L'automation industrielle : définition, application, solution

L'automatisation industrielle est un domaine complexe qui s'articule autour de concepts clés indispensables à la conception, à la mise en œuvre et à l'exploitation de systèmes d'automatisation.

Un concept fondamental est le système de contrôle, responsable de la gestion, de la commande, de la direction ou de la régulation du comportement des dispositifs ou des systèmes afin d'obtenir les résultats souhaités dans les processus industriels. Les deux principaux types de systèmes de contrôle sont la boucle ouverte, où l'action de contrôle est indépendante de la sortie, et la boucle fermée, où l'action de contrôle est liée à la sortie.

Les capteurs et les actionneurs jouent un rôle essentiel. Les capteurs mesurent des quantités physiques telles que la température ou la pression et les convertissent en signaux pour le système de contrôle. Les actionneurs répondent aux commandes du système de contrôle en effectuant des actions physiques.

Les robots industriels font partie intégrante de l'automatisation et sont programmés pour effectuer des tâches telles que l'assemblage, la peinture ou le soudage avec précision et rapidité. L'ensemble de ces concepts constitue la base de l'automatisation industrielle et détermine la manière dont les machines et les processus sont gérés dans un environnement de production.

Systèmes de contrôle

Les systèmes de contrôle font partie intégrante de l'automatisation industrielle. Ils gèrent et régulent les machines et les processus dans les chaînes de production.Il en existe deux types principaux : les systèmes à boucle ouverte et les systèmes à boucle fermée. Les systèmes à boucle ouverte ont des actions de contrôle indépendantes, comme une bande transporteuse à vitesse constante.Les systèmes en boucle fermée ajustent les actions de contrôle en fonction des résultats, comme un système de contrôle de la température d'un four.Les automates programmables industriels (API) sont couramment utilisés pour mettre en œuvre les systèmes de contrôle dans l'automatisation industrielle. Ils sont connus pour leur polyvalence, leur robustesse et leur fiabilité.

Capteurs et actionneurs

Dans l'automatisation industrielle, les capteurs détectent les propriétés physiques et fournissent des données cruciales au système de contrôle, tandis que les actionneurs exécutent les actions correspondantes. Les capteurs, tels que les capteurs de température et de proximité, informent le système de contrôle de ses décisions, tandis que les actionneurs, tels que les moteurs et les vannes, assurent un contrôle précis des processus. Ces composants sont les yeux et les mains du système de contrôle et permettent l'interaction avec le monde physique. Par exemple, dans une chaîne d'embouteillage automatisée, des capteurs de proximité détectent la présence de bouteilles et déclenchent le mouvement d'un moteur, tandis qu'un capteur de pression surveille les niveaux de boisson et commande l'ouverture d'une vanne en cas de besoin. Les capteurs et les actionneurs jouent un rôle essentiel dans la précision et la fiabilité des systèmes d'automatisation industrielle.

Robots industriels

Les robots industriels sont un élément clé de nombreux systèmes d'automatisation industrielle. Il s'agit de machines programmables conçues pour effectuer diverses tâches avec une grande précision, une grande vitesse et une grande répétabilité.Les robots industriels ont révolutionné l'industrie manufacturière et d'autres secteurs en prenant en charge des tâches qui étaient auparavant effectuées par des travailleurs humains, souvent avec une efficacité accrue et un risque de blessure réduit.

Il existe plusieurs types de robots industriels, chacun étant conçu pour des applications spécifiques. Parmi les types les plus courants :

• Robots articulés : Ces robots possèdent plusieurs articulations, ou axes, qui leur permettent de se déplacer dans un grand nombre de directions. Les robots articulés sont polyvalents et peuvent être utilisés pour des tâches telles que le soudage, la peinture et l'assemblage.
• Robots cartésiens : Également appelés robots portiques, ces robots se déplacent de manière linéaire le long des axes X, Y et Z. Ils sont généralement utilisés pour des tâches telles que le soudage, la peinture et l'assemblage.Les robots cartésiens sont couramment utilisés pour des tâches telles que les opérations de prise et de dépose, la manutention de matériaux et l'entretien de machines.
• Robots SCARA : Les robots SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) ont une gamme de mouvements limitée par rapport aux robots articulés, mais sont connus pour leur vitesse et leur précision élevées. Ils sont souvent utilisés pour des tâches d'assemblage, de prise et de mise en place et d'emballage.
• Robots Delta : Ces robots sont dotés d'une structure unique de liaison parallèle qui leur permet de se déplacer rapidement et avec précision. Les robots Delta sont souvent utilisés pour des opérations de prélèvement et de déplacement à grande vitesse, notamment dans les industries alimentaire et pharmaceutique.

Les robots industriels, commandés par des contrôleurs de robots spécialisés, interprètent les commandes d'un système de niveau supérieur pour exécuter des mouvements précis et gérer les dispositifs de sécurité.  Ils excellent dans les tâches de haute précision et reproductibles, améliorant la qualité des produits et réduisant les déchets.

Fonctionnant en continu, les robots stimulent la productivité. Leur capacité à manipuler des matières dangereuses, des températures extrêmes et des tâches nécessitant de la force ou de la dextérité les rend inestimables. Les progrès technologiques élargissent les capacités des robots industriels, ce qui les rend indispensables à l'évolution des systèmes d'automatisation industrielle.

L'automatisation industrielle peut être classée en plusieurs catégories en fonction du niveau de flexibilité et d'adaptabilité du système. Il est essentiel de comprendre les différents types d'automatisation industrielle pour sélectionner la solution la plus adaptée à une application ou à un secteur spécifique. Les trois principaux types d'automatisation industrielle sont l'automatisation fixe, l'automatisation programmable et l'automatisation flexible.

Automatisation fixe

L'automatisation fixe est un processus industriel dont les séquences sont prédéterminées pour un produit ou un processus spécifique. Les machines sont conçues exclusivement à cette fin, ce qui se traduit par des taux de production élevés et une faible flexibilité. Elle convient à la production de masse, comme les chaînes de montage automobile ou les usines d'embouteillage. Bien qu'elle présente l'avantage d'une production optimisée et de faibles coûts unitaires, l'automatisation fixe a des limites en termes d'adaptabilité, car elle nécessite beaucoup de temps et d'argent pour apporter des modifications en cas de besoin. Les coûts initiaux sont souvent élevés en raison des équipements spécialisés requis.

Automatisation programmable

L'automatisation programmable est un type d'automatisation industrielle dans lequel l'équipement de production peut s'adapter à différentes configurations de produits en modifiant la séquence des opérations. Contrôlés par un programme, ces systèmes sont courants dans la production par lots, comme l'usinage et l'assemblage robotisé. Le principal avantage est la flexibilité, qui permet une reconfiguration rapide pour différents produits. Cependant, les inconvénients sont des taux de production inférieurs à ceux de l'automatisation fixe, des coûts unitaires plus élevés et la nécessité d'un personnel qualifié pour créer et maintenir les programmes. Les systèmes d'automatisation programmables nécessitent souvent une puissance de calcul et des systèmes de contrôle avancés pour interpréter les programmes et gérer des séquences multiples.

Automatisation flexible

L'automatisation flexible, summum de l'adaptabilité dans les processus industriels, permet une reconfiguration rapide de l'équipement de production pour une gamme de produits diversifiée. Elle s'appuie sur des machines programmables et des systèmes de contrôle avancés pour gérer des séquences d'opérations complexes, ce qui la rend utile en cas de demande imprévisible et de cycles de vie courts des produits dans des secteurs tels que la fabrication flexible et l'assemblage robotisé. L'avantage principal du système réside dans sa capacité à répondre rapidement aux changements du marché. Grâce à de simples ajustements de programme, les fabricants peuvent reconfigurer le système pour produire différents produits, facilitant ainsi une adaptation rapide à l'évolution de la demande. Cette flexibilité est particulièrement avantageuse sur les marchés où la personnalisation est cruciale.

Cependant, les avantages de l'automatisation flexible s'accompagnent de compromis. Tout en offrant une adaptabilité inégalée, ces systèmes sont plus complexes et plus coûteux. Les machines et les équipements utilisés tendent à être plus coûteux que leurs équivalents fixes ou programmables, et les systèmes de contrôle nécessitent un niveau d'expertise technique plus élevé pour l'exploitation et la maintenance. En outre, l'automatisation flexible exige souvent une puissance de calcul importante et des systèmes de contrôle sophistiqués pour gérer des séquences d'opérations complexes et s'adapter aux changements dans la conception des produits ou les calendriers de production. Malgré ces défis, l'adaptabilité de l'automatisation flexible reste cruciale sur les marchés dynamiques, où la capacité à produire une grande variété de produits est essentielle.

Les technologies d'automatisation industrielle englobent un large éventail d'outils, de dispositifs et de systèmes utilisés pour automatiser les processus industriels. Ces technologies sont conçues pour améliorer l'efficacité, la précision et la sécurité des opérations industrielles et jouent un rôle crucial dans les industries modernes de fabrication et de production.

Automates programmables industriels (API)

Les automates programmables industriels (API ou PLC) font partie intégrante de l'automatisation industrielle. Ils sont conçus pour contrôler des processus, des machines ou des lignes de production spécifiques dans des environnements industriels difficiles.Fonctionnant en contrôlant en permanence les dispositifs d'entrée tels que les capteurs, les automates prennent des décisions basées sur des programmes personnalisés, dictant la séquence des opérations pour les dispositifs de sortie tels que les actionneurs. Leur taille et leurs capacités varient : les micro- ou nano-automates gèrent les tâches les plus simples, les automates compacts ou de petite taille gèrent les commandes plus complexes, et les grands automates modulaires ou montés en rack répondent aux exigences de contrôle les plus complexes. Dotés de 10 à des milliers de canaux d'entrée et de sortie, les automates programmables sont polyvalents et peuvent communiquer sur des réseaux, en prenant en charge différents langages de programmation. Leur fiabilité, leur robustesse, leur flexibilité et leur facilité de programmation contribuent à leur prédominance dans les systèmes de contrôle industriels, réduisant ainsi les coûts et les délais de développement et de maintenance.

SCADA (contrôle de surveillance et acquisition de données)

Le système SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) est un système de contrôle industriel essentiel pour la surveillance et le contrôle de processus industriels dispersés dans des secteurs tels que la production d'énergie, le pétrole et le gaz, le traitement de l'eau et les télécommunications. Composé d'un ordinateur central ou d'une station maîtresse, le système SCADA communique avec des dispositifs de terrain, notamment des capteurs et des actionneurs, via un réseau câblé ou sans fil couvrant de vastes zones géographiques. Utilisant des protocoles de communication tels que TCP/IP, Modbus et DNP3, les systèmes SCADA permettent une surveillance et un contrôle en temps réel, facilitant des réponses rapides aux changements de processus pour une efficacité et une sécurité accrues.

Les systèmes SCADA sont dotés de capacités d'enregistrement et d'archivage des données, ce qui permet aux opérateurs d'analyser les performances des processus au fil du temps, à des fins d'optimisation et de réduction des coûts. Parmi les défis à relever figurent la nécessité d'un réseau de communication fiable et de solides mesures de cybersécurité en raison des graves conséquences potentielles des failles. Les systèmes SCADA nécessitent une puissance de calcul élevée, une grande capacité de stockage et des logiciels sophistiqués pour traiter les données en temps réel, stocker les informations historiques et fournir des interfaces conviviales aux opérateurs.

DCS (systèmes de contrôle distribués)

Les systèmes de contrôle distribués (DCS) sont essentiels pour la gestion des processus industriels étendus, car ils offrent une architecture décentralisée avec une redondance et une évolutivité accrues.Utilisés dans les secteurs de la chimie, du pétrole et du gaz, de la production d'électricité et de l'industrie pharmaceutique, les systèmes de contrôle distribués divisent les fonctions de contrôle en sous-systèmes, favorisant une communication transparente pour les opérateurs dans une salle de contrôle centrale. Leur conception distribuée garantit la fiabilité et la tolérance aux pannes, permettant un fonctionnement ininterrompu en cas de défaillance. L'évolutivité permet des ajouts faciles au fur et à mesure de l'évolution des processus.Les spécifications techniques exigent une puissance de calcul élevée, des logiciels avancés et des réseaux de communication sophistiqués pour gérer les boucles de contrôle et coordonner les sous-systèmes. Les SNCC utilisent généralement des protocoles de communication standard et industriels, ce qui facilite l'intégration avec les automates programmables et les systèmes SCADA. En résumé, les SNCC sont indispensables aux industries qui ont besoin de coordonner et de contrôler efficacement des processus complexes à grande échelle, en raison de leur fiabilité, de leur flexibilité et de leur évolutivité.

L'automatisation industrielle est utilisée dans un large éventail d'industries pour améliorer l'efficacité, la productivité et la sécurité. En automatisant divers processus, les entreprises peuvent réduire les coûts de main-d'œuvre, minimiser les erreurs humaines et augmenter la qualité globale de leurs produits. Certaines des applications les plus courantes de l'automatisation industrielle se trouvent dans les secteurs de la fabrication, de l'automobile, de l'alimentation et des boissons.

Fabrication

L'industrie manufacturière est l'un des principaux secteurs où l'automatisation industrielle est largement appliquée. Les technologies d'automatisation ont révolutionné la façon dont les produits sont fabriqués, permettant aux fabricants de produire des biens plus rapidement, avec plus de précision et moins de déchets.

Dans l'industrie manufacturière, l'automatisation industrielle peut être utilisée pour différents processus, notamment :

• La manutention des matériaux : Les systèmes automatisés peuvent transporter des matières premières, des composants et des produits finis entre les différentes étapes du processus de production. Il s'agit par exemple de bandes transporteuses, de véhicules à guidage automatique (AGV) et de bras robotisés.
• Assemblage : Les robots industriels et les machines d'assemblage automatisées peuvent effectuer des tâches telles que l'assemblage de pièces, l'installation de composants et l'emballage de produits. Ces systèmes peuvent travailler avec une précision et une vitesse élevées, ce qui garantit une qualité constante des produits.
• Usinage : Les machines à commande numérique par ordinateur (CNC), qui sont contrôlées par un ordinateur programmable, peuvent effectuer des opérations complexes de coupe, de perçage et de fraisage avec une grande précision et une grande répétabilité. Les machines à commande numérique ont considérablement amélioré l'efficacité et la précision des processus d'usinage.
• Inspection et contrôle de la qualité : Les systèmes d'inspection automatisés, tels que les systèmes de vision industrielle et les capteurs, permettent d'inspecter rapidement et avec précision les produits pour détecter les défauts ou les écarts par rapport aux spécifications. Cela aide les fabricants à maintenir une qualité élevée des produits et à réduire les déchets.
• Contrôle des processus : L'automatisation industrielle peut être utilisée pour contrôler divers processus de fabrication, tels que le mélange, le chauffage et le refroidissement. En surveillant et en ajustant les paramètres du processus en temps réel, les systèmes d'automatisation peuvent garantir que le processus fonctionne selon les spécifications souhaitées, ce qui se traduit par une qualité de produit constante.

En mettant en œuvre des technologies d'automatisation industrielle dans les processus de fabrication, les entreprises peuvent obtenir des améliorations significatives en termes de productivité, d'efficacité et de qualité des produits, ce qui se traduit en fin de compte par une compétitivité et une rentabilité accrues.

L'automobile

L'industrie automobile est un autre secteur où l'automatisation industrielle a été largement adoptée. Les technologies d'automatisation ont transformé la fabrication automobile, permettant aux constructeurs d'augmenter la vitesse de production, d'améliorer la qualité des produits et de réduire les coûts de fabrication.

Dans l'industrie automobile, l'automatisation industrielle est utilisée à différents stades du processus de production, notamment :

• L'assemblage de la carrosserie : La carrosserie est assemblée à partir de pièces individuelles.Les robots industriels sont largement utilisés à ce stade pour effectuer des tâches telles que le soudage, le rivetage et l'application d'adhésifs. Ces robots peuvent travailler avec une grande précision et une grande rapidité, ce qui garantit une qualité constante et réduit le temps nécessaire à l'assemblage.
• Peinture : Les systèmes de peinture automatisés sont utilisés pour appliquer la peinture sur les carrosseries.Ces systèmes peuvent appliquer la peinture de manière uniforme et cohérente, ce qui permet d'obtenir une finition de haute qualité.Ils réduisent également les déchets en minimisant les projections et peuvent passer rapidement d'une couleur de peinture à l'autre.
• Assemblage final : À ce stade, les composants de la voiture, tels que le moteur, la transmission et l'intérieur, sont installés.Si certaines de ces tâches sont encore effectuées par des humains en raison de leur complexité, de nombreuses autres sont automatisées.Par exemple, des robots industriels peuvent être utilisés pour installer des composants lourds, appliquer des produits d'étanchéité ou installer des pare-brise.
• Inspection : Les systèmes d'inspection automatisés, tels que les systèmes de vision artificielle, sont utilisés pour inspecter les wagons finis afin de détecter les défauts.Ces systèmes peuvent détecter rapidement et avec précision des défauts qui pourraient échapper à des inspecteurs humains, ce qui garantit que seuls les wagons répondant aux normes de qualité sont expédiés aux clients.
• Manutention : Les véhicules à guidage automatique (AGV) et les systèmes de convoyage sont utilisés pour transporter les pièces et les véhicules finis entre les différentes étapes du processus de production.Ces systèmes améliorent l'efficacité en garantissant que les bonnes pièces sont livrées au bon endroit et au bon moment.

L'industrie automobile nécessite des systèmes d'automatisation très précis et rapides, les robots industriels devant avoir une capacité de charge élevée, être répétables et flexibles. L'adoption de l'automatisation permet d'améliorer la productivité, l'efficacité et la qualité des produits, de réduire les coûts et d'améliorer la réactivité aux changements du marché, ce qui se traduit par une compétitivité et une rentabilité accrues.

Alimentation et boissons

L'industrie alimentaire et des boissons est un autre domaine où l'automatisation industrielle a eu un impact significatif. Les technologies d'automatisation ont été adoptées à différents stades de la production d'aliments et de boissons, depuis le traitement des matières premières jusqu'à l'emballage des produits finis. L'utilisation de l'automatisation dans cette industrie a permis d'accroître l'efficacité, d'améliorer la qualité des produits et de renforcer la sécurité.

Dans l'industrie des aliments et des boissons, l'automatisation industrielle est utilisée dans divers processus, notamment :

• Traitement : Les systèmes automatisés sont utilisés pour traiter les matières premières, par exemple pour les mélanger, les couper et les cuire.Ces systèmes peuvent garantir une qualité de produit constante en maintenant un contrôle précis sur les paramètres du processus, tels que la température, la pression et la vitesse de mélange.
• Remplissage et conditionnement : Les machines automatisées de remplissage et d'emballage sont utilisées pour remplir des récipients de produits alimentaires ou de boissons et les sceller. Ces machines peuvent traiter un large éventail de tailles et de formes de contenants, garantissant un remplissage précis et un scellage homogène. Elles réduisent également le risque de contamination en limitant le contact humain avec le produit.
• Étiquetage et codage : Les systèmes automatisés d'étiquetage et de codage sont utilisés pour appliquer des étiquettes et imprimer des informations, telles que les dates de péremption et les numéros de lot, sur les emballages des aliments et des boissons. Ces systèmes garantissent que les étiquettes sont appliquées de manière précise et cohérente, réduisant ainsi le risque d'erreur d'étiquetage et garantissant la conformité aux réglementations.
• Inspection et contrôle de la qualité : Les systèmes d'inspection automatisés, tels que les systèmes de vision industrielle et les capteurs, sont utilisés pour inspecter les produits alimentaires et les boissons afin de détecter les défauts ou les écarts par rapport aux spécifications. Ces systèmes peuvent détecter rapidement et avec précision des problèmes tels que des objets étrangers, un étiquetage incorrect ou un emballage endommagé, garantissant ainsi que seuls les produits répondant aux normes de qualité sont expédiés aux clients.
• Manutention : Les systèmes de manutention automatisés, tels que les convoyeurs et les véhicules à guidage automatique (AGV), sont utilisés pour transporter les matières premières, les travaux en cours et les produits finis entre les différentes étapes du processus de production. Ces systèmes améliorent l'efficacité en garantissant que les matériaux sont livrés au bon endroit et au bon moment.

En termes de spécifications techniques, l'industrie agroalimentaire exige des systèmes d'automatisation hygiéniques, faciles à nettoyer et résistants à la corrosion. En effet, l'environnement de production implique souvent une exposition à l'eau, aux produits chimiques et aux particules alimentaires. Les systèmes d'automatisation utilisés dans cette industrie doivent également être flexibles et adaptables, car les fabricants d'aliments et de boissons produisent souvent une large gamme de produits dont les exigences de production varient.

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