Intégrer transparente les données de mesure QC dans les systèmes de fabrication pour améliorer le TRG

L'Internet des objets (IdO) — et dans un sens plus large, la quatrième révolution industrielle (Industrie 4.0) — constitue aujourd'hui le nouveau paradigme omniprésent dans la fabrication, affectant profondément la manière dont les fabricants opèrent ou prévoient d'opérer. L'amélioration du taux de rendement global (TRG) est une exigence clé de l'IdO, et son optimisation nécessite des données précises et à jour dans l'ensemble de l'organisation, y compris les données de mesure et de test collectées tant dans les laboratoires de qualité que directement sur le terrain de production.

Accroître la vitesse, le volume et la précision de la collecte des données de mesure et d'inspection est crucial, car cela fournit des informations puissantes essentielles pour améliorer l'efficacité et fabriquer systématiquement des pièces de qualité. En ce qui concerne l'acquisition et la collecte de données de mesure de précision pour le contrôle qualité, la voie la plus claire vers ces avantages passe par la technologie de récupération sans fil et mobile.

Les systèmes de collecte de données sans fil doivent être mobiles, robustement chiffrés et sécurisés, et adaptés à de multiples besoins : distances illimitées, compatibilité avec les instruments, facilité d'utilisation et intégration pratique dans les opérations de fabrication automatisées. Les meilleurs systèmes peuvent considérablement augmenter la productivité, éliminer les risques d'erreurs, fournir une documentation complète et automatiser le processus d'acquisition de données. Ces avantages doivent être présents que le système soit utilisé par un seul employé ou déployé à l'échelle de l'entreprise avec un système de contrôle qualité intégré.

De nombreuses raisons poussent les fabricants à collecter des données de mesure et d'inspection précises, opportunes et complètes. Les initiatives TRG, Lean et Six Sigma exigent des données fiables pour soutenir les meilleures pratiques de contrôle qualité. Les fabricants — notamment dans les secteurs médical, biomédical, aérospatial et de la défense — doivent souvent satisfaire à des exigences réglementaires et fournir une documentation traçable et fiable pour la fabrication de pièces critiques.

Limites courantes des systèmes de collecte de données

Risque d'erreur humaine et de retard

Les systèmes qui demandent aux opérateurs de suivre manuellement les mesures clés exigent une attention extrême aux détails, exercée des dizaines, voire des centaines de fois par quart de travail — ce qui est souvent difficile et irréaliste à maintenir de manière constante, même lorsque c'est fait. La formation est un autre problème : les employés peuvent ne pas avoir les connaissances nécessaires pour comprendre, collecter et transcrire les données avec précision. Inversions de chiffres, points décimaux mal placés et erreurs similaires sont fréquents. De plus, un opérateur peut devoir arrêter la production pour capturer et enregistrer les mesures, réduisant la productivité globale.

Problèmes de sécurité numérique

Les réseaux non sécurisés utilisés pour transmettre les données de mesure peuvent offrir des portes d'entrée aux pirates pour accéder plus largement aux données de l'entreprise. Lorsque les données de mesure sont transmises sans mesures de sécurité numérique appropriées, cela présente un risque de sécurité potentiellement grave.

Manque d'évolutivité

La croissance et la diversification de l'entreprise peuvent nécessiter davantage de processus de contrôle qualité répartis sur un ou plusieurs sites. Au mieux, si un système de collecte de données n'est pas évolutif, la mise en place de processus distincts est chronophage, fastidieuse et peut entraîner confusion, inexactitudes et retards de communication. Pire encore, des rejets de produits, des défaillances et des implications juridiques avec les clients peuvent en résulter.

Analyse incomplète par stratégie d'échantillonnage

Une stratégie d'échantillonnage ne peut pas offrir le tableau complet fourni par la mesure à 100 % de chaque composant produit. Cette structure, courante dans certains processus QC traditionnels, peut conduire à une incapacité à prévoir et identifier les dérives de tolérances de production. De plus, cette stratégie n'est même pas une option pour les industries comme le médical ou le militaire qui exigent une inspection à 100 % des pièces et une documentation traçable.

Possibilité accrue de rebuts

Chaque pièce rebutée représente de l'argent, du temps et des ressources perdus. Sans la vision complète offerte par la mesure à 100 %, les fabricants risquent des coûts supplémentaires et potentiellement de nuire aux relations clients. Si une pièce qui aurait dû être rebutée parvient chez un client — surtout celui exigeant une conformité stricte aux normes — les conséquences peuvent être graves, voire catastrophiques.

Nouveaux systèmes pour améliorer, moderniser et rationaliser la collecte de données

Le principe sous-jacent est de permettre aux fabricants d'acquérir avec précision et cohérence de grandes quantités de données de mesure pour répondre aux exigences de l'Industrie 4.0. Les systèmes actuels de collecte de données de mesure sans fil doivent être complets, évolutifs, sécurisés et robustes pour l'Industrie 4.0. Cela signifie offrir des avantages fondamentaux par l'automatisation, la facilité d'utilisation, l'évolutivité rationalisée, le chiffrement robuste et la protection des données, ainsi que des distances illimitées et une utilisation sans entrave pour la transmission. Résultat : productivité accrue, erreurs réduites, documentation complète et processus d'acquisition de données fiable piloté par l'automatisation.

Fonctionnant sur la dernière technologie de réseau sans fil utilisant des ondes radio à courte portée pour interconnecter téléphones, ordinateurs et appareils électroniques sans fil, cela permet une vitesse bien plus grande, une bande passante supérieure et une portée plus longue pour un débit de données plus élevé. De tels systèmes offrent une large gamme d'avantages cruciaux :

Automatisation

Lorsque les employés doivent arrêter répétitivement leur travail pour enregistrer une mesure, la productivité en pâtit inévitablement. De plus, les processus manuels de collecte de données peuvent introduire des erreurs dans la base de données, réduisant gravement la précision et perpétuant les défauts. Avec les derniers systèmes de collecte de données de mesure, la simple pression d'un bouton transmet les données, ce qui fait gagner un temps considérable ; par exemple, appuyer sur un bouton est au moins quatre fois plus rapide que d'écrire les données puis de les saisir dans un ordinateur.

L'automatisation est maximisée tout au long du processus de collecte de données de mesure du contrôle qualité, améliorant l'efficacité du processus et la précision des mesures capturées. Des fonctions telles que l'horodatage automatique fournissent un contexte critique pour chaque point de données, requis pour la traçabilité et la conformité aux spécifications de production/contrôle qualité. L'envoi d'un message de confirmation de réception à l'instrument de mesure est également utile.

Vitesse

Les volumes de données élevés peuvent être traités sans délai, même à pleine capacité, grâce à des systèmes utilisant des débits binaires plus élevés et une connexion à très haute vitesse avec un temps de transit des données inférieur à 50 ms ainsi qu'un réseau à latence ultra-faible.

Facilité d'utilisation

La mise en place d'un processus de collecte de données de mesure peut rencontrer des résistances à plusieurs niveaux. Pour la direction, il peut y avoir une incertitude quant aux bénéfices tangibles d'une nouvelle méthode. Pour les opérateurs, il peut y avoir une crainte de l'inconnu et une appréhension à apprendre un nouveau processus. Pour apaiser ces inquiétudes, la facilité d'utilisation est une priorité afin que les opérateurs se sentent rapidement en confiance et que le processus de collecte de données soit optimisé en peu de temps ; par exemple, la facilité d'utilisation s'étend à l'application mobile, qui élimine le besoin d'apporter du matériel plus volumineux, comme un ordinateur portable, sur le terrain.

Polyvalence

Une nouvelle structure de topologie réseau peut être configurée pour de nombreuses situations simples ou complexes, et des passerelles distantes distribuées peuvent également être utilisées. La structure modulaire des systèmes actuels permet d'étendre ou de réduire facilement un processus de collecte de données de mesure QC sans avoir à acquérir un nouveau système. Les données sont transmises depuis des instruments dotés de radios intégrées ou de nœuds finaux montés externement vers les passerelles, et fonctionnent sur les plateformes mobiles Android™ ou iOS® ainsi que sur les ordinateurs Windows® (portables, PC de bureau, clients légers, serveurs). Des composants répéteurs et ponts peuvent également se connecter directement aux automates et autres équipements d'automatisation série à haute vitesse pour la collecte de données en temps réel ou le pilotage à distance de machines.

Pour la mesure sans fil, il est extrêmement productif d'utiliser des instruments de mesure sans fil incluant des radios embarquées, ce qui les rend plus faciles à utiliser pour la collecte de données. Il est également avantageux qu'un système de collecte de données de mesure soit compatible avec une large gamme de marques d'outils et d'instruments de précision électroniques. Les radios dorsales étendent la fonctionnalité, sont discrètes et se fixent facilement. Les utilisateurs des derniers systèmes peuvent utiliser plusieurs passerelles servant de points centraux ou distribués pour la collecte de données, contrairement aux systèmes conventionnels qui n'en ont qu'une seule. Les passerelles et répéteurs compacts tiennent facilement dans la paume de la main.

De plus, les applications de collecte de données sont incroyablement diverses et le système doit être assez polyvalent pour couvrir tous ces cas d'usage. Les derniers systèmes de collecte de données de mesure s'adaptent à presque tous les scénarios, allant de l'automobile et l'agriculture à la mesure à 100 % de toutes les pièces et composants dans des industries hautement réglementées comme la défense, l'aérospatial, le médical, l'énergie, etc.

Évolutivité

Les derniers systèmes de collecte de données sont conçus pour acquérir de manière fiable et précise des données de mesure de précision dans une vaste gamme d'applications et de distances. De un ou quelques instruments sur de courtes distances, à des configurations comptant de nombreux instruments situés à des centaines de mètres les uns des autres dans une grande usine ou répartis sur plus d'un kilomètre dans plusieurs installations, les distances étendues et les exigences d'application accrues sont facilement prises en charge au fur et à mesure que les besoins de collecte de données évoluent et grandissent.

Dans son application la plus simple, un schéma portable comprend une application sans fil s'exécutant sur un appareil mobile. Cette configuration simple peut avoir un instrument de mesure sans fil avec radio intégrée transmettant des données jusqu'à 10 mètres vers un appareil mobile. Ou, selon l'appareil mobile, un schéma portable peut comporter 5 à 8 instruments se connectant à l'application mobile pour une transmission jusqu'à 10 mètres. Les utilisateurs peuvent également transmettre facilement les données de mesure jusqu'à 10 mètres depuis un (ou plusieurs) instrument(s) sans fil vers un ordinateur portable ou un PC équipé d'une passerelle USB (Figure 1).

Dans un schéma typique, le fabricant pourrait avoir un ordinateur ou un portable exécutant le système de collecte de données pour prendre en charge 20 instruments sur une distance allant jusqu'à 60 mètres. Dans cette configuration, une passerelle USB est incluse et des nœuds finaux dorsaux sur les instruments augmentent la portée de transmission de 10 à 60 mètres (Figure 2).

Dans l'exemple d'un schéma pour grande usine, 20 instruments peuvent utiliser un pont et une passerelle distante pour étendre la portée totale de transmission à des centaines de mètres (Figure 3). Et dans un schéma d'entreprise, la transmission peut être augmentée de centaines de mètres à plus d'un kilomètre. En utilisant des passerelles distantes, des ponts et éventuellement des répéteurs, plus de 100 instruments peuvent être intégrés. Chaque passerelle distante peut gérer 20 instruments. Pour des distances encore plus grandes, des antennes Yagi à longue portée peuvent être incorporées (Figure 4).

Chiffrement robuste et protection des données

La sécurité des données est une priorité absolue pour tous les fabricants, y compris le secteur militaire. Bien que les données de mesure de contrôle qualité en elles-mêmes ne soient pas particulièrement précieuses pour les pirates, les cybercriminels peuvent encore usurper les réseaux utilisés pour transmettre ces données afin d'accéder plus largement à l'infrastructure numérique. Les systèmes de collecte de données de mesure répondent à ce problème par diverses mesures, notamment une plateforme sans fil hautement sécurisée. Les données transportées sont chiffrées selon une approche multicouche qui empêche absolument tout accès extérieur, qu'il soit passif ou actif.

De plus, l'application mobile ne se connecte pas au système d'exploitation du smartphone ou de la tablette, limitant l'accès non intentionnel à un point critique. Maintenir une bonne sécurité implique également de traiter les vulnérabilités émergentes dans la transmission radio de manière fréquente pour garder les systèmes sécurisés à long terme, ce à quoi votre fournisseur de systèmes de collecte de données de mesure devrait s'engager.

Distances illimitées et utilisation sans entrave pour la transmission

L'exploitation de passerelles distantes, de ponts et de répéteurs offre un cadre de transmission de données efficace et fiable. Les structures système peuvent impliquer aussi peu de composants qu'une radio dorsale ou embarquée avec un appareil mobile exécutant l'application, ou utiliser des ponts, passerelles et répéteurs pour étendre considérablement les portées de transmission dans une configuration de grande usine.

L'application logicielle des derniers systèmes de collecte de données de mesure utilise un réseau sans fil pour recueillir des informations depuis plusieurs instruments. Le réseau sans fil s'appuie sur la technologie sans fil intégrée aux instruments ou sur les nœuds finaux pour collecter et relayer les données vers le PC. Le système peut également envoyer des signaux vers les composants du réseau pour vérifier les transmissions et demander des données. Les composants matériels sont la passerelle USB, la passerelle distante, les prolongateurs de pont et les nœuds finaux. Le nœud final est un émetteur/récepteur radio attaché à un instrument. La passerelle USB est un émetteur/récepteur radio attaché à un PC. La passerelle distante est identique à la passerelle USB mais étend la portée de communication depuis le PC en utilisant un prolongateur de pont pour amplifier les signaux. La passerelle distante a la même portée que la passerelle USB mais peut être installée très loin du PC.

Quelle que soit l'architecture système mise en place, le résultat est une solution fiable, précise et rapide pour rassembler les données de mesure de contrôle qualité depuis chaque point d'opération où la collecte est nécessaire.

Praticité

Il est efficace d'utiliser des nœuds finaux et des instruments de mesure sans fil rechargeables, éliminant le remplacement de piles et les coûts associés. Pensez également à utiliser des nœuds finaux et des instruments offrant un niveau de protection IP67 pour les environnements d'atelier difficiles. La capacité à s'adapter à la plupart des logiciels SPC, MRP et ERP existants est un autre atout du système de collecte de données de mesure.

Autres détails et capacités à considérer

• Distance de fonctionnement depuis les passerelles ou l'appareil mobile : jusqu'à 10 mètres pour les instruments de mesure sans fil.
• Distance de fonctionnement depuis les passerelles : jusqu'à 60 mètres pour les nœuds finaux dorsaux.
• Un système de passerelle gère jusqu'à 20 instruments, principalement pieds à coulisse, micromètres et comparateurs.
• Des passerelles distantes supplémentaires augmentent le nombre d'instruments pris en charge par incréments de 20 chacune, et un répéteur peut étendre la portée à des kilomètres.
• Les radios des nœuds finaux peuvent stocker jusqu'à 10 relevés si le système principal est en panne ou occupé.
• Portée de diffusion jusqu'à 610 mètres entre passerelles distantes et pont.
• Les multiplexeurs virtuels fournis dans le système prennent de nombreuses entrées (données d'instruments) et les partagent sur une seule ressource de sortie, un port COM virtuel. Le multiplexeur virtuel envoie les données d'instruments vers un port COM pour traitement par les logiciels SPC et autres.
• Accès distant via un LAN au serveur de collecte de données via un logiciel client distant.
• Types d'antennes optionnels pour divers déploiements.

La connaissance, le service et le support du fournisseur sont essentiels lors du choix d'un système de collecte de données de mesure sans fil. Une expérience approfondie combinée à une expertise en contrôle qualité contribuera grandement à une mise en œuvre réussie.

Cet article a été rédigé par Jeff Wilkinson, Directeur R&D et Directeur Général – Division Technologies Avancées chez L.S. Starrett Company (Athol, MA). Pour plus d'informations, visitez