Industrie 4.0 : Innovations technologiques et transformation numérique pour soutenir la modernisation des entreprises industrielles

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La numérisation des process et installations électriques est une priorité de l'Industrie 4.0. © CAE Industrie

Les activités industrielles connaissent une transformation radicale avec l’adoption de nouvelles technologies par des sociétés de toute taille, de la PME au grand groupe industriel, et la diffusion du numérique pour une transformation vers l’industrie 4.0. Cela passe par la mise en œuvre de nouveaux équipements mais aussi la modernisation d’installations électriques existantes et la transformation numérique.

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Chaîne de fabrication automatisée de l’usine d’appareillage Schneider Electric du Vaudreuil. © Schneider Electric

Une transformation vers l’industrie 4.0…
Dans tous les secteurs industriels et pas seulement dans le domaine de la santé, la pandémie que nous vivons et à laquelle nous devons nous adapter a modifié le comportement des consommateurs, mais aussi la capacité des industriels à fournir des biens et équipements sur un marché perturbé.

Les entreprises s’adaptent pour avoir une fabrication plus flexible, modifier des chaînes de fabrication ou les caractéristiques des produits, sans générer de coûts excessifs tout en continuant à diminuer leur impact environnemental et leurs coûts de production.

La crise va-t-elle accélérer la transformation numérique des entreprises ?
C’est ce que pense Marc Fromager, vice-président de l’activité Industrial Automation de Schneider Electric France : « L’ensemble du tissu industriel français a pris conscience que la digitalisation était un enjeu majeur. À ce titre, la crise a bien évidemment joué le rôle de catalyseur : le digital a permis de s’adapter aux conditions exceptionnelles afin de maintenir un certain niveau d’activité. Plus largement, tous les indicateurs renforcent l’idée de la nécessaire transformation digitale : d’ici cinq ans, 30 % des revenus des entreprises proviendront du digital, selon l’étude Industrie 4.0 – Global Digital Operations Survey 2018 menée par PwC. Une entreprise sur cinq pourrait ainsi être amenée à disparaître si elle ne se transforme pas dans les trois ans.

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Les usines font de plus en plus appel aux robots et cobots. © CAE Groupe-GettyImages

À mon sens, les industriels, soumis à une concurrence mondiale très forte, n’ont pas d’autre choix que de se digitaliser pour pouvoir innover en permanence, pour assurer un niveau de productivité permettant de s’aligner sur les standards internationaux, pour gagner en flexibilité, en résilience et maintenir leur compétitivité. »

Cette transformation numérique va concerner des entreprises de toute taille et dans tous les secteurs d’activité en implémentant des solutions adaptées comme la configuration des process en fonction des besoins de production, la traçabilité, les dispositifs de récupération de chaleur et de réduction des consommations énergétiques ou la maintenance prédictive.

Pour les machines et lignes de production, la numérisation va apporter une utilisation optimisée des ressources et la possibilité de prendre des décisions intelligentes plus rapidement.

La mesure et le contrôle des consommations pour des process moins gourmands en énergie

Système complet EMS CX3 de Legrand pour gérer l’énergie et optimiser les consommations des bâtiments jusqu’à 6300 A. © Legrand

Cela ne doit pas concerner que de nouvelles usines ou de nouvelles chaînes de fabrication ; cela passe par la modernisation, souvent avec des ROI ou retours sur investissement très courts (inférieurs à 2-3 ans) de l’outil de production. Avec l’avantage de voir certains projets de décarbonation subventionnés dans le cadre du Plan France Relance. Mais cela passe aussi par le contrôle et la mesure à tous les niveaux du système de distribution et des actifs : gestion de la source d’alimentation (réseau, générateur, production propre), surveillance de l’efficacité énergétique et du facteur de puissance, analyse et modélisation des consommations d’énergie, mesure des performances énergétiques des transformateurs, moteurs ou convertisseurs…

Pour Loïc Chassignol, directeur marketing Produits et Systèmes d’électrification d’ABB France, « cela peut passer par la modernisation des tableaux électriques existants en installant notre solution Ekip UP pour rénover les tableaux électriques de 100 à 6 300 A et de 220 à 1 150 V AC. Ce relais s’interface aux appareillages BT “toutes marques” pour surveiller et diagnostiquer les installations électriques existantes, se substituer ou upgrader un déclencheur existant sans devoir remplacer le disjoncteur en s’intégrant facilement aux supervisions GTB (7 protocoles de communication en option).

Exemple d’installation industrielle améliorée d’ABB. © ABB

Pour la gestion de l’énergie et des actifs, ABB propose sa nouvelle plateforme basée sur le cloud ABB Ability™ Energy & Asset Manager. Elle permet de surveiller et gérer la distribution électrique de l’installation de n’importe où pour optimiser la consommation d’énergie et les coûts. Flexible, évolutive et facile à mettre en œuvre pour les applications mono et multisites, ABB Ability Energy & Asset Manager simplifie la gestion des bâtiments et offre également des capacités de maintenance prédictive. Les appareils peuvent être connectés via Modbus ou TCP en envoyant les données vers le cloud via la solution intégrée avec Ekip Com Hub ou une solution externe avec le module de passerelle ABB Ability Edge Industrial ».

La collecte complète des données sur les systèmes électriques facilite et accélère l’analyse comparative, la production de rapports, la répartition des coûts et la mise en œuvre de stratégies de gestion de l’énergie. La gestion des bâtiments va être simplifiée, les dépenses d’équipement et d’entretien seront réduites avec des économies allant jusqu’à 30 %.

Contrôleur Sinumerik One pour la transformation numérique des machines outils basé sur le TIA Portal de Siemens. © Siemens

Adopter des technologies plus respectueuses de l’environnement
L’évolution vers des technologies plus respectueuses de l’environnement touche aussi la distribution moyenne tension.

Ainsi, Schneider Electric installe son nouveau tableau de distribution MT sans gaz SF6 et digital, le SM AirSet™. Pour remplacer sa gamme traditionnelle SM6 à isolement au gaz SF6, puissant gaz à effet de serre qui entraîne des conditions d’exploitation plus contraignantes, Schneider Electric utilise la technologie de coupure dans le vide et l’isolation dans l’air. Pour Frédéric Godemel, vice-président de la division Power Systems de Schneider Electric, « c’est le progrès le plus important dans le domaine des tableaux moyenne tension depuis de nombreuses années. Il jouera un rôle essentiel dans la décarbonation de l’électricité et contribuera considérablement à l’économie circulaire. La responsabilité environnementale nous tient à cœur, de même qu’à nos clients. Aujourd’hui, nous facilitons l’abandon d’un gaz à effet de serre tout en conservant tous les avantages que nous ont toujours offerts les équipements classiques avec SF6 ».

L’entreprise met également l’accent sur les avantages des nombreuses technologies numériques qui peuvent être intégrées à ce nouveau tableau. Des capteurs de surveillance de l’état du tableau permettent, par exemple, de mettre en œuvre des opérations de maintenance préventive et prédictive grâce aux données transmises à des outils d’analyse sophistiqués tels que ceux proposés par la plateforme EcoStruxure.

Adopter des moteurs et variateurs de vitesse moins gourmands en énergie

Moteur à haut rendement SynRM d’ABB pour l’alimentation de pompes. © ABB

Les moteurs sont présents dans tous les process : ventilation, climatisation, pompage, levage, machines-outils. Ces moteurs représentent plus de 70 % de la consommation énergétique mondiale (Source Ademe) et, comme le précise Édouard van den Corput, responsable marketing de l’offre Drives de Schneider Electric, « le budget d’un moteur, c’est 95 % d’énergie, sa facture énergétique représente 100 fois son coût d’investissement ».

Il est donc important d’améliorer son rendement et cela devient obligatoire pour certaines catégories de moteurs et de variateurs de vitesse en application du règlement (UE) de la Commission européenne 2019/1781 à partir du 1er juillet 2021 pour des moteurs de 0,75 à 1 000 kW. La classe de rendement IE4 sera ainsi obligatoire pour les moteurs de puissance 75 à 200 kW.

Moteur à haut rendement SynRM d’ABB pour l’alimentation de pompes. © ABB

ABB a anticipé cette nouvelle réglementation avec sa nouvelle gamme IE5 SynRM (5,5 à 315 kW), qui a reçu le label « Efficient Solution » de la part de la Fondation Solar Impulse. Les moteurs de la classe IE5 sont actuellement les moteurs avec le plus haut rendement selon cette classification définie par la norme IEC/EN 30034-30. Ainsi, un moteur IE5 apporte une réduction des pertes de 50 % par rapport à un moteur IE2.

Le moyen le plus efficace d’accroître encore ce rendement pour de nombreuses installations est d’utiliser des variateurs de vitesse (VSD) en combinaison avec des moteurs à haut rendement. Des variateurs qui sont aussi concernés par la nouvelle réglementation européenne et devront être conformes au niveau d’efficience IE2 au 1er juillet 2021.

Nidec Leroy-Somer a développé de son côté une nouvelle gamme de moteurs synchrones Dyneo+ et une gamme de variateurs Powerdrive F300 et MD Start. Ces variateurs sont dotés d’une connexion Bluetooth sécurisée à la nouvelle application interactive Systemiz afin de faciliter l’échange d’informations entre les systèmes. Une version de ces moteurs Dyneo+ est parfaitement interchangeable avec un moteur normalisé CEI et s’intègre donc facilement aux machines et systèmes anciens pour la rénovation d’une installation.

Les variateurs de vitesse Altivar de Schneider Electric répondent déjà à cette spécification. Pour améliorer l’efficacité et simplifier la maintenance des machines, Schneider Electric a développé TeSys island, une solution numérique de gestion des départs moteurs et autres charges électriques. TeSys island est facilement intégrée à EcoStruxure Machine Expert mais est également interopérable avec d’autres logiciels et permet la supervision et le suivi à distance de la machine. La solution introduit un concept innovant orienté objet appelé « avatar » qui fonctionne comme un jumeau numérique reliant les équipements physiques pour faciliter leur intégration numérique. Chaque fonctionnalité a ainsi un jumeau numérique dont les données vont pouvoir être collectées.

Norme IEC 61499 : une révolution digitale pour booster l’industrie 4.0
La nouvelle norme IEC 61499 pose les bases de la possibilité des applications d’automatisation industrielle avec de multiples avantages comme la convergence aisée entre les systèmes IT et OT, une efficacité de conception d’ingénierie.

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Chaînes de montage de l’usine Schneider Electric labellisée Usine du Futur. © Schneider Electric

Pour Maxence Prouvost, Leader du Lancement d’EcoStruxure Automation Expert de Schneider Electric, « La nouvelle norme IEC 61499 permet l’approche “plug & produce” dont le monde industriel a besoin. La digitalisation et l’adoption de cette norme élargissent les horizons et rendent possible le déploiement de systèmes ouverts, souples et adaptables. L’installation de solutions directement sur ordinateur offre la souplesse nécessaire pour parvenir à la personnalisation de masse que réclament les consommateurs, avec des solutions beaucoup moins onéreuses pour les entreprises. Plus de rapidité, plus de souplesse, plus de simplicité ! Grâce à cette nouvelle norme, on ne remplace plus le matériel mais la partie logicielle, le software. Elle offre une plus grande facilité d’utilisation : le système étant natif, il requiert moins de technique et procure un gain de temps inégalable ».

Des solutions de câblage adaptées aux nouveaux besoins
Les solutions de câblage et de connexion ont toujours été importantes, voire vitales, dans l’industrie, même si elles sont souvent peu visibles. Les câbles ont su s’adapter aux contraintes environnementales des chaînes de production (huiles, poussières, eau, produits corrosifs…) et mécaniques (résistance, vibrations, mouvement).

Avec le développement de l’industrie 4.0, avec des machines reliées entre elles, aux équipements de contrôle et à Internet, de nouveaux besoins de câblage pour le transport de toutes ces données sont apparus.

Jonction pour liaison Ethernet RJ45 avec corps IP68 pour raccordement en environnement contraignant. © CAE Groupe

Comme l’explique Soizic Halgand, directrice marketing d’Axindus (CAE Groupe) : « L’industrie 4.0 est basée sur la mise en réseau des usines dans leur globalité. Les systèmes informatiques cuivre et fibre optique ont été intégrés dans l’usine, tout en répondant aux exigences de l’industrie en termes de résistance mécanique, chimique, d’étanchéité. Des altérations du système de câblage peuvent être dramatiques dans un environnement industriel puisque des erreurs de transmission entre machines auront des conséquences sur les chaînes de production et donc sur l’activité de l’entreprise avec un impact financier non négligeable.
CAE GROUPE s’est adapté à ce nouveau marché en développant une gamme répondant à ces contraintes ; des câbles réseau sont disponibles en versions rigide, souple, voire extrasouple, pour des applications dynamiques, et dotés d’une résistance chimique, ainsi qu’une connectique IP68 étanche associée. »

Équipements de sécurité des sites industriels
Des évènements récents ont montré l’importance des équipements de sécurité et d’alerte en cas d’incident/accident sur un site industriel, tel qu’un site Seveso, des sites logistiques ou des ERP.

Solutions « Bris de glace » ATEX pour installations d’alerte d’ae&t. © ae&t

Ces équipements vont des avertisseurs sonores ou optiques à des équipements de traitement des informations pour répondre aux différentes normes et réglementations (Prévention site Seveso, incendie, alerte et évacuation des travailleurs, zones ATEX…). Pour ces zones ATEX par exemple, José Manuel Da Silva, chef de produits ATEX d’ae&t explique : « La sécurité des installations se concrétise entre autres en travaillant sur la sélection des composants et des matériaux qui constituent les produits finis. En effet, on peut utiliser par exemple de l’alliage d’aluminium, mais le choix de cet alliage aura une forte incidence sur la pérennité du produit. ae&t utilise un alliage d’aluminium type marine LM6 qui résiste bien mieux à la corrosion et aux conditions extrêmes. Tout comme pour l’aluminium, il va en être de même avec l’acier inoxydable ; en industrie, l’inox 316L sera bien plus résistant. La demande d’un produit spécifique ou dédié à un environnement particulier évolue, ae&t a élargi sa gamme de produits en offrant la plupart des matériaux pour un même produit. »

Des solutions sans fil et filaires permettent de prendre en compte l’ensemble des besoins et contraintes de l’environnement à sécuriser.

Schéma d’alerte sur site sensible. © ae&t

ae&t a développé le réseau et les centrales sonores et vocales VIGInet® pour se préparer et réagir de manière optimale à des situations d’urgence telles que celles identifiées dans les POI (plans d’opération interne) et PPI (plans particuliers d’intervention). « L’utilisation du protocole de communication MQTT permet d’interconnecter le système d’alerte VIGInet® à tout autre système tel que des supervisions industrielles ou des automates. Il est ainsi possible de communiquer avec lui en temps réel, en local ou à distance, via un large choix de médias de communication filaires et sans fil. L’intelligence de VIGInet® lui permet d’analyser en permanence ses propres données et en cas d’apparition d’un défaut, de l’identifier de manière précise et de le signaler. Sa gestion habile des redondances lui permet de rester opérationnel et de diffuser l’alerte en toute circonstance », explique François Peyroutet, chef de produit Sécurité industrielle d’ae&t.

Jean-Paul Beaudet

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