Dossier Power the Future : Comment l’Internet des objets va révolutionner la production industrielle

2015 février 04, 08:50 CEST

AUTEURS : Professeur Detlef Zühlke, Dr. Dominic Gorecky et Stefanie Fischer, département de l’Innovation des systèmes industriels au Centre de recherches allemand.

Sous la pression de la mondialisation, notre secteur va devoir faire face à une période de défis majeurs, y compris des cycles de vie des produits plus courts, des produits extrêmement personnalisés et une concurrence sévère depuis différents marchés du monde entier. Ces défis sont déjà visibles sur le marché actuel des téléphones portables. Les cycles de vie des produits ont baissé et varient entre 6 et 9 mois environ, alors que leurs fonctionnalités et leur complexité ne cessent de se développer.

Une évolution comparable s’engage dans d’autres secteurs, notamment l’automobile. Alors que les produits se complexifient et que leur cycle de vie est de plus en plus limité, les technologies assistées par ordinateur (CAX) continuent à gagner de l’importance dans l’optimisation de la production et la période d’accélération. Les progrès des CAX au cours des dix dernières années ont amélioré la flexibilité dans la conception et la phase de planification, mais une percée similaire est encore attendue au stade de production. La grande variabilité des produits, parallèlement à leur cycle de vie réduit, exige une structure de production agile et flexible pouvant être rapidement reconfigurée pour répondre aux nouvelles demandes de produits. Ce degré de flexibilité n’est pas accessible à travers l’automatisation traditionnelle. En revanche, les structures industrielles modulaires composées d’appareils intelligents, les « Systèmes cyber-physiques » (SCP), intégrées au réseau de « l’Internet des objets », sont des éléments clés pour permettre des scénarios de production adaptable, capables de répondre et de dépasser les défis actuels.

Au cours des dix dernières années, nous avons assisté à une transformation fondamentale de notre quotidien après l’émergence et la croissance des technologies de l’information et de la communication (TIC). Les ordinateurs sont désormais si petits qu’ils semblent se dissimuler dans presque tous nos appareils techniques. Mais surtout, les objets communiquent sur un réseau international : Internet.


Si nous considérons l’avenir dans cette perspective, il est clair que pratiquement tous les objets du quotidien deviendront des nœuds intelligents au sein d’un réseau global. Ce phénomène est désigné comme « l’Internet des objets » (IdO) ; une tendance qui trouvera certainement sa place dans la production industrielle. Le penchant prononcé du monde électrotechnique et hiérarchique de l’automatisation industrielle va évoluer vers des réseaux d’usines intelligents qui exploiteront de plus en plus les progrès des TIC et des sciences informatiques. En Allemagne, un grand débat est lancé autour de la quatrième révolution industrielle, ou en abrégé, l’Industrie 4.0.

L’intérêt suscité par ce terme est croissant depuis son introduction en avril 2011 par Kagermann/Lukas/Wahlster (2011 – Référence 1). Sous l’impulsion d’un groupe de travail formé de spécialistes des communautés scientifiques et des milieux d’affaires, une vision a été développée pour l’industrie allemande et diffusée sous la forme de recommandations au gouvernement fédéral. En conséquence, un programme de recherche a été mis en place, avec un financement de 200 millions d’euros environ sur les prochaines années. En outre, les trois principales associations industrielles allemandes (VDMA, ZVEI et BitKom) ont uni leurs forces pour créer une plateforme partagée afin de faciliter la coordination de toutes les activités de l’Industrie 4.0.

Ces actions ont contribué à créer un battage publicitaire principalement orchestré par les médias. Toutefois, il existe aussi un intérêt authentique de la part de l’industrie pour le succès durable de cette vision. L’Allemagne est une nation high-tech et elle doit une grande partie de son produit intérieur brut (PIB) à la production de biens ainsi qu’aux équipements nécessaires à la production. La section suivante présente les défis cruciaux et les évolutions à anticiper dans la vision de l’Industrie 4.0.

La vision de l’Industrie 4.0

Parmi les particularités du nouvel environnement technologique, citons la transition vers les systèmes mécatroniques. L’électronique sera un composant fondamental des produits du futur, alors que les matériels seront de plus en plus standardisés. Les fonctions principales qui en détermineront les fonctionnalités seront créées par les logiciels. De cette façon, les éléments traditionnels des machines seront transformés en systèmes mécatroniques. Une fonction peut être implémentée à travers la mécanique, l’électronique ou l’informatique. La conception, la production puis le service exigent donc une équipe interdisciplinaire pour apporter aux ingénieurs des compétences dans le génie mécanique, électrique et informatique.

Des objets intelligents 

Le moteur clé de la vision de l’Industrie 4.0 réside dans l’Internet des objets (IdO). Selon cette vision, tous les « objets » produits seront dotés d’une adresse IP unique et intégrés aux réseaux. Le terme technique inventé pour désigner un tel objet est celui de Système cyber-physique (SCP) (2012 – Référence 2). La hiérarchie de production traditionnelle sera remplacée, dans les usines de demain, par une organisation autonome et décentralisée permise par les SCP. Les zones des usines et les processus de production deviendront tellement indépendants et flexibles que même les plus petits lots pourront être produits dans des conditions de remplacement rapide des produits et selon un nombre d’options illimité.

La communication machine-machine permet l’émission de commandes par différentes machines, par exemple pour transporter des matières premières ou utiliser un service de production spécifique. La mémoire sémantique du produit contrôle son processus de production de façon dynamique et permet donc la production en masse décentralisée dès la plus petite taille de lot.

Nombre de ces éléments intelligents seront mobiles et reliés entre eux à travers des réseaux sans fil, ce qui implique la perte des données de positionnement cruciales fournies implicitement par « l’extrémité du câble » dans les anciens systèmes câblés (comparaison à la Figure 1). Ceci est particulièrement important dans le domaine des opérations en usine. Un collaborateur qui utilise un appareil d’exploitation mobile tel qu’un smartphone ne peut plus être localisé à un emplacement spécifique. L’utilisateur peut se trouver n’importe où dans l’atelier, mais aussi à la cafétéria. L’application doit prendre en compte la position effective du collaborateur afin de déchiffrer si une fonctionnalité est actuellement prise en charge ou non. Pour résoudre ce dilemme, il faudra non seulement prévoir des systèmes de localisation internes comparables aux GPS, mais aussi de nouvelles règles et méthodes pour la conception d’interfaces homme-machine contextuelles permettant le découplage du matériel et du système d’exploitation utilisés.

Figure 1 : Les objets intelligents : mobiles, modulaires et décentralisés.

Les nouvelles architectures de communication

Les usines d’aujourd’hui appliquent une structure de l’information stricte et hiérarchique. Les couches supérieures abritent le système de planification des ressources (ERP) de l’entreprise, installé au-dessus des systèmes de contrôle de l’usine (MES et NC/PLC) suivis, au niveau inférieur, des capteurs et actionneurs de l’usine, appelés les appareils de terrain. Mais dernièrement, ces couches sont de plus en plus souvent intégrées à une autre : la principale intégration des systèmes est horizontale, et non verticale. Un réseau de SCP implique inévitablement une nouvelle approche des architectures. Les structures pyramidales communes caractérisées par un réseau horizontal solide et une communication verticale limitée seront remplacées par une structure en réseau orientée vers les domaines, qui autorise en principe toutes les voies à travers toutes les couches d’information de l’usine.

Les systèmes d’usine développés selon les principes de l’IdO et des SCP rendront superflus les systèmes PLC d’aujourd’hui, car chaque appareil terminal communiquera avec tous les autres, même entre différentes couches. La spécification de la logique d’exécution (également appelée orchestration) aura lieu sur le réseau et non dans un élément de contrôle dédié.

De nouveaux paradigmes de programmation

Aujourd’hui, les commandes des programmes sont majoritairement exécutées sur des structures matérielles qui reposent généralement sur des règles et normes remontant à plus de 20 ans. Dans le futur monde des SCP autonomes et en réseau, le matériel et la logique de commande doivent être strictement séparés. Plusieurs paradigmes existent déjà à ce sujet. Par exemple, les architectures orientées services (SoA) ou les architectures multi-agents (MAS).

Les deux approches incarnent et extraient la fonctionnalité matérielle. Elles contiennent les mécanismes nécessaires aux systèmes à organisation autonomes. De plus, une série de modèles de programmation existe déjà pour permettre la spécification de la logique de commande ou orchestration. Mais de telles approches nécessitent un degré de connaissances informatiques avancé, ce qui complique leur mise en place au niveau des usines par des collaborateurs qui ne sont pas formés dans ce domaine. À ce propos, la migration de ces paradigmes d’architecture depuis le niveau supérieur des usines, où ils sont déjà partiellement déployés, vers les systèmes MES intermédiaires est le chemin le plus prometteur, car il prend aussi en compte les compétences techniques des collaborateurs impliqués.

Dans la planification de la production et les processus de commande d’aujourd’hui, la conception du système de commande arrive à la fin de la phase de conception car elle repose sur les résultats des conceptions mécaniques et électriques. La programmation des commandes logiques ne commence pas avant la sélection des terminaux de commande et de leur câblage. Des concepts d’abstraction comme les SoA peuvent être utiles pour dissocier les relations avec le matériel d’implémentation initial et créer des composants logiciels réutilisables.

L’établissement d’un nouveau flux de travail d’ingénierie est nécessaire pour apporter l’approche matérielle requise, indépendante, fonctionnelle et à la tête de la planification. Les domaines de planification traditionnels doivent être plus étroitement intégrés, notamment dès les premières phases, afin de les aligner ensuite sur le processus de planification. Les approches de génie des systèmes peuvent aider à soutenir les tâches interdisciplinaires, comme l’a démontré avec succès le secteur des technologies aéronautiques.

La création d’une présentation transparente représente par conséquent un défi à relever au vu de la complexité des résultats de la planification et des relations entre les disciplines associées. Elle exigera des procédures pratiques pour atteindre une stratégie d’ingénierie incrémentielle basée sur un modèle, ainsi que des langages de modélisation, des formats de données et des chaînes d’outils adaptés.

Les usines intelligentes du futur doivent avoir pour objectif la suppression de la brèche des supports entre les environnements CAX/PLM et l’exploitation réelle de l’usine. L’outil PLM doit pouvoir créer des descriptions de systèmes complètes, à convertir directement en services de commande exécutables. Le code doit donc permettre à la fois la simulation d’une usine virtuelle et la configuration et l’exploitation de l’usine réelle.

Les normes

Conformément à la description du modèle de base, la séparation stricte du matériel et des fonctionnalités ne peut réussir qu’à condition qu’elle repose sur des normes. Un élément SCP doit être développé dans un style similaire, au moins en termes de technologies de l’information, à un bloc de construction LEGO. En d’autres termes, l’élément doit communiquer selon des normes sur toutes les couches du modèle ISO/OSI, qui en compte sept. Les couches de transport de 1 à 4, au moins, reposent déjà sur de nombreuses normes établies telles que les différents IEEE 802.xx ou le protocole IP d’Internet ; les normes respectives pour les couches basées sur les applications, de 5 à 7, ne seront créées que sous la pression des marchés. Il est évident qu’aucun fabricant n’est séduit par l’idée de transformer ses produits en blocs LEGO interchangeables. Le débat actuel sur un processus normatif dans le domaine des réseaux sans fil industriels (ISA100, par exemple) ou le langage de spécification des descriptions de dispositifs (FDT, par exemple) reflète à la fois la résistance et les conflits d’intérêts présents. Il semble toutefois qu’une approche d’implémentation prometteuse soit adoptée pour les couches 5 et 6 à travers OPC UA, que de plus en plus de fabricants et d’utilisateurs disent vouloir accepter.

La sécurité

Parmi les particularités des systèmes de commande des usines du futur, l’utilisation de réseaux basés sur IP à toutes les couches est fondamentale. Elle facilite l’importation des données depuis un appareil de terrain vers un système ERP de niveau supérieur, sans problème. Toutefois, l’utilisation de protocoles ouverts peut exposer l’usine à des risques de cyberattaques encore plus puissantes. STUXNET et d’autres logiciels malveillants (malware) démontrent définitivement que la menace est réelle. Un environnement de production basé sur des SCP ne peut être mis en place avec succès que si l’entreprise adopte les normes de sécurité les plus strictes et affiche sa confiance envers cette technologie. Ceci n’exige pas simplement des solutions technologiques, mais aussi, et elles sont peut-être plus importantes encore, des mesures organisationnelles. La recherche d’une réponse définitive à la question de la sécurité constituera un thème clé pendant tout le processus et devra faire appel aux propositions du secteur industriel, de la recherche et du gouvernement.

À quoi va ressembler le futur immédiat ?

Selon les prévisions, la vision de l’Industrie 4.0 devrait s’imposer dans les environnements de production dans 10 à 15 ans. Mais face à toutes les questions en attente de réponse et à tout le travail de recherche qui reste à effectuer, il faudra du temps avant qu’une telle approche globalisée de la production soit implantée de façon universelle et acceptée dans nos secteurs.

Par conséquent, les premiers éléments et objets adaptés à cette vision seront soumis à un long processus évolutif avant de trouver leur place dans une application pratique. La disponibilité des informations à haute résolution et la réduction de la brèche entre les supports forment la base pour la mise en place d’environnements de production versatiles et transparents. Les technologies d’identification automatique déjà disponibles peuvent aider à suivre les éléments et à les représenter de façon numérique. Les appareils mobiles tels que les ordinateurs portables, les tablettes ou les lunettes de réalité augmentée offrent un accès immédiat aux connaissances de l’entreprise depuis n’importe où et n’importe quand, dans ses locaux et au-delà. Par conséquent, les décisions et actions peuvent s’appuyer sur des informations complètes et précises, et les réactions suivent plus rapidement, soutenues par des systèmes d’assistance intelligents, comme illustré à la figure 2.

Figure 2 : Des appareils mobiles et des systèmes d’assistance intelligents dans la production du futur immédiat.

L’initiative technologique SmartFactoryKL, en tant que démonstration indépendante des fabricants et plateforme de recherche, a déjà pris de l’avance sur la vision de l’Industrie 4.0 en développant et déployant des solutions proposant des structures de production flexibles qui répondent aux défis industriels actuels. Dans son réseau de plus de 30 partenaires industriels, SmartFactoryKL teste et développe des technologies de l’information et de la communication innovantes et leur application dans un environnement de production industriel réaliste. Dans le cadre du dernier projet, une ligne de production révolutionnaire a été développée en collaboration avec des partenaires industriels importants (voir la figure 3). La ligne de production est entièrement modulaire et permet l’intégration « plug-and-play » de nouveaux modules manufacturiers. La fonctionnalité « plug-and-play » est possible grâce à un ensemble de normes techniques mécaniques, électroniques et de l’information définies par SmartFactoryKL et ses partenaires.

Figure 3 : Usine de démonstration de la production du futur par SmartFactoryKL .

Les perspectives d’avenir

Aucune révolution technologique n’a jamais commencé dans la précipitation. Le plus souvent, les bouleversements s’étendent sur plusieurs décennies dans une transition évolutive menée par les progrès de différents domaines techniques (poussés par la technologie), mais aussi en conséquence de nouvelles demandes du marché (tirés par le marché). Il est fort probable que le mouvement actuel vers l’Industrie 4.0 suivra une évolution similaire, sur plusieurs décennies. L’aspect positif réside dans le fait que l’Industrie 4.0 offre une vision claire à laquelle les fabricants comme les utilisateurs finaux peuvent s’adapter avec succès. Les perspectives scientifiques de l’environnement informatique sont étroitement liées aux exigences de l’environnement de production. Ceci exige une coopération interdisciplinaire entre des domaines traditionnellement distincts.

Les êtres humains, cependant, resteront le facteur principal de ce processus de transition. L’analyse des trois révolutions précédentes démontre que les besoins humains et le niveau de vie ont été les principaux moteurs du changement. Lorsque ces exigences trouvent les bonnes conditions technologiques annexes, le terrain est prêt pour des changements novateurs. Depuis la troisième révolution industrielle, plus connue sous le nom de révolution numérique, de nombreuses technologies innovantes ainsi que des changements politiques ont influencé la façon dont les gens vivent ensemble. Parmi les exemples les plus caractéristiques, citons la fin de la guerre froide, l’ouverture des marchés mondialisés, notamment en Chine, ainsi que les progrès technologiques (Internet et les nombreux appareils intelligents, entre autres).

Les êtres humains n’ont pas seulement un rôle important en tant que moteur du changement technologique, ils sont aussi entraînés par ses conséquences. Les TIC modernes provoquent une accélération nette dans tous les processus d’entreprise, et ce dans un contexte mondialisé. Des offres pour fournir des usines et services de production peuvent être envoyées dans le monde entier en quelques secondes, et des coopératives internationales peuvent se former instantanément pour apporter des solutions. Des systèmes logistiques plus efficaces et intégrés, terrestres, marins ou aériens, peuvent livrer des biens aux clients dans des délais beaucoup plus réduits. Pour réussir sur le marché mondialisé, les systèmes de production doivent faire preuve de flexibilité et d’une capacité de transition rapide. Les TIC rendent ceci possible. La planification, la mise en œuvre et l’exploitation doivent être encore plus rapides dans cet environnement de nouveaux systèmes. Seuls les pays du monde qui parviendront à adapter rapidement la formation et l’éducation de leurs citoyens aux nouvelles réalités pourront réussir sur le marché mondialisé.

L’Europe est en bonne position dans ce domaine. L’UE est parmi les leaders mondiaux dans les domaines de la recherche sur les systèmes intégrés en réseau, les technologies sémantiques et la conception de systèmes cyber-physiques complexes. Voilà l’immense opportunité de l’industrie européenne pour effectuer un bond technologique décisif et dominer les défis du marché mondialisé.

Références

1. Kagermann, H., Lukas, W., Wahlster, W. (2011). Industrie 4.0: Mit dem Internet der Dinge auf dem Weg zur 4. industriellen Revolution, VDI-Nachrichten.
2. Geisberger, E., Broy, M. (2012). Integrierte Forschungsagenda Cyber-Physical Systems, Acatech Studie, Berlin.
3. Zuehlke, D. (2010). SmartFactory – Towards a Factory-of-Things, In: IFAC Annual Reviews in Control, Volume 34, Issue 1, ISSN 1367-5788


[FIN]


Prof. docteur en génie mécanique Dr. h.c. Detlef Zühlke

Detlef Zühlke dirige le département de l’Innovation des systèmes industriels au Centre de recherches allemand (DFKI-IFS) pour l’Intelligence artificielle à Kaiserslautern. Il est aussi l’instigateur et le président du conseil de direction de SmartFactoryKL, et il préside la chaire d’automatisation de la production à l’université de Kaiserslautern.

Docteur en génie mécanique Dominic Gorecky
Dominic Gorecky est chercheur senior et directeur du DFKI-IFS. Dans le cadre de son poste, il est responsable de la gestion scientifique et de la coordination stratégique du département.

M. Sc. Stefanie Fischer
Stefanie Fischer est chercheuse et dirige les communications de SmartFactory. Dans le cadre de son poste, elle travaille sur différents projets et est responsable du marketing et de la communication.

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