Systèmes cyber-physiques : la force motrice derrière l'Industrie 4.0

L'idée principale derrière la mise en œuvre de solutions Industrie 4.0 est de permettre aux entreprises manufacturières d'améliorer la collaboration entre les différents départements, en mettant la bonne information à la disposition des bonnes personnes en temps réel. L'objectif est de faciliter la prise de décision appropriée au bon moment, augmentant ainsi l'efficacité et la productivité.

Systèmes cyber-physiques

L'élément clé dans la mise en œuvre des concepts de l'Industrie 4.0 est l'idée de systèmes cyber-physiques (SCP). Le terme « systèmes cyber-physiques » a été inventé par Helen Gill à la National Science Foundation aux États-Unis.

Selon la publication spéciale NIST 1500-201 Framework for Cyber-Physical Systems: Volume 1, Overview, les systèmes cyber-physiques sont des systèmes intelligents qui incluent des réseaux d'interaction conçus de composants physiques et computationnels. La publication souligne que ces systèmes hautement interconnectés et intégrés fournissent de nouvelles fonctionnalités pour améliorer la qualité de vie et permettre des avancées technologiques dans des domaines critiques, tels que les soins de santé personnalisés, la réponse d'urgence, la gestion du flux de trafic, la fabrication intelligente, la défense et la sécurité nationale, et l'approvisionnement et l'utilisation de l'énergie. Ainsi, les SCP ont un grand potentiel pour permettre des applications innovantes et impacter de multiples secteurs économiques dans l'économie mondiale.

Acatech (Académie nationale des sciences et de l'ingénierie, Allemagne), dans son rapport Cyber-Physical Systems, décrit les SCP comme suit : les systèmes cyber-physiques sont des systèmes avec logiciel embarqué (en tant que partie de dispositifs, bâtiments, moyens de transport, routes de transport, systèmes de production, processus médicaux, processus logistiques, processus de coordination et processus de gestion). Les systèmes cyber-physiques :

• Enregistrent directement des données physiques en utilisant des capteurs et affectent des processus physiques en utilisant des actionneurs

• Évaluent et sauvegardent les données enregistrées et interagissent activement ou réactivement à la fois avec le monde physique et numérique

• Sont connectés les uns aux autres et dans des réseaux globaux via des moyens de communication numériques

• Utilisent des données et services disponibles globalement

• Ont une série d'interfaces homme-machine dédiées et multimodales

Le résultat est une richesse de solutions et d'applications à portée lointaine pour tous les domaines de notre vie quotidienne.

Fabrication et systèmes cyber-physiques

Du point de vue de l'industrie manufacturière, un système cyber-physique est une entité physique connectée à Internet, telle qu'une pompe ou un compresseur, embarquée avec des ordinateurs et des composants de contrôle consistant en capteurs et actionneurs. Une telle entité, à laquelle une adresse IP est assignée, est capable d'auto-surveillance, de générer des informations sur son propre fonctionnement, et de communiquer avec d'autres entités associées ou même externes. C'est une opération auto-régulatrice et autonome.

Dans les années à venir, à mesure que la Quatrième Révolution Industrielle évolue, les entreprises industrielles commenceront à exploiter de plus en plus les principes des SCP pour aider à atteindre l'excellence opérationnelle grâce à des améliorations de productivité, un déploiement efficace de toutes les ressources (y compris matérielles et humaines), la satisfaction client, et l'amélioration de la valeur actionnariale. Envisageant ce développement, Klaus Schwab, fondateur et président exécutif du Forum économique mondial, a utilisé le terme « Quatrième Révolution Industrielle » pour décrire la tendance.

La fondation de l'Industrie 4.0 a été posée pendant la Troisième Révolution Industrielle, caractérisée par l'application extensive de l'électronique et des ordinateurs pour automatiser les processus de production industriels. L'utilisation croissante de l'électronique et des ordinateurs a contribué à la baisse de leurs prix, à la miniaturisation et à la robustesse des ordinateurs, et à une augmentation massive de la puissance de calcul et de traitement. Les technologies numériques et de communication ont commencé à converger. Nous avons assisté aux premiers stades de développement de l'edge/cloud computing, de l'Internet industriel des objets (IIoT), de l'intelligence artificielle (IA), des robots autonomes, et d'autres. L'intégration des technologies numériques avec les technologies industrielles est appelée à transformer la fabrication et à aider à réaliser la vision de l'Industrie 4.0.

Le principe de l'Industrie 4.0 est qu'une entreprise manufacturière sera en mesure d'atteindre une efficacité, une productivité et une opération autonome des processus de production plus élevées en s'assurant que les machines/équipements d'usine, les systèmes logistiques, les composants en cours de fabrication, et d'autres éléments similaires (y compris les personnes) communiquent directement entre eux pour atteindre la collaboration. Une entreprise manufacturière qui souhaite aligner sa vision avec celle de l'Industrie 4.0 doit prendre des mesures pour convertir les entités physiques existantes en systèmes cyber-physiques.

Sur la base de sa propre évaluation, chaque entreprise doit identifier les machines, équipements ou autres systèmes physiques de son usine industrielle qui ont le potentiel de fournir une valeur maximale. L'entreprise doit aller plus loin pour les intégrer avec des systèmes cyber et les faire évoluer en un réseau de systèmes cyber-physiques. Un complexe de raffinerie, par exemple, peut avoir des parcs de réservoirs sur site et hors site avec des pipelines, des vannes de contrôle et des stations de pompage les reliant à l'usine principale. Concernant l'entretien des parcs de réservoirs, la pratique actuelle est généralement l'inspection manuelle et la maintenance périodique, ce qui est coûteux et pas efficace. En convertissant ces actifs en SCP et en les soutenant avec des logiciels d'analytique appropriés, la raffinerie pourra passer à la surveillance à distance, et la maintenance prédictive en bénéficiera.