Qualité 4.0 : Exploiter les capteurs IoT sans fil pour révolutionner l'excellence manufacturière

Le contrôle qualité est fondamental dans tous les secteurs, mais dans la fabrication, il est hyper-critique. La volatilité de la demande du marché, les coûts élevés des matériaux et de la production, ainsi que la nature critique des produits finis, poussent les fabricants à ne viser rien de moins que la qualité irréprochable et un taux de rebut minimal. Avec l'Internet des objets (IoT) qui prend progressivement son essor dans l'industrie manufacturière, la gestion de la qualité représente un domaine aux opportunités transformationnelles.

Le défi de la gestion de la qualité en un coup d'œil

Une gestion efficace de la qualité repose sur la capacité à surveiller et contrôler en permanence une multitude de paramètres machines et processus qui influent sur la qualité du produit. Pour garantir que les propriétés du produit restent constantes et conformes, un recalibrage constant des équipements est effectué à mesure que des dérives de processus et d'autres changements sur la ligne de production surviennent. Pourtant, avec la complexité croissante des systèmes d'outillage et des processus de fabrication, de nombreuses variables de processus restent sans surveillance en raison des limites des réseaux filaires encombrants.

Bien qu'idéaux pour les tâches d'automatisation à haut débit et sensibles au temps, les communications filaires manquent de flexibilité et de rentabilité nécessaires pour capturer des données télémétriques à grande échelle et au-delà du niveau machine. Typiquement, des facteurs comme les conditions environnementales, malgré leur influence majeure sur la variabilité de la qualité, sont souvent ni étudiés ni contrôlés. Par exemple, dans la fabrication automobile, une température ambiante défavorablement basse peut réduire la qualité des composants imprimés en 3D en les faisant refroidir trop rapidement.

De plus, conçus au siècle dernier, la majorité des systèmes industriels pilotés par câblage ne sont pas prévus pour l'échange de données au-delà de l'atelier. Cela crée des îlots de données déconnectés, indisponibles pour améliorer l'efficacité et le débit de production. Au lieu de cela, l'optimisation des processus et la gestion de la qualité dépendent souvent d'inspections manuelles réactives après production. Outre l'intervention humaine coûteuse, cela introduit une variabilité de qualité significative et des coûts associés, tout en rendant difficile la traçabilité de la cause racine des problèmes de qualité.

L'avènement de l'Industrie 4.0 : Gestion proactive de la qualité

La quête pressante d'une meilleure visibilité des processus témoigne du potentiel énorme de l'IoT et de son pendant, l'Industrie 4.0, pour une gestion proactive de la qualité.

Les réseaux IoT sans fil capturent un grand nombre de points de données critiques granulaires le long de la ligne de production : pression, vibration, température, humidité. Avec potentiellement des milliers de capteurs installés sur site, les données sont collectées aussi fréquemment que toutes les 10 à 20 secondes et envoyées via une station de base vers le système backend préféré de l'utilisateur, sur site ou dans le cloud. Grâce à une plateforme IoT distante, toutes les données des capteurs sont consolidées pour une surveillance en temps réel, des insights actionnables et l'automatisation des processus. Des alertes peuvent être déclenchées immédiatement dès l'apparition de conditions hors spécifications sur les équipements et processus en cours. Cela offre aux fabricants un contrôle sans précédent sur leurs opérations et leurs produits. Au-delà de l'inspection qualité réactive en fin de chaîne, les données IoT permettent une approche proactive d'assurance qualité pour diagnostiquer et prévenir les défauts bien plus tôt dans le processus, pour un débit et une répétabilité de production optimaux. Cela conduit également à une réduction des coûts et des déchets. Simultanément, cela fournit des insights précieux pour atteindre et maintenir les meilleures pratiques.

Cinq applications majeures pour une gestion proactive de la qualité :

1. Surveillance d'état et maintenance prédictive

Les capteurs IoT capturent et communiquent des métriques clés de santé et d'opération telles que la pression, la vibration, la température, l'humidité et la tension de nombreuses machines et équipements à travers l'ensemble du complexe industriel (surveillance d'état). Au-delà de générer une image éclairante des processus de production actuels et de la performance des actifs, ces flux massifs de données alimentent des modèles analytiques pour prédire proactivement un problème imminent et planifier des inspections et réparations basées sur la demande (maintenance prédictive). Par exemple, une humidité élevée dans le réducteur diminue la performance des composants rotatifs, entraînant corrosion, qualité de produit altérée, voire panne machine. Une vibration excessive des moteurs et pompes suggère d'éventuels défauts de montage, désalignement d'arbre et usure de roulements. Avec la maintenance prédictive, les pannes peuvent être évitées à l'avance, maximisant ainsi l'utilisation des actifs et réduisant les pertes coûteuses dues aux arrêts.

2. Surveillance environnementale

Les conditions ambiantes peuvent jouer un rôle significatif dans la production et la gestion de la qualité. Grâce à des capteurs environnementaux mesurant température, humidité et qualité de l'air, les opérateurs d'usine peuvent surveiller et contrôler à distance les environnements optimaux pour divers processus à l'échelle de l'usine depuis leur centre de commande. Par exemple, maintenir une différentielle de pression d'air idéale empêche l'infiltration de poussières dans la zone de fabrication, garantissant ainsi la qualité du produit dans les industries pharmaceutique et microélectronique. Les processus de collage et de peinture dans la production automobile peuvent être améliorés avec un niveau d'humidité optimal. De même, une surveillance précise de la température des installations de traitement et de stockage assure la sécurité des produits dans l'industrie alimentaire.

3. Suivi et gestion des actifs

Des capteurs IoT fixés sur des actifs individuels tels que les outils, machines et véhicules capturent et rapportent des informations détaillées sur leurs conditions actuelles, ainsi que sur leur localisation et leur utilisation. En disposant d'une vision holistique et en temps réel des actifs multi-sites, les opérateurs peuvent rapidement identifier les équipements sous-utilisés, diagnostiquer les problèmes et goulots d'étranglement imminents, et mobiliser aisément les outils et pièces. En fin de compte, l'application de l'IoT à la gestion des actifs permet aux organisations d'optimiser les activités de maintenance et la durée de vie utile des actifs, tout en éliminant les enregistrements manuels sujets aux erreurs et les commandes excessives.

4. Surveillance à distance des pipelines et réservoirs

Les réservoirs et pipelines sont des actifs critiques dans de nombreuses industries de processus. Un débordement ou une fuite de produits chimiques et de gaz entraîne non seulement des pertes de production, mais cause aussi de graves dommages environnementaux et menace la sécurité publique. En implémentant des capteurs de niveau, vibration, débit et pression, les entreprises peuvent surveiller en continu la santé structurelle de leurs réservoirs et pipelines largement distribués, tout en réduisant les inspections manuelles. Des alertes sont émises sur les déversements, fuites ou ruptures potentiels pouvant mener à des catastrophes. Des alertes sur les bas niveaux de matière dans les réservoirs peuvent également être émises pour un remplissage opportun afin d'améliorer la productivité.

5. Gestion des installations

L'IoT permet une gestion et une protection numérisées des installations critiques d'usine. Les ascenseurs, détecteurs de fumée, alarmes incendie et autres ressources d'installation IoT à travers toute l'usine peuvent envoyer périodiquement des données sur leur état de batterie ou leur statut « vivant ». Cela aide les fabricants à réduire les inspections manuelles chronophages, tout en pouvant réagir rapidement à tout problème pouvant interrompre la ligne de production.

Connectivité sans fil pérenne pour la Qualité 4.0

L'acquisition de données étant un défi inhérent à la plupart des environnements industriels, les déploiements IoT peuvent souvent sembler d'une complexité, d'un coût et d'une intimidation accablants. On prévoit 36,8 milliards de dispositifs IIoT actifs d'ici 2025, contre 17,7 milliards aujourd'hui. Alors que de plus en plus d'entreprises cherchent à capitaliser sur de nouvelles applications IoT, il est important de considérer la fiabilité à long terme, l'intégrabilité et la gérabilité du réseau de communication à mesure qu'il s'échelonne pour accueillir des milliers de points de terminaison connectés. La réalité est que tout se résume au choix de la bonne connectivité IoT pour le bon cas d'usage.

L'instrumentation sans fil n'est pas nécessairement nouvelle dans la fabrication, mais des exigences cruciales en termes de portée, d'alimentation et de facilité d'intégration limitent les options viables. Par exemple, les applications de surveillance industrielle pourraient nécessiter l'envoi de millions de messages par jour depuis des milliers de capteurs. Cela exige une solution hautement scalable et économe en énergie pour éviter les remplacements et mises au rebut fréquents de batteries qui feraient rapidement grimper le coût total de possession. De même, de vastes installations industrielles structurellement denses nécessitent une communication sans fil fiable capable de parcourir de longues distances et de négocier les obstacles physiques. La conception traditionnelle des installations de fabrication crée aussi des défis : les solutions sans fil doivent pouvoir s'intégrer aux équipements existants tels que les automates programmables (PLC) pour briser les silos de données et donner accès à des informations auparavant inaccessibles.

Les technologies sans fil traditionnelles ne peuvent pas suivre les exigences de portée, d'alimentation et de coût des réseaux de capteurs IoT. La connectivité cellulaire traditionnelle (ex. 3G, LTE) et les réseaux locaux sans fil (Wi-Fi) sont trop coûteux et énergivores pour transmettre de petites quantités de données depuis un grand nombre de dispositifs capteurs. D'autres solutions comme Bluetooth, Zigbee et Z-Wave ont une portée physique hautement contrainte ; et même si beaucoup emploient une topologie maillée pour étendre leur couverture, le relais multi-sauts est énergivore, tout en impliquant une planification et une gestion de réseau complexes. En tant que tels, les réseaux maillés ne conviennent qu'aux applications de portée moyenne au mieux.

Les réseaux étendus à faible consommation (LPWAN) sont uniques en ce qu'ils surmontent ces écueils et offrent une solution efficace, abordable et facile à déployer pour les réseaux IoT massifs. L'attrait du LPWAN réside dans ses deux caractéristiques signatures : longue portée et faible consommation. Alors que le Wi-Fi et le Bluetooth ne communiquent que sur quelques dizaines ou centaines de mètres au mieux, un LPWAN peut transmettre des signaux jusqu'à 15 km en zone rurale et jusqu'à 5 km en zone urbaine dense. De plus, des protocoles légers et optimisés en énergie réduisent les coûts des transceivers tout en permettant une très longue durée de vie de batterie pour les nœuds capteurs.

Il est important de noter cependant que la qualité de service varie selon les technologies LPWAN. Cela est principalement dû à deux raisons : leur fonctionnement dans le spectre sans licence et l'utilisation de communications asynchrones simples, typiquement ALOHA pur (un nœud accède au canal et envoie un message chaque fois qu'il a des données à envoyer). Bien qu'apportant des avantages énergétiques significatifs, les transmissions non coordonnées dans les réseaux asynchrones augmentent considérablement les risques de collisions de paquets et de pertes de données. À mesure que les déploiements IoT sans fil et le trafic radio dans les bandes sub-GHz sans licence croissent rapidement, les LPWAN existants présentent potentiellement de sérieux défis de qualité de service (QoS) et de scalabilité dus aux interférences de co-canal. Dans le même ordre d'idées, la standardisation et le support fiable de la mobilité sont d'autres facteurs critiques à ne pas négliger.

En résumé

La capacité à identifier des motifs cachés, prédire les problèmes futurs, prévoir l'utilisation et les coûts, et tirer des insights des données des capteurs IoT remodelera le processus industriel à jamais. Bien que le secteur adopte les technologies de communication depuis un certain temps, de nouvelles connectivités sans fil comme le LPWAN aident à mettre en ligne beaucoup plus de points de données à un coût bien moindre. Face aux défis industriels croissants, l'implémentation de l'IoT peut être un point de bascule pour amener la gestion de la qualité et l'efficacité opérationnelle au niveau supérieur et rester en tête de la concurrence.

Cet article a été rédigé par Wolfgang Thieme, Directeur Produit, BehrTech (North York, ON, Canada). Pour plus d'informations, contactez M. Thieme à wthieme@behrtech.com ou visitez .