Un guide pratique destiné aux industriels qui envisagent de mettre en œuvre l'automatisation industrielle, la modernisation ou l'intégration de systèmes d'usine sans accroître la complexité opérationnelle.
Harsh Joshi
Co-founder & Technical Director
Les fabricants ont rarement besoin de l'automatisation pour elle-même. Ils ont besoin d'un débit plus élevé, de moins d'arrêts de production, d'une qualité plus constante, d'une sécurité renforcée ou de la possibilité d'augmenter leur production sans pour autant accroître la complexité opérationnelle.
C’est pourquoi les solutions d’automatisation industrielle relèvent d’un choix d’ingénierie et ne se résument pas à un simple achat d’équipement. Les programmes les plus efficaces partent de la contrainte la plus coûteuse de l’usine, puis articulent l’ingénierie des procédés, les systèmes mécaniques, les commandes, les données de production et les flux de travail des opérateurs autour d’un résultat mesurable.
Ce guide explique comment planifier ces travaux, que vous construisiez une nouvelle chaîne de production, que vous modernisiez une installation existante ou que vous connectiez des systèmes d'usine qui se sont développés par étapes successives.
Quels sont les domaines que l'automatisation industrielle devrait améliorer en priorité ?
Avant de choisir un robot, un automate programmable, un capteur ou une plateforme logicielle de fabrication, définissez le problème opérationnel en termes mesurables.
Une plante peut essayer de :
- Augmenter le débit sur une ligne soumise à des contraintes
- Réduire les temps d'arrêt imprévus
- Améliorer le rendement dès le premier passage et la homogénéité du produit
- Supprimer les tâches manuelles répétitives ou dangereuses
- Améliorer la visibilité sur la production sur l'ensemble des équipes
- Augmenter la capacité sans construire une toute nouvelle installation
- Améliorer la traçabilité pour répondre aux exigences de qualité ou réglementaires
- Relier les données de l'atelier aux systèmes de planification, de maintenance ou aux systèmes d'entreprise
La priorité accordée à chaque aspect est essentielle, car chaque problème nécessite une réponse technique spécifique. Un problème de débit peut nécessiter un rééquilibrage de la ligne ou une refonte du flux de matériaux. Un problème lié aux temps d'arrêt peut nécessiter de meilleurs diagnostics, une intégration des commandes, des données de maintenance ou des améliorations mécaniques. Un problème de qualité peut nécessiter la vision industrielle, un contrôle plus strict des processus ou une approche différente en matière de validation.
Le meilleur programme d'automatisation commence par le goulot d'étranglement qui engendre le coût le plus évident pour l'entreprise.
Les programmes « Nouvelle automatisation » et « Modernisation » sont deux programmes distincts.
Un projet d'automatisation partant de zéro offre davantage de liberté. L'équipe d'ingénierie peut définir conjointement l'agencement, les réseaux techniques, l'architecture de commande, le modèle de données, la stratégie de sécurité et l'expérience utilisateur.
Un projet de modernisation ou de mise à niveau commence par des contraintes. Les machines existantes, les automates programmables, les réseaux, les systèmes de sécurité, les plannings de production et les solutions de contournement non documentées ont tous une incidence sur la conception. L'objectif n'est généralement pas de tout remplacer, mais d'améliorer les performances tout en préservant la continuité de la production.
Cette distinction modifie les premières questions que vous devriez vous poser :
| Type de programme | Question d'ingénierie fondamentale | Risque principal |
|---|---|---|
| Nouvelle ligne ou nouvelle installation | Quelle architecture prendra en charge le processus cible ? | Concevoir un système qui fonctionne en théorie mais qui est difficile à mettre en service ou à exploiter |
| Rénovation ou modernisation | Quels sont les aspects qui pourraient être améliorés sans perturber le fonctionnement actuel ? | Intégrer les nouvelles technologies aux équipements existants sans créer d'interfaces fragiles |
| Intégration des installations et des systèmes | Comment les données et les décisions doivent-elles circuler d'un système à l'autre ? | Créer des tableaux de bord qui reflètent l'activité sans pour autant améliorer l'action |
Les cinq niveaux techniques d'une automatisation fiable
L'automatisation industrielle devient complexe lorsque chaque couche est conçue de manière isolée. Une solution fiable relie les cinq couches dès le départ.
Génie des procédés
L'ingénierie des procédés définit le déroulement des opérations au sein de l'usine. Elle englobe la séquence des opérations, les exigences en matière de takt ou de temps de cycle, le flux des matériaux, les points de contrôle qualité, les tâches des opérateurs et les contraintes de production.
Sans cette étape, l'automatisation peut accélérer un processus inefficace. L'usine risque alors de générer davantage d'encours de fabrication, de déplacer les goulots d'étranglement en aval ou de créer de nouveaux problèmes d'inspection et de maintenance.
Commencez par cartographier le processus actuel et identifiez les points où s'accumulent les pertes de temps, les variations, les retouches et les temps d'attente.
Génie mécanique
Le génie mécanique permet de déterminer comment les machines, les dispositifs de fixation, l'outillage, les convoyeurs, les enceintes et les systèmes de manutention fonctionneront dans un environnement réel.
La conception doit tenir compte de l'accessibilité, de la facilité d'entretien, des tolérances, de l'ergonomie, de la sécurité, des vibrations, des conditions environnementales et de la manière dont les opérateurs interagissent avec l'équipement. Les choix mécaniques ont également une incidence sur la fiabilité des capteurs, des actionneurs, des systèmes robotiques et des systèmes d'inspection.
C'est là que l'ingénierie produit et la préparation à la fabrication peuvent s'articuler directement avec l'ingénierie d'usine. Une machine ou un système de production est plus facile à automatiser lorsque sa conception physique favorise la répétabilité des opérations et de la maintenance.
Ingénierie des systèmes de commande et d'automatisation
L'ingénierie des systèmes de commande traduit le processus en un comportement coordonné des machines. Cela inclut la logique des automates programmables (PLC), les interfaces homme-machine, les variateurs, les systèmes de sécurité, la gestion des séquences, les alarmes, les verrouillages et la communication entre les équipements.
Un programme de contrôle doit être conçu pour aller au-delà de la mise en service initiale. Il doit également faciliter le dépannage, la gestion des versions, les modifications futures et le transfert de connaissances à l'équipe de l'usine.
L'ingénierie moderne des chaînes de production associe de plus en plus l'automatisation et la numérisation. Siemens décrit cette convergence comme un moyen de relier les technologies opérationnelles, les technologies de l'information, les processus, les systèmes et les données tout au long du cycle de vie d'une chaîne de production. Ses recommandations mettent également en avant la simulation et la mise en service virtuelle comme moyens de tester la logique d'automatisation avant l'installation. Pour plus de détails, consultez les recommandations de Siemens en matière d'ingénierie des chaînes de production.
Ingénierie des données et des logiciels
L'automatisation génère des données, mais celles-ci ne créent pas à elles seules de valeur opérationnelle. L'usine a besoin d'un modèle clair précisant quelles données doivent être collectées, où elles doivent être stockées, comment elles doivent être interprétées et quelle décision elles doivent permettre d'améliorer.
Parmi les systèmes concernés, on peut citer les systèmes d'historisation des machines, les systèmes d'exécution de la fabrication, les plateformes IoT industrielles, les systèmes de qualité, les applications de maintenance, les outils d'analyse et les logiciels d'entreprise. L'intégration doit permettre de mieux comprendre les conditions de production, et non pas créer un nouveau tableau de bord isolé.
Rockwell Automation décrit les systèmes d'exécution de la fabrication (MES) comme un pont entre l'informatique (IT) et les technologies opérationnelles (OT), offrant aux entreprises une visibilité sur les résultats de production, les systèmes de contrôle, les instructions de travail et les ressources de l'usine. Sa présentation générale des MES constitue une référence utile pour évaluer comment les données de l'usine doivent être reliées aux décisions stratégiques.
Pour en savoir plus sur un autre défi lié aux données de fabrication, consultez le guide de Monarch Innovation consacré à l'automatisation des nomenclatures dans le secteur manufacturier, qui explique comment la synchronisation des données sur les composants peut améliorer la coordination entre l'ingénierie, l'approvisionnement et la production.
Les services d'ingénierie numérique de Monarch Innovation étendent cette dimension à l'architecture logicielle, à l'ingénierie des données, à l'intelligence artificielle, au cloud, au DevOps et à la sécurité. Cette combinaison revêt une importance particulière lorsqu'un programme de modernisation d'usine doit relier les opérations physiques à des systèmes numériques évolutifs.
Opérations et ressources humaines
La dernière couche est le modèle opérationnel. Les utilisateurs doivent être en mesure de comprendre, d’utiliser, de maintenir et d’améliorer le système une fois que l’équipe de projet sera partie.
Cela comprend :
- Des procédures de travail et des consignes claires pour les opérateurs
- Conception pratique d'une alarme
- Accès pour la maintenance et diagnostics
- Formation et transfert de connaissances
- Définition claire de la propriété des données et des modifications apportées au système
- Procédures d'escalade pour les problèmes liés à la qualité, à la sécurité et à la production
- Un processus permettant de vérifier si l'automatisation a produit le résultat escompté
Un système techniquement sophistiqué auquel les opérateurs ne font pas confiance ou que les équipes de maintenance ne parviennent pas à diagnostiquer n'est pas un système d'automatisation performant.
Comment évaluer les équipements existants avant leur intégration
Les équipements existants ne constituent pas automatiquement un problème. La première étape consiste à évaluer leur état et leurs interfaces.
Critique :
- Matériel et logiciels de contrôle : identifier les familles d'automates programmables, les versions de micrologiciel, les environnements de programmation et la documentation disponible.
- Interfaces de communication : cartographier les protocoles industriels, la topologie du réseau, les passerelles et les données accessibles de manière fiable.
- État de la machine : évaluer l'usure mécanique, la fiabilité des capteurs, les systèmes de sécurité et les modes de défaillance récurrents.
- Qualité des données : vérifiez que les balises sont nommées de manière cohérente, que les horodatages sont fiables et que les états de production peuvent être interprétés.
- Dépendances opérationnelles : documenter les solutions de contournement manuelles, les paramètres non documentés et les pratiques propres à chaque équipe.
- Sécurité et conformité : Vérifiez que les modifications permettront de préserver les fonctions de sécurité requises et le respect des normes applicables.
- Exigences en matière de changement de ligne : comprendre comment la ligne gère les nouveaux produits, les nouvelles recettes, les nouveaux outillages et les nouveaux calendriers de production.
Cette évaluation permet de disposer d'une base factuelle pour déterminer ce qu'il convient de conserver, ce qu'il faut relier, ce qu'il faut repenser et ce qu'il faut remplacer.
Le rôle de la robotique, de la vision industrielle et de l'IoT industriel
Ces technologies sont utiles lorsqu'elles permettent de combler une lacune identifiée au niveau des processus ou de l'information.
- La robotique peut améliorer la répétabilité, la manutention des matériaux, l'ergonomie et la durée du cycle pour les tâches qui s'y prêtent.
- La vision industrielle peut faciliter l'inspection, le positionnement, la mesure et la traçabilité lorsque l'éclairage, la qualité de l'image et les critères d'acceptation sont maîtrisés.
- L'Internet des objets industriel permet de connecter des machines et des capteurs à des systèmes de surveillance, de maintenance, d'analyse et de production.
- Les jumeaux numériques et la simulation peuvent aider les équipes à tester les agencements, les séquences et le comportement des systèmes d'automatisation avant la mise en service physique.
- L'intelligence artificielle et l'analyse prédictive permettent d'identifier des tendances dans les données de production ou d'actifs, mais elles nécessitent des données fiables et une réponse opérationnelle claire.
La technologie doit répondre aux exigences du processus. Introduire une nouvelle technologie simplement parce qu'elle est disponible est un moyen courant d'augmenter les coûts sans améliorer les performances de l'usine.
Un parcours de modernisation de l'usine articulé autour d'étapes clés
Un programme concret d'automatisation industrielle passe généralement par les étapes suivantes :
Exploration et état des lieux
Définissez le problème opérationnel, les performances actuelles, les contraintes, les parties prenantes et les indicateurs de réussite. Recueillez suffisamment de données de référence pour pouvoir comparer la situation future à la situation actuelle.
Évaluation des processus et des systèmes
Répertoriez le processus, les équipements, les dispositifs de contrôle, les flux de données, les exigences de sécurité et les procédures de travail des opérateurs. Identifiez les interdépendances susceptibles d'affecter la continuité de la production.
Études d'architecture cible et d'analyse commerciale
Comparez les différentes options de mise en œuvre. Déterminez ce qui doit être automatisé, intégré, repensé ou conservé tel quel. Évaluez les coûts, les risques, la facilité de maintenance, l'évolutivité et le délai de rentabilisation.
Étude technique détaillée
Élaborer la conception mécanique, l'architecture des commandes, le modèle réseau et de données, les interfaces logicielles, la stratégie de sécurité, le plan de test et la séquence de mise en œuvre.
Simulation, prototypage et validation
Testez les hypothèses présentant le plus grand risque avant le déploiement complet. Dans la mesure du possible, recourez à la simulation, à des prototypes fonctionnels, à des modèles numériques ou à une mise en service progressive afin de limiter les imprévus sur le site de production.
Déploiement et mise en service
Mettre en œuvre par étapes contrôlées, en prévoyant des plans de retour en arrière clairs, la formation des opérateurs, la documentation et les critères d'acceptation.
Accompagnement et amélioration de la production
Évaluer les résultats, résoudre les problèmes, optimiser le système et identifier les prochaines possibilités d'amélioration. Le programme doit permettre à l'usine de disposer d'une base opérationnelle facile à entretenir, et pas seulement d'une installation achevée.
Erreurs courantes en matière d'automatisation qui accroissent la complexité
Commencer par le matériel plutôt que par le goulot d'étranglement
Une réflexion axée avant tout sur les équipements peut aboutir à un système techniquement impressionnant, mais qui ne résout pas le problème le plus coûteux de l'usine.
Considérer l'intégration comme une étape finale
Les exigences en matière de commandes, de mécanique, de données, de sécurité et d'opérateurs doivent déterminer l'architecture dès le début. Une intégration ajoutée en fin de processus entraîne généralement davantage de retouches.
Remplacer des systèmes existants sans les évaluer
Certains systèmes existants sont fiables et peuvent être raccordés ou améliorés. Leur remplacement doit être fondé sur des données factuelles, et non pas uniquement sur leur ancienneté.
Créer des tableaux de bord sans prendre de décisions
Chaque donnée importante doit justifier une action précise, telle que l'ajustement d'un processus, la planification d'une opération de maintenance, l'analyse d'une variation de qualité ou la modification d'un plan de production.
Sous-estimer le transfert de connaissances
Une équipe d'exploitation doit comprendre le fonctionnement du système, savoir comment le dépanner et comment gérer les changements à venir. La documentation et la formation font partie des livrables techniques.
Mesurer la réalisation plutôt que les résultats
Un projet peut être livré dans les délais tout en manquant son objectif opérationnel. Définissez des indicateurs tels que la durée du cycle, les temps d'arrêt, le rendement dès la première production, le temps de changement de production, la consommation d'énergie ou le délai d'intervention de maintenance avant le début des travaux.
Comment choisir un partenaire en ingénierie d'automatisation industrielle
Recherchez un partenaire capable d'aborder le problème d'ingénierie dans son ensemble, et pas seulement de fournir une couche technique.
Demandez :
- L'équipe est-elle en mesure d'évaluer simultanément les exigences en matière de processus, de mécanique, de contrôles, de données et d'exploitation ?
- Est-ce que cela peut fonctionner avec les équipements et les piles technologiques existants ?
- Comment les étapes clés, les risques, les décisions de conception et les critères d'acceptation sont-ils documentés ?
- Que se passe-t-il après la mise en service ?
- L'équipe est-elle en mesure de répondre à la fois aux exigences en matière d'ingénierie industrielle et d'ingénierie numérique ?
- Comment cette mission permettra-t-elle d'assurer la continuité de la production et la préservation du savoir-faire opérationnel ?
- Ce partenaire possède-t-il une expérience dans des secteurs où la fiabilité, la sécurité et la conformité sont essentielles ?
Monarch Innovation articule son modèle mondial de prestation d'ingénierie autour d'une approche transversale, d'une exécution par étapes clés et d'un accompagnement tout au long du cycle de vie du produit et de l'usine. Le choix de la solution la plus adaptée dépend toutefois des procédés, des systèmes, des contraintes et des résultats attendus propres à chaque usine.
Conclusion finale
Les solutions d'automatisation industrielle créent de la valeur durable lorsqu'elles permettent de résoudre le principal problème opérationnel d'une usine. Le travail doit commencer par l'identification du goulot d'étranglement, établir un lien entre les disciplines liées aux procédés et à l'ingénierie, tenir compte de la réalité des systèmes existants et fournir aux opérateurs et aux équipes de maintenance une base sur laquelle ils pourront s'appuyer après la mise en service.
Pour les fabricants, la question concrète n'est pas de savoir si l'automatisation est suffisamment moderne, mais si le système proposé rendra la production plus fiable, plus transparente, plus facile à entretenir et plus adaptable.
Si vous envisagez un projet d'automatisation industrielle, de modernisation d'usine ou d'intégration de systèmes de production, discutez des enjeux techniques avec l'équipe de Monarch Innovation et définissez la prochaine étape clé avant de choisir la technologie.
Foire aux questions sur les solutions d'automatisation industrielle
Comment l'automatisation industrielle peut-elle améliorer le rendement des usines ?
L'automatisation industrielle peut améliorer l'efficacité d'une usine en augmentant le débit, en réduisant les temps d'arrêt imprévus, en améliorant la cohérence des processus, en supprimant les tâches manuelles répétitives et en offrant aux équipes une meilleure visibilité sur la production. Le choix de la solution appropriée dépend du goulot d'étranglement spécifique à l'usine. L'équilibrage des lignes, l'amélioration des systèmes de contrôle, la vision industrielle, la robotique, les données de maintenance et la refonte des processus peuvent chacun apporter une réponse à un problème d'efficacité différent.
Comment un fabricant doit-il planifier un projet d'automatisation industrielle ?
Commencez par définir le problème opérationnel et établir une situation de référence. Évaluez ensuite le processus actuel, les équipements, les contrôles, les données, les exigences de sécurité et les flux de travail des opérateurs. Utilisez cette évaluation pour définir l'architecture cible, comparer les options de mise en œuvre, élaborer la conception technique détaillée, valider les hypothèses à haut risque et procéder au déploiement par étapes contrôlées, avec des critères d'acceptation clairs.
L'automatisation industrielle est-elle compatible avec les systèmes existants des usines ?
Oui. De nombreux programmes de modernisation visent à connecter ou à améliorer les équipements existants plutôt qu’à remplacer l’ensemble de l’usine. Avant toute intégration, il convient d’examiner le matériel de commande, les versions logicielles, les interfaces de communication, l’état des machines, la qualité des données, les systèmes de sécurité et les solutions de contournement non documentées. Cela permet de déterminer ce qui doit être conservé, connecté, repensé ou remplacé.
Comment l'automatisation peut-elle contribuer à réduire les temps d'arrêt dans la production ?
L'automatisation peut réduire les temps d'arrêt en améliorant le diagnostic des équipements, en surveillant les conditions de fonctionnement, en identifiant les schémas de défaillance récurrents, en standardisant les processus et en facilitant la mise en œuvre des informations de maintenance. Le système doit associer les données relatives aux temps d'arrêt à une réponse définie, telle qu'une analyse des causes profondes, la planification de la maintenance ou l'ajustement des processus.
Quels sont les critères à prendre en compte par les fabricants lorsqu'ils choisissent un partenaire en automatisation industrielle ?
Recherchez un partenaire capable d’évaluer simultanément les exigences en matière de processus, de mécanique, de systèmes de contrôle, de données, de sécurité et d’exploitation. Demandez-lui comment il gère les étapes clés, la continuité de la production, les essais, la documentation, la formation des opérateurs, la cybersécurité et l'assistance après mise en service. Un partenaire doit être capable de s'adapter à votre infrastructure technologique existante et d'expliquer en quoi la solution proposée améliorera de manière mesurable les résultats de votre entreprise.
Comment l'IA et les données contribuent-elles à l'automatisation industrielle ?
L'IA et les données de production peuvent faciliter la maintenance prédictive, l'analyse de la qualité, la recherche des causes profondes, le suivi de la production et la prise de décisions adaptatives concernant les processus. Cependant, l'usine a besoin de données fiables, d'un contexte opérationnel clair et d'une action convenue pour chaque signal important. L'IA doit être liée à une décision opérationnelle bien définie, et non pas être ajoutée comme une simple démonstration technologique isolée.
