de vie d’une pièce est de X à Y heures en exploitation, son remplacement est planifié bien avant que le quota d’heures d’exploitation ne soit atteint, afin de garder une marge de sécurité ou une bande de garde suffisante pour prévenir le risque de défaillance. Les pièces sur certains équipements distants ou sur du matériel spécialisé sont parfois remplacées lorsque les techniciens compétents sont présents sur site pour d’autres raisons, alors que ces mêmes pièces auraient pu durer jusqu’à la prochaine visite si leur durée de vie utile restante avait pu être évaluée. Ainsi, les pièces sont remplacées bien plus tôt et bien plus fréquemment qu’il ne serait nécessaire si elles étaient utilisées jusqu’à la défaillance. On perd ainsi une partie de leur durée de vie d’exploitation, tout en augmentant la charge de travail du personnel et en accroissant les temps d’arrêt du système. Toutefois, ces coûts sont assumés pour éviter un arrêt du système dû à la défaillance d’une pièce, qui pourrait s’avérer dommageable, voire catastrophique, en fonction des circonstances.

Quoi qu’il en soit, les pièces mécaniques et électromécaniques cessent rarement de fonctionner sans avoir présenté des signes avant-coureurs de défaillance. Tout garagiste sait que ses clients lui confient souvent leur voiture « parce qu’elle fait un drôle de bruit ». Typiquement, les changements de tension et de courant fournis à une pièce, les changements de température, les vibrations, les sons et d’autres symptômes indiquent que la pièce approche de la fin de sa durée de vie utile. Par exemple, un détecteur de gaz changera de résistance au cours du temps sous les effets de la température et du vieillissement. Cette modification peut être détectée à l’aide de capteurs, mesurée et utilisée pour déterminer l’échéance de remplacement du détecteur de gaz. De nos jours, les capteurs de maintenance électroniques sont d’encombrement réduit et suffisamment sensibles pour détecter les changements de manière précoce et les transférer via les réseaux du site industriel aux centres de traitement de données ultrarapide sur le cloud. Leurs algorithmes complexes peuvent alors évaluer les symptômes et déterminer si la pièce est près de cesser de fonctionner, et parfois estimer la durée du temps d’utilisation en sécurité restant avant la défaillance.

Il est probable que cette évaluation se base sur des informations statistiques plus complètes que les taux de défaillance utilisés dans le cadre de la maintenance préventive planifiée. Au lieu des centaines ou milliers d’échantillons d’essais collectés lors du développement produit et utilisés pour déterminer les taux selon une méthode empirique, les algorithmes présents sur le cloud peuvent évaluer en tant qu’échantillons des millions de pièces actuellement en utilisation dans le monde entier, analysant l’intégralité de leur cycle de vie in situ. En outre, les algorithmes fondés sur des paramètres multiples collectés par une même machine peuvent surveiller et prendre de meilleures décisions que le personnel se fondant sur des informations limitées et souvent imprécises. Les plus nombreux paramètres peuvent également aider à mieux cerner le problème, étant donné qu’il peut être difficile à un technicien d’identifier exactement la pièce défaillante d’un système composé de nombreuses pièces interagissant entre elles.

Les algorithmes de maintenance peuvent être améliorés continuellement, à la fois à la libre initiative des personnels et automatiquement grâce à l’apprentissage automatique. Lorsque nécessaire, les algorithmes peuvent être partitionnés afin que les alertes en temps réel ou les ajustements soient fournis dans l’usine en même temps que le traitement des données sur le cloud s’attelle à des problèmes plus complexes et inclusifs. En outre, tout ceci peut permettre un retour d’informations aux constructeurs afin de contribuer à améliorer la fiabilité, apportant ainsi aux sites industriels l’avantage de pièces plus robustes, présentant une plus longue durée de vie opérationnelle.

Les analyses de données complexes peuvent offrir davantage d’options de gestion que de simples décisions consistant à remplacer ou non la pièce. Grâce aux informations d’exploitation des pièces valides comme des pièces défectueuses, et grâce aux données relatives aux coûts de temps d’arrêt ou d’exploitation dans l’ensemble site, les constructeurs peuvent planifier une association de maintenance préventive et de maintenance prévisionnelle afin d’atteindre le meilleur rapport coûtefficacité. La maintenance s’inscrit ainsi naturellement dans le cadre des autres décisions que permettront dans les smart factories la détection et la communication électroniques d’informations.

Exigences technologiques de la maintenance prévisionnelle

La technologie nécessaire à la maintenance prévisionnelle existe d’ores et déjà et peut être utilisée soit pour concevoir de nouvelles lignes de production, soit pour en réaménager d’anciennes. Les industriels cherchant à mettre en oeuvre la maintenance prévisionnelle doivent avoir conscience d’un certain nombre de composantes technologiques innovantes ayant un impact sur la viabilité des diverses solutions.

Capteurs. La détection est le fondement de la maintenance, et la qualité d’une mise en oeuvre n’est que proportionnelle à celle des capteurs utilisés. La température, les vibrations, le bruit, la tension et le courant sont les paramètres faisant le plus communément l’objet de la détection, mais certains systèmes peuvent nécessiter la détection de composition chimique, d’analyse spectrale et/ou d’autres besoins spécifiques.

Les capteurs doivent communiquer avec les nouds de collecte de données situés en amont. Étant donné qu’ils sont souvent situés dans des endroits difficiles d’accès, il se peut qu’ils ne soient pas compatibles avec une connexion filaire classique, et qu’ils doivent pouvoir communiquer sans fil. Les mêmes contraintes d’accessibilité peuvent s’appliquer aux câbles d’alimentation, de sorte que de nombreux capteurs devront fonctionner sur batterie longue durée ou par récupération d’énergie, et présenter une consommation extrêmement faible afin de titrer le meilleur parti de l’énergie disponible.

Les capteurs sont dotés de fonctions de conversion de signal. De même que l’élément de détection, la conversion de signal doit être assez rapide et granulaire pour l’application visée. Il se peut que les capteurs doivent être dotés de microcontrôleurs ultra basse consommation, ainsi que d’éléments de communications, si une partie du traitement et de la commande est gérée localement. Par exemple, les microcontrôleurs, tout comme d’autres composants électroniques de capteurs, peuvent devoir fournir des fonctions de configuration et d’attribution, de calibration des capteurs, d’agrégation et de stockage de données, de filtrage des données ou de prétraitement pour minimiser les communications et de telles fonctions. Les espaces réduits, difficiles d’accès, peuvent nécessiter plusieurs types de détection dans un même paquet. L’intégration avancée de types de fonctions très différentes est la clé pour répondre à ces exigences.

Communications. La maintenance prévisionnelle consiste à capter, prétraiter et transmettre les états critiques en temps réel : les communications doivent fonctionner avec un signal rapide et une latence minimale, spécifiées par des standards industriels pour de nombreuses applications. Le réseau devra permettre des communications filaires et/ou sans fil avec les capteurs et fournir des moyens de reporting auprès des centres de commande d’automatisation industrielle ou des opérateurs humains au moyen d’une interface hommemachine et du cloud. Les réseaux industriels actuels utilisent des standards très variés, et divers protocoles peuvent être utilisés dans un même atelier. Afin de simplifier la mise en oeuvre, les communications de maintenance prévisionnelle devraient être compatibles avec les standards les plus courants.

Il n’est pas toujours nécessaire que les fonctions de maintenance prévisionnelle interagissent à tous les niveaux avec un réseau existant, étant donné qu’elles peuvent être ajoutées en tant que réseau parallèle ou secondaire, relié à certains points stratégiques.

La figure 1 montre une mise en oeuvre généralisée présentant l’aménagement d’un système d’automatisation industrielle par l’ajout d’un réseau secondaire permettant la maintenance prévisionnelle. La partie gauche du schéma représente des systèmes d’atelier (bas), communicant avec des centres d’automatisation via Industrial Ethernet (centre vertical) et avec les réseaux humains (haut). La partie droite du schéma montre des capteurs intégrés à l’équipement de l’usine communiquant sans fil avec un portail, qui communique à son tour avec le cloud. Le cloud effectue ses algorithmes d’analyse de données et envoie les résultats aux réseaux humains. Dans ce cas, les fonctions de maintenance prévisionnelle n’interagissent pas directement avec le réseau de l’atelier.

Cette approche d’un réseau de maintenance prévisionnelle secondaire a un autre avantage : elle ne surcharge pas le réseau en temps réel de l’usine avec les données des capteurs de maintenance prévisionnelle. Étant donné que le réseau de l’usine n’a pas été conçu pour une circulation aussi intense de données, la charge supplémentaire des données de capteurs pourrait entraîner des difficultés opérationnelles.

Portails. Les capteurs sont généralement reliés à des microcontrôleurs qui transmettent les informations à des portails, par exemple via des nouds d’agrégation de données situés sur le chemin, en fonction de la taille du réseau. Les portails transfèrent au cloud les informations nécessaires aux décisions de maintenance, où les algorithmes avancés les utilisent. Certaines fonctions, notamment celles réalisées à distance sur le cloud, peuvent ne pas satisfaire aux exigences de fonctionnement en temps réel de la maintenance prévisionnelle. Il existe donc toujours un risque de perdre la connexion au cloud pour de courtes durées. Ainsi, il se peut que l’électronique de commande locale doive être capable d’initialiser certaines actions, telles qu’émettre des alertes et, dans les cas extrêmes, éteindre les systèmes sans attendre les décisions des services plus exhaustifs basés sur le cloud. En outre, lorsqu’un nombre important de capteurs est déployé, il se peut que le trafic avec le cloud soit élevé, et qu’il soit ainsi préférable de réaliser une partie du prétraitement localement au niveau du portail afin de réduire la quantité de données envoyées sur le cloud. Les mêmes portails peuvent réaliser différentes fonctions de commande d’automatisation, en fonction de l’application.

Sécurité. Tous les réseaux de l’usine doivent être sûrs de bout en bout, et les fonctions de maintenance prévisionnelle ne font pas exception, étant donné que chaque point du capteur au cloud est sécurisé. Les capteurs, nouds d’agrégation de données, portails et systèmes basés sur le cloud doivent être tous à l’épreuve du piratage, grâce à des solutions de sécurité aussi bien matérielles que logicielles. La sécurité s’applique non seulement aux données communiquées, mais aussi à l’authentification des capteurs du réseau.

Fiabilité. Les circuits industriels, et notamment les capteurs, sont exposés à des environnements agressifs pouvant inclure des degrés extrêmes de chaleur et de froid, de vibrations, de saleté, de graisse, de vapeur, de produits chimiques et de nombreuses autres situations potentiellement dommageables. Les capteurs et autres circuits industriels de maintenance doivent être caractérisés pour une utilisation en conditions extrêmes pour assurer la fiabilité continue dans l’atelier.

Sûreté. Même si nous utilisons les capteurs et circuits industriels les plus fiables, il faut toujours partir du principe que certains d’entre eux peuvent se montrer défaillants sur la durée. La sûreté est une approche au niveau du système qui garantit qu’aucun dommage ou préjudice n’est causé à l’usine et aux opérateurs du fait de telles défaillances.

Fournir une technologie permettant de mettre en oeuvre une maintenance prévisionnelle

La maintenance prévisionnelle exige une technologie de semi-conducteurs avancée pour un large éventail de produits : capteurs, chaîne de signal, gestion de la consommation, microcontrôleurs à communication filaire et sans fil et processeurs (généralement utilisés au niveau des agrégateurs et des portails). Les produits TI couvrent toute la gamme des systèmes de maintenance prévisionnelle, depuis les capteurs au cloud, apportant les fonctions, la faible consommation d’énergie, la fiabilité, la sécurité et l’intégration requises pour satisfaire aux spécifications des applications industrielles. La longue tradition d’engagement de TI auprès des industriels et sa grande implication dans les standards industriels signifient que notre société est idéalement positionnée pour fournir des solutions permettant la maintenance prévisionnelle et d’autres applications requises par les smart factories, aujourd’hui et demain.

Les capteurs avancés faible consommation de TI permettent une communication filaire ou sans fil, et fonctionnent sur batteries ou sur récupération d’énergie lorsqu’ils sont éloignés. De nombreux produits de détection et de commande intègrent de multiples fonctions en un unique die, associant par exemple un amplificateur de mesure de courant et un moniteur de shunt pour une commande de moteur et de solénoïde plus précise et efficace. Pour les exigences émergentes, les fonctions de chaîne de signal, de logique, de mémoire et de communication sont prêtes à être intégrées à des éléments de détection au sein de nouveaux capteurs dédiés, à fonction simple ou multiple. Outre les capteurs, des produits analogiques à hautes performances, à exigences d’intégration et de basse consommation élevées, permettent la création de petits systèmes et de solutions de maintenance prévisionnelle. Les caractéristiques embarquées pour le contrôle du signal et les contrôles de redondance cycliques aident les concepteurs du système à remplir les exigences de sûreté et de fiabilité.

Dans les unités de contrôle, les nouds d’agrégation de données et les portails, les microcontrôleurs, processeurs et circuits industriels de communication fournissent les performances de calcul, le stockage, les interfaces et les communications requis, avec une très faible consommation. Ces produits sont fournis avec des caractéristiques de sécurité intégrées qui permettent une sécurité de bout en bout du réseau. Les options de microcontrôleurs incluent des appareils ultra basse consommation optimisés pour les applications utilisant des batteries ou la récupération d’énergie. Un grand nombre de ces microcontrôleurs est compatible avec une large gamme d’options de communication filaires.

Par ailleurs, les microcontrôleurs sans fil intègrent dans un même die un cour de microcontrôleur universel couplé à un système de communication sans fil conforme aux standards tels que Wi-Fi®, Bluetooth low energy (BLE), 6LoWPAN, Sub-1GHz et d’autres standards de communication sans fil. Les dispositifs de sécurité avec redondance du cour et d’autres caractéristiques fournissent les pièces nécessaires pour construire des systèmes assurant une sûreté maximale lors de l’exploitation des équipements. Les processeurs dotés de puissants cours ARM® répondent aux besoins des portails, certains d’entre eux étant en outre équipés de caractéristiques de traitement numérique du signal (TNS) pour effectuer en local le prétraitement et les analyses. Ces processeurs sont également équipés d’un système de communication compatible avec de nombreux protocoles Industrial Ethernet.

Des fonctions de chaîne de signal analogique et de contrôle permettent l’échantillonnage de sommes de contrôle pour garantir la précision du signal, et TI propose des produits dotés d’une double isolation conforme aux spécifications du secteur pour une protection maximale de l’équipement et du personnel en cas de courtcircuit ou de surtension. Des versions de sûreté des produits sont proposées afin d’offrir des caractéristiques permettant de concevoir aisément des systèmes en vue de la sûreté fonctionnelle, par exemple les microcontrôleurs Hercules SafeTI.

Une alimentation fiable est essentielle pour tous les systèmes électroniques, y compris les capteurs, portails et autres nouds de réseau. Le large portefeuille de TI en matière de produits de gestion de l’énergie est conçu pour réguler efficacement l’alimentation par batterie ou filaire et de garder les circuits en exploitation, en toutes sécurité, fiabilité et efficacité. Tous les produits de circuits industriels utilisés pour la maintenance prévisionnelle et les autres applications d’Industrie 4.0 sont disponibles dans des versions caractérisées pour l’usage industriel, en vue d’une fiabilité améliorée.

Garder les lignes de production en exploitation

Une maintenance efficace est essentielle pour l’utilisation de tout système, du canif à la sonde spatiale. Toutefois, dans les systèmes industriels complexes, la maintenance planifiée permettant de prévenir les défaillances entraîne des coûts élevés en termes de pièces, de main-d’oeuvre et de temps d’exploitation. L’électronique d’aujourd’hui permet la détection, la communication et la prise de décision efficaces pour les systèmes électromécaniques complexes, rendant possible la maintenance prévisionnelle et donc le remplacement juste à temps de pièces usées, mais non défaillantes, pour réduire les coûts et obtenir plus de fiabilité, de sûreté et d’efficacité. En maintenance prévisionnelle, comme dans d’autres applications d’Industrie 4.0, TI joue un rôle majeur en fournissant une technologie innovante qui aide les industriels à optimiser la productivité.

http://www.ti.com/

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