L'Internet industriel, en tant que modèle commercial émergent et paradigme d'application formé par l'intégration profonde des technologies de l'information de nouvelle génération avec l'économie industrielle, constitue la base essentielle permettant aux entreprises industrielles de réaliser leur transformation numérique. Ces dernières années, de nombreuses solutions intégrées ont vu le jour grâce à des innovations adaptées aux caractéristiques de production et aux problèmes des industries clés. Les exemples incluent la collaboration dans la chaîne d'approvisionnement dans la fabrication d'équipements haut de gamme, l'exploitation et la maintenance à distance d'équipements majeurs, les économies d'énergie et la réduction des émissions dans l'industrie sidérurgique, ainsi que la surveillance de la sécurité de la production dans le secteur pétrochimique. Ces solutions exploitent pleinement les effets d'agrégation et d'amplification de l'Internet industriel, favorisant la transformation numérique de la fabrication et apportant une valeur fondamentale en termes d'amélioration de la qualité, de réduction des coûts et de gains d'efficacité.
Les plates-formes Internet industrielles offrent des fonctionnalités d'agrégation, d'intégration, de stockage, de traitement, de calcul et d'analyse de données industrielles massives, permettant aux entreprises de créer des plates-formes de données de contrôle opérationnel unifiées et à cycle de vie complet. De nombreuses technologies liées à la plate-forme-font l'objet d'itérations et de progrès continus (par exemple, composants de microservices, conteneurs, traitement de données par lots, traitement de flux). Ces technologies nous permettent progressivement de mener une analyse approfondie-de données industrielles massives et hétérogènes tout en accélérant l'accumulation de connaissances industrielles, le découplage du matériel et des logiciels et le déploiement rapide d'applications innovantes. Cependant, nous reconnaissons que ces technologies open source avancées-sont fondamentalement des outils destinés à aider les entreprises à réaliser une fabrication intelligente-et non l'objectif final en soi. En tirant parti de ces plates-formes, les grandes entreprises peuvent optimiser la production sur l'ensemble du périmètre de fabrication, améliorer l'ensemble de la chaîne de valeur des actifs et des opérations et, à terme, parvenir à une optimisation de la valeur à l'échelle du cycle de vie. Par exemple, le groupe Abu Dhabi National Oil Company (ADNOC) exploite son centre de commande numérique panoramique pour surveiller et optimiser de manière centralisée les actifs et les performances opérationnelles de 14 sociétés opérationnelles depuis son siège. Grâce à des solutions telles que la maintenance prédictive et l'optimisation de la chaîne de valeur, l'entreprise a identifié des opportunités potentielles d'optimisation de la valeur d'une valeur de 60 à 100 millions de dollars pour le groupe (en fournissant des solutions d'optimisation de la chaîne de valeur pétrolière et gazière, en intégrant les chaînes de valeur des actifs et des opérations et en maximisant la production et les rendements opérationnels).
L'Internet industriel offre de nombreuses solutions dans des scénarios tels que l'extension de services, la collaboration en réseau et la personnalisation personnalisée en connectant les entreprises, les utilisateurs et les produits. Cependant, il reste dans une phase exploratoire pour les scénarios de production intelligente, et les entreprises sont encore confrontées à des défis importants dans les opérations de production.
Les défis auxquels sont confrontées les entreprises manufacturières d'aujourd'hui
Défis du marché : les incertitudes de l'économie mondiale et du marché obligent les fabricants à ajuster rapidement leurs stratégies pour s'adapter aux demandes du marché plus fréquentes et plus rapides-tout en faisant face aux fluctuations des coûts des matières premières et de l'énergie. Cette tendance oblige les entreprises à repenser leurs approches opérationnelles : elles doivent continuellement lancer de nouveaux produits tout en raccourcissant les cycles d'approvisionnement en équipements, les délais de développement de nouveaux produits et les délais de-mise sur le marché-. Ils doivent établir des modèles commerciaux d'optimisation de la chaîne d'approvisionnement-axés sur la demande et coordonnés par la chaîne d'approvisionnement-et des systèmes de production flexibles, comme la-production en ligne mixte-à grande échelle-particulièrement essentielle pour le secteur de la fabrication discrète.
Défis en matière de ressources humaines et de rétention des connaissances : à mesure que les générations plus âgées de travailleurs prennent leur retraite, l'expertise qu'elles possèdent dans les systèmes de contrôle, les opérations et la maintenance risque de se perdre. Les entreprises industrielles sont confrontées à des défis importants liés aux transitions de main-d’œuvre. La nouvelle génération de natifs du numérique s’attend à ce que les connaissances en automatisation industrielle soient intégrées aux systèmes qu’ils utilisent, alors que les talents traditionnels en matière d’OT se font de plus en plus rares.
Défis en matière de coût total et de conformité : comment optimiser et réduire les coûts des nouveaux projets de construction et des dépenses opérationnelles tout en respectant les lois et réglementations nationales de plus en plus strictes en matière de protection de l'environnement pour permettre le développement durable.
Les dirigeants industriels espèrent que les technologies de l’Industrie 4.0 et de l’Internet industriel les aideront à relever ces nouveaux défis. Les analystes du secteur estiment que des technologies de production de nouvelle génération-plus flexibles pourraient augmenter la productivité manufacturière de 30 %. Cependant, les recherches indiquent également que 60 % des entreprises ne parviennent pas à faire avancer leurs projets au-delà de la phase pilote. Ce résultat découle de divers facteurs liés au personnel, aux processus et à la technologie. Sur le plan technologique, la plupart des fabricants ont du mal à obtenir des rendements plus élevés grâce à ces innovations, principalement parce que leurs systèmes opérationnels d'usine restent des configurations propriétaires fermées. Depuis les années 1970, lorsque les systèmes DCS et PLC sont entrés dans l'automatisation industrielle, les systèmes propriétaires ont évolué. Jusqu'à présent, le marché s'est développé autour de modèles de regroupement matériel-logiciels, chaque fournisseur de systèmes d'automatisation et d'information créant son propre écosystème logiciel. Cela oblige les utilisateurs à gérer plusieurs systèmes OT et IT, favorisant une forte dépendance vis-à-vis des fournisseurs de systèmes.
Goulots d'étranglement actuels à la limite de l'Internet industriel
Non-Architecture numérique-La plupart des systèmes d'automatisation modernes sont hautement optimisés pour le contrôle-en temps réel, mais ne parviennent pas à tirer parti des technologies en évolution rapide émergeant du domaine informatique. Ces -technologies numériques de pointe-notamment l'analyse, l'intelligence artificielle/l'apprentissage automatique, les-approches orientées objet et les-architectures orientées services-sont essentielles pour parvenir à une fabrication intelligente.
Matériel-Modèles commerciaux centrés sur le matériel-Bien que les améliorations matérielles puissent optimiser les environnements de contrôle existants, elles ne constituent pas l'aspect le plus critique de la transformation numérique. La véritable clé réside dans l'innovation logicielle-qui répond intelligemment aux défis technologiques opérationnels. Par conséquent, la valeur commerciale évolue progressivement des modèles pilotés par le matériel-vers les modèles-pilotés par le logiciel.
Limitations des systèmes propriétaires-Actuellement, les applications d'automatisation développées pour un système ne peuvent pas s'exécuter sur un autre. Cependant, au cours des dernières décennies dans le domaine informatique, les systèmes d'exploitation ouverts comme Linux ont favorisé le développement d'applications tierces, permettant une expansion rapide de l'écosystème et la création de riches portefeuilles de logiciels répondant aux besoins des entreprises dans plusieurs secteurs et segments de marché. Malheureusement, les systèmes propriétaires du secteur industriel créent des obstacles à l'innovation : les utilisateurs ne peuvent pas raisonnablement-améliorer de manière rentable les systèmes de production ou intégrer et faire correspondre les meilleurs-produits-de leur catégorie provenant de différents fournisseurs. Leur rythme d’innovation est limité par leur dépendance à l’égard de fournisseurs de systèmes propriétaires. Ces obstacles finissent par augmenter les coûts totaux de l’entreprise.
Pour les fabricants d'équipement d'origine (OEM), le défi consiste à équilibrer deux priorités : exploiter les capacités de débogage virtuel lors de la conception modulaire pour relier les mondes virtuel et physique-réduisant ainsi les coûts, atténuant les risques et accélérant les délais de-mise sur le marché-tout en améliorant simultanément les services à valeur ajoutée des machines-pour élargir les marchés et stimuler la croissance de l'entreprise.
Les intégrateurs de systèmes (SI) sont confrontés à une lacune critique : les systèmes d'automatisation manquent d'outils reliant les domaines IT et OT. En fin de compte, ils se retrouvent contraints d’investir des ressources humaines importantes dans le développement de solutions personnalisées très complexes. Surtout, de tels services sur mesure sont difficiles à reproduire largement sur le marché. Ils recherchent des blocs fonctionnels logiciels qui protègent leurs connaissances industrielles et leurs solutions spécifiques à l'industrie, réduisant ainsi les efforts d'ingénierie à faible valeur (en réutilisant les objets et les algorithmes de processus sur plusieurs projets). Cela permet à leurs experts techniques de se concentrer davantage sur la résolution des problèmes et des défis au sein des processus de fabrication, d'exploitation et de maintenance (MOM), créant ainsi une plus grande valeur.
Du côté de l'utilisateur final (UE), relever ces défis nécessite de toute urgence une gestion complète du système pour minimiser les temps d'arrêt imprévus, garantir la livraison des produits pendant les hautes saisons et réduire le recours à l'assistance technique externe. Il existe un désir de disposer de systèmes/lignes de production flexibles pour garantir l'agilité de la fabrication, permettant une plus grande flexibilité de production lorsque la demande évolue ou que les calendriers de maintenance changent.
Pour résoudre efficacement ces problèmes et établir véritablement un écosystème industriel numérique « industriel défini par logiciel », il faut aborder les systèmes OT fermés, les normes et les défis de l'écosystème à leur source. Cela implique l'adoption de systèmes et de normes d'automatisation ouverts tout en intégrant des capacités techniques supplémentaires pour accélérer la convergence IT-OT.
L'avenir des systèmes d'automatisation ouverts
Les futures architectures de systèmes d'automatisation évolueront inévitablement vers l'ouverture, le déploiement distribué et la sécurité inhérente. La technologie de l’automatisation industrielle et l’informatique de pointe constituent la base de ces systèmes ouverts. Par rapport aux systèmes propriétaires traditionnels, les architectures d'automatisation ouvertes présenteront les transformations suivantes :
Il est évident que les architectures d'automatisation ouvertes accélèrent le développement technique, améliorent l'agilité du système, la flexibilité de la production et l'efficacité globale. Ce changement représente plus qu'une mise à niveau technique-il redéfinit fondamentalement la façon dont les processus et les machines sont conçus. La programmation à long-terme et à faible-valeur pour les contrôleurs propriétaires passera à des systèmes d'automatisation-plug and-plug. Ces systèmes exploiteront des blocs fonctionnels logiciels étendus et minutieusement validés développés par un vaste écosystème. Ils fonctionneront sur divers matériels provenant de plusieurs fournisseurs-, allant des systèmes de contrôle intégrés aux puissants dispositifs d'intelligence de pointe.
Les normes ouvertes sont essentielles à la création de systèmes d'automatisation ouverts, et la norme CEI 61499 est la norme clé qui ouvre cette nouvelle frontière. En définissant des règles de modélisation orientées objet-, il encapsule les modèles de contrôle et les algorithmes des objets contrôlés dans des « boîtes noires » (blocs fonctionnels logiciels). Ces blocs fonctionnels vérifiés peuvent être réutilisés dans différents scénarios, réduisant ainsi considérablement les efforts de programmation répétitifs. Pour les utilisateurs, il suffit de comprendre les fonctionnalités fournies sans avoir besoin de connaître les détails de mise en œuvre, protégeant ainsi la propriété intellectuelle des développeurs. Contrairement aux blocs fonctionnels traditionnels, ceux définis par cette norme fonctionnent sur la base de déclenchements d'événements plutôt que d'analyses cycliques. Cela correspond aux concepts et aux approches de programmation orientés objet-dans le domaine informatique, ce qui en fait une technologie de convergence IT/OT naturelle. Il facilite l'amélioration de l'efficacité du processeur du contrôleur et l'équilibrage de la charge, est particulièrement adapté aux systèmes distribués et permet une intégration transparente des technologies informatiques avancées dans les systèmes d'automatisation. La norme définit en outre les règles pour les modèles d'application, les modèles de système et les modèles de périphérique/ressource. Leur intégration permet aux utilisateurs de concevoir des applications indépendamment du matériel d'automatisation sous-jacent. Cette approche d'abstraction matérielle raccourcit les délais des projets et réduit la dépendance vis-à-vis des fabricants d'équipements. Associé au développement de blocs fonctionnels orientés objet, il simplifie considérablement les ajustements en ligne des lignes et des équipements de production. Naturellement, la norme fournit également des méthodes pour composer des blocs de fonctions de base en blocs composites et pour connecter rapidement différents blocs de fonctions (par simple glisser-déposer-et-), réduisant ainsi considérablement la charge de travail de débogage de la programmation logicielle et les taux d'erreur des programmes. En résumé, réaliser l’interopérabilité des appareils, la reconfigurabilité du système et la portabilité des logiciels sont ses principaux objectifs. Des organisations telles que l'Open Process Automation Forum (OPAF) et l'International Association of Process Industry Automation Users (NAMUR), qui sont actuellement dirigées par la participation des utilisateurs finaux -, préconisent un abandon des cadres de systèmes d'automatisation propriétaires existants basés sur cette norme -la meilleure illustration de cette quête.
Ces dernières années, la technologie Edge Computing a également connu un développement rapide. La technologie des conteneurs fournit des méthodes efficaces pour la mise à jour/mise à niveau par lots des applications pour le contrôle périphérique et pour garantir la transmission et le traitement des données en temps opportun. Les technologies de conteneurs, principalement Docker, et les outils d'orchestration de conteneurs comme Kubernetes arrivent désormais à maturité. L'architecture des microservices améliore continuellement l'efficacité de l'utilisation des ressources à la périphérie, favorise le découplage et la réutilisation fonctionnels, accélère le développement d'applications et est devenue une tendance clé de la technologie informatique de pointe. Des normes telles que OPC UA et Time-Sensitive Networking (TSN) fournissent des cadres internationaux et des réseaux déterministes pour l'interconnectivité des appareils de terrain, répondant ainsi aux diverses exigences de transmission et d'échange de données dans les applications industrielles. L'intégration de ces technologies d'information et de communication de nouvelle génération avec les technologies conformes à la norme CEI 61499 accélérera les progrès de l'automatisation ouverte. Cette ouverture s'étend non seulement aux normes mais également aux réseaux, au matériel, aux logiciels et à l'architecture système, jetant ainsi une base solide pour parvenir à la numérisation, à la mise en réseau et à l'intelligence dans les usines et les ateliers.
L'automatisation ouverte stimulera le développement rapide de l'Internet industriel, résolvant à terme les problèmes des utilisateurs finaux, des intégrateurs de systèmes et des équipementiers. Cette approche permet une production flexible, réduit les délais de-mise sur le marché-, réduit le temps et les coûts d'ingénierie, améliore l'efficacité opérationnelle et de production et protège la propriété intellectuelle. En effet, une étude comparative récente réalisée par une société tierce internationale-le souligne efficacement : pour mener à bien un projet d'automatisation typique à petite échelle-(tâches comprenant la création d'applications, l'importation de bases de données pertinentes, l'établissement d'une logique, la configuration des appareils, le développement d'IHM et le déploiement du projet), les outils logiciels d'automatisation traditionnels nécessitaient 40 heures. En revanche, l'utilisation d'un système d'automatisation ouvert a réduit ce temps de 68 %. Pour tester l'agilité du système, les contrôleurs ont été échangés manuellement entre les appareils et de nouveaux contrôleurs configurés pour les appareils d'origine. Ces opérations se sont avérées lourdes avec les systèmes propriétaires traditionnels, alors que les systèmes d'automatisation ouverts les exécutaient 70 à 80 % plus rapidement.
En résumé, la capacité du futur Internet industriel à surmonter les goulets d’étranglement actuels et à faire progresser la transformation numérique des entreprises industrielles en profondeur et en ampleur dépend de la mise en place d’un système d’automatisation ouvert fondé sur de nouveaux concepts, architectures et normes. Les systèmes propriétaires traditionnels-centrés sur le matériel seront remplacés par des systèmes ouverts-centrés sur le logiciel. Davantage de technologies cloud seront appliquées à l'edge computing, permettant à un large bassin de talents informatiques de s'intégrer en profondeur aux connaissances des applications industrielles dans ce cadre ouvert. Nous pouvons prévoir que l’Internet industriel tracera une voie saine et durable en tirant parti de cet écosystème ouvert.