Introduction à l’automatisation GOL 510, Cours 01 c Organisation flexible de la production (4cr.) Session : AUTOMNE 2007 Programme de baccalauréat en génie des opérations et de la logistique École de technologie supérieure, Montréal, QC.

Bibliographie Source de cette présentation: “Automation, Production Systems, and Computer-Integrated Manufacturing”, Mikell P. Groover

Plan de la présentation Définition de l’automatisation Raisons de l’automatisation Éléments de base d’un système automatisé Puissance pour l’accomplissement d’un processus automatisé Programme d’instructions Système de commande Fonctions avancées d’automatisation Contrôle de sécurité Diagnostics d’entretien et de réparation Détection d’erreurs et dépannage Niveaux d’automatisation

Définition de l’automatisation Transformation d'un mécanisme, d'un appareil, d'une machine, d'une installation ou d'un procédé en vue de les rendre automatiques. L'automatisation substitue des organes technologiques (mécaniques, pneumatiques, électriques, magnétiques, électroniques) aux organes humains d'effort, d'observation, de mémoire et de décision. Certains systèmes automatisés sont programmés de façon à pouvoir prendre des décisions relatives à l'optimisation d'un processus et à la détection et la correction d'erreurs, par exemple. Source: Grand dictionnaire terminologique (www.granddictionnaire.com)

Définition de l’automatisation Technologie par laquelle un processus ou une procédure est accompli (e) “sans intervention humaine” Mise en œuvre en utilisant un programme d’instructions avec un système de de commande qui exécute les instructions Nécessité d’une puissance pour piloter le processus et pour le fonctionnement du programme et du système de contrôle L’automatisation est étroitement liée à l’industrialisation, bien qu’elle puisse être appliquée à un large éventail de domaines

Raisons de l’automatisation dans les industries Augmenter la productivité de la main d’œuvre (rendement horaire plus grand pour la même main d’œuvre) Réduire le coût de la main d’œuvre (plus d’investissement en automatisation pour remplacer les opérations manuelles) Atténuer les effets du manque de la main d’œuvre (pallier au manque de main d’œuvre qualifiée dans certains domaines dans les nations industrialisées) Réduire ou éliminer les routines manuelles (améliorer les conditions de travail en éliminant les tâches répétitives et fastidieuses) Améliorer la sécurité du personnel (automatisation de tâches comportant des risques)

Raisons de l’automatisation dans les industries Améliorer la qualité des produits (uniformité et conformité avec les spécifications de qualité) Réduire les délais de fabrication (temps entre la commande du client et la livraison du produit) Accomplir les tâches qui ne peuvent être faites de façon manuelle (grande précision, miniatures, géométrie complexe, risque…etc.) Éviter les coûts de non-automatisation (souvent intangibles: qualité améliorée, volume de ventes, relations avec les employés, image de la compagnie)

Éléments de base d’un système automatisé Un système automatisé est composé de trois (3) éléments de base Puissance pour l’accomplissement du processus automatisé et le fonctionnement du système Programme d’instructions pour diriger le processus Système de commande pour exécuter les instructions Puissance Processus Système de commande Programme d’instructions

Éléments de base d’un système automatisé - Puissance - La puissance électrique est la forme la plus utilisée en automatisation Grande disponibilité à coûts abordables Facilité de conversion sous d’autres formes d’énergie: mécanique, thermique, hydraulique, pneumatique, acoustique…etc. Possibilité d’utilisation (à faible puissance) pour la transmission du signal, traitement de l’information, stockage de l’information, la communication Possibilité de stockage dans des batteries pour l’utilisation ultérieure en cas d’absence de source externe D’autres formes de puissance pourraient être utilisées, mais toujours avec l’énergie électrique

Éléments de base d’un système automatisé - Puissance - La puissance est utilisée pour Le processus automatisé (opération de fabrication) Processus de fabrication Chargement / déchargement de la station de travail Transport de produits entre les unités Procédé Puissance Coulage Thermique Électroérosion Électrique Forgeage Mécanique / thermique Traitement thermique Moulage par injection Thermique/mécanique Usinage par laser Lumière et thermique Usinage Mécanique Perçage par poinçonnage Soudage Thermique / mécanique Souvent, la puissance autre qu’électrique est convertie de celle-ci

Éléments de base d’un système automatisé - Puissance - La puissance est utilisée pour L’automatisation Unité de commande les ordinateurs requièrent de l’électricité pour lire les instructions de programme, faire les calculs et exécuter les instructions Puissance pour enclencher les signaux de commande la transmission des commandes par le biais de signaux de faible tension, le fonctionnement des actionneurs Acquisition de données et traitement de l’information faible puissance utilisée pour la collecte de données sur le processus et ses performances

Éléments de base d’un système automatisé - Programme d’instruction - Ensemble d’actions effectuées par un processus automatisé Chaque produit requiert une ou plusieurs étapes qui lui sont uniques; ces étapes sont effectuées durant un cycle de travail L’ensemble des étapes à effectuer durant un cycle de travail est un programme de cycles de travail

Éléments de base d’un système automatisé - Programme d’instruction - Programmes de cycles de travail Constitués d’une seule étape (le plus simple) qui consiste à maintenir un seul paramètre à un niveau donné (maintien de température d’un four) Impliquent un cycle de travail de plusieurs étapes répétées sans variation d’un cycle à un autre Chargement du produit dans la machine Exécution du processus Déchargement du produit Caractérisés par Le nombre et la séquence des étapes du processus Le paramètre à changer dans chaque étape

Éléments de base d’un système automatisé - Programme d’instruction - Prise de décision dans les cycles de travail programmés Plusieurs opérations automatisées requièrent des prises de décision durant le cycle de travail programmé et font appel à des sous-routines incorporés dans le programme Interaction avec un opérateur l’unité de commande a besoin de données pour fonctionner Différents produits transformés par le même système le système est programmé pour exécuter plusieurs cycles de travail sur plusieurs types de produits (nécessité d’identifier le type de produit pour exécuter le cycle adéquat) Les variations des routines peuvent être incorporées dans le même cycle de programme; celui-ci doit être conçu de façon à interagir avec les capteurs ou les données de l’opérateur en exécutant la sous-routine correspondante

Éléments de base d’un système automatisé - Système de commande - L’élément de commande exécute le programme d’instructions et provoque le processus pour accomplir sa tâche Deux (2) types de système de commande Système de commande en boucle fermée (closed loop ou feedback) Système de commande en boucle ouverte (open loop)

Éléments de base d’un système automatisé - Système de commande - Système de commande en boucle fermée La variable de sortie (output) est comparée au paramètre d’entrée (input) L’écart est utilisé pour ajuster la commande de façon à ce que output=input Variable de sortie (Output) Processus Actionneur Commande Rétroaction (Feedback) capteur Paramètre d’entrée (Input)

Éléments de base d’un système automatisé - Système de commande - Éléments de base d’un système de commande en boucle fermée Paramètre d’entrée représente la valeur désirée de la variable de sortie Processus opération ou fonction commandée Variable de sortie une mesure de performance du processus Capteur de rétroaction mesure la valeur de la variable de sortie et ferme la boucle Système de commande compare l’entrée et la sortie et fait l’ajustement nécessaire pour réduire l’écart éventuel Actionneur partie opérative du système qui accomplit physiquement le processus

Éléments de base d’un système automatisé - Système de commande - Système de commande en boucle ouverte Fonctionne sans boucle de rétroaction La commande se fait sans mesure de la variable de sortie Désavantage: précision du système (l’actionneur peut ne pas atteindre l’effet désiré par la commande) Avantage: simplicité et coût mois dispendieux qu’un système en boucle fermée Commande Actionneur Processus Paramètre d’entrée Variable de sortie

Éléments de base d’un système automatisé - Système de commande - Système de commande en boucle ouverte, à utiliser lorsque Les actions exécutées par le système sont simples L’actionneur est très fiable Les forces résistives sur l’actionneur sont négligeables Si ces conditions ne sont pas satisfaites, un système en boucle fermé serait plus approprié

Fonctions avancées d’automatisation En plus d’exécuter le programme d’instructions, un système automatisé devrait être capable d’exécuter des fonctions non reliées à une tâche en particulier Ces tâches concernent l’amélioration de la performance et la sécurité des équipements Contrôle de sécurité Diagnostics d’entretien et de réparation Détection d’erreurs et dépannage Ces fonctions avancées sont incluses dans le programme par l’intermédiaire de sous-routines et peuvent être de nature: Informationnelle (e.g. fournir une liste de tâches pour la maintenance préventive) Physique (e.g. déclencher un signal d’alarme lorsqu’un opérateur se tient dangereusement tout près du système)

Fonctions avancées d’automatisation - Contrôle de sécurité - Nécessité du contrôle de sécurité Protection des ouvriers à proximité du système Protection des équipements du système Utilisation nécessaire de capteurs pour localiser et identifier les événements dangereux ou potentiellement dangereux Réponses possibles du système à une situation dangereuse Arrêt complet du système automatisé Déclenchement d’une alarme Réduction de la vitesse d’opération du processus Prise d’actions correctives suite à la violation de la condition de sécurité

Fonctions avancées d’automatisation - Contrôle de sécurité - Quelques capteurs utilisés pour le contrôle de sécurité Capteurs Applications possibles pour le contrôle de sécurité Interrupteurs de fin de course Détection du bon positionnement d’une pièce sur le dispositif de fixation Capteurs photoélectriques Détection de présence d’intrus ou du bon positionnement d’une pièce Capteurs de température Indication si une pièce de métal est assez chaude pour être forgée Détecteurs de chaleur et de fumée Détection de risque d’incendies Interrupteurs à pression Détection de présence d’intrus (humains) dans la cellule de travail Systèmes de vision Surveillance du système automatisé et de ses abords

Fonctions avancées d’automatisation - Diagnostics d’entretien et de réparation - Capacité d’un système à aider à l’identification de sources potentielles ou effectives de dysfonctionnement et de pannes. Trois (3) modes d’opération sont possibles Le suivi d’état Le sous-système contrôle et enregistre l’état des capteurs et des paramètres-clés du système pendant son fonctionnement normal Les diagnostics de panne Mode appelé lorsqu’un dysfonctionnement ou une panne a lieu; les valeurs des variables suivies sont comparées à celles précédant le pépin afin d’en identifier les causes La proposition de procédure de réparation Le sous-système recommande une procédure de réparation, en utilisant des méthodes basées sur les systèmes-experts

Fonctions avancées d’automatisation - Détection d’erreurs et dépannage - Les systèmes de commande sont de plus en plus utilisés pour prendre des actions correctives Détection d’erreurs Interprétation des mesures des différents capteurs (quand?) Classifier l’erreur Classe d’erreur Sources d’erreur Aléatoire Nature stochastique du processus Systématique Changement des propriétés de matières premières / réglage d’outils Aberrations Panne de l’équipement ou erreurs humaines Les problèmes sous-jacents à la détection d’erreurs sont L’anticipation de toutes les erreurs possibles qui peuvent avoir lieu dans un processus donné La spécification des capteurs appropriés et leurs dispositifs pour l’interprétation et la reconnaissance de chaque erreur

Fonctions avancées d’automatisation - Détection d’erreurs et dépannage - Les systèmes de commande sont de plus en plus utilisés pour prendre des actions correctives Dépannage consiste à appliquer les actions correctives nécessaires pour ramener le système à son état de fonctionnement normal Plusieurs stratégies Faire les ajustements à la fin du cycle de travail en cours à la fin du cycle, le système exécute une sous-routine conçue pour les erreurs détectées puis revient au programme de cycle principal Faire les ajustements durant le cycle de travail la correction des erreurs se fait aussitôt qu’elles sont détectées, même si le programme est en exécution Arrêter le processus pour faire les actions correctives la correction des erreurs nécessite la suspension du processus Arrêter le processus et demande de soutien technique la correction des erreurs nécessite l’arrêt du système, mais ne peut être faite avec les procédures automatisées; l’intervention humaine est nécessaire

Niveaux d’automatisation Entreprise Installation (usine) Cellule ou système Machine Dispositif Niveau Description / exemples 1 3 4 5 2 Capteurs, actionneurs, autres éléments matériels Machines individuelles, robots industriels, véhicule à guidage automatique (AGV) Système manufacturier, groupes de machines Système de production Système d’information de l’entreprise Flux de données Instructions

Conclusion L’automatisation des opérations manufacturières est la base des systèmes flexibles La puissance, le programme d’instructions et le système de commande sont les éléments de base de l’automatisation La sécurité, l’entretien, la réparation et le dépannage sont des éléments capitaux à prendre en compte lors de la conception d’un système automatisé L’automatisation touche l’organisation à plusieurs niveaux de leur fonctionnement Lecture suggérée: Livre de référence (chapitre 3, pages 61 à 78)