Des informations sur l’ingénierie ou sur les ressources ?

2015 février 04, 09:00 CEST

Comment les exigences technologiques, de réglementation et d’efficacité transforment la gestion des connaissances techniques.

AUTEUR : Valentijn de Leeuw, vice-président, ARC Advisory Group

La vision qui a amorcé la transformation

En 2005, Thomas Tauchnitz de Sanofi-Aventis, un important laboratoire pharmaceutique, a publié un article dans l’édition allemande d’Automation Technology in Practice intitulé « Le temps est venu d’intégrer le processus de conception, l’ingénierie et les processus d’exploitation des usines ». L’article présente une vision et une stratégie pour la mise en œuvre du concept à travers le logiciel informatique. Le Dr. Tauchnitz explique que trois exigences principales doivent être respectées : toutes les informations doivent être créées et conservées sur un seul site, les connaissances existantes doivent être réutilisées dès que possible et les outils logiciels doivent continuer à faire interface tant que l’usine de production est en cours d’exploitation.

Tauchnitz esquisse le flux de travail depuis la conception du processus à travers un logiciel de simulation de processus, jusqu’au transfert des informations de processus obtenues à un outil d’ingénierie assistée par ordinateur (IAO), commun à toutes les disciplines d’ingénierie impliquées dans les études préliminaires et l’ingénierie de détail. Il explique comment l’ingénierie modulaire, un concept connu depuis de nombreuses années, doit être mise en œuvre : des modules standardisés comprenant toutes ses fonctions doivent être créés, entretenus et instanciés pour une tâche d’ingénierie particulière. Par exemple, un module de réacteur inclurait la mesure et le contrôle de la température et de la pression, des soupapes pour le transfert du matériau, le contrôle du niveau, l’équipement et l’automatisation de la sécurité, le brassage, etc. Les listes d’équipements correspondantes, la documentation relative à la conception, les procédures de sécurité, les procédures de test et de qualification seraient aussi intégrées au modèle. Au lieu de concevoir toutes les actions de création d’un nouvel équipement, remplacement, modernisation ou réparation depuis le début, l’ingénieur n’aurait qu’à se charger de l’adaptation et de l’intégration dans un système plus grand, lui laissant ainsi davantage de temps pour optimiser la conception et améliorer et entretenir les modules.

Une ingénierie simultanée ou collaborative ?

Aujourd’hui, de nombreux systèmes d’IAO intelligents permettent à plusieurs disciplines de travailler sur le même équipement pendant l’ingénierie industrielle, depuis leur propre perspective et à travers leur propre vision de leur travail : des schémas de procédé (PFD) pour les ingénieurs de procédés, des schémas tuyauterie et instrumentation (P&ID) pour les ingénieurs de l’automatisation, l’isométrie pour les tuyauteries, etc.

Lorsque plusieurs ingénieurs travaillent sur le même élément, ce type d’outil aide à maintenir l’intégrité des données d’ingénierie. Par exemple, si un ingénieur de procédés modifie la température maximale ou le débit d’un tube, la pompe qui va transporter ce fluide doit afficher des spécifications capables de prendre en charge ces valeurs. Dans le cas contraire, l’outil va générer une alerte quant aux spécifications de la pompe. De la même façon, le diamètre du tuyau doit permettre la prise en charge du débit, etc. Au-delà de ces règles de manipulation, ces systèmes gèrent aussi les procédés d’édition, y compris la demande, la révision et la validation des modifications.

Alors que pour les sociétés d’ingénierie, d’approvisionnement et de construction (EPC, pour Engineering Procurement And Construction), l’ingénierie simultanée est une pratique normale depuis le début de l’utilisation des outils d’IAO, dans certaines petites entreprises d’exploitant-propriétaire (OO, pour Owner-Operator), l’ingénierie séquentielle est restée la norme. Permettre à plusieurs disciplines de travailler sur le même élément de conception a des implications économiques, organisationnelles et sociales.

Des aspects sociaux et culturels

Lors de l’introduction de l’ingénierie simultanée, ou de l’ingénierie séquentielle utilisant un seul référentiel, le personnel doit se familiariser avec les nouveaux procédés et technologies. Il peut s’avérer compliqué d’avoir à partager ses informations, sa façon de travailler et les justifications des décisions prises. Il est parfois nécessaire d’apprendre à coopérer, y compris d’écouter les opinions des autres, de définir des règles et des responsabilités convenues pour les différents collaborateurs, de négocier, de résoudre les problèmes ensemble et de gérer les conflits de façon constructive. Cette transformation peut créer certaines perturbations, car elle force le collaborateur à quitter sa zone de confort. Cela peut entraîner des conflits et des échecs, en cas de gestion non adaptée. Les responsables de l’ingénierie, les derniers garants du succès de l’adoption de cette nouvelle vision, doivent afficher des compétences dans la gestion du personnel et des changements. Ils peuvent être assistés de consultants, mais pour assurer la durabilité de la mise en œuvre, ils doivent acquérir ces compétences pour pouvoir former leurs collaborateurs même bien après la mise en place du changement. Ceci est absolument obligatoire, car au-delà de l’atmosphère au travail, c’est la productivité qui est en jeu.

Dans une organisation, les gens agissent conformément à des convictions et à des règles communes. Dans les équipes, ce sont des normes, mais dans les organisations on les désigne sous le terme de culture. Certaines de ces règles et convictions sont implicites, c’est-à-dire que bien qu’observées, elles ne sont pas expressément énoncées. Certaines sont même inconscientes et peuvent parfois contredire les règles et les principes formels de l’entreprise. Transformer une culture avec succès exige de découvrir la réalité et de la rendre explicite, puis de créer une vision qui rapproche les objectifs professionnels et les besoins collectifs, avant de mettre progressivement en place une nouvelle culture, et de la soutenir. Un manuel ou une formation peut s’avérer utile, mais cette évolution exige que les dirigeants rencontrent les collaborateurs, écoutent leurs idées et préoccupations, expliquent, agissent selon leurs commentaires, les impliquent dans la conception du travail et reconnaissent leurs efforts pour appliquer le changement.

Un impact organisationnel et économique

Bien que les outils d’IAO intelligents puissent permettre l’ingénierie simultanée, toutes les entreprises d’ingénierie ne l’ont pas adoptée. ARC a réalisé une étude non officielle il y a quelques années parmi plusieurs sous-secteurs d’industries de transformation, depuis de grandes entreprises pétrochimiques constantes jusqu’aux laboratoires pharmaceutiques présents sur plusieurs continents. Elle indiquait qu’environ la moitié des utilisateurs d’IAO étaient organisés pour appliquer l’ingénierie simultanée à un niveau satisfaisant ou élevé, mais qu’un tiers préférait en fait utiliser l’ingénierie séquentielle. L’objectif de faire travailler plusieurs disciplines simultanément sur un même élément de conception est de réduire la durée du projet. Mais les utilisateurs sont d’accord pour dire que cela multiplie aussi les erreurs et les approximations, qui finissent par alourdir l’effort total. Les EPC n’ont peut-être pas le choix car elles travaillent sous la pression des délais, mais pour les OO, la conception technique du projet ne se trouve pas sur leur chemin critique, elles peuvent se permettre d’allonger la durée du projet pour gagner sur l’effort d’ingénierie. Une optimisation économique qui équilibrerait le coût du projet et la valeur de la capacité opérationnelle précoce préconiserait sans doute un niveau intermédiaire d’ingénierie simultanée. Dans la même étude, les utilisateurs ont indiqué qu’une hausse de productivité de 5 à 50 % peut être atteinte, à travers des gains de temps et une précision accrue des données selon le degré d’ingénierie simultanée utilisé, mais au coût d’un investissement significatif en ingénierie modulaire et modélisation du flux de travail (voir ci-dessous).

L’ingénierie simultanée et collaborative peut exiger de petits ajustements dans certains détails du flux de travail et la définition des responsabilités individuelles qui peut amener des frictions au niveau personnel (voir ci-dessus) mais techniquement, l’organisation ne devrait pas s’en trouver affectée outre mesure.

Ingénierie modulaire et technologie de procédés modulaire

La réutilisation des informations et connaissances est un moyen d’augmenter l’efficacité de l’ingénierie. Le deuxième « principe Tauchnitz » visant à réutiliser les connaissances autant que possible (voir page 1) implique la standardisation des conceptions modulaires éprouvées. Celles-ci sont prêtes à utiliser les informations techniques pour le traitement des unités ou sections composées d’équipements de production, d’instruments, de commandes, de tuyaux, de pompes, d’agitation mécanique, etc. Un ingénieur peut choisir cette unité ou section de production au lieu de concevoir à nouveau toutes les sections, pour se concentrer sur les performances du processus. Lorsque des modules standards manquent, une documentation doit décrire les solutions utilisées pour la tâche d’ingénierie. Les défis liés à l’ingénierie modulaire représentent un investissement considérable dans la création de modules. Pour les OO, cet investissement peut être rentabilisé sur le long terme, mais pour les EPC, il peut ne pas s’avérer rentable à moins de pouvoir standardiser un outil unique et d’exporter les conceptions vers les outils IAO demandés par leurs clients.

Le projet F3 Factory, financé par 25 entreprises et l’UE, comprend sept études de cas industrielles. Il a été mené entre 2009 et 2013 dans l’objectif de compenser les inconvénients du traitement continu à grande échelle (un investissement important en capital et une certaine rigidité) et des petits processus à l’échelle d’un lot (inefficacité) et d’associer leurs bénéfices respectifs en introduisant l’efficacité dans des installations à objectifs et produits multiples, et la flexibilité dans des installations continues à l’échelle internationale. Les objectifs de la recherche incluaient :

  • Fournir des conceptions de procédés plus compactes et moins chères qui réduisent l’impact environnemental pour soutenir l’intensification des processus.
  • Développer un équipement chimique standardisé, modulaire et « plug-and-play » capable de gérer plusieurs processus chimiques.
  • Développer des méthodologies d’ingénierie pour les processus intensifiés.
Le projet a présenté de nombreux résultats prometteurs et plusieurs processus modulaires ont été développés. Tous ont affiché des gains significatifs en termes à la fois de coût et de durabilité.

L’idée est que, pour augmenter la capacité de production, un fabricant doit simplement ajouter des unités standardisées de petite taille, au lieu de concevoir une usine plus grande. Cette solution permet de réduire le coût et la durée de l’ingénierie, et plus encore le coût de l’équipement à travers la construction de séries plus importantes. Le concept exige une nouvelle approche de l’ingénierie qui optimise le processus dans la limite des contraintes du choix des modules standard, au lieu d’adapter les équipements au processus.

La tendance est à la production de quantités plus réduites en introduisant des améliorations progressives dans les produits et processus et en répondant aux demandes du marché de façon flexible. Ceci fournit le potentiel pour exploiter la flexibilité d’une usine conçue pour diverses conditions d’exploitation, et donc pour concevoir des équipements qui s’adaptent à toutes les conditions possibles et non à une seule condition, même optimale. L’application de l’optimisation de la production évolutive et des systèmes de gestion de la qualité conformément aux dernières directives de la FDA cGMP est favorable à ces conditions car elle absorbe les modifications des processus et la variabilité des conditions de production alors que certains ou tous les produits finaux restent identiques.

L’utilisation du concept de production modulaire éliminerait de nombreuses tâches d’ingénierie et de validation, la variation des vitesses de production pouvant être gérée en adaptant le nombre de lignes de production nécessaires pour produire les quantités requises. Des projets similaires ont été mis en place au Massachusetts Institute of Technology (MIT), aux États-Unis, en collaboration avec des fabricants.

Les initiatives de l’Internet industriel des objets, notamment l’Industrie 4.0, ou l’Industrial Internet Consortium, ont incité le secteur, et plus particulièrement celui de la production par lots, à réfléchir à la mise en place de lignes de production reconfigurables pouvant répondre à des demandes et contraintes variables. Ceci nécessite de nouveaux concepts et de nouvelles normes pour intégrer les équipements adaptés presque en temps réel, y compris leur automatisation et leurs composants logiciels de gestion de l’exploitation. Les approches d’ingénierie modulaire décrites ci-dessus facilitent énormément l’ingénierie des technologies de procédés modulaires. L’utilisation de l’ingénierie modulaire devrait augmenter nettement dans un futur proche et à moyen terme. Les secteurs de production par lots seront les premiers à adopter l’approche, puis selon nos estimations, les grandes entreprises de traitement continu commenceront à penser à rationaliser leurs paradigmes d’ingénierie, de construction et d’exploitation et à appliquer ces concepts.

La qualification et la conformité électroniques

La vision du Dr. Tauchnitz est encore plus riche. L’analyse des risques liés aux procédés et aux équipements de qualité des produits doit se refléter dans les spécifications des exigences, les tests et les projets de qualification. L’analyse peut être réalisée de façon systématique dans l’outil d’IAO et son flux de travail peut être automatisé dans le même système. Les résultats des tests et de qualifications peuvent être liés aux exigences des équipements à travers l’analyse des risques. Le processus peut ainsi atteindre la conformité aux spécifications grâce à des technologies sans papier et être construit de façon efficace comme une extension vers des systèmes d’IAO intelligents. Certains fournisseurs sont des précurseurs de cette approche avec des entreprises déjà visionnaires qui génèrent dès aujourd’hui des bénéfices significatifs à travers l’efficacité et la précision. L’ARC s’attend à voir cette fonctionnalité se généraliser rapidement, alors que la pression pour la conformité de tous les secteurs s’accentue constamment et que les entreprises doivent répondre à cette pression par une efficacité supplémentaire.

L’ingénierie intégrée

L’intégration des processus de conception, d’ingénierie et d’exploitation des usines est le troisième principe de Tauchnitz : « les outils logiciels doivent continuer à faire interface tant que l’usine de production est en cours d’exploitation ». Cette notion a aussi des implications majeures pour les EPC comme pour les OO.

Au cours des phases de conception et de construction, nos clients nous affirment que les échanges entre les EPC et les OO sont ces dernières années de plus en plus fréquents et intenses,. Les OO veulent garder le contrôle des choix effectués par les EPC au stade de la conception, pendant la révision et la gestion, et sur la propriété commune du travail. Ces échanges ont désormais davantage recours à des outils d’IAO intelligents courants qui permettent aux parties concernées de partager, de visualiser et de parler du travail de conception. Plus significatif encore, la « passation » du cahier des charges entre EPC et OO adopte de plus en plus souvent des formats électroniques. La documentation papier traditionnelle était pesante, longue à localiser et à gérer, et presque impossible à actualiser. Aujourd’hui, de plus en plus d’OO souhaitent un ensemble de données électronique et intelligent qui reflète la situation initiale afin de pouvoir l’actualiser pendant le cycle de vie de l’usine. Ceci n’est pas uniquement efficace du point de vue des ressources, c’est aussi une exigence réglementaire de plus en plus courante pour produire une documentation actualisée sur les ressources et démontrer leur conformité.

Dans le cas d’une usine qui démarre pour la première fois après sa construction ou réorganisation, au moins deux activités différentes et complémentaires utilisent les informations sur les ressources. L’ingénierie utilise les informations de l’usine pour planifier des changements ou améliorations telles que le dégoulottage, l’intégration thermique, les améliorations de qualité ou autres projets. Simultanément, la maintenance utilise les données pour dépanner, réparer, commander les pièces détachées, etc. Si les informations sur les ressources ne sont pas actualisées pendant l’exploitation et la maintenance de l’usine, leur précision diminue progressivement et lorsque l’ingénierie lance un projet, de précieux mois sont perdus à déterminer l’état réel des ressources, au lieu de travailler sur la tâche de production. L’utilisation d’outils d’IAO intelligents présente donc un avantage majeur au cours du cycle de vie de l’usine et dans l’intégration des procédés d’ingénierie, d’exploitation et de maintenance grâce à des données uniques et actualisées sur les ressources. Par conséquent, l’ingénierie et les informations sur les ressources deviennent indifférenciables et les informations initiales sont transformées en informations actualisées.

Les procédés et la conception du travail doivent être adaptés afin de s’assurer que les modifications de l’ingénierie et de l’usine sont bien enregistrées dans l’IAO ou le répertoire des informations sur les ressources. Et un changement de culture est là aussi nécessaire, conformément à la description ci-dessus pour les organisations techniques.

Les témoignages de nos clients nous incitent à penser que les utilisateurs peuvent gagner plusieurs mois-hommes de travail d’ingénierie et de maintenance par usine. Les bénéfices liés aux incidents de sécurité et aux situations d’urgence sont plus difficiles à quantifier. Dans les accidents graves, la disponibilité et la qualité des informations ont prouvé leur rôle fondamental dans la prise des décisions correctes pour limiter les dommages et le nombre de victimes. La simple possibilité de réduire les coûts des interruptions de la production liées aux informations sur les ressources justifie aisément l’effort de mise en place de l’ingénierie intégrée.

L’interopérabilité des commandes et autres systèmes

Mais ce n’est pas tout. Le Dr. Tauchnitz a poussé sa vision plus loin en soulignant qu’un modèle générique de programmation DCS et PLC devrait être intégré à l’outil d’IAO. À travers une interface universelle, les programmes pourraient être exportés vers différentes marques d’automatisation et compilés dans l’équipement afin de réutiliser les modules de programmation standardisés dans différents types d’équipement. L’auteur étend aussi son concept à la configuration des systèmes de production, notamment la MES (gestion des processus industriels) ou la MOM (gestion des opérations de production).

Pour les EPC comme pour les OO, ceci permet des économies de temps considérables dans les systèmes de commande industrielle. Pour les OO, le bénéfice pourrait même être encore plus important pendant les phases d’exploitation et de maintenance de l’usine. Les OO utilisent généralement plusieurs marques de systèmes de commande et pourraient bénéficier d’une approche d’ingénierie uniforme commune. Les systèmes de commande étant actualisés et modifiés sur le terrain, le défi réside dans la mise à jour des informations sur les ressources et la production. L’organisation des utilisateurs NAMUR (www.namur.net) a répondu à ce défi en définissant un format de données standard pour l’échange entre les systèmes de commande de processus (PCS) et les outils d’IAO (NAMUR Recommendation NE 150, publiée en octobre 2014). Le Dr. Tauchnitz a récemment publié un compte rendu sur un ensemble d’installations de démonstration mettant en œuvre ce format d’échange de données pour une balise DCS entre quatre systèmes d’IAO (Aucotec, Bentley, ESP et Siemens) et trois systèmes PCS (ABB, Siemens et Yokogawa). Une infinité de possibilités et de bénéfices s’ouvre aux utilisateurs et fournisseurs du système. La dynamique initiale utilisée pour créer les installations de démonstration doit être maintenue. Les utilisateurs devraient exiger sa mise en œuvre par davantage de fournisseurs encore, et son utilisation devrait être payante pour les utilisateurs en termes d’efficacité industrielle, pour les fournisseurs d’IAO à travers un développement de leur marché et pour les fournisseurs de PCS grâce à un coût du cycle de vie plus favorable.

L’interopérabilité avec la MES ou la MOM est toujours un rêve d’avenir, comme l’échange bidirectionnel avec la simulation des processus. Si ces objectifs étaient atteints, une autre vague de bénéfices serait possible. Le travail sur l’interface bidirectionnelle entre les outils d’IAO et les PCS montre que ce qui était considéré comme peu probable peut très rapidement devenir réalité, grâce à une vision, aux compétences interpersonnelles et à la coopération entre les parties. Ce même principe s’applique à l’interopérabilité entre l’IAO et la MOM ou à la simulation de processus.

Standardisation

Pour finir, Thomas Tauchnitz développe une vision de la standardisation et de la mise en œuvre au niveau de l’entreprise, de la réduction du nombre de systèmes et interfaces, de l’organisation d’une maintenance et d’une assistance centralisées et de la promotion d’une gestion des connaissances dans toute l’entreprise. Cet aspect de sa vision n’a pas encore reçu beaucoup d’attention, mais notre expérience et les études de cas de nos clients sur la mise en œuvre d’applications MOM nous indiquent que cette approche réduit le coût total de possession d’une application et réduit par ce moyen les temps d’amortissement, augmentant ainsi la valeur ajoutée nette. C’est pourquoi nous recommandons vivement de prêter attention à ce point.

Conclusions

Des informations actualisées, précises et faciles d’accès sur l’ingénierie et les ressources pendant l’intégralité du cycle de vie de l’usine apportent des bénéfices considérables en termes d’efficacité industrielle pour les EPC et les OO, que les utilisateurs estiment entre 5 et 50 % selon leur efficacité initiale et le degré d’ingénierie simultanée appliqué. Les utilisateurs appartenaient à plusieurs sous-secteurs industriels techniques, de la pétrochimie aux laboratoires pharmaceutiques.

Les systèmes d’IAO intelligents permettent l’ingénierie simultanée et collaborative. L’efficacité technique est obtenue par un référentiel de données précis et actualisé accessible par toutes les disciplines à tout moment. Ces systèmes aident à maintenir l’intégrité des informations techniques.

L’ingénierie simultanée réduit la durée des projets mais limite aussi les gains d’efficacité. Chaque entreprise ou organisation doit déterminer son rapport optimal entre ingénierie simultanée et séquentielle.

Les informations initiales sur les ressources peuvent être mises à jour à travers des systèmes d’IAO intelligents pour devenir un référentiel d’informations actualisées que les processus industriels, d’exploitation et de maintenance peuvent consulter et mettre à jour afin de prendre les décisions optimales. Cette pratique d’« ingénierie intégrée » multiplie l’efficacité et la sécurité de l’exploitation. ARC estime que les entreprises pourraient gagner plusieurs mois-hommes d’ingénierie par usine et par an.

D’importants gains d’efficacité pourraient être obtenus à travers l’exigence, de la part des utilisateurs, d’outils d’IAO et de PCS afin que les fournisseurs mettent en œuvre la nouvelle norme NE 150 relative à l’échange bidirectionnel de données entre deux types de systèmes.

La standardisation des systèmes, des méthodologies, de l’ingénierie et des processus modulaires réduit le coût total de possession, augmente la productivité et réduit les coûts de formation.

Biographie : Valentijn de Leeus, vice-président de l’ ARC Advisory Group

Valentijn de Leeus est évaluateur-expert indépendant de projets de recherche pour la Commission européenne, dans le domaine des technologies de l’information et de la communication, de la durabilité sociale et de l’attraction des travailleurs vers les domaines techniques. Valentijn de Leeus est titulaire d’un PhD en sciences techniques de l’université technologique de Delft (NL) en coopération avec l’École nationale supérieure des mines de Paris et l’IFP. Il possède aussi un Master en chimie de l’université d’État d’Utrecht, aux Pays-Bas. Fondé en 1986, l’ARC Advisory Group est le leader de la recherche et du conseil technologiques pour le secteur industriel et des infrastructures.

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