Transformer la fabrication avec l'IIoT et les solutions cloud

L'industrie manufacturière évolue vite grâce aux nouvelles technologies. L'un des principaux moteurs de ce changement, c'est l'Internet des Objets Industriels (IIoT). Cette technologie permet aux machines et appareils dans les usines de communiquer entre eux et de partager des données. En adoptant l'IIoT, les fabricants peuvent créer des processus de production plus intelligents, efficaces et résilients.

#Utilisation des services Cloud et Edge

Les fabricants s'appuient de plus en plus sur les services cloud et edge. Ces outils aident les usines à réagir de manière flexible aux changements environnementaux. Alors que l'automatisation est importante pour gérer les systèmes complexes, il est aussi essentiel d'inclure des opérateurs humains dans le processus de conception et de décision.

Les Jumeaux numériques sont une partie clé de ce système. Ils créent des copies virtuelles des actifs physiques, permettant aux opérateurs humains de surveiller et d'inspecter les opérations en temps réel. Cela ajoute une couche de sécurité et de fiabilité au processus de fabrication. En connectant l'IIoT avec le Métavers, les entreprises peuvent améliorer encore plus leurs capacités, entraînant une meilleure efficacité et un meilleur travail d'équipe.

#Architecture en couches pour la fabrication intelligente

Cet article présente une architecture en couches conçue spécialement pour la fabrication intelligente dans le Métavers. L'objectif est de permettre la collecte et la représentation des données des machines et des processus de production en temps réel.

#Technologie Middleware

À la base de l'architecture, il y a la technologie middleware qui gère les différents besoins de qualité de service (QoS) pour la surveillance des opérations. Ce middleware recueille des données du sol de l'usine et les envoie à une couche virtuelle où elles peuvent être traitées.

Dans cette couche virtuelle, les données sont organisées pour représenter divers phénomènes sur différentes périodes. Les applications dans le Métavers accèdent ensuite à ces données via un moteur spécialisé, qui les rend vivantes pour les utilisateurs.

#Industrie 4.0 et approches centrées sur l'humain

Nous sommes actuellement dans une phase appelée Industrie 4.0. Cette phase se caractérise par le mélange de technologies de communication avancées, de nouvelles techniques de calcul comme le cloud et le edge computing, et des applications IoT dans la fabrication. En conséquence, les machines et appareils communiquent efficacement avec les applications hébergées sur le cloud et les plateformes locales edge.

Les Big Data et l'intelligence artificielle (IA) sont maintenant utilisés plus largement dans la fabrication. Ces technologies aident à rationaliser divers processus, améliorant le contrôle et la gestion sur l'ensemble du cycle de production. Cependant, l'un des plus grands défis reste la séparation obsolète entre les départements technologiques qui gèrent les processus de fabrication et ceux qui se concentrent sur des tâches de gestion plus générales.

Dans la fabrication traditionnelle, il y a généralement une division nette entre la Technologie des Opérations (OT) et la Technologie de l'Information (IT). Bien que les deux soient nécessaires dans la fabrication moderne, les avantages complets de la fabrication intelligente ne peuvent être atteints que lorsque ces deux domaines se rejoignent totalement.

#Le rôle des Jumeaux Numériques

Une partie critique de la fabrication intelligente est le concept de jumeau numérique. Cette représentation virtuelle des actifs physiques permet une surveillance et une optimisation en temps réel. Des flux de données connectent ces répliques numériques à leurs homologues physiques, mettant continuellement à jour le modèle numérique. Cette configuration permet une meilleure planification et opération.

Intégrer le sol de l’usine avec le Métavers élargit encore plus ces capacités. Les répliques numériques peuvent être utilisées pour diverses applications, y compris les tests et la surveillance, grâce à des technologies comme la réalité augmentée et virtuelle.

#Données en temps réel et applications

L'architecture en couches discutée dans cet article met l'accent sur un environnement de fabrication humainement intégré. Les données sont stockées sur différentes couches, chacune ayant un objectif unique. Des représentations virtuelles des actifs sont créées en fonction des données, dépendant de l'application spécifique utilisée pour y accéder.

L'architecture se compose de plusieurs couches. La couche inférieure se concentre sur la technologie middleware, gérant les diverses exigences QoS pour surveiller les opérations. Au-dessus, il y a la couche virtuelle qui crée des représentations des processus surveillés. Enfin, la couche d'application inclut des applications immersives et collaboratives qui tirent parti des données de la couche virtuelle.

#La pyramide de l'automatisation

La pyramide de l'automatisation est un modèle qui aide à gérer les défis des systèmes de fabrication complexes. Ce modèle est couramment représenté en quatre niveaux, chacun représentant une étape différente de l'automatisation.

#Niveau 1 : Détection et action

Au Niveau 1, on trouve des unités de détection et d'action. Ces composants contrôlent les processus de fabrication physiques en temps réel, visant à répondre aux exigences de qualité.

#Niveau 2 : Surveillance et supervision

Le Niveau 2 se concentre sur la surveillance et la supervision, utilisant généralement des systèmes comme les contrôleurs logiques programmables (PLC). Ces systèmes gèrent les opérations qui se déroulent en quelques secondes à quelques heures, contrôlant les actionneurs et s'assurant que les processus s'adaptent aux conditions changeantes.

#Niveau 3 : Gestion et contrôle

Le Niveau 3 englobe la gestion et le contrôle des opérations de fabrication. Cela inclut la planification des tâches, l'optimisation des processus et la distribution des données, généralement géré par un Système d’Exécution de la Fabrication (MES). Ces systèmes réagissent à des événements inattendus, comme des pannes de machines, reliant les niveaux de contrôle inférieurs et supérieurs.

#Niveau 4 : Planification d'entreprise

Au sommet, le Niveau 4 se compose d'outils de Planification des Ressources d’Entreprise (ERP). Ces systèmes gèrent les ressources et les stocks, guidant les stratégies de production à long terme.

#Le passage à une production non hiérarchique

Ces dernières années, il y a eu un passage vers des Systèmes Cyber-Physiques (CPS) qui mélangent des éléments physiques et virtuels sans structures hiérarchiques strictes. Ce développement est motivé par le besoin d'une meilleure intégration et communication au sein des processus de fabrication.

De nouvelles technologies comme la 5G et le Réseau Sensible au Temps (TSN) ont facilité le partage des données et la gestion des processus à tous les niveaux. Ce changement permet plus de flexibilité et d'efficacité en rendant le partage des données plus fluide.

#L'importance de la conception centrée sur l'humain

Alors que la technologie continue d'évoluer, l'élément humain reste crucial. Un système bien conçu doit inclure les opérateurs humains dans la boucle, permettant une prise de décision sûre et efficace. L'intelligence des données offre de nombreux avantages mais peut aussi introduire des risques si elle n'est pas bien gérée.

Une approche équilibrée qui combine des solutions pilotées par l'IA avec une conception centrée sur l'humain est essentielle pour créer un environnement de fabrication sûr et durable. Le Métavers peut jouer un rôle significatif en renforçant les capacités des opérateurs et en offrant de nouvelles façons de gérer et de collaborer sur les processus de production.

#Standards de communication des données

Pour faciliter l'interopérabilité entre différentes technologies de fabrication, la norme OPC Unified Architecture (OPC UA) est largement utilisée. Cette norme fournit un cadre unifié qui facilite la communication entre les appareils de différentes marques.

À l'origine, OPC UA suivait un modèle Client/Serveur, où les serveurs offraient un accès aux données structurées de manière orientée objet. Cependant, ce modèle avait des limitations pour les applications en temps réel. Par conséquent, un nouveau modèle Publish/Subscribe (Pub/Sub) a été introduit pour permettre aux applications de partager des données plus efficacement.

#Solutions Middleware

Apache Kafka est un outil open-source qui joue un rôle vital dans la gestion des transferts de données à volume élevé dans les environnements de fabrication. Il utilise un modèle Pub/Sub pour la communication de plusieurs à plusieurs, facilitant l'interaction entre divers systèmes.

Dans cette architecture, Kafka agit comme un pont entre les couches de Technologie des Opérations (OT) et de Technologie de l'Information (IT). Cette configuration permet un transfert de données efficace, surtout lorsqu'il s'agit de charges de données élevées.

#Vue d'ensemble détaillée de l'architecture

L'architecture discutée se compose de plusieurs couches, chacune conçue pour intégrer les aspects physiques et virtuels de la fabrication. Voici un aperçu rapide de chaque couche.

#Couche de Technologie des Opérations

La couche de Technologie des Opérations inclut tous les composants physiques d'une configuration de fabrication, comme les machines, capteurs et contrôleurs, ainsi que les opérateurs humains. Cette couche intègre également différentes interfaces pour faciliter l'interaction entre les mondes physique et virtuel.

#Couche virtuelle

La couche virtuelle est responsable de la création de représentations virtuelles des actifs physiques à travers des composants comme les jumeaux numériques et les dépôts de données. Cette couche joue un rôle crucial pour fournir des informations sur le processus de fabrication.

#Couche d'application

À la couche d'application, différentes applications offrent un accès aux données et fonctions des couches inférieures. Cette couche est conçue pour être conviviale, permettant aux opérateurs d'interagir facilement avec le moteur du Métavers et de passer d'une application à l'autre selon les besoins.

#Cas d'utilisation de l'architecture

Cette architecture prend en charge diverses applications dans la fabrication intelligente. Deux exemples notables incluent une solution de surveillance de réseau et une application de maintenance en réalité augmentée (RA).

#Application de surveillance de réseau

L'application de surveillance de réseau visualise des données en temps réel sur le réseau qui soutient les processus de fabrication. Elle offre une représentation graphique des flux de données et aide les opérateurs à comprendre les relations entre différents appareils.

#Application de maintenance en réalité augmentée

L'application de maintenance en RA améliore la capacité des opérateurs à effectuer des tâches en diffusant des vidéos haute résolution depuis des caméras industrielles. Les opérateurs portent des casques RA qui fournissent des informations en temps réel sur les machines sur lesquelles ils travaillent, améliorant la prise de conscience de la situation et réduisant les erreurs.

#Évaluation préliminaire du système

Lors des tests de l'architecture, un banc d'essai contrôlé a été mis en place, incluant plusieurs nœuds pour différentes fonctionnalités. Le premier scénario portait sur la transmission de données opérationnelles d'une machine à un système de surveillance.

Le deuxième scénario a évalué les performances des capacités de diffusion du moteur du Métavers. En mesurant la latence et les taux d'images, l'évaluation a fourni des informations sur la performance du système sous différentes charges et conditions.

#Conclusion

L'architecture proposée vise à créer un environnement de fabrication plus immersif et efficace. En intégrant les domaines physique et virtuel, l'architecture offre des outils précieux pour la surveillance et la collaboration en temps réel.

À l'avenir, les efforts se concentreront sur l'amélioration du moteur du Métavers et de ses applications pour soutenir des environnements virtuels partagés où plusieurs utilisateurs peuvent interagir sans accroc. Cette évolution est essentielle pour réaliser tout le potentiel de la fabrication intelligente et les avantages qu'elle peut apporter à divers secteurs.